JP5204107B2 - 構造部材用のフランジ継手 - Google Patents

Description

本発明は、たとえば風力発電装置のナセルを構成するＨ型鋼や角形鋼管等の構造部材どうしを接続（結合：連結）する構造部材用のフランジ継手に関するものである。

風力発電装置のナセル内には、たとえば増速機及び発電機を備えたドライブトレインや制御盤等の重量部品が設置される。このようなナセルには、Ｈ型鋼のような構造部材をフランジ結合した片持ち梁の構造が存在する。
Ｈ型鋼のような構造部材どうしをフランジ結合する場合、たとえば図５及び図６に示すように、構造部材の端部にフランジとなる板状部材（エンドプレート）が溶接により取り付けられたフランジ継手１０が用いられている。この場合、Ｈ型鋼（構造部材）１１の端部に付け合わせ溶接した板状部材１２がフランジとされ、互いの板状部材１２に設けた複数のボルト穴１３にボルト１４を通した後、ナットを締め込んで接合される。なお、図中の符号Ｗが溶接部である。

また、Ｈ型鋼のような構造部材により形成した梁材を柱部材の面に接合する接合構造及び接合方法としては、たとえば特許文献１や特許文献２に開示されたものが知られている。
特開平６−１２６４４４号公報 特開平７−２９２７７１号公報

近年、風力発電装置は大出力化とともに大型化する傾向にあるため、支柱や基礎等の負担を軽減するためにもナセル台板構造を軽量化することが求められている。
しかしながら、Ｈ型鋼１１等の構造部材端面に取り付けられる板状部材１２の溶接部Ｗは、部材断面の形状が変化する部分である。このような断面形状の変化は、溶接部Ｗに応力集中が発生する原因となる。

従って、溶接部Ｗに応力集中が発生する構造では、部材の疲労強度を考慮する場合において、構造部材の断面サイズが溶接部Ｗの断面形状により決定されることとなる。この結果、Ｈ型鋼１１等の構造部材強度（母材強度）に対して断面サイズを決定することができず、母材強度から選定された断面サイズよりも大きな構造を要求されることになるので、重量が重くなるだけでなく、鋼材の占有スペースも増大するという問題を有している。

本発明は、上記の事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、溶接部の応力集中を回避することにより母材強度に基づいた断面サイズの決定を可能とし、構造体の軽量化や小型化を実現することができる構造部材用のフランジ継手を提供することにある。

本発明は、上記課題を解決するため、以下の手段を採用した。
本発明に係る構造部材用のフランジ継手は、第１の構造部材及び第２の構造部材を結合する構造部材用のフランジ継手であって、前記第１の構造部材の端面が突き合せ溶接により接合された第１の溶接面を有する第１の板状部材と、前記第２の構造部材の端面が突き合せ溶接により接合された第２の溶接面を有する第２の板状部材とを備え、前記第１の板状部材が、前記第１の溶接面の両側の該第１の溶接面と連続する隣接位置に設けられた一対の第１の凹溝部を有し、前記第２の板状部材が、前記第２の溶接面の両側の該第２の溶接面と連続する隣接位置に設けられた一対の第２の凹溝部を有し、前記第１の板状部材の前記第１の溶接面の他面側と前記第２の板状部材の前記第２の溶接面の他面側とを合わせた状態にしてボルト接合することにより、前記第１の構造部材及び前記第２の構造部材を結合することを特徴とするものである。

このような構造部材用のフランジ継手によれば、構造部材の端面が接合される板状部材の一面側に、端面の溶接部形状に沿って凹溝部が設けられているので、部材断面の形状が変化する位置と溶接部の位置とは、凹溝部の深さ分だけ位置ずれしたものとなり、部材断面の形状が変化する位置の疲労強度を母材の強度で評価することができる。この場合の凹溝部は、比較的容易に加工し得ることから、略Ｕ字状の断面形状とすることが望ましい。

