JP2012202510A - 免震構造物 - Google Patents

Abstract

【課題】免震装置を介して設置された建屋の上下方向の振動応答を低減する。
【解決手段】床３上に免震装置４を介して支持された基礎版５と、基礎版５上に一体に連結された主構造体６と、基礎版５を介して入力される第一の上下振動から、主構造体の振動を抑制するような第二の上下振動を発生するマスダンパー７とを有し、主構造体６内には、第一の上下振動に近似した固有振動数の機器９が配置されている免震構造物。
【選択図】図１

Description

本発明は、免震装置に支持された建屋の地震時における上下方向の振動を低減する免震構造物に関する。

原子力発電所は、原子炉、タービン設備及びその他付属設備から構成されており、これら設備は原子炉建屋、タービン建屋等、複数の建屋に収められている。これら建屋に対しては、最上級の耐震設計が適用されている。

図８は、原子力発電所における従来の建屋の免震構造物１０１を示す図である。この免震構造物１０１は、地盤２上に設置された下部基礎版３と、この下部基礎版３上に免震装置４を介して配置された上部基礎版５と、この上部基礎版５上に設置された建屋６から構成されており、免震装置４によって、地震時の建屋６の水平方向の振動を低減させている。

また、構造物の振動をより積極的に低減させるために、構造物に対して相対移動が可能な可動マスにより振動を低減する、同調質量ダンパー（Tuned Mass Damper，ＴＭＤ）、アクティブ・マスダンパー（Active Mass Damper，ＡＭＤ）等の、制振装置が提案されている。
特許文献１には、構造物に対し相対移動が可能な可動マスを備え、この可動マスを揺動させることにより構造物の転倒モーメントを低減する制振装置が記載されている。

特開２０００−２９１７２３号公報

しかしながら、免震装置を設置することによって、地震発生時の建屋の上下方向の振動が、建屋に設置されている機器の固有振動数付近の振動数となり、機器の応答が大きくなる場合がある。これにより、上下方向の振動が機器に影響を及ぼし、最悪の場合、機器を損傷させるという問題がある。
また、特許文献１に記載の制振装置は、構造物の転倒モーメントを低減することは可能であるものの、上下方向の振動の低減には適しておらず、この制振装置を原子力建屋に適用した場合、上下方向の振動によって建屋内の機器が損傷する可能性が考えられる。

この発明は、このような事情を考慮してなされたもので、その目的は、免震装置を介して設置された建屋の上下方向の振動応答を低減する免震構造物を提供することにある。

上記の目的を達成するために、この発明は以下の手段を提供している。
本発明の免震構造物は、床上に免震装置を介して支持された基礎版と、前記基礎版上に一体に連結された主構造体と、前記基礎板に連結され、前記基礎版を介して入力される第一の上下振動から、前記主構造体の振動を抑制するような第二の上下振動を発生するマスダンパーとを有し、前記主構造体内には、前記第一の上下振動に近似した固有振動数の機器が配置されていることを特徴とする。

上記構成によれば、基礎版を介して第一の上下振動が入力された際、マスダンパーにより主構造体の振動を抑制するような第二の上下振動が発生することにより、主構造体及び機器の上下方向の振動応答を低減することができる。

前記マスダンパーは、前記基礎版上配置されたばね要素及び減衰要素と、前記ばね要素及び減衰要素を介して支持された第一可動マスとから構成されていることが好ましい。

上記構成によれば、第一可動マスを移動させるための動力が不要であるので、より簡素な構成で免震構造物を構築することができる。

前記マスダンパーは、前記基礎版内に形成され、粘性流体が充填されたダンパー室と、前記ダンパー室内にばね要素を介して支持された第二可動マスとから構成されていることが好ましい。

上記構成によれば、基礎版内にマスダンパーを内蔵することができるため、基礎版上の主構造体の設置スペースを有効活用することができる。また、第二可動マスを移動させるための動力が不要であるので、より簡素な構成で免震構造物を構築することができる。

