WO2012033228A1 - 鋼管柱構造物及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

合理的な設計ができる鋼管柱構造物及びその製造方法を提供することを目的とする。また、基部付近に開口部を有する場合にも溶接等による補強の必要のない鋼管柱構造物及びその製造方法を提供することを目的としている。本発明に係る鋼管柱構造物１は、第１円形鋼管１ａ～第１８円形鋼管１ｒによって形成され、高さ方向の少なくとも一部の範囲において、鋼管柱構造物の軸方向に直交する断面における円形鋼管の板厚が周方向で変化することを特徴とする。

Description

鋼管柱構造物及びその製造方法

　本発明は、鋼製煙突、橋梁主塔、風力発電用タワー、海洋構造物、建築系構造物などの鋼管柱構造物及びその製造方法に関する。

　鋼管柱構造物の例としては、例えば、鋼製煙突、風力発電タワー、洋上風力発電基礎などが挙げられる。
　このような鋼管柱構造物は、高さ方向の鋼管径に着目すると、鋼管径が一様なもの、高さ方向にテーパーをつけて鋼管径を徐々に小さくするものに大別される。
　鋼管の板厚については、通常は高さ方向で同じか徐々に薄くなっているのが一般的であるが、周方向の板厚は同じである（非特許文献１参照）。

　鋼管柱構造物は、これを構成する鋼管が大径で厚肉となる。そこで、このような鋼管柱構造物５０の製造方法は、図１６（ａ）に示すような圧延鋼板５１から板巻きによって図１６（ｂ）に示すような円形鋼管５３を製作する。製作された円形鋼管５３の高さは、圧延鋼板の幅である３~５ｍであり、それを図１６（ｃ）に示すように、上方に順次積み重ねて溶接、ボルト等で接合することにより鋼管柱構造物５０が製造される。
　円形鋼管５３の製作は、圧延方向（Ｌ方向）に曲率をつけて圧延鋼板５１を曲げて行われる。

　鋼管径が１０ｍ規模のような大径の場合には、圧延鋼板１枚では円形鋼管５３を製作できない場合もあり、その場合は、圧延鋼板５１をつないで長い板にした後に、これを円環状に巻いて製作される。

　鋼管柱構造物の中には、図１７に示すように、鋼管柱構造物５５の基部に、人が出入りするための開口部５７が設けられる場合もある。開口部５７が設けられた部位は断面欠損となるため、耐力が低下するので、例えば図１８の（ａ）（ｂ）に示すような補強部材が取り付けられる。
　非特許文献２、３によれば、開口部５７の補強は、図１８（ａ）に示すようなダブリングプレート５９や、図１８（ｂ）に示すような厚肉材６１を開口部５７にはめ込んで溶接することにより行うことが示されている。

塔状鋼構造設計指針・同解説（１９８０年）、日本建築学会 風力発電設備支持物構造設計　指針・同解説〈２００７年版〉、土木学会 構造工学シリーズ１７、２００７年９月、土木学会

　従来例のように、周方向の板厚が同じ鋼管柱構造物では、周方向で（方位別には）同等の剛性を有している。すなわち、鋼管柱構造物の抵抗力は方位によらず同じである。
　他方、外力は一般に方位により変動する。例えば、外力が風力の場合、必ず卓越風向が存在するため、外力の大きさは方位によって異なり、それ故、作用する力の大きさは方位によって異なる。
　また、外力が潮流である場合でも潮流の方向は卓越する方向があるため、風力の場合と同様に作用する力の大きさは方位によって異なる。

　通常の設計では、抵抗力と作用力の比を安全率と考えて、作用力に対してある安全率を乗じて抵抗力を決め、その抵抗力が発揮できるように構造物が設計される。
　鋼管柱の設計の場合には、抵抗力は鋼管径と板厚によって決まる。しかし、鋼管径は製作・施工、使用性など他の要因で決まることがある。そのため、設計段階では板厚のみを抵抗力との関係で決定することが多い。
　設計では、最大外力となる方位を作用力とし、それに安全率を乗じて必要な抵抗力を構造物の最大抵抗力として、その最大抵抗力に基づいた板厚を決定する。

　上記の方法では、最大抵抗力となる方位以外では作用力が小さいため、作用力に比べて抵抗力が過大となる。すなわち、抵抗力と作用力の比である安全率が方位別に異なり、最大抵抗力となる方位の安全率が最小となり、他の方位では安全率は大きくなる。
　しかし、合理的な設計を行うのであれば、安全率は方位別にも平準化されることが必要である。しかし、そのようになっていないのが現状であり、その点が鋼管柱構造物の課題であった。

　また、鋼管柱構造物では、前述したように、基部近傍に人が出入りするための開口部５７を有する場合もある。この場合、開口部５７の部分が断面欠損となることから補強を行う必要があった。
　特に、風力発電用タワーなどでは風車の運転時に作用するタワーの揺れによる疲労が厳しく、そのために補強部材の板厚を増して発生応力を低減する措置もとられる。
　しかし、補強部材に鋳鋼を用いたり、補強用の鋼板を溶接したりする対策では、工数がかかることや、溶接部の品質が問題となることがあった。

