JPH035450B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、大型振動台等振動を発生する機械装
置類を据付けた基礎から振動が周囲の地盤に伝え
られて、附近の建築物や施設に振動被害を及ぼす
ことを避けるため、或は原子力プラント等特に厳
重な耐震性を要求される重要設備を設置した基礎
に外部の地盤から地震波が伝えられそれ等の重要
設備が破壊されて重大な被害を生ずることを防ぐ
ため、基礎と地盤との間で振動を効果的に絶縁す
る振動絶縁用基礎の構造に関する。

近年、原子力発電プラントを始め、火力発電プ
ラント、化学プラント等に対する耐震設計の規定
が次第に厳格になり、それに伴つてそれらのプラ
ントに使用される建築物並びに機器類の耐震性能
を実証する必要が生じ、そのために大型振動台に
よる厳密な振動実験が実施されるようになつて来
た。

この種の振動台においては、その仕様上極めて
大きな加振力を発生させることが必要となるた
め、その加振力が基礎を通じて周囲の地盤に伝え
られて附近の建物等を振動させ、住民に被害を及
ぼして問題になつた実例が少からず存在する。こ
のような場合の対策の一つとして、振動台の基礎
を適当なばね装置によつて地盤に対して弾性支持
し、いわゆる振動絶縁する方法が有効なことは周
知の通りである。

ところで、この種の振動台では、振動台からの
反力によつて基礎も必然的に振動させられる関係
から、振動台の振動特性を良好に保つためには、
基礎の重量を振動台の重量に対して充分に大きく
しておかねばならない。そのため、通常、基礎の
重量は搭載物を含めた振動台の最大重量の少くと
も40〜50倍以上にすることが望ましいとされてい
る。このように基礎重量が大きくなると、それを
弾性支持するために多数のばね装置が必要となる
ので、そのための費用がかさむ点で問題となる。

上述のことを実例について数値的に説明する
と、搭載物を含めた振動台の最大重量が例えば
50tの場合、基礎の重量は少くとも2000tとするこ
とが望ましい。この基礎を弾性支持するためのば
ねとしては、金属ばね、防振ゴム、空気ばね等が
あるが、本例のような振動台を対象とする場合
は、荷重負担力が広範囲に変えられ、支持高さが
自由に調整制御できる点で、空気ばねが最適であ
る。そこで、車両用などとして実用されている最
大静荷重16tの空気ばねを使用することにすると、
空気ばねの必要数は（2000＋50）／16＝128、す
なわち128となる。

これに対して、本発明の振動絶縁用基礎の場合
は、予め基礎を収容するに充分な水槽を構築し
て、その水中に基礎を浸し、作用する水の浮力を
利用することによつて、基礎の支持ばねの負担を
大幅に軽減することができる。例えば、基礎を一
辺16ｍの正角柱とし、吃水を6.5ｍとすれば、基
礎に作用する浮力は 16×16×6.5×１＝1664tとなるから、余剰重量
の2050−1664＝386tを前記と同じ空気ばねで支持
するとすれば、386／16＝24 すなわち、この場合の空気ばねの個数は24個で
すむことになる。もちろん、この場合に基礎の浸
水容積をもつと大きくすれば、空気ばねの個数は
さらに減らすことができ、丁度浮力が基礎重量と
釣合うときは、基礎は水槽中に完全に浮んだ状態
になり、支持用ばねはなくてもよいことになる。
しかし実際上は、基礎を任意に固定状態又は弾性
支持状態にすることができるように、適当な小数
個の空気ばねを置くことが必要である。

さて、上記の状態の基礎は、周囲の地盤とはあ
る厚さの水の層によつて隔離されているわけであ
るが、このままの状態では、基礎が振動すると、
その振動は圧力波となつて水中を伝播し、結局地
盤へ伝達することになる。そこで、この振動伝達
を軽減するため、本発明においては、基礎の側面
及び底面の接水部分に多数の空気室を設けてあ
る。この空気室内の空気のばね作用によつて、上
記の水中を通じての振動伝達は効果的に軽減され
る。これらの空気室の形状・大きさについては、
後述する実施例で示すが、要するに、空気室の総
容積を充分に大きくとりさえすれば、この水中振
動伝達をいくらでも少くすることができる。従つ
て本発明による振動絶縁用基礎においては、基礎
の振動の周囲の地盤への振動伝達は、大部分がご
く小数の支持ばねを通じて行われることになるの
で、ごく僅少になり、その結果極めて勝れた振動
絶縁効果が達成されるわけである。

