(57)【要約】【課題】特殊な接合構造を用いることなく、簡単で低コストとなる構造により、接合端部に生じる応力集中を効果的に抑制することができる。【解決手段】内管１の上端１ａを外管２の下端２ａに挿入させて所定長でオーバーラップさせた鋼管接合部Ｔが形成され、鋼管接合部Ｔの管軸方向の両端部の応力集中部Ｔ１、Ｔ２同士の間の非応力集中部Ｔ３には、中央部グラウト材３Ａが打設され、応力集中部Ｔ１、Ｔ２には、中央部グラウト材３Ａよりも高じん性の特性を有するゴム系材料、ポリマーコンクリート、またはファイバーコンクリートなどの端部グラウト材３Ｂが打設された構成の鋼管接合構造を提供する。【選択図】図１
2015055046.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内管と外管との一対の鋼管同士を接合するための鋼管接合構造であって、
前記内管の一端を前記外管の一端に挿入させて所定長でオーバーラップさせた鋼管接合部が形成され、
該鋼管接合部の管軸方向の両端部の応力集中部同士の間の非応力集中部には、中央部グラウト材が打設され、
前記応力集中部には、前記中央部グラウト材よりも高じん性の特性を有する端部グラウト材が打設されていることを特徴とする鋼管接合構造。
【請求項２】
前記端部グラウト材のヤング係数は、前記中央部グラウト材よりも小さく、且つ前記中央部グラウト材の１／１０以上の材料であることを特徴とする請求項１に記載の鋼管接合構造。
【請求項３】
前記端部グラウト材は、ゴム系材料、ポリマーコンクリート、またはファイバーコンクリートが使用されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の鋼管接合構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば風力発電に用いられる風車等の支柱の鋼管同士の接合部に適用される鋼管接合構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
この種の鋼管接合構造として、従来、下記特許文献１に示されるように、モノパイル式洋上風車における風車タワーとモノパイル（以下、鋼管杭という）との接合では、風車タワーの下端部のトランジションピースに鋼管杭の上端部を挿入して二重鋼管部分を形成し、それら鋼管同士の間隙にモルタル等のグラウト材を注入して固定するグラウト接合構造が知られている。
【０００３】
このような構造のグラウト接合部に荷重が作用した場合、鋼管との接触によりグラウト材に圧縮応力度が発生し、とくに接合部端部では形状不連続に伴い応力集中が生じる。例えばグラウト接合部の設計で準拠するノルウェーの洋上風車設計指針（以下、ＤＮＶ指針という）には、図２に示すグラウト材の平均圧縮応力度σ０、鋼管接合部における両端部の応力集中係数ＳＦＣおよび応力集中が発生する範囲（接合部端部からの長さｌｅ）について評価式（後述する（１）式〜（３）式）が示されている。そして、図２に示す評価式に基づくグラウト材の圧縮応力度の高さ方向分布では、ｌｅにおいてＳＦＣ×σ０が大きくなり、応力集中が発生している。
【０００４】
また、図５は、応力集中係数ＳＦＣと鋼管杭の鋼管半径Ｒと板厚寸法ｔの径厚比（Ｒ／ｔ）の関係を示している。例えば、鋼管の座屈を抑えるために、その径厚比（Ｒ／ｔ）を所定の値に制限しているのが一般的である。つまり、径厚比（Ｒ／ｔ）が大きい場合には、１０倍程度の応力集中を評価することになるため、応力集中の緩和による設計合理化の効果が大きいことがわかる。
【０００５】
