JP5705810B2 - 塔状構造物、及び、塔状構造物の施工方法 - Google Patents

Description

本発明は、多脚型の塔状構造物に関する。

塔状構造物としての煙突には、鉄塔支持型煙突と多脚型煙突があり、前者は地震等の水平力に対し鉄塔が抵抗するため、鉄塔への耐震補強など比較的耐震性能を向上させることが容易であるが、後者は筒身自体が水平力に抵抗するため、耐震性能の向上が困難という課題がある。
例えば、特許文献１には、基礎から立設される外筒と、外筒の頂部に揺動可能に吊り下げられる内筒とによって構成される塔状構造物が開示されている。この構造物は、内筒を、互いに並列関係をもって配置されるばねおよび減衰部材を介して外筒によって支持し、ばねおよび減衰部材と内筒の質量とによって構成される振動系を、外筒の固有周期に同調させる。そうすることで特許文献１は、内筒を振動させ、一種の同調型タンパ（ＴＭＤ：Tuned Mass Damper）として機能させることを目的としている。

また、特許文献２には、多脚型煙突のつなぎ梁にエネルギ吸収体である抵抗板を設置し、地震時には、抵抗板がせん断降伏しその履歴エネルギにより、振動エネルギを吸収することが開示されている。なお、多脚型煙突は、煙突を構成する筒身同士を、その高さ方向に亘ってつなぎ梁で剛結合している。

特開平11-30054号公報 特開平9-13738号公報

特許文献１、特許文献２の提案により相当の振動抑制がなされるが、地震による振動に対してより効果的な対策が望まれている。この対策は、新たに塔状構造物を施工する場合に限らず、耐震性の向上が要求される既設の塔状構造物に対しても有効であることが必要である。後者の場合には、構造物に加える変更が最小限に留まることが望まれるのは当然である。
本発明は、このような課題に基づいてなされたもので、新設及び既設の両者において、地震応答の低減を効果的に図ることのできる多脚型の塔状構造物、及び、その施工方法を提供することを目的とする。

本発明者らは、従来の一般的な多脚型の塔状構造物の概念に捉われることなく、新たな発想に基づいた塔状構造物を提案する。つまり、本発明の塔状構造物は、筒身とは別の柱状の構造体（以下、芯柱ということがある）を設置し、下部位置から中間位置に亘る剛結合されるつなぎ梁による連結はそのままとする。しかし、中間位置よりも高い領域には剛結合のつなぎ梁を設ける代わりに、筒身と芯柱はピン結合による減衰機構により連結することで、筒身と芯柱の間の相対変位を減衰エネルギに変換して、地震応答レベルの低減を図るものであり、従来の塔状構造物からは想定することができない発想に立脚する。

すなわち本発明の多脚型の塔状構造物（以下、単に塔状構造物ということがある）は、基礎から先端に向けて鉛直方向に立ち上る複数の筒身と、筒身同士を剛結合により連結する第１つなぎ梁と、基礎から立ち上がり、筒身に隣接して設置される柱状構造体と、柱状構造体と筒身をピン結合により連結する減衰機構と、を備えることを前提とする。
本発明の塔状構造物は、筒身及び柱状構造体が、基礎に近い下部位置と、先端に近い側の上部位置と、下部位置と上部位置の間に位置する中間位置と、を有するものとすると、第１つなぎ梁は、下部位置から中間位置にわたる領域Ａに設置され、減衰機構は、中間位置から上部位置にわたる領域Ｂに設置されることを特徴としている。

本発明の塔状構造物において、柱状構造体は、複数の筒身で取り囲まれる領域に設置されることが好ましい。柱状構造体を設置するスペースを確保する必要がないからである。

本発明の塔状構造物において、領域Ｂに筒身同士をピン結合により連結する第２つなぎ梁を設置できる。
そうすることで、筒身ごとに若干の重量の違いなどのアンバランスがあっても、各々の筒身に生じる若干の振動特性のずれを吸収でき、一体化した形で塔状構造物を挙動させることが可能となる。

本発明の塔状構造物において、柱状構造体に、柱状構造体の振動特性を調整するマスを設置できる。
そうすることで、柱状構造体の振動特性を調整して、減衰機構を設けることによる減衰特性を大きくできる。
柱状構造体の振動特性の調整は、領域Ａにおいて、筒身と柱状構造体をピン結合により連結するつなぎ材を設置することによっても可能である。

