JP6226177B2 - Steel pipe joint structure - Google Patents
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Description
本発明は、例えば風力発電に用いられる風車等の支柱の鋼管同士の接合部に適用される鋼管接合構造に関する。 The present invention relates to a steel pipe joint structure applied to a joint portion between steel pipes of a support such as a windmill used in wind power generation, for example.
この種の鋼管接合構造として、従来、下記特許文献１に示されるように、モノパイル式洋上風車における風車タワーとモノパイル（以下、鋼管杭という）との接合では、風車タワーの下端部のトランジションピースに鋼管杭の上端部を挿入して二重鋼管部分を形成し、それら鋼管同士の間隙にモルタル等のグラウト材を注入して固定するグラウト接合構造が知られている。 Conventionally, as this type of steel pipe joint structure, as shown in Patent Document 1 below, in joining a windmill tower and a monopile (hereinafter referred to as a steel pipe pile) in a monopile type offshore windmill, a transition piece at the lower end of the windmill tower is used. A grout joint structure is known in which the upper end portion of a steel pipe pile is inserted to form a double steel pipe portion, and a grout material such as mortar is injected and fixed in the gap between the steel pipes.
このような構造のグラウト接合部に荷重が作用した場合、鋼管との接触によりグラウト材に圧縮応力度が発生し、とくに接合部端部では形状不連続に伴い応力集中が生じる。例えばグラウト接合部の設計で準拠するノルウェーの洋上風車設計指針（以下、ＤＮＶ指針という）には、図２に示すグラウト材の平均圧縮応力度σ０、鋼管接合部における両端部の応力集中係数ＳＦＣおよび応力集中が発生する範囲（接合部端部からの長さｌｅ）について評価式（後述する（１）式〜（３）式）が示されている。そして、図２に示す評価式に基づくグラウト材の圧縮応力度の高さ方向分布では、ｌｅにおいてＳＦＣ×σ０が大きくなり、応力集中が発生している。 When a load is applied to a grout joint having such a structure, a degree of compressive stress is generated in the grout material due to contact with the steel pipe, and stress concentration occurs particularly at the end of the joint due to discontinuity of the shape. For example, the Norwegian offshore wind turbine design guideline (hereinafter referred to as the DNV guideline) that complies with the design of the grout joint includes an average compressive stress degree σ0 of the grout material shown in FIG. An evaluation formula (formulas (1) to (3) described later) is shown for a range in which stress concentration occurs (length le from the joint end). Then, in the height direction distribution of the degree of compressive stress of the grout material based on the evaluation formula shown in FIG. 2, SFC × σ0 becomes large at le, and stress concentration occurs.
また、図５は、応力集中係数ＳＦＣと鋼管杭の鋼管半径Ｒと板厚寸法ｔの径厚比（Ｒ／ｔ）の関係を示している。例えば、鋼管の座屈を抑えるために、その径厚比（Ｒ／ｔ）を所定の値に制限しているのが一般的である。つまり、径厚比（Ｒ／ｔ）が大きい場合には、１０倍程度の応力集中を評価することになるため、応力集中の緩和による設計合理化の効果が大きいことがわかる。 FIG. 5 shows the relationship between the stress concentration factor SFC, the steel pipe radius R of the steel pipe pile, and the diameter thickness ratio (R / t) of the plate thickness dimension t. For example, in order to suppress buckling of a steel pipe, the diameter-thickness ratio (R / t) is generally limited to a predetermined value. That is, when the diameter-thickness ratio (R / t) is large, the stress concentration of about 10 times is evaluated, so that it can be understood that the effect of rationalizing the design by relaxing the stress concentration is great.
そのため、従来の鋼管接合構造では、応力集中した接合部端部のグラウト材の応力度を低減させるために、応力集中を緩和したり、図６に示すように鋼管接合部１０のオーバーラップ長Ｌを長くして平均圧縮応力度を低減させる接合構造としている。この応力集中の緩和方法としては、上述したＤＮＶ指針において、接合する一対の鋼管１１、１２の端部１１ａ、１２ａの鋼管板厚を薄くして変形不連続を段階的に解消するような構造としている。 Therefore, in the conventional steel pipe joint structure, in order to reduce the stress degree of the grout material at the joint end portion where the stress is concentrated, the stress concentration is relaxed, or the overlap length L of the steel pipe joint portion 10 as shown in FIG. It is set as the joining structure which lengthens and reduces an average compressive stress degree. As a method for reducing the stress concentration, in the above-described DNV pointer, the steel pipe plate thickness of the end portions 11a and 12a of the pair of steel pipes 11 and 12 to be joined is thinned so that the deformation discontinuity is gradually eliminated. Yes.
しかしながら、従来の鋼管接合構造では、鋼管接合部の両端部に発生する応力集中の緩和方法として、図６に示すように接合端部の鋼管板厚を薄くして変形不連続を段階的に解消する構成としているが、その薄厚部分の鋼管の継手溶接等による施工が困難であるという問題があるうえ、特殊な構造となることからコストが増大するため、その点で改善の余地があった。 However, in the conventional steel pipe joint structure, as a method of relieving the stress concentration occurring at both ends of the steel pipe joint, as shown in FIG. However, there is a problem that it is difficult to perform the welding of the thin-walled steel pipe by joint welding or the like, and the cost increases due to the special structure, so there is room for improvement in that respect.
