JP5198011B2 - タワー基礎 - Google Patents

Description

本発明は、鉄筋コンクリート製基礎の上部にアンカーを介してタワーを立設する際に用いるタワー基礎に関するものであり、特にタワー上部に風車及び発電機を備えた風力発電タワーの基礎として好適に用いられるものである。

従来、風力発電タワーをはじめとして種々のタワーが建設されており、強度や経済性を考慮して種々の提案がなされている。
例えば、基礎上に立設された頂部に風車及び発電機を備えた長柱状の風力発電タワーに関する技術が開示されている（特許文献１参照）。この特許文献１に記載された風力発電タワーは、短尺の多数のプレキャストコンクリート中空体を積み重ねてタワーを形成する。そして、横断面がＴ字状のプレストレストコンクリート補強部材をタワー本体の基底部側の外周に配設し、このプレストレストコンクリート補強部材を基礎及びタワー本体に結合固着したものである。

また、従来施工されてきた一般的な風力発電タワー基礎は、鉄筋コンクリート製基礎の上部にアンカーを介してタワーを立設したものである。ここで、鉄筋コンクリート製基礎の上部をペデスタル部、下部をフーチング部と称して説明を行う。
従来の風力発電タワー基礎において、ペデスタル部には、タワーとの接続のためのアンカーボルトが設置されており、ペデスタル部内部のアンカーボルト先端にアンカープレートが設置されている。そして、アンカープレートの内側と外側に、アンカーボルトから伝達される力を受けるための軸方向鉄筋が設置されている。
ここで、外周鉄筋の被り厚が小さい場合には、外周鉄筋間及び被りのコンクリートに割裂ひび割れが発生し、タワー基礎構造の破壊が発生する。

特開２００２−１２２０６６号公報

しかし、従来の風力発電タワー基礎の設計方法では、単なる曲げ部材の設計を行っているのみであり、上述した外周鉄筋間及び被りのコンクリートに発生する割裂ひび割れに関する破壊モードについては何ら考慮されていなかった。このため、今後の設計では、割裂ひび割れに関する破壊モードを考慮して、従来の設計で想定した耐荷力を超える荷重が加わる場合を想定しなければならない。
この点、近年になって、強風による風力発電タワー基礎の倒壊事例が発生したため、タワー基礎の外周部を補強するための鉄筋を配置する等、種々の対策が講じられているが、適切な設計法がないため、過剰な配筋を行っているのが現状である。

また、風力発電は、クリーンにエネルギーを製造することができる施設として期待されており、近い将来その設置数が約２５００機に達する見通しであり、安全性が高く経済性にも優れた風力発電タワー基礎の建設が強く望まれている。

本発明は、上述した事情に鑑み提案されたもので、十分な耐荷力を有して安全性が高く、さらに経済性に優れたタワー基礎を提供することを目的とする。

本発明のタワー基礎は、上述した目的を達成するため、以下の特徴点を有している。
すなわち、本発明のタワー基礎は、鉄筋コンクリート製基礎の上部にアンカーを介してタワーを立設する際に用いるタワー基礎であって、フーチング部の上部のペデスタル部に、タワーと接続するためのアンカーボルトを設置すると共に、ペデスタル部の内部に埋設されたアンカーボルトの下端部にアンカープレートを設置し、アンカープレートの内側と外側にアンカーボルトから伝達される力を受けるための内周鉄筋及び外周鉄筋からなる軸方向鉄筋を配設し、軸方向鉄筋にフープ筋を配設した構造を有し、条件式（１）乃至（３）を満足することにより、鉄筋を適切に配置して、使用する軸方向鉄筋量及びフープ筋量を減少させることを特徴とするものである。

