JP2017003030A - フランジ接合部補強治具 - Google Patents

Abstract

【課題】締付部材が不要で締め付け力等の管理の必要がなく、適切な疲労強度の向上ができ、また多くの工数を必要とせずに取り付けができるフランジ接合部補強治具を提供する。【解決手段】本発明に係るフランジ接合部補強治具１は、上補強部材７と、下補強部材９とを備え、上補強部材７は、上水平フランジ部５の上面に載置される上本体部１１と、上本体部１１に連続して形成された上延出部１３を有してなり、下補強部材９は、下水平フランジ部３の下面に少なくとも一部が当接して配置される下本体部１９と、下本体部１９に連続して形成された下延出部２１を有してなり、上延出部１３と下延出部２１は、互いに係合して下延出部２１が下動するのを規制する係合部２６を有し、係合状態において対向面に隙間２７が形成され、上水平フランジ５と下水平フランジ３の基部が上下方向に離れたときに隙間２７が閉じられて対向面が当接可能になっている。【選択図】 図１

Description

本発明は、下側の鋼管の端部に設けられた下水平フランジ部と、上側の鋼管の端部に設けられた上水平フランジ部をボルト及びナットによって接合して前記鋼管同士を接合してなるタワー構造体におけるフランジ接合部を補強するフランジ接合部補強治具に関する。

フランジによって鋼管同士を接合するフランジ接合部を補強するフランジ接合部補強治具としては、例えば特許文献１に開示されたフランジ補強治具がある。
特許文献１のフランジ補強治具は、「管フランジ継手のフランジ接合部におけるフランジ補強治具であって、該フランジ補強治具が、フランジ接合部をまたぐようにフランジ周方向に間隔をおいて配される複数の補強部材と、フランジ部背面付根部分に当接した状態で、前記補強部材によりフランジ部背面に押し当てられる当て部材と、前記複数の補強部材を管体に固定するための締付部材とからなり、
前記補強部材が、一方のフランジ部背面の付根部分に当接する押圧部Ａ１と、前面が他方のフランジ部背面の付根部分に当接した前記当て部材背面に当接し、該当て部材をフランジ部背面に押し当てる押し当て部Ａ２と、該押し当て部Ａ２側に管壁に沿うように突出して設けられた締付部Ａ３とを有し、
前記締付部材がリング形状を有し、前記複数配される補強部材のそれぞれの締付部Ａ３を、管の中心方向に締付可能に構成されていることを特徴とする」ものである（請求項１参照）。

特開２００６−３２９３４０号公報

鋼管同士をフランジ接合したタワー構造体として、例えば図９に示すような風力発電設備２９の塔体３１がある。
風外力の作用時や風車発電時などでは、塔体３１頂部に設置されるブレード３３に風力が作用することにより、塔体３１に転倒モーメントが作用する。転倒モーメントの作用により、塔体３１の断面には繰り返し応力が作用する。一般的に風力発電設備の供用期間は２０年とされているが、この２０年間に、約２億回に及ぶ繰り返し応力が作用すると想定される。

このような風力発電設備２９の塔体３１は、図１０に示すように、鋼管端部に形成された内向きの上水平フランジ部５と下水平フランジ部３（断面Ｌ型フランジ）をボルト３５及びナット３７によってボルト接合されて形成されている。このため、塔体３１に風荷重が作用した場合、図１１に示すように、風上側ではフランジ部が開くような挙動となり（図１１（ａ））、他方風下側ではフランジ部に押し付け力が作用する（図１１（ｂ）参照）。
この場合、図１１（ａ）に示す塔体３１の風上側では、ボルト３５にフランジ端部を支点とした“てこ反力”により繰る返し応力が発生する。
内向きフランジ（断面Ｌ型フランジ）では、この“てこ反力”がボルト３５に作用するという特徴があり、フランジ部分の幅が大きい場合、力点と支点の距離が長くなるため、“てこ反力”が大きくなる。

このような“てこ反力”が原因で、設計で想定した以上の応力集中あるいは繰り返し応力によりボルトが疲労破壊し、風力発電設備の倒壊に繋がった事例が多く存在する。特に、卓越風向が特定される地形における風力発電設備では、塔体の特定の箇所のフランジ接合部にあるボルトに応力が集中するため、ボルトの疲労破壊は局所的に発生する。