本発明は、上述する問題点に鑑みてなされたもので、特殊な接合構造を用いることなく、簡単で低コストとなる構造により、接合端部に生じる応力集中を効果的に抑制することができる鋼管接合構造を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above-described problems, and it is possible to effectively suppress stress concentration generated at the joint end portion by using a simple and low-cost structure without using a special joint structure. An object is to provide a steel pipe joint structure.
上記目的を達成するため、本発明に係る鋼管接合構造では、内管と外管との一対の鋼管同士を接合するための鋼管接合構造であって、前記内管の一端を前記外管の一端に挿入させて所定長でオーバーラップさせた鋼管接合部が形成され、該鋼管接合部の管軸方向の両端部の応力集中部同士の間の非応力集中部には、ヤング係数が２０〜４０ｋＮ／ｍｍ ２ に設定された中央部グラウト材が打設され、前記応力集中部には、前記中央部グラウト材よりも高じん性の特性を有するヤング係数が５〜２０ｋＮ／ｍｍ ２ に設定された端部グラウト材が打設され、前記端部グラウト材のヤング係数は、前記中央部グラウト材よりも小さく、且つ前記中央部グラウト材の１／１０以上の材料であることを特徴としている。 In order to achieve the above object, the steel pipe joint structure according to the present invention is a steel pipe joint structure for joining a pair of steel pipes of an inner pipe and an outer pipe, wherein one end of the inner pipe is one end of the outer pipe. Steel pipe joints that are inserted into each other and overlapped by a predetermined length are formed, and the Young's modulus is 20 to 40 kN in the non-stress concentrated parts between the stress concentrated parts at both ends in the pipe axis direction of the steel pipe joined parts. A central part grout material set to / mm 2 was cast, and the Young's modulus having a higher toughness characteristic than the central part grout material was set to 5 to 20 kN / mm 2 in the stress concentration part . An end grouting material is cast, and the Young's modulus of the end grouting material is smaller than that of the central grouting material and is 1/10 or more of the central grouting material .
また、本発明の鋼管接合構造では、前記端部グラウト材は、ゴム系材料、ポリマーコンクリート、またはファイバーコンクリートが使用されていることが好ましい。 Moreover, in the steel pipe joint structure of this invention, it is preferable that the said edge part grout material uses rubber-type material, polymer concrete, or fiber concrete.
本発明の鋼管接合構造では、鋼管接合部の非応力集中部に打設する中央部グラウト材に通常のグラウト材を使用し、鋼管接合部の応力集中部に例えばゴム系材料からなる前記中央部グラウト材よりも高じん性の特性を有する端部グラウト材が打設された構造とすることで、端部グラウト材において非線形挙動（非線形弾性、ひび割れ等）を許容する構造となる。すなわち、応力集中部の端部グラウト材にひび割れが生じるが、高じん性の特性によるねばりの作用が働くことにより破壊を抑制することができる。
そのため、鋼管接合部に曲げが作用した場合には、鋼管接合部全体として滑らかに変形することになる。つまり、応力集中部に生じる応力集中を非応力集中部に分散させることができ、その応力集中部に作用する応力集中を抑制することができる。
In the steel pipe joint structure of the present invention, a normal grout material is used for the central grout material to be placed in the non-stress concentrated part of the steel pipe joint, and the central part made of, for example, a rubber-based material is used in the stress concentrated part of the steel pipe joint By adopting a structure in which an end grout material having higher toughness characteristics than that of the grout material is provided, a non-linear behavior (nonlinear elasticity, cracking, etc.) is allowed in the end grout material. That is, cracks are generated in the end grout material of the stress concentration portion, but breakage can be suppressed by the action of stickiness due to the characteristics of high toughness.
Therefore, when bending acts on the steel pipe joint, the entire steel pipe joint is deformed smoothly. That is, the stress concentration generated in the stress concentration portion can be dispersed in the non-stress concentration portion, and the stress concentration acting on the stress concentration portion can be suppressed.
しかも、鋼管接合部の中央部分の非応力集中部には、高じん性の特殊な材料を使用せずに、安価な通常のグラウト材を用いることができるので、コストの低減を図ることができる。
そして、鋼管接合部の構造として、従来のような鋼管の端部を薄くするための特殊部材や特殊加工等を必要とせずに、端部グラウト材の発生最大応力を低減することができ、簡単な構造により鋼管の破壊を防止することができる。したがって、鋼管接合部（オーバーラップ部分）の長さ寸法を縮小することができ、鋼管厚を小さくすることができるので、部材コストを低減することができる。
In addition, a low-cost ordinary grout material can be used for the non-stress concentrated portion in the central portion of the steel pipe joint portion without using a special material having high toughness, so that the cost can be reduced. .
And, as the structure of the steel pipe joint, it is possible to reduce the maximum stress generated by the end grout material without the need for special members or special processing to make the end of the steel pipe thinner as in the past. A simple structure can prevent the steel pipe from being broken. Therefore, the length dimension of the steel pipe joint (overlapping part) can be reduced and the steel pipe thickness can be reduced, so that the member cost can be reduced.
