(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
格子型骨組の部材を該骨組の１つ又は複数の他の部材に結合する節点構造体であって、該節点構造体は、
中心面に向かった断面が鋭角で外方に収束し、外縁部において結合する対向壁を有する中空ブレースであって、前記外縁部は、該中空ブレースの外周において湾曲面を画定し、該湾曲面は、前記中空ブレースの外表面の一部を画定している、中空ブレースと、
前記骨組の部材の根端部であるか又は前記骨組の部材に取り付けられる少なくとも１つの根部であって、該根部は、前記ブレースの前記中心面において外方に延びる長手方向中心軸を有し、該根部は内端部を有し、該内端部は、前記外縁部の対向側の前記対向壁双方に接触するように延在するように前記中空ブレースを貫通することなく、前記中空ブレースの前記外表面の一部及び前記湾曲面と係合し、それにより、前記外縁部から内方に延在する前記ブレースの外側部位を受ける接合面を残すように、前記中心面の回りの対向側部が切除されている、根部と、
を備え、
前記根部は、前記接合面と前記外表面との係合部において前記中空ブレースと接合する、節点構造体。
【請求項２】
前記接合面の交縁部は、前記根部の対向側部が切除されている前記中心面に対する平行軸上で見ると凹曲し、前記中心面に対する直交軸上で見ると凸曲している、請求項１に記載の節点構造体。
【請求項３】
前記ブレースは第１の根部及び第２の根部を支持し、このとき、それぞれの外方に延びる長手方向中心軸が、前記ブレースの前記中心面において外方に分散し、前記骨組のそれぞれの部材と芯合わせされる、請求項１又は２に記載の節点構造体。
【請求項４】
前記ブレースの内方厚さは前記根部の直径よりも大きく、前記ブレースの外方厚さは、前記根部の前記直径よりも小さい、請求項１乃至３のいずれか１項に記載の節点構造体。
【請求項５】
前記ブレースの前記対向壁の間に延在する外向き凹壁により画定され、前記ブレースの前記外縁部を中断するカットアウトを有する、請求項１乃至４のいずれか１項に記載の節点構造体。
【請求項６】
前記ブレースの前記対向壁は、前記外縁部から離間した少なくとも１つの内部隔壁によっても結合される、請求項１乃至５のいずれか１項に記載の節点構造体。
【請求項７】
前記隔壁は、前記根部の前記中心軸に対して実質的に直交する軸上で、前記対向壁の間に延在する管を含む、請求項６に記載の節点構造体。
【請求項８】
前記ブレースの前記対向壁は、楕円面又は円錐面を有する、請求項１乃至７のいずれか１項に記載の節点構造体。
【請求項９】
前記ブレースは、ディスク若しくは楕円、又は、そのようなディスク若しくは楕円の一部の形態であり、径方向断面が外方に収束し、凸曲した前記外縁部において結合する対向する皿形壁を有する、請求項１乃至８のいずれか１項に記載の節点構造体。
【請求項１０】
前記根部の前記中心軸は、前記ブレースの前記外縁部の湾曲軸に交差する、請求項９に記載の節点構造体。
【請求項１１】
前記ブレースは、前記外縁部の凸曲部と、前記外縁部の対向端の間に延在する各皿形壁の弦状の内縁部との間に画定される略欠けたディスク形状部の形態である、請求項９又は１０に記載の節点構造体。
【請求項１２】
前記皿形壁の前記内縁部は、合わせて凹座部を画定し、該凹座部は、前記節点構造体を、前記ブレースの前記中心面にある長手方向中心軸を有する細長い部材に接合するように形状付けられている、請求項１１に記載の節点構造体。
【請求項１３】
前記節点構造体は、前記格子型骨組の１つ又は複数の他の部材と、端を正面に芯合わせされる細長い円筒形部材を更に備え、該円筒形部材は、一致形状を有する凹座部に位置するとともに、前記ブレースの前記中心面にある長手方向中心軸を有する、請求項１２に記載の節点構造体。
【請求項１４】
前記円筒形部材の回りで角度をなして離間されている第１のブレース及び第２のブレースを備える、請求項１３に記載の節点構造体。
