JP2017040088A - フランジ接合部補強治具 - Google Patents

Abstract

【課題】締付部材が不要で締め付け力等の管理の必要がなく、適切な疲労強度の向上ができ、また多くの工数を必要とせずに取り付けができるフランジ接合部補強治具を提供する。
【解決手段】本発明に係るフランジ接合部補強治具１は、基端側にボルト１３が挿通されるボルト挿通孔１５を有すると共に上水平フランジ部５のフランジ面に配置されたときに先端側が上水平フランジ部５の端部よりも延出する平板状の上片部７と、基端側にボルト１３が挿通されるボルト挿通孔１５を有すると共に下水平フランジ部３のフランジ面に配置されたときに先端側が下水平フランジ部３の端部よりも延出する平板状の下片部９と、一端側が上片部７の先端側に連続し、他端側が下片部９の先端側に連続しており、上水平フランジ部５と下水平フランジ部３の基部が上下方向に離れたときに下片部９の基端側と上片部７の基端側が離れようとするのに抵抗する縦片部１１とを備えてなる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、下側の鋼管の端部に設けられた下水平フランジ部と、上側の鋼管の端部に設けられた上水平フランジ部をボルト及びナットによって接合して前記鋼管同士を接合してなるタワー構造体におけるフランジ接合部を補強するフランジ接合部補強治具に関する。

フランジによって鋼管同士を接合するフランジ接合部を補強するフランジ接合部補強治具としては、例えば特許文献１に開示されたフランジ補強治具がある。
特許文献１のフランジ補強治具は、「管フランジ継手のフランジ接合部におけるフランジ補強治具であって、該フランジ補強治具が、フランジ接合部をまたぐようにフランジ周方向に間隔をおいて配される複数の補強部材と、フランジ部背面付根部分に当接した状態で、前記補強部材によりフランジ部背面に押し当てられる当て部材と、前記複数の補強部材を管体に固定するための締付部材とからなり、
前記補強部材が、一方のフランジ部背面の付根部分に当接する押圧部Ａ１と、前面が他方のフランジ部背面の付根部分に当接した前記当て部材背面に当接し、該当て部材をフランジ部背面に押し当てる押し当て部Ａ２と、該押し当て部Ａ２側に管壁に沿うように突出して設けられた締付部Ａ３とを有し、
前記締付部材がリング形状を有し、前記複数配される補強部材のそれぞれの締付部Ａ３を、管の中心方向に締付可能に構成されていることを特徴とする」ものである（請求項１参照）。

特開２００６−３２９３４０号公報

鋼管同士をフランジ接合したタワー構造体として、例えば図６に示すような風力発電設備１７の塔体１９がある。
風外力の作用時や風車発電時などでは、塔体１９頂部に設置されるブレード２１に風力が作用することにより、塔体１９に転倒モーメントが作用する。転倒モーメントの作用により、塔体１９の断面には繰り返し応力が作用する。一般的に風力発電設備の供用期間は２０年とされているが、この２０年間に、約２億回に及ぶ繰り返し応力が作用すると想定される。

このような風力発電設備１７の塔体１９は、図７に示すように、鋼管端部に形成された内向きの上水平フランジ部５と下水平フランジ部３（断面Ｌ型フランジ）をボルト２３及びナット２５によってボルト接合されて形成されている。このため、塔体１９に風荷重が作用した場合、図８に示すように、風上側ではフランジ部が開くような挙動となり（図８（ａ）参照）、他方風下側ではフランジ部に押し付け力が作用する（図８（ｂ）参照）。
この場合、図８（ａ）に示す塔体１９の風上側では、ボルト２３にフランジ端部を支点とした“てこ反力”により繰り返し応力が発生する。
内向きフランジ（断面Ｌ型フランジ）では、この“てこ反力”がボルト２３に作用するという特徴があり、フランジ部分の幅が大きい場合、力点と支点の距離が長くなるため、“てこ反力”が大きくなる。

このような“てこ反力”が原因で、設計で想定した以上の応力集中あるいは繰り返し応力によりボルトが疲労破壊し、風力発電設備の倒壊に繋がった事例が多く存在する。特に、卓越風向が特定される地形における風力発電設備では、塔体の特定の箇所のフランジ接合部にあるボルトに応力が集中するため、ボルトの疲労破壊は局所的に発生する。

ボルト疲労破壊の発生時には、新規ボルトへの取替えを行うことになるが、疲労破壊の発生は特定箇所に集中することが想定され、それ故に、新規ボルトへの取替え後も、同じ箇所で疲労破壊が繰り返し発生することが懸念される。