Ｐ₀ ＞ Ｐ₁ ・・・ （１）
Ｐ₀＝（２πｃ×ｆ_ｔ×Ｌ／ｔａｎθ）＋（２π×Ｎ_w×Ａ_sw×ｆ_swy／ｔａｎθ） ・・・（２）
Ｐ₁＝Ｎ_s×Ａ_s×ｆ_y／２ ・・・ （３）
但し、
ｃ：外周鉄筋に対するコンクリートの被り厚
ｆ_ｔ：コンクリートの引張強度
Ｌ：軸方向鉄筋の定着長
Ｎ_w：フープ筋の段数
Ａ_sw：フープ筋の断面積
ｆ_swy：フープ筋の降伏強度
Ｎ_s：軸方向鉄筋の本数
Ａ_s：軸方向鉄筋の断面積
ｆ_y：軸方向鉄筋の降伏強度
θ：外周鉄筋の各節部に加わる応力の角度

このタワー基礎は、タワー上部に風車及び発電機を備えた風力発電タワー基礎に好適に用いることができる。

本発明のタワー基礎は、被りコンクリートの割裂破壊を未然に防止するために、薄肉円筒理論に基づく条件式を適用して設計を行っている。したがって、タワー基礎として十分な耐荷力を有しているため、安全性が高く、さらに過剰な配筋等を行う必要がないため、経済性に優れている。
特に、本発明を強風の影響が懸念される風力発電タワー基礎に適用した場合には、風力発電タワーの安全性が向上し、クリーンエネルギーである風力発電による電力供給の安定化を図ることができる。

以下、図面を参照して、本発明のタワー基礎の実施形態を説明する。
＜破壊メカニズムの概要＞
まず初めに、タワー基礎の破壊メカニズムの概要について説明する。図１（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）は、タワー基礎の破壊メカニズムを説明するための模式図である。

本発明の発明者等は、タワー基礎が破壊してタワーが倒壊する際に、従来の設計では考慮されていない破壊モードが存在することに想到した。この破壊モードは、ペデスタル部が薄肉円筒構造となることにより発生するものである。

図１（ａ）乃至（ｄ）に示すように、タワー基礎１０では、フーチング部２０の上部のペデスタル部３０に、タワー（図示せず）との接続のためのアンカーボルト４０が設置されており、ペデスタル部３０の内部に埋設されたアンカーボルト４０の先端（下端部）にアンカープレート５０が設置されている。また、アンカープレート５０の内側と外側に、アンカーボルト４０から伝達される力を受けるための軸方向鉄筋（内周鉄筋６０及び外周鉄筋７０）が配設されており、軸方向鉄筋にはフープ筋８０が配設されている。ここで、アンカープレート５０の内側に配設された軸方向鉄筋群を内周鉄筋６０と称し、アンカープレート５０の外側に配設された軸方向鉄筋群を外周鉄筋７０と称して説明を行う。

強風などの影響でタワーに横方向の力が加わり、ペデスタル部３０の内部に埋設されたアンカーボルト４０に対して、上方へ向かう力Ｐが加わったとする。力Ｐが設計値よりも過大であったとすると、アンカープレート５０付近からペデスタル部３０の内外へ向かうひび割れ１００が発生する（図１（ａ））。さらに、力Ｐが加わり続けると、ひび割れ１００がペデスタル部３０の外周へ向かって拡大し、内周鉄筋６０及び外周鉄筋７０に応力が発生する（図１（ｂ））。この際、発生する応力は、図中、矢印付き実線で示してある（以下、同様）。

そして、外周鉄筋７０に対するコンクリートの被り厚が小さい場合には、外周鉄筋７０と被りコンクリートとの間に割裂ひび割れ１１０が発生する（図１（ｃ））。割裂ひび割れ１１０が発生すると、外周鉄筋７０の定着力が低下して、肌別れ（薄肉円筒構造）が発生する。この状態から、力Ｐが加わり続けると、相対変位が拡大して内周鉄筋６０が破断する（図１（ｄ））。

このようにして、強風などの影響でタワーに横方向の力が加わると、アンカープレート５０部に発生したひび割れ１００が拡大して外周鉄筋７０部分の割裂ひび割れ１１０となり、ペデスタル部３０が薄肉円筒構造となって肌別れを生じ、ついには内周鉄筋６０が破断してしまう。

