JP4611260B2

JP4611260B2 - 金属管柱基部構造体

Info

Publication number: JP4611260B2
Application number: JP2006214249A
Authority: JP
Inventors: 進水上; 惟敬小寺
Original assignee: Ｊｆｅ西日本ジーエス株式会社
Priority date: 2000-12-13
Filing date: 2006-08-07
Publication date: 2011-01-12
Anticipated expiration: 2021-12-12
Also published as: JP2006307640A

Description

本発明は、立設する金属管柱の基部構造体に関し、特に街路や高架道路などの道路の路傍、または、公園などに設置し、照明用および標識用やカメラ、マイクロフォン、スピーカ等の設備設置用等として適用される金属管柱の基部構造体に関する。

金属管柱の基部には、風力、交通振動などによって横方向への繰り返しの応力が加えられる。その応力に対抗して金属管柱の倒壊を防ぐため、補強材として所要数の縦リブが設けられている。
金属管柱は、数メートルの高さ位置に照明灯や標識等の比較的軽量の設備を保持するものであり、その外径は概ね５〜50cm程度とされる。

また、金属管柱は、一般用の建築用構造部材とは異なり、上方からの大きな荷重が掛からないため、たとえば鋼管柱の場合、（社）建設電気技術協会の道路照明器材仕様書等の基準に定められるように、肉厚３〜９mm程度のものが使用されている。
一般に、金属管柱は風雨に曝される場所で使用されるため、風力や交通振動などによって横方向への荷重が掛かったときに、その基部において折損し倒壊することのないように十分な強度を保持できる設計がなされている。また、金属管柱の外径は、一般的に１／100〜１／75程度のテーパが設けられており、先端が先細りとなったテーパ管とされている。

従来の金属管柱の基部構造体の代表的な例を図６に示す。
図６に示すように、金属管柱１の下端部には、金属管柱１を支持するベースプレート５が係設して接合されている。ここで、金属管柱１は、例えば、ベースプレート５に穿設された穴に嵌挿され、2bで示す箇所を円周方向に溶接して接合される。ただし、金属管柱１とベースプレート５の接合方法としては、金属管柱１の下端部とベースプレート５の上面部とを溶接接合するようにしているものもある。

また、ベースプレート５には、設置・固定のため所要数のアンカー取付穴６が穿設されている。
さらに、ベースプレート５から金属管柱１の下部にかけては、縦方向に所要数の縦リブ４が配設されている。この縦リブ４は、金属管柱１にかかる四方からの荷重に耐える構造とする必要があることから、金属管柱の円周方向等間隔に少なくとも４個、場合によっては６ないし８個設けられる。なお、縦リブ４と、金属管柱１およびベースプレート５とは、溶接接合されるのが一般的である。

このような金属管柱としては、一般に鋼管柱が使用されるが、用途や設置環境に応じてアルミ管柱等の種々の金属管柱が用いられる。

しかしながら、風力や交通振動などによって常時、繰り返してかかる横荷重のため、長年の使用によって、特に縦リブの上端溶接部（図６に示す2aの位置）に疲労に基づく亀裂が発生する可能性が高いという問題があった。これは、金属管柱に横荷重がかかると、それによって発生する応力が、この上端の溶接部2aに集中し、縦リブ上端部の隅肉溶接止端部である溶接部2aが応力集中部３ともなってしまうためである。

本発明は、金属管柱の基部に設けた縦リブ近傍に発生する応力集中を緩和し、疲労等に基づく亀裂の発生を防止し、金属管柱の耐久性向上を可能とした金属管柱基部構造体の提供を目的とする。

本発明者らは、鋼管柱を例として、金属管柱の基部に設けた縦リブ近傍に発生する応力について、ＦＥＭ（有限要素法）を用いた数値解析を実施した。
その結果、縦リブ上端部には、縦リブのない場合に比べて約４倍程度の応力集中が発生することが明らかとなった。
しかも、縦リブ上端部は、通常、溶接されているため、溶接欠陥がある場合には、上記の応力集中が発生すると、その応力集中に起因して亀裂が発生しやすくなる。また、溶接欠陥が無い場合であっても、応力が繰り返しかかる結果、疲労破壊が生じる可能性が高くなる。