　本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであり、方位別に平準化された安全率を有する等の合理的な設計ができる鋼管柱構造物及びその製造方法を提供することを目的とする。
　また、基部付近に開口部を有する場合にも溶接等による補強の必要のない鋼管柱構造物及びその製造方法を提供することを目的としている。

　発明者は、前記課題を解決するために、鋼管柱構造物の高さ方向の少なくとも一部において周方向で板厚が変化する鋼管柱構造物とすることを考えた。
　通常、卓越する外力は一方向、あるいは所定の幅をもった範囲の方位で作用する場合が多い。
　そこで、発明者は、卓越する外力に対応する部分について板厚を厚くして、鋼管の抵抗力を、方位別の外力による作用力に応じて変化させればよいと考えた。もっとも、板厚を厚くするのではなく、外力の最大となる方位について板厚を定めた場合には、それと異なる方位には方位毎の作用力について板厚を薄くするようにしてもよい。

　図１４は、鋼管の周方向で板厚を変化させた場合における外力と抵抗力の関係を説明する説明図である。この例では、図１４（ａ）に示すような圧延方向（Ｌ方向）で板厚を変化させた部分を含む圧延鋼板である差厚鋼板６５を用いて、差厚鋼板６５を圧延方向であるＬ方向に巻いて図１４（ｂ）に示すような円形鋼管６７を形成したものである。円形鋼管は、図１４（ｂ）に示すように、図中左右の領域（図中で色を付けた領域）の板厚が薄く、図中上下の領域が厚肉になっている。外力は鋼管の図中上下方向に作用し、鋼管柱構造物が図中の矢印の方向に揺れる場合を想定している。　この場合、図１４（ｃ）に示すように、外力は南北（ＳＮ）方向が大きく、東西（ＥＷ）方向が小さい。これに対応して、鋼管柱構造物の抵抗力（断面剛性）も南北（ＳＮ）方向が大きく、東西（ＥＷ）方向が小さくなっており、合理的な形状であることが分かる。

　これに対して、従来例は、厚さの同じ圧延鋼板６９（図１５（ａ）参照）を、Ｌ方向に巻いて周方向で厚さが同じ円形鋼管７１を製作し、これを複数積み上げて接合したものである。図１５（ｃ）に示されるように、外力は図１５（ｃ）に示したのと同様に、南北（ＳＮ）方向が大きく、東西（ＥＷ）方向が小さいが、抵抗力（断面剛性）は全方位で等しくなっており、無駄な設計になっていることが分かる。

　以上のように、円形鋼管の板厚を周方向で変化させることにより、断面剛性を方位別に変えることができ、抵抗力を外力に応じて方位別に変えることができる。これによって、方位別の安全率（抵抗力／作用力）の平準化を図ることができる。
　本発明はかかる知見に基づいてなされたものであり、具体的には以下の構成からなるものである。

　上記の例では、従来技術として大多数を占める円形鋼管を取り上げて説明したが、本発明は円形鋼管に限られるものではなく、角形鋼管においても適用可能である。角形鋼管の場合には、ＬＰ鋼板あるいはテーパープレートをプレスベンドにより角形に成形すればよい。
　なお、角形鋼管の断面形状としては、四角形（矩形）断面だけでなく、六角形、八角形などの多角形断面であってもよい。つまり、多角形断面を有する多角形鋼管柱にも適用可能である。
　多角形鋼管において、その断面における周方向で板厚を変化させる場合には、各辺にあたる部分の鋼板の板厚を各辺ごとに変化させてもよい。そのため、板厚の異なる平板を周方向に多角形を形成するように配置して、配置した隣り合う平板同士を多角形鋼管の軸方向に溶接して多角形鋼管柱を製作することもできる。

（１）本発明に係る鋼管柱構造物は、鋼管によって形成され、高さ方向の少なくとも一部の範囲において、鋼管柱構造物の軸方向に直交する断面における鋼管の板厚が周方向で変化することを特徴とするものである。

（２）また、上記（１）に記載のものにおいて、差厚鋼板を円環状に形成してなる円形鋼管を、高さ方向に積み重ねて接合してなることを特徴とするものである。

（３）また、上記（１）又は（２）に記載のものにおいて、前記板厚が変化する境界部をテーパ面によって連続するようにしたことを特徴とするものである。

（４）また、上記（１）乃至（３）のいずれかに記載のものにおいて、板厚が厚い領域と薄い領域とが鋼管周方向で交互に形成され、厚い部位と薄い部位がそれぞれ複数箇所形成されていることを特徴とするものである。