なお、本発明による振動絶縁用基礎は、比較的
高価なばね装置が大幅に節減される点で、経済的
にも有利である。ただし、経済性については、本
発明の場合、水槽の構築と給水設備及び基礎に空
気室と給気装置を設けるための費用が余分にかか
るので、この点を考慮して総合的に判断しなけれ
ばならない。しかし、一般的に言つて、基礎重量
が大きくなるほどばね装置節減の効果が卓越して
来るので、ある程度以上の大基礎に対しては本発
明の方式の方が普通の単純ばね支持方式より経済
的にも有利になるのである。

次に、原子力プラント等の耐震設計に関する問
題について述べる。前述のように、近年これらの
プラントに対する耐震設計の要求がますます厳格
になるにつれて、これに対する積極的対策とし
て、いわゆる免震構造方式が試みられるようにな
つて来た。それは、これらのプラントにおける重
要設備をその基礎ごと地盤に対して弾性支持し
て、外部の地盤からの地震波の伝達を絶縁して、
免震状態にしようとするものである。例えば、既
にフランス、イラン等の原子力発電所で実用され
ている例では、基礎を多数の大型の積層・角型防
振ゴムで支持して、その比較的柔軟な剪断弾性を
利用して、水平方向の振動絶縁を計る方式があ
る。計算によれば、当然ながら、水平動に対して
は、この方式により勝れた免震効果が得られるこ
とが示されている。しかしながら、この方式は、
上記防振ゴムの特性上、垂直方向には充分な柔軟
性を持たせることが不可能なため、垂直動に対し
ては免震効果が期待されないのみでなく、却つて
垂直動を増幅する場合もあり得るという点で、大
きな問題を残している。

上記の問題は、防振ゴムの代りに空気ばね又は
金属ばねと適当なダンパーを併用したばね装置を
適用すれば、理論上は簡単に解決するが、実際問
題としては、この場合の基礎重量が巨大であるた
め、莫大な数量のばね装置が必要になるので、こ
の方式の実現は極めて困難である。これらの困難
は、本発明の振動絶縁基礎を適用すれば、すべて
完全に解決するのである。

実例によれば、50万KW級の原子力発電プラン
トにおいて、原子炉本体と格納容器、周辺機器及
びそれらを収容する建屋を設置した基礎全体重量
は約16万ｔである。この基礎を普通のばね装置だ
けで支持しようとすれば、現在の技術で実現可能
な常用静荷重50tの大型空気ばねを使つても、
3200個の大量が必要になる。これに対して、本発
明の場合は、上記の基礎を水槽内に浸して浮力を
働かせることによつて、上記の基礎重量16万ｔの
大部分を釣合わすことができるので、残余の重量
を支持するためのばね装置は小数で足りることに
なる。例えば基礎の寸法を水平横断面積6000m²、
吃水25ｍとすれば、浮力は15万ｔになるので、残
余重量１万ｔを前記と同じ空気ばねで支持するこ
とにすれば、僅かに200個ですむことになる。も
ちろんこの個数は基礎の寸法の選び方で、もつと
減らすことも可能であるが、実際問題としては、
基礎の安定性増大、減衰性付与等の条件を考慮し
て、適量の個数が必要である。

なお、本発明の基礎の地震波に対する振動絶縁
性すなわち免震性が、基礎を直接普通のばね装置
だけで支持する方式に比べて、格段にすぐれてい
ることは、前例で述べたのと同じ理由で説明され
る。

以下、添付の図面に基づいて、本発明の実施例
について述べる。

第１、第２及び第３図は、大型振動台の基礎に
対して本発明を適用した場合の基礎の構成を示
す。第１図は基礎の平面図、第２図は第１図の
−矢視図、第３図は第１図の−矢視図であ
る。これらの図において、基礎１は地盤２を掘削
して構築した水槽３の中に収容され、水槽３には
水４が水面５まで満たされている。これによつて
基礎１は、上記水面以下の基礎容積と同量の水の
重量に相当する浮力を受ける。搭載物を含めた基
礎の全重量からこの浮力を差引いた残余の重量
は、基礎１の周縁部分６と水槽３の外縁部分７と
の間に設置した合計24個のばね装置８（この例で
は空気ばね）によつて支持されている。

基礎１の側面及び底面の接水部分には、多数の
区画に分けられた側面空気室９及び底面空気室１
０が設けられている。側面空気室は表板９．１、
裏板９．２、上板９．３及び側板９．４によつて
囲まれ、周囲の水４は表板９．１の下方に明けら
れた開口９．５を通して空気室内に入り、室内の
空気と水面１１で接している。又、底面空気室１
０は上板１０．１及び側板１０．２によつて囲ま
れ、室内の空気は室の下部の水面１２で水槽内の
水４と接している。空気室の数は、この例では、
側面空気室９が１側面当り３層８区画で、合計24
室、各側面全部で96室であり、底面空気室１０は
８行８列で、合計64室である。