【請求項１５】
前記ブレースの前記欠けたディスク形状部は、前記部材の前記長手方向中心軸に交差及び直交する旋回軸を有し、該欠けたディスク形状部に対して前記凹座部が形状付けられる、請求項１２乃至１４のいずれか１項に記載の節点構造体。
【請求項１６】
前記節点構造体は金属部品から組み立てられ、前記対向壁は金属シート又は金属プレートから形成され、任意の根部が金属管から切り出されている、請求項１乃至１５のいずれか１項に記載の節点構造体。
【請求項１７】
格子型骨組用の節点構造体を作製する方法であって、該方法は、
中心面に向かった断面が鋭角で収束し、外縁部において結合する対向壁を有する中空ブレースを設けるステップであって、前記外縁部は、前記中空ブレースの外周において湾曲面を画定し、該湾曲面は、前記中空ブレースの外表面の一部を画定している、設けるステップと、
前記中空ブレースの前記外表面の一部及び前記湾曲面を、前記骨組の部材の根端部であるか又は前記骨組の部材に取り付けられる少なくとも１つの根部の内端部により画定される接合面と係合させるステップであって、前記根部は、前記中空ブレースを貫通せず、それにより、前記外縁部から内方に延在する前記中空ブレースの外側部位を受けるように、前記外縁部の対向側の前記対向壁双方に接触するように延在する、係合させるステップと、
前記接合面と前記外表面との係合部において前記根部を前記ブレースに接合するステップと、
を含む、方法。
【請求項１８】
格子型骨組を作製する方法であって、該方法は、
中心面に向かった断面が鋭角で収束し、外縁部において結合する対向壁を有する、中空ブレースを設けるステップと、
少なくとも一つの穴が前記外縁部において位置づけられる閉ループ穴縁部を画定し、且つ、前記中空ブレースの前記対向壁内に延在するように、前記中空ブレースを通る該少なくとも一つの穴を形成するステップと、
前記骨組の部材の根端部又は前記骨組の部材に取り付けられる根部が前記中空ブレースを貫通するように、前記根部を、前記少なくとも一つの穴に挿入するステップと、
前記穴縁部の回りで前記根部を前記ブレースに接合するステップと、
を含む、方法。
【請求項１９】
１対の対向壁を接合して、前記ブレースを形成するステップを含む、請求項１７又は１８に記載の方法。
【請求項２０】
金属シート又は金属プレートを鍛造して、前記対向壁を形成するステップを含む、請求項１９に記載の方法。
【請求項２１】
請求項１乃至１６のいずれか１項に記載の少なくとも１つの節点構造体を備える、格子型骨組。
【請求項２２】
請求項２１に記載の格子型骨組を備える風力タービン設備。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、格子型骨組用の節点構造体及びその作製方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
格子型骨組は、細長い部材、通常は管を備える。これらの細長い部材は、交差する長手方向軸上に位置し、これらの軸が交差するところの節点構造体により接合することができる。このような節点構造体は、一体品に鋳造してもよいし、溶接により部品から組み立ててもよい。
【０００３】
格子型骨組の一例は、風力タービン又は他の洋上構造体用の「ジャケット式」基礎である。以下の説明では、これを用いて本発明を例示する。ジャケットは、石油及びガス産業において長年利用されている。また、ジャケットは、洋上風力タービン用途において好適であることが近年見出されている。洋上風力タービン用途では、水深約２０メートルを超えると、従来のモノパイル式基礎又は重力着底式基礎の使用は実用的でなくなる。
【０００４】
洋上風力タービン用のジャケットが図１に示されている。図１に示されているジャケット１０は、従来技術を反映する従来的な全体形状を有するが、本発明に係る種々の節点構造体を含む。節点構造体は、特に図１３乃至図１６を参照して以下で詳細に記載する。