さらに、本発明の鋼管接合構造では、前述のように鋼管接合部の長さ寸法を短くしてグラウト材の使用量を低減することが可能となるので、グラウト材の打設時間を短縮することができ、工期の短縮を図ることができるうえ、グラウト材のコストの低減を図ることができる。とくに海象条件により施工可能な期間が制限される洋上風車などの施工の場合には、短期工程による利点が大きい。しかも、本発明では、コストの大きな高強度による高性能材料の打設量も少なくなることから、より材料費の削減を図ることができる。
また、本発明では、鋼管接合部に作用するせん断力は鋼管が負担し、グラウト材が負担しない構造となることから、打ち継ぎによるコールドジョイントとなっても構造性能上、問題にはならない。
また、本発明の鋼管接合構造では、前記端部グラウト材のヤング係数は、前記中央部グラウト材よりも小さく、且つ前記中央部グラウト材の１／１０以上の材料であることが好ましい。
この場合には、端部グラウト材のヤング係数が中央部グラウト材よりも小さい低いほど応力緩和効果が大きくなるが、そのヤング係数が小さくなり過ぎると中央部グラウト材に応力集中範囲が移動し、応力集中緩和の効果が十分に得られない。そこで、応力集中を考慮した最大応力度に対して、中央部分の非応力集中部に打設する中央部グラウト材のヤング係数の１／１０以上の材料とすることで、上記応力集中緩和の効果を高めることができる。
また、本発明のように端部グラウト材のヤング係数を中央部グラウト材の１／１０以上の材料とすることで、これよりも強度の小さい材料を使用する場合の打設時において鋼管接合部の中央部分に流入するのを防ぐことができる。
Furthermore, in the steel pipe joint structure of the present invention, as described above, the length of the steel pipe joint can be shortened to reduce the amount of grout material used, so that the grout material placement time can be shortened. The construction period can be shortened and the cost of the grout material can be reduced. In particular, in the case of construction of an offshore wind turbine or the like where the construction period is limited depending on sea conditions, the advantage of the short-term process is great. In addition, according to the present invention, since the amount of high-performance material to be placed due to the high cost and high strength is reduced, the material cost can be further reduced.
Further, in the present invention, since the steel pipe bears the shearing force acting on the steel pipe joint and the grout material does not bear it, even if it becomes a cold joint by splicing, there is no problem in structural performance.
Moreover, in the steel pipe joint structure of this invention, it is preferable that the Young's modulus of the said end part grout material is smaller than the said center part grout material, and is a material more than 1/10 of the said center part grout material.
In this case, the stress relaxation effect increases as the Young's modulus of the end grout material is lower than the center grout material, but if the Young's modulus is too small, the stress concentration range moves to the center grout material, The effect of stress concentration relaxation cannot be obtained sufficiently. Therefore, the stress concentration mitigation effect can be achieved by using a material having a Young's modulus of 1/10 or more of the central grout material to be placed in the non-stress concentrated portion of the central portion with respect to the maximum stress degree considering the stress concentration. Can be increased.
In addition, by making the Young's modulus of the end grout material 1/10 or more of that of the center grout material as in the present invention, the steel pipe joint is used when placing a material having a lower strength than this. Can be prevented from flowing into the central part of the.
また、本発明の鋼管接合構造では、前記応力集中部の長さ範囲ｌｅは、（１）式〜（３）式により算出されていることが好ましい。Moreover, in the steel pipe joint structure of this invention, it is preferable that the length range le of the said stress concentration part is calculated by (1) Formula-(3) Formula.
ここで、σWhere σ
０0
はグラウト材の平均圧縮応力度、ＭIs the average compressive stress of the grout material, M
０0
は設計用モーメント、Ｒは外管の鋼管半径、ｔは外管の板厚（ｍｍ）、ｄは鋼管接合部の長さ寸法（ｍｍ）、μは鋼管（内管、外管）とグラウト材との摩擦係数、νは鋼管のポアソン比、ＳＦＣは鋼管接合部の応力集中部の応力集中係数、及びｌｅは応力集中が発生する範囲（接合部端部からの長さ）である。Is the design moment, R is the steel pipe radius of the outer pipe, t is the thickness of the outer pipe (mm), d is the length of the steel pipe joint (mm), μ is the steel pipe (inner pipe, outer pipe) and grout material , Ν is the Poisson's ratio of the steel pipe, SFC is the stress concentration coefficient of the stress concentration portion of the steel pipe joint, and le is the range where the stress concentration occurs (length from the end of the joint).
本発明の鋼管接合構造によれば、特殊な接合構造を用いることなく、鋼管接合部の管軸方向の両端部の応力集中部に高じん性の特性を有する端部グラウト材、鋼管接合部の中央部分の非応力集中部に中央部グラウト材をそれぞれ打ち分けて打設するという簡単で低コストとなる構造により、接合端部に生じる応力集中を効果的に抑制することができるという効果を奏する。 According to the steel pipe joint structure of the present invention, without using a special joint structure, the end grout material having a high toughness characteristic at the stress concentration portions at both ends in the pipe axis direction of the steel pipe joint, the steel pipe joint A simple and low-cost structure in which the center grout material is separately placed in the non-stress concentration portion of the center portion, and the effect of effectively suppressing the stress concentration generated at the joint end portion is achieved. .
以下、本発明の実施の形態による鋼管接合構造について、図面に基づいて説明する。 Hereinafter, a steel pipe joint structure according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
図１に示すように、本実施の形態による鋼管接合構造は、例えば風力発電用の洋上風車の支柱等の鋼管同士の接合部分に採用され、長手方向を上下方向に向けた状態で立設される内管１と外管２との一対の円筒状の鋼管同士の接合構造である。外管２は、この内管１よりも大径でかつ内管１の外側で一定の間隔をあけて同軸に設けられている。
ここで、本実施の形態では、内管１を下側、外管２を上側にして配置され、接合された内管１と外管２との鋼管の材軸方向を管軸Ｏという。
As shown in FIG. 1, the steel pipe joint structure according to the present embodiment is employed, for example, in a joint portion between steel pipes, such as the columns of an offshore wind turbine for wind power generation, and is erected with the longitudinal direction thereof directed vertically. This is a joining structure of a pair of cylindrical steel pipes of an inner pipe 1 and an outer pipe 2. The outer tube 2 has a diameter larger than that of the inner tube 1 and is provided coaxially at a constant interval outside the inner tube 1.