本発明の参考例に係る構造部材用のフランジ継手は、板状部材の一面側に構造部材の端面を溶接して接合し、前記板状部材の他面側を合わせた状態にして前記構造部材どうしを結合する構造部材用のフランジ継手であって、前記板状部材の構造部材接合面に凹溝部を設け、溶接部の位置を前記板状部材と前記構造部材とにより形成されるＴ字根元部から離間させたことを特徴とするものである。

このような構造部材用のフランジ継手によれば、板状部材の構造部材接合面に凹溝部を設け、溶接部の位置を板状部材と構造部材とにより形成されるＴ字根元部から離間させているので、Ｔ字根元部の疲労強度を母材の強度で評価することができる。この場合の凹溝部は、比較的容易に加工し得ることから、略Ｕ字状の断面形状とすることが望ましい。

本発明に係る風力発電装置は、請求項１に記載の構造部材用の継手構造を備えていることを特徴とするものである。
このような風力発電装置によれば、部材断面の形状が変化する位置の疲労強度を母材の強度で評価することができる継手構造を備えているので、ナセル台板等の構造体について小型化や軽量化が可能となる。

従って、本発明に係る構造部材用のフランジ継手及びこれを備えた風力発電用風車は、応力集中が発生する位置を溶接位置からずらすことにより、部材の疲労強度を考慮する場合において、構造部材の断面サイズを母材の強度に基づいて決定することができる。すなわち、本発明のフランジ継手を採用した構造体は、Ｈ型鋼等を用いる構造部材の母材強度を用いて断面サイズを決定することができるので、溶接部の強度から算出される従来構造と比較して、断面サイズの小さい構造部材を採用することができる。

換言すれば、本発明のフランジ継手は、溶接部の応力集中を回避することにより、母材強度に基づいた断面サイズの決定を可能にしているので、構造体の軽量化や小型化を実現することができる。
この結果、従来と比較して構造体の重量や構造部材占有スペースを低減できるので、構造体（たとえば風力発電装置のナセル台板等）の軽量化や小型化が可能となる。さらに、溶接部に対する応力集中の回避に加えて、締結面への溶接歪み伝播も回避できるようになるので、製品（たとえば風力発電装置等）の信頼性向上に大きな効果を奏する。

本発明の一実施形態に係る構造用部材のフランジ継手について、溶接前の状態を示す分解斜視図である。 図１に示した構造用部材のフランジ継手について、溶接後の状態を示す要部の縦断面図である。 本発明の一実施形態に係るフランジ継手を具備した風力発電装置を示す側面図である。 図３に示した風力発電装置について、ナセル内部の構造例を示す図である。 構造用部材のフランジ継手に関する従来例を示す図である。 図５の従来例について、溶接部の要部を示す縦断面図である。

符号の説明

１ 風力発電装置
３ ナセル
２０ フランジ継手
２１ Ｈ型鋼（構造部材）
２２ エンドプレート（板状部材）
２３ 凹溝部
２４ Ｔ字根元部
３０ ナセル台板
３４ ナセル台板本体
３５ 構造部材
Ｗ 溶接部

以下、本発明に係る構造部材用のフランジ継手（以下、「フランジ継手」という。）について、一実施形態を図１から図４を参照して説明する。
図３は、本実施形態に係るフランジ継手を具備した風力発電装置を示す側面図である。

図３に示す風力発電装置１は、基礎Ｂ上に立設される支柱（「タワー」ともいう。）２と、支柱２の上端に設置されるナセル３と、略水平な回転軸線周りに回転可能に支持されてナセル３に設けられるローターヘッド４とを有している。
ローターヘッド４には、その回転軸線周りに放射状にして複数枚（たとえば３枚）の風車回転翼５が取り付けられている。これにより、ローターヘッド４の回転軸線方向から風車回転翼５に当たった風の力が、ローターヘッド４を回転軸線周りに回転させる動力に変換されるようになっている。