このように空気室を多数の区画に分けてあるの
は、基礎の傾斜に対する水による復原性が空気室
内の自由水面の影響で悪化するのを防ぎ、基礎の
安定を充分に確保するのが主目的であるが、同時
に、基礎の振動に伴つて空気室内の自由水面に波
立ちが起り、余分な撹乱を発生するのを防ぐのに
役立てるためである。

第１及び２図の図中の１３は振動台で、垂直方
向の支持並びに加振装置１４及び水平方向の支持
並びに加振装置１５によつて基礎１に結合されて
いる。１６は振動台１３の上に取付けられた試験
体である。なお、水槽に対する給水設備及び基礎
の空気室に対する給気装置が必要であるが、図中
には省略してある。

第４図は、本発明を原子炉、その格納容器及び
その周辺機器を収容する建屋全体の基礎に対して
適用した場合の概念図で、上記建屋及び基礎の横
断面を示す。この場合の基礎の支持ばね装置及び
基礎の空気室の構成は、第１〜３図に示した前例
の場合と、大きさと個数が異るだけで、原理的に
は全く同じである。第４図に基づいて説明すれ
ば、原子炉棟１７を包含した基礎１は、地盤２を
掘削して構築した水槽３の中に収容され、水槽３
には水４が水面５まで満たされている。基礎１の
重量から水の浮力を差引いた残余の重量はばね装
置８によつて支持される。基礎１の接水部分には
側面空気室９及び底面空気室１０が設けられ、側
面空気室９の内部の空気は開口９．５を通じて出
入する水槽の水４と水面１１で接している。一
方、底面空気室１０の内部の空気はその下部の水
面１２で水槽の水４と接している。この例におけ
るこれらの空気室の数は、側面空気室９は１側面
当り９層16区画で、合計144室、各側面全部で576
室であり、底面空気室は16行16列で、合計256室
である。

次に、本発明の作用について述べる。便宜上、
水平振動の場合を例にして考える。第２図を参照
して、今基礎が右方に微少変位をしたとすると、
基礎の右側面の水は押されて、その一部は側面空
気室９の開口９．５を通つて空気室内に入り、他
の一部は前後側面及び底面へ廻りこんで左方に流
動し、結局、左側面に廻りこむ。上記の右側面空
気室に入つた水は室内の水面１１を押し上げ、室
内の空気を圧縮する。この際、空気のばね作用が
生じる。そして室内の空気圧が増加し、この圧力
増加は水圧となつて右側の水槽壁に伝えられる。
一方、基礎の左側面の水は逆に引かれるから、左
側面空気室内の水面は下り、室内の空気は膨張し
て、空気圧は減少する。この圧力減少は水圧を介
して左側の水槽壁に伝えられる。このようにし
て、基礎の水平変位は、側面空気室の空気圧の変
動を生じ、それが水圧を介して水槽壁に力を及ぼ
すのである。なお、上記のように、左右側面から
前後側面及び底面を通つて流動する水は、基礎の
振動に伴ういわゆる仮想質量の効果を生む。

上述の説明で明らかなように、本発明の場合、
基礎に対する加振力の地盤への伝達は、基礎周辺
の支持ばねを通じて行われる外に、基礎側面の空
気室（水平振動の場合）又は底面空気室（垂直振
動の場合）の空気圧が水圧となつて水槽壁に作用
することによつて行われる。

第５図は、第１〜３図に示した本発明における
水平振動の地盤への伝達率（上記伝達力の加振力
に対する割合）の計算結果の一例を示す。図の横
軸のｎは加振力の振動数（Hz）である。図中の実
線は本発明の場合を、破線は前述のように128個
の空気ばねで単純支持した場合を表わす。単純ば
ね支持の場合は、ｎ＝0.83Hzに共振点があるのに
対し、本発明の場合は、ｎ＝0.17Hz及び0.72Hzの
２個所に共振点が存在する。これは単純ばね支持
方式の場合の振動系が、支持ばねと基礎質量から
成る１自由度系であるのに対し、本発明の場合
は、この基礎質量に、側面空気室によるばねを介
して、さらに基礎周囲の水が仮想質量として結合
し、結局２自由度系になつているためである。そ
してｎ＝0.17Hzの振動は主として仮想質量が振動
するモードであり、ｎ＝0.72Hzの方は主として基
礎が振動するモードである。

第５図で明らかなように、この計算例の振動台
基礎の伝達率は単純ばね支持方式の場合でも、ｎ
≒1.2Hz以上では１以下となり、振動絶縁効果が
表われているが、本発明の場合は、さらに振動絶
縁性がよく、伝達率はｎ≒１Hz以上で１以下とな
り、約５Hz以上では単純ばね支持方式の場合の約
40％減となつている。この実施例では、これ以上
伝達率を下げる必要がないので、両方式の差はこ
の程度に止まつているが、もし必要ならば、本発
明の場合は、基礎側面又は底面空気室の容積を増
しさえすれば、さらに伝達率を低下させられるこ
とは、前にも触れた通りである。