Here, in the present embodiment, the material axis direction of the steel pipe which is arranged with the inner tube 1 on the lower side and the outer tube 2 on the upper side and joined is referred to as a tube axis O.
鋼管接合構造は、内管１の上端１ａを外管２の下端２ａに挿入させて所定長のオーバーラップ部（以下、鋼管接合部Ｔ）が形成されている。すなわち、鋼管接合部Ｔは、内管１と外管２とが二重に重なるオーバーラップ部分の両鋼管同士の間に所定強度に設定されたグラウト材３（３Ａ、３Ｂ）が打設されて一体化した構成となっている。 In the steel pipe joining structure, the upper end 1a of the inner pipe 1 is inserted into the lower end 2a of the outer pipe 2 to form an overlap portion (hereinafter referred to as a steel pipe joining portion T) having a predetermined length. That is, in the steel pipe joint T, the grout material 3 (3A, 3B) set to a predetermined strength is placed between the two steel pipes of the overlapping portion where the inner pipe 1 and the outer pipe 2 overlap. It has an integrated configuration.
ここで、図２は、下記（１）〜（３）に示す評価式に基づくグラウト材の圧縮応力度の高さ方向分布を示している。鋼管接合部Ｔは、一般的に鋼管接合部Ｔにおいて上下両端Ｔａ、Ｔｂからオーバーラップ方向の中央側に向かう長さ範囲ｌｅ（ｌｅ１、ｌｅ２）で応力集中が発生し、上述したように応力集中部Ｔ１、Ｔ２が分布している。 Here, FIG. 2 shows the height direction distribution of the degree of compressive stress of the grout material based on the evaluation formulas shown in the following (1) to (3). In the steel pipe joint T, generally, stress concentration occurs in the length range le (l e1 , l e2 ) from the upper and lower ends Ta and Tb toward the center in the overlap direction in the steel pipe joint T, as described above. Stress concentration portions T1 and T2 are distributed.
鋼管接合部Ｔに打設されるグラウト材３は、図１に示すように、その鋼管接続部Ｔの管軸Ｏ方向の位置に応じて、互いに異なる特性の材料により打ち分けられている。具体的には、鋼管接合部Ｔの管軸Ｏ方向の両端部における応力集中部Ｔ１（図２に示すｌｅ１）、Ｔ２（図２に示すｌｅ２）同士の間の中央領域（非応力集中部Ｔ３）に中央部グラウト材３Ａが打設され、応力集中部Ｔ１、Ｔ２には、中央部グラウト材３Ａよりも高じん性の特性を有する端部グラウト材３Ｂが打設されている。 As shown in FIG. 1, the grout material 3 to be cast in the steel pipe joint portion T is divided by materials having different characteristics depending on the position of the steel pipe connection portion T in the direction of the pipe axis O. Specifically, the central region (non-stress concentration) between the stress concentration portions T1 (l e1 shown in FIG. 2) and T2 (l e2 shown in FIG. 2) at both ends in the tube axis O direction of the steel pipe joint T. A central grout material 3A is cast on the portion T3), and an end grout material 3B having a higher toughness characteristic than the central grout material 3A is cast on the stress concentration portions T1 and T2.
非応力集中部Ｔ３に打設される中央部グラウト材３Ａは、例えばヤング係数が２０〜４０ｋＮ／ｍｍ２程度の通常のグラウト材が用いられ、応力集中係数を考慮しない圧縮応力度に対して応力を検討して決定される。 As the central grout material 3A to be placed in the non-stress concentration portion T3, for example, a normal grout material having a Young's modulus of about 20 to 40 kN / mm 2 is used. To be determined.
一方、応力集中部Ｔ１、Ｔ２に打設される端部グラウト材３Ｂとしては、ゴム系材料、ポリマーコンクリート、またはファイバーコンクリートの高じん性の材料のものが使用され、応力集中を考慮した最大応力度に対して応力を検討して決定される。ここで、端部グラウト材３Ｂは、引張ひずみで１％以上程度のじん性を有することが好ましい。
そして、この端部グラウト材３Ｂのヤング係数は、例えば５〜２０ｋＮ／ｍｍ２程度で、中央部グラウト材３Ａよりも小さく、且つ中央部グラウト材３Ａの１／１０以上の材料に決定されている。
On the other hand, as the end grout material 3B placed in the stress concentration portions T1 and T2, a material of high toughness such as rubber material, polymer concrete, or fiber concrete is used, and the maximum stress considering the stress concentration is used. It is determined by examining the stress against the degree. Here, the end grout material 3B preferably has a toughness of about 1% or more in terms of tensile strain.
And the Young's modulus of this edge part grout material 3B is about 5-20 kN / mm < 2 >, for example, is smaller than center part grout material 3A, and is determined to be 1/10 or more material of center part grout material 3A. .
