(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
分割された複数の節からなる鉄塔の架構形状及び部材を入力して解析モデルデータを作成して応力解析その他の解析を行い、解析結果を出力して鉄塔の設計や診断を行う鉄塔設計・診断システムであって、
分割された節を構成する複数の架構形状に関するデータを格納する架構形状データファイルと、
各架構形状データを構成する要素に用いる鋼材に関するデータを格納する部材データファイルと、
鉄塔の各節毎に選択される架構形状データファイルの架構形状と大きさに基づき各要素毎に番号を付与して寸法や座標値を求め要素リストを作成する架構データ作成手段と、
架構データ作成手段により作成された要素リストの各要素毎に選択される鋼材の部材データファイルに基づき鉄塔の設計データを作成する設計データ作成手段と、
設計データ作成手段により作成された設計データに基づき各節の鉛直荷重を求め、風向き、地震などの入力条件に基づき風荷重や地震荷重の解析、断面検定を行う解析手段と
を備え、節数を入力し、各節の架構形状、寸法、各要素の鋼材を選択入力することにより鉄塔の設計・診断データを作成するように構成したことを特徴とする鉄塔設計・診断システム。
【請求項２】
前記架構形状データファイルは、トラス形式毎に少なくとも要素番号と座標値を有し、前記架構データ作成手段は、トラス形式の架構形状の要素番号に節番号を付加すると共に各接点の座標値を求めることを特徴とする請求項１記載の鉄塔設計・診断システム。
【請求項３】
前記部材データファイルは、各要素に用いる鋼材表を有し、前記設計データ作成手段は、要素リストの各要素毎に鋼材表から選択して設計データを作成することを特徴とする請求項１記載の鉄塔設計・診断システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、分割された複数の節からなる鉄塔の架構形状及び部材を入力して解析モデルデータを作成して応力解析その他の解析を行い、解析結果を出力して鉄塔の設計や診断を行う鉄塔設計・診断システムに関する。
【０００２】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】
例えばテレビやＦＭ放送などの放送用送信アンテナを有する鉄塔の設計及び耐震診断では、３次元有限要素法を用いた応力解析を行うことを前提として、一般的には非常に複雑で手間のかかる解析モデルデータの作成、荷重データの作成及び断面検定データの作成を行うことが必要になる。しかし、これらのデータは、膨大であり、従来は基本データの入力、作成に数週間にわたる人日数を要していた。そのため、実際に鉄塔の設計及び耐震診断の最終結果を得るまでには、１回の基本データの入力、作成で済まないと、さらに長期の時間と人手を要することになる。
【０００３】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記課題を解決するものであって、解析モデル等のデータや設計データの作成を容易に行えるようにし、設計、診断の期間の短縮を図るものである。
【０００４】
そのために本発明は、分割された複数の節からなる鉄塔の架構形状及び部材を入力して解析モデルデータを作成して応力解析その他の解析を行い、解析結果を出力して鉄塔の設計や診断を行う鉄塔設計・診断システムであって、分割された節を構成する複数の架構形状に関するデータを格納する架構形状データファイルと、各架構形状データを構成する要素に用いる鋼材に関するデータを格納する部材データファイルと、鉄塔の各節毎に選択される架構形状データファイルの架構形状と大きさに基づき各要素毎に番号を付与して寸法や座標値を求め要素リストを作成する架構データ作成手段と、架構データ作成手段により作成された要素リストの各要素毎に選択される部材データファイルの鋼材に基づき鉄塔の設計データを作成する設計データ作成手段と、設計データ作成手段により作成された設計データに基づき各節の鉛直荷重、地震荷重、風荷重を求め、風向き、地震方向などの入力条件に基づき風荷重や地震荷重の解析を行う解析手段とを備え、節数を入力し、各節の架構形状、寸法、各要素の鋼材を選択入力することにより鉄塔の設計データを作成するように構成したことを特徴とするものである。
