JP7093203B2

JP7093203B2 - 塔型構造物及びその構造最適化方法

Info

Publication number: JP7093203B2
Application number: JP2018040471A
Authority: JP
Inventors: 俊康三好
Original assignee: Penta Ocean Construction Co Ltd
Current assignee: Penta Ocean Construction Co Ltd
Priority date: 2018-03-07
Filing date: 2018-03-07
Publication date: 2022-06-29
Anticipated expiration: 2038-03-07
Also published as: JP2019157344A

Description

本発明は、風力発電用施設等の塔型構造物及びその構造最適化方法に関する。

近年、エネルギー政策の一環として再生可能エネルギーが注目され、風力発電は、重要な電源確保手段として位置付けられている。

特に、洋上風力発電は、陸上に比べて風況が良好であること、居住区域から離れているため騒音等の環境負担が少ないこと等から港湾区域を中心に導入が促進されている。

このような風力発電施設は、支持構造物に下端が支持された塔本体部と、塔本体部の上端部に支持された風車（ナセル・ロータ）等からなる風力発電用装置とを備えた塔型構造物となっている。

支持構造物としては、一般に、水深６０ｍ程度までは着床式、水深６０ｍ以深であれば浮体式が用いられている。

また、着床式の支持構造物としては、ケーソン式、モノパイル式、杭ジャケット式等があり、近年では、鉄筋コンクリート底版とジャケット方式とを融合したハイブリッド式のものも採用されている（例えば、非特許文献１）。

また、この種の洋上風力発電施設は、風車中心高さが海面から６０ｍ以上となるものもあり、今後も大型化が予測されている。

一方、このような洋上風力発電施設の構造性能は、建築基準法に従うことを基本としており、風車中心高さが海面から６０ｍを超えるものについては、高層ビル等の建築物と同様の構造性能評価が求められている。

即ち、地震が多発する日本においては、高さ６０ｍを超える構造物の場合、レベル１地震動及びレベル２地震動を用いた時刻歴応答解析によって動的特性を評価した上で構造性能が確保されているかの検討が求められている。

尚、時刻歴応答解析とは、構造物を質点・はり・ばね・減衰でモデル化した上で、地表面に時間とともに変化する地動加速度を与え、構造物の各位置における力や変位の変化を、時々刻々とコンピュータによってシミュレーションし、構造物の耐震安全性等を検証する構造計算の手法である。

一方、風力発電施設は、頂部から支持構造物との接合部までを鋼管製の中空塔状の塔本体部によって構成されており、その塔本体部は、最頂部の２ｍ程度から接合部の５ｍ程度まで外径が漸増する円錐柱状となり、支持構造物上に設置されたトップヘビーのカンチレバー構造とみなすことができる。

よって、風力発電施設等の塔型構造物は、このような構造的特徴から、時刻歴応答解析における固有モード振り幅が図５に示すようになっている。

即ち、高層ビル等の高層建築物では、一般的に１次モードの振り幅が卓越し、２次以降の高次モードの振り幅が比較的小さく影響が小さいのに対し、塔型構造物は、２次や３次の高次モードの振り幅が１次モードと同程度であるため、応答加速度が増大する傾向が予想される。

このような塔型構造物は、一般的な高層建築物とは異なり、塔本体部の途中部分、例えば、標高４０ｍ付近や６０ｍ付近で応答加速度が大きくなることから、全体的に転倒の原因となる層せん断力が大きくなり、転倒に対する安全性確保のために偏心量の許容値を増加させること、即ち、支持構造物を大きくせざるを得ない場合があった。

また、経済性の観点から支持構造物の大きさを決定した場合、その支持構造物の大きさに基づく偏心量の許容値に対して余裕が少なくなってしまうという問題があった。

そこで、このような塔型構造物においては、上述のような問題を鑑み、一般の高層建築物と同様に、制振装置を適用した固有モード振り幅の低減が模索されている。

基礎工ｖｏｌ．１２，１１頁～１５頁、平成２５年１２月１５日

しかしながら、上述の制振装置の適用に関しては、制振装置を設置するスペースを確保できない場合があり、特に陸上・洋上風力発電施設では、立地条件等に制約があり、制振装置の設置スペースを確保し難い場合があった。

