JP7093203B2 - Tower-shaped structure and its structural optimization method - Google Patents
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Description
本発明は、風力発電用施設等の塔型構造物及びその構造最適化方法に関する。 The present invention relates to a tower-shaped structure such as a facility for wind power generation and a method for optimizing the structure thereof.
近年、エネルギー政策の一環として再生可能エネルギーが注目され、風力発電は、重要な電源確保手段として位置付けられている。 In recent years, renewable energy has attracted attention as part of its energy policy, and wind power generation has been positioned as an important means of securing power sources.
特に、洋上風力発電は、陸上に比べて風況が良好であること、居住区域から離れているため騒音等の環境負担が少ないこと等から港湾区域を中心に導入が促進されている。 In particular, the introduction of offshore wind power generation is being promoted mainly in the harbor area because the wind conditions are better than those on land and the environmental burden such as noise is small because it is far from the residential area.
このような風力発電施設は、支持構造物に下端が支持された塔本体部と、塔本体部の上端部に支持された風車(ナセル・ロータ)等からなる風力発電用装置とを備えた塔型構造物となっている。 Such a wind power generation facility is a tower equipped with a tower main body whose lower end is supported by a support structure and a wind power generation device including a wind turbine (nacelle rotor) supported by the upper end of the tower main body. It is a mold structure.
支持構造物としては、一般に、水深60m程度までは着床式、水深60m以深であれば浮体式が用いられている。 As the support structure, a landing type is generally used up to a water depth of about 60 m, and a floating type is used when the water depth is 60 m or deeper.
また、着床式の支持構造物としては、ケーソン式、モノパイル式、杭ジャケット式等があり、近年では、鉄筋コンクリート底版とジャケット方式とを融合したハイブリッド式のものも採用されている(例えば、非特許文献1)。 Further, as the landing type support structure, there are a caisson type, a monopile type, a pile jacket type, etc., and in recent years, a hybrid type that combines a reinforced concrete bottom slab and a jacket type has been adopted (for example, non-type). Patent Document 1).
また、この種の洋上風力発電施設は、風車中心高さが海面から60m以上となるものもあり、今後も大型化が予測されている。 In addition, some offshore wind power generation facilities of this type have a wind turbine center height of 60 m or more from the sea surface, and are expected to grow in size in the future.
一方、このような洋上風力発電施設の構造性能は、建築基準法に従うことを基本としており、風車中心高さが海面から60mを超えるものについては、高層ビル等の建築物と同様の構造性能評価が求められている。 On the other hand, the structural performance of such offshore wind power generation facilities is based on the Building Standards Law, and if the center height of the wind turbine exceeds 60 m from the sea surface, the structural performance evaluation is similar to that of buildings such as high-rise buildings. Is required.
即ち、地震が多発する日本においては、高さ60mを超える構造物の場合、レベル1地震動及びレベル2地震動を用いた時刻歴応答解析によって動的特性を評価した上で構造性能が確保されているかの検討が求められている。
That is, in Japan, where earthquakes occur frequently, in the case of structures with a height of more than 60 m, is the structural performance secured after evaluating the dynamic characteristics by time history response
尚、時刻歴応答解析とは、構造物を質点・はり・ばね・減衰でモデル化した上で、地表面に時間とともに変化する地動加速度を与え、構造物の各位置における力や変位の変化を、時々刻々とコンピュータによってシミュレーションし、構造物の耐震安全性等を検証する構造計算の手法である。 In the time history response analysis, after modeling the structure with mass points, beams, springs, and damping, the ground surface is given a ground motion acceleration that changes with time, and changes in force and displacement at each position of the structure are measured. This is a structural calculation method that verifies the seismic safety of structures by simulating them from moment to moment with a computer.
一方、風力発電施設は、頂部から支持構造物との接合部までを鋼管製の中空塔状の塔本体部によって構成されており、その塔本体部は、最頂部の2m程度から接合部の5m程度まで外径が漸増する円錐柱状となり、支持構造物上に設置されたトップヘビーのカンチレバー構造とみなすことができる。 On the other hand, the wind power generation facility is composed of a hollow tower-shaped tower body made of steel pipe from the top to the joint with the support structure, and the tower body is from about 2 m at the top to 5 m at the joint. It becomes a conical column whose outer diameter gradually increases to a certain extent, and can be regarded as a top heavy cantilever structure installed on the support structure.