そのため、従来の鋼管接合構造では、応力集中した接合部端部のグラウト材の応力度を低減させるために、応力集中を緩和したり、図６に示すように鋼管接合部１０のオーバーラップ長Ｌを長くして平均圧縮応力度を低減させる接合構造としている。この応力集中の緩和方法としては、上述したＤＮＶ指針において、接合する一対の鋼管１１、１２の端部１１ａ、１２ａの鋼管板厚を薄くして変形不連続を段階的に解消するような構造としている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１１−１４９１８２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、従来の鋼管接合構造では、鋼管接合部の両端部に発生する応力集中の緩和方法として、図６に示すように接合端部の鋼管板厚を薄くして変形不連続を段階的に解消する構成としているが、その薄厚部分の鋼管の継手溶接等による施工が困難であるという問題があるうえ、特殊な構造となることからコストが増大するため、その点で改善の余地があった。
【０００８】
本発明は、上述する問題点に鑑みてなされたもので、特殊な接合構造を用いることなく、簡単で低コストとなる構造により、接合端部に生じる応力集中を効果的に抑制することができる鋼管接合構造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】
【０００９】
上記目的を達成するため、本発明に係る鋼管接合構造では、内管と外管との一対の鋼管同士を接合するための鋼管接合構造であって、前記内管の一端を前記外管の一端に挿入させて所定長でオーバーラップさせた鋼管接合部が形成され、該鋼管接合部の管軸方向の両端部の応力集中部同士の間の非応力集中部には、中央部グラウト材が打設され、前記応力集中部には、前記中央部グラウト材よりも高じん性の特性を有する端部グラウト材が打設されていることを特徴としている。
【００１０】
また、本発明の鋼管接合構造では、前記端部グラウト材は、ゴム系材料、ポリマーコンクリート、またはファイバーコンクリートが使用されていることが好ましい。
【００１１】
本発明の鋼管接合構造では、鋼管接合部の非応力集中部に打設する中央部グラウト材に通常のグラウト材を使用し、鋼管接合部の応力集中部に例えばゴム系材料からなる前記中央部グラウト材よりも高じん性の特性を有する端部グラウト材が打設された構造とすることで、端部グラウト材において非線形挙動（非線形弾性、ひび割れ等）を許容する構造となる。すなわち、応力集中部の端部グラウト材にひび割れが生じるが、高じん性の特性によるねばりの作用が働くことにより破壊を抑制することができる。
そのため、鋼管接合部に曲げが作用した場合には、鋼管接合部全体として滑らかに変形することになる。つまり、応力集中部に生じる応力集中を非応力集中部に分散させることができ、その応力集中部に作用する応力集中を抑制することができる。
【００１２】
しかも、鋼管接合部の中央部分の非応力集中部には、高じん性の特殊な材料を使用せずに、安価な通常のグラウト材を用いることができるので、コストの低減を図ることができる。
そして、鋼管接合部の構造として、従来のような鋼管の端部を薄くするための特殊部材や特殊加工等を必要とせずに、端部グラウト材の発生最大応力を低減することができ、簡単な構造により鋼管の破壊を防止することができる。したがって、鋼管接合部（オーバーラップ部分）の長さ寸法を縮小することができ、鋼管厚を小さくすることができるので、部材コストを低減することができる。
【００１３】
さらに、本発明の鋼管接合構造では、前述のように鋼管接合部の長さ寸法を短くしてグラウト材の使用量を低減することが可能となるので、グラウト材の打設時間を短縮することができ、工期の短縮を図ることができるうえ、グラウト材のコストの低減を図ることができる。とくに海象条件により施工可能な期間が制限される洋上風車などの施工の場合には、短期工程による利点が大きい。しかも、本発明では、コストの大きな高強度による高性能材料の打設量も少なくなることから、より材料費の削減を図ることができる。
