JPH06249401A

JPH06249401A - ボイラの耐震構造物

Info

Publication number: JPH06249401A
Application number: JP3884093A
Authority: JP
Inventors: Hidekazu Nishida; 英一西田; Takashi Yasuda; 隆安田; Yasuhide Sakaguchi; 安英坂口
Original assignee: Babcock Hitachi KK
Current assignee: Mitsubishi Power Ltd
Priority date: 1993-02-26
Filing date: 1993-02-26
Publication date: 1994-09-06

Abstract

(57)【要約】【目的】地震発生時の支持鉄構にかかる荷重を軽減
し、耐震構造の合理化を図ることができるボイラの耐震
構造物を提供する。【構成】ボイラ２とボイラを吊り下げ部材２１を介し
て支持する支持鉄構１と、ボイラの振子運動を拘束すべ
くボイラと支持鉄構の間を連結するサイスミックタイ３
とを備えたボイラの耐震構造物において、ボイラの上方
位置に弾塑性特性を有する受動型サイスミックタイ３
を、ボイラの下方位置に減衰特性を制御することができ
る可制御型サイスミンクタイ８を連結し、支持鉄構とボ
イラに設けた振動センサ３０の検出値に基づき可制御型
サイスミックタイを制御する制御装置３２を設ける。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はボイラの耐震支持構造物
に係り、特に耐震性の向上、および耐震構造の合理化に
好適なボイラの耐震構造物に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来のボイラ支持構造は図２に示すよう
に、ボイラ本体２の自重は支持鉄構１頂部に設けた吊り
ボルト２１で支持し、ボイラ本体２に作用する水平方向
地震荷重はボイラ本体２、支持鉄構１の間に適宜配置さ
れたサイスミックタイ３（以下、場合により単にタイと
略す）により支持鉄構１に伝達する構造となっている。
図３は従来のタイ構造を示す。多数の伝熱管とそれらを
接続する板状メンブレンとで構成された水壁６の火炉内
圧による膨出を防止するため、水壁に設けたバックステ
ー７と、支持鉄構１とにそれぞれ取付けた鉛直ビーム１
２３とそれらを水平ビーム１２２で連結して構成してい
る。ボイラ本体２の鉛直方向の熱膨脹を拘束することな
く水平方向の荷重のみを伝達する構造となっている。こ
の荷重をタイで吸収できれば支持鉄構に作用する地震荷
重が低減し、ボイラ耐震構造上の信頼性の向上が図れる
が、現在のタイ構造ではこの面での機能が充分とはいえ
ず、重要な技術課題となっていた。

【０００３】ここで、最近注目を集めている「制震技
術」をボイラ構造物に適用することを考える。表１に制
震方法の分類と特徴を示す。

【０００４】

【表１】制震方法は受動型と可制御型に大別され、可制御型はさ
らに能動型と準能動型に分類される。受動型は、オイル
ダンパに代表されるように地震エネルギー吸収機能を持
った装置を使用して地震応答を低減する方法である。安
価であるが、制震効果は比較的小さい。能動型は、加振
装置（アクチュエータ）を用い、構造物の地震応答をセ
ンサで時々刻々モニタしながら加振装置を制御して地震
応答を押さえ込むものである。制震効果は大きいもの
の、イニシャルコストが大きい。また常時加振装置を運
転可能状態にしておくため、油圧ポンプやファン等の付
属機器を常に稼働しておく必要があり、ランニングコス
トが大きい点が問題である。準能動型は、剛性や減衰特
性が制御可能な装置を用いた制震方法であり、制震効果
は受動型にまさり、またランニングコストは能動型より
安価である。