【０００５】
図１の示されている例では、ジャケット１０は、４つの上方に収束する管型支柱１２を備える。これらの管型支柱１２は、合わせて、水平断面が四角形の切頭４面ピラミッドを画定する。トライポッド形態の３面ピラミッドも可能であり、この場合、水平断面は三角形である。
【０００６】
ピラミッド型ジャケット１０の各面は、下方に大型化する一連の十字Ｘ型ブレース１４を含む。Ｘ型ブレース１４は、支柱１２の隣り合う対の間に延在する上側水平支材１６と下側水平支材１６との間に配置されている。各Ｘ型ブレース１４は、４つの管型斜め支材１８を含む。これらの管型斜め支材１８は、内方に収束して中央のＸ型節点構造体２０において結合し、外方に分岐してそれぞれのＫ型節点構造体２２に向かい、Ｋ型節点構造体２２が斜め支材１８を支柱１２に結合する。この例における各Ｋ型節点構造体２２は、４つの斜め支材１８を対応する支柱１２に結合するダブルＫ型である。
【０００７】
各支柱１２上の最上の節点及び最下の節点は、ジャケット１０の各面の斜め支材１８を１つのみ、対応する支柱１２に結合することから、Ｙ型節点構造体２４とみなすことができるが、この例における各Ｙ型節点構造体２４は、隣り合う面の２つの斜め支材１８を対応する支柱１２に結合するダブルＹ型である。しかしながら、Ｙ型節点構造体は、水平支材１６も支柱１２に結合することから、Ｋ型節点構造体又はダブルＫ型節点構造体に類似してもいる。
【０００８】
ジャケット１０の支柱１２は、水中で海底に固定されている、予め打ち込まれた杭基礎構造体（不図示）に着座する。その深さは３０メートルを超える可能性がある。ジャケット１０は、風力タービンタワーを水面から離して頂部に取り付けることができるように、水面の上方に突出する十分な高さがある。実際には、ジャケット１０には、通常は管でできた風力タービンタワーを支持するとともに、このタワーの基部の周囲に作業プラットフォームを提供するトランジションピースが載っているが、このトランジションピースは、図１から省かれている。
【０００９】
格子型骨組の節点構造体にとって、応力集中を最小限に抑えることが重要である。節点構造体にとって、材料費用が低いように小型であること、並びに、ジャケット式構造体に側方負荷を与える波及び潮流に起因する水運動に対する抵抗を最小限に抑えることも望ましい。
【００１０】
組み立てられる節点構造体の場合、節点構造体は、世界中の種々の場所において最小限の工具費で容易に組み立てられることが望ましい。しかしながら、本発明の好ましい態様が組立て式節点構造体に関する一方で、他の態様は、製造手段に無関係である形状特徴部に関し、そのため、鋳造節点等の非組立て式節点にして具現することができる。
【発明の概要】
【００１１】
１つの態様によれば、本発明は、
格子型骨組の部材を該骨組の１つ又は複数の他の部材に結合する節点構造体であって、節点構造体は、
中心面に向かった断面が鋭角で外方に収束し、外縁部において結合する対向壁を有する中空ブレースと、
前記骨組の部材の根端部であるか又は前記骨組の部材に取り付けられる少なくとも１つの根部であって、該根部は、前記ブレースの中心面において外方に延びる長手方向中心軸を有し、該根部は内端部を有し、該内端部は、前記ブレースの前記収束する壁に交わると同時に、外縁部から内方に延在する前記ブレースの外側部位を受ける接合面を残すように、中心面の回りの対向側部が切除されている、根部と、
を備える、節点構造体に関する。
【００１２】
根部は、略円筒形又は多面形であり、円形、楕円形、又は矩形の断面を有することが好適である。ブレースは、ディスク若しくは楕円、又は、そのようなディスク若しくは楕円の一部の形態であり、径方向断面が外方に収束し、中心面上の凸曲した外縁部において結合する対向する皿形壁を有することが好ましい。
【００１３】
本発明の概念は、
格子型骨組用の節点構造体を作製する方法であって、該方法は、