また、本発明では、鋼管接合部に作用するせん断力は鋼管が負担し、グラウト材が負担しない構造となることから、打ち継ぎによるコールドジョイントとなっても構造性能上、問題にはならない。
【００１４】
また、本発明の鋼管接合構造では、前記端部グラウト材のヤング係数は、前記中央部グラウト材よりも小さく、且つ前記中央部グラウト材の１／１０以上の材料であることが好ましい。
【００１５】
この場合には、端部グラウト材のヤング係数が中央部グラウト材よりも小さい低いほど応力緩和効果が大きくなるが、そのヤング係数が小さくなり過ぎると中央部グラウト材に応力集中範囲が移動し、応力集中緩和の効果が十分に得られない。そこで、応力集中を考慮した最大応力度に対して、中央部分の非応力集中部に打設する中央部グラウト材のヤング係数の１／１０以上の材料とすることで、上記応力集中緩和の効果を高めることができる。
また、本発明のように端部グラウト材のヤング係数を中央部グラウト材の１／１０以上の材料とすることで、これよりも強度の小さい材料を使用する場合の打設時において鋼管接合部の中央部分に流入するのを防ぐことができる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明の鋼管接合構造によれば、特殊な接合構造を用いることなく、鋼管接合部の管軸方向の両端部の応力集中部に高じん性の特性を有する端部グラウト材、鋼管接合部の中央部分の非応力集中部に中央部グラウト材をそれぞれ打ち分けて打設するという簡単で低コストとなる構造により、接合端部に生じる応力集中を効果的に抑制することができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の実施の形態による鋼管接合構造を示す縦断面図である。
【図２】鋼管接合部におけるグラウト材の圧縮応力度の高さ方向分布を示す図である。
【図３】（ａ）〜（ｃ）は、実施例による鋼管接合構造の解析モデルを示す図である。
【図４】打ち継ぎ位置の応力集中係数とグラウト材のヤング係数比の関係を示す図である。
【図５】応力集中係数と鋼管半径／板厚比の関係を示す図である。
【図６】従来の鋼管接合構造を示す縦断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本発明の実施の形態による鋼管接合構造について、図面に基づいて説明する。
【００１９】
図１に示すように、本実施の形態による鋼管接合構造は、例えば風力発電用の洋上風車の支柱等の鋼管同士の接合部分に採用され、長手方向を上下方向に向けた状態で立設される内管１と外管２との一対の円筒状の鋼管同士の接合構造である。外管２は、この内管１よりも大径でかつ内管１の外側で一定の間隔をあけて同軸に設けられている。
ここで、本実施の形態では、内管１を下側、外管２を上側にして配置され、接合された内管１と外管２との鋼管の材軸方向を管軸Ｏという。
【００２０】
鋼管接合構造は、内管１の上端１ａを外管２の下端２ａに挿入させて所定長のオーバーラップ部（以下、鋼管接合部Ｔ）が形成されている。すなわち、鋼管接合部Ｔは、内管１と外管２とが二重に重なるオーバーラップ部分の両鋼管同士の間に所定強度に設定されたグラウト材３（３Ａ、３Ｂ）が打設されて一体化した構成となっている。
【００２１】
ここで、図２は、下記（１）〜（３）に示す評価式に基づくグラウト材の圧縮応力度の高さ方向分布を示している。鋼管接合部Ｔは、一般的に鋼管接合部Ｔにおいて上下両端Ｔａ、Ｔｂからオーバーラップ方向の中央側に向かう長さ範囲ｌｅ（ｌｅ１、ｌｅ２）で応力集中が発生し、上述したように応力集中部Ｔ１、Ｔ２が分布している。
