(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
内管と外管との間にコンクリートを充填してなる二重管構造であって、
前記内管及び前記外管のそれぞれにスパイラル管を用いた構成であり、
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継手部とが管長手方向に交互にずれて配置されるとともに、全断面溶接により接合されることを特徴とするスパイラル管を用いた二重管構造。
【請求項２】
前記内管の外周面及び前記外管の内周面には、縞付き鋼板が用いられていることを特徴とする請求項１に記載のスパイラル管を用いた二重管構造。
【請求項３】
前記外管には、高強度鋼が用いられていることを特徴とする請求項１又は２に記載のスパイラル管を用いた二重管構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば風力発電の風車の支柱等に適用されるスパイラル管を用いた二重管構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１０−２２３１５７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
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（支柱の管長手方向）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。
【０００５】
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。
【０００６】
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で、大径化を可能としたスパイラル管を用いた二重管構造を提供することを目的とする。
また、本発明の他の目的は、スパイラル管を使用することで単体の長さ寸法を長くして継手部の数量を低減することができるうえ、鋼板の強度を高めて板厚を薄くすることで管同士の溶接を容易に行うことができるスパイラル管を用いた二重管構造を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するため、本発明に係るスパイラル管を用いた二重管構造では、内管と外管との間にコンクリートを充填してなる二重管構造であって、内管及び外管のそれぞれにスパイラル管を用いた構成であり、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継手部とが管長手方向に交互にずれて配置されるとともに、全断面溶接により接合されることを特徴としている。
【０００８】
本発明では、内管及び外管がスパイラルビードを有するスパイラル管からなるので、同径で同じ板厚の通常の鋼管に比べて強度が大きくなり座屈を抑えることができ、同じ板厚でより大径の二重管構造を製造することができる。或いは、同じ外径で板厚をより薄くできる利点があり、この場合、内管同士及び外管同士を軸方向（管長手方向）に接合する際の溶接にかかるコストを抑制することができる。
また、スパイラル管の場合、例えば単体で３０ｍの長さ寸法の管を製造することができ、その程度の長さ寸法の構造物であれば、スパイラル管同士を管長手方向に接合する継手部が不要となり、現場での溶接を省略することが可能となるので、コストの大幅な低減を図ることができる。
【０００９】
そして、スパイラル管の場合、管長手方向に直交する方向の溶接がスパイラルビードに置き換わるが、スパイラルビードの溶接は工場においてライン化され、自動化されているため、低いコストでの製造が可能となる。しかも、スパイラル管の板厚を薄くすることで、溶接の品質を向上させることができ、疲労破壊や脆性破壊を抑制することができる。
【００１０】
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。
【００１１】
さらにまた、スパイラル管のコンクリートに接する部分、すなわち内管の外周面にスパイラルビードが形成されているので、充填されるコンクリートに対する付着力が増し、ずれ止め効果が発揮され、座屈応力が高くなって耐力の向上を図ることができる。
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。
【００１３】
また、スパイラル管からなる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管長手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、同一断面において剛性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。
【００１４】
また、本発明に係るスパイラル管を用いた二重管構造では、内管の外周面及び外管の内周面には、縞付き鋼板が用いられていることがより好ましい。
【００１５】
本発明では、コンクリートに付着する内管の外周面及び外管の内周面に縞付き鋼板の縞状凸部が形成されているので、この縞状凸部が充填されたコンクリートとの付着強度を増大させて一体性を高め、これによりずれ止め効果が得られ、座屈強度を向上させることができる。とくに、高強度鋼の使用に伴う座屈面での不利益を低減することができる。
【００１６】
また、本発明に係るスパイラル管を用いた二重管構造では、特に外管には、高強度鋼が用いられていることが好ましい。
【００１７】
本発明では、管長手方向の全断面溶接を減らすことが可能となり、さらに板厚が薄くなることにより、溶接が容易になるため、高強度鋼が使い易くなるという利点がある。
【発明の効果】
【００１８】
本発明のスパイラル管を用いた二重管構造によれば、内管及び外管がスパイラルビードを有するスパイラル管からなるので、同径で同じ板厚の通常の中空の鋼管に比べて強度が大きくなり座屈を抑えることができ、同じ板厚でより大径の二重管構造を製造することができるとともに、同じ外径で鋼管の板厚をより薄くすることが可能となる。
また、スパイラル管を使用することで単体の長さ寸法を長くして継手部の数量を低減することができるうえ、鋼板の強度を高めて板厚を薄くすることで管同士の溶接を容易に行うことができるという利点がある。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】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２】図１に示す立面図である。
【図３】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４】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５】本実施の形態の第１変形例による支柱の構成を示す一部破断斜視図である。
【図６】本実施の形態の第２変形例による支柱の構成を示す一部破断斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、本発明の実施の形態によるスパイラル管を用いた二重管構造について、図面に基づいて説明する。
【００２１】
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造をなす支柱１は、風力発電の風車に用いられ、管長手方向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。
【００２２】
内管２と外管３とは、それぞれ例えば３０ｍ程度の長さ寸法で単体で形成された長尺のスパイラル管からなり、複数が管長手方向Ｙに接合されて支柱１を構成している。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とが管長手方向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との管長手方向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の位置が管長手方向Ｙ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。
