JP5741852B2

JP5741852B2 - 二重管構造

Info

Publication number: JP5741852B2
Application number: JP2011222894A
Authority: JP
Inventors: 冨永　知徳; 知徳冨永; 妙中　真治; 真治妙中
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2011-10-07
Filing date: 2011-10-07
Publication date: 2015-07-01
Anticipated expiration: 2031-10-07
Also published as: JP2013083070A

Description

本発明は、例えば風力発電の風車の支柱等に適用される二重管構造に関する。

洋上風力発電に用いられる風車等のタワー構造では、規模の大型化が進んでおり、使用される支柱の板厚も１００ｍｍに達する大断面の鋼管構造となっている（例えば、特許文献１参照）。このような大断面支柱では、座屈を抑えるために、支柱の径厚比Ｄ／ｔ（外径寸法Ｄと板厚寸法ｔの比）を略５０に制限しているのが一般的となっているため、支柱の外径は５ｍ程度が限度となっている。そのため、鋼構造による支柱では、鋼板製造の観点からこれ以上の大型化が困難になっている。
一方で支柱の強度を高めるために、コンクリート充填鋼管（ＣＦＴ）を用いたものも知られている。

特開２０１０−２２３１５７号公報

しかしながら、従来の大断面の鋼管構造からなる支柱では、以下のような問題があった。
すなわち、例えば外径寸法が５ｍの鋼管を用いる場合、圧延方向を支柱の円周方向に向けて配置するため、支柱構造の延長方向（支柱の長さ方向）の継手部は圧延幅（例えば５ｍ）毎に設けられることになる。そして、このような継手部は通常はボルト接合となるが、５ｍ径の鋼管では上述したように板厚が１００ｍｍとなる場合があり、ボルトによる接合が困難であった。また、板厚１００ｍｍの鋼板同士を継手部で突合せて全断面溶接するのも技術的に難しく、しかも溶接コストが増大するという問題があった。

また、一般的に、風車の支柱構造では、鋼材強度が５００ＭＰａ程度のものを使用しており、溶接継手とする構造の場合には高強度鋼を使用して鋼重を軽くすることは困難であった。つまり、板厚１００ｍｍの鋼板同士を継手部で付き合わせて全断面溶接するときには、靭性の確保が難しくなり、溶接割れが生じたり、溶接部強度の低下が生じることから、高強度鋼では溶接がより困難になる。
さらに、高強度鋼は、同じ径厚比Ｄ／ｔにおいて、低強度鋼よりもΣｃｒ／σｙ（座屈応力／降伏応力）が小さくなるため、座屈に対する径厚比の制限がより厳しくなっている。そのため、高強度鋼を採用する利点が得られないことから、その点で改良の余地があった。

本発明は、上述する問題点に鑑みてなされたもので、鋼管を構成する鋼板の座屈を抑えることができ、さらに鋼板を薄くすることで管同士の接合を容易に行うことができる二重管構造を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明に係る二重管構造では、内管と外管とから二重とし、それら内管と外管との間にコンクリートを充填してなり、内管と外管とはそれぞれ一定の長さを有し、長手方向に接合される二重管構造であって、内管同士を接合する第１継手部と、外管同士を接合する第２継手部とが長手方向に交互にずれて配置され、第１継手部及び第２継手部は、それぞれ内管同士の内面側及び外管同士の外面側において添接板が当てられ、摩擦ボルトにより全強ボルト接合されていることを特徴とする。

本発明では、内管同士を接合する第１継手部と外管同士を接合する第２継手部との位置が管の長手方向にずれているので、内管及び外管のうちいずれか一方の管の継手部の位置が長さ方向の同位置において他方の管の鋼板部分となり、内管の第１継手部と外管の第２継手部とが同一断面内に存在しない構成となる。そのため、同一断面において極限強度の低くなる可能性のある継手部分の応力集中を分散させることができ、内管及び外管のうち一方の継手部に破壊が生じた場合でも、フェール・セーフ構造となり、鋼管の折損を防止することができる。