【００２２】
鋼管接合部Ｔに打設されるグラウト材３は、図１に示すように、その鋼管接続部Ｔの管軸Ｏ方向の位置に応じて、互いに異なる特性の材料により打ち分けられている。具体的には、鋼管接合部Ｔの管軸Ｏ方向の両端部における応力集中部Ｔ１（図２に示すｌｅ１）、Ｔ２（図２に示すｌｅ２）同士の間の中央領域（非応力集中部Ｔ３）に中央部グラウト材３Ａが打設され、応力集中部Ｔ１、Ｔ２には、中央部グラウト材３Ａよりも高じん性の特性を有する端部グラウト材３Ｂが打設されている。
【００２３】
非応力集中部Ｔ３に打設される中央部グラウト材３Ａは、例えばヤング係数が２０〜４０ｋＮ／ｍｍ２程度の通常のグラウト材が用いられ、応力集中係数を考慮しない圧縮応力度に対して応力を検討して決定される。
【００２４】
一方、応力集中部Ｔ１、Ｔ２に打設される端部グラウト材３Ｂとしては、ゴム系材料、ポリマーコンクリート、またはファイバーコンクリートの高じん性の材料のものが使用され、応力集中を考慮した最大応力度に対して応力を検討して決定される。ここで、端部グラウト材３Ｂは、引張ひずみで１％以上程度のじん性を有することが好ましい。
そして、この端部グラウト材３Ｂのヤング係数は、例えば５〜２０ｋＮ／ｍｍ２程度で、中央部グラウト材３Ａよりも小さく、且つ中央部グラウト材３Ａの１／１０以上の材料に決定されている。
【００２５】
鋼管接合部Ｔにおけるグラウト材３を打ち分ける高さ（つまり、応力集中部Ｔ１、Ｔ２の長さ範囲ｌｅ（ｌｅ１、ｌｅ２）は、（１）式〜（３）式により算出される。ここで、これら（１）式〜（３）式において、σ０はグラウト材３の平均圧縮応力度、ＳＦＣは鋼管接合部Ｔの応力集中部Ｔ１、Ｔ２の応力集中係数、及びｌｅは応力集中が発生する範囲（接合部端部Ｔａ、Ｔｂからの長さ）である（図２参照）。
例えば、外管２の外径が５０００ｍｍ、板厚ｔが５０ｍｍの場合のグラウト材３の打ち分け高さｌｅ（ｌｅ１、ｌｅ２）は、鋼管接合部Ｔの上端Ｔａ及び下端Ｔｂのそれぞれから３００ｍｍ程度となる。
【００２６】
【数１】
2015055046.tif 000003
【００２７】
【数２】
2015055046.tif 000004
【００２８】
【数３】
2015055046.tif 000005
【００２９】
なお、（１）式〜（３）式において、Ｍ０は設計用モーメント、Ｒは外管２の鋼管半径、ｔは外管２の板厚、ｄは鋼管接合部Ｔの長さ寸法、μは鋼管（内管１、外管２）とグラウト材３との摩擦係数、νは鋼管のポアソン比である。
【００３０】
次に、上述した鋼管接合構造の作用について、図面に基づいて詳細に説明する。
本実施の形態の鋼管接合構造では、図１に示すように、鋼管接合部Ｔの非応力集中部Ｔ３に打設する中央部グラウト材３Ａに通常のグラウト材を使用し、応力集中部Ｔ１、Ｔ２に中央部グラウト材３Ａよりも高じん性の特性を有する端部グラウト材３Ｂが打設された構造とすることで、端部グラウト材３Ｂにおいて非線形挙動（非線形弾性、ひび割れ等）を許容する構造となる。すなわち、応力集中部Ｔ１、Ｔ２の端部グラウト材３Ｂにひび割れが生じるが、高じん性の特性によるねばりの作用が働くことにより破壊を抑制することができる。
そのため、鋼管接合部Ｔに曲げが作用した場合には、鋼管接合部Ｔ全体として滑らかに変形することになる。つまり、応力集中部Ｔ１、Ｔ２に生じる応力集中を非応力集中部Ｔ３に分散させることができ、その応力集中部Ｔ１、Ｔ２に作用する応力集中を抑制することができる（図２参照）。
【００３１】
しかも、鋼管接合部Ｔの中央部分の非応力集中部Ｔ３には、高じん性の特殊な材料を使用せずに、安価な通常のグラウト材を用いることができるので、コストの低減を図ることができる。
【００３２】