そこで、このような疲労破壊が生ずる特定のフランジ接合部に対して補強する必要があり、その補強方法として、例えば特許文献１に開示されたフランジ補強治具を適用した補強方法が考えられる。
しかしながら、この補強方法は補強部材をボルト、ワイヤやベルト等の締付部材によって固定する必要があり、確実な締付力を発揮するには、適切な締付力の管理が必要になる。
また、締付力の増加に伴い、応力状態が変化するため、既設のボルト内に生じる応力を簡易的に評価することは難しくなる。
また、過度な締め付けをした場合には、既設のボルトが負担する応力がなくなり、補強材の疲労破壊が生じる可能性もある。

また、風力発電設備の塔体のように大径の円筒管におけるボルト接合部には、必要な耐力を確保するために多数のボルトが使用される。特に、近年は風力発電設備の大型化により、必要な耐力は高まり、ボルト本数が増加する傾向にある。多数のボルトで構成される接合部にそれぞれ補強材を取り付けるには多くの工数が必要になる。

本発明は、かかる課題を解決するためになされたものであり、締付部材が不要で締め付け力等の管理の必要がなく、適切な疲労強度の向上ができ、また多くの工数を必要とせずに取り付けができるフランジ接合部補強治具を提供することを目的としている。

（１）本発明に係るフランジ接合部補強治具は、下側の鋼管の端部に設けられた下水平フランジ部と、上側の鋼管の端部に設けられた上水平フランジ部をボルト及びナットによって接合して前記鋼管同士を接合したタワー構造体におけるフランジ接合部を補強するフランジ接合部補強治具であって、
基端側に前記ボルトが挿通されるボルト挿通孔を有すると共に前記上水平フランジ部のフランジ面に配置されたときに先端側が前記上水平フランジ部の端部よりも延出する平板状の上片部と、基端側に前記ボルトが挿通されるボルト挿通孔を有すると共に前記下水平フランジ部のフランジ面に配置されたときに先端側が前記下水平フランジ部の端部よりも延出する平板状の下片部と、一端側が前記上片部の先端側に連続し、他端側が前記下片部の先端側に連続しており、前記上水平フランジ部と前記下水平フランジ部の基部が上下方向に離れたときに前記下片部の基端側と前記上片部の基端側が離れようとするのに抵抗する縦片部とを備えてなることを特徴とするものである。

（２）また、上記（１）に記載のものにおいて、前記縦片部は連続する部材からなることを特徴とするものである。

（３）また、上記（１）に記載のものにおいて、前記縦片部は、隙間によって分離されており、前記上水平フランジ部と前記下水平フランジ部の基部が上下方向に離れたときに前記隙間が閉じられて前記対向面が当接可能になっていることを特徴とするものである。

（４）また、上記（１）乃至（３）のいずれかに記載のものにおいて、全体形状が、側面視でＵ字又はコ字状であることを特徴とするものである。

本発明に係るフランジ接合部補強治具は、基端側にボルトが挿通されるボルト挿通孔を有すると共に上水平フランジ部のフランジ面に配置されたときに先端側が前記上水平フランジ部の端部よりも延出する平板状の上片部と、基端側に前記ボルトが挿通されるボルト挿通孔を有すると共に下水平フランジ部のフランジ面に配置されたときに先端側が前記下水平フランジ部の端部よりも延出する平板状の下片部と、一端側が前記上片部の先端側に連続し、他端側が前記下片部の先端側に連続しており、前記上水平フランジ部と前記下水平フランジ部の基部が上下方向に離れたときに前記下片部の基端側と前記上片部の基端側が離れようとするのに抵抗する縦片部とを備えてなることにより、締付部材が不要で締め付け力等の管理の必要のない簡易な治具により適切な疲労強度の向上ができ、また多くの工数を必要とせずに取り付けができる。

本発明の実施の形態１に係るフランジ接合部補強治具を説明する説明図であり、取り付け状態を示す図である。 本発明の実施の形態１に係るフランジ接合部補強治具を説明する説明図であって、取り外した状態を示す図である。 本発明の実施の形態１に係るフランジ接合部補強治具の他の態様を説明する説明図である。 本発明の実施の形態２に係るフランジ接合部補強治具を説明する説明図であり、取り付け状態を示す図である。 本発明の実施の形態２に係るフランジ接合部補強治具の他の態様を説明する説明図である。 鋼管同士をフランジ接合したタワー構造体の例として挙げた風力発電設備の説明図である。 図６に示したタワー構造体を構成する鋼管同士のフランジのボルト接合を説明する説明図である。 鋼管同士のフランジをボルト接合した際に作用する“てこ反力”を説明する説明図である。

