(57)【要約】【課題】  支柱やタワー等の塔状構造物の基礎構造であって、プレストレスを導入するアンボンドアンカーを用いて完全固定する柱脚部を有する基礎構造において、コンクリートのひび割れの発生を極力抑制する塔状構造物の基礎構造を提供する。【解決手段】  ベースプレート2aとアンカープレート2bとに掛け渡したプレストレスを導入するアンボンドアンカー１に対して、その長手方向に交差する方向に横鉄筋３とリング鉄筋５を配し、該長手方向と平行な方向の縦鉄筋４を配する。これらを配筋してコンクリート６を打ち込む場合、前記アンボンドアンカー１の長手方向と交差する方向コンクリート６の厚さを極力大きくする。【選択図】        図１
2008223303.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
頂上部が上空の高位置まで伸長して、該頂上部および支柱部に作用する外力により転倒モーメントおよび水平力等が作用する塔状構造物の基礎構造において、
前記塔状構造物の柱脚部をプレストレスを導入するアンボンドアンカーで固定させ、
前記アンボンドアンカーの長手方向と交差する方向に横鉄筋を配置し、
前記アンボンドアンカーと平行な方向の縦鉄筋を配置してコンクリートを打ち込むことを特徴とする塔状構造物の基礎構造。
【請求項２】
前記コンクリートの一部であって、前記アンボンドアンカーの貫入部長手方向と交差する方向に支圧が作用する部分が、該支圧に対して、アンボンドアンカーと交差する方向のリング状の鉄筋を適宜配置することが出来る程度の幅を確保してあることを特徴とする請求項１に記載の塔状構造物の基礎構造。
【請求項３】
前記アンボンドアンカーの下端部が、前記塔状構造物を立設する部分の台座部より十分に深い位置に配置され、コンクリートの基礎部にまで定着されることを特徴とする請求項２に記載の塔状構造物の基礎構造。
【請求項４】
前記塔状構造物が、風力発電用の支柱であることを特徴とする請求項１から請求項３までのいずれかに記載の塔状構造物の基礎構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、地上に建設される支柱やタワー、モニュメント等のように上空の高位置まで構築する塔状構造物の基礎構造であって、特にプレストレスを導入するアンボンドアンカーを用いた基礎構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
地上に建設される塔状構造物として、各種のタワーやモニュメント、煙突等、種々のものがあり、その一つとして風力発電用の風車の支柱である風車用タワーがある。タワーの頂上部には、水平軸に支持された複数枚のプロペラ翼（ブレード）を備え、この風車の回転により発電する発電機、風車の指向方向を風上に合わせる回転機構等の重量物が設置されている。また、安定して発電効率を高めるためには、ある程度強い風を受けることが必要となり、極力高位置に頂上部を位置させることが望ましい。すなわち、風車タワーでは、極力高位置まで頂上部を伸長させて、頂上部に重量物を支持する必要がある。
【０００３】
塔状構造物では、上空の風が作用することにより水平方向の大きな荷重を受けることになる。このため、塔状構造物の基礎部分には曲げモーメントが転倒モーメントとして作用する。特に、風車用タワーでは、水平方向の荷重以外に、風車のブレードの回転や前記回転機構による風車の向きの変更等、さらにはそれら多様な荷重の組み合わせにより、複雑な荷重が作用することになり、風車用タワーを転倒させるおそれがある。また、日本では地震荷重による転倒モーメントも大きいため、風による荷重に加えて地震にも対応できる基礎構造が望まれる。
【０００４】
高層建物や搭状建造物の基礎構造を提案するものとして、例えば、特許文献１に開示された地盤アンカー兼用杭工法や、特許文献２に開示された風力発電タワー、特許文献３に開示された風車タワーのアンカーフレーム等がある。
【０００５】
また、非特許文献４の中で、フーチング基礎の立ち上がり部（ペデスタル）の柱状鉄筋の設計方法が述べられており、アンカーボルトの設計については、ボルト下端部にナットなどにて接合される接続部材（アンカーリング）によって引き起こされる各種応力が、コンクリートの許容値およびアンカーリング部材そのものの許容値を満足されるかどうかと、アンカーボルト表面のコンクリートとの付着が許容値を満足しているかどうかを検討するようになっている。