そして、鋼管接合部Ｔの構造として、従来のような鋼管の端部を薄くするための特殊部材や特殊加工等を必要とせずに、端部グラウト材３Ｂの発生最大応力を低減することができ、簡単な構造により鋼管の破壊を防止することができる。したがって、鋼管接合部Ｔ（オーバーラップ部分）の長さ寸法を縮小することができ、鋼管厚を小さくすることができるので、部材コストを低減することができる。例えば、端部グラウト材３Ｂの発生最大応力を１／４程度に低減することができ、鋼管接合部Ｔの長さ寸法（オーバーラップ長）を１／２程度に縮小することができる。
【００３３】
また、端部グラウト材３Ｂのヤング係数が中央部グラウト材３Ａよりも小さい低いほど応力緩和効果が大きくなるが、そのヤング係数が小さくなり過ぎると中央部グラウト材３Ａに応力集中範囲が移動し、応力集中緩和の効果が十分に得られない。そこで、応力集中を考慮した最大応力度に対して、中央部分の非応力集中部Ｔ３に打設する中央部グラウト材３Ａのヤング係数の１／１０以上の材料とすることで、上記応力集中緩和の効果を高めることができる。
そして、本実施の形態では、端部グラウト材３Ｂのヤング係数を中央部グラウト材３Ａの１／１０以上の材料とすることで、これよりも強度の小さい材料を使用する場合の打設時において鋼管接合部Ｔの中央部分（非応力集中部Ｔ３）に流入するのを防ぐことができる。
【００３４】
さらに、本実施の形態の鋼管接合構造では、前述のように鋼管接合部Ｔの長さ寸法を短くしてグラウト材３Ａ、３Ｂの使用量を低減することが可能となるので、グラウト材３Ａ、３Ｂの打設時間を短縮することができ、工期の短縮を図ることができるうえ、グラウト材３Ａ、３Ｂのコストの低減を図ることができる。
とくに海象条件により施工可能な期間が制限される洋上風車などの施工の場合には、短期工程による利点が大きい。しかも、本実施の形態では、コストの大きな高強度による高性能材料の打設量も少なくなることから、より材料費の削減を図ることができる。
【００３５】
また、本実施の形態のグラウト材は、鋼管接合部Ｔに作用する径方向の力のみを負担する。そのため、本実施の形態による鋼管接合構造では、鋼管接合部Ｔに作用するせん断力は鋼管（内管１及び外管２）が負担し、グラウト材が負担しない構造となることから、打ち継ぎによるコールドジョイントとなっても構造性能上、問題になることはないという利点がある。
【００３６】
ここで、グラウト材の打ち継ぎ位置での中央部分のグラウト材の発生応力度について説明する。
図３（ａ）は鋼管接合構造を備えた鋼管全体の解析モデルの一例を示し、図３（ｂ）は鋼管接合部を拡大した解析モデルを示し、図３（ｃ）はグラウト材の打ち分けの解析モデルを示している。なお、図３において、下端を固定したときに、Ｍ、Ｑはそれぞれ接合部上端に作用するモーメントと、せん断力を示し、グラウト材を介してモノパイル（鋼管）に伝達される。図３（ｂ）に示す定義座標については、θは鋼管中心軸Ｚを中心とした回転角度を示し、θ＝０°が加力方向の始点側（マイナス側）、θ＝１８０°が加力方向の終点側（プラス側）を示し、ｒは、鋼管中心軸Ｚを中心とした回転位置を示している。
そして、表１には、解析パターンを示している。
【００３７】
【表１】
2015055046.tif 000006
【００３８】
解析条件としては、グラウト接合部の上下端部から３００ｍｍの範囲におけるグラウト材のヤング係数と、それ以外の中央部におけるグラウト材のヤング係数の組み合わせであり、その他の条件はすべて共通とした。ここで、解析の詳細については、参考文献１（「モノパイル式洋上風車のグラウト接合部の耐力評価」、石井大吾、嶋田健司、平成２４年１１月２８日、第３４回風力エネルギー利用シンポジウム予稿集）に記載されているので、詳しい説明は省略する。
【００３９】
