(57)【要約】【課題】長さが均一でない４脚を有する四角鉄塔の４脚の各々の強度を簡便な方法で精度よく算定すること。【解決手段】長さが均一でない４脚１１〜１４を有する四角鉄塔１０の脚部の設計方法において、四角鉄塔１０に任意方向の荷重が作用するときの４脚１１〜１４各々の荷重分担比を二次元的な力の釣り合いから求め、つぎに、４脚１１〜１４の各々の荷重分担比を用いて、四角鉄塔１０に各方向の荷重が作用することにより発生する４脚１１〜１４各々の応力を荷重方向別に求め、４脚１１〜１４各々の応力の最大値を４脚１１〜１４の各々に必要な強度とすること。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
長さが均一でない４脚を有する四角鉄塔の脚部の設計方法において、
前記四角鉄塔に任意方向の荷重が作用するときの前記４脚各々の荷重分担比を二次元的な力の釣り合いから求め、
つぎに、前記４脚の各々の荷重分担比を用いて、四角鉄塔に各方向の荷重が作用することにより発生する各脚の応力を荷重方向別に求め、その各脚の応力の最大値を前記４脚の各々に必要な強度とすることを特徴とする四角鉄塔の脚強度の設計方法。
【請求項２】
請求項１に記載した四角鉄塔の脚強度の設計方法であって、
四角鉄塔を上から見た場合の中心点（Ｏ）、前記４脚各々の地際部での平面座標（ａ、ｂ、ｃ、ｄ）および前記４脚各々の地際部での平面座標（ａ、ｂ、ｃ、ｄ）の図心から二次元的な力の釣り合いの原理を用いて、前記中心点（Ｏ）を通る四角鉄塔の一構面上の水平方向に垂直な水平荷重が前記中心点（Ｏ）に加わった場合（これを０°方向荷重とする）の前記４脚各々の荷重分担比ω（０°）を求め、
さらに、前記中心点（Ｏ）を通る四角鉄塔の前記一構面に隣接する構面上の水平方向に垂直な水平荷重が前記中心点（Ｏ）に加わった場合（これを９０°方向荷重とする）の前記４脚各々の荷重分担比ω（９０°）を求め、
任意の荷重方向（θ）に対する前記４脚各々の荷重分担比ω（θ）を次のように算出し、
【数１】
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上記算出された荷重分担比ω（θ）と、前記任意の荷重方向（θ）の荷重値を前記４脚の長さを４脚の平均長にそろえた鉄塔の０°方向に加えた場合に各脚に生じる応力の絶対値平均とを乗じることにより、前記４脚各々に発生する各荷重方向別の応力を求め、その応力の最大値を前記４脚各々に必要な強度とすることを特徴とする四角鉄塔の脚強度の設計方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、四角鉄塔の脚強度の設計方法に関し、特に、長さが均一でない４脚を有する四角鉄塔について簡易で精度よく脚強度の設計をすることができる四角鉄塔の脚強度の設計方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
送電線用の四角鉄塔は、一般的に主柱材が地面に対し垂直ではなく傾斜をもっているため、頂部から下部へ行くに従い塔の幅は広がるが、その横断面は正方形または長方形となっており、水平な平地に四角鉄塔を建設する場合には、四角鉄塔の４脚の長さが均一になるので、四角鉄塔の４脚各々に必要な強度を設計することは比較的容易である。しかし、傾斜地に四角鉄塔を建設する場合には、四角鉄塔の４脚各々は、傾斜地の斜面に合わせて異なる長さを有している。この場合の４脚各々の荷重分担比は、４脚均等ではなく、４脚各々の長さの組み合わせによりそれぞれ異なることになる。