【０００６】
さらに、非特許文献５においては、頭付きアンカーボルトのコーン状破壊により決まる許容引き抜き力とアンカーボルト部材そのものの許容値の小さい方で設計することとしている。
【０００７】
【特許文献１】特公平５−５９２１９号公報
【特許文献２】特開２００２−１２２０６６号公報
【特許文献３】特開２００４−２７８４００号公報
【非特許文献４】煙突構造設計施工指針（日本建築センター）
【非特許文献５】各種合成構造設計指針（日本建築学会）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
特許文献１に開示された杭工法による支持建造物は、主として建物であり、風や地震等による水平力によって転倒モーメントを受けることで建物に生じる浮力に対抗するものであって、風車用タワーのように複雑な転倒モーメントが生じる場合には信頼性を確保できないおそれがある。また、特許文献２に開示された風力発電タワーでは、中空筒体を積重して形成したタワー本体と、横断面がＴ字形のプレストレストコンクリート補強部材を前記タワー本体の基底部側の外周に沿って設け、前記補強部材を基礎及びタワー本体に結合固着した構造である。また、特許文献３に開示されたアンカーフレームは、上下一対のリング状のアンカープレートと、該上下一対のアンカープレートを一定間隔を置いて接続する複数本の接続部材と、該接続部材間に配置された複数本のアンカーボルトと、前記上下一対のアンカープレートを基礎上で所定の高さに位置させるために下部アンカープレートの下面に接続された複数本の支柱からなり、前記接続部材と前記支柱を鋼管で構成したものである。
【０００９】
前記特許文献２や特許文献３に開示された基礎構造では、基礎部材の中央部に突出させた基礎台座部であるペデスタルを形成し、このペデスタルにタワーを定着させた構造であり、前記接続部材とアンカーボルト、支柱とから構成されている。しかし、打ち込まれたコンクリートとアンカーボルトとは付着して接合されるため、転倒モーメントが載荷してこの付着が切れた場合、コンクリートにひび割れを生じ、さらにコンクリートの許容応力度を超えた場合にはコンクリートを破損してしまうおそれがある。このため、基礎はアンカーボルトとコンクリートとの付着を有さない形式とし、荷重の伝達メカニズムを変えることにより、コンクリートの負担を軽減させるアンボンドアンカーを用いた構造とすることが望ましい。
【００１０】
また、非特許文献４及び非特許文献５に開示されているように、従前の塔状構造物の基礎構造は、前記指針等を参考としてコンクリートに付着したアンカーボルトおよびその下端部にナットなどにて接合される接続部材（アンカーリング）が、フーチング基礎の立ち上がり部（ペデスタル）に配置され、上部構造から受ける転倒モーメントを柱状の構造により抵抗することを基本として設計されている。
【００１１】
煙突などに代表される塔状構造物（タワー）の支持構造物は、基礎部材の中央部に突出させた基礎台座部であるペデスタルを形成し、このペデスタルにタワーを定着させた構造であり、定着部は打設されたコンクリートの中で前記アンカーボルトと接続部材（アンカーリング）とから構成されている。  また、コンクリートとアンカーボルトは付着して接合していることを前提に設計されており、転倒モーメントが載荷されるとアンカーボルト横に配置した縦方向の鉄筋にコンクリートを介して引張力を伝える。
【００１２】
一方、風車用タワーのように、上部構造物の固有周期を調整したり、脚部を完全固定あるいはこれに近い状態にしたい場合には、アンボンドアンカーを用い、コンクリート打設後にアンカーボルトに緊張力（プレストレス）を与えた構造とすることが考えられる。
【００１３】