（５）また、上記（４）に記載のものにおいて、板厚が厚い領域同士及び板厚が薄い領域同士がそれぞれ線対称の位置に形成されていることを特徴とするものである。

（６）また、上記（１）乃至（５）のいずれかに記載のものにおいて、板厚が変化する領域が、高さ方向の一部の領域のみに形成されていることを特徴とするものである。

（７）また、上記（１）乃至（６）のいずれかに記載のものにおいて、板厚が変化する領域が周方向の同じ領域で上下に亘って設けられると共に、下部の板厚の変化率が上部の板厚の変化率よりも大きく設定されていることを特徴とするものである。

（８）また、上記（１）乃至（７）のいずれかに記載のものにおいて、鋼管柱構造物の周面の一部に開口部を有し、該開口部が板厚の厚い部位に形成されていることを特徴とするものである。

（９）本発明の鋼管柱構造物の製造方法は、上記（１）乃至（８）のいずれかに記載の鋼管柱構造物の製造方法であって、ＬＰ鋼板を１枚、あるいは複数枚接合したものを円環状に形成して円形鋼管を製作する円形鋼管製作工程と、製作された円形鋼管を積み重ねて接合する円形鋼管接合工程を備えたことを特徴とするものである。
　ここで、ＬＰ鋼板とは、鋼板の圧延方向に直線的に板厚を変化させた部分を含む厚鋼板であり、Ｌｏｎｇｉｔｕｄｉｎａｌｌｙ　Ｐｒｏｆｉｌｅｄ　Ｓｔｅｅｌ　Ｐｌａｔｅとも称する。

　本発明においては、鋼管柱構造物の軸方向に直交する断面における鋼管の板厚が周方向で変化するようにしたので、方位別に安全率（鋼管の抵抗力／（外力の作用力））を平準化できる合理的な構造が実現できる。これによって、鋼材使用量も少なくできるので、安価な鋼管柱構造物が提供できる。
　また、鋼管柱基部の開口部を厚肉化することにより、補強部材を新たに溶接等によって取り付ける必要がなく、工数がかからず、溶接部の品質も問題にならない。

図１は、本発明の一実施の形態に係る鋼管柱構造物の説明図である。 図２は、図１に示した鋼管柱構造物の作用の説明図である。 図３は、本発明の一実施の形態に係る鋼管柱構造物を構成する円形鋼管の説明図である。 図４は、本発明の他の実施の形態に係る鋼管柱構造物の説明図である。 図５は、図４の矢視Ａ−Ａ断面図である。 図６は、図４の矢視Ｂ−Ｂ断面図である。 図７は、本発明の実施例１の説明図である。 図８は、図７の矢視Ｘ−Ｘ断面図である。 図９は、本発明の実施例２の説明図である。 図１０は、図９の矢視Ａ−Ａ断面図である。 図１１は、図９の矢視Ｂ−Ｂ断面図である。 図１２は、実施例２に係る鋼管柱構造物の製造方法の説明図である。 図１３は、実施例２の効果を説明する実験結果のグラフである。 図１４は、課題を解決するための手段の説明図である。 図１５は、課題を解決するための手段の説明図であり、本発明の比較としての従来例の説明図である。 図１６は、従来例の鋼管柱構造物の説明図である。 図１７は、従来例の鋼管柱構造物であって、基部近傍に開口部を有するものの説明図であり、図１７（ａ）が正面図、図１７（ｂ）が図１７（ａ）の矢視Ａ−Ａ断面図である。 図１８は、図１７の開口部の補強構造の説明図である。 図１９は、本発明の一実施の形態の他の態様に係る鋼管柱構造物の説明図である。 図２０は、図１９の矢視Ａ−Ａ断面図である。 図２１は、本発明の一実施の形態の他の態様に係る鋼管柱構造物の説明図である。 図２２は、図２１の矢視Ａ−Ａ断面図である。 図２３は、本発明の一実施の形態の他の態様に係る鋼管柱構造物の説明図である。 図２４は、本発明の一実施の形態の他の態様に係る鋼管柱構造物の説明図である。 図２５は、図２４の矢視Ａ−Ａ断面図である。

［実施の形態１］
　本実施の形態を図１、図２に基づいて説明する。
　本実施の形態に係る鋼管柱構造物１は、複数の円形鋼管を接合することによって形成され、高さ方向の少なくとも一部の範囲において、円形鋼管の軸方向に直交する断面における円形鋼管の板厚が周方向で変化する。
　以下具体的に説明する。

　鋼管柱構造物１の例として、本実施の形態では、上部に風車設備が設置されるタワーを例に挙げている。鋼管柱構造物１は、１８個の円形鋼管を、基礎３の上に高さ方向に積み重ね、円形端部を突合せ溶接にて接合して形成している。図中の破線で示す部位が溶接部であり、下から順に第１円形鋼管１ａ、第２円形鋼管１ｂ・・・、第１８円形鋼管１ｒとなっている。なお、簡略化のために、各円形鋼管における高さ方向には、鋼管径のテーパは図示していない。
　本実施の形態の鋼管柱構造物１は、上部に風車を取り付けるものである。風力には卓越方向があり、図２において、図中上から下向きの方向である。