［実施の形態１］
本発明の実施の形態１に係るフランジ接合部補強治具は、下側の鋼管の端部に設けられた下水平フランジ部３と、上側の鋼管の端部に設けられた上水平フランジ部５をボルト２３及びナット２５によって接合（図７参照）して鋼管同士を接合したタワー構造体におけるボルト接合部を補強するものである。
本実施の形態のフランジ接合部補強治具１は、図１、図２に示すように、厚板状の部材を押し曲げ加工して形成されたものであり、全体形状が側面視でコ字状をしており、上水平フランジ部５のフランジ面側に配置される上片部７と、下水平フランジ部３側に配置される下片部９と、一端側が上片部７に連続すると共に他端側が下片部９に連続する縦片部１１を備えている。
鋼管同士をフランジ接合したタワー構造体としては、上述した風力発電設備１７の塔体１９の他、橋脚、鋼製煙突などが挙げられる。
以下、上片部７、下片部９及び縦片部１１の詳細を説明する。

＜上片部＞
上片部７は、図２に示すように、矩形の平板状をしており、基端側にボルト１３が挿通されるボルト挿通孔１５を有すると共に上水平フランジ部５のフランジ面に配置されたときに先端側が上水平フランジ部５の端部よりも延出するように形成されている。
なお、上片部７の基端側とは、フランジ接合部補強治具１をタワー構造体におけるボルト接合部に設置した状態で上水平フランジ部５の基部側になる側をいい、上片部７の先端側とは、同様の状態で上水平フランジ部５の先端側になる側をいう。

ボルト挿通孔１５は２個形成されている。
なお、ボルト挿通孔１５に挿通されるボルト１３は、タワー構造体の下水平フランジ部３と上水平フランジ部５を固定するボルト２３と同径で、長さが長いものである。そして、大型の風力発電設備の場合、ボルト径は30〜50mmであるため、ボルト挿通孔１５に挿通されるボルト１３はこのボルト径と同径のものであることが必要である。

＜下片部＞
下片部９は、図２に示すように、上片部７と同様に、矩形の平板状をしており、基端側にボルト１３が挿通されるボルト挿通孔１５を有すると共に下水平フランジ部３のフランジ面に配置されたときに先端側が下水平フランジ部３の端部よりも延出するように形成されている。
なお、下片部９の基端側とは、フランジ接合部補強治具１をタワー構造体におけるボルト接合部に設置した状態で下水平フランジ部３の基部側になる側をいい、下片部９の先端側とは、同様の状態で下水平フランジ部３の先端側になる側をいう。
ボルト挿通孔１５は、上片部７と同様に２個形成されており、その径も上片部７のボルト挿通孔１５と同じである。

＜縦片部＞
縦片部１１は、一端側が上片部７の先端側に連続すると共に他端側が下片部９の先端側に連続している。縦片部１１は、フランジ接合部補強治具１を設置した状態において、上水平フランジ部５と下水平フランジ部３の基部が上下方向に離れたときに下片部９の基端側と上片部７の基端側が離れようとするのに抵抗する機能を有する。
本実施の形態の縦片部１１は、図２に示すように、平板状に形成されている。

フランジ接合部補強治具１は、図１、図２に示すように、側面視でコ字状をしているが、例えば補強対象のタワー構造体が大型の風力発電設備の場合、ボルト径は30〜50mmであり、上水平フランジ部５、下水平フランジ部３のフランジ幅はボルト径の2〜4倍、上水平フランジ部５及び下水平フランジ部３を重ねた厚さは200mm程度であるため、これに設置できる断面を有していることが好ましい。

＜取り付け方法＞
上記のように構成された本実施の形態に係るフランジ接合部補強治具１の取り付け方法を説明する。
フランジ接合部を接合するボルト１３を取り外し、コ字状のフランジ接合部補強治具１の基端側をフランジ接合部に挿入する。
そして、フランジ接合部のボルト孔と、フランジ接合部補強治具１における上片部７及び下片部９のボルト挿通孔１５を位置合わせして、ボルト接合する。このとき、ボルト１３の締め付け力の管理は、タワー構造体のフランジ接合部のボルト締付力と同等にすればよい。

＜作用の説明＞
風荷重が作用すると、上述したように、上水平フランジ部５及び下水平フランジ部３の端部を支点とする“てこの原理”によって上水平フランジ部５及び下水平フランジ部３は変形し、上水平フランジ部５と下水平フランジ部３の基部が開く。基部が開くと、上片部７の基部側が持ち上げられ、逆に下片部９の基部側が押し下げられる。このとき、縦片部１１が上記の動きに抵抗する作用を発揮し、ボルト１３に作用する引っ張り力の一部を負担し、ボルト１３に作用する引張り応力が緩和され、ボルト１３の疲労強度を向上させることができる。