鋭角で収束し、外縁部において結合する対向壁を有する中空ブレースを設けるステップと、
前記ブレースの外縁部及び該外縁部から内方に延在する前記ブレースの外側部位を、前記骨組の部材の根端部であるか又は前記骨組の部材に取り付けられる少なくとも１つの根部の内端部により受けるステップと、
前記根部を前記ブレースに接合するステップと、
を含む、方法に拡大される。
【００１４】
本発明の概念内の代替的な解決策において、節点構造体は、
中心面に向かった断面が鋭角で外方に収束し、外縁部において結合する対向壁を有する中空ブレースと、
外縁部に穴を画定するとともに前記ブレースの前記収束する壁内に延在する少なくとも１つの穴面であって、該面は、前記ブレースの中心面において外方に延びる中心軸を有し、前記骨組の部材の根端部又は前記骨組の部材に取り付けられる根部を受ける、少なくとも１つの穴面と、
を備える。
【００１５】
同様に、この代替的な解決策は、
格子型骨組を作製する方法であって、該方法は、
鋭角で収束し、外縁部において結合するとともに、収束する壁内に延在する少なくとも１つの穴面を該外縁部に画定する対向壁を有する、中空ブレースを設けるステップと、
前記骨組の部材の根端部又は前記骨組の部材に取り付けられる根部を、穴面により画定される穴に挿入するステップと、
穴面の回りで前記部材を前記ブレースに接合するステップと、
を含む、方法として表現することができる。
【００１６】
また、本発明は、本発明に係る少なくとも１つの節点構造体、又は、本発明の方法に従って作製されている少なくとも１つの節点構造体を備える、格子型骨組と、そのような格子型骨組を備える風力タービン設備と、１つ又は複数のそのような風力タービン設備を備えるウィンドファームとを包含する。
【００１７】
本発明の種々の任意選択の特徴は、添付従属請求項に記載されている。
【００１８】
本発明に係る節点構造体は、通常の応力集中係数が５乃至１０であるのに対して非常に低い、例えば最大で２．５の応力集中係数を有する。本発明に係る節点構造体は、小型で、低い水抵抗を享受し、作製が単純で、溶接代に対して過度に繊細ではない。ジャケット支柱上に有利に大きい溶接面積が設けられることは、支柱の太さの低減、ひいてはジャケットの全体としての重量及び費用の低減に役立つ。
【００１９】
これより、本発明をより容易に理解することができるように、例として添付図面を参照する。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】対応する基礎構造体を備える洋上風力タービン用の格子型ジャケット式基礎の斜視図であり、ジャケットは種々の節点構造体を含み、そのうちのいくつかが、本発明に従い、図１３乃至図１６において拡大して示されている。
【図２】本発明に係るダブルＫ型節点構造体の斜視図である。
【図３】図２のダブルＫ型節点構造体の立面図である。
【図４】図３の側とは反対側からのダブルＫ型節点構造体の立面図である。
【図５】図４の線Ｖ−Ｖ上の、ジャケットの支柱の長手方向中心軸に対する直交面における、ダブルＫ型節点構造体の断面図である。
【図６】図２のダブルＫ型節点構造体の部分断面の斜視図である。
【図７】ブレースの壁を製造する凸型成形具、ダイ、又はマンドレル上で成形される鋼製平坦プレート又は平坦シートの側断面図である。
【図８】中空ブレース体を製造する円周溶接に向けて一緒に合わされているブレースの対向壁を示す側断面図である。
【図９】図８に示されているステップにより製造されたブレース体の側断面図である。
【図１０】ブレースを製造するように切り出されたブレース体の一部の側断面図である。
【図１１】ジャケットの支柱とジャケットの支材との間に配置されているブレースの分解した側断面図であり、支材はブレースの外面に嵌合する形状の端部を有する。
【図１２】一緒に組付け及び溶接された図１１のブレース、支柱、及び支材の側断面図である。