このため、４脚各々の荷重分担の大きさを正確に求めるためには、４脚各々の長さの組み合わせ毎に高度な三次元の力学的な解析を必要としていたので、従来設計では簡易的な設計方法として、鉄塔の脚の強度について過去に実施された試験や解析結果を基に、４脚全てに一定量の応力割り増しを行った場合の４脚各々に必要な強度を求めて、この強度を４脚各々の強度としていた。
【０００３】
なお、上記従来技術は、鉄塔の脚強度設計の実務において用いられている簡便な設計方法であるので、これを記載した特許文献および非特許文献等の刊行物を発見することができなかった。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記従来例では、四角鉄塔の荷重分担比が小さい脚については、荷重分担比が大きい脚と比べて脚の部材余裕が大きい設計となっていた。
このため、上記高度な三次元の力学的な解析を実施しないで、４脚各々の荷重分担比を精度よく算定する設計方法の開発が望まれていた。
そこで、本発明が解決しようとする課題は、長さが均一でない４脚を有する四角鉄塔の４脚各々に必要な強度を比較的簡便な設計方法で精度よく算定することができるようにすることである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、請求項１記載の発明は、長さが均一でない４脚を有する四角鉄塔の脚部の設計方法において、前記四角鉄塔に任意方向の荷重が作用するときの前記４脚各々の荷重分担比を二次元的な力の釣り合いから求め、つぎに、前記４脚の各々の荷重分担比を用いて、四角鉄塔に各方向の荷重が作用することにより発生する各脚の応力を荷重方向別に求め、その各脚の応力の最大値を前記４脚の各々に必要な強度とすることを特徴とする四角鉄塔の脚強度の設計方法である。
これにより、傾斜地等に建設され、長さが均一でない４脚を有する四角鉄塔に任意方向の荷重が作用するときの前記４脚各々の荷重分担比を二次元的な力の釣り合いから求めるため、比較的簡便に前記四角鉄塔に任意方向の荷重が作用するときの前記４脚各々の荷重分担比を求めることができる。そして、前記４脚各々の荷重分担比より求めた前記４脚各々についての鉄塔に作用する荷重方向別の応力を容易に求めることができ、この応力の最大値をその脚に必要な強度とすることができる。
【０００６】
さらに、請求項２記載の発明は、請求項１に記載した発明において、四角鉄塔を上から見た場合の中心点（Ｏ）、前記４脚各々の地際部での平面座標（ａ、ｂ、ｃ、ｄ）および前記４脚各々の地際部での平面座標（ａ、ｂ、ｃ、ｄ）の図心から二次元的な力の釣り合いの原理を用いて、前記中心点（Ｏ）を通る四角鉄塔の一構面上の水平方向に垂直な水平荷重が前記中心点（Ｏ）に加わった場合（これを０°方向荷重とする）の前記４脚各々の荷重分担比ω（０°）を求め、さらに、前記中心点（Ｏ）を通る四角鉄塔の前記一構面に隣接する構面上の水平方向に垂直な水平荷重が前記中心点（Ｏ）に加わった場合（これを９０°方向荷重とする）の前記４脚各々の荷重分担比ω（９０°）を求め、任意の荷重方向（θ）に対する前記４脚各々の荷重分担比ω（θ）を次のように算出し、
【数２】