【０００５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照しつつ説明する。図１は本発明に係る鉄塔設計・診断システムの実施の形態を示す図、図２は全体の処理の流れを説明するための図である。図中、１はデータ処理装置、２はデータ記憶装置、３は入力装置、４は出力装置、１１は架構データ入力処理部、１２は部材データ入力処理部、１３は荷重計算処理部、１４は断面検定処理部、１５は描画処理部、２１は架構形状データファイル、２２は架構番号データファイル、２３は架構座標データファイル、２４は荷重計算データファイル、２５は部材データファイル、２６は解析データファイル、２７は設計データファイルを示す。
【０００６】
図１において、データ処理装置１は、鉄塔の設計データの作成、解析、診断を行う例えばＣＰＵであり、処理部として、例えば架構データ入力処理部１１、部材データ入力処理部１２、荷重計算処理部１３、断面検定処理部１４、描画処理部１５を有する。データ記憶装置２は、鉄塔の設計データの作成、解析、診断に必要な各種データ、その結果のデータを格納する各種データファイルを有するものであり、データファイルとして、例えば架構形状データファイル２１、架構番号データファイル２２、架構座標データファイル２３、荷重計算データファイル２４、部材データファイル２５、解析データファイル２６、設計データファイル２７を有する。入力装置３は、鉄塔の設計データの作成、解析、診断を行う各処理モードの選択、基本データの設定、選択、入力その他の処理のための指示入力を行うキーボードやマウスその他の入力デバイスであり、出力装置４は、表示、印刷出力するディスプレイやプリンタ、ＸＹプロッタなどの出力デバイスである。
【０００７】
データ処理装置１において、架構データ入力処理部１１は、鉄塔を構成する基本的な節数、架構形状、寸法などの入力処理、それらの入力に基づき各要素毎に番号を付与して寸法や座標値を求め部材リストを作成するための処理を行うものであり、部材データ入力処理部１２は、入力された架構データに基づき各節毎に要素に用いる部材データの入力処理を行い、荷重計算や断面検定を行うデータを作成するためのものである。荷重計算処理部１３は、入力された部材データに基づき各節に作用する重量（荷重）を計算し、風荷重、地震荷重等を計算し応力解析を行う解析処理部である。断面検定処理部１４は、応力解析から得られた部材の応力と、部材の形状、材質から決まる許容応力度を比較して、部材応力が許容応力度より小さい場合に安全と判定するものである。描画処理部１５は、解析データ、設計データに基づき鉄塔を描画するものである。
【０００８】
また、データ記憶装置２において、架構形状データファイル２１は、分割された節を構成する複数の架構形状に関するデータを格納するものである。架構番号データファイル２２は、各架構形状毎にその構成する要素や節点の番号を設定するためのデータを格納し、架構座標データファイル２３は、各架構形状毎にその構成する要素や節点の座標を設定するためのデータを格納するものである。荷重計算データファイル２４は、節の各要素の部材重量から各節毎に作用する荷重を計算したり、風荷重や地震荷重の算定、断面検定を行うためのデータを格納するためのものである。部材データファイル２５は、各架構形状データを構成する要素に用いる部材に関するデータを格納するものである。解析データファイル２６は、荷重計算を行って応力解析したデータや断面検定を行った解析データを格納するものであり、設計データファイル２７は、基本設定、鉄塔形状設定、鉄塔部材設定に基づき作成されたデータ、荷重算定、断面検定により求められた解析データを格納するものである。
【０００９】
次に、上記構成の鉄塔設計・診断システムにおける処理の概要を説明すると、図２に示すようにまず、基本設定で、鉄塔規模としての構成節数、寸法や重さなどの標準単位、部材等の標準材質、比重やヤング率、ポアソン比などの標準特性の設定を行う（ステップＳ１１）。次に、架構形状データファイル２１を参照して各節の形状タイプ、寸法の入力設定を行い（ステップＳ１２）、部材データファイル２５を参照して各節毎に要素、つまり柱、梁、ブレースについて用いる部材の入力設定を行う（ステップＳ１３）。部材は、部材データファイル２５に格納された鋼材表を用いて、アングル、Ｈ鋼、チャンネル鋼、鋼管から選択し、鋼材の選択により部材データファイル２５から断面積、断面２次モーメント、断面係数、断面２次半径等の定数も自動的に読み込む。鉄塔部材の設定が行われると、解析データとして荷重データを作成し（ステップＳ１４）、応力解析、断面検定などの解析・診断を行う（ステップＳ１５）。
【００１０】