鋼管接合部Ｔにおけるグラウト材３を打ち分ける高さ（つまり、応力集中部Ｔ１、Ｔ２の長さ範囲ｌｅ（ｌｅ１、ｌｅ２）は、（１）式〜（３）式により算出される。ここで、これら（１）式〜（３）式において、σ０はグラウト材３の平均圧縮応力度、ＳＦＣは鋼管接合部Ｔの応力集中部Ｔ１、Ｔ２の応力集中係数、及びｌｅは応力集中が発生する範囲（接合部端部Ｔａ、Ｔｂからの長さ）である（図２参照）。
例えば、外管２の外径が５０００ｍｍ、板厚ｔが５０ｍｍの場合のグラウト材３の打ち分け高さｌｅ（ｌｅ１、ｌｅ２）は、鋼管接合部Ｔの上端Ｔａ及び下端Ｔｂのそれぞれから３００ｍｍ程度となる。
The height at which the grout material 3 is divided at the steel pipe joint portion T (that is, the length range le (l e1 , l e2 ) of the stress concentration portions T1 and T2) is calculated by the equations (1) to (3). Here, in these equations (1) to (3), σ 0 is the average compressive stress degree of the grout material 3, SFC is the stress concentration factor T1 and T2 of the steel pipe joint T, and le is the stress concentration. Is a range (length from the joint end portions Ta and Tb) (see FIG. 2).
For example, when the outer diameter of the outer tube 2 is 5000 mm and the plate thickness t is 50 mm, the grouting material 3 has a striking height le (l e1 , l e2 ) from each of the upper end Ta and the lower end Tb of the steel pipe joint T. It becomes about 300 mm.
なお、（１）式〜（３）式において、Ｍ０は設計用モーメント、Ｒは外管２の鋼管半径、ｔは外管２の板厚、ｄは鋼管接合部Ｔの長さ寸法、μは鋼管（内管１、外管２）とグラウト材３との摩擦係数、νは鋼管のポアソン比である。 In the equations (1) to (3), M 0 is a design moment, R is a steel pipe radius of the outer pipe 2, t is a plate thickness of the outer pipe 2, d is a length dimension of the steel pipe joint T, μ Is the coefficient of friction between the steel pipe (inner pipe 1, outer pipe 2) and the grout material 3, and ν is the Poisson's ratio of the steel pipe.
次に、上述した鋼管接合構造の作用について、図面に基づいて詳細に説明する。
本実施の形態の鋼管接合構造では、図１に示すように、鋼管接合部Ｔの非応力集中部Ｔ３に打設する中央部グラウト材３Ａに通常のグラウト材を使用し、応力集中部Ｔ１、Ｔ２に中央部グラウト材３Ａよりも高じん性の特性を有する端部グラウト材３Ｂが打設された構造とすることで、端部グラウト材３Ｂにおいて非線形挙動（非線形弾性、ひび割れ等）を許容する構造となる。すなわち、応力集中部Ｔ１、Ｔ２の端部グラウト材３Ｂにひび割れが生じるが、高じん性の特性によるねばりの作用が働くことにより破壊を抑制することができる。
そのため、鋼管接合部Ｔに曲げが作用した場合には、鋼管接合部Ｔ全体として滑らかに変形することになる。つまり、応力集中部Ｔ１、Ｔ２に生じる応力集中を非応力集中部Ｔ３に分散させることができ、その応力集中部Ｔ１、Ｔ２に作用する応力集中を抑制することができる（図２参照）。
Next, the effect | action of the steel pipe joining structure mentioned above is demonstrated in detail based on drawing.
In the steel pipe joint structure of the present embodiment, as shown in FIG. 1, a normal grout material is used for the central part grout material 3A to be placed in the non-stress concentrated part T3 of the steel pipe joint T, and the stress concentrated part T1, Non-linear behavior (non-linear elasticity, cracking, etc.) is allowed in the end grout material 3B by adopting a structure in which the end grout material 3B having a higher toughness characteristic than the central grout material 3A is placed at T2. It becomes a structure. That is, cracks occur in the end grout material 3B of the stress concentration portions T1 and T2, but breakage can be suppressed by the action of stickiness due to high toughness characteristics.
Therefore, when bending acts on the steel pipe joint T, the steel pipe joint T as a whole is smoothly deformed. That is, the stress concentration generated in the stress concentration portions T1 and T2 can be dispersed in the non-stress concentration portion T3, and the stress concentration acting on the stress concentration portions T1 and T2 can be suppressed (see FIG. 2).
しかも、鋼管接合部Ｔの中央部分の非応力集中部Ｔ３には、高じん性の特殊な材料を使用せずに、安価な通常のグラウト材を用いることができるので、コストの低減を図ることができる。 In addition, since the non-stress concentrated portion T3 in the central portion of the steel pipe joint T can be made of an inexpensive ordinary grout material without using a special material having high toughness, the cost can be reduced. Can do.
そして、鋼管接合部Ｔの構造として、従来のような鋼管の端部を薄くするための特殊部材や特殊加工等を必要とせずに、端部グラウト材３Ｂの発生最大応力を低減することができ、簡単な構造により鋼管の破壊を防止することができる。したがって、鋼管接合部Ｔ（オーバーラップ部分）の長さ寸法を縮小することができ、鋼管厚を小さくすることができるので、部材コストを低減することができる。例えば、端部グラウト材３Ｂの発生最大応力を１／４程度に低減することができ、鋼管接合部Ｔの長さ寸法（オーバーラップ長）を１／２程度に縮小することができる。 And as the structure of the steel pipe joint T, the maximum stress generated in the end grout material 3B can be reduced without requiring a special member or special processing for thinning the end of the steel pipe as in the prior art. The simple structure can prevent the steel pipe from being broken. Therefore, since the length dimension of the steel pipe joint part T (overlap part) can be reduced and the steel pipe thickness can be reduced, the member cost can be reduced. For example, the maximum generated stress of the end grout material 3B can be reduced to about ¼, and the length dimension (overlap length) of the steel pipe joint T can be reduced to about ½.