【０００５】ちなみにボイラ構造物に能動型制震方法を
適用した例として、アクティブマスダンパ（略してＡＭ
Ｄ）について以下に記す。これは建物のある位置にアク
チュエータを取付け、その先端に大重量物体を取付けて
アクチュエータを加振し、大重量物体の反力を利用して
建物の振動を押さえ込む方法である。図４はそのボイラ
への適用例であり、付加重錘駆動装置１２がこれに当た
る。アクチュエータは支持鉄構１の上部と基礎に取付け
た振動計１１の信号を用いて制御される。一般に上記大
重量物体の重量は構造物のそれの１／１００以上である
から、１０００ＭＷクラスのボイラの場合には約１００
ｔｏｎ以上となり、したがってアクチュエータも超大型
となる。そのため経済的な観点から実用的でないといえ
る。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】上記のボイラ構造は、
ボイラ本体の地震荷重を支持鉄構に伝達するタイに関
し、伝達する地震荷重を低減するという観点からの配慮
が必ずしも充分でなく、ボイラ支持構造物の構造合理化
上問題があった。本発明の目的は、吊り構造というボイ
ラ特有の構造を活かした形で先に述べた「制震方法」を
適用し、支持鉄構に作用する地震荷重を低減すること、
つまり、受動型、可制御型（特に準能動型）を併用する
タイ構造を提案し、そのタイを具備した合理的なボイラ
耐震構造物を提供することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
本願の第１の発明は、ボイラと、ボイラを吊り下げ部材
を介して支持する支持鉄構と、ボイラの振り子運動を拘
束すべくボイラと支持鉄構の間に配置され両者を連結す
るサイスミックタイとを備えたボイラの耐震構造物にお
いて、地震エネルギー吸収装置を有する受動型サイスミ
ックタイと制御可能な地震エネルギー吸収機能を有する
可制御型サイスミックタイとを併用したことを特徴とす
るボイラの耐震構造物に関する。

【０００８】本願の第２の発明は、ボイラと、ボイラを
吊り下げ部材を介して支持する支持鉄構と、ボイラの振
り子運動を拘束すべくボイラと支持鉄構の間に配置され
両者を連結するサイスミックタイとを備えたボイラの耐
震構造物において、ボイラの上方位置に弾塑性特性を有
する受動型サイスミックタイを、ボイラの下方位置に減
衰特性を制御することが可能な可制御型サイスミックタ
イを設けたことを特徴とするボイラの耐震構造物に関す
る。

【０００９】本願の第３の発明は、ボイラと、ボイラを
吊り下げ部材を介して支持する支持鉄構と、ボイラの振
り子運動を拘束すべくボイラと支持鉄構の間に配置され
両者を連結するサイスミックタイとを備えたボイラの耐
震構造物において、ボイラの上方位置に地震エネルギー
吸収機能を有する受動型サイスミックタイを、ボイラの
下方位置に制御可能な減衰特性を有する準能動型サイス
ミックタイを連結するとともに、支持鉄構およびボイラ
本体に振動センサを設け、振動センサの検出値に基づき
準能動型サイスミックタイを制御する制御装置を設けた
ことを特徴とするボイラの耐震構造物に関する。

【００１０】

【作用】上記の方法によれば、タイが支持鉄構に伝達す
るボイラ本体の地震荷重が大幅に低減するので、支持鉄
構に作用する地震荷重を最小化できる。

【００１１】

【実施例】図１に本発明になるボイラ構造におけるタイ
の取付け位置を示す。本実施例では、タイの設置レベル
はボイラ本体２の最上段部、中段部、および最下段部の
３個所に設置する。最上段部、中段部のタイ３はボイラ
本体上段部、中段部の周囲に適宜配置する。これらのタ
イは受動型とする。最下段部のタイ８は可制御型であ
る。このタイは、時々刻々の地震応答を検出すべくボイ
ラ構造物の各部に配置された振動センサ３０（３０−
１、３０−２、３０−３）の信号を用いて、制御装置３
２により制御される。

【００１２】次に、タイの特性について述べる。まず図
５に示す受動型タイの場合、それに組み込まれている地
震エネルギー吸収装置１２４によってその特性が決ま
る。この場合、リンクを形成する水平ビーム１２２の中
央に、鉛直ビーム１２３より低剛性で、かつ地震時に生
じる変形により熱を発生する装置を組み込むことになる
が、この熱量が地震エネルギー吸収量に相当し、この量
が多いほど地震応答は低減する。地震エネルギー吸収装
置としては、例えば図６に示す油圧防振器（以下、オイ
ルダンパと称す）、図８に示す弾塑性ダンパ等が考えら
れる。図６に示すオイルダンパの場合、ピストン１３０
の運動により、オイル１３４がオリフィス１３３を通過
する時の流体抵抗の力が反力となる。反力Ｆはピストン
１３０の移動速度Ｘに比例し、以下の式で表わされる。