次に、データファイルや処理画面について具体的な例に基づき説明する。図３は架構形状タイプの設定テーブルの例を示す図、図４は座屈長さの設定テーブルの例を示す図、図５は節点及び各部材要素の高さ方向の番号の付け方の例を説明するための図、図６は節点及び各部材要素の下１桁番号の平面的な番号の付け方の例を説明するための図、図７は節点の座標値の算定アルゴリズム及びそのテーブルの例を示す図、図８は部材断面の設定テーブルの例を示す図である。
【００１１】
既存の鉄塔を調査すると、例えばアンテナを有する鉄塔の場合の架構形状は、図３に示すようなそれぞれ立面形、平面形、立体モデルからなるＫ型のトラス形式、Ｖ型のトラス形式、Ｘ１型のトラス形式、Ｘ２型のトラス形式、アンテナのトラス形式など、同様に使用される鋼材も、等辺山形鋼、溝形鋼、鋼管、Ｈ形鋼など、それぞれ数種類以内に限定できることが判り、本発明では、それらのデータについて架構形状データファイル２１、部材データファイル２５に格納することにより、メニューで選定できるようにする。
【００１２】
架構形状は、柱、梁、ブレース（鉛直、水平）の各要素の組み合わせからなり、図４に示すように部材、形状、座屈長さが設定されている。そして、各節における節点番号や要素番号は、図５及び図６に示すようにテーブルに基づき生成する。すなわち、１節にＫ型トラス、２節にＶ型トラスとする設定例を図５で示したように、節番号は高さ方向に向かって下から上に１、１００、２００、３００、……として柱番号に１〜４、梁番号に１１〜１８、水平ブレース番号に２１〜２４、鉛直ブレース番号に３１〜３８を付す。つまり、上方へ１００番ずつ加算して要素番号を付している。
【００１３】
図６に示す例は、無印でＫ型トラスに節点番号と柱番号、〇印で梁要素番号、□印で水平ブレース要素番号、△印で鉛直ブレース要素番号を付した平面視図である。このように節点番号や要素番号は、架構形状毎に定義された固有の番号に１００番ずつ加算して節番号を表現することにより、番号の自動付与を行っている。これらのデータを格納するのが架構番号データファイル２２である。
【００１４】
各節の形状タイプ、寸法の入力設定を行う鉄塔形状設定では、図３に示す架構形状タイプの選択を各節毎に行うと共に、図７（Ａ）に示す高さ寸法Ｈ、上辺幅寸法Ｕ、下辺幅寸法Ｌが入力されるので、これらのデータに基づき架構座標データファイル２３では、節点の各座標を算出するため図７（Ｂ）に示すような座標テーブルを持っている。
【００１５】
等辺山形鋼、溝形鋼、鋼管、Ｈ形鋼など鋼材は、図８に示すようにそれぞれに断面形と断面寸法、断面積、断面２次モーメント、断面係数、断面２次半径など（図示せず）がテーブルに格納される。
【００１６】
さらに、選択・設定入力の例に基づき鉄塔形状設定、部材設定の処理について詳述する。図９は鉄塔の形状設定・節の形状タイプ入力画面の例を示す図、図１０は節の形状タイプの選択表示画面の例を示す図、図１１は鉄塔部材データ入力画面の例を示す図、図１２は鋼材表及び各鋼材の寸法および断面性能表の表示画面の例を示す図、図１３は鉄塔部材設定に伴う処理の例を説明するための図である。
【００１７】
先に述べたステップＳ１１の基本設定の処理により構成節数などが設定されると、ステップＳ１２の鉄塔形状設定の処理では、図９に示すように各節点番号に対する鉄塔の形状設定・節の形状タイプ入力画面を表示し、高さ寸法Ｈ、上辺幅寸法Ｕ、下辺幅寸法Ｌの入力、トラス形状の選択を行う。トラス形状の選択では、例えばトラス形状の選択に伴い、図１０に示すように選択される節の形状タイプの立体モデル画面を有する選択画面を表示する。そして、ステップＳ１３の鉄塔部材設定の処理では、例えば図１３に示す処理を行う。まず、図１１に示すように節毎に要素（柱、梁、ブレース）の部材を入力する画面を表示すると（ステップＳ２１）、節番号の選択を行い（ステップＳ２２）、選択した節でさらに要素（柱、梁、ブレース）を選択し（ステップＳ２３）、鋼材表を開いてメニューから寸法の入力を行う（ステップＳ２４）。鋼材表による部材データの入力では、図１２（Ａ）に示すようにまず、等辺山形鋼、溝形鋼、鋼管、Ｈ形鋼など鋼材から例えば図１２（Ｂ）に示す等辺山形鋼であれば、Ｌ−２５×２５×３、Ｌ−３０×３０×３、Ｌ−３０×３０×５、……のようにそれぞれの鋼材をツリー構造で開き、選択された部材データについて図１２（Ａ）に示すように付随する詳細データを入力する。ここで、柱、梁、ブレースは、図１２（Ａ）に示すようにそれぞれ各節毎に同一部材が使用され、図４〜図７に示す架構形状データファイル２１、架構番号データファイル２２、架構座標データファイル２３に基づき、各節毎に、節点、要素番号、座標値、長さを求め、部材リストを作成する（ステップＳ２５〜Ｓ２７）。柱、梁、ブレースの全要素について入力が終了するまで（ステップＳ２８）ステップＳ２３に戻って同様の処理を繰り返し行う。全要素について部材の入力が終了すると、節の重量計算を行い（ステップＳ２９）、さらに全節について入力が終了するまで（ステップＳ３０）ステップＳ２２に戻って同様の処理を繰り返し行う。