また、端部グラウト材３Ｂのヤング係数が中央部グラウト材３Ａよりも小さい低いほど応力緩和効果が大きくなるが、そのヤング係数が小さくなり過ぎると中央部グラウト材３Ａに応力集中範囲が移動し、応力集中緩和の効果が十分に得られない。そこで、応力集中を考慮した最大応力度に対して、中央部分の非応力集中部Ｔ３に打設する中央部グラウト材３Ａのヤング係数の１／１０以上の材料とすることで、上記応力集中緩和の効果を高めることができる。
そして、本実施の形態では、端部グラウト材３Ｂのヤング係数を中央部グラウト材３Ａの１／１０以上の材料とすることで、これよりも強度の小さい材料を使用する場合の打設時において鋼管接合部Ｔの中央部分（非応力集中部Ｔ３）に流入するのを防ぐことができる。
Further, the lower the Young's modulus of the end portion grout material 3B is smaller than that of the center portion grout material 3A, the greater the stress relaxation effect. However, if the Young's modulus is too small, the stress concentration range moves to the center portion grout material 3A. The effect of stress concentration relaxation cannot be obtained sufficiently. Therefore, the stress concentration alleviation can be reduced by using a material having a Young's modulus of 1/10 or more of the central grout material 3A to be placed in the non-stress concentrated portion T3 in the central portion with respect to the maximum stress degree considering the stress concentration. Can enhance the effect.
In the present embodiment, by setting the Young's modulus of the end grout material 3B to a material that is 1/10 or more that of the center grout material 3A, at the time of placement when a material having a lower strength is used. It can prevent flowing into the central portion (non-stress concentration portion T3) of the steel pipe joint T.
さらに、本実施の形態の鋼管接合構造では、前述のように鋼管接合部Ｔの長さ寸法を短くしてグラウト材３Ａ、３Ｂの使用量を低減することが可能となるので、グラウト材３Ａ、３Ｂの打設時間を短縮することができ、工期の短縮を図ることができるうえ、グラウト材３Ａ、３Ｂのコストの低減を図ることができる。
とくに海象条件により施工可能な期間が制限される洋上風車などの施工の場合には、短期工程による利点が大きい。しかも、本実施の形態では、コストの大きな高強度による高性能材料の打設量も少なくなることから、より材料費の削減を図ることができる。
Furthermore, in the steel pipe joint structure of the present embodiment, as described above, the length of the steel pipe joint T can be shortened to reduce the amount of the grout materials 3A, 3B. Therefore, the grout material 3A, 3B placement time can be shortened, the construction period can be shortened, and the costs of the grout materials 3A and 3B can be reduced.
In particular, in the case of construction of an offshore wind turbine or the like where the construction period is limited depending on sea conditions, the advantage of the short-term process is great. In addition, in the present embodiment, since the amount of high-performance material to be placed due to the high cost and high strength is reduced, the material cost can be further reduced.
また、本実施の形態のグラウト材は、鋼管接合部Ｔに作用する径方向の力のみを負担する。そのため、本実施の形態による鋼管接合構造では、鋼管接合部Ｔに作用するせん断力は鋼管（内管１及び外管２）が負担し、グラウト材が負担しない構造となることから、打ち継ぎによるコールドジョイントとなっても構造性能上、問題になることはないという利点がある。 Further, the grout material of the present embodiment bears only the radial force acting on the steel pipe joint T. Therefore, in the steel pipe joint structure according to the present embodiment, the shear force acting on the steel pipe joint T is borne by the steel pipe (the inner pipe 1 and the outer pipe 2), and the grout material is not borne. Even if it becomes a cold joint, there is an advantage that there is no problem in structural performance.
ここで、グラウト材の打ち継ぎ位置での中央部分のグラウト材の発生応力度について説明する。
図３（ａ）は鋼管接合構造を備えた鋼管全体の解析モデルの一例を示し、図３（ｂ）は鋼管接合部を拡大した解析モデルを示し、図３（ｃ）はグラウト材の打ち分けの解析モデルを示している。なお、図３において、下端を固定したときに、Ｍ、Ｑはそれぞれ接合部上端に作用するモーメントと、せん断力を示し、グラウト材を介してモノパイル（鋼管）に伝達される。図３（ｂ）に示す定義座標については、θは鋼管中心軸Ｚを中心とした回転角度を示し、θ＝０°が加力方向の始点側（マイナス側）、θ＝１８０°が加力方向の終点側（プラス側）を示し、ｒは、鋼管中心軸Ｚを中心とした回転位置を示している。
そして、表１には、解析パターンを示している。
Here, the generated stress level of the grout material in the central portion at the joint position of the grout material will be described.
Fig. 3 (a) shows an example of an analysis model of the entire steel pipe having the steel pipe joint structure, Fig. 3 (b) shows an analysis model in which the steel pipe joint is enlarged, and Fig. 3 (c) shows the grout material separation. The analysis model is shown. In FIG. 3, when the lower end is fixed, M and Q indicate the moment and shearing force acting on the upper end of the joint, respectively, and are transmitted to the monopile (steel pipe) through the grout material. As for the definition coordinates shown in FIG. 3 (b), θ indicates the rotation angle about the steel pipe central axis Z, θ = 0 ° is the starting point side (minus side) of the applied direction, and θ = 180 ° is the applied force. The direction end point side (plus side) is shown, and r indicates the rotational position around the steel pipe central axis Z.