ボルト疲労破壊の発生時には、新規ボルトへの取替えを行うことになるが、疲労破壊の発生は特定箇所に集中することが想定され、それ故に、新規ボルトへの取替え後も、同じ箇所で疲労破壊が繰り返し発生することが懸念される。

そこで、このような疲労破壊が生ずる特定のフランジ接合部に対して補強する必要があり、その補強方法として、例えば特許文献１に開示されたフランジ補強治具を適用した補強方法が考えられる。
しかしながら、この補強方法は補強部材をボルト、ワイヤやベルト等の締付部材によって固定する必要があり、確実な締付力を発揮するには、適切な締付力の管理が必要になる。
また、締付力の増加に伴い、応力状態が変化するため、既設のボルト内に生じる応力を簡易的に評価することは難しくなる。
また、過度な締め付けをした場合には、既設のボルトが負担する応力がなくなり、補強材の疲労破壊が生じる可能性もある。

また、風力発電設備の塔体のように大径の円筒管におけるボルト接合部には、必要な耐力を確保するために多数のボルトが使用される。特に、近年は風力発電設備の大型化により、必要な耐力は高まり、ボルト本数が増加する傾向にある。多数のボルトで構成される接合部にそれぞれ補強材を取り付けるには多くの工数が必要になる。

本発明は、かかる課題を解決するためになされたものであり、締付部材が不要で締め付け力等の管理の必要がなく、適切な疲労強度の向上ができ、また多くの工数を必要とせずに取り付けができるフランジ接合部補強治具を提供することを目的としている。

（１）本発明に係るフランジ接合部補強治具は、下側の鋼管の端部に設けられた下水平フランジ部と、上側の鋼管の端部に設けられた上水平フランジ部をボルト及びナットによって接合して前記鋼管同士を接合したタワー構造体におけるフランジ接合部を補強するフランジ接合部補強治具であって、
前記上水平フランジのフランジ面側に配置される上補強部材と、前記下水平フランジ部側に配置される下補強部材とを備え、
前記上補強部材は、前記上水平フランジ部の上面に載置される上本体部と、該上本体部に連続して形成されて設置状態で前記上水平フランジ部の端部よりも延出する上延出部を有してなり、
前記下補強部材は、前記下水平フランジ部の下面に少なくとも一部が当接して配置される下本体部と、該下本体部に連続して形成されて設置状態で前記下水平フランジ部の端部よりも延出する下延出部を有してなり、
前記上延出部と前記下延出部は、互いに係合して前記下延出部が下動するのを規制する係合部を有し、係合状態において前記上延出部と前記下延出部は対向面に隙間が形成されており、前記上水平フランジと前記下水平フランジの基部が上下方向に離れたときに前記隙間が閉じられて前記対向面が当接可能になっていることを特徴とするものである。

（２）また、上記（１）に記載のものにおいて、前記上補強部材には、前記ボルトのボルト頭部が挿入可能な穴又は切欠きが設けられ、前記下補強部材には前記ナットが挿入可能な切欠きが設けられていることを特徴とするものである。

（３）また、上記（１）に記載のものにおいて、前記上補強部材には、前記ボルトのボルト頭部が挿入可能な切欠きが設けられ、前記下補強部材には前記ナットが挿入可能な穴又は切欠きが設けられていることを特徴とするものである。

本発明に係るフランジ接合部補強治具は、上水平フランジのフランジ面側に配置される上補強部材と、下水平フランジ部側に配置される下補強部材とを備え、
前記上補強部材は、前記上水平フランジ部の上面に載置される上本体部と、該上本体部に連続して形成されて設置状態で前記上水平フランジ部の端部よりも延出する上延出部を有してなり、前記下補強部材は、前記下水平フランジ部の下面に少なくとも一部が当接して配置される下本体部と、該下本体部に連続して形成されて設置状態で前記下水平フランジ部の端部よりも延出する下延出部を有してなり、
前記上延出部と前記下延出部は、互いに係合して前記下延出部が下動するのを規制する係合部を有し、係合状態において前記上延出部と前記下延出部は対向面に隙間が形成されており、前記上水平フランジと前記下水平フランジの基部が上下方向に離れたときに前記隙間が閉じられて前記対向面が当接可能になっていることにより、締付部材が不要で締め付け力等の管理の必要のない簡易な治具により適切な疲労強度の向上ができ、また多くの工数を必要とせずに取り付けができる。
また、上水平フランジと下水平フランジの基部が上下方向に離れたときに前記隙間が閉じられて前記対向面が当接可能になっているので、前記隙間が閉じるまでの間はフランジ接合部補強治具に応力は作用せず、例えば風荷重が小さく上水平フランジと下水平フランジの基部が上下方向に離れる距離が小さい場合には、フランジ接合部補強治具に応力は作用せず、常時応力が作用することがないのでフランジ接合部補強治具の疲労破壊を防止できる。