【００１３】

【数１】

【００１４】したがってオイルダンパを組み込んだタイ
（オイルダンパ型タイ）の特性は、減衰係数Ｃによって
表わされる。オイルダンパ型タイに正弦波で表わされる
動荷重を作用したときの荷重（反力）−変位の関係を図
７に示す。楕円ループを描くのが特徴であり、このルー
プの面積が地震エネルギー吸収量、言い換えれば発熱量
に相当する。したがってこのループの大きさは、地震エ
ネルギー吸収装置としての性能を表わす指標となる。次
に図８に示す弾塑性ダンパの場合、ダンパ部の上下の取
付け部１３２に作用する荷重によりダンパ部の鋼は塑性
変形を生じ、この反力Ｆは以下の式で表わされる。

【００１５】

【数２】Ｆ＝ｋ・ＸＸ≦ＸｙＦ＝ＦｙＸ＞Ｘｙここで、ｋは剛性係数、Ｆｙは降伏荷重、Ｘｙは降伏変
位である。したがって、弾塑性ダンパの特性は、この
ｋ、Ｘｙ（またはｋ、Ｆｙ）の組によって表わされる。
弾塑性ダンパ型タイに正弦波で表わされる動荷重を作用
したときの荷重（反力）−変位の関係を図９に示す。原
点０から荷重が増大すると変形も比例して増大するが、
ある荷重値になると塑性変形を生じ、傾きが小さくなる
（Ａ点）。次に荷重が低減し、逆向きに作用してＣ点に
達するまでは、原点からＡ点までの挙動（弾性挙動）と
同様な挙動をするが、Ｃ点において塑性変形が生じ、傾
きが小さくなる。このようにして平行四辺形のループを
描き、このループの面積が地震エネルギー吸収量、言い
換えれば発熱量に相当する。またこのような特別の装置
を用いなくても、従来のサイスミックタイを低剛性とな
るよう適切な構造として意図的に塑性状態に到らせるこ
とにより、弾塑性ダンパに近い効果が得られる。これを
実現する方法としては、図３に示すリンク式タイで鉛直
ビーム１２３の長さ、直径を調整することが考えられ
る。長さの増大、直径の減少により剛性は低下し、図１
０に示すように鉛直ビーム１２３の過大な曲げ変形が生
じて弾塑性タイとして作用することになる。したがっ
て、このような配慮をしたリンク式タイも、弾塑性タイ
とみなすことができる。以上の受動型タイを比較する
と、制振性能ではオイルダンパ型が優れているが、コス
ト的にはリンク式タイが圧倒的に安価である。

【００１６】次に可制御型タイについて述べる。能動型
と準能動型の２つがあるが、先に表１で示したようにラ
ンニングコストの点で準能動型のほうが安価であるた
め、ここでは準能動型のタイを採用する。その場合、剛
性、または減衰特性の制御が可能な装置を組み込む必要
があるが、ここでは実用化が進んでいる可変減衰装置を
採用することにする。この場合、図５に示す受動型タイ
における地震エネルギー吸収装置１２４のかわりに可変
減衰装置１２４を組み込む。図１１に可変減衰装置の一
例として、「メカトロダンパ」と称する装置の構造を示
す。このダンパでは、ピストン７０の運動がボールナッ
ト７２とボールスクリュ７１により、ボールスクリュ７
１の回転運動に変換される。この回転運動は、調速器７
４により回転速度を増幅され、ボールスクリュ７１の先
端部の発電機７５の高速回転を引き起こす。この発電機
７５の周囲には可変抵抗７７を有するコイル７６があ
り、この抵抗値を変化させることにより、回転体の制動
力が変化し、その結果としてピストン７０の運動に対す
る反力の特性が変化する。この特性は以下の数式で表わ
される。

【００１７】

【数３】

【００１８】ここに、Ｆは反力、

【００１９】

【外１】

【００２０】はピストン７０の移動速度である。またＣ
（ｒ）は、減衰係数Ｃが抵抗値ｒに依存して変化するこ
とを示しており、この抵抗値を制御すれば可変減衰装置
として作用することになる。図１２にこのメカトロダン
パ型タイに正弦波入力を与えた場合の変位−反力の曲線
を示す。抵抗値ｒが大きいと減衰係数Ｃも大きくなり、
大きなループを描く。ｒが小さいとＣも小さくなり、ル
ープも小さくなる。この装置の長所はランニングコスト
がほとんどかからないこと、および電気信号により直接
反力を制御できるため、応答性がきわめてよいことであ
る。