Table 1 shows analysis patterns.
解析条件としては、グラウト接合部の上下端部から３００ｍｍの範囲におけるグラウト材のヤング係数と、それ以外の中央部におけるグラウト材のヤング係数の組み合わせであり、その他の条件はすべて共通とした。ここで、解析の詳細については、参考文献１（「モノパイル式洋上風車のグラウト接合部の耐力評価」、石井大吾、嶋田健司、平成２４年１１月２８日、第３４回風力エネルギー利用シンポジウム予稿集）に記載されているので、詳しい説明は省略する。 The analysis conditions were a combination of the Young's modulus of the grout material in the range of 300 mm from the upper and lower ends of the grout joint and the Young's modulus of the grout material in the other center, and all other conditions were common. For details of the analysis, refer to Reference 1 (“Evaluation of Strength of Grout Joints of Monopile Offshore Wind Turbine”, Daigo Ishii, Kenji Shimada, November 28, 2012, Proceedings of the 34th Symposium on Wind Energy Utilization The detailed explanation is omitted.
ここで、鋼管接合部において、中央領域（上記の非応力集中部Ｔ３）の中央部グラウト材３Ａのヤング係数をＥｃ１とし、上下の接合端部（上記の応力集中部Ｔ１、Ｔ２）の端部グラウト材３Ｂのヤング係数をＥｃ２とする。表１におけるＡシリーズは、中央部グラウト材３Ａのヤング係数Ｅｃ１が５３０００Ｎ／ｍｍ２の場合であり、端部グラウト材３Ｂのヤング係数Ｅｃ２を変えた５つのモデル（Ａ−１〜Ａ−５）である。 Here, in the steel pipe joint portion, the Young's modulus of the central portion grout material 3A in the central region (the above-mentioned non-stress concentration portion T3) is Ec1, and the end portions of the upper and lower joint end portions (the above stress concentration portions T1, T2) The Young's modulus of the grout material 3B is defined as Ec2. The A series in Table 1 is a case where the Young's modulus Ec1 of the central grout material 3A is 53000 N / mm 2 , and five models (A-1 to A-5) in which the Young's modulus Ec2 of the end grout material 3B is changed. It is.
そして、上記（１）式を用いて打ち継ぎ位置の平均圧縮応力度でθ＝０°の位置における解析結果の半径方向応力度を無次元化し、中央部グラウト材３Ａの応力集中係数Ｊ−ＳＣＦ（符号Ｊは、打ち継ぎ（Ｊｏｉｎｔ）を意味する）を算定した。応力集中係数とグラウト材のヤング係数比との対応を図４に示す。モデルＡ−５は、ヤング係数比が０．０１９であり、応力集中係数Ｊ−ＳＣＦ＞７．０を示しており、中央部グラウト材３Ａで高い応力集中が発生している。それ以外の解析結果については、どのシリーズにおいてもヤング係数比によらず、概ねＪ−ＳＣＦ＝１．０程度であり、中央部グラウト材３Ａには接合部端部のような応力集中が発生していない。 Then, using the above equation (1), the radial compressive stress degree of the analysis result at the position of θ = 0 ° in the average compressive stress degree at the joining position is made dimensionless, and the stress concentration coefficient J-SCF of the central grout material 3A (The symbol J means Joint). FIG. 4 shows the correspondence between the stress concentration factor and the Young's modulus ratio of the grout material. Model A-5 has a Young's modulus ratio of 0.019 and a stress concentration coefficient J-SCF> 7.0, and a high stress concentration occurs in the central grout material 3A. As for the other analysis results, J-SCF is approximately 1.0 regardless of the Young's modulus ratio in any series, and stress concentration like the end of the joint occurs in the central grout material 3A. Not.
また、グラウト材のヤング係数の組み合わせによる検討結果について説明する。
接合部端部に高強度のグラウト材を使用する場合、中央部グラウト材３Ａのヤング係数が低いほど接合部端部の応力集中を緩和することができる。
また、接合部端部に低ヤング係数のグラウト材を使用する場合には、ヤング係数が低いほど接合部端部の応力集中を緩和することができるが、グラウト材のヤング係数比が０．１以下の場合、打ち継ぎ位置における中央部グラウト材３Ａの応力集中係数が増大する。
Moreover, the examination result by the combination of the Young's modulus of a grout material is demonstrated.
When a high-strength grout material is used at the joint end, the stress concentration at the joint end can be reduced as the Young's modulus of the central grout material 3A is lower.
In addition, when a low Young's modulus grout material is used at the end of the joint, the lower the Young's modulus, the more the stress concentration at the end of the joint can be relaxed, but the Young's modulus ratio of the grout material is 0.1. In the following cases, the stress concentration coefficient of the central grout material 3A at the joining position increases.
