(57)【要約】【課題】可能な限り小さく、簡単な機構を有し、効率的に塔体の構造減衰を向上させるフランジ接合されたタワー構造体の制振装置、及び該制振装置を設置したタワー構造体を提供する。【解決手段】本発明に係る制振装置１は、下側の鋼管の端部に設けられた下水平フランジ部３と、上側の鋼管の端部に設けられた上水平フランジ部５を、ボルト２３及びナット２５によって接合したフランジ接合部によって前記鋼管同士を連結したタワー構造体の制振装置１であって、引張強度２００〜４００Ｎ／ｍｍ2の鋼材からなり、前記フランジ接合部において下水平フランジ部３と上水平フランジ部５に跨るように設置されて、設置状態において上水平フランジ部５と接する上片部７と、下水平フランジ部３と接する下片部９と、下片部９と上片部７を連結する連結片部１１とを有し、上水平フランジ部５と下水平フランジ部３の基部が上下方向に離れたときに変形してエネルギーを吸収する。【選択図】  図１
2018096147.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
下側の鋼管の端部に設けられた下水平フランジ部と、上側の鋼管の端部に設けられた上水平フランジ部を、ボルト及びナットによって接合したフランジ接合部によって前記鋼管同士を連結したタワー構造体の制振装置であって、
引張強度２００〜４００Ｎ／ｍｍ2の鋼材からなり、前記フランジ接合部において前記下水平フランジ部と前記上水平フランジ部に跨るように設置されて、設置状態において上記上水平フランジ部と接する上片部と、前記下水平フランジ部と接する下片部と、該下片部と前記上辺部を連結する連結片部とを有し、前記上水平フランジ部と前記下水平フランジ部の基部が上下方向に離れたときに変形してエネルギーを吸収することを特徴とするタワー構造体の制振装置。
【請求項２】
前記上片部と前記下片部は、それぞれ設置状態で同軸上となる少なくとも２個のボルト孔を有することを特徴とする請求項１記載のタワー構造体の制振装置。
【請求項３】
全体形状が、側面視でＵ字又はコ字状であることを特徴とする請求項１又は２に記載のタワー構造体の制振装置。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれかに記載の制振装置を設置してなることを特徴とするタワー構造体。
【請求項５】
制振装置がフランジ接合部の周方向の一部の領域に設置されていることを特徴とする請求項４記載のタワー構造体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば風力発電装置の塔体のように下側の鋼管の端部に設けられた下水平フランジ部と、上側の鋼管の端部に設けられた上水平フランジ部をボルト及びナットによって接合して前記鋼管同士を接合してなるタワー構造体の制振装置及び該制振装置を設置したタワー構造体に関する。
【背景技術】
【０００２】
鋼管同士をフランジ接合したタワー構造体として、例えば図６に示すような風力発電設備１７の塔体１９がある。
このような風力発電設備１７の塔体１９は、図７、図８に示すように、鋼管端部に形成された内向きの上水平フランジ部５と下水平フランジ部３（断面Ｌ型フランジ）をボルト２３及びナット２５によってボルト接合されて形成されている。
【０００３】
塔体の頂部に重量の大きいナセルを搭載するため、頂部を腹とするような１次モードが卓越し、強風時や地震時には頂部が大きく振動する。損傷や倒壊する危険性がある。また、供用期間中の繰り返し荷重により、疲労破壊が発生する危険性がある。
【０００４】
上記のように、塔体は鋼管をボルト接合しただけの単純な構造であるため、塔体そのものの構造減衰は極めて低い。非特許文献１によると、実測値から同定された１次モードの減衰定数は0.2%程度である。
そのため、塔体に別途制振装置を設けて振動を抑制する必要がある。
【０００５】
風力発電設備の塔体の風や地震による振動を抑制する方法としては、頂部のナセル内部にＡＭＤ（アクティブ・マス・ダンパー）やＴＭＤ（チューンド・マス・ダンパー）を設置する方法が一般的である。
また、ビルや家屋等の建築物では、骨組み内にオイルダンパーあるいは樹脂製ダンパーを設置することにより、風や地震による振動を吸収する手法が一般的である。
【０００６】
また、制振装置ではないが、フランジ接合部の補強方法としては、例えば特許文献１に記載された「フランジ補強治具」がある。
この「フランジ補強治具」は、フランジ接合部をまたぐようにフランジ周方向に間隔をおいて配される複数の補強部材と、フランジ部背面付根部分に当接した状態で、前記補強部材によりフランジ部背面に押し当てられる当て部材と、前記複数の補強部材を管体に固定するためのリング状の締付部材とからなるというものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００６−３２９３４０号公報