このような応力集中は、すでに説明したように鋼管柱基部の構造に由来することが知られている。すなわち、一般に金属管柱基部において同様の応力集中が生じる。
本発明者らは、金属管柱基部構造体の補強構造を工夫することで、応力集中を緩和して疲労破壊の発生を大幅に低減できることを見いだした。
すなわち、本発明は、下記各項記載の金属管柱基部構造体によって上記課題を解決したのである。

（１）テーパ管である金属管柱と、該金属管柱の下部に嵌装され、該金属管柱を拘持する外装支持管と、前記外装支持管が外装する範囲の少なくとも一部に対応して重なる内装支持管とを有し、前記外装支持管による金属管柱の拘持が、前記外装支持管を前記金属管柱外面に圧入して嵌装した摩擦接合によるものであり、前記外装支持管に縦リブと前記金属管柱の下端部がベースプレートの上に溶接接合されずに載置されている前記ベースプレートとが溶接接合され、前記外装支持管は、前記圧入の際、前記金属管柱の内面側に座屈防止として内装されたものであることを特徴とする金属管柱基部構造体。

本発明によって、従来ウィークポイントであった金属管柱基部に縦リブを設けた際の縦リブ上端部での応力集中を大幅に緩和することが可能となり、金属管柱基部での破断・折損事故を激減することが可能となった。又、外装支持管部を有する構成では、応力集中部に金属管柱自身の溶接部がないため、溶接による金属管柱の組織の変化、硬度の増加、残留応力等がなく、金属管柱の耐久性を大幅に向上させることができた。

更に、内装支持管を利用することで、金属管柱外面に縦リブを溶接しても板厚増加の効果で応力集中を緩和でき、金属管柱の耐久性を大幅に向上させることができた。

本発明の金属管柱基部構造体の好適な実施の形態を、テーパ管である鋼管柱を例として、図１に示す部分断面図に基づいて説明する。ここで、図１ではそれぞれ左半分を断面図として示している。
鋼管柱１の下部には外装支持管10が嵌装されている。また、外装支持管10の外面には所用数の縦リブ４を付設して接合している。一方、鋼管柱１の下端部はベースプレート５の上に溶接接合されずに載置されている。

縦リブ４は、円周方向等間隔に少なくとも４箇所以上設けられるが、４〜８箇所に設けることを好適とする。なお、８箇所を超える個数の縦リブ４を設置しても機能的には問題ないものの、コスト的には不利となる。
図１の例においては、外装支持管10に付設した縦リブ４とベースプレート５を溶接接合することと、鋼管柱１の下端はベースプレート５の上に溶接接合されずに載置されていることを特徴とする。そして、外装支持管10は、鋼管柱１に圧入して嵌装し、摩擦接合によって保持することを特徴とする。尚、圧入の際、鋼管柱１の内面側に座屈防止として内装支持管20を設けている。

内装支持管20は、外装支持管10が鋼管柱１を外側から拘持し、さらに好適には、摩擦力で支持するのに対して、鋼管柱１の内面側からも支持することで鋼管柱１を内外面から挟み込んで固定するものである。内装支持管20は、その下部を溶接部21として鋼管柱１の内面と溶接接合して固定することが好適である。このように、内装支持管20を設けることで、鋼管柱１の応力伝達部での溶接を解消できるうえ、さらに、鋼管柱基部の断面を厚くすることができ、強度の向上を図ることができる。

なお、内装支持管20の取付位置は、外装支持管10の位置と少なくとも一部が対応していなければならない。好適には、鋼管柱１の最下端の外径をＤとして、内装支持管20と外装支持管10の対応が１Ｄ以上となるようにする。内装支持管20の材質は、普通鋼等、適宜選択することができ、特に限定しない。SS400相当の鋼材の場合、鋼管柱の厚さをｔとして、1.5ｔ〜３ｔ程度の厚さとすれば十分である。

又、摩擦接合力を増すため、更にボルト等による固定を加えても、また、図５に示すようにクサビ17等を用いて固定してもよい。
このように外装支持管と鋼管柱とを溶接接合せずに摩擦接合とすることで、鋼管柱基部の応力の高い部分での溶接を避けることができ、また、鋼管柱１に加わる応力が外装支持管10全周の広い範囲に均等に伝わり、その力を分散することができるのである。