前記マスダンパーは、前記基礎版上配置されたアクチュエータと、前記アクチュエータを介して支持された第一可動マスとから構成されていることが好ましい。

上記構成によれば、第一可動マスを能動的に移動させて第一の上下振動に対して同周期逆位相の第二の上下振動を発生させることが可能になるため、より積極的に主構造体及び機器の上下方向の振動応答を低減することができる。

前記マスダンパーは、前記基礎版内に形成されたダンパー室と、前記ダンパー室内にアクチュエータを介して支持された第二可動マスとから構成されていることが好ましい。

上記構成によれば、基礎版内にマスダンパーを内蔵することができるため、基礎版上の主構造体の設置スペースを有効活用することができる。また、第二可動マスを能動的に移動させて第一の上下振動に対して同周期逆位相の第二の上下振動を発生させることが可能になるため、より積極的に主構造体及び機器の上下方向の振動応答を低減することができる。

前記第一可動マスは、物品を収容可能な建屋としてもよい。
上記構成によれば、第一可動マスを、倉庫等の建屋として利用できるため、限られた空間を有効に利用することができる。

前記ダンパー室は、複数の表面鋼板で形成された鋼板枠と、前記鋼板枠内に打設されたコンクリートとを備えた鋼板コンクリート構造体の一部に形成されていることが好ましい。

上記構成によれば、基礎版をより強固な構造とすることができる。また、ダンパー室として表面鋼板で形成された空間を利用することによって、新たにダンパー室用のスペースを形成する必要がないため、効率的に免震構造物を構築することができる。

本発明によれば、基礎版を介して第一の上下振動が入力された際、マスダンパーにより主構造体の振動を抑制するような第二の上下振動が発生することにより、主構造体及び機器の上下方向の振動応答を低減することができる。

本発明の第一実施形態による免震構造物の概略図である。 免震構造物の設計手順について説明するフローチャートである。 本発明の第二実施形態による免震構造物の概略図である。 第二実施形態によるマスダンパーの側面図である。 図４のＡ−Ａ断面図である。 本発明の第三実施形態による免震構造物の概略図である。 本発明の第四実施形態による免震構造物の概略図である。 従来の免震構造物の概略図である。

（第一実施形態）
以下、本発明の実施形態について図面を参照して詳細に説明する。
図１に示すように、本実施形態の免震構造物１は、地盤２上に設置された下部基礎版３と、この下部基礎版３上に免震装置４を介して配置された上部基礎版５と、この上部基礎版５上に設置された２階建ての建屋６と、上部基礎版５に接続されたマスダンパー７とを有している。建屋６は上部基礎版５上に一体に連結されて設けられており、建屋６の内部には、クレーン等の複数の機器９が設置されている。

下部基礎版３は、地盤２の凹所に凹所を補強するように設けられており、下部基礎版３の水平部は、建屋６を支持可能な面積を有している。上部基礎版５も同様に、建屋６を支持可能な面積を有しており、下部基礎版３の凹所に配置されている。上部基礎版５と下部基礎版３は水平をなし、かつ、両者が平行となるように配置されている。

下部基礎版３と上部基礎版５との間には空間部８が設けられ、この空間部８に免震装置４が介装されている。この免震装置４は、上部基礎版５及びその上方の構造物の水平方向の振動を低減するものであり、水平方向剛性の低い構造を有している。
詳しくは、免震装置４は、例えば、積層ゴムがほぼ均等間隔で配置されて構成されている。免震装置４にエネルギー吸収能力を負荷させる目的で、例えば、鉛粒のようなゴムよりも質量が大きい粒状の金属が混入された、鉛入りの積層ゴムを用いることが可能である。また、免震装置４として、すべり免震や、ボールベアリングを利用した転がり免震を採用することも可能である。