ここで、鋼管接合部において、中央領域（上記の非応力集中部Ｔ３）の中央部グラウト材３Ａのヤング係数をＥｃ１とし、上下の接合端部（上記の応力集中部Ｔ１、Ｔ２）の端部グラウト材３Ｂのヤング係数をＥｃ２とする。表１におけるＡシリーズは、中央部グラウト材３Ａのヤング係数Ｅｃ１が５３０００Ｎ／ｍｍ２の場合であり、端部グラウト材３Ｂのヤング係数Ｅｃ２を変えた５つのモデル（Ａ−１〜Ａ−５）である。
【００４０】
そして、上記（１）式を用いて打ち継ぎ位置の平均圧縮応力度でθ＝０°の位置における解析結果の半径方向応力度を無次元化し、中央部グラウト材３Ａの応力集中係数Ｊ−ＳＣＦ（符号Ｊは、打ち継ぎ（Ｊｏｉｎｔ）を意味する）を算定した。応力集中係数とグラウト材のヤング係数比との対応を図４に示す。モデルＡ−５は、ヤング係数比が０．０１９であり、応力集中係数Ｊ−ＳＣＦ＞７．０を示しており、中央部グラウト材３Ａで高い応力集中が発生している。それ以外の解析結果については、どのシリーズにおいてもヤング係数比によらず、概ねＪ−ＳＣＦ＝１．０程度であり、中央部グラウト材３Ａには接合部端部のような応力集中が発生していない。
【００４１】
また、グラウト材のヤング係数の組み合わせによる検討結果について説明する。
接合部端部に高強度のグラウト材を使用する場合、中央部グラウト材３Ａのヤング係数が低いほど接合部端部の応力集中を緩和することができる。
また、接合部端部に低ヤング係数のグラウト材を使用する場合には、ヤング係数が低いほど接合部端部の応力集中を緩和することができるが、グラウト材のヤング係数比が０．１以下の場合、打ち継ぎ位置における中央部グラウト材３Ａの応力集中係数が増大する。
【００４２】
上述のように本実施の形態による鋼管接合構造では、内管１と外管２のオーバーラップする鋼管接合部Ｔの長さ（オーバーラップ長）を長くするために薄厚の鋼板を追加溶接するといった従来のような特殊な接合構造を用いることなく、鋼管接合部Ｔの管軸方向の両端部の応力集中部Ｔ１、Ｔ２に高じん性の特性を有する端部グラウト材３Ｂ、鋼管接合部Ｔの中央部分の非応力集中部Ｔ３に中央部グラウト材３Ａをそれぞれ打ち分けて打設するという簡単で低コストとなる構造により、接合端部に生じる応力集中を効果的に抑制することができるという効果を奏する。
【００４３】
以上、本発明による鋼管接合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。
【００４４】
例えば、本実施の形態では、鋼管を上下方向に向けて配置し、内管１を下側に配置し、その内管１の上端１ａに外管２の下端２ａを外嵌させるようにして接合する構成としているが、これに限定されることはない。例えば、外管２を下側に内管１を上側にして接合する構成でもよいし、鋼管が上下方向ではなく、水平方向に配置するものを対象とすることも可能である。
また、内管１及び外管２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、その鋼管の材質や強度などに応じて適宜設定するこができる。
【００４５】
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。
【符号の説明】
【００４６】
１  内管
１ａ  上端
２  外管
２ａ  下端
３  グラウト材
３Ａ  中央部グラウト材
３Ｂ  端部グラウト材
Ｏ  管軸
Ｔ  鋼管接合部
Ｔ１、Ｔ２  応力集中部
Ｔ３  非応力集中部
【図１】
2015055046.tif 000007
【図２】
2015055046.tif 000008
【図４】
2015055046.tif 000009
【図５】
2015055046.tif 000010
【図６】
2015055046.tif 000011
【図３】
2015055046.tif 000012