　図１の矢視Ａ−Ａ断面である図２（ａ）、矢視Ｂ−Ｂ断面である図２（ｂ）、矢視Ｃ−Ｃ断面である図２（ｃ）に示すように、各円形鋼管の図中上下の所定範囲が厚肉に形成されている。
　図中の上下の所定範囲を厚肉にしたのは、風力による揺れが卓越する方向を厚肉化して、繰り返し荷重による疲労強度を増すためである。
　なお、図２（ａ）、図２（ｂ）に示すように、矢視Ａ−Ａ断面の部位（第１８円形鋼管１ｒ）及び矢視Ｂ−Ｂ断面の部位（第１１円形鋼管１ｋ）では、各円形鋼管における図中上下の肉厚は、線対称になっている。但し、矢視Ａ−Ａ断面で示される（第１８円形鋼管１ｒ）よりも矢視Ｂ−Ｂ断面で示される（第１１円形鋼管１ｋ）の方が、厚肉部の厚みがより厚くなっている。これは、下部の方が揺れによる疲労が大きいことから、疲労強度をより強くするためである。
　このように、本実施の形態では、板厚が変化する領域が高さ方向で同じ位置（図中の上下所定の領域）に設けられており、かつ、下部の板厚の変化率が大きく設定されている。
　なお、各円形鋼管の管軸方向直交断面は、上下のいずれの箇所でも同一である。したがって、円周方向で肉厚が変化するとしても、例えばリブ付き鋼管のようなものとは明確に区別される。

　また、図２（ｃ）に示すように、矢視Ｃ−Ｃ断面の部位（第１円形鋼管１ａ）においても、図中に示す上下を厚肉にしているが、図中下側の領域の方が上側の領域よりもさらに厚肉に形成されている。これは、鋼管柱構造物１の基部付近では、揺れによる疲労に対する対策に加えて最大外力による座屈に対する対策として、最大外力により圧縮力が働く方位（図中下側）の耐力を増すためにより厚肉化したものである。

　なお、板厚の変化する部位に段差があると応力集中が生じることが考えられる。そこで、本実施の形態においては、第１１円形鋼管１ｋの断面図である図３に示すように、板厚が変化する部位では、段差を設けないように、厚肉部と薄肉部がテーパ面によって連続するように形成している。図３において、テーパ面の部位は、破線の楕円で囲んでいる。テーパ面の傾斜角度は、応力集中が少なければ良いが、通常は１／５以下の勾配（板厚１ｍｍに対して長さが５ｍｍ以上）の緩やかさにするのが好ましい。
　なお、鋼管を差厚鋼板によって形成する場合には、傾斜角度は最大で１０ｍｍ／ｍ程度であり、勾配にして１／１００以下の勾配となるため、特段の問題は生じない。

　図３では、左右の約７０°の領域Ｅ１、Ｅ２が板厚が薄い領域であり、これを除いた上下の領域が板厚が厚い領域である。なお、第１１円形鋼管１ｋは、図３における、補助線Ａ−Ａ及び補助線Ｂ−Ｂに対して、それぞれ線対称の断面になっている。
　本実施の形態の例では、板厚が厚い領域と薄い領域が鋼管周方向で交互に形成され、厚い領域と薄い領域がそれぞれ２箇所形成されている。そして、板厚が厚い領域同士及び板厚が薄い領域同士が、それぞれ線対称の位置に形成されている。

＜製造方法＞
　鋼管柱構造物１の製造方法の一例を、以下に示す。
　差厚鋼板（鋼板の圧延方向に板厚を変化させた部分を含む厚鋼板）を圧延方向に曲げることにより、円周方向に板厚が変化する円形鋼管を複数（本例では１８個）製造する。
　次に、各円形鋼管を積み重ねて、連結部を突合せ溶接にて接合する。

　本実施の形態の鋼管柱構造物１においては、鋼管柱構造物１の軸方向に直交する断面における円形鋼管の板厚が周方向で変化するようにした。そのため、方位別に安全率（鋼管の抵抗力／外力の作用力）を平準化できる合理的な構造ができる。
　これによって、鋼材使用量も少なくできるので、安価な鋼管柱構造物１を提供することができる。

　従来では、全方位に同様に板厚を増やした鋼管柱構造物しか存在しなかった。しかし、方位別に外力を考えて周方向に板厚を変化させることで、鋼材使用量を減らした合理的な構造が可能となる。疲労がクリティカルになる場合には、疲労性能は発生応力の３乗に比例することが知られており、板厚を部分的に１ｍｍ増やすだけでも方位別の疲労性能は大きく変化する。そのため、差厚量は数ｍｍ程度でも充分な効果がある。