外装支持管10の高さは、鋼管柱１の下端部の外径をＤとして、１Ｄ〜４Ｄとすることを好適とする。１Ｄ未満であると、横方向の応力がかかったときに、外装支持管上端部に相当する鋼管柱の位置に応力が集中することになり、この部位での亀裂、破断が起きる可能性があるからである。また、４Ｄを超える高さまで外装支持管を設置することについては、応力集中緩和の効果は認められるものの、その効果は４Ｄ相当の場合と大差なく、外装支持管の材料費を考慮すると、４Ｄ程度の高さまでで十分である。

又、外装支持管の板厚は、鋼管柱の板厚（ｔ）に対し1.5〜３ｔ位とし、外装支持管にかかる応力そのものを低くする。
以上説明したように、本発明によって、縦リブにかかっていた応力集中を分散させることができるようになり、鋼管柱の折損事故につながる恐れのある鋼管柱の亀裂を大幅に低減することができるようになった。

なお、ここでは、各部材の接合を、最も一般的に行われている溶接接合として説明したが、これに限定されるものではなく、リベット、ボルト等を用いての接合であっても良いことは言うまでもない。
また、外装支持管と縦リブを一体構造として成形するようにしてもよい。
さらに、図２、図３に示すように、内装支持管20の上部に、鋼管柱１の内面側に接触しない小径のパイプである内挿延長管部20aを繋合して内包させてもよい。こうすることで、鋼管柱基部の応力集中部等で万一亀裂が生じた場合に、鋼管柱自体が倒壊することを防止可能となる。すなわち、鋼管柱の亀裂部位よりも上部が倒れようとしても、内包されている内挿延長管部に支えられ、直ちに倒壊することを防止することができる。そのため、完全に倒壊する前に、亀裂の入った鋼管柱を撤去し、交換することができ、鋼管柱の倒壊事故を大幅に減少することができる。この完全倒壊を防止するには、内挿延長管部の長さを１Ｄ以上とすることが好適である。

なお、内装支持管20と内挿延長管部20aの繋合位置は、図２に示すように外装管10の上端部よりも上側としても良く、また、図３に示すように、外装管10の上端部よりも下側としても良い。
なお、内装支持管やベースプレートの板厚を増すなどすることで、金属管柱下部外面の縦リブを使用せず、金属管柱と内装支持管のみの構造とすることも可能である。このような構造とすることで、外観をリブのないすっきりとした形状とすることができて、デザインのバリエーションを多様にできるという利点がある。

また、内装支持管の厚さは、鋼管柱下部の厚さをｔとしたときに、1.5ｔ〜３ｔ程度とすれば良い。1.5ｔ未満であると、鋼管柱本体にかかる応力を低減する効果が小さくなる。また、３ｔを超えて内装支持管の厚さを大きくしても材料コストの増加に対する応力低減の効果が小さくなるためである。
以上の説明では、金属管柱として鋼管柱を用いた例を示したが、金属管柱にかかる応力は、金属管柱下部の基部構造に依存するところが大きいため、鋼管のみならず、アルミ管等の金属管からなる柱体の基部構造について共通している。なお、本発明の金属管柱基部構造体においては、金属管柱を形成する金属と、外装支持管、内装支持管等の金属は同じものとすることを好適とするが、異種金属で構成することも可能であることは言うまでもない。

本発明の金属管柱基部構造体の性能を検証するため、図４に示す疲労試験機を用いた疲労試験を実施した。なお、金属管としては、鋼管を適用した。
図４の疲労試験機で実施した試験の概要について説明する。
まず、試験を行う鋼管柱基部構造体、すなわち、試験体30を横にし、その底部を反力壁31に固設する。なお、図４に示す試験体30は、リブを鋼管柱に直付けした従来の鋼管柱基部構造体である。

次に、試験体30の頂部を加振治具35で保持し、加振治具35に連結した50ｔ油圧サーボ式の油圧加振機34で振動を与えて疲労試験を行う。
ここで、試験体30の応力集中点である着目箇所Ｓには、図示しない応力集中ゲージを貼付する。この応力集中ゲージは、２mmピッチの５素子の歪みゲージから構成され、各歪みゲージの測定値から応力集中値を計測するものである。

また、試験体30には、着目箇所Ｓの位置から20mmの上下位置に計測用歪みゲージ32を貼付し、また、100mmの上下位置に制御用歪みゲージ33を貼付する。
そして、まず、100mmの位置の歪ゲージの値をモニタしながら、油圧加振機34で試験体30に圧力を加え、そのモニタ値が、例えば、200MPaとなる時の制御用歪みゲージ33の値を基準値として記録する。この時の制御用歪みゲージの応力値（ここでは、200MPaとしている）を加振振幅応力とよぶ。