＜ペデスタル部のモデル化＞
次に、ペデスタル部における肌別れ（薄肉円筒構造）の発生について、ペデスタル部をモデル化して説明する。図２は、ペデスタル部の一般的な形状を示す模式図、図３は、ペデスタル部の破壊モードを薄肉円筒理論で計算するためのモデル化を説明するための模式図である。なお、図２（ａ）及び図３（ａ）は、ペデスタル部の横断面を示す模式図、図２（ｂ）及び図３（ｂ）は、ペデスタル部の縦断面を示す模式図である。

ペデスタル部３０の一般的な形状は、図２（ａ）、（ｂ）に示すようになる。図中、２０はフーチング部、３０はペデスタル部、７０は外周鉄筋、８０はフープ筋、４０はアンカーボルトを示す。また、図中、矢印付き実線は応力の方向を示すものである（図３において同様）。

そして、ペデスタル部３０の破壊モードを薄肉円筒理論で計算するためにモデル化を行うと、図３（ａ）、（ｂ）に示すように、外周鉄筋７０に応力が加わる。この際、図３（ｂ）に示すように、外周鉄筋７０の各節部には、下向き斜め４５度方向の応力が加わっている。

＜条件式＞
本発明のタワー基礎１０では、上述したように、タワー基礎１０が破壊する際にペデスタル部３０が薄肉円筒構造となるとの知見に応じて、薄肉円筒理論に基づく下記の条件式（１）乃至（３）を適用して設計を行うようになっている。

Ｐ₀ ＞ Ｐ₁ ・・・ （１）
Ｐ₀＝（２πｃ×ｆ_ｔ×Ｌ／ｔａｎθ）＋（２π×Ｎ_w×Ａ_sw×ｆ_swy／ｔａｎθ） ・・・（２）
Ｐ₁＝Ｎ_s×Ａ_s×ｆ_y／２ ・・・ （３）
但し、
ｃ：外周鉄筋に対するコンクリートの被り厚
ｆ_ｔ：コンクリートの引張強度
Ｌ：軸方向鉄筋の定着長
Ｎ_w：フープ筋の段数
Ａ_sw：フープ筋の断面積
ｆ_swy：フープ筋の降伏強度
Ｎ_s：軸方向鉄筋の本数
Ａ_s：軸方向鉄筋の断面積
ｆ_y：軸方向鉄筋の降伏強度
θ：外周鉄筋の各節部に加わる応力の角度
以下、各条件式の技術的意義について説明する。

条件式（２）は、軸方向鉄筋の引き抜きに対する定着力を定義したものである。条件式（２）において、前項の（２πｃ×ｆ_ｔ×Ｌ／ｔａｎθ）は、コンクリート部分の定着力を表すものである。すなわち、前項は、薄肉円筒構造におけるコンクリートの被り厚ｃと、コンクリートの引張強度ｆ_ｔと、軸方向鉄筋の定着長Ｌとの積を、ｔａｎθで除したものである。なお、本実施形態において、θの値は４５度である。

また、条件式（２）において、後項の（２π×Ｎ_w×Ａ_sw×ｆ_swy／ｔａｎθ）は、フープ筋８０の定着力を表すものである。すなわち、後項は、薄肉円筒構造におけるフープ筋８０の段数Ｎ_wと、フープ筋８０の断面積Ａ_swと、フープ筋８０の降伏強度ｆ_swyとの積を、ｔａｎθで除したものである。なお、本実施形態において、θの値は４５度である。

条件式（３）は、軸方向鉄筋の引き抜き方向の力を定義したものである。すなわち、条件式（３）は、軸方向鉄筋の本数Ｎ_sと、軸方向鉄筋の断面積Ａ_sと、軸方向鉄筋の降伏強度ｆ_yとの積を１／２としたものである。この条件式（３）において、すべての軸方向鉄筋に加わる力の１／２を軸方向鉄筋の引き抜き方向の力としているのは、強風などの影響でタワーに対して横方向の力が加わると、ペデスタル部３０の一側では引き抜き力となり、他側では圧縮力となるためである。