また、この種の制振装置は、製作コストが嵩み、建設コストの増大を招くという問題があった。

そこで、本発明は、このような従来の問題に鑑み、簡便な構造で固有モード振り幅に基づく応答加速度の低減を図ることができる塔型構造物及びその構造最適化方法の提供を目的としてなされたものである。

上述の如き従来の問題を解決するための請求項1に記載の発明の特徴は、下端部が着床式の支持構造物に支持された中空塔型の塔本体部と、該塔本体部の上端部に支持された重量物とを備えている塔型構造物において、
前記塔本体部は、前記塔型構造物の時刻歴応答解析モデルを用いた固有値解析で得られる高次振動モードの最大振り幅が生じる高さに対応する高さ方向の所定の範囲に亘って剛性強化部を備え、該剛性強化部は、内側全周に一定の厚さを増した肉厚部を有することにある。

請求項２に記載の発明の特徴は、請求項１の構成に加え、前記重量物は、風力発電に用いられる装置であることにある。

請求項３に記載の発明の特徴は、下端部が着床式の支持構造物に支持された中空塔型の塔本体部と、該塔本体部の上端部に支持された重量物とを備えている塔型構造物を、転倒に対する安全性を確保するために最適な構造とする塔型構造物の構造最適化方法であって、前記塔本体部には、応答加速度を低減するための塔本体部の内側全周に一定の厚さを増した肉厚部を設けてなる剛性強化部を備え、該剛性強化部を設ける位置を前記塔型構造物の時刻歴応答解析モデルを用いた固有値解析で得られる高次振動モードの最大振り幅が生じる高さに対応する高さ方向の所定の範囲とすることにある。

本発明に係る塔型構造物は、請求項１に記載の構成を具備することによって、簡便な構造で固有モード振り幅に基づく応答加速度の低減を図ることができ、支持構造物の小型化又は転倒に対する安全性に余裕を増すことができる。

また、本発明において、請求項２に記載の構成を具備することによって、風力発電施設において好適に固有モード振り幅に基づく応答加速度の低減を図ることができる。

さらに、本発明に係る塔型構造物の構造最適化方法は、請求項３に記載の構成を具備することによって、洋上風力発電施設等の塔型構造物を、簡便な手法で転倒に対する安全性を確保するために最適な構造とすることができる。また、構造の最適化に際し、固有振動数への影響を抑えることができる。

本発明に係る塔型構造物の一例を示す正面図である。同上の側面図である。図１中の剛性強化部を示す部分拡大断面図である。時刻歴応答解析に用いる塔型構造物の解析モデル例を示す概略図である。従来の塔型構造物の標高に対する固有モード振り幅を示すグラフである。剛性強化部を有しない塔型構造物と本発明に係る塔型構造物との標高に対する固有モード振り幅を比較したグラフであって、(ａ)は剛性強化部を有しない塔型構造物の場合、（ｂ）は本発明に係る塔型構造物の場合を示す。同上剛性強化部を有しない塔型構造物と本発明に係る塔型構造物との応答加速度を比較したグラフである。

次に、本発明に係る塔型構造物の実施態様を図１～図７に示した実施例に基づいて説明する。尚、本実施例では、塔型構造物の一例として洋上風力発電施設を例に説明し、図中符号１は水底部、符号２は洋上風力発電施設等の塔型構造物である。

塔型構造物２は、水底マウンド６に設置された支持構造物３と、下端部が支持構造物３に支持された中空塔型の塔本体部４と、塔本体部４の上端部に支持された重量物である風力発電に用いられる装置（以下、風力発電用装置という）５とを備え、支持構造物３上に塔本体部４が立設され、支持構造物３と塔本体部４とで塔型を成している。

支持構造物３は、着床式のものであって、ケーソン式、モノパイル式、杭ジャケット式、鉄筋コンクリート底版とジャケット方式とを融合したハイブリッド式等がある。尚、本実施例は、ハイブリッド式を例に挙げて説明するが、支持構造物３の方式は限定されるも
のではない。