また、本実施の形態では、既設のフランジ部分を修正することなくフランジ接合部の疲労強度を向上させることが可能であり、フランジ全体の再設計が不要であるため、簡易にフランジ接合部の疲労強度を向上させることができる。
また、使用するボルト１３は、既設のボルトと同径のものを用いればよく、ボルト再選定についても煩雑な作業が不要である。

また、特許文献１に示された従来の方法では、(a)補強部材および締付部材の製作・設計、(b)補強部材および締付部材の取り付け、(c)締付部材の締付力の導入、(d)締付力の確認といった工程が必要になる。
これに対して、本発明では、(a)フランジ接合部補強治具の製作・設計、(b)フランジ接合部補強治具の取り付けといった工程のみでフランジ接合部の疲労強度を向上させることができ、従来の方法に比較して工数を少なくできるという効果がある。
また、締付部材を必要としないことで、工数を削減可能なことに加え、締め付け力の管理が不要となることで、極めて簡易な取り付けを可能にしている。

風力発電設備のように風向が特定されて応力の集中が偏る場合、破損ボルトを新規ボルトに更新しただけでは、再び同じ箇所で疲労破壊が発生すると考えられる。本実施の形態のフランジ接合部補強治具１ではより簡易的に疲労強度を向上することが可能であるため、新規ボルトの設置時に併せて本発明に係るフランジ接合部補強治具１を設置することで同じ箇所での疲労破壊の発生を防止できる。

また、本実施の形態のフランジ接合部補強治具１は、破損箇所の範囲に合わせた合理的な補強が可能であり、特に風力発電設備は、その大型化に伴い、複数のボルト１３を使用する構造になっているが、本実施の形態のフランジ接合部補強治具１を用いた局所的な補強は極めて有効な補強方法となる。

なお、上記の説明では、フランジ接合部補強治具１の側面視の形状としてコ字状のものを例に挙げて説明したが、本発明のフランジ接合部補強治具１は上片部７、下片部９及び縦片部１１から形成されるものであれば形状はこれに限定されるものではなく、例えば図３に示すような側面視がＵ字状のものであってもよい。この場合、縦片部１１は平板状ではなく湾曲状に形成されている。
また、縦片部１１を平板状とする場合でも、縦片部１１と上片部７との接続面及び縦片部１１と下片部９との接続面は、直角とせずに、曲率半径が板厚の５０％程度の湾曲面によって連続させることが、応力集中の発生を避けるために好ましい。

［実施の形態２］
実施の形態２のフランジ接合部補強治具１６を図４に基づいて説明する。なお、図４において、図１と同一部分には同一の符号を付してある。
本実施の形態のフランジ接合部補強治具１６は、縦片部１１が隙間Ｓによって上縦片部１１ａと下縦片部１１ｂに分離されており、上水平フランジ部５と下水平フランジ部３の基部が上下方向に離れたときに隙間Ｓが閉じられて隙間Ｓを介して対向する上縦片部１１ａと下縦片部１１ｂの対向面が当接可能になっている。

縦片部１１に隙間Ｓを設けることで、以下に示すような「設計、製造上の効果」及び「機能面での効果」を奏することができる。
＜設計、製造上の効果＞
実施の形態１の場合、上片部７と下片部９の離間距離は補強対象としているフランジ接合部の厚みと同等に設定する必要がある。これに対して、実施の形態２のものでは、隙間Ｓがあるため、上記の離間距離を厳密に設定する必要がなく、製造が容易である。

＜機能面での効果＞
風荷重が作用すると、上述したように、上水平フランジ部５及び下水平フランジ部３の端部を支点とする“てこの原理”によって上水平フランジ部５及び下水平フランジ部３は変形し、上水平フランジ部５と下水平フランジ部３の基部が開く。基部が開くと、上片部７の基部側が持ち上げられ、逆に下片部９の基部側が押し下げられ、その結果、上縦片部１１ａと下縦片部１１ｂが互いに近づき、隙間Ｓの隙間距離が小さくなる。

しかし、前記基部の開き量が少ない状態では、隙間Ｓの隙間距離が縮まるだけで上縦片部１１ａと下縦片部１１ｂは当接しないのでフランジ接合部補強治具１６には応力が作用することはない。
このように、風荷重が小さい状態ではフランジ接合部補強治具１６に応力は作用せず、ボルト１３のみに応力が作用するので、フランジ接合部補強治具１６に常時応力が作用することはなく、フランジ接合部補強治具１６の疲労破壊を防止できる。

