JP2020169557A - テーパー付鋼管杭及びその引き抜き方法 - Google Patents
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Abstract
Description
図1は、従来の水上風力発電設備1の一例の概略を示す図である。直径数mの1本の大口径杭(モノパイル)を水底の支持地盤に打ち込む、いわゆるモノパイル工法により設置された大口径杭2が水上の風力発電機3を支えている。通常、大口径杭2は、鋼管杭2と呼ばれる鋼製の円筒形状を有する中空の杭である。風力発電機3は、基礎である鋼管杭2の上にタワー31が設置され、タワー31上にナセル32とブレード33が設けられている。
図2は、本発明に係るテーパー付鋼管杭4の実施形態の一例を示す図である。図2(a)はテーパー付鋼管杭4の斜視図であり、図2(b)はテーパー付鋼管杭4の中心軸Oに沿った断面図である。風力発電機3側を支持する側に、すなわち水面側に、テーパー付鋼管杭4は直径D1(m)、鋼管肉厚t1(m)の円筒形状のストレート部41を有し、テーパー付鋼管杭4が水中地盤に打ち込まれる方向には、円筒形状のストレート部41に連接し且つ延伸して次第に縮径するテーパー部42を有する。テーパー部42の先端の直径はD2(m)、鋼管肉厚はt2(m)である。したがってD1>D2である。鋼管杭の全長はL(m)であり、円筒部41の全長はL1(m)、テーパー部42の全長はL2(m)である。したがって、L = L1 + L2の関係にある。水面側にストレート部41は中心軸(O)に直交する円形の開口部43を形成し、テーパー部42はテーパー付鋼管杭4が水底地盤に打ち込まれる方向に中心軸(O)に直交する円形の開口部44を形成する。D1>D2である。又、通常、テーパー付鋼管杭4の鋼管肉厚の厚さはt1 = t2である。しかし、鋼管杭の自重を減らすため、鋼管肉厚を薄くなるよう変化させてt1>t2とすることも可能である。テーパー付鋼管杭4の垂直軸と、テーパー面の側線がなす角度、すなわちテーパー角度はθである。通常、鋼管杭の材質は、SKK400、SKK490等である。
本発明に係るテーパー付鋼管杭4が備える特性を明確にすべく、支持地盤、風力発電機3、及び鋼管杭2とテーパー付鋼管杭4をモデル化して照査を行った。従来のテーパー部を有さない鋼管杭2(以下、「ストレート」鋼管杭」という。)とテーパー部を有するテーパー付鋼管杭4を比較照査にするにあたり、「洋上風力発電の技術マニュアル」2001年度版(著者(財)沿岸開発技術センター)の「3.2モノパイル基礎の式基礎の設計例」(以下、「設計例」という。)を参考にした。なお、「洋上風力発電の技術マニュアル」では洋上風車を想定しているが、本照査では、風車は陸上に設置されることとした。波力等の影響をなくし、ストレート杭2とテーパー杭4との比較を簡略にするためである。
地盤条件は以下のような特質を有する4層の地盤からなることとした。単純化のためである。実際には、鋼管杭が埋設設置される地盤は、設置場所により様々な地質、地質層厚を有するため、現地でのボーリング調査等が必要である。
上述の設計例ではD.L.+0.5m以深をモデル化しているため風車の転倒モーメントを作用させているが、本照査ではナセルのあるD.L.+60.00mまでをモデル化するため転倒モーメントは作用させないこととした。風車荷重は、暴風時の荷重組み合わせとする。なお、陸上設置を想定し設計例で載荷していた波力及び浮力は載荷させないものとした。暴風時の加重を以下に示す。
設計例で部材決定ケースとなった暴風時の荷重組み合わせとする。なお、陸上設置を想定し設計例で載荷していた波力及び浮力は載荷させないものとする。したがって、垂直加重=自重+風車荷重(暴風時)となる。
設計評価の基準となる許容応力度は、設計例と同じく1.0とした。