条件式（１）は、軸方向鉄筋の引き抜きに対する定着力Ｐ₀が、軸方向鉄筋の引き抜き方向の力Ｐ₁に勝ることを定義したものである。この条件式（１）を満足することにより、強風などの影響でペデスタル部３０に引き抜き方向の力が加わったとしても、軸方向鉄筋の定着力により、タワーを安定して支持することができる。

本発明の実施形態に係るタワー基礎１０では、上述した条件式（１）乃至（３）のすべてを満足することにより、耐荷性、安全性、設計の妥当性、及び経済性が向上する。
すなわち、被りコンクリートの割裂破壊が防止されるため、耐荷力の向上が可能となる。また、タワー基礎１０の破壊メカニズムに即しているため、破壊に対する不確実性が小さくなり、安全性が向上する。また、タワー基礎１０の破壊メカニズムに即しているため、適切な設計が可能となる。また、従来の設計法では鉄筋が過剰に配置されていたが、本発明のタワー基礎１０では鉄筋が適切に配置されるため、使用する鉄筋量が減少して経済性が向上する。

＜他の実施形態＞
本発明のタワー基礎１０は、主としてタワー上部に風車及び発電機を備えた風力発電タワーの基礎として好適に用いられるものであるが、本発明を適用するタワー基礎１０は、風力発電タワーの基礎には限られない。すなわち、本発明のタワー基礎１０は、タワーに対して横方向の力（ペデスタル部３０において軸方向鉄筋を引き抜く方向の力）が加わるタワー基礎１０であれば、どのようなものにでも適用することができる。

タワー基礎の破壊メカニズムを説明するための模式図。 ペデスタル部の一般的な形状を示す模式図。 ペデスタル部の破壊モードを薄肉円筒理論で計算するためのモデル化を説明するための模式図。

符号の説明

１０ タワー基礎
２０ フーチング部
３０ ペデスタル部
４０ アンカーボルト
５０ アンカープレート
６０ 内周鉄筋
７０ 外周鉄筋
８０ フープ筋
１００ ひび割れ
１１０ 割裂ひび割れ

Claims (2)

1. 鉄筋コンクリート製基礎の上部にアンカーを介してタワーを立設する際に用いるタワー基礎であって、フーチング部の上部のペデスタル部に、タワーと接続するためのアンカーボルトを設置すると共に、前記ペデスタル部の内部に埋設された前記アンカーボルトの下端部にアンカープレートを設置し、前記アンカープレートの内側と外側に前記アンカーボルトから伝達される力を受けるための内周鉄筋及び外周鉄筋からなる軸方向鉄筋を配設し、前記軸方向鉄筋にフープ筋を配設した構造を有し、
   下記条件式（１）乃至（３）を満足することにより、鉄筋を適切に配置して、使用する軸方向鉄筋量及びフープ筋量を減少させることを特徴とするタワー基礎。
   Ｐ₀ ＞ Ｐ₁ ・・・ （１）
   Ｐ₀＝（２πｃ×ｆ_ｔ×Ｌ／ｔａｎθ）＋（２π×Ｎ_w×Ａ_sw×ｆ_swy／ｔａｎθ） ・・・（２）
   Ｐ₁＝Ｎ_s×Ａ_s×ｆ_y／２ ・・・ （３）
   但し、
   ｃ：外周鉄筋に対するコンクリートの被り厚
   ｆ_ｔ：コンクリートの引張強度
   Ｌ：軸方向鉄筋の定着長
   Ｎ_w：フープ筋の段数
   Ａ_sw：フープ筋の断面積
   ｆ_swy：フープ筋の降伏強度
   Ｎ_s：軸方向鉄筋の本数
   Ａ_s：軸方向鉄筋の断面積
   ｆ_y：軸方向鉄筋の降伏強度
   θ：外周鉄筋の各節部に加わる応力の角度
2. 前記タワー基礎は、タワー上部に風車及び発電機を備えた風力発電タワーの基礎であることを特徴とする請求項１に記載のタワー基礎。

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