風荷重が大きくなり前記基部の開き量が大きくなり、上縦片部１１ａと下縦片部１１ｂがさらに近づいて隙間Ｓが閉じられると、上縦片部１１ａと下縦片部１１ｂの対向面が互いに当接して圧縮力を伝達する。
上縦片部１１ａと下縦片部１１ｂが圧縮力を伝達することで、ボルト１３に作用する引張り応力が緩和され、ボルト１３の疲労強度の向上を図ることができる。

本実施の形態のフランジ接合部補強治具１６においては、上縦片部１１ａと下縦片部１１ｂの対向面の隙間Ｓを調整することで、ボルト１３にどの程度の引張り応力が作用したときにフランジ接合部補強治具１６に応力が作用するかを調整できる。
すなわち、隙間Ｓの隙間距離が小さければボルト１３に作用する引張り応力が小さい状態からフランジ接合部補強治具１６に圧縮応力が作用し、逆に隙間Ｓの隙間距離が大きければボルト１３に作用する引張り応力がある程度大きくなった状態からフランジ接合部補強治具１６に圧縮応力が作用する。
そして、この隙間Ｓをどのように設定するかについては、例えばボルト１３が弾性限度の変形量の50%の変形をしたときに隙間距離がゼロになって、フランジ接合部補強治具１６に応力が作用するように設定するのが好ましい。
本実施の形態では、隙間Ｓの隙間距離を設定することで、多様な疲労強度を実現可能である。

なお、隙間Ｓの調整は、上縦片部１１ａ及び／又は下縦片部１１ｂの長さを調整することで容易に調整することができる。

なお、上記の説明では、フランジ接合部補強治具１６の側面視の形状としてコ字状のものを例に挙げて説明したが、本発明のフランジ接合部補強治具１６は上片部７、下片部９及び縦片部１１から形成されるものであれば形状はこれに限定されるものではなく、例えば図５に示すような側面視がＵ字状のものであってもよい。この場合、縦片部１１は平板状ではなく湾曲状に形成されている。
また、実施の形態１と同様に、縦片部１１を平板状とする場合でも、縦片部１１と上片部７との接続面及び縦片部１１と下片部９との接続面は、直角とせずに、曲率半径が板厚の５０％程度の湾曲面によって連続させることが、応力集中の発生を避けるために好ましい。

上記の説明ではフランジ接合部補強治具１６を押し曲げ加工によって形成する場合について説明したが、フランジ接合部補強治具１６の形成方法はこれに限定されるものではなく、溝形鋼や山形鋼を用いて、押し抜き加工又は切断加工等によって形成してもよい。

１ フランジ接合部補強治具（実施の形態１）
３ 下水平フランジ部
５ 上水平フランジ部
７ 上片部
９ 下片部
１１ 縦片部
１１ａ 上縦片部
１１ｂ 下縦片部
１３ ボルト
１５ ボルト挿通孔
１６ フランジ接合部補強治具（実施の形態２）
１７ 風力発電設備
１９ 塔体
２１ ブレード
２３ ボルト
２５ ナット
Ｓ 隙間

Claims (4)

1. 下側の鋼管の端部に設けられた下水平フランジ部と、上側の鋼管の端部に設けられた上水平フランジ部をボルト及びナットによって接合して前記鋼管同士を接合したタワー構造体におけるフランジ接合部を補強するフランジ接合部補強治具であって、
   基端側に前記ボルトが挿通されるボルト挿通孔を有すると共に前記上水平フランジ部のフランジ面に配置されたときに先端側が前記上水平フランジ部の端部よりも延出する平板状の上片部と、基端側に前記ボルトが挿通されるボルト挿通孔を有すると共に前記下水平フランジ部のフランジ面に配置されたときに先端側が前記下水平フランジ部の端部よりも延出する平板状の下片部と、一端側が前記上片部の先端側に連続し、他端側が前記下片部の先端側に連続しており、前記上水平フランジ部と前記下水平フランジ部の基部が上下方向に離れたときに前記下片部の基端側と前記上片部の基端側が離れようとするのに抵抗する縦片部とを備えてなることを特徴とするフランジ接合部補強治具。
2. 前記縦片部は連続する部材からなることを特徴とする請求項１記載のフランジ接合部補強治具。
3. 前記縦片部は、隙間によって分離されており、前記上水平フランジ部と前記下水平フランジ部の基部が上下方向に離れたときに前記隙間が閉じられて前記対向面が当接可能になっていることを特徴とする請求項１記載のフランジ接合部補強治具。
4. 全体形状が、側面視でＵ字又はコ字状であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載のフランジ接合部補強治具。