本発明の塔状構造物は、新たに構造物を施工する場合（以下、新設）に限らず、すでに存在する既設の構造物に必要な施工を施すことで得ることもできる。
前者の場合には、施工当初より、第１つなぎ梁は領域Ａに設置される一方、減衰機構は領域Ｂに設置される。後者の場合には、領域Ｂに第１つなぎ梁が設けられていた既設の構造物から、第１つなぎ梁を取り除いた後に、領域Ｂに減衰機構を設置すればよい。いずれも、格別困難な作業を伴うことなく、本発明の塔状構造物を得ることができる。

本発明によれば、筒身と芯柱の間の相対変位を減衰エネルギに変換して、地震応答レベルの低減を図ることができる。しかも、この効果は、新設及び既設のいずれであっても、格別困難な作業を伴うことなく奏できる。

第１実施形態による４脚型煙突を示し、（ａ）は側面図、（ｂ）は（ａ）のＩｂ−Ｉｂ断面図である。 第１実施形態における多脚型煙突の設置変形例を示し、（ａ）４脚型、（ｂ）及び（ｃ）は３脚型、（ｄ）および（ｅ）は２脚型を示している。 第２実施形態による４脚型煙突を示し、（ａ），（ｂ）は側面図、（ｃ）は（ａ）のIIIｂ−IIIｂ断面図である。 第２実施形態における多脚型煙突の設置変形例を示し、（ａ）４脚型、（ｂ）は３脚型、（ｃ）は２脚型を示している。 第３実施形態による多脚型煙突の側面図を示し、（ａ）は領域Ｂにつなぎ梁を設けない例を、（ｂ）は領域Ｂにつなぎ梁を設けた例を示す。 第３実施形態による他の多脚型煙突の側面図を示し、（ａ），（ｃ）は領域Ｂにつなぎ梁を設けない例を、（ｃ）は領域Ｂにつなぎ梁を設けた例を示す。 第４実施形態による４脚型煙突を示し、（ａ）は側面図、（ｂ）は（ａ）のVIIｂ−VIIｂ断面図である。 第４実施形態における多脚型煙突の設置変形例を示す。

〔第１実施形態〕
以下、添付図面に示す実施の形態に基づいてこの発明を詳細に説明する。
本実施形態は、本発明の塔状構造物を煙突１０に適用した例について説明する。
図１に示すように、多脚型の煙突１０は、４本の筒身１と、４本の筒身１に取り囲まれる空間に立設される芯柱３と、適宜の位置で筒身１を剛結合するつなぎ梁（第１つなぎ梁）４と、筒身１と芯柱３の間に設けられる減衰機構７と、を備える。詳しくは後述するが、煙突１０は、新たに建設される場合（新設）のみならず、既設の煙突の改修工事を行って得られる場合もある。

鋼製の筒身１は、基礎２００から鉛直方向に立ち上り、下端から送られる排気ガスを先端から排出する。４本の筒身１は、この例では、各々が正方形の頂点の位置に配置されている。基礎２００は、地面、あるいは他の構造物とされる。
芯柱３は、筒身１とは別体の柱状の構造体であり、基礎２００から鉛直方向に立ち上る。芯柱３は、筒身１と同様に鋼製であるが、既設の煙突を対象とする場合には、芯柱３を新たに建てるのではなく、既設の柱状の構造体、例えばエレベータシャフトがあるのであれば、それ芯柱３として利用できる。
煙突１０は、筒身１と筒身１とがつなぎ梁４により剛結合される領域Ａと、筒身１と芯柱３とが減衰機構７により連結される領域Ｂと、に区分される。領域Ａ，領域Ｂについては、後述する。
つなぎ梁４は、図１にはトラス構造の例を示しているが、他の形態、例えばＩ型鋼のように単純形態の部材を用いることもできる。

減衰機構７は、芯柱３と連結される筒身１の間に固有周期に影響を与えないことが必要なので、例えば、オイルタンパが適している。減衰機構７は筒身１と芯柱３の相対的な変位を許容することが前提であり、このことが担保される限り、具体的な減衰機構７の設置方法は問わない。筒身１と減衰機構７の連結部、芯柱３と減衰機構７の連結部は、各筒身１間の熱伸び差の影響を受けないようにピン結合とする。
減衰機構７は、図１（ｂ）に示すように、４本の筒身１の各々と芯柱３の間に２つずつ設けられている。減衰機構７は、各筒身１から隣接する筒身１に向けて延びる連結材２の先端と芯柱３との間を繋いでおり、一つの筒身１と芯柱３の間には直交する向きに２つの減衰機構７が設けられている。そうすることで、水平方向の任意の向きの振動に対応する減衰性能が得られる。