ナセル３は、たとえば図４に示すように、支柱２の上端に取り付けられるナセル台板３０と、このナセル台板３０を上方から覆うカバー（不図示）とを有している。図示の構成例において、ナセル台板３０の上には、増速機３１、発電機３２及び制御板３３等の重量部品（機器）が搭載されている。
ローターヘッド４の回転は、増速機３１を介して増速された後、発電機３２を駆動して発電する。

さて、上述したナセル３は、ナセル台板３０が支柱２の上端部に回転可能に支持され、風向に応じて方向を変えることができる。このナセル台板３０は、支柱２上を回転するナセル台板本体３４からローターヘッド４と反対側へ延びるＨ型鋼等の構造部材３５を備えている。
この構造部材３５は、ナセル台板本体３４とフランジ継手２０を介して結合された片持ち梁構造となる。

以下では、上述した構造部材用のフランジ継手２０について、図１及び図２を参照して説明する。なお、図示のフランジ継手２０は、構造部材３５にＨ型鋼２１を採用した場合である。
フランジ継手２０は、エンドプレート（板状部材）２２の構造部材接合面（一面側）２２ａ側にＨ型鋼（構造部材）２１の端面２１ａを溶接して接合し、エンドプレート２２の非接合面（他面側）２２ｂを相手方の非接合面と合わせた状態にして、ボルト穴２５を通す複数本のボルト（不図示）により構造部材どうしを結合するものである。なお、互いに結合する構造部材３５については、たとえばＨ型鋼２１どうしのように、同種のものに限定されることはない。

Ｈ型鋼２１の端面２１ａが接合されるエンドプレート２２の構造部材接合面２２ａには、端面２１ａの溶接部形状に沿って凹溝部２３が設けられている。この凹溝部２３は、比較的容易に加工し得ることから、略Ｕ字状の断面形状とすることが望ましい。
構造部材としてＨ型鋼２１を採用した図示の構成例において、フランジ部２１ｂの両側に設ける凹溝部２３は必須である。しかし、ウェブ部２１ｃの両側については、上述したフランジ部２１ｂと比較した場合、要求される強度が小さいため凹溝部２３の形成は任意である。

すなわち、エンドプレート２２の構造部材接合面２２ａには、凹溝部２３を設けることでフランジ部２１ｂの断面形状と略同形状（矩形）の溶接面Ｗｆが形成され、凹溝部２３の深さ分だけＴ字根元部２４から高い位置にある溶接面Ｗｆとフランジ部２１ｂの先端部２１ａとが突き合わせ溶接される。一方、ウェブ部２１ｃの先端部２１ａについては、凹溝部２３が設けられていないため、図中に破線で示す構造部材接合面２２ａの溶接面Ｗｆ′に突き合わせて隅肉溶接されるが、フランジ部２１ｂと同様の溶接面Ｗｆを形成して突き合わせ溶接してもよい。

換言すれば、上述したフランジ継手２０は、エンドプレート２２の構造部材接合面２２ａ側にＨ型鋼２１の端面２１ａを溶接して接合し、エンドプレート２２の非接合面２２ｂ側を合わせた状態にして構造部材どうしを結合するもので、エンドプレート２２の構造部材接合面２２ａに凹溝部２３を設けることにより、溶接部Ｗの位置は、エンドプレート２２とＨ型鋼２１とにより形成されるＴ字根元部２４から、略凹溝部２３の深さに相当する分だけ離間している。

このようなフランジ継手２０によれば、Ｈ型鋼２１の断面形状が変化する位置と溶接部Ｗの位置とは、凹溝部２３の深さ分だけ位置ずれしたものとなり、Ｈ型鋼２１の断面形状が変化する位置の疲労強度については、エンドプレート２２の母材強度で評価することができる。すなわち、上述したフランジ継手２０は、エンドプレート２２の構造部材接合面２２ａに凹溝部２３を設け、溶接部Ｗの位置をＴ字根元部２４から離間させているので、Ｈ型鋼２１の断面形状が変化する位置となるＴ字根元部２４の疲労強度については、Ｔ字根元部２４が形成されているエンドプレート２２の母材強度で評価することができる。