上述のように本実施の形態による鋼管接合構造では、内管１と外管２のオーバーラップする鋼管接合部Ｔの長さ（オーバーラップ長）を長くするために薄厚の鋼板を追加溶接するといった従来のような特殊な接合構造を用いることなく、鋼管接合部Ｔの管軸方向の両端部の応力集中部Ｔ１、Ｔ２に高じん性の特性を有する端部グラウト材３Ｂ、鋼管接合部Ｔの中央部分の非応力集中部Ｔ３に中央部グラウト材３Ａをそれぞれ打ち分けて打設するという簡単で低コストとなる構造により、接合端部に生じる応力集中を効果的に抑制することができるという効果を奏する。 As described above, in the steel pipe joint structure according to the present embodiment, a thin steel plate is additionally welded in order to increase the length (overlap length) of the steel pipe joint T where the inner pipe 1 and the outer pipe 2 overlap. Without using a special joining structure as in the prior art, the end grout material 3B having high toughness characteristics at the stress concentration portions T1, T2 at both ends in the tube axis direction of the steel pipe joint T, and the steel pipe joint T The effect of being able to effectively suppress the stress concentration generated at the joint end portion by the simple and low-cost structure in which the central portion grout material 3A is separately placed on the non-stress concentration portion T3 in the central portion. Play.
以上、本発明による鋼管接合構造の実施の形態について説明したが、本発明は上記の実施の形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。 As mentioned above, although embodiment of the steel pipe joining structure by this invention was described, this invention is not limited to said embodiment, In the range which does not deviate from the meaning, it can change suitably.
例えば、本実施の形態では、鋼管を上下方向に向けて配置し、内管１を下側に配置し、その内管１の上端１ａに外管２の下端２ａを外嵌させるようにして接合する構成としているが、これに限定されることはない。例えば、外管２を下側に内管１を上側にして接合する構成でもよいし、鋼管が上下方向ではなく、水平方向に配置するものを対象とすることも可能である。
また、内管１及び外管２の厚さ寸法、単位長さ寸法、外径寸法などの構成については、その鋼管の材質や強度などに応じて適宜設定するこができる。
For example, in this embodiment, the steel pipe is arranged in the vertical direction, the inner pipe 1 is arranged on the lower side, and the lower end 2a of the outer pipe 2 is externally fitted to the upper end 1a of the inner pipe 1 and joined. However, the present invention is not limited to this. For example, a configuration in which the outer tube 2 is bonded to the lower side and the inner tube 1 is set to the upper side may be used, or the steel tube may be arranged in the horizontal direction instead of the vertical direction.
Moreover, about thickness, the unit length dimension, an outer diameter dimension, etc. of the inner pipe 1 and the outer pipe 2, it can set suitably according to the material, intensity | strength, etc. of the steel pipe.
その他、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、上記した実施の形態における構成要素を周知の構成要素に置き換えることは適宜可能である。 In addition, it is possible to appropriately replace the components in the above-described embodiments with known components without departing from the spirit of the present invention.
１ 内管
１ａ 上端
２ 外管
２ａ 下端
３ グラウト材
３Ａ 中央部グラウト材
３Ｂ 端部グラウト材
Ｏ 管軸
Ｔ 鋼管接合部
Ｔ１、Ｔ２ 応力集中部
Ｔ３ 非応力集中部
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Inner pipe 1a Upper end 2 Outer pipe 2a Lower end 3 Grout material 3A Center part grout material 3B End part grout material O Pipe shaft T Steel pipe joint part T1, T2 Stress concentration part T3 Non-stress concentration part
Claims (3)
前記内管の一端を前記外管の一端に挿入させて所定長でオーバーラップさせた鋼管接合部が形成され、
該鋼管接合部の管軸方向の両端部の応力集中部同士の間の非応力集中部には、ヤング係数が２０〜４０ｋＮ／ｍｍ ２ に設定された中央部グラウト材が打設され、
前記応力集中部には、前記中央部グラウト材よりも高じん性の特性を有するヤング係数が５〜２０ｋＮ／ｍｍ ２ に設定された端部グラウト材が打設され、
前記端部グラウト材のヤング係数は、前記中央部グラウト材よりも小さく、且つ前記中央部グラウト材の１／１０以上の材料であることを特徴とする鋼管接合構造。 A steel pipe joining structure for joining a pair of steel pipes of an inner pipe and an outer pipe,
A steel pipe joint is formed in which one end of the inner pipe is inserted into one end of the outer pipe and overlapped by a predetermined length,
In the non-stress concentration portion between the stress concentration portions at both ends in the tube axis direction of the steel pipe joint portion, a center portion grout material having a Young's modulus set to 20 to 40 kN / mm 2 is placed ,
In the stress concentration portion, an end grout material having a Young's modulus set to 5 to 20 kN / mm 2 having higher toughness characteristics than the central grout material is placed ,
A steel pipe joint structure characterized in that a Young's modulus of the end portion grout material is smaller than that of the central portion grout material and is 1/10 or more of the material of the central portion grout material .
ここで、σWhere σ ０0 はグラウト材の平均圧縮応力度、ＭIs the average compressive stress of the grout material, M ０0 は設計用モーメント、Ｒは外管の鋼管半径、ｔは外管の板厚（ｍｍ）、ｄは鋼管接合部の長さ寸法（ｍｍ）、μは鋼管（内管、外管）とグラウト材との摩擦係数、νは鋼管のポアソン比、ＳＦＣは鋼管接合部の応力集中部の応力集中係数、及びｌｅは応力集中が発生する範囲（接合部端部からの長さ）である。Is the design moment, R is the steel pipe radius of the outer pipe, t is the thickness of the outer pipe (mm), d is the length of the steel pipe joint (mm), μ is the steel pipe (inner pipe, outer pipe) and grout material , Ν is the Poisson's ratio of the steel pipe, SFC is the stress concentration coefficient of the stress concentration portion of the steel pipe joint, and le is the range where the stress concentration occurs (length from the end of the joint).
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