マスダンパー７は、第一可動マス１０と、第一可動マス１０と上部基礎版５との間に介在する複数のばね１１及びダンパー１２とから構成されている。第一可動マス１０は、平面視において四角枠形状を有する鋼製の錘であり、建屋６の周囲を囲むように配置されている。複数のばね１１及びダンパー１２は、第一可動マス１０を支持するように設けられている。

ばね１１は、第一可動マス１０の建屋６に対する相対的な上下方向の変位に対して逆向きに復元力を生じる適宜の部材とすればよく、例えば、コイルばねや空気ばね等のスプリング類を用いることができる。ダンパー１２は、第一可動マス１０の建屋６に対する相対的な上下方向の移動速度に対して逆向きの抵抗力を生じる適宜の装置とすればよく、例えば、粘性体や粘弾性体を用いて構成したダンパーとすることができる。

次に、図２を参照して免震構造物１の設計手順について説明する。
ます、免震装置４を設置後、建屋６の応答解析を行う（Ｓ１）。応答解析は、例えば、免震装置４を適用した建屋６の解析モデルを用いて、このモデルに対して地震を想定した場合の解析することで行う。解析後、建屋６に設置した機器９の上下応答が、予め設定したクライテリアを満足するか判定する（Ｓ２）。クライテリアを満足する場合、マスダンパー７は設置する必要がなく、免震装置４のみを設置し設計を終了する。

クライテリアを満足しない場合、マスダンパー７を有する上部基礎版５を検討する（Ｓ３）。ここでは、上部基礎版５に第一可動マス１０が設置可能であるかを特に検討する。第一可動マス１０を設置可能であると判断されたならば、マスダンパー７と免震装置４を備えた建屋６を設計する（Ｓ４）。

ここでは、第一可動マス１０の重量ｍ、ばね１１のばね定数ｋ、ダンパー１２の減衰係数等を検討する。ばね１１は第一可動マス１０の重量ｍと関連してマス１０の固有振動数ｆを決定するものであり、所望の固有振動数ｆとなるように、ばね定数ｋ及び第一可動マス１０の重量ｍが決定される。次いで、ばね定数ｋに応じて、ばねの寸法及び本数が選定される。この固有振動数ｆは、機器９を含む建屋６の固有振動における振動数に同調するように設計される。
マスダンパー７を含めた建屋６の設計が完了したならば、この建屋６の応答解析を行い、機器９の上下応答がクライテリアを満足することを確認する（Ｓ５）。

上記実施形態によれば、上部基礎版５を介して上下振動（第一の上下振動）が入力された際、第一可動マス１０に建屋６の振動を抑制するような上下振動（第二の上下振動）が発生することにより、建屋６及び機器９の上下方向の振動を低減することができる。
また、第一可動マス１０を移動させるための動力が不要であるので、より簡素な構成で免震構造物１を構築することができる。

さらに、建屋６の上部などに可動マスを設けると、建屋６の剛性が低い場合に応答の時間遅れが生じることがあるが、第一可動マス１０は、ばね１１及びダンパー１２を介して上部基礎版５に直接取り付けられているため、そのようなことはない。

次に、他の実施形態について、添付図面に基づいて説明するが、上述の第一実施形態と同一又は同様な部材、部分には同一の符号を用いて説明を省略し、第一実施形態と異なる構成について説明する。

（第二実施形態）
図３に示すように、第二実施形態による免震構造物１Ｂでは、第一実施形態のマスダンパー７（図１参照）に代わって、上部基礎版５Ｂの内部に形成されたマスダンパー７Ｂが設けられている。
上部基礎版５Ｂは、鋼板コンクリート構造を有している。詳しくは、上部基礎版５Ｂは、複数の表面鋼板２１によって形成された鋼板枠２２と、鋼板枠２２内に打設されたコンクリート２３から構成されている。鋼板枠２２の一部には、コンクリートが打設されておらず、直方体形状の空間であるダンパー室２４とされている。本実施形態においては、鋼板枠の最上段がダンパー室２４とされている。