　なお、上記の実施の形態は、風力設備を設置するためのタワーであったため、風力の向きに対応するように板厚の変化する箇所を設定した。このように、板厚を変化させる箇所は、鋼管柱構造物に作用する応力に応じて適切な箇所に設定するようにすればよい。
　例えば、一般の柱状鋼管物において、基部の座屈が問題となる場合には、最大外力が作用する方位の逆側（すなわち、作用力で圧縮力が作用する側）の板厚を厚くするようにすればよい。
　また、洋上風力発電タワーや風力発電用海中基礎のパイル（モノパイル、トリパイルなど）では、風車運転時に生じる揺れによりタワー、海中基礎のパイルの疲労が問題となる場合も生じる。この場合には、揺れが卓越する方位の板厚を増やすことにより、発生応力を低減する必要がある。そのため、揺れの方向に対して線対称になるように厚肉部を形成するようにすればよい。あるいは、揺れが卓越する方位の板厚で断面を設計し、非卓越方位については板厚を減じるようにしてもよい。これらによっても合理的な設計が可能となる。

　海中部に設置する鋼管柱の例が、図１９及び図１９における矢視Ａ−Ａ断面図である図２０に示されている。
　図１９、図２０に示される鋼管柱７３は、海流の影響を受ける海中に設置するものであり、海中部に設置される部位における周方向において、海流に抵抗する方向の板厚が大きくなっている。図２０においては、海流の最も大きな力が作用する方向が図中上から下に向かう方向であり、鋼管柱７３は図中下側を厚肉にしている。
　海流は長期間にわたってほぼ一定の方向と大きさを有していることから、海流の方向の変動の極大値、繰り返し変動量の大きさと繰り返し回数を考慮して、厚くする板厚を設定している。

　海中に設置する海中部構造物の例が、図２１及び図２１における矢視Ａ−Ａ断面図である図２２に示されている。
　図２１、図２２に示される海中部構造物７５は、潮流の影響を受ける海中に設置するものであり、３本の鋼管柱７７を備えてなるものである。
　３本の鋼管柱７７は同様の構造である。各鋼管柱７７は、図２２に示すように、周方向に板厚が異なり、径方向で対向する面が同じ板厚となるように設定されている。これは、各鋼管柱７７が潮流に起因する流れに抵抗するために、潮流の方向の曲げ剛性を高くするように、潮流の方向の板厚を大きくしたものである。潮流は、潮汐に伴う海水の水平運動であり周期的に変化するため、上記の潮流に起因する流れに抵抗する方向に応じて板厚を大きくしている。具体的には、図２２に示すように、図中上から下に向かう方向は、或る時点ｔにおける潮流の方向である。しかし、これは周期的に変化し、別の時点ｔ´においては、図中下から上に向かう方向になる。そのため、鋼管柱は図中上下部分を肉厚に設定している。
　鋼管柱７７における潮流に抵抗する方向の板厚を厚くするということは、逆に言えば、潮流に抵抗する必要のない部位は板厚を厚くしなくてよい。これにより、合理的な設計が可能となる。
　なお、複雑な地形などのように様々な要因によって流れが様々な方向に変化するような場合でも、その方向に応じて必要な板厚に設定すればよい。

　座屈、疲労の双方の場合において、方位別の安全率を平滑化することが目的であれば、鋼管柱構造物１の高さ方向における差厚を設ける箇所に関しては、本実施の形態のように、鋼管柱構造物１の高さ方向全てに設けることができる。
　一方、座屈、疲労以外にも自重に耐える必要性や最小板厚の制限をも考慮すると、高さ方向の一部分に本発明を適用して、当該部分のみの円形鋼管に周方向の差厚を設けたり、当該部分のみの角形鋼管の一部の面に差厚を設けたりするようにしてもよい。

　なお、上記の実施の形態１では、円形鋼管における板厚が変化する部位をテーパ面を介して連続させるようにしたが、本発明では、板厚が変化する部位に段部が形成されるものを排除しているわけではない。

　上記の実施の形態においては、鋼管柱構造物の例として断面が円形の円形鋼管を用いたものを例に挙げて説明したが、造管方法を角形鋼管柱としてもよい。角形鋼管の断面形状としては、四角形（矩形）断面だけでなく、六角形、八角形などの多角形断面であってもよい。角形鋼管の場合も円形鋼管の場合と同様に、周方向で板厚が大きい箇所と小さい箇所があるように周方向に板厚が変化している。このような角形鋼管の製造方法は、ＬＰ鋼板あるいはテーパープレートをプレスベンドにより断面が多角形になるように成形する方法がある。

　図２３はＬＰ鋼板（図２３（ａ））を用いて八角形の角型鋼管を成形する例である。図２３における各辺ａ~ｈが、それぞれ図２３（ｂ）の辺ａ~ｈに対応している。
　図２３（ｂ）に示されるように、八角形断面の対向する辺ａ、ｅが薄肉の辺であり、対向する辺ｃ、ｇが厚肉の辺となっている。そして、厚肉の辺と薄肉の辺の間にある辺ｂ、ｄ、ｆ、ｈがテーパ状の辺となっている。厚肉の辺を板厚の厚い領域とし、薄肉の辺を板厚が薄い領域としてとらえれば、図２３に示される例も、「板厚が厚い領域同士及び板厚が薄い領域同士がそれぞれ線対称の位置に形成されている」ということになる。
　また、薄肉の辺ａ、ｅを板厚が薄い領域、厚肉の辺とテーパ状の辺を含む（ｂ・ｃ・ｄ）、（ｆ・ｇ・ｈ）を板厚が厚い領域ととらえても、図２３に示される例は、「板厚が厚い領域同士及び板厚が薄い領域同士がそれぞれ線対称の位置に形成されている」ということになる。