煙突１０は、図１（ａ）に示すように、基礎２００に近い側の下部位置αと、先端に近い側の上部位置γと、下部位置αと上部位置γの間に位置する中間位置βとを備え、下部位置αから中間位置βまでの範囲が領域Ａをなし、中間位置βを超え上部位置γまでの範囲が領域Ｂをなしている。
領域Ａにおいては、隣接する筒身１同士がつなぎ梁４で連結されている。このように複数の筒身１をつなぎ梁４で連結した構造が多脚型煙突の基本的な構成であるから、領域Ａは従来の多脚型煙突と同じ構成、作用・効果を備えているものとみなせる。これに対して、領域Ｂにおいては、つなぎ梁４が省かれている。したがって、煙突１０は、下部位置αと中間位置βにおいてのみつなぎ梁４により筒身１が結合されているため、領域Ａにおいては複数の筒身１は一体的に変位するが、領域Ｂにおいて各筒身１は独立して変位できる。

本実施形態は、新たに煙突１０を施工する場合（以下、新設）に限らず、すでに存在する既設の煙突に必要な施工を施すことで煙突１０を得ることができる。新設の場合には、図１（ａ）に示すように、領域Ａはつなぎ梁４で筒身１を連結する、領域Ｂはつなぎ梁４を設けるのではなく、減衰機構７を設けることになる。既設の煙突を対象とする場合には、領域Ｂに当初は設けられていたつなぎ梁４を撤去した後に、減衰機構７を設置することで、煙突１０を得ることができる。

以上説明した煙突１０によると、以下の効果を奏する。
煙突１０は、領域Ｂにおいては、筒身１と芯柱３の間に減衰機構７を設けているので、地震による振動を受けると、筒身１と芯柱３の相対変位を減衰エネルギに置換し、煙突１０の地震応答を低減させる。
さらにまた、煙突１０は従来の多脚型の煙突に芯柱３を加える必要があるが、４本の筒身１の内側に芯柱３を設置すればよいので、芯柱３を新たに設置するエリアを必要としない。
しかも、新設の煙突に限らず、既設の煙突に対してもそれまで設けていたつなぎ梁４を取り除き、その代わりに減衰機構７設置するだけで、本実施形態の煙突１０を容易に得ることができる。
なお、減衰機構７の減衰定数、筒身１と芯柱３の振動数などは、耐震上、最適となるように適宜設定されるべきものであり、本発明を限定する要素にはならない。

減衰機構７は、種々の設置形態を採用できる。
例えば、図２（ａ）に示すように、４脚型煙突に円柱状の芯柱３を用いると、減衰機構７は放射状に配列できる。
また、図２（ｂ），（ｃ）に示すように、本発明を３脚型煙突に適用できる。この場合も芯柱３は３本の筒身１で取り囲まれる領域に配置され、各々の筒身１と芯柱３の間に減衰機構７が２つずつ設けられている。この場合、１つの筒身１と芯柱３の間に設けられる２つの減衰機構７は、直交に近い角度で交差している。
さらに、図２（ｄ），（ｅ）に示すように、本発明を２脚型煙突に適用できる。この場合は、図２（ｄ）に示すように、２本の筒身１の間から外れた位置に２本の芯柱３を設けることができるし、図２（ｅ）に示すように、２本の筒身１に１本の芯柱３を設けることもできる。図２（ｄ）の形態では、連結材２を、２本の筒身１の中心間を結ぶ線上、および、当該中心線を挟む両側に連結材２を設け、これら連結材２と２本の芯柱３の間に減衰機構７で繋ぐ。図に示すように、２本の筒身１の間に設けられる減衰機構７と、当該中心線を挟む両側の連結材２と芯柱３を繋ぐ減衰機構７とは、ほぼ直行するように配置されている。一方、図２（ｅ）の例では、１本の芯柱３とその両側に配置される筒身１との間に４本の減衰機構７が芯柱３を基準にして放射状に配置されている。

オイルダンパ（粘性体）からなる減衰機構７は減衰のみを付加するものであり、固有周期への影響は少ない。これに比べて、アスファルト系材料などに代表される粘弾性体を用いた減衰機構７は、若干の固有周期への影響はあるものの、全体応答として影響しないレベルでの設定をすることにより、本発明に十分に適用可能である。
また、図１には減衰機構７を領域Ｂの範囲で鉛直方向の複数個所（２カ所）に設けた例を示したが、領域Ｂの範囲で一箇所だけに減衰機構７を設けることもできる。

〔第２実施形態〕
第１実施形態は、筒身１ごとに任意の向きに減衰作用が生じるように減衰機構７を例えば直交するように設けている。また、例えば筒身１が４本の例では、筒身１ごとに若干の重量の違いなどのアンバランスがあると、振動モードが相違し、各々の筒身１に個別の振動モードが生ずる可能性もある。そこで、第２実施形態では、上記の課題に対して、各々の筒身１に生じる若干の振動特性のずれを吸収可能な構造を提案する。