よって、風力発電施設等の塔型構造物は、このような構造的特徴から、時刻歴応答解析における固有モード振り幅が図5に示すようになっている。 Therefore, in the tower-shaped structure such as a wind power generation facility, the intrinsic mode swing width in the time history response analysis is shown in FIG. 5 due to such structural features.
即ち、高層ビル等の高層建築物では、一般的に1次モードの振り幅が卓越し、2次以降の高次モードの振り幅が比較的小さく影響が小さいのに対し、塔型構造物は、2次や3次の高次モードの振り幅が1次モードと同程度であるため、応答加速度が増大する傾向が予想される。 That is, in a high-rise building such as a high-rise building, the swing width of the primary mode is generally predominant, and the swing width of the secondary and subsequent high-order modes is relatively small and the influence is small, whereas the tower type structure has a small influence. Since the swing width of the secondary and tertiary high-order modes is about the same as that of the primary mode, it is expected that the response acceleration tends to increase.
このような塔型構造物は、一般的な高層建築物とは異なり、塔本体部の途中部分、例えば、標高40m付近や60m付近で応答加速度が大きくなることから、全体的に転倒の原因となる層せん断力が大きくなり、転倒に対する安全性確保のために偏心量の許容値を増加させること、即ち、支持構造物を大きくせざるを得ない場合があった。 Unlike general high-rise buildings, such tower-shaped structures have a large response acceleration in the middle of the tower body, for example, near an altitude of 40 m or 60 m, which is a cause of overturning as a whole. In some cases, the layer shearing force becomes large, and the allowable value of the eccentricity is increased in order to ensure safety against overturning, that is, the support structure must be enlarged.
また、経済性の観点から支持構造物の大きさを決定した場合、その支持構造物の大きさに基づく偏心量の許容値に対して余裕が少なくなってしまうという問題があった。 Further, when the size of the support structure is determined from the viewpoint of economic efficiency, there is a problem that the margin becomes small with respect to the allowable value of the eccentricity based on the size of the support structure.
そこで、このような塔型構造物においては、上述のような問題を鑑み、一般の高層建築物と同様に、制振装置を適用した固有モード振り幅の低減が模索されている。 Therefore, in such a tower-shaped structure, in view of the above-mentioned problems, it is sought to reduce the inherent mode swing width by applying a vibration damping device, as in a general high-rise building.
しかしながら、上述の制振装置の適用に関しては、制振装置を設置するスペースを確保できない場合があり、特に陸上・洋上風力発電施設では、立地条件等に制約があり、制振装置の設置スペースを確保し難い場合があった。 However, regarding the application of the above-mentioned vibration control device, it may not be possible to secure a space for installing the vibration control device. Especially in the onshore / offshore wind power generation facility, there are restrictions on the location conditions, etc. It was sometimes difficult to secure.
また、この種の制振装置は、製作コストが嵩み、建設コストの増大を招くという問題があった。 In addition, this type of vibration damping device has a problem that the manufacturing cost is high and the construction cost is increased.
そこで、本発明は、このような従来の問題に鑑み、簡便な構造で固有モード振り幅に基づく応答加速度の低減を図ることができる塔型構造物及びその構造最適化方法の提供を目的としてなされたものである。 Therefore, in view of such conventional problems, the present invention has been made to provide a tower-shaped structure capable of reducing the response acceleration based on the natural mode swing width with a simple structure and a method for optimizing the structure thereof. It is a thing.
上述の如き従来の問題を解決するための請求項1に記載の発明の特徴は、下端部が着床式の支持構造物に支持された中空塔型の塔本体部と、該塔本体部の上端部に支持された重量物とを備えている塔型構造物において、
前記塔本体部は、前記塔型構造物の時刻歴応答解析モデルを用いた固有値解析で得られる高次振動モードの最大振り幅が生じる高さに対応する高さ方向の所定の範囲に亘って剛性強化部を備え、該剛性強化部は、内側全周に一定の厚さを増した肉厚部を有することにある。
The feature of the invention according to
The tower main body covers a predetermined range in the height direction corresponding to the height at which the maximum swing width of the higher-order vibration mode obtained by the eigenvalue analysis using the time history response analysis model of the tower structure is generated. It is provided with a rigidity strengthening portion, and the rigidity strengthening portion is to have a wall thickness portion having a certain thickness increased on the entire inner circumference .