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】山口ら，“常時微動と強制加振試験に基づく洋上風力発電設備のシステム同定”，第35回風力エネルギー利用シンポジウム，pp.264-267，2013
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
ナセル内部にＡＭＤやＴＭＤを設置する方法では、塔体とは別に設備を設置することになり、高コストである。また、ナセル内の空間を制振装置が占領するため、定期点検やトラブル対応時の作業に支障が出るという問題もある。
【００１０】
また、オイルダンパーあるいは樹脂製ダンパーを設置する方法では、制振装置そのものが大きく、他方、塔体内部が非常に狭隘であることに鑑みると、ダンパーのような大型の装置を設置することはスペース面で無理があり、点検等の作業に支障が出る可能性もある。
【００１１】
また、特許文献１に記載のものは、フランジ部を補強するものであり、制振作用を期待することはできない。
【００１２】
本発明はかかる課題を解決するためになされたものであり、可能な限り小さく、簡単な機構を有し、効率的に塔体の構造減衰を向上させるフランジ接合されたタワー構造体の制振装置、及び該制振装置を設置したタワー構造体を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
前述のように、風力発電設備１７の塔体１９は、図８に示すように、鋼管端部に形成された内向きの上水平フランジ部５と下水平フランジ部３（断面Ｌ型フランジ）をボルト２３及びナット２５によってボルト接合されている。
このため、塔体１９に風荷重や自身等によって振動が生じた場合、図９に示すように、フランジ部が開くような挙動が生ずる。
そこで、発明者は、この変形に追従するように塑性変形する部材を設置することで、振動エネルギーを吸収して、制振作用を発現できると考えた。
本発明はこのような知見に基づくものであり、具体的には以下の構成からなるものである。
【００１４】
（１）本発明に係るタワー構造体の制振装置は、下側の鋼管の端部に設けられた下水平フランジ部と、上側の鋼管の端部に設けられた上水平フランジ部を、ボルト及びナットによって接合したフランジ接合部によって前記鋼管同士を連結したタワー構造体の制振装置であって、
引張強度２００〜４００Ｎ／ｍｍ2程度の鋼材からなり、前記フランジ接合部において前記下水平フランジ部と前記上水平フランジ部に跨るように設置されて、設置状態において上記上水平フランジ部と接する上片部と、前記下水平フランジ部と接する下片部と、該下片部と前記上辺部を連結する連結片部とを有し、前記上水平フランジ部と前記下水平フランジ部の基部が上下方向に離れたときに変形してエネルギーを吸収することを特徴とするものである。
【００１５】
（２）また、上記（１）に記載のものにおいて、前記上片部と前記下片部は、それぞれ設置状態で同軸上となる少なくとも２個のボルト孔を有することを特徴とするものである。
【００１６】
（３）また、上記（１）又は（２）に記載のものにおいて、全体形状が、側面視でＵ字又はコ字状であることを特徴とするものである。
【００１７】
（４）本発明に係るタワー構造体は、（１）乃至（３）のいずれかに記載の制振装置を設置してなることを特徴とするものである。
【００１８】
（５）また、上記（４）に記載のものにおいて、制振装置がフランジ接合部の周方向の一部の領域に設置されていることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１９】
本発明に係るタワー構造体の制振装置は、引張強度２００〜４００Ｎ／ｍｍ2の鋼材からなり、下水平フランジ部と上水平フランジ部に跨るように設置されて、設置状態において上記上水平フランジ部と接する上片部と、前記下水平フランジ部と接する下片部と、該下片部と前記上辺部を連結する連結片部とを有し、前記上水平フランジ部と前記下水平フランジ部の基部が上下方向に離れたときに変形してエネルギーを吸収するようにしたので、装置そのものが非常に小型であり、設置に大きな空間を必要とせず、構造減衰を向上させることができる。
また、上片部と下片部に、それぞれ設置状態で同軸上となる少なくとも２個のボルト孔を有するようにすれば、タワー構造体のフランジ接合部に用いるボルトをそのまま利用できるため、タワー構造体そのものの設計を修正する必要がなく、工数を削減可能であり、かつ管理項目を削減可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の実施の形態１に係るタワー構造体の制振装置の設置状態を説明する説明図である。