　また、他の方法として、各辺を構成する平板状の鋼材を周方向に角形に並べて各鋼材を溶接するようにしてもよい。この場合には、鋼管を周方向で巻かないために、出来上がる鋼管柱構造物を構成する鋼管の一つの長さが長くなる。
　図２４の矢視Ａ−Ａ断面図である図２５に、八角形断面を有する角形鋼管柱構造物７９の一例が示されている。図２４、図２５に示した例は、各辺を構成する平板状の鋼材を周方向に８角形を形成するように並べて溶接して形成したものであり、図２５における左右対向する辺に相当する面の板厚が同じであり、これらの板厚が他の部位よりも肉薄になっている。このように板厚の異なる平板を溶接にて接合する場合には、接合箇所において板厚が変わることになるが、溶接端部は一部を切り落として開先を作って溶接するため、溶接部に段ができることはない。
　なお、図２４、図２５に示すように、平板状の鋼材を周方向に多角形を形成するように並べて溶接して形成する場合は、同じ平板を円環状にして形成する場合に比較して、柱構造物を構成する一つの鋼管の長さが長くなる。具体的には、図２４、図２５に示す角形鋼管柱構造物７９を構成する第１角形鋼管７９ａ、第２角形鋼管７９ｂ、第３角形鋼管７９ｃの長さが、図１に示した円形断面の鋼管柱構造物１を構成する第１円形鋼管１ａ等よりも長くなっている。

［実施の形態２］
　本実施の形態を図４~図６に基づいて説明する。
　本実施の形態に係る鋼管柱構造物１０は、鋼管柱構造物１０を構成する鋼管の一部に開口部１３を有し、該開口部１３が板厚の厚い部位に形成されていることを特徴とするものである。
　開口部１３を有する鋼管柱構造物１０の具体例としては、鋼製煙突、風力発電用タワー、風力発電用海中基礎パイル等がある。
　図４~図６に示す例は、鋼管の直径が６ｍ（φ６０００）で、幅１ｍ、高さ２ｍの開口部１３が設けられている場合である。

　本実施の形態の鋼管柱構造物１０は、実施の形態１と同様に複数の円形鋼管を、その円形端部を当接させるように積み重ね、当接部を突き合わせ溶接して形成されている。また、本実施の形態の鋼管柱構造物１０は、図４に示すように、最下部の第１円形鋼管１０ａと、下から２番目の第２円形鋼管１０ｂの両方に亘る部位に開口部１３が形成されている。
　最下部の第１円形鋼管１０ａと、その上の第２円形鋼管１０ｂは、図４の矢視Ａ−Ａ断面図である図５に示すように、開口部１３に相当する領域が肉厚に形成されている。

　開口部１３が形成される領域を厚肉にした円形鋼管を、図５に示す第２円形鋼管１０ｂを例に挙げて具体的に説明する。第２円形鋼管１０ｂは、標準板厚領域２１と、厚肉領域２３と、標準板厚領域２１と厚肉部を繋ぐテーパ面領域２５とを備えている。

　第２円形鋼管１０ｂは、例えば幅（Ｃ方向）３ｍ×長さ（Ｌ方向）約１８．８ｍ（６ｍ×３．１４＝１８．８４ｍ）のＬＰ鋼板を、Ｌ方向を円周方向に曲げて製作する。
　開口部１３の約１ｍとその周辺の１ｍの合計３ｍの領域が厚肉領域２３で、厚肉領域２３の両側の１．５ｍの部分が５ｍｍ／ｍのテーパ面領域２５となり、それ以外の部分が円周の半分となる約（Ｌ方向長さ１８．８４−３−１．５−１．５＝１２．８４ｍ）が標準板厚領域２１となっている。
　標準板厚領域２１の板厚は４０ｍｍ、厚肉領域２３の板厚は５０ｍｍ、テーパ面領域２５の傾斜は５ｍｍ／ｍである。

　下から３番目の第３円形鋼管１０ｃは、図４の矢視Ｂ−Ｂ断面図である図６に示すように、板厚が周方向で変化せずに標準の板厚（４ｍｍ）となっている。
　第３円形鋼管１０ｃについては、従来通りの差厚鋼板でない通常の圧延鋼板を用いて造管された鋼管である。