【００１８】
図１４はシステム全体の処理の流れを説明するための図、図１５は鉛直荷重計算処理の例を説明するための図、図１６は風荷重計算処理の例を説明するための図、図１７は風荷重算定風力係数テーブルの例を示す図、図１８は地震荷重算定における固有モード解析モデル化の例を示す図、図１９は架構データ入力後に表示される全体モデル図や変形図の例を示す図である。
【００１９】
本発明に係る鉄塔設計・診断システムによれば、上記のように架構形状の入力、部材の入力を行うことにより、図１４に示すように鉛直荷重、風荷重、動解モデル作成、地震荷重作成、構造データ作成に基づく応力解析、変形・応力図化を行い、さらに、断面検定データ作成に基づく断面検定、検定結果の図化を行い、その判定に従って部材の変更などを行うことができる。
【００２０】
鉄塔に作用する荷重の種類には、自重、風荷重及び地震荷重があり、自重は、各部材の重量を積算して各節点に集中させ、風荷重は、架構データの部材の見付け面積から計算し、地震荷重は、静的な荷重または動的な荷重を作成する。これらは従来の手法を採用することができる。自重（重量）の計算では、まず各部材重量を〔数１〕により計算し、
【００２１】
【数１】
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【００２２】
各部材重量を合計（Ｗi ＝Σｗi ）して節重量を計算し、図１５に示すように上下節重量の半分ずつを加えたものを４等分（８Ｐi ＝Ｗi ＋Ｗi+1 ）して４隅の点に下向きに作用させる。
【００２３】
また、風荷重の計算では、各部材毎に風向きに応じ図１６に示す見付け幅Ｂi と長さＬi とを掛け合わせた見付け面積Ａi を求め、さらに各節毎に見付け面積（Ａn ＝ΣＡi ）を計算する。さらに、部材の充実率φを〔数２〕により計算し、〔数３〕により節に作用する風圧力Ｐn を計算して、上下の節に作用する風圧力の半分ずつ（８Ｈn ＝Ｐn ＋Ｐn+1 ）を４隅の点に水平力Ｈn として作用させる。ここで使用する風荷重算定風力係数テーブルの例を示したのが図１７である。
【００２４】
【数２】
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【００２５】
【数３】
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【００２６】
地震荷重の計算では、架構データから１本棒多質点系曲げ剪断型モデルを作成して、固有値解析を行って固有周期と固有モードベクトルを作成し、静的地震力の場合には、建築基準法に準拠して荷重を作成し、動的な荷重については、応答スペクトル法、または実地震波を用いた地震応答解析を行って地震荷重を作成することができる。鉄塔の動的特性を反映するため次の３つの方法を選択できるようにする。
▲１▼建築基準法のＡi 分布を用いた静的震度法によるもの
▲２▼モーダルスペクトル法によるもの
▲３▼地震波を用いた地震応答解析によるもの
固有モード解析モデル化では、図１８に示すように質点として節重量を用い、バネと柱と鉛直ブレースの部材断面積を用いて〔数４〕により算定する。
【００２７】
【数４】
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【００２８】
そして固有値解析により固有周期及びモードベクトルの算定、〔数５〕により応答スペクトル法による地震荷重（水平地震荷重）の算定、〔数６〕により加速度応答スペクトルの算定を行う。
【００２９】
【数５】
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【００３０】
【数６】
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【００３１】
応力解析は、汎用型の３次元有限要素解析プログラムを用いることで、変形図、応力図を表示することもできる。断面検定では、部材の主材及び端部の接合部の両方を行う。断面検定用データ作成では、圧縮材の座屈止め個数や端部ガゼットプレートの形状及びボルトの径、本数等の項目が入力される。そして、断面検定結果は、各部材の許容値に対する安全率を計算し、安全率が１未満の場合には、全体パースで要素を例えば赤色で表示すると、どの部材が危険であるか判別でき、応力解析を１度行えば、部材を変更して繰り返し断面検定を行うことができる。設計データや解析データに基づき図化を行い全体モデル図や変形図として出力した例を示したのが図１９である。