アンボンドアンカーを用いてプレストレスを加えると、アンボンドアンカー周りのコンクリートに、該アンボンドアンカーの下端定着部（アンカーリング）より下の長手方向とアンボンドアンカーの交差方向に引張荷重が作用することになるため、プレストレスを加えないコンクリートとの付着に期待するアンカーボルトとは異なる応力状態が発生することになり、プレストレス導入時に必要な鉄筋が不足していると、プレストレス導入直後および塔状構造物へ通常の荷重下であってもコンクリートにひび割れが生じ、そのひび割れが進行するとアンボンドアンカーに沿ってコンクリートが破断する恐れがある。また、この構造により脚部が完全固定状態になった場合には、転倒モーメントに対して抵抗する構造は、前記アンカーボルト横に配置した縦方向の鉄筋にコンクリートを介して引張力を伝える柱状構造とは異なる。
【００１４】
そこで、この発明は、アンボンドアンカーを用いて、プレストレスを導入した場合でも、コンクリートに有害なひび割れを生じさせず、また、転倒モーメントに対しても十分に抵抗できる基礎形状と鉄筋の配置を考慮した塔状構造物の基礎構造を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
前記目的を達成するための技術的手段として、この発明に係る塔状構造物の基礎構造は、頂上部が上空の高位置まで伸長して、該頂上部および支柱部に作用する外力により転倒モーメントおよび水平力等が作用する塔状構造物の基礎構造において、前記塔状構造物の柱脚部をプレストレスを導入するアンボンドアンカーで固定させ、前記アンボンドアンカーの長手方向と交差する方向に横鉄筋を配置し、前記アンボンドアンカーと平行な方向の縦鉄筋を配置してコンクリートを打ち込むことを特徴としている。
【００１６】
プレストレスが導入されたアンボンドアンカーにより塔状構造物を支持した状態では、アンボンドアンカーとコンクリートの間に付着が無いため、これにより荷重は伝達されない。しかしながら、プレストレスを導入したアンボンドアンカーボルトおよび下端部のアンカーリングに囲まれたコンクリートは強固に一体化されることになり、前記アンボンドアンカーボルトと交差する方向に膨張しようとし、また、該頂上部に作用する外力による転倒モーメントも、一体化されたコンクリートの周囲のコンクリートに対して支圧応力として作用することになる。このため、さらにアンカーボルトの貫入部の周囲にリング状に横鉄筋を配置し前記支圧応力に対抗させる。
【００１７】
また、請求項２の発明に係る塔状構造物の基礎構造は、前記コンクリートの一部であって、前記アンボンドアンカーの貫入部長手方向と交差する方向に支圧が作用する部分が、該支圧に対して、アンボンドアンカーと交差する方向のリング状の鉄筋を適宜配置することが出来る程度の幅を確保してあることを特徴としている。
【００１８】
コンクリートが受ける水平方向の支圧応力に対してコンクリート自体が対抗することができるよう、この支圧応力の方向の肉厚を大きくし、必要なせん断抵抗面積を得るものである。  ペデスタルを形成するものでは、塔状構造物の径方向に沿った肉厚を十分に大きくする。
【００１９】
また、請求項３の発明に係る塔状構造物の基礎構造は、前記アンボンドアンカーの下端部が、前記塔状構造物を立設する部分の台座部より十分に深い位置に配置され、コンクリートの基礎部にまで定着されることを特徴としており、前記必要なせん断抵抗面積を得やすい構造となっている。
【００２０】
コンクリートの上面全体をペデスタルを形成することのない水平面としても構わないが、コンクリートに埋め込まれるアンカーボルト長さより十分に低い高さのペデスタルであって、前記支圧応力に必要な断面積を有する肉厚を持っていれば、水平面でなくても良い。ただし、完全に水平面とすることは、困難であり、雨水のたまりをコンクリートの上面に形成することも考えられるので、ゆるい傾斜面とすることが望ましい。
【００２１】
また、請求項４の発明に係る塔状構造物の基礎構造は、前記塔状構造物が、風力発電用の支柱であることを特徴としている。
【００２２】
特に大きな荷重が作用する風力発電用のタワーの基礎構造とするものである。
【発明の効果】
【００２３】
この発明に係る塔状構造物の基礎構造によれば、プレストレスが導入された後であっても、コンクリートへ作用する応力に、前記アンボンドアンカーに対して配置した横鉄筋と縦鉄筋とが対抗して、コンクリートのひび割れが抑制され、その後、風などの外力により転倒モーメントが作用した場合であっても、破断に至ることを防止できる。  
【００２４】