＜製造方法＞
　鋼管柱構造物１０の製造方法は、実施の形態１と同様であり、差厚鋼板を圧延方向に曲げることにより、円周方向に板厚が変化する円形鋼管を製造する。円形鋼管を、その円形端部を突き合わせ溶接により接合する。開口部１３は、円形鋼管を接合した後で形成すればよい。
　ＬＰ鋼板の板厚変化部、板厚一定部は圧延時の制御により製作可能である。通常は１枚の圧延厚板で造管可能である。
　しかし、タワーの大型化に伴い、鋼管径が６ｍを超えて、１０ｍに近い場合もあり、その場合は、１枚の圧延厚板で製作する場合には３０ｍ程度の長さが必要となるが、鋼板製造に加えて、製作時のハンドリングも悪くなる。そこで、このような場合には、１５ｍ程度の長さの厚板を２枚つないだ上で造管した方が好ましい。その場合、２枚ともＬＰ鋼板の場合、片側だけがＬＰ鋼板の場合もある。

　本実施の形態の鋼管柱構造物１０においては、開口部１３の断面欠損による座屈耐力を防止するために、その部分の板厚をあらかじめ造管段階で厚肉化して座屈耐力の向上がなされている。そのため、補強部材が不要であり、補強に伴う溶接作業も不要になる。さらに、溶接部が存在すると品質、疲労き裂の問題も懸念されるが、本実施の形態では開口部１３近傍に補強用の溶接部が存在しないことから、品質の問題や、疲労き裂の問題もない。

　上記の実施の形態２においては、鋼管柱構造物１０の例として断面が円形の円形鋼管を用いたものを例に挙げて説明したが、造管方法を角形鋼管柱としてもよい。この場合において、その製造方法等は、実施の形態１で説明した内容と同様である。

　上記実施の形態１に対応する実施例１を、図７、図８に基づいて説明する。なお、図７、図８において図１~図３と同一部分には同一の符号を付してある。
　実施例１の鋼管柱構造物１は、鋼管径４０００ｍｍ、板厚３０ｍｍの円形断面を持つ従来の鋼管柱構造物１に代わるものとして、本発明を適用して差厚鋼板を用いて製作した円形鋼管を高さ方向に２５個接合することで、各円形鋼管の断面が周方向で変化するようにしたものである。
　実施例１の鋼管柱構造物１は、図７の矢視Ｘ−Ｘ断面図である図８に示すように、差厚鋼板を用いて、周方向に７０°区間を板厚２２ｍｍにして、その間をテーパで擦り付けた断面を有している。図８において、鋼管柱構造物の断面は、補助線Ａ−Ａ、補助線Ｂ−Ｂに対して、それぞれ線対称の断面となっている。

　卓越風向による揺れの方向（図中Ａ−Ａ方向）の繰り返し回数に対して、卓越風向と直角風向による揺れの繰り返し回数（図中Ｂ−Ｂ方向）が４０％であることから、Ｂ−Ｂ方向の揺れに対してはＡ−Ａ方向の４０％の疲労寿命で充分である。そこで、Ｂ−Ｂ方向の板厚を３０ｍｍから２２ｍｍに薄くしたものである。
　Ｂ−Ｂ方向の板厚を薄くすることによって、図８における鉛直方向（Ａ−Ａ方向）に力が作用する場合の剛性（断面二次モーメント）はほとんど変えずに、水平方向（Ｂ−Ｂ方向）に力が作用する剛性（断面二次モーメント）を減じることができ、水平方向（Ｂ−Ｂ方向）の断面二次モーメントは約８０％となっている。

　梁理論では、発生応力σ＝（Ｍ／Ｉ）・ｙ（Ｍ：曲げモーメント、Ｉ：断面二次モーメント、ｙ：縁端部までの距離（円管の場合、鋼管外法半径））であるから、板厚の変化により断面二次モーメントのみが変化し、発生応力が変わる。断面二次モーメントが８０％であれば、発生応力は１／０．８＝１．２５倍となる。疲労寿命は発生応力の３乗に反比例することから、板厚を薄くした方向の疲労寿命は１／（１．２５×１．２５×１．２５）＝０．５１倍となる。要求される疲労寿命が４０％以上であれば、この断面でも充分に性能を満足することがわかる。

　上記実施の形態２に対応する実施例２を、図９~図１１に基づいて説明する。なお、図９~図１１において図４、図５に示したものと同一部分には同一の符号を付してある。
　実施例２の鋼管柱構造物１０は、直径５ｍ（φ５０００）、板厚４０ｍｍの鋼管柱の基部に開口部１３（１ｍ幅×２ｍ高さ）が設けられているものであって、開口部１３の補強部材を設けていた従来例に代わるものとして、本発明を適用して開口部１３が設けられる部位に差厚鋼板を用いて開口部１３の近傍が厚肉になるようにしたものである。

　実施例２では、開口部１３とその周囲１ｍの領域である厚肉領域２３の板厚を、標準板厚領域２１の板厚である４０ｍｍより８ｍｍ増やして４８ｍｍとし、標準板厚領域２１と厚肉領域２３との境界を８ｍｍ／ｍのテーパで擦り付けたテーパ面領域２５としている。開口部１３以外の部分は標準板厚で板厚の変化がない。