鋼管杭の部材照査に関しては、国土交通省監修の「杭基礎設計便覧」平成19年版、地盤支持力に関しては「港湾の施設の技術上の基準・同解説」平成19年版(以下、港湾基準)に従い照査を行なった。なお、簡易的な検討を行うため部分係数法による検討ではなく従来の許容応力度法による検討とした。
(1) 杭の根入れ長
テーパー付鋼管杭の根入れ長はテーパー付鋼管杭の3/βではなく地盤面での杭諸元に基づくストレート鋼管杭の3/βにより決定された。
(2) 応力度照査
試設計のため応力度比に余裕を持たないこととした。
(3) 杭の板厚
杭の板厚は9mm以上とし、かつ杭径に応じて t/D≧1.0% 程度となる様にした。
(4) 杭の板厚変化
杭の板厚変化の応力集中の影響を考慮し7mm以下とした。
(5) 杭の最大板厚
板厚40mmを超えると許容応力度が低減されるためt≦40mmとした。
(6) 杭頭変位
杭頭部(地盤面)での変位は杭径の1%以下(杭径1500mm以下の場合は15mm)とした。
(7) 杭の板厚変化点
本試設計では任意の位置に杭の板厚変化点を設定した。
σ:杭体に生じる曲げ応力度(N/mm2)
N:杭の軸力(N)
A:杭の有効断面積(mm2)
M:杭の曲げモーメント(N・mm)
Z:杭の有効断面係数(mm3)
である。
kh = 1500N
により算出した。ここにNは、地盤の硬さを示す指標であるN値である。
鋼管杭をどの程度地中に埋めるか、すなわち杭根入れ長は、港湾基準に従い、3/β以上とした。βは杭の特性値と呼ばれ、次式で求められる。
kh;横方向地盤反力係数(kN/m3)
D:杭の直径(m)
E:杭のヤング率(kN/m2)
I:杭の断面二次モーメント(m4)
である。
地盤に打撃工法により打ち込まれた杭の引き抜き力は、砂地盤の場合は、次式で求められる。
Rut:杭の最大引き抜き力(kN)
(1) ストレート部とテーパー部を有し、ストレート部の長さは、鋼管杭の全長の1/10〜1/3である。
(2) テーパー角度は1〜4(度)である。
(3) ストレート部の開口面積よりもテーパー部の先端の開口面積は小さく、少なくとも0.28(m2)である。
2 鋼管杭
3 風力発電機
31 タワー
32 ナセル
33 ブレード
4 テーパー付鋼管杭
41 ストレート部
42 テーパー部
43 第1開口部
44 第2開口部
Claims (5)
- 水上構造物を支持するために水底地盤に設置されるテーパー付鋼管杭であって、
一端に前記テーパー付鋼管杭の中心軸に直交する円形の第1開口部を形成する円筒形状を有するストレート部と、
前記ストレート部の他端に連接し且つ前記第1開口部の反対側に延伸し、前記中心軸方向に所定のテーパー角度で縮径し、先端に前記中心軸に直交する円形の第2開口部を形成するテーパー部と、
を有するテーパー付鋼管杭。 - 前記ストレート部の長さは前記テーパー付鋼管杭の長さの1/3〜1/10である請求項1に記載の鋼管杭。
- 前記テーパー角度は1〜4(度)である、請求項1又は2に記載のテーパー付鋼管杭。
- 前記第2開口部の開口面積は、前記第1開口部の開口面積より小さく、少なくとも0.28(m2)の面積を有する、請求項1〜3のいずれか一項に記載のテーパー付鋼管杭。
- 水上構造物を支持するために水底地盤に設置されるテーパー付鋼管杭を引き抜くための方法であって、
前記テーパー付鋼管杭は、
一端に前記テーパー付鋼管杭の中心軸に直交する円形の第1開口部を形成する円筒形状を有するストレート部と、
前記ストレート部の他端に連接し且つ前記第1開口部の反対側に延伸し、前記中心軸方向に所定のテーパー角度で縮径し、先端に前記中心軸に直交する円形の第2開口部を形成するテーパー部と、
を有するテーパー付鋼管杭、であることを特徴とする方法。
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