前記の実施例において、ｎ＝0.17Hz及び0.72Hz
における共振は、実際の振動台の運転を次の手順
で行えば容易に回避できる。それは、ｎ＝1.2Hz
以下では支持用空気ばねの空気を抜いて、基礎を
直接地盤上に乗せて実際上固定状態に保つのであ
る。このようにしても、この附近の低振動数範囲
では振動台から発生する加振力はごく小さいの
で、何等問題にならない。そして、ｎ＝1.2Hz以
上では空気ばねに空気を送つて基礎を浮かし、正
規の状態に戻せばよい。

第４図に示した本発明の原子力プラント用の基
礎は、外部の地盤からの地震波の伝達を絶縁する
ことを目的とするが、この場合に対しても、前述
の伝達率の概念はそのまま適用される。すなわ
ち、この場合の伝達率は外部の地盤の振動振幅に
対する基礎の振幅の割合と考えればよい。従つ
て、第５図の傾向から容易に推定されるように、
第４図に示す基礎の場合も、地震の水平動で特に
加速度の大きい2.5〜６Hz附近の振動数に対して
は、極めて勝れた振動絶縁効果又は免震効果が得
られるのである。

ここで注意すべきは、地震の水平動の中には、
時として特に長周期で大振幅の振動成分が存在す
ることである。従つて、免震用基礎の場合は、第
５図において１Hz以下に現われている低振動数の
共振は起らないようにしなければならない。しか
し、それは基礎周囲の水中に適当な邪魔板を入れ
る等の簡単な手段で、水槽の水のスロツシングを
防ぐことができるし、また、基礎の支持ばね装置
の中に適当なダンパーを、特に簡単な構造の摩擦
ダンパーを入れる等の方法で、低振動数での基礎
の共振を容易に制圧することができる。

なお、水平振動の場合、厳密に言うと、多少と
も基礎全体の傾斜振動が連成するので、振動自由
度が３になり、その結果基礎の固有振動数が、従
つて共振点が３個になるが、実際問題としては、
この傾斜振動の影響は小さいので、前述のような
２自由度系の解析でも、本質的な誤りは生じな
い。もちろん、この場合、基礎全体の重心点の高
さを、基礎の支持ばね及び側面空気室のばね作用
を総合し水平方向ばね中心面に一致させておけ
ば、基礎の傾斜振動は独立になるから、前述の水
平振動の解析はそのまま正しく成立するわけであ
る。

以上の説明により明らかなように、本発明によ
れば (1) 大型振動台等振動を発生する機械・装置類を
搭載する基礎に適用して、比較的安価に、極め
て勝れた振動絶縁効果を発揮させることができ
る。

(2) 原子力プラント等特に厳重な耐震性を要求さ
れる設備の基礎に適用して、他の方法では達成
困難な垂直水平両方向の免震性を、比較的容易
な施工によつて、極めて効果的に発揮させるこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明を大型振動台の基礎に適用した
実施例で、基礎の平面図、第２図は第１図におけ
る−線矢視図、第３図は第１図における−
線矢視図、第４図は本発明を原子炉等重要設備
の基礎に適用した場合の概念図で、原子炉建屋及
び基礎の横断面図、第５図は、第１図乃至第３図
に示した本発明の振動絶縁用基礎における水平振
動の伝達率の計算結果の一例を示すグラフであ
る。 これらの図において、１は基礎、２は地盤、３
は水槽、４は水槽内の水、５は水槽の水面、６は
基礎の周縁部分、７は水槽の外縁部分、８はばね
装置、９は基礎の側面空気室、９．１は側面空気
室の表板、９．２はその裏板、９．３はその上
板、９．４はその側板、９．５はその開口、１０
は基礎の底面空気室、１０．１はその上板、１
０．２はその側板、１１は側面空気室内の水面、
１２は底面空気室内の水面、１３は振動台、１４
はその垂直方向の支持並びに加振装置、１５はそ
の水平方向の支持並びに加振装置、１６は振動試
験体、１７は原子炉棟を示す。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 機械装置又は設備等を設置した基礎を水槽内
   に収容し、前記水槽内の水の浮力によつて前記装
   置又は設備等を含む基礎全体の大部分の重量を釣
   合わせ、残余の重量を前記基礎周縁と水槽外縁近
   傍との間に設置したばね装置によつて支持し、前
   記基礎の接水部分には多数に区画された空気室を
   設け、かつ前記空気室はその下面で空気室内の空
   気が水槽の水と接触するように構成したことを特
   徴とする振動絶縁用基礎の構造。