さらに、内管と外管との間にコンクリートを充填した構造とすることで、従来の鋼管のみからなる場合に比べて、コンクリート分の重量が増加部分であるが、コンクリートよりも比重が大きな鋼材が板厚の大幅な低減に伴って減少するので、トータルとしての全体重量は微増となる。鋼管の板厚低減は、溶接にかかるコストを大幅に削減することができる。この特性を逆に活用すれば、より大径の二重管構造の管を構成することができる。
また、板厚を薄くすることができることによって、溶接が困難な高強度鋼の採用が可能となる。しかも、コンクリートが圧縮力を負担するため、断面設計において鋼材の強度は引張力で決定されるようになるので、高強度鋼化による座屈応力の低下の影響がなくなるという利点がある。

また、この場合、摩擦ボルトで各継手部を接合することで、溶接作業を低減して作業効率を向上させることが可能となることから、接合作業にかかる時間と手間を少なくすることができる。
そして、内管及び外管の長手方向の全断面溶接が無くなり、これらの管に存在する残留応力や溶接変形が減少するため、座屈強度を高めることが可能となる。また、摩擦ボルトがずれ止めとしての効果を発揮するために、これも座屈強度を向上させることができる。
さらに、摩擦ボルト接合のために使用する添接板によってその部分の板厚が大きくなることから、より座屈がしにくくなる構造となる利点がある。

また、本発明に係る二重管構造では、外管及び内管には、それぞれ高強度鋼が用いられていることがより好ましい。

本発明では、管の長手方向の全断面溶接を無くすことが可能となり、管を横にした状態で溶接を行うことで、この管の長手方向に直交する方向に延在する継手部を常に下向き溶接で行うことができ、管の長手方向の継手部と比較して容易に溶接を行うことができる。

本発明の二重管構造によれば、内管同士を接合する第１継手部と外管同士を接合する第２継手部とが管の長手方向の同一断面内に設けられていないので、各継手部に生じる応力集中が内管と外管で長手方向に交互にずれて分散され、鋼管を構成する鋼板の座屈を抑えることができる。さらに、鋼板を薄くすることで管同士の接合を容易に行うことができるという利点がある。

本発明の実施の形態による支柱の構成を示す一部破断斜視図である。図１に示す立面図である。図１に示すＡ−Ａ線断面図であって、支柱の縦断面図である。図２に示すＢ−Ｂ線断面図であって、支柱の水平断面図である。図３に示す支柱の継手部の拡大図である。

以下、本発明の実施の形態による二重管構造について、図面に基づいて説明する。

図１乃至図４に示すように、本実施の形態による二重管構をなす支柱１は、風力発電の風車に用いられ、長手方向Ｙを上下方向に向けた状態で立設されている。すなわち、支柱１は、内管２と、この内管２の外側で一定の間隔をあけて同軸に設けられる外管３とからなり、それら内管２と外管３との間にコンクリート４を充填させた構成となっている。

内管２と外管３とは、それぞれ一定の長さ寸法をなし、内管２、２同士を連結する第１継手部Ｔ１と、外管３、３同士を連結する第２継手部Ｔ２とが長手方向Ｙに交互にずれて配置されている。このときの第１継手部Ｔ１と第２継手部Ｔ２との長手方向Ｙへのずれ量は、とくに制限されることはないが、後述するように剛性の低い継手部分の応力集中を分散させる点を考慮すれば、第１継手部Ｔ１の位置が長さ方向で第２継手部Ｔ２、Ｔ２同士の中間程度の位置であることが好ましい。

内管２は、厚さ寸法が例えば２２ｍｍの高強度鋼が使用された円筒状の鋼管である。図３及び図５に示すように、第１継手部Ｔ１は、内管２、２同士の内面側の第１継手部Ｔ１に複数のボルト穴を有する添接板５Ａを当てて、それらボルト穴において摩擦ボルト６Ａで締結することにより接合されている。なお，添接板５Ａは、これらの図では１面せん断の配置となっているが、二重の鋼管の間隔が許せば二面せん断とすることもできる。単体の内管２は、圧延によって製造され、その圧延方向を円周方向に向けた状態でその両端部同士を溶接により接合した第１接合部Ｒ１（図４参照）を有している。そして、上下方向に接合される内管２、２同士は、それぞれの第１接合部Ｒ１同士も互いに周方向にずれた位置で接合されている。