また、請求項２の発明に係る塔状構造物の基礎構造によれば、プレストレスを導入したアンボンドアンカー部分が埋め込み型柱脚のように強固に一体化されることにより、水平方向のコンクリート支圧を主とした荷重の伝達メカニズムになり、転倒モーメントに対抗できる構造で、コンクリートの引張による破断を防止できる。
【００２５】
また、請求項３の発明に係る塔状構造物の基礎構造によれば、ペデスタルを極力形成しない構造としたものであり、基礎の形状を単純なものとすることができ、施工を容易にすることができると共に、アンボンドアンカーの長手方向に交差する方向のコンクリートの厚さを十分なものとすることが容易となる。
【００２６】
また、請求項４の発明に係る塔状構造物の基礎構造によれば、頂上部に風車や発電機等が設けられて、風により受ける荷重により大きな転倒モーメントが作用する風車用タワーを倒壊させることを極力防止することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
以下、図示した好ましい実施の形態に基づいて、この発明に係る塔状構造物の基礎構造を具体的に説明する。
【００２８】
図１に示すように、この基礎構造ではプレストレスが導入されたアンボンドアンカー１により、風車用タワーのような塔状構造物を基礎に固定する構造とされている。このアンボンドアンカー１は、ベースプレート2aとアンカープレート2bとに、プレストレスが導入されて掛け渡されて配されている。このアンボンドアンカー１の長手方向に対して交差する方向に、適宜本数の横鉄筋３が配設され、アンボンドアンカー１の長手方向と平行な方向の縦鉄筋４が配設されている。
【００２９】
例えば、風力発電のタワーでは中空円筒が積み重ねられて形成されているため、前記アンボンドアンカー１はこの中空円筒に沿った円弧上に適宜間隔で配置される。なお、図１では、塔状構造物の径方向に１本のアンボンドアンカー１を配置させた構造として示しているが、同じく径方向に２本以上のアンボンドアンカー１を配することができる。また、前記縦鉄筋４には、塔状構造物と同心円弧に沿って適宜本数のリング状の鉄筋５を配設させてある。
【００３０】
そして、前記構造に組まれたアンボンドアンカー１と配筋３、４、５とに、図２に示すようにコンクリート６が打ち込まれる。図２はこの基礎構造を備えた基礎部の断面図であり、主要部の配筋を示している。このコンクリート６は、上面の中央部に前記アンボンドアンカー１の頭部が円弧状に配列した水平面の台座部6aが形成され、この台座部6aの端部から外縁部にかけて傾斜面6bが形成されている。この斜面は、雨水等が円滑に流れる程度の緩斜面でよく、前記アンボンドアンカー１の長手方向と交差する方向となる水平方向に設計上必要な厚さが確保してあればよい。なお、この厚さが確保してある構造であれば、ペデスタル形式による基礎形状であっても構わない。また、一様に水平面に形成されているものであっても構わない。
【００３１】
そして、前記アンボンドアンカーの下端部のアンカーリングが、前記塔状構造物を立設する部分の台座部であるペデスタルより十分に深い位置に配置されて、コンクリートの基礎部となるベースにまで達するようにしてある。
【００３２】
以上により構成された塔状構造物の基礎構造では、例えば風車用タワーを固定するためにプレストレスが導入されたアンボンドアンカー１の周囲のコンクリート６については、図３の破線で示すようにアンボンドアンカー１の長手方向と、この長手方向と交差する方向とに引張荷重が作用する。これらの引張荷重に対して、アンボンドアンカー１の長手方向と交差させて配した前記横鉄筋３と、アンボンドアンカー１の長手方向に平行に前記縦鉄筋４とがそれぞれ対抗して、コンクリート６に作用する荷重が軽減される。したがって、コンクリート６にひび割れが生じることが極力抑制され、破断することが防止される。
【００３３】
また、風や地震等により受ける水平荷重が転倒モーメントとして作用するときにも前記と同様な荷重が作用するのに加えて、埋め込み型柱脚のように強固に一体化された構造になり、水平方向のコンクリート支圧を主とした荷重の伝達メカニズムになるが、周囲のコンクリート６に前記横鉄筋３およびリング鉄筋５が配されていることにより半径方向に広がろうとする圧力に対抗し、コンクリート６にひび割れが生じることが極力抑制され、破断することが防止される。
【００３４】