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上記算出された荷重分担比ω（θ）と、前記任意の荷重方向（θ）の荷重値を前記４脚の長さを４脚の平均長にそろえた鉄塔の０°方向に加えた場合に各脚に生じる応力の絶対値平均とを乗じることにより、前記４脚各々に発生する各荷重方向別の応力を求め、その応力の最大値を前記４脚各々に必要な強度とすることを特徴とする四角鉄塔の脚強度の設計方法である。なお、ここにおいて、平面座標とは、水平面（図３の脚１１〜１４の平面図に相当する。）における二次元座標をいう。
これにより、上記ω（０°）およびω（９０°）を求めることで、容易に任意の角度θの荷重分担比ω（θ）を算出することができ、これと前記４脚の長さを４脚の平均長にそろえた鉄塔の０°方向に加えた場合に各脚に生じる応力の絶対値平均との積を求め、この積により容易に前記４脚各々に加わる応力を求め、前記荷重方向（θ）を変化させたときの応力の最大値を前記４脚各々に必要な強度とすることができる。
【０００７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明における実施の形態を図面に基づいて説明する。図１は、本発明の実施の形態に係る送電線用の鉄塔を示し、図２、図３および図４はこの鉄塔の脚強度の設計方法を示す。
図１に示す送電線用の四角鉄塔１０は、四角鉄塔であるので、その横断面は正方形もしくは長方形である。四角鉄塔１０が平地に建設されている場合には、四角鉄塔１０の４脚１１、１２、１３、１４の長さが等しくなるが、この場合、四角鉄塔１０が、傾斜地１に建設されているので、４脚１１、１２、１３、１４の長さは均一ではない。そして、４脚１１、１２、１３、１４の建設位置は、高い方から順に脚１３、脚１４、脚１１、脚１２となる（図３、図４参照）。このため、４脚１１、１２、１３、１４の長さは、短い方から順に脚１３、脚１４、脚１１、脚１２となる。また、図３の脚１１〜１４の平面図に示すように、４脚１１、１２、１３、１４の地際部の平面座標をそれぞれ、ａ、ｂ、ｃ、ｄとする。
【０００８】
つぎに、図１に示すように、四角鉄塔１０の各構面を定義する。まず、四角鉄塔１０の脚１１と脚１２で区画される面を構面２１とし、以下順に、脚１２と脚１３で区画される面を構面２２とし、脚１３と脚１４で区画される面を構面２３とし、脚１４と脚１１で区画される面を構面２４とする。このため、構面２１と構面２２、構面２２と構面２３、構面２３と構面２４、構面２４と構面２１は任意の横断面において、それぞれ９０°の角度をなすように隣接している。
【０００９】
今、四角鉄塔１０の頂部１５の中心点Ｏに水平荷重Ｐが構面２２上の水平方向と垂直の方向に加わっているとする。この荷重Ｐは、四角鉄塔１０に架設されている図示しない送電線の張力、四角鉄塔１０に加わる風圧力等を代表させたものである。
【００１０】
つぎに、本発明に係る四角鉄塔１０の脚強度の設計方法を以下のように説明する。
四角鉄塔１０の特定の構面上の水平方向に垂直でかつ水平な方向を基準として、この方向に対してθ°の角度をなす方向に水平荷重を加える場合、この角度を荷重方向θとして、荷重角度θにおける四角鉄塔１０の４脚１１〜１４の各々の荷重分担比ω（θ）は、最大荷重分担比Ａと位相角度φを用いた次式で与えられる。すなわち、
ω（θ）＝±Ａｓｉｎ（θ±φ）    式（１）
となる。ここで、未知数はＡおよびφの２つであるため、θ＝０°、９０°のときの各脚１１〜１４の荷重分担比が求まれば、Ａとφを算出できる。
このとき、式（１）は、θのみの関数となり、任意の荷重方向θに対する荷重分担比を算定することができる。
【００１１】