この支持構造物３は、水底マウンド６上に載置された鉄筋コンクリート製の底版７と、底版７上に支持された櫓状のジャケット８とを備え、ジャケット８の上端部に塔本体部４の下端が接合されている。

風力発電用装置５は、塔本体部４の上端に支持されたナセル５ａと、ナセル５ａに回転可能に支持されたハブ５ｂと、ハブ５ｂに支持されたブレード５ｃとを備え、風力を受けハブ５ｂとブレード５ｃとからなるロータが回転することによって発電するようになっている。

塔本体部４は、複数の塔用鋼管９，９…を上下方向に連結することによって構成され、頂部から支持構造物３との接合部までが中空塔状に形成され、最頂部（例えば、外径２ｍ程度）から接合部（例えば、外径５ｍ程度）まで外径が漸増する円錐柱状となっている。

また、この塔本体部４は、塔型構造物２の時刻歴応答解析モデルを用いた固有値解析で得られる高次振動モードの最大振り幅が生じる高さに対応する位置にその高さ方向の所定の範囲（１０ｍ程度の範囲）に亘って剛性強化部１０を備え、転倒の原因となる応答加速度の低減が図られ、転倒に対する安全性を確保するために最適化された構造を成している。

剛性強化部１０は、図３に示すように、塔用鋼管９の外径をそのままにして内側に厚さを１０％程度増した肉厚部１１を有し、その部分の剛性が増強され、高次振動モードにおける腹の振り幅を低減させるようになっている。

この塔型構造物２は、転倒に対する安全性を確保するために最適な構造とするために高次振動モードの最大振り幅が生じる高さを求める必要があり、先ず、以下のステップに従って塔型構造物２の標高に対する各固有振動数における固有モード振り幅を求める。

（ステップ１）
図４に示すように、支持構造物３、塔本体部４、風力発電用装置５からなる塔型構造物２及び地盤を質点・はり・ばね・減衰でモデル化し、解析モデル各節点の「応答加速度時刻歴」を抽出し、各節点の「質量」を乗じた慣性力時刻歴W_ｉ（ｔ）を求める。尚、支持構造物３を含む塔型構造物２のモデル化においては、支持構造物３の詳細な構造を細分化してモデル化してもよく、構造特性を考慮した上で支持構造物３をそれと等価の「はり」に置き換えてモデル化してもよい。また、地盤とは、水底部１と水底マウンド６とを含む塔型構造物２を支持する地盤をいう。

（ステップ２）
各節点の慣性力時刻歴Ｗ_ｉ（ｔ）から以下の式に基づいて層せん断力時刻歴Ｑｉ（ｔ）を求める。
（数１）
Ｑ_１（Ｔ）=Ｗ_１（ｔ）・Ｑ_２（ｔ）
＝Ｗ_１（ｔ）＋Ｗ_２（ｔ）・Ｑ_３（ｔ）
＝Ｗ_１（ｔ）＋Ｗ_２（ｔ）＋Ｗ_３（ｔ）＋・＋Ｗ_ｉ（ｔ）・Ｑ_ｉ＋１（ｔ）

（ステップ３）
各節点における層せん断時刻歴Ｑ_ｉ（ｔ）から、最大値Ｑ_ｉｍａｘを抽出する。

(ステップ４)
各節点間の距離から転倒モーメントＭ_Ｒｉを算定する。
（数２）
Ｍ_Ｒｉ＝Ｑ_iｍａｘ×ｈ_{ｉ－（ｉ＋１）}

(ステップ５)
支持構造物３に作用する鉛直方向全荷重Ｖ_{ｔｏｔａｌ}を求め、偏心量ｅを次式で算出し、偏心量ｅが許容値以内であることを確認する。

尚、転倒モーメントは、節点ｎ、即ち、支持構造物３の下端中央部に作用する転倒の原因となる力として求められる。

そして、この塔型構造物２は、支持構造物３に設置されたトップヘビーのカンチレバー構造とみなすことができるので、この構造的特徴に基づいて、塔型構造物２の時刻歴応答解析モデルを用いた固有値解析を実施する。