本発明の一実施の形態に係るフランジ接合部補強治具を説明する説明図である。 本発明の一実施の形態に係るフランジ接合部補強治具における上補強部材を説明する説明図である。 本発明の一実施の形態に係るフランジ接合部補強治具における下補強部材を説明する説明図である。 本発明の一実施の形態に係るフランジ接合部補強治具の取り付け方法を説明する説明図である。 本発明の一実施の形態に係るフランジ接合部補強治具の他の態様を説明する説明図である（その１）。 本発明の一実施の形態に係るフランジ接合部補強治具の他の態様を説明する説明図である（その２）。 本発明の一実施の形態に係るフランジ接合部補強治具の他の態様を説明する説明図である（その３）。 本発明の一実施の形態に係るフランジ接合部補強治具の他の態様を説明する説明図である（その４）。 鋼管同士をフランジ接合したタワー構造体の例として挙げた風力発電設備の説明図である。 図９に示したタワー構造体を構成する鋼管同士のフランジのボルト接合を説明する説明図である。 鋼管同士のフランジをボルト接合した際に作用する“てこ反力”を説明する説明図である。

本発明の一実施の形態に係るフランジ接合部補強治具１は、図１に示すように、下側の鋼管の端部に設けられた下水平フランジ部３と、上側の鋼管の端部に設けられた上水平フランジ部５をボルト及びナットによって接合（図１０参照）して鋼管同士を接合したタワー構造体におけるボルト接合部を補強するものであって、上水平フランジ部５のフランジ面側に配置された上補強部材７と、下水平フランジ部３側に配置された下補強部材９とを備えている。
鋼管同士をフランジ接合したタワー構造体としては、上述した風力発電設備の塔体の他、橋脚、鋼製煙突などが挙げられる。
以下、上補強部材７と下補強部材９の詳細を説明する。

＜上補強部材＞
上補強部材７は厚板状の部材を押し曲げ加工して形成されたものであり、図２に示すように、上水平フランジ部５の基部側からフランジ端部に向かって延出する上本体部１１と、上本体部１１に連続して形成されて設置状態において上水平フランジ部５の端部よりも延出する（図１参照）上延出部１３を有している。
上本体部１１は、図２に示すように、矩形の板状をしている。上本体部１１には、ボルト頭部が挿入できる開口部１５が２つ形成されている。
上延出部１３は、上本体部１１から連続して下方に屈曲した略矩形状をしている。上延出部１３には、後述する下延出部２１の係止部２５が係合可能な略Ｔ字状の係止穴１７が設けられている。

大型の風力発電設備の場合、ボルト径は30〜50mm、上水平フランジ部５、下水平フランジ部３のフランジ幅はボルト径の2〜4倍、上水平フランジ部５及び下水平フランジ部３を重ねた厚さは200mm程度であるため、それと同程度の断面を持つ補強部材とするのが好ましい。

＜下補強部材＞
下補強部材９は、図３に示すように、下水平フランジ部３の基部側からフランジ端部に向かって延出する下本体部１９と、下本体部１９に連続して形成されて取り付け状態において下水平フランジ部３の端部よりも延出する下延出部２１を有している。
下本体部１９は、図３に示すように、略矩形状をしており、基部側には、ナットを挿入できる切欠き部２３が形成されている。
下延出部２１は、下本体部１９から上方に向けて形成された略Ｔ字状の係止部２５を有している。
なお、係止穴１７と係止部２５によって本発明の係合部２６が構成される。

＜取り付け方法＞
上記のように構成された本実施の形態に係るフランジ接合部補強治具１の取り付け方法を図４に基づいて説明する。
フランジ接合部を接合するボルトの頭部（図１０参照）を、開口部１５に挿入し、かつ上延出部１３を下に向けて上補強部材７を上水平フランジ部５に載置する（図４（ａ）参照）。
下補強部材９を、下延出部２１を上に向け、かつ下本体部１９が下水平フランジ部３に水平になるように配置し、この状態で下水平フランジ部３の基部側に移動して（図４（ｂ）参照）、下本体部１９の切欠き部２３にナット（図１０参照）が挿入可能な状態で、下補強部材９をさらに移動して下延出部２１の係止部２５を上延出部１３の係止穴１７に挿入する（図１参照）。
これによって、下延出部２１の係止部２５が上延出部１３の係止穴１７に係合し、下補強部材９は、上補強部材７に保持された状態になる。
このとき、上延出部１３と下延出部２１の対向面間には、隙間２７が形成されている。