まず、θ＝０°荷重時を例にとり、各脚１１〜１４の荷重分担比算定の手順を示す。図２のように、構面２２（ｂｃ面）、構面２４（ａｄ面）を同じ剛性（ＥＩ）の単純梁と仮定する。なお、ここで、Ｅはヤング率、Ｉは断面二次モーメントである。このとき、前記２つの単純梁の撓みα、βは式（２）、式（３）で与えられる。すなわち、
α＝（Ｌｂ・Ｌｃ）２．［３ＥＩ・（Ｌｂ＋Ｌｃ）］−１・Ｐｂｃ    式（２）
β＝（Ｌａ・Ｌｄ）２．［３ＥＩ・（Ｌａ＋Ｌｄ）］−１・Ｐｄａ    式（３）
となる。ここで、Ｌｂ、Ｌｃはそれぞれ平面座標ｂ、平面座標ｃと中心点Ｏ（図３参照）との水平距離を構面２２に投影した距離であり、Ｌａ、Ｌｄはそれぞれ平面座標ａ、平面座標ｄと中心点Ｏとの水平距離を構面２４に投影した距離である。また、Ｐｂｃは図１の荷重Ｐを加えたときに、構面２２が分担する荷重（Ｎ）であり、Ｐｄａは図１の荷重Ｐを加えたときに、構面２４が分担する荷重（Ｎ）である。
【００１２】
つぎに、撓みα、βは同一四角鉄塔１０内での変位であるため、それぞれ等しいとすると、
Ｐｄａ：Ｐｂｃ
＝（Ｌｂ・Ｌｃ）２・（Ｌｂ＋Ｌｃ）−１：（Ｌａ・Ｌｄ）２・（Ｌａ＋Ｌｄ）−１
式（４）
となる。
【００１３】
つぎに、加えた荷重Ｐｄａ、Ｐｂｃが求まれば、図３のように、各脚１１、１２、１３、１４の水平分担荷重Ｐａ、Ｐｂ、Ｐｃ、Ｐｄは、二次元的な力の釣り合いから算定できる。例として、Ｐａを式（５）に示す。
Ｐａ＝Ｌｄ・（Ｌａ＋Ｌｄ）−１・Ｐｄａ      式（５）
式（５）に倣って得られたＰａ〜Ｐｄは、荷重点の高さが同じであるため、構面２１（ａｂ面）と構面２３（ｃｄ面）の水平力の比（Ｐａ＋Ｐｂ）：（Ｐｃ＋Ｐｄ）は、図４に示す構面２１と構面２３に生ずる転倒モーメントの比に一致する。すなわち、
Ｍａｂ：Ｍｃｄ＝（Ｐａ＋Ｐｂ）：（Ｐｃ＋Ｐｄ）    式（６）
が得られる。ここで、Ｍａｂは構面２１に生ずる転倒モーメントであり、Ｍｃｄは構面２３に生ずる転倒モーメントである。
【００１４】
図４に示すように、四角鉄塔１０に作用する荷重の中心点Ｏは、四角鉄塔１０の頂部１５（図１参照）の塔心点であり、脚１１〜１４の反力位置の剛心点Ｇは、平面座標ａ、ｂ、ｃ、ｄを結ぶ四角形の図心点（重心点）とする。なお、ＧＬは地面を示す。そして、Ｒａ、Ｒｂ、Ｒｃ、Ｒｄをそれぞれ脚１１、１２、１３、１４の地際部の平面座標ａ、ｂ、ｃ、ｄにおける鉛直反力とすると、Ｒａ、Ｒｂ、Ｒｃ、Ｒｄの関係は、それぞれ剛心点Ｇと脚１１〜１４の距離から二次元的な力の釣り合いとなるモーメントの釣り合いを用いて次式で表される。
Ｒａ：Ｒｂ＝（Ｗａｂ＋Δａｂ）：（Ｗａｂ−Δａｂ）    式（７）
Ｒｃ：Ｒｄ＝（Ｗｃｄ＋Δｃｄ）：（Ｗｃｄ−Δｃｄ）    式（８）
【００１５】
さらに、
Ｍａｂ＝Ｒａ・（Ｗａｂ−Δａｂ）＋Ｒｂ・（Ｗａｂ＋Δａｂ）  式（９）
Ｍｃｄ＝Ｒｃ・（Ｗｃｄ−Δｃｄ）＋Ｒｄ・（Ｗｃｄ＋Δｃｄ）  式（１０）
となる。ここで、Ｗａｂは平面座標ａと平面座標ｂとの距離を構面２１に投影した距離の１／２であり、Ｗｃｄは平面座標ｃと平面座標ｄとの距離を構面２３に投影した距離の１／２である。また、Δａｂは平面座標ａ、ｂの中間点と剛心点Ｇを結ぶ長さを構面２１に投影した距離であり、Δｃｄは平面座標ｃ、ｄの中間点と剛心点Ｇを結ぶ長さを構面２３に投影した距離である。
【００１６】
式（６）で、構面２１、構面２３の転倒モーメントの比（Ｍａｂ：Ｍｃｄ）が既知となっているので、式（７）、式（８）、式（９）、式（１０）から０°方向荷重時の各脚１１〜１４の鉛直反力比Ｒａ：Ｒｂ：Ｒｃ：Ｒｄが算定でき、この鉛直反力比がすなわち荷重分担比と同じ値になる。