図４及び図５を参照して、マスダンパー７Ｂの詳細について説明する。
マスダンパー７Ｂは、各々のダンパー室２４にそれぞれ設けられており、第二可動マス２５と、第二可動マス２５を支持するばね２６と、これらの動きに粘性抵抗を与えて減衰させるためにダンパー室２４内に充填されたオイル２７とから構成されている。

第二可動マス２５は、平面視において矩形状を有する鋼製の錘であり、ダンパー室２４に収容するのに適した大きさに形成されている。ばね２６は、第二可動マス２５の上面四隅とダンパー室２４の上面２４ａとを接続するように設けられていると共に、第二可動マス２５の下面四隅とダンパー室２４の下面２４ｂとを接続するように設けられている。これにより、第二可動マス２５は、ダンパー室２４内に弾性支持される。ばね２６は、第一実施形態のばね１１（図１参照）と同様のものを使用することができる。

ダンパー室２４内に充填されるオイル２７は、第二可動マス２５の上下方向の移動に対して減衰作用を与えるためのものである。ダンパー室２４に充填されるのは、第二可動マス２５に対して粘性減衰力を与える物質であれば、減衰力を与えるゴムなどでもよいが、液体の粘性抵抗を利用することが好ましい。また、ダンパー室２４をオイルで充填することなく、第一実施形態と同様に、第二可動マス２５をばね２６とダンパーで支持する構成としてもよい。

免震構造物１Ｂの設計手順は、第一実施形態と略同様である。マスダンパー７Ｂが所望の固有振動数ｆとなるように、複数の第二可動マス２５の重量ｍ、複数のばね２６のばね定数ｋを決定する。固有振動数ｆは、機器９を含む建屋６の固有振動における振動数に同調するように設計される。

上記実施形態によれば、第一実施形態の効果に加え、上部基礎版５Ｂにマスダンパー７Ｂを内蔵することができるため、上部基礎版５Ｂ上の建屋６の設置スペースを有効活用することができる。また、第二可動マス２５を移動させるための動力が不要であるので、より簡素な構成で免震構造物を構築することができる。

また、上部基礎版５Ｂの構造に鋼板コンクリート構造を採用したことによって、上部基礎版５Ｂをより強固な構造とすることができる。また、ダンパー室２４として表面鋼板で形成された空間を利用することによって、新たにダンパー室用のスペースを形成する必要がないため、効率的に免震構造物を構築することができる。

（第三実施形態）
図６に示すように、第三実施形態による免震構造物１Ｃでは、第一実施形態のマスダンパー７の第一可動マス１０（図１参照）に代わって、第二建屋２８が設けられている。第二建屋２８は、クレーン等が設置された建屋６とは別に設けられた建屋であり、建屋６とは違い、上下の振動が許容された建屋である。第二建屋２８は、第一実施形態のマス１０と同様に、複数のばね２９及びダンパー３０によって支持されている。

免震構造物１Ｃの設計手順は、第一実施形態と略同様である。マスダンパー７Ｃが所望の固有振動数ｆとなるように、第二建屋２８の重量ｍ、複数のばね２９のばね定数ｋを決定する。

本実施形態によれば、上下方向の振動を低減するマスダンパーのマスとして、内部に機器を収容できる建屋である第二建屋２８を用いるため、マスダンパーを構成するマスを機器の収納等に適した倉庫等の建屋として有効利用することができる。

（第四実施形態）
図７に示すように、第四実施形態による免震構造物１Ｄでは、第一実施形態のマスダンパー７（図１参照）に代わって、アクティブ・マスダンパー７Ｄが設けられている。アクティブ・マスダンパー７Ｄは、第一可動マス１０と、第一可動マス１０と上部基礎版５との間に介在する複数のばね１１、ダンパー１２、及びアクチュエータ３１とから構成されている。アクチュエータ３１は、例えば、油圧シリンダや電動シリンダなどのシリンダである。