＜作用の説明＞
風荷重が作用して、図１１（ａ）に示すように、上水平フランジ部５及び下水平フランジ部３の端部を支点とする“てこの原理”によって上水平フランジ部５及び下水平フランジ部３は変形し、上水平フランジ部５と下水平フランジ部３の基部が開く。基部が開くと、上補強部材７の上本体部１１の基部側が持ち上げられ、逆に下補強部材９の下本体部１９の基部側が押し下げられ、その結果、上補強部材７の上延出部１３と下補強部材９の下延出部２１が互いに近づき、隙間２７の隙間距離が小さくなる。
しかし、開き量が少ない状態では、隙間２７の隙間距離が縮まるだけでフランジ接合部補強治具１には応力が作用することはない。
このように、風荷重が小さい状態ではフランジ接合部補強治具１に応力は作用せず、ボルトのみに応力が作用するので、フランジ接合部補強治具１に常時応力が作用することはなく、フランジ接合部補強治具１の疲労破壊を防止できる。

風荷重が大きくなり前記開き量が大きくなり、上補強部材７の上延出部１３と下補強部材９の下延出部２１がさらに近づいて隙間２７が閉じられると、上延出部１３と下延出部２１の対向面が互いに当接して圧縮力を伝達する。
上延出部１３と下延出部２１が圧縮力を伝達することで、ボルトに作用する引張り応力が緩和され、ボルトの疲労強度の向上を図ることができる。

また、本実施の形態では、既設のフランジ部分を修正することなくフランジ接合部の疲労強度を向上させることが可能であり、フランジ全体の再設計やボルトの再選定等が不要であるため、簡易にフランジ接合部の疲労強度を向上させることができる。

本実施の形態のフランジ接合部補強治具１においては、上延出部１３と下延出部２１の対向面の隙間２７を調整することで、ボルトにどの程度の引張り応力が作用したときにフランジ接合部補強治具１に応力が作用するかを調整できる。
すなわち、隙間２７の隙間距離が小さければボルトに作用する引張り応力が小さい状態からフランジ接合部補強治具１に圧縮応力が作用し、逆に隙間２７の隙間距離が大きければボルトに作用する引張り応力がある程度大きくなった状態からフランジ接合部補強治具１に圧縮応力が作用する。
そして、この隙間２７をどのように設定するかについては、例えばボルトが弾性限度の変形量の50%の変形をしたときに隙間距離がゼロになって、フランジ接合部補強治具１に応力が作用するように設定するのが好ましい。
本実施の形態では、隙間２７の隙間距離を設定することで、多様な疲労強度を実現可能である。

なお、隙間２７の調整は、上本体部１１及び下本体部１９のフランジ幅方向の長さを調整することで容易に調整することができる。

また、特許文献１に示された従来の方法では、(a)補強部材および締付部材の製作・設計、(b)補強部材および締付部材の取り付け、(c)締付部材の締付力の導入、(d)締付力の確認といった工程が必要になる。
これに対して、本発明では、(a)フランジ接合部補強治具の製作・設計、(b)フランジ接合部補強治具の取り付けといった工程のみでフランジ接合部の疲労強度を向上させることができ、従来の方法に比較して工数を少なくできるという効果がある。
また、締付部材を必要としないことで、工数を削減可能なことに加え、締め付け力の管理が不要となることで、極めて簡易な取り付けを可能にしている。

風力発電設備のように風向が特定されて応力の集中が偏る場合、破損ボルトを新規ボルトに更新しただけでは、再び同じ箇所で疲労破壊が発生すると考えられる。本実施の形態のフランジ接合部補強治具ではより簡易的に疲労強度を向上することが可能であるため、新規ボルトの設置時に併せて本発明に係るフランジ接合部補強治具を設置することで同じ箇所での疲労破壊の発生を防止できる。