【図２】図１に示したタワー構造体の制振装置の詳細を説明する説明図であり、取り付け状態を示す図である。
【図３】図２に示したタワー構造体の制振装置の説明図であって、取り外した状態を示す図である。
【図４】本発明の実施の形態１に係るタワー構造体の制振装置の他の態様を説明する説明図である。
【図５】本発明のタワー構造体の制振装置における他の設置態様の説明図である。
【図６】鋼管同士をフランジ接合したタワー構造体の一例である風力発電設備の説明図である。
【図７】図６に示したタワー構造体のフランジ接合部を示す図である。
【図８】図６に示したタワー構造体を構成する鋼管同士のフランジのボルト接合を説明する説明図である。
【図９】タワー構造体が振動した際に鋼管同士のフランジ接合部に生ずる挙動を説明する説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
本発明の実施の形態１に係るタワー構造体の制振装置１（以下、単に「制振装置１」という）は、図１〜図３に示すように、下側の鋼管の端部に設けられた下水平フランジ部３と、上側の鋼管の端部に設けられた上水平フランジ部５を、ボルト・ナットによって接合するフランジ接合部に設けられるものである。
【００２２】
本実施の形態の制振装置１は、図２、図３に示すように、引張強度２００〜４００Ｎ／ｍｍ2の鋼材からなる厚板部材を押し曲げ加工して形成されたものであり、全体形状が側面視でコ字状をしており、上水平フランジ部５のフランジ面側に配置される上片部７と、下水平フランジ部３側に配置される下片部９と、下片部９と前記上辺部を連結する連結片部１１とを有している。
【００２３】
鋼管同士をフランジ接合したタワー構造体としては、上述した風力発電設備１７の塔体１９の他、橋脚、鋼製煙突などが挙げられる。
タワー構造体に用いられるのが一般鋼から高強度鋼であるため、制振装置１はこれらよりも降伏点が低く変形しやすい引張強度２００〜４００Ｎ／ｍｍ2程度の鋼材を用いることで、塑性変形性能が向上して大きな振動エネルギーを吸収することができる。
引張強度２００〜４００Ｎ／ｍｍ2の鋼材としては、いわゆる極低降伏点鋼や低降伏点鋼が挙げられる。
【００２４】
制振装置１の配置に関し、上水平フランジ部５と下水平フランジ部３を結合するボルト２３を図７のように均等配置するのではなく、例えば図１に示すように、周方向で２本ずつを一つの組みとして、組となっているボルト２３同士の間隔が狭く、組同士の間の間隔が広いような不連続なボルト配置をすると、間隔の広い組同士の間の変形が大きくなる。そこで、このようなこの変形量の大きい箇所に本発明による制振装置１を取り付けることで、効率的に減衰効果を増加させることが可能である。なお、図１においては、制振装置１を固定するボルト１３は図示を省略している。
制振装置１の形状としては、フランジ接合部が鋼管側から開こうとする変形に追従して変形するような形状が好ましい。以下、上片部７、下片部９及び連結片部１１の好ましい形状の詳細を説明する。
【００２５】
＜上片部＞
上片部７は、図２、図３に示すように、矩形の平板状をしており、基端側にボルト１３が挿通されるボルト挿通孔１５を有すると共に上水平フランジ部５のフランジ面に配置されたときに先端側が上水平フランジ部５の端部よりも延出するように形成されている。
なお、上片部７の基端側とは、制振装置１をタワー構造体におけるフランジ接合部に設置した状態で上水平フランジ部５の基部側になる側をいい、上片部７の先端側とは、同様の状態で上水平フランジ部５の先端側になる側をいう。
【００２６】
ボルト挿通孔１５は２個形成されている。
ボルト挿通孔１５に挿通されるボルト１３は、タワー構造体の下水平フランジ部３と上水平フランジ部５を固定するボルト２３と同径で、長さが長いものである。そして、大型の風力発電設備の場合、ボルト径は30〜50mmであるため、ボルト挿通孔１５に挿通されるボルト１３はこのボルト径と同径のものであることが必要である。
【００２７】
＜下片部＞
下片部９は、図２、図３に示すように、上片部７と同様に、矩形の平板状をしており、基端側にボルト１３が挿通されるボルト挿通孔１５を有すると共に下水平フランジ部３のフランジ面に配置されたときに先端側が下水平フランジ部３の端部よりも延出するように形成されている。
なお、下片部９の基端側とは、制振装置１をタワー構造体におけるフランジ接合部に設置した状態で下水平フランジ部３の基部側になる側をいい、下片部９の先端側とは、同様の状態で下水平フランジ部３の先端側になる側をいう。
ボルト挿通孔１５は、上片部７と同様に２個形成されており、その径も上片部７のボルト挿通孔１５と同じである。
【００２８】
＜連結片部＞