【図１３】図１に示されているジャケットの節点構造体、すなわち、ジャケットの十字Ｘ型ブレースの中心におけるＸ型節点の拡大詳細図である。
【図１４】図１に示されているジャケットの別の節点構造体、すなわち、斜め支材を結合するようにジャケットの支柱に溶接されたダブルＫ型節点の拡大詳細図である。
【図１５】図１４に示されているダブルＫ型節点の一変形形態の拡大詳細図であり、ブレースは、水抵抗を低減するように斜め支材の間が切除されている。
【図１６】図１５の変形形態に類似したダブルＫ型節点の一変形形態の別の拡大詳細図である。
【図１７】図１１に対応するが、ジャケットの支柱とジャケットの支材との間に配置されるブレースの一変形形態を示す分解した側断面図であり、この変形形態における支材は、平坦な端部を有し、ブレースの穴に挿通される。
【図１８】一緒に組付け及び溶接された図１７のブレース、支柱、及び支材の側断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
既に図１を参照して本発明を文脈付けた。次に、図面の図２乃至図６を続いて参照すると、これらは、図１に示されている格子型骨組ジャケット１０の部材、すなわち管型支柱１２を、そのジャケット１０の４つの他の部材、すなわち管型斜め支材１８に結合するダブルＫ型節点構造体２２を示している。斜め支材１８は２つの対にグループ化され、これらの対は、支柱１２の長手方向中心軸の回りで互いの直交面にある。
【００２２】
斜め支材１８の各対は、ダブルＫ型節点構造体２２上で収束し、ここで、斜め支材１８は、それぞれの根部２６と芯合わせされ、それぞれの根部２６に結合される。根部２６は、それぞれの中空ブレース２８上で収束し、それぞれの中空ブレース２８に溶接されている。各ブレース２８は、支柱１２の更なる部分と芯合わせされ、その部分に結合される支柱部２９に溶接されている。
【００２３】
図５に最も良く示されているように、各ブレース２８は対向する皿形壁３０を有する。対向する皿形壁３０は、中心面に向かった断面が鋭角で外方に収束し、凸曲した外縁部３２において結合する。ブレース２８の対向壁３０は、浅く、いくらか円錐形であるが略楕円形の表面を有し、間にレンズ状の形状を画定する。
【００２４】
外面的には、ブレース２８は、中央が厚肉のディスク部である。このディスク部は、各皿形壁３０の、凸曲した外縁部３２と、ブレース２８が支柱部２９に接する弦状の内縁部３４との間に画定される部分のように略Ｄ字状である。ブレース２８のディスク状の湾曲部は、支柱部２９の長手方向中心軸に対して交差及び直交する旋回軸を有する。
【００２５】
各根部２６の長手方向中心軸は、対応するブレース２８の中心面において外方に延びる。ブレース２８の内方厚さは、根部２６の直径よりも大きく、一方で、ブレース２８の外方厚さは根部２６の直径よりも小さい。各根部２６の中心軸は、ブレース２８の外縁部３２の湾曲軸に交差する。
【００２６】
各根部２６の内端部は、ブレース２８の収束する壁３０に交わると同時に、外縁部３２から内方に延在するブレース２８の外側部位を受ける接合面を残すように、中心面の回りの対向側部が切除されている。ここで、根部２６は、交縁部３６にわたってブレースに溶接されている。
【００２７】
交縁部３６は、図５に示されているように中心面に対する平行軸上で見ると凹曲し、図３及び図４に示されているように中心面に対する直交軸上で見ると凸曲している。
【００２８】
ここで図面の図７乃至図１２を参照すると、これらは、１つの支材１８を、根部２６及び支柱部２９を介して支柱１２に接合する、本発明の単純化した節点構造体を製造して組み付ける製造シーケンスを示している。
【００２９】