また、本実施の形態のフランジ接合部補強治具は、破損箇所の範囲に合わせた合理的な補強が可能であり、特に風力発電設備は、その大型化に伴い、複数のボルトを使用する構造になっているが、本実施の形態のフランジ接合部補強治具を用いた局所的な補強は極めて有効な補強方法となる。

なお、上記の実施の形態では、２本のボルトを補強する例を示したが、補強するボルトの本数は任意であり、補強対象となるボルト本数に合わせて開口部１５や切欠き部２３の数を設定すればよい。

また、上記の説明では、係合部２６の形状として、上延出部１３には略Ｔ字状の開口係止穴１７を設け、下延出部２１には、係止穴１７に挿入可能な略Ｔ字状の部材係止部２５を例示したが、本発明はこれに限られるものではなく、種々の態様を取り得る。
例えば、図５に示すように、上延出部１３に形成する係止穴１７の形状として、下方に向かって幅狭となるテーパ穴とし、下延出部２１に形成する係止部２５として、係止穴１７に挿入可能な台形状としてもよい。
また、図６に示すように、上延出部１３が逆Ｌ字状とし、下延出部２１が倒立したＬ字状としてもよい。
さらに、図７に示すように、係合部２６を構成する係止穴１７や係止部２５を複数設けてもよい。

また、上記の説明では、上延出部１３の上本体部１１にボルト頭部が挿入可能な開口部１５を設け、下延出部２１の下本体部１９に切欠き部２３を設けるようにしたが、図８に示すように、上補強部材７の上本体部１１にボルト頭部が挿入可能な切欠き２３を設け、下補強部材９の下本体部１９にナットが挿入できる開口部や切欠き部を設けるようにしてもよい。
なお、上補強部材７と下補強部材９のうち切欠き部２３を設けた方を後から取り付けるようにする。

なお、上記の説明では上補強部材７を押し曲げ加工によって形成する場合について説明したが、上補強部材７の形成方法はこれに限定されるものではなく、溝形鋼や山形鋼を用いて、押し抜き加工又は切断加工等によって形成してもよい。
また、下補強部材９の形成方法についても同様に、押し曲げ加工や、溝形鋼や山形鋼を用いて、押し抜き加工、切断加工等によって形成すればよい。

１ フランジ接合部補強治具
３ 下水平フランジ部
５ 上水平フランジ部
７ 上補強部材
９ 下補強部材
１１ 上本体部
１３ 上延出部
１５ 開口部
１７ 係止穴
１９ 下本体部
２１ 下延出部
２３ 切欠き部
２５ 係止部
２６ 係合部
２７ 隙間
２９ 風力発電設備
３１ 塔体
３３ ブレード
３５ ボルト
３７ ナット

Claims (3)

1. 下側の鋼管の端部に設けられた下水平フランジ部と、上側の鋼管の端部に設けられた上水平フランジ部をボルト及びナットによって接合して前記鋼管同士を接合したタワー構造体におけるフランジ接合部を補強するフランジ接合部補強治具であって、
   前記上水平フランジのフランジ面側に配置される上補強部材と、前記下水平フランジ部側に配置される下補強部材とを備え、
   前記上補強部材は、前記上水平フランジ部の上面に載置される上本体部と、該上本体部に連続して形成されて設置状態で前記上水平フランジ部の端部よりも延出する上延出部を有してなり、
   前記下補強部材は、前記下水平フランジ部の下面に少なくとも一部が当接して配置される下本体部と、該下本体部に連続して形成されて設置状態で前記下水平フランジ部の端部よりも延出する下延出部を有してなり、
   前記上延出部と前記下延出部は、互いに係合して前記下延出部が下動するのを規制する係合部を有し、係合状態において前記上延出部と前記下延出部は対向面に隙間が形成されており、前記上水平フランジと前記下水平フランジの基部が上下方向に離れたときに前記隙間が閉じられて前記対向面が当接可能になっていることを特徴とするフランジ接合部補強治具。
2. 前記上補強部材には、前記ボルトのボルト頭部が挿入可能な穴又は切欠きが設けられ、前記下補強部材には前記ナットが挿入可能な切欠きが設けられていることを特徴とする請求項１記載のフランジ接合部補強治具。
3. 前記上補強部材には、前記ボルトのボルト頭部が挿入可能な切欠きが設けられ、前記下補強部材には前記ナットが挿入可能な穴又は切欠きが設けられていることを特徴とする請求項１記載のフランジ接合部補強治具。