第２実施形態による煙突２０は、図３に示すように、領域Ｂにもつなぎ梁（第２つなぎ梁）５を設ける。破線で示すつなぎ梁５は、減衰機構７を設けた構面において、隣接する筒身１を繋いでいる。ただし、つなぎ梁５は、筒身１との両端の結合をピン結合（○印で示す。以下、同様）とすることで、筒身１の間で曲げモーメントの伝達が行なわないようにしている。なお、煙突２０はつなぎ梁５を設ける点を除いて、煙突２０は第１実施形態の煙突１０と同じ構成を備えている。したがって、第１実施形態と同じ構成要素には、図３に同じ符号を付すことで、その説明を省略する。
隣接する筒身１をピン結合されたつなぎ梁５で接続することで、図３（ｃ）の横方向に並ぶ筒身１及び縦方向に並ぶ筒身１の間には相対的な変位が生ずることなく、また横方向及び縦方向に変形した際に筒身１の曲げ変形によるモーメントが伝達されない。そうすることで、複数の筒身１間の水平方向の変位挙動を協調させることができる。これにより、各々の筒身１に若干の振動特性のアンバランスがあったとしても、４本の筒身１は一体として挙動することになるので、より効率的な減衰効果を得ることができ、減衰機構７の設置箇所数を低減することが可能となる。例えば、つなぎ梁５を設けることにより図３（ｃ）に示すように減衰機構７を、第１実施形態の煙突１０に比べて半減できる。また、このことは、減衰機構７の設置を含めた煙突２０の設計自体を簡便にできることを示唆している。

つなぎ梁５は、減衰機構７が設けられている全ての断面に設ける必要はなく、図３（ｂ）に示すように、減衰機構７が設けられている一部の断面だけに設けることができる。この場合、応答低減効果が最適となるように、つなぎ梁５をピン結合する箇所を選択する。
また、つなぎ梁５による筒身１の連結形態は図３（ｃ）に限らず、例えば図４に示す形態を含め、上述した作用・効果が得られる種々の形態を採用できる。なお、つなぎ梁５は、その目的を達成する限り、トラス構造、Ｉ型鋼など種々の形態を適用できる。

〔第３実施形態〕
以上説明した実施形態において、減衰機構７を設けたことによる減衰効果を大きくできるように調整できることが望まれる。第３実施形態では、マスを用いてこの要請に応える煙突３０を図５に基づいて説明する。なお、減衰効果を大きくできる要素を除いて、煙突３０は第１実施形態の煙突１０と同じ構成を備えている。したがって、第１実施形態と同じ構成要素には、図５に同じ符号を付すことで、その説明を省略する。

煙突３０は、芯柱３の頂部に振動特性調整用の集中マス（付加質量体）８を備える。集中マス８は、芯柱３の振動特性を調整可能とできように、その質量が変更できるように構成されている。したがって、煙突３０は、集中マス８の質量を変更するのみで減衰効果が大きくなるよう調整可能となる。つまり、煙突３０は、芯柱３の振動特性を調整することにより、筒身１との振動特性の差を適切に設定し、より効率的に地震エネルギを吸収する構造を実現できる。なお、図５（ａ）は第１実施形態の煙突１０に集中マス８を設けた例を示し、図５（ｂ）は第２実施形態の煙突１０に集中マス８を設けた例を示している。

芯柱３の振動特性を調整するためのマスを、図５に示すように、芯柱３の頂部に集中して設けるのに代えて、領域Ｂの範囲に高さ方向に分散した分布マス９として設けることもできる。分布マス９の具体的な例としては、図６（ａ），（ｂ）に示すように、リング状の部材を芯柱３の外周に固定することが掲げられる。また、図６（ｃ）の例では、芯柱３の外周面に板状の部材を貼り付け、固定することで、芯柱３の板厚を見かけ上増やすことを示している。ただし、これらはあくまで例示である。

分布マス９を設けることで、上述した集中マス８を設けるのと同様に、より効率的に地震エネルギを吸収する構造を実現できることに加えて、以下の効果を奏する。
頂部のみに集中マス８を設ける場合、芯柱３がトップヘビー（top heavy）になるため、芯柱３の断面積を頂部から基礎２００にかけて全体的に増加させる必要がある。しかし、分布マス９とすることで、芯柱３の断面積の増加を最低限に抑えることができる。また、マスを分布させるので、振動特性の調整範囲が拡大する。
なお、煙突３０が新設の場合には、当然、筒身１側に分布マス９を設置して、振動特性の調整を行ってよいことはいうまでもない。