図７は、丸みのある頂点を有する浅い円錐形の成形具、ダイ、又はマンドレル４０の回りに金属シート又は金属プレートからディスク３８を鍛造し、ブレース２８の対向壁３０のうちの一方を成形する、任意選択の予備ステップを示している。図８に、２つのこのような壁３０が、対向して一緒に合わされているのが示されている。このとき、図９に示されているように、２つのこのような壁３０を、当接する外縁部３２の回りで一緒に溶接して、中空体４２を形成する。次に、図１０に示されているように、その中空体４２を切断してブレース２８を形成する。２つ以上のこのようなブレース２８を、同じ中空体４２から切り出してもよい。
【００３０】
図１１及び図１２は、支柱部２９と根部２６との間に介在するブレース２８を示しており、支柱部２９及び根部２６は双方とも鋼管から切り出されている。図１１は、根部２６の端部を、ブレース２８の湾曲部に一致する交縁部３６を画定するように切除し、ここで、根部２６の端部は、外縁部３２から内方に延在するブレース２８の外側部位を受ける。図１２に示されているように組み付けると、溶接により、ブレース２８を支柱部２９に接合し、根部２６をブレース２８に接合する。
【００３１】
図１と並べて示されている図１３乃至図１６に進む。これらの図は、図１に示されているジャケット１０に組み込まれている本発明の種々の節点構造体を示す拡大詳細図である。
【００３２】
具体的には、図１３は、Ｘ型ブレース１４の４つの斜め支材１８を十字構成で結合するＸ型節点構造体２０を示している。ここでは、これらの支材１８はジャケット１０の支柱１２に結合されない。Ｘ型節点構造体２０は、４つの根部２６を支持する円形の連続ディスクの形態であるブレース２８を備える。
【００３３】
ブレース２８の対向壁３０は、外縁部３２から離間した内部隔壁により結合され、この例の隔壁は、支材１８の交差する中心軸に対する直交軸上で対向壁間かつ根部２６間に延在する管４４である。ブレース２８の対向壁３０には、管４４と芯合わせされる穴が貫かれている。
【００３４】
図１４は、図２乃至図６に示されているもののようなダブルＫ型節点構造体２２を示し、一方で、図１５及び図１６は、隣り合う根部２６の間で、凹曲カットアウトがブレース２８の凸曲した外縁部を中断するダブルＫ型節点構造体の変形形態を示している。具体的には、各カットアウトはブレース２８の対向壁３０の間に延在する外向き凹壁４６により画定される。カットアウトにより、重量、ひいては材料費が低減される。カットアウトは、水流に対するジャケット１０の抵抗を低減することも有益である。
【００３５】
最後に、図１７及び図１８は、根部２６が、ブレース５０の穴４８に挿通される平坦な端を有するパイプである、本発明の一変形形態を示している。穴４８は、ブレース５０の外縁部５２にあり、ブレース５０の収束する壁５４内に延在して、根部２６の根端部を収納する。
【００３６】
図１７及び図１８における穴４８の縁部は、図３、図４及び図５に示されている根部２６の交縁部３６と同様であるが逆に形状付けられている。すなわち、穴４８の縁部は、図１７に示されているように中心面に対する平行軸上で見ると凸曲しているが、中心面に対する直交軸上で見ると凹曲している。
【００３７】
図１８に示されているように穴４８に挿入されると、根部２６は穴４８の縁部の回りでブレース５０に溶接される。
【００３８】
他の変形形態が本発明の概念内で可能である。例えば、代替的に、支柱部及び根部を支柱及び支材と一体化することができる。換言すれば、支柱及び支材は、ブレースに直接溶接することができ、そのため、事実上、支材の根端部が節点構造体の一部となる。したがって、本発明は、節点構造体を、格子型骨組の一部であるか否かにかかわらず包含する。また、本発明の節点構造体は、支柱又は支柱部を省き、その代わりにブレースの皿形壁の内縁部の間に、溶接により節点構造体を支柱に結合するように形状付けられている円筒形凹座部を画定することが可能である。
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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