次に、この制御用歪みゲージ33の値を入力として、所定の加振振幅応力となるように加振を行なう。ここで、加振周期は、0.5〜３Hz程度である。
以上の疲労試験では、計測用歪みゲージ32の値を継続してモニタし、その計測値が所定値となった時点の加振回数を求めることで疲労強度の推定を行う。
一般に、継手などの疲労強度を評価する際には、疲労試験で亀裂が発生する位置、すなわち、応力集中部の位置でのノミナル応力を使用する。この場合のノミナル応力とは、その位置で応力集中がなかった場合にかかる応力のことで、実際の疲労試験では、応力集中の影響のない位置の応力を測定し、その値を応力集中部（亀裂発生位置）の位置に換算した値をノミナル応力値として使用する。

本実施例では、試験開始時の95％時点での加振回数をベースとし、別途求めておいたＳ−Ｎ曲線上でフィッティングを行い、200万回加振時点での推定疲労強度を算出している。なお、ここでは、Ｓ−Ｎ曲線についての説明は省略する。
ここで、試験は、リブを鋼管柱に直付けした従来の鋼管柱基部構造の試験体（従来例）と、外装管を鋼管柱外面に摩擦接合した外装管方式の鋼管柱基部構造の試験体（本発明例）について実施した。その結果を表１に示す。

従来例では、ノミナル応力値168MPaで８万回の加振を行った時点で、計測用歪みゲージ32の応力値が試験開始時の95％となった。また、この時点で、応力集中点に亀裂が認められた。これをＳ−Ｎ曲線状でフィッティングすることで、200万回時点推定疲労強度として34MPaの値をえた。なお、従来例での鋼管柱の径は188mmφである。
一方、上記従来例と同径の188mmφの鋼管柱を用いた本発明例において、ノミナル応力値を259MPaとした場合、加振回数148万回で計測用歪みゲージ32の応力値が試験開始時の95％となった。このデータを基にＳ−Ｎ曲線状でのフィッティングを行い、200万回時点推定疲労強度の算出を行った結果、234MPaの値を得た。

表１の結果から、本発明例と従来例との推定疲労寿命の比較をした結果を表２に示す。

一般に、鋼構造物の疲労設計に使用されている日本鋼構造協会の「鋼構造物の疲労設計指針」によると、応力と疲労寿命の関係として、疲労寿命は（疲労強度／振幅応力）の３乗に比例するといわれている。このことから、前記試験結果を基に従来例に対する本発明例の鋼管柱基部構造は疲労強度で6.9倍であることから、疲労寿命で300倍以上であることが推定できる。

すなわち、本発明により、鋼管柱基部構造の著しい耐久性向上を達成した。

本発明の好適な実施の形態を示す部分断面図である。図１の例に、更に延長部を具備させた例を示す部分断面図である。図２の変形例を示す部分断面図である。本発明の検証に用いた疲労試験機の模式図である。外装支持管による摩擦接合力を増すためにくさびを用いた例を示す部分断面図である。従来の金属管柱基部構造体の模式図である。

符号の説明

１金属管柱（鋼管柱）
2a、2b 溶接部
３応力集中部
４縦リブ
５ベースプレート
６アンカー取付穴
10 外装支持管
17 くさび
20 内装支持管
20a （内挿）延長管部
21 溶接部
30 （金属管柱基部構造体の）試験体
31 反力壁
32 計測用歪みゲージ
33 制御用歪みゲージ
34 油圧加振機（アクチュエータ）
35 加振治具
Ｓ応力集中点（着目箇所）

Claims

テーパ管である金属管柱と、該金属管柱の下部に嵌装され、該金属管柱を拘持する外装支持管と、前記外装支持管が外装する範囲の少なくとも一部に対応して重なる内装支持管とを有し、前記外装支持管による金属管柱の拘持が、前記外装支持管を前記金属管柱外面に圧入して嵌装した摩擦接合によるものであり、前記外装支持管に縦リブと前記金属管柱の下端部がベースプレートの上に溶接接合されずに載置されている前記ベースプレートとが溶接接合され、前記内装支持管は、前記圧入の際、前記金属管柱の内面側に座屈防止として内装されたものであることを特徴とする金属管柱基部構造体。