　実施例２の鋼管柱構造物１０は以下のようにして製造する。
　圧延鋼板は幅（Ｃ方向）３ｍ×長さ（Ｌ方向）約１５．７ｍ（５ｍ×３．１４＝１５．７ｍ）とし、図１２に示すように、１枚の差厚鋼板２７におけるＬ方向を環状に曲げて端部を溶接することにより円形鋼管を複数製作する。この円形鋼管を高さ方向に重ねて接合することにより鋼管柱構造物１０が製作される。
　開口部１３が設けられる部位の第１円形鋼管１０ａ、第２円形鋼管１０ｂは、圧延鋼板をＬＰ鋼板とし、開口部１３の約１ｍとその周辺の１ｍの計３ｍの領域の板厚が４８ｍｍ、その両側の１ｍの領域が２ｍｍ／ｍのテーパとなり、それ以外の領域である円周の半分となる約１０．７ｍ（Ｌ方向長さ１５．７−３−１−１＝１０．７ｍ）が４０ｍｍの板厚になっている。
　第３円形鋼管１０ｃは、周方向に板厚の変化のないものである。

　従来の構造であれば、開口部１３を設けた後に、厚肉鋳造部材、補強部材を入れる必要があるが、本実施例では、差厚鋼板２７を用いたことにより板厚が増厚されることによって座屈耐力の向上がなされているため、補強部材は不要となる。

　実施例２について、座屈解析を実施した結果を示すグラフが図１３である。図１３のグラフは、縦軸が基部抵抗モーメント（ＫＮｍｍ）、横軸が水平変位（ｍｍ）であり、開口部１３に補強部材を設けた従来例（グラフ柱の○印）、開口部１３に補強を設けていない比較例（図中の△印）、ＬＰ鋼板を用いた実施例２（図中の●印）のそれぞれを示している。

　図１３のグラフから分かるように、開口部１３を設けて補強をしない比較例では、水平変位が小さい段階から耐力が低下している。また、開口部１３を設けて補強をした従来例では、ある程度の水平変位までは耐力が低下しないが、水平変位がある段階以降では耐力が低下する。これらに対して、実施例２では、水平変位が大きくなっても耐力が殆ど低下しないことがわかる。

　　１　鋼管柱構造物
　　３　基礎
　１ａ　第１円形鋼管
　１ｂ　第２円形鋼管
　１ｋ　第１１円形鋼管
　１ｒ　第１８円形鋼管
　１０　鋼管柱構造物
　１３　開口部
１０ａ　第１円形鋼管
１０ｂ　第２円形鋼管
１０ｃ　第３円形鋼管
　２１　標準板厚領域
　２３　厚肉領域
　２５　テーパ面領域
　５０　鋼管柱構造物
　５１　圧延鋼板
　５３　円形鋼管
　５５　鋼管柱構造物
　５７　開口部
　５９　ダブリングプレート
　６１　厚肉材
　６５　差厚鋼板
　６７　円形鋼管
　６９　圧延鋼板
　７１　円形鋼管
　７３　鋼管柱
　７５　海中構造物
　７７　鋼管柱
　７９　角形鋼管柱構造物
　７９ａ　第１角形鋼管
　７９ｂ　第２角形鋼管
　７９ｃ　第３角形鋼管

Claims (9)

1. 　鋼管によって形成され、高さ方向の少なくとも一部の範囲において、鋼管柱構造物の軸方向に直交する断面における鋼管の板厚が周方向で変化することを特徴とする鋼管柱構造物。
2. 　差厚鋼板を円環状に形成してなる円形鋼管を、高さ方向に積み重ねて接合してなることを特徴とする請求項１記載の鋼管柱構造物。
3. 　前記板厚が変化する境界部をテーパ面によって連続するようにしたことを特徴とする請求項１又は２記載の鋼管柱構造物。
4. 　板厚が厚い領域と薄い領域とが鋼管周方向で交互に形成され、厚い部位と薄い部位がそれぞれ複数箇所形成されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の鋼管柱構造物。
5. 　板厚が厚い領域同士及び板厚が薄い領域同士がそれぞれ線対称の位置に形成されていることを特徴とする請求項４記載の鋼管柱構造物。
6. 　板厚が変化する領域が、高さ方向の一部の領域のみに形成されていることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載の鋼管柱構造物。
7. 　板厚が変化する領域が周方向の同じ領域で上下に亘って設けられると共に、下部の板厚の変化率が上部の板厚の変化率よりも大きく設定されていることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか一項に記載の鋼管柱構造物。
8. 　鋼管柱構造物の周面の一部に開口部を有し、該開口部が板厚の厚い部位に形成されていることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか一項に記載の鋼管柱構造物。
9. 請求項１乃至８のいずれかに記載の鋼管柱構造物の製造方法であって、ＬＰ鋼板を１枚、あるいは複数枚接合したものを円環状に形成して円形鋼管を製作する円形鋼管製作工程と、製作された円形鋼管を積み重ねて接合する円形鋼管接合工程を備えたことを特徴とする鋼管柱構造物の製造方法。

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