【００２３】
内管２は、外周面にスパイラルビード２ａを有し、高強度鋼が使用された円筒状のスパイラル管である。図２及び図３に示すように、第１継手部Ｔ１は、内管２、２同士の第１継手部Ｔ１において溶接により接合されている。
また、外管３は、外周面にスパイラルビード３ａを有し、高強度鋼が使用された円筒状のスパイラル管である。第２継手部Ｔ２は、外管３、３同士の第２継手部Ｔ２において溶接により接合されている。
ここで、図２及び図３の符号W１、W２は、それぞれ第１継手部Ｔ１、第２継手部Ｔ２における溶接部を示している。
【００２４】
管長手方向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。そして、支柱１は、内管２の外周面２ｂに設けられるスパイラルビード２ａが充填されるコンクリート４側に突出し、この凸状部がコンクリート４と一体化することで、ずれ止めの機能をもたせた構成となっている。
【００２５】
次に、上述した支柱１の作用について、図面に基づいて詳細に説明する。
図１乃至図４に示すように、内管２及び外管３がスパイラルビード２ａ、３ａを有するスパイラル管からなるので、同径で同じ板厚の通常の鋼管に比べて強度が大きくなり座屈を抑えることができ、同じ板厚でより大径の二重管構造をなす支柱１を製造することができる。或いは、同じ外径で板厚をより薄くできる利点があり、この場合、内管２、２同士及び外管３、３同士を軸方向（管長手方向Ｙ）に接合する際の溶接にかかるコストを抑制することができる。
【００２６】
また、スパイラル管の場合、例えば単体で３０ｍの長さ寸法の管を製造することができる。本実施の形態では、これら単体を複数接合した構成となっているが、上述したような３０ｍ程度の長さ寸法の構造物の場合には、内管２、２同士、或いは外管３、３同士を管長手方向Ｙに接合する本実施の形態のような継手部Ｔ１、Ｔ２が不要となり、現場での溶接を省略することが可能となるので、コストの大幅な低減を図ることができる。
【００２７】
そして、スパイラル管からなる内管２及び外管３の場合、管長手方向Ｙに直交する方向の溶接がスパイラルビード２ａ、３ａに置き換わるが、スパイラルビード２ａ、３ａの溶接は工場においてライン化され、自動化されているため、低いコストでの製造が可能となる。しかも、内管２及び外管３の板厚を薄くすることが可能となるため、溶接の品質を向上させることができ、疲労破壊や脆性破壊を抑制することができる。
【００２８】
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４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分の重量が増加部分であるが、コンクリート４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。内管２及び外管３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、より大径の支柱１を構成することができる。
【００２９】
さらにまた、コンクリート４に接する内管２の外周面にスパイラルビード２ａが形成されているので、充填されるコンクリート４に対する付着力が増し、ずれ止め効果が発揮され、座屈応力が高くなって耐力の向上を図ることができる。
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４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。
【００３０】
また、スパイラル管からなる内管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との位置が管長手方向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）の位置が管長手方向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、同一断面において剛性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、鋼管を構成する鋼板の座屈を抑えることができる。
【００３１】
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、管長手方向Ｙの全断面溶接を減らすことが可能となり、さらに板厚が薄くなることにより、溶接が容易になるため、高強度鋼が使い易くなる。
【００３２】
上述した本実施の形態によるスパイラル管を用いた二重管構造では、内管２及び外管３がスパイラルビードを有するスパイラル管からなるので、同径で同じ板厚の通常の中空の鋼管に比べて強度が大きくなり座屈を抑えることができ、同じ板厚でより大径の支柱１を製造することができるとともに、同じ外径で鋼管の板厚をより薄くすることが可能となる。
また、スパイラル管を使用することで単体の長さ寸法を長くして継手部Ｔ１、Ｔ２の数量を低減することができるうえ、鋼板の強度を高めて板厚を薄くすることで管同士の溶接を容易に行うことができるという利点がある。
【００３３】
以上、本発明によるスパイラル管を用いた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スパイラルビードのみを有するスパイラル管を内管２及び外管３に採用しているが、これに限定されることはない。例えば、図５に示すように、内管２と外管３との間に充填されるコンクリート４に接する内管２の外周面２ｂと外管３の内周面３ｂとの全面或いは一部にそれぞれ線状突起付き鋼板を用いる構成であっても良い。この場合、コンクリート４に付着する内管２の外周面２ｂ及び外管３の内周面３ｂに設けられている線状突起２ｃ、３ｃが充填されたコンクリート４との付着強度を増大させて一体性を高め、これによりずれ止め効果が得られ、座屈強度を向上させることができる。とくに、高強度鋼の使用に伴う座屈面での不利益を低減することができる。或いは、図６に示すように、内管２の外周面２ｂ及び外管３の内周面３ｂのそれぞれに多数の凸状のチェッカー２ｄ、３ｄを配した縞付き鋼板を用いてもよい。
また、必要があれば鋼管とコンクリートの接合面の一部に、スタッドなどのずれ止めを配置することもできる。
【００３４】
また、本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とを溶接により接合した構成としているが、このような接合手段に限定されることはなく、ボルトによって接合される構成であってもかまわない。
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。
【００３５】
さらに、本実施の形態では、内管２及び外管３のそれぞれに高強度鋼を用いているが、例えば外管２のみに高強度鋼を用いる構成であってもかまわない。これは、特に外管２に高強度鋼を用いることで、管長手方向の全断面溶接を減らすことによる効果が大きいためである。
【００３６】
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】
【００３７】
１  支柱（二重管構造）
２  内管
２ａ  スパイラルビード
２ｂ  外周面
２ｃ  線状突起
２ｄ  チェッカー
３  外管
３ａ  スパイラルビード
３ｂ  内周面
３ｃ  線状突起
３ｄ  チェッカー
４  コンクリート
Ｔ１  第１継手部
Ｔ２  第２継手部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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