連結片部１１は、一端側が上片部７の先端側に連続すると共に他端側が下片部９の先端側に連続している。連結片部１１は、制振装置１を設置した状態において、上水平フランジ部５と下水平フランジ部３の基部が上下方向に離れたときに下片部９の基端側と上片部７の基端側が離れようとするのに抵抗する。
【００２９】
本実施の形態の連結片部１１は、図２に示すように、平板状に形成されている。このように、連結片部１１を平板状とする場合でも、連結片部１１と上片部７との接続面及び連結片部１１と下片部９との接続面は、直角とせずに、曲率半径が板厚の５０％程度の湾曲面によって連続させることが、応力集中の発生を避けるために好ましい。
なお、本例では、連結片部１１と上片部７及び下片部９との境界の角部には、応力集中を低減するための切り欠き溝１６を設けている。
【００３０】
制振装置１は、図２、図３に示すように、側面視でコ字状をしているが、例えば制振対象のタワー構造体が大型の風力発電設備の場合、ボルト径は30〜50mmであり、上水平フランジ部５、下水平フランジ部３のフランジ幅はボルト径の2〜4倍、上水平フランジ部５及び下水平フランジ部３を重ねた厚さは200mm程度であるため、これに設置できる断面を有している。
【００３１】
＜取り付け方法＞
上記のように構成された本実施の形態に係る制振装置１の取り付け方法を説明する。
フランジ接合部を接合するボルト１３を取り外し、コ字状の制振装置１の基端側をフランジ接合部に挿入する。
そして、フランジ接合部のボルト孔と、制振装置１における上片部７及び下片部９のボルト挿通孔１５を位置合わせして、ボルト接合する。このとき、ボルト１３の締め付け力の管理は、タワー構造体のフランジ接合部のボルト締付力と同等にすればよい。
【００３２】
＜作用の説明＞
風荷重が作用すると、上述したように、上水平フランジ部５及び下水平フランジ部３は変形し、上水平フランジ部５と下水平フランジ部３の基部が開こうとする。
このとき、制振装置１の上片部７の基部側が持ち上げられ、逆に下片部９の基部側が押し下げられて変形して、振動エネルギーを吸収する。制振装置１は上水平フランジ部５や下水平フランジ部３よりも降伏点の低い引張強度２００〜４００Ｎ／ｍｍ2の鋼材であるから、変形性能に優れ、容易に変形して効果的にエネルギー吸収をする。
【００３３】
以上のように、本実施の形態の制振装置１は、装置そのものが非常に小型であり、設置に大きな空間を必要とせず、構造減衰を向上させることができる。
また、上片部７と下片部９に、それぞれ設置状態で同軸上となる少なくとも２個のボルト挿通孔１５を設けているので、タワー構造体のフランジ接合部に用いるボルト孔をそのまま利用できる。
また、使用するボルト１３は、既設のボルト２３と同径のものを用いればよく、ボルト再選定についても煩雑な作業が不要である。
【００３４】
なお、上記の説明では、制振装置１の側面視の形状としてコ字状のものを例に挙げて説明したが、本発明の制振装置１は上片部７、下片部９及び連結片部１１から形成されるものであれば形状はこれに限定されるものではなく、例えば図４に示すような側面視がＵ字状のものであってもよい。この場合、連結片部１１は平板状ではなく湾曲状に形成されており、制振装置１の変形時に応力集中することがなく、滑らかな変形が可能となるので好ましい。
【００３５】
また、風力発電設備のように卓越する風向が限定されている場合、振動の発生する方向は限定される。そして、卓越風向は既存の風況観測データに基づき特定することができるので、その方向が特定できれば、振動の方向が明確になる。このような場合には、図５に示すように、フランジ接合部の全周ではなく、周方向の特定の領域に局所的に制振装置１を設置することで、効率的な構造減衰向上が可能になる。
【００３６】
また、本発明による制振装置１は、タワー構造体の高さ方向の全てのフランジ接合部に設置する必要はなく、高さ方向に偏分布させて設置することが可能である。
タワー構造体のフランジ接合部の中でも、変形量の大きい部分であるほど、本発明の制振効果は大きい。その意味で、曲げモーメントが大きく、かつ断面係数の小さい層のフランジ接合部に設けるのが最も効果的である。
そして、本発明の制振装置１は、フランジ接合部を挟むようなごく小さい形状であるため、所望の箇所に設置が可能であり、極めて効率的である。
【符号の説明】
【００３７】
１  制振装置
３  下水平フランジ部
５  上水平フランジ部
７  上片部
９  下片部
１１  連結片部
１３  ボルト
１５  ボルト挿通孔
１６  切り欠き溝
１７  風力発電設備
１９  塔体
２１  ブレード
２３  ボルト
２５  ナット
【図１】
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【図２】