従って、上述したフランジ継手２０は、応力集中が発生する位置（Ｔ字根元部２４）を溶接部Ｗの位置からずらすことにより、Ｈ型鋼２１やエンドプレート２２等の構造部材３５について疲労強度を考慮する場合、構造部材３５の断面サイズを母材の強度に基づいて決定することができる。すなわち、本発明のフランジ継手２０を採用したナセル台板３０等の構造体は、Ｈ型鋼２１やエンドプレート２２等により構成される構造部材３５の母材強度を用いて断面サイズを決定することができるので、溶接部Ｗの強度から算出される従来構造と比較して、断面サイズの小さい構造部材３５を採用することができる。

このように、エンドプレート２２側の構造部材接合面２２ａに凹溝部２３を設け、溶接部Ｗをエンドプレート２２とフランジ継手２０のＴ字根元部２４から離れた位置に回避させることにより、Ｔ字根元部２４はエンドプレート２２の母材強度で疲労評価することが可能であり、溶接部Ｗは平板と平板とを突き合わせ溶接した溶接構造として評価することができる。
通常、一般圧延鋼の溶接部Ｗの溶け込み量が同程度である場合、材料が同じであっても、溶接部構造がＴ字かフラットな突き合わせのパターン（溶接脚長も含む）によってそれぞれが有する疲労強度は異なり、Ｔ字よりフラットな突き合わせ構造の方が疲労強度は高い。

すなわち、本発明のフランジ継手２０は、溶接部Ｗの応力集中を回避することにより、母材強度に基づいた断面サイズの決定を可能にしているので、フランジ継手２０を備えた構造体を軽量化及び小型化することができる。
この結果、構造体の重量や構造部材占有スペースを低減できるので、たとえば風力発電装置１のナセル台板３０等のような構造体について、軽量化や小型化が可能となる。

さらに、上述したフランジ継手２０は、溶接部Ｗに対する応力集中を回避できるようになり、しかも、締結面となるエンドプレート２２の構造部材接合面２２ａや非接合面２２ｂに溶接歪みが伝播することも回避できるようになるので、たとえば風力発電装置１等の製品信頼性を向上させることができる。

ところで、上述した実施形態では、本発明のフランジ継手２０が風力発電装置１のナセル台板３０に適用される場合について説明したが、これに限定されることはなく種々の適用例が可能である。また、エンドプレート２２と溶接される構造部材３５についても、上述したＨ型鋼２１に限定されることはなく、チャンネル材やアングル材など他の構造部材に適用可能なことは言うまでもない。
なお、本発明は上述した実施形態に限定されることはなく、その要旨を逸脱しない範囲内において適宜変更することができる。

Claims (2)

1. 第１の構造部材及び第２の構造部材を結合する構造部材用のフランジ継手であって、
   前記第１の構造部材の端面が突き合せ溶接により接合された第１の溶接面を有する第１の板状部材と、
   前記第２の構造部材の端面が突き合せ溶接により接合された第２の溶接面を有する第２の板状部材とを備え、
   前記第１の板状部材が、前記第１の溶接面の両側の該第１の溶接面と連続する隣接位置に設けられた一対の第１の凹溝部を有し、
   前記第２の板状部材が、前記第２の溶接面の両側の該第２の溶接面と連続する隣接位置に設けられた一対の第２の凹溝部を有し、
   前記第１の板状部材の前記第１の溶接面の他面側と前記第２の板状部材の前記第２の溶接面の他面側とを合わせた状態にしてボルト接合することにより、前記第１の構造部材及び前記第２の構造部材を結合することを特徴とする構造部材用のフランジ継手。
2. 請求項１に記載の構造部材用のフランジ継手を備えていることを特徴とする風力発電装置。

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