外管３は、厚さ寸法が例えば２５ｍｍの高強度鋼が使用された円筒状の鋼管である。第２継手部Ｔ２は、外管３、３同士の外面側の第２継手部Ｔ２に複数のボルト穴を有する添接板５Ｂを当てて、それらボルト穴において摩擦ボルト６Ｂで締結することにより接合されている。単体の外管３は、圧延によって製造され、その圧延方向を円周方向に向けた状態でその両端部同士を溶接により接合した第２接合部Ｒ２（図４参照）を有している。そして、上下方向に接合される外管３、３同士は、それぞれの第２接合部Ｒ１同士も互いに周方向にずれた位置で接合されている。

そして、長手方向Ｙに複数連結された内管２と外管３との間にはコンクリート４が充填されて一体化されている。このとき、コンクリート４は、第１継手部Ｔ１と第２継手部Ｔ２の摩擦ボルト６Ａ、６Ｂの一部が内管２と外管３との間の隙間に突出しているので、この突出部がずれ止めの機能をもつことでコンクリート４と一体化する構成となっている。

例えば、外径５ｍで板厚１００ｍｍの普通鋼管の比較例１と、外径５ｍで板厚６５ｍｍの鋼管内にコンクリートが充填されているＣＦＴ管の比較例２と、普通鋼からなる板厚２５ｍｍの外管と板厚２２ｍｍの内管との間にコンクリートを充填させた本願発明の実施例１と、実施例１の外管及び内管の部材を高強度鋼とした実施例２と、の鋼重と全体重量を比較した。これを表１に示す。

表１に示すように、実施例１の普通鋼による二重管では、普通鋼管単体の比較例１に比べて曲げ耐力を鋼重比５５％の鋼重で達成することができる。さらに、実施例２のＢＨＳ５００の高強度鋼の場合には、普通鋼を使用した実施例１の鋼重比５５％に対して４１％まで鋼重を低減することができる。なお、この実施例２では、コンクリートを充填した構成となるので、普通鋼管単体の比較例１に比べて重量は１７％のみ増加する。
比較例２のＣＦＴ（コンクリート充填鋼管）は、その重量が４倍以上に増大するうえ、鋼重比も６５％までしか低減しないことが表１より確認できる。

次に、上述した支柱１（二重管構造）の作用について、図面に基づいて詳細に説明する。
図１に示すように、内管２、２同士を接合する第１継手部Ｔ１と外管３、３同士を接合する第２継手部Ｔ２との位置が長手方向Ｙにずれているので、内管２の第１継手部Ｔ１及び外管３の第２継手部Ｔ２のうちいずれか一方の継手部Ｔ１（Ｔ２）の位置が長さ方向Ｙの同位置において他方の管の鋼板部分となり、内管２と外管３の継手部Ｔ１、Ｔ２同士が同一断面内に存在しない構成となる。そのため、同一断面において極限強度の低い継手部分の応力集中を分散させることができ、内管２及び外管３のうち一方の継手部Ｔ１（Ｔ２）に破壊が生じた場合でも、フェール・セーフ構造となり、鋼管の折損を防止することができる。
また、内管２と外管３からなる二重管にすることで、コンクリートが圧縮力を負担するために鋼板に生じる圧縮力を減少させることができ、引張力に基づいた断面設計を行うことができる。したがって、座屈をより確実に抑制することができ、径厚比Ｄ／ｔを小さくすることが可能となる。