請求項2に記載の発明の特徴は、請求項1の構成に加え、前記重量物は、風力発電に用いられる装置であることにある。
A feature of the invention according to
請求項3に記載の発明の特徴は、下端部が着床式の支持構造物に支持された中空塔型の塔本体部と、該塔本体部の上端部に支持された重量物とを備えている塔型構造物を、転倒に対する安全性を確保するために最適な構造とする塔型構造物の構造最適化方法であって、前記塔本体部には、応答加速度を低減するための塔本体部の内側全周に一定の厚さを増した肉厚部を設けてなる剛性強化部を備え、該剛性強化部を設ける位置を前記塔型構造物の時刻歴応答解析モデルを用いた固有値解析で得られる高次振動モードの最大振り幅が生じる高さに対応する高さ方向の所定の範囲とすることにある。
The feature of the invention according to
本発明に係る塔型構造物は、請求項1に記載の構成を具備することによって、簡便な構造で固有モード振り幅に基づく応答加速度の低減を図ることができ、支持構造物の小型化又は転倒に対する安全性に余裕を増すことができる。
By providing the structure according to
また、本発明において、請求項2に記載の構成を具備することによって、風力発電施設において好適に固有モード振り幅に基づく応答加速度の低減を図ることができる。
Further, in the present invention, by providing the configuration according to
さらに、本発明に係る塔型構造物の構造最適化方法は、請求項3に記載の構成を具備することによって、洋上風力発電施設等の塔型構造物を、簡便な手法で転倒に対する安全性を確保するために最適な構造とすることができる。また、構造の最適化に際し、固有振動数への影響を抑えることができる。
Further, the method for optimizing the structure of the tower-type structure according to the present invention is provided with the configuration according to
次に、本発明に係る塔型構造物の実施態様を図1~図7に示した実施例に基づいて説明する。尚、本実施例では、塔型構造物の一例として洋上風力発電施設を例に説明し、図中符号1は水底部、符号2は洋上風力発電施設等の塔型構造物である。
Next, an embodiment of the tower-shaped structure according to the present invention will be described with reference to the examples shown in FIGS. 1 to 7. In this embodiment, an offshore wind power generation facility will be described as an example of a tower-type structure. In the figure,
塔型構造物2は、水底マウンド6に設置された支持構造物3と、下端部が支持構造物3に支持された中空塔型の塔本体部4と、塔本体部4の上端部に支持された重量物である風力発電に用いられる装置(以下、風力発電用装置という)5とを備え、支持構造物3上に塔本体部4が立設され、支持構造物3と塔本体部4とで塔型を成している。
The tower-
支持構造物3は、着床式のものであって、ケーソン式、モノパイル式、杭ジャケット式、鉄筋コンクリート底版とジャケット方式とを融合したハイブリッド式等がある。尚、本実施例は、ハイブリッド式を例に挙げて説明するが、支持構造物3の方式は限定されるも
のではない。
The
この支持構造物3は、水底マウンド6上に載置された鉄筋コンクリート製の底版7と、底版7上に支持された櫓状のジャケット8とを備え、ジャケット8の上端部に塔本体部4の下端が接合されている。
The
風力発電用装置5は、塔本体部4の上端に支持されたナセル5aと、ナセル5aに回転可能に支持されたハブ5bと、ハブ5bに支持されたブレード5cとを備え、風力を受けハブ5bとブレード5cとからなるロータが回転することによって発電するようになっている。
The wind
塔本体部4は、複数の塔用鋼管9,9…を上下方向に連結することによって構成され、頂部から支持構造物3との接合部までが中空塔状に形成され、最頂部(例えば、外径2m程度)から接合部(例えば、外径5m程度)まで外径が漸増する円錐柱状となっている。
The tower
また、この塔本体部4は、塔型構造物2の時刻歴応答解析モデルを用いた固有値解析で得られる高次振動モードの最大振り幅が生じる高さに対応する位置にその高さ方向の所定の範囲(10m程度の範囲)に亘って剛性強化部10を備え、転倒の原因となる応答加速度の低減が図られ、転倒に対する安全性を確保するために最適化された構造を成している。
Further, the tower