また、上部基礎版５には、揺れを検出するための加速度センサ３２が設置されている。さらに、加速度センサ３２からの入力信号を基にアクチュエータ３１に制御指令を与える制御器３３を備えている。制御器３３は、加速度センサ３２より上部基礎版５の加速度の検出信号が入力されると、建屋６の振動を抑制する振動を第一可動マス１０に与えるようにアクチュエータ３１を駆動する。
なお、上記実施形態においては、アクチュエータ３１と並列にばね１１とダンパー１２を組み合わせているが、アクチュエータ３１のみでもよい。

本実施形態によれば、第一可動マス１０を能動的に移動させて上部基礎版５を介して入力される上下振動（第一の上下振動）に対して、建屋６の振動を抑制するような上下振動（第二の上下振動）を発生させることが可能になるため、より積極的に建屋６及び機器９の上下方向の振動応答を低減することができる。

なお、本実施形態においては、第一実施形態のマスダンパー７にアクチュエータを適用したが、第二実施形態のマスダンパー７Ｂにアクチュエータを適用する構成としてもよい。具体的には、第二実施形態のばね２６をアクチュエータとすることで、第二可動マス２５の能動的な移動を可能とする構成とすることが好ましい。

なお、本発明の技術範囲は上記の実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において、種々の変更を加えることが可能である。
例えば、第一実施形態においては、第一可動マス１０を上部基礎版５に設ける構成としたが、建屋６の剛性が十分である場合は、建屋６の上部においてばね及びダンパーを介して可動マスを支持する構成とすることも可能である。

１…免震構造物、３…下部基礎版（床）、４…免震装置、５…上部基礎版（基礎版）、６…建屋（主構造体）、７…マスダンパー、９…機器、１０…第一可動マス、１１…ばね（ばね要素）、１２…ダンパー（減衰要素）、２１…表面鋼板、２２…鋼板枠、２３…コンクリート、２４…ダンパー室、２５…第二可動マス、２６…ばね（ばね要素）、２８…第二建屋、２９…ばね（ばね要素）、３０…ダンパー（減衰要素）、３１…アクチュエータ。

Claims (7)

1. 床上に免震装置を介して支持された基礎版と、
   前記基礎版上に一体に連結された主構造体と、
   前記基礎板に連結され、前記基礎版を介して入力される第一の上下振動から、前記主構造体の振動を抑制するような第二の上下振動を発生するマスダンパーとを有し、
   前記主構造体内には、前記第一の上下振動に近似した固有振動数の機器が配置されていることを特徴とする免震構造物。
2. 前記マスダンパーは、前記基礎版上に配置されたばね要素及び減衰要素と、前記ばね要素及び減衰要素を介して上下移動自在に支持された第一可動マスとから構成されたことを特徴とする請求項１に記載の免震構造物。
3. 前記マスダンパーは、前記基礎版内に形成され、粘性流体が充填されたダンパー室と、前記ダンパー室内にばね要素を介して上下移動自在に支持された第二可動マスとから構成されたことを特徴とする請求項１に記載の免震構造物。
4. 前記マスダンパーは、前記基礎版上に配置されたアクチュエータと、前記アクチュエータを介して上下移動自在に支持された第一可動マスとから構成されたことを特徴とする請求項１に記載の免震構造物。
5. 前記マスダンパーは、前記基礎版内に形成されたダンパー室と、前記ダンパー室内にアクチュエータを介して上下移動自在に支持された第二可動マスとから構成されたことを特徴とする請求項１に記載の免震構造物。
6. 前記第一可動マスは、物品を収容可能な建屋であることを特徴とする請求項２又は請求項４に記載の免震構造物。
7. 前記ダンパー室は、複数の表面鋼板で形成された鋼板枠と、前記鋼板枠内に打設されたコンクリートとを備えた鋼板コンクリート構造体の一部に形成されていることを特徴とする請求項３又は請求項５に記載の免震構造物。

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