さらに、内管２と外管３との間にコンクリート４を充填した構造とすることで、従来の鋼管のみからなる場合に比べて、コンクリート４分の重量が増えるので全体重量は増える傾向にあるが、内管２及び外管３の板厚を薄くすることが可能となることから鋼重を減らすことができるため、トータルとしての鋼重増は小さくなる。さらに、溶接にかかるコストを低減することができる。さらに逆に、より大径の支柱１を構成することができる。

また、板厚を薄くすることができるので、溶接が困難な高強度鋼の採用が可能となる。しかも、コンクリートが圧縮力を負担するため、断面設計において鋼材の強度は引張力で決定されるようになるので、高強度鋼化による座屈応力の低下の影響がなくなるという利点がある。

また、第１継手部Ｔ１及び第２継手部Ｔ２は、摩擦ボルト６Ａ、６Ｂにより接合されているので、摩擦ボルト６Ａ、６Ｂで各継手部Ｔ１、Ｔ２を接合することで、溶接作業を低減して作業効率を向上させることが可能となることから、接合作業にかかる時間と手間を少なくすることができる。

そして、内管２及び外管３の長手方向Ｙの全断面溶接が無くなり、これらの管に存在する残留応力や溶接変形が減少するため、座屈強度を高めることが可能となる。また、摩擦ボルト６Ａ、６Ｂがずれ止めとしての効果を発揮するために、これも座屈強度を向上させることができる。さらに、摩擦ボルト接合のために使用する添接板５Ａ、５Ｂによってその部分の板厚が大きくなることから、より座屈がしにくくなる構造となる利点がある。

また、内管２及び外管３には、それぞれ高強度鋼が用いられているので、長手方向Ｙの全断面溶接を無くすことが可能となり、管を横にした状態で溶接を行うことで、この管の長手方向Ｙに直交する方向に延在する継手部Ｔ１（Ｔ２）を常に下向き溶接で行うことができ、長手方向Ｙの継手部Ｔ１、Ｔ２と比較して容易に溶接を行うことができる。

上述した本実施の形態による二重管構造では、内管２の第１継手部Ｔ１と外管３の第２継手部Ｔ２とが長手方向Ｙの同一断面内に設けられていないので、各継手部Ｔ１、Ｔ２に生じる応力集中が内管２と外管３で長手方向に交互にずれて分散され、鋼管を構成する鋼板の座屈を抑えることができる。さらに、鋼板を薄くすることで管同士の接合を容易に行うことができるという利点がある。

以上、本発明による二重管構造の実施の形態について説明したが、本発明は上記の実施の形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。
例えば、上述した実施の形態では内管２、２同士を接合する第１継手部Ｔ１と、外管３、３同士を接合する第２継手部Ｔ２とを添接板５Ａ、５Ｂを介して摩擦ボルト６Ａ、６Ｂで固定する構成としているが、このような接合手段に限定されることはなく、溶接による固定手段であってもかまわない。添接板は、１面せん断でも２面せん断でもかまわない。
また、内管２及び外管３の厚さ寸法、単位長さ寸法、外径寸法などの構成については、材質、必要強度などに応じて適宜設定するこができる。

その他、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、上記した実施の形態における構成要素を周知の構成要素に置き換えることは適宜可能である。

１支柱（二重管構造）
２内管
３外管
４コンクリート
５Ａ、５Ｂ添接板
６Ａ、６Ｂ摩擦ボルト
Ｔ１第１継手部
Ｔ２第２継手部
Ｒ１第１接合部
Ｒ２第２接合部

Claims

内管と外管とから二重とし、それら内管と外管との間にコンクリートを充填してなり、前記内管と前記外管とはそれぞれ一定の長さを有し、長手方向に接合される二重管構造であって、
前記内管同士を接合する第１継手部と、前記外管同士を接合する第２継手部とが長手方向に交互にずれて配置され、
前記第１継手部及び前記第２継手部は、それぞれ前記内管同士の内面側及び前記外管同士の外面側において添接板が当てられ、摩擦ボルトにより全強ボルト接合されていることを特徴とする二重管構造。
前記内管及び前記外管には、それぞれ高強度鋼が用いられていることを特徴とする請求項１に記載の二重管構造。