図５は、剛性強化部１０を有しない塔型構造物２の時刻歴応答解析モデルを用いた固有値解析の結果の一例である。

塔型構造物２は、２次や３次の高次モードの振り幅が１次モードと同程度であるため、各高次モードにおいて塔本体部４の途中部分、本実施例では、２次モードで標高４０ｍ付近、３次モードにおいて６０ｍ付近で応答加速度が増大する。

また、図５（ｂ）に示すように、４次や５次モードについては、固有値解析で得られる固有振動数が約１０Ｈｚ程度かそれ以上であり、入力地震動に含まれる該当振動数の影響が少ない場合が多い。

そこで、２次以上の高次モード振り幅の腹に着目し、また、一般に構造部材の変位がその部材の剛性と反比例することから、図５より最も振り幅の大きい高次モード振り幅の腹位置（本実施例では、最も振り幅の大きい３次モード振り幅の腹位置である標高６０ｍ付近）を導き出し、当該腹位置にその高さ方向の所定の範囲（１０ｍ程度の範囲）に亘って剛性強化部１０を設ける。

このように構成された塔型構造物２は、剛性強化部１０を設けることによって、塔型構造物２の応答加速度が大きい部分の剛性が強化され、変位を抑制できるようにしたことによって、図７に示すように、塔構造物全体の応答加速度が低減され、特に、剛性強化部１０を設けた位置の応答加速度が低減され、図６に示すように、所定の高次振動モードの振り幅が低減される。

一方、このような塔型構造物２では、固有振動数が大きく変化すると、動的応答特性に悪影響を及ぼすおそれがある。そこで、塔型構造物２の時刻歴応答解析モデルを用いた固有値解析から得られた固有振動数を比較したところ、以下の表に示すように、剛性強化部１０の有無によって固有振動数の大きな違いはなかった。

以上より、この塔型構造物２では、転倒モーメントが低減され、転倒に対する高い安全性を確保することができ、その分、支持構造物３の小型化を図ることが可能となる。

尚、上述の実施例では、３次モードにおける最大振り幅位置に剛性強化部１０を設けた例について説明したが、２次モード、４次モード、５次モード等の他の高次モードの最大振り幅が生じる高さに対応する位置に剛性強化部１０を備えるようにしてもよい。

また、上述の実施例では、洋上風力発電施設を例に説明したが、塔型構造物２はこれに限定されず、陸上の風力発電施設やその他の塔型構造物にも適用することができる。

１水底部
２塔型構造物
３支持構造物
４塔本体部
５風力発電用装置
６水底マウンド
７底版
８ジャケット
９塔用鋼管
１０剛性強化部
１１肉厚部

Claims

下端部が着床式の支持構造物に支持された中空塔型の塔本体部と、該塔本体部の上端部に支持された重量物とを備えている塔型構造物において、
前記塔本体部は、前記塔型構造物の時刻歴応答解析モデルを用いた固有値解析で得られる高次振動モードの最大振り幅が生じる高さに対応する高さ方向の所定の範囲に亘って剛性強化部を備え、該剛性強化部は、内側全周に一定の厚さを増した肉厚部を有することを特徴とする塔型構造物。
前記重量物は、風力発電に用いられる装置である請求項１に記載の塔型構造物。
下端部が着床式の支持構造物に支持された中空塔型の塔本体部と、該塔本体部の上端部に支持された重量物とを備えている塔型構造物を、転倒に対する安全性を確保するために最適な構造とする塔型構造物の構造最適化方法であって、
前記塔本体部には、応答加速度を低減するための塔本体部の内側全周に一定の厚さを増した肉厚部を設けてなる剛性強化部を備え、
該剛性強化部を設ける位置を前記塔型構造物の時刻歴応答解析モデルを用いた固有値解析で得られる高次振動モードの最大振り幅が生じる高さに対応する高さ方向の所定の範囲とすることを特徴とする塔型構造物の構造最適化方法。