上述した実施形態では、風力発電のタワーに適した基礎構造として説明したが、これに限らず、モニュメントや煙突等のように上空の高位置まで伸長させた塔状構造物の基礎構造として用いることもできる。
【産業上の利用可能性】
【００３５】
この発明に係る塔状構造物の基礎構造によれば、プレストレスを導入したアンボンドアンカーを用いることにより柱脚部が完全固定され、転倒モーメントがコンクリートに伝達されるメカニズムをコンクリートのせん断耐力によるものから、支圧耐力に変えることができるため、大きな水平荷重が繰り返し作用する風車用タワーに適した基礎構造となり、倒壊することを極力防止できて、塔状構造物の耐用年数を長くすることに寄与する。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】この発明に係る塔状構造物の基礎構造の配筋を説明する図である。
【図２】この発明に係る塔状構造物の基礎構造の概略構造を示す断面図である。
【図３】プレストレスを導入したアンボンドアンカーの周囲に作用する荷重の分布の概略を説明する図である。
【符号の説明】
【００３７】
１  アンボンドアンカー
2a  ベースプレート
2b  アンカープレート
３  横鉄筋
４  縦鉄筋
５  リング鉄筋
６  コンクリート
6a  台座部
6b  傾斜面
【図１】
2008223303.tif 000003
【図２】
2008223303.tif 000004
【図３】
2008223303.tif 000005
【手続補正書】
【提出日】平成20年4月3日(2008.4.3)
【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】
頂上部が上空の高位置まで伸長して、該頂上部および支柱部に作用する外力により転倒モーメントおよび水平力等が作用する塔状構造物の基礎構造において、
前記塔状構造物の柱脚部をプレストレスを導入するアンボンドアンカーで固定させ、
前記アンボンドアンカーの長手方向と交差する方向に横鉄筋を配置し、
前記アンボンドアンカーと平行な方向の縦鉄筋を配置してコンクリートを打ち込み、
前記コンクリートの一部であって、前記アンボンドアンカーの貫入部長手方向と交差する方向に支圧が作用する部分が、該支圧に対して、アンボンドアンカーと交差する方向のリング状の鉄筋を適宜配置することが出来る程度の幅を確保してあり、
前記アンボンドアンカーの下端部が、前記塔状構造物を立設する部分の台座部より十分に深い位置に配置され、コンクリートの基礎部にまで定着されることを特徴とする塔状構造物の基礎構造。
【請求項２】
前記塔状構造物が、風力発電用の支柱であることを特徴とする請求項１に記載の塔状構造物の基礎構造。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１５】
前記目的を達成するための技術的手段として、この発明に係る塔状構造物の基礎構造は、頂上部が上空の高位置まで伸長して、該頂上部および支柱部に作用する外力により転倒モーメントおよび水平力等が作用する塔状構造物の基礎構造において、前記塔状構造物の柱脚部をプレストレスを導入するアンボンドアンカーで固定させ、前記アンボンドアンカーの長手方向と交差する方向に横鉄筋を配置し、前記アンボンドアンカーと平行な方向の縦鉄筋を配置してコンクリートを打ち込み、前記コンクリートの一部であって、前記アンボンドアンカーの貫入部長手方向と交差する方向に支圧が作用する部分が、該支圧に対して、アンボンドアンカーと交差する方向のリング状の鉄筋を適宜配置することが出来る程度の幅を確保してあり、前記アンボンドアンカーの下端部が、前記塔状構造物を立設する部分の台座部より十分に深い位置に配置され、コンクリートの基礎部にまで定着されることを特徴としている。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１７
【補正方法】削除
【補正の内容】
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１８】
また、コンクリートが受ける水平方向の支圧応力に対してコンクリート自体が対抗することができるよう、この支圧応力の方向の肉厚を大きくし、必要なせん断抵抗面積を得られるようにしてある。ペデスタルを形成するものでは、塔状構造物の径方向に沿った肉厚を十分に大きくする。