剛性強化部10は、図3に示すように、塔用鋼管9の外径をそのままにして内側に厚さを10%程度増した肉厚部11を有し、その部分の剛性が増強され、高次振動モードにおける腹の振り幅を低減させるようになっている。
As shown in FIG. 3, the
この塔型構造物2は、転倒に対する安全性を確保するために最適な構造とするために高次振動モードの最大振り幅が生じる高さを求める必要があり、先ず、以下のステップに従って塔型構造物2の標高に対する各固有振動数における固有モード振り幅を求める。
It is necessary to obtain the height at which the maximum swing width of the high-order vibration mode is generated in order to make the tower-shaped
(ステップ1)
図4に示すように、支持構造物3、塔本体部4、風力発電用装置5からなる塔型構造物2及び地盤を質点・はり・ばね・減衰でモデル化し、解析モデル各節点の「応答加速度時刻歴」を抽出し、各節点の「質量」を乗じた慣性力時刻歴Wi(t)を求める。尚、支持構造物3を含む塔型構造物2のモデル化においては、支持構造物3の詳細な構造を細分化してモデル化してもよく、構造特性を考慮した上で支持構造物3をそれと等価の「はり」に置き換えてモデル化してもよい。また、地盤とは、水底部1と水底マウンド6とを含む塔型構造物2を支持する地盤をいう。
(Step 1)
As shown in FIG. 4, the tower-
(ステップ2)
各節点の慣性力時刻歴Wi(t)から以下の式に基づいて層せん断力時刻歴Qi(t)を求める。
(数1)
Q1(T)=W1(t)・Q2(t)
=W1(t)+W2(t)・Q3(t)
=W1(t)+W2(t)+W3(t)+・+Wi(t)・Qi+1(t)
(Step 2)
The layer shear force time history Qi (t) is obtained from the inertial force time history Wi (t) of each node based on the following equation.
(Number 1)
Q 1 (T) = W 1 (t) · Q 2 (t)
= W 1 (t) + W 2 (t) · Q 3 (t)
= W 1 (t) + W 2 (t) + W 3 (t) + · + Wi (t) · Q i + 1 (t)
(ステップ3)
各節点における層せん断時刻歴Qi(t)から、最大値Qimaxを抽出する。
(Step 3)
The maximum value Qimax is extracted from the layer shear time history Qi (t) at each node.
(ステップ4)
各節点間の距離から転倒モーメントMRiを算定する。
(数2)
MRi=Qimax×hi-(i+1)
(Step 4)
The overturning moment MRI is calculated from the distance between each node.
(Number 2)
MRI = Q imax x h i- (i + 1 )
(ステップ5)
支持構造物3に作用する鉛直方向全荷重Vtotalを求め、偏心量eを次式で算出し、偏心量eが許容値以内であることを確認する。
The total vertical load V total acting on the
そして、この塔型構造物2は、支持構造物3に設置されたトップヘビーのカンチレバー構造とみなすことができるので、この構造的特徴に基づいて、塔型構造物2の時刻歴応答解析モデルを用いた固有値解析を実施する。
Since this tower-shaped
図5は、剛性強化部10を有しない塔型構造物2の時刻歴応答解析モデルを用いた固有値解析の結果の一例である。
FIG. 5 is an example of the result of the eigenvalue analysis using the time history response analysis model of the
塔型構造物2は、2次や3次の高次モードの振り幅が1次モードと同程度であるため、各高次モードにおいて塔本体部4の途中部分、本実施例では、2次モードで標高40m付近、3次モードにおいて60m付近で応答加速度が増大する。
Since the
また、図5(b)に示すように、4次や5次モードについては、固有値解析で得られる固有振動数が約10Hz程度かそれ以上であり、入力地震動に含まれる該当振動数の影響が少ない場合が多い。 Further, as shown in FIG. 5B, in the 4th and 5th order modes, the natural frequency obtained by the eigenvalue analysis is about 10 Hz or higher, and the influence of the corresponding frequency included in the input seismic motion is affected. Often few.