同様にして、９０°方向荷重時の各脚１１〜１４の荷重分担比を算出することができる。
【００１７】
以上によって、０°、９０°の荷重分担比ω（０°）、ω（９０°）が初期値として与えられれば、式（１）は次式のように表される。
【数３】
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【００１８】
つぎに、上記算出されたω（θ）と、前記任意の荷重方向（θ）の荷重値を前記４脚１１〜１４の長さを４脚１１〜１４の平均長にそろえた四角鉄塔１０の０°方向に加えた場合に各脚１１〜１４に生じる応力の絶対値平均（この場合の応力の絶対値平均は従来技術で算定することができる。）とを乗じることにより、各脚１１〜１４に発生する各荷重方向別の応力を求め、その応力の最大値を前記４脚１１〜１４の各々に必要な強度とする。
【００１９】
以上の鉄塔の脚強度の設計方法により以下のようになる。
▲１▼傾斜地等に建設され、長さが均一でない４脚１１〜１４を有する四角鉄塔１０に任意方向の荷重が作用するときの４脚１１〜１４の各々の荷重分担比を二次元的な力の釣り合いから比較的簡便に求めることができる。そして、４脚１１〜１４の各々の荷重分担比より求めた４脚１１〜１４の各々についての四角鉄塔１０に作用する荷重方向（θ）別の応力を容易に求めることができ、この応力の最大値を４脚１１〜１４の各々に必要な強度とすることができる。
▲２▼さらに、上記ω（０°）およびω（９０°）を求めることで、容易に任意の角度θの荷重分担比ω（θ）を算出することができ、これと４脚１１〜１４の長さを４脚１１〜１４の平均長にそろえた四角鉄塔１０の０°方向に加えた場合に４脚１１〜１４の各々に生じる応力の絶対値平均との積を求め、この積により容易に４脚１１〜１４の各々に加わる応力を求め、荷重方向（θ）を変化させたときの応力の最大値を４脚１１〜１４の各々に必要な強度とすることができる。
【００２０】
なお、上記実施の形態において、四角鉄塔１０の各脚１１、１２、１３、１４の長さが全て異なる場合の脚強度を算出しているが、これに限定されず、各脚１１、１２、１３、１４のうちいずれかの脚長が同じ場合でもよい。
【００２１】
【発明の効果】
請求項１記載の発明によれば、傾斜地等に建設され、長さが均一でない４脚を有する四角鉄塔の脚強度を簡便な方法で精度よく設計することができる。
さらに、請求項２記載の発明によれば、請求項１記載の発明の効果とともに、２つの方向の荷重がそれぞれ鉄塔に加わった場合の各脚の荷重分担比を求めることにより、容易に各脚の応力を求められ、四角鉄塔の脚強度を精度よく設計することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態に係る送電線用の四角鉄塔を示す斜視図である。
【図２】図１の四角鉄塔の脚強度の設計方法を示す説明図である。
【図３】図２の続きの説明図である。
【図４】図３の続きの説明図である。
【符号の説明】
１  傾斜地
１０  四角鉄塔
１１、１２、１３、１４  脚
ａ、ｂ、ｃ、ｄ  地際部の平面座標
１５  頂部
２１、２２、２３、２４  構面
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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