2018096147.tif 000004
【図３】
2018096147.tif 000005
【図４】
2018096147.tif 000006
【図５】
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【図６】
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【図７】
2018096147.tif 000009
【図８】
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【図９】
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【手続補正書】
【提出日】平成30年3月13日(2018.3.13)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
下側の鋼管の端部に設けられた下水平フランジ部と、上側の鋼管の端部に設けられた上水平フランジ部を、ボルト及びナットによって接合したフランジ接合部によって前記鋼管同士を連結したタワー構造体の制振装置であって、
引張強度２００〜４００Ｎ／ｍｍ2の鋼材からなり、前記フランジ接合部において前記下水平フランジ部と前記上水平フランジ部に跨るように設置されて、設置状態において上記上水平フランジ部と接する上片部と、前記下水平フランジ部と接する下片部と、該下片部と前記上片部を連結する連結片部とを有し、前記上水平フランジ部と前記下水平フランジ部の基部が上下方向に離れたときに変形してエネルギーを吸収することを特徴とするタワー構造体の制振装置。
【請求項２】
前記上片部と前記下片部は、それぞれ設置状態で同軸上となる少なくとも２個のボルト孔を有することを特徴とする請求項１記載のタワー構造体の制振装置。
【請求項３】
全体形状が、側面視でＵ字又はコ字状であることを特徴とする請求項１又は２に記載のタワー構造体の制振装置。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれかに記載の制振装置を設置してなることを特徴とするタワー構造体。
【請求項５】
制振装置がフランジ接合部の周方向の一部の領域に設置されていることを特徴とする請求項４記載のタワー構造体。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１４】
（１）本発明に係るタワー構造体の制振装置は、下側の鋼管の端部に設けられた下水平フランジ部と、上側の鋼管の端部に設けられた上水平フランジ部を、ボルト及びナットによって接合したフランジ接合部によって前記鋼管同士を連結したタワー構造体の制振装置であって、
引張強度２００〜４００Ｎ／ｍｍ2程度の鋼材からなり、前記フランジ接合部において前記下水平フランジ部と前記上水平フランジ部に跨るように設置されて、設置状態において上記上水平フランジ部と接する上片部と、前記下水平フランジ部と接する下片部と、該下片部と前記上片部を連結する連結片部とを有し、前記上水平フランジ部と前記下水平フランジ部の基部が上下方向に離れたときに変形してエネルギーを吸収することを特徴とするものである。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１９】
本発明に係るタワー構造体の制振装置は、引張強度２００〜４００Ｎ／ｍｍ2の鋼材からなり、下水平フランジ部と上水平フランジ部に跨るように設置されて、設置状態において上記上水平フランジ部と接する上片部と、前記下水平フランジ部と接する下片部と、該下片部と前記上片部を連結する連結片部とを有し、前記上水平フランジ部と前記下水平フランジ部の基部が上下方向に離れたときに変形してエネルギーを吸収するようにしたので、装置そのものが非常に小型であり、設置に大きな空間を必要とせず、構造減衰を向上させることができる。
また、上片部と下片部に、それぞれ設置状態で同軸上となる少なくとも２個のボルト孔を有するようにすれば、タワー構造体のフランジ接合部に用いるボルトをそのまま利用できるため、タワー構造体そのものの設計を修正する必要がなく、工数を削減可能であり、かつ管理項目を削減可能である。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２２】
本実施の形態の制振装置１は、図２、図３に示すように、引張強度２００〜４００Ｎ／ｍｍ2の鋼材からなる厚板部材を押し曲げ加工して形成されたものであり、全体形状が側面視でコ字状をしており、上水平フランジ部５のフランジ面側に配置される上片部７と、下水平フランジ部３側に配置される下片部９と、下片部９と上片部７を連結する連結片部１１とを有している。