そこで、2次以上の高次モード振り幅の腹に着目し、また、一般に構造部材の変位がその部材の剛性と反比例することから、図5より最も振り幅の大きい高次モード振り幅の腹位置(本実施例では、最も振り幅の大きい3次モード振り幅の腹位置である標高60m付近)を導き出し、当該腹位置にその高さ方向の所定の範囲(10m程度の範囲)に亘って剛性強化部10を設ける。
Therefore, we pay attention to the antinode of the higher-order mode swing width of the second or higher order, and since the displacement of the structural member is generally inversely proportional to the rigidity of the member, the antinode of the higher-order mode swing width having the largest swing width than FIG. A position (in this embodiment, near an altitude of 60 m, which is the ventral position of the tertiary mode swing width having the largest swing width) is derived, and the abdominal position is over a predetermined range (a range of about 10 m) in the height direction. A
このように構成された塔型構造物2は、剛性強化部10を設けることによって、塔型構造物2の応答加速度が大きい部分の剛性が強化され、変位を抑制できるようにしたことによって、図7に示すように、塔構造物全体の応答加速度が低減され、特に、剛性強化部10を設けた位置の応答加速度が低減され、図6に示すように、所定の高次振動モードの振り幅が低減される。
In the tower-shaped
一方、このような塔型構造物2では、固有振動数が大きく変化すると、動的応答特性に悪影響を及ぼすおそれがある。そこで、塔型構造物2の時刻歴応答解析モデルを用いた固有値解析から得られた固有振動数を比較したところ、以下の表に示すように、剛性強化部10の有無によって固有振動数の大きな違いはなかった。
以上より、この塔型構造物2では、転倒モーメントが低減され、転倒に対する高い安全性を確保することができ、その分、支持構造物3の小型化を図ることが可能となる。
From the above, in this tower-shaped
尚、上述の実施例では、3次モードにおける最大振り幅位置に剛性強化部10を設けた例について説明したが、2次モード、4次モード、5次モード等の他の高次モードの最大振り幅が生じる高さに対応する位置に剛性強化部10を備えるようにしてもよい。
In the above-mentioned embodiment, the example in which the
また、上述の実施例では、洋上風力発電施設を例に説明したが、塔型構造物2はこれに限定されず、陸上の風力発電施設やその他の塔型構造物にも適用することができる。
Further, in the above-described embodiment, the offshore wind power generation facility has been described as an example, but the
1 水底部
2 塔型構造物
3 支持構造物
4 塔本体部
5 風力発電用装置
6 水底マウンド
7 底版
8 ジャケット
9 塔用鋼管
10 剛性強化部
11 肉厚部
1
Claims (3)
前記塔本体部は、前記塔型構造物の時刻歴応答解析モデルを用いた固有値解析で得られる高次振動モードの最大振り幅が生じる高さに対応する高さ方向の所定の範囲に亘って剛性強化部を備え、該剛性強化部は、内側全周に一定の厚さを増した肉厚部を有することを特徴とする塔型構造物。 In a tower-type structure having a hollow tower-type tower body whose lower end is supported by a landing-type support structure and a heavy object supported by the upper end of the tower body.
The tower main body covers a predetermined range in the height direction corresponding to the height at which the maximum swing width of the higher-order vibration mode obtained by the eigenvalue analysis using the time history response analysis model of the tower structure is generated. A tower-shaped structure including a rigidity-enhanced portion, wherein the rigidity-enhanced portion has a wall-thickened portion having a certain thickness increased on the entire inner circumference .
前記塔本体部には、応答加速度を低減するための塔本体部の内側全周に一定の厚さを増した肉厚部を設けてなる剛性強化部を備え、
該剛性強化部を設ける位置を前記塔型構造物の時刻歴応答解析モデルを用いた固有値解析で得られる高次振動モードの最大振り幅が生じる高さに対応する高さ方向の所定の範囲とすることを特徴とする塔型構造物の構造最適化方法。 A tower-type structure having a hollow tower-type tower body whose lower end is supported by a landing-type support structure and a heavy object supported by the upper end of the tower body is safe against tipping over. It is a structural optimization method for tower-shaped structures that has the optimum structure to ensure the properties.
The tower main body is provided with a rigidity strengthening portion provided with a wall thickness portion having a certain thickness increased on the entire inner circumference of the tower main body for reducing response acceleration .
The position where the rigidity strengthening portion is provided is set to a predetermined range in the height direction corresponding to the height at which the maximum swing width of the higher-order vibration mode obtained by the eigenvalue analysis using the time history response analysis model of the tower structure is generated. A method for optimizing the structure of a tower-shaped structure, which is characterized by doing so.
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