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１９
【補正方法】削除
【補正の内容】
【手続補正６】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２０】
また、コンクリートの上面全体をペデスタルを形成することのない水平面としても構わないが、コンクリートに埋め込まれるアンカーボルト長さより十分に低い高さのペデスタルであって、前記支圧応力に必要な断面積を有する肉厚を持っていれば、水平面でなくても良い。ただし、完全に水平面とすることは、困難であり、雨水のたまりをコンクリートの上面に形成することも考えられるので、ゆるい傾斜面とすることが望ましい。
【手続補正７】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２１】
また、請求項２の発明に係る塔状構造物の基礎構造は、前記塔状構造物が、風力発電用の支柱であることを特徴としている。
【手続補正８】
【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】
特に大きな荷重が作用する風力発電用のタワーの基礎構造とするものである。風力発電用のタワーでは頂上部にブレードや発電機等の重量物を支持させる必要があり、主として風等による水平荷重に対向させることが要求される煙突等の一般的な塔状構造物に比べて、該風力発電用のタワーに作用する荷重が複雑となる。従来の構造を備えた基礎では、このような複雑な荷重に対抗する構造として設計されていないが、この発明に係る基礎構造では、斯かる複雑な荷重に対しても十分に対抗することができることから、風力発電用のタワーを支持する基礎構造としたものである。
【手続補正９】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２４】
しかも、プレストレスを導入したアンボンドアンカー部分が埋め込み型柱脚のように強固に一体化されることにより、水平方向のコンクリート支圧を主とした荷重の伝達メカニズムになり、転倒モーメントに対抗できる構造で、コンクリートの引張による破断を防止できる。
【手続補正１０】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２５】
さらに、ペデスタルを極力形成しない構造としたものであり、基礎の形状を単純なものとすることができ、施工を容易にすることができると共に、アンボンドアンカーの長手方向に交差する方向のコンクリートの厚さを十分なものとすることが容易となる。
【手続補正１１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２６】
また、請求項２の発明に係る塔状構造物の基礎構造によれば、頂上部に風車や発電機等が設けられて、風により受ける荷重により大きな転倒モーメントが作用する風車用タワーを倒壊させることを極力防止することができる。
【手続補正１２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３２】
以上により構成された塔状構造物の基礎構造では、例えば風車用タワーを固定するためにプレストレスが導入されたアンボンドアンカー１の周囲のコンクリート６については、図３の破線で示すようにアンボンドアンカー１の長手方向と、この長手方向と交差する方向とに引張荷重が作用する。これらの引張荷重に対して、アンボンドアンカー１の長手方向と交差させて配した前記横鉄筋３と、アンボンドアンカー１の長手方向に平行に配した前記縦鉄筋４とがそれぞれ対抗して、コンクリート６に作用する荷重が軽減される。したがって、コンクリート６にひび割れが生じることが極力抑制され、破断することが防止される。
【手続補正１３】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図１】
2008223303.tif 000006
【手続補正１４】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図２】
2008223303.tif 000007