【００３２】
なお、本発明は、上記実施の形態に限定されるものではなく、種々の変形が可能である。例えば上記実施の形態では、アンテナを有する鉄塔の設計・診断を行うシステムについて説明したが、アンテナ部には、アンテナのタイプに応じて種々の変形があり、さらには、アンテナを有する鉄塔に限らず送電線の鉄塔、節数を設定し、その節毎に架構形状タイプが設定・選択できるその他の鉄塔にも同様に適用できることはいうまでもない。
【００３３】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明によれば、複数の節に分割された鉄塔の架構形状及び部材を入力して解析モデルデータを作成して応力解析その他の解析を行い、解析結果を出力して鉄塔の設計や診断を行う鉄塔設計・診断システムであって、分割された節を構成する複数の架構形状に関するデータを格納する架構形状データファイルと、各架構形状データを構成する要素に用いる部材に関するデータを格納する部材データファイルと、鉄塔の各節毎に選択される架構形状データファイルの架構形状と大きさに基づき各要素毎に番号を付与して寸法や座標値を求め部材リストを作成する架構データ作成手段と、架構データ作成手段により作成された部材リストの各要素毎に選択される部材データファイルの鋼材に基づき鉄塔の設計データを作成する設計データ作成手段と、設計データ作成手段により作成された設計データに基づき各節の鉛直荷重を求め、風向き、地震などの入力条件に基づき風荷重や地震荷重の解析を行う解析手段とを備え、節数を入力し、各節の架構形状、寸法、各要素の鋼材を選択入力することにより鉄塔の設計データを作成するように構成したので、構成節数を入力して各節毎に架構形状を選択し、架構の柱、梁、ブレースの各要素に用いる部材を選択することにより、荷重計算や断面検定を行うことができ、設計・診断データの入力を大幅に省力化することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明に係る鉄塔設計・診断システムの実施の形態を示す図である。
【図２】  全体の処理の流れを説明するための図である。
【図３】  架構形状タイプの設定テーブルの例を示す図である。
【図４】  座屈長さの設定テーブルの例を示す図である。
【図５】  節点及び各部材要素の高さ方向の番号の付け方の例を説明するための図である。
【図６】  節点及び各部材要素の下１桁番号の平面的な番号の付け方の例を説明するための図である。
【図７】  節点の座標値の算定アルゴリズム及びそのテーブルの例を示す図である。
【図８】  部材断面の設定テーブルの例を示す図である。
【図９】  鉄塔の形状設定・節の形状タイプ入力画面の例を示す図である。
【図１０】  節の形状タイプの選択表示画面の例を示す図である。
【図１１】  鉄塔部材データ入力画面の例を示す図である。
【図１２】  鋼材表及び各鋼材の寸法および断面性能表の表示画面の例を示す図である。
【図１３】  鉄塔部材設定に伴う処理の例を説明するための図である。
【図１４】  システム全体の処理の流れを説明するための図である。
【図１５】  鉛直荷重計算処理の例を説明するための図である。
【図１６】  風荷重計算処理の例を説明するための図である。
【図１７】  風荷重算定風力係数テーブルの例を示す図である。
【図１８】  地震荷重算定における固有モード解析モデル化の例を示す図である。
【図１９】  架構データ入力後に表示される全体モデル図や変形図の例を示す図である。
【符号の説明】
１…データ処理装置、２…データ記憶装置、３…入力装置、４…出力装置、１１…架構データ入力処理部、１２…部材データ入力処理部、１３…荷重計算処理部、１４…断面検定処理部、１５…描画処理部、２１…架構形状データファイル、２２…架構番号データファイル、２３…架構座標データファイル、２４…荷重計算データファイル、２５…部材データファイル、２６…解析データファイル、２７…設計データファイル
【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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【図１９】
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