〔第４実施形態〕
マスを付加するのではなく、芯柱３の支持条件を調整することにより芯柱３の振動特性を調整する手法を第４実施形態として説明する。
第４実施形態の煙突４０は、図７に示すように、領域Ａにおいて、つなぎ梁４による筒身１の連結に加えて、芯柱３が筒身１とつなぎ材６により連結される。ただし、筒身１及び芯柱３の各々とつなぎ材６の結合は、ピン結合とする。なお、煙突４０は、第３実施形態（図５（ｂ））につなぎ材６を設置したものである。このつなぎ材６は、図７（ｂ）に示すように、芯柱３を中心にして放射状に設けられる。また、図７（ｂ）に示すように、筒身１につなぎ梁４が設置された断面に設けることを原則とするが、それ以外の箇所でも効果が大きいのであれば、そこに設置することは排除するものではない。このように、第３実施形態のようにマスを付加するのに代えて、支持条件を変更することで芯柱３の剛性を変化させることで、振動特性の調整範囲を行なうことができる。さらに、マスを付加するのに加えて、芯柱３の支持条件を変更すれば、振動特性の調整範囲を拡大することが可能となる。

第４実施形態におけるつなぎ材６は、芯柱３の剛性を変化し得るものであればよく、例えば図８（ａ）に示すようにばね特性を有するつなぎ材６でもよいし、図８（ｂ）に示すようにばね特性に加えて減衰機構を有する（例えば粘弾性体など）つなぎ材６でもよい。この部分の減衰機構による付加減衰でさらに煙突４０全体構造としての付加減衰を増加することも可能となる。

以上、本発明の実施形態を説明したが、本発明の主旨を逸脱しない限り、上記実施の形態で挙げた構成を取捨選択したり、他の構成に適宜変更することが可能である。
例えば、図１に示した下部位置α、中間位置β及び上部位置γはあくまで一例であり、本発明を実際に適用する塔状構造物の仕様、その他の条件に応じて、下部位置α、中間位置β及び上部位置γを適宜設定できる。

１０，２０，３０，４０ 煙突
１ 筒身
２ 連結材
３ 芯柱
４，５ つなぎ梁
６ つなぎ材
７ 減衰機構
８ 集中マス
９ 分布マス
Ａ 領域
Ｂ 領域
α 下部位置
β 中間位置
γ 上部位置

Claims (7)

1. 基礎から先端に向けて鉛直方向に立ち上る複数の筒身と、
   前記筒身同士を剛結合により連結する第１つなぎ梁と、
   前記基礎から立ち上がり、前記筒身に隣接して設置される柱状構造体と、
   前記柱状構造体と前記筒身をピン結合により連結する減衰機構と、を備え、
   前記筒身及び前記柱状構造体は、前記基礎に近い下部位置と、前記先端に近い側の上部位置と、前記下部位置と前記上部位置の間に位置する中間位置と、を有し、
   前記第１つなぎ梁は、前記下部位置から前記中間位置に亘る領域Ａに設置され、
   前記減衰機構は、前記中間位置から前記上部位置に亘る領域Ｂに設置される、
   ことを特徴とする多脚型の塔状構造物。
2. 前記柱状構造体は、複数の前記筒身で取り囲まれる領域に設置される、
   請求項１に記載の多脚型の塔状構造物。
3. 前記領域Ｂにおいて、
   前記筒身同士をピン結合により連結する第２つなぎ梁が設置される、
   請求項１に記載の多脚型の塔状構造物。
4. 前記柱状構造体に、前記柱状構造体の振動特性を調整するマスが設置される、
   請求項１〜３のいずれか一項に記載の多脚型の塔状構造物。
5. 前記領域Ａにおいて、
   前記筒身と前記柱状構造体をピン結合により連結するつなぎ材が設置される、
   請求項１〜４のいずれか一項に記載の多脚型の塔状構造物。
6. 請求項１〜請求項５のいずれか一項に記載の多脚型の塔状構造物の施工方法であって、
   施工当初より、
   前記第１つなぎ梁は、前記領域Ａに設置され、
   前記減衰機構は、前記領域Ｂに設置される、
   ことを特徴とする多脚型の塔状構造物の施工方法。
7. 請求項１〜請求項６のいずれか一項に記載の塔状構造物の施工方法であって、
   前記領域Ｂに前記第１つなぎ梁が設けられていた既設の構造物から、前記第１つなぎ梁を取り除いた後に、
   前記領域Ｂに前記減衰機構を設置する、
   ことを特徴とする多脚型の塔状構造物の施工方法。

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