【００２１】ここでは、ａ）メカトロダンパ型タイの制
御方法、ｂ）数値計算例の順に述べる。メカトロダンパ
型タイの制御については準能動型に対する制御理論の適
用が可能である。その一例として、（１）式の減衰係数
Ｃを振動センサ３０−１、３０−２、３０−３の信号
（外１）₁（ｔ）、（外１）₂（ｔ）、（外１）
₃（ｔ）を使って

【００２２】

【数４】

【００２３】となるようにメカトロダンパの抵抗７７を
制御する方法を採用する。ここで、振動センサ３０とし
ては速度計を用いることにする。したがって、（外１）
₁（ｔ）、（外１）₂（ｔ）、（外１）₃（ｔ）は応答
速度信号となる。また、ｇは制御ゲインである。この物
理的意味を以下に述べる。メカトロダンパ型タイの抗力
Ｆは、同タイのボイラ側取付点、支持鉄構側取付点の地
震応答速度

【００２４】

【外２】

【００２５】の差に比例する。

【００２６】

【数５】

【００２７】ここで、（３）式に（２）式を代入し、振
動センサ３０の誤差を無視する、つまり、

【００２８】

【数６】

【００２９】とすると、反力Ｆは、

【００３０】

【数７】

【００３１】つまり、本ダンパをボイラと支持鉄構の間
に設置したにもかかわらず、その反力特性はボイラと支
持鉄構間の相対速度でなく、支持鉄構の応答速度そのも
のに比例する形となる。（５）式によれば、図１に示す
本発明は、力学的には図１３に等しい。つまり図１にお
ける準能動型タイの制震効果は、ボイラ基礎４から立て
られた反力壁９２でその減衰係数が制御ゲインｇに等し
いオイルダンパ９１を介して、支持鉄構１の振動センサ
３０−３の位置を拘束することに等しいことがわかる。
このような反力壁は現実的にはほとんど不可能である
が、準能動型タイの使用により、反力壁で支持するとい
う、支持鉄構の制震の面からは最も望ましい効果が実現
できることになる。

【００３２】次に、（５）式の制御ゲインｇの値につい
てはあまり大きな値とすると、振動センサ３０の誤差を
増幅し、（５）式の近似誤差を増幅するので、振動セン
サ３０の信号／雑音（Ｓ／Ｎ）比を考慮して設定する必
要がある。最後にメカトロダンパ型タイの設置方法につ
いて述べる。制震効果の面からのみ考えれば、全部のサ
イスミックタイをメカトロダンパ型とすればよいことは
明らかである。しかしメカトロダンパ型タイは高価であ
る。最も安価なタイはリンク式タイであり、トータルの
コストを考えると、メカトロダンパ型タイは最も制震効
果の大きな１個所のみとし、他のタイはリンク式とする
のが有利である。

【００３３】メカトロダンパ型タイの効果を検討するた
めに行った数値計算の一例を以下に示す。図１４に計算
モデルを示す。ボイラ本体２および支持鉄構１を、集中
質点と、剪断変形に対する等価な弾性係数を有する剪断
ばねでモデル化する。サイスミックタイ取付けレベル
は、図１に示すようにボイラ本体の最上部、中部および
最下部の３個所とし、これに対応して図１４の計算モデ
ルではタイ１〜３を設ける。表２にこれらのタイに関す
る計算条件を示す。

【００３４】

【表２】ケース１では３つのタイは受動型、ケース２ではタイ３
を準能動型とする。なお、受動型としてリンク式タイ、
準能動型としてメカトロダンパ型タイを使用する。各レ
ベルには最低２台以上のサイスミックタイが設置される
が、同一レベルにおけるサイスミックタイ特性は同じと
する。したがって、図１４のタイ１〜３の特性値は、そ
れぞれのレベルでのサイスミックタイ全部を合計したも
のする。リンク式タイの特性は従来設計法により与え
る。ケース２の準能動型タイを使用した場合の計算モデ
ルは、先に述べたように図１と図１３が力学的に等しい
ことから図１３に対応する、図１５の集中質点モデルで
代用できる。ここで、制御ゲインｇの値は（５）式によ
れば、図１３のオイルダンパ９１の減衰係数とみなせ
る。つまり、ケース２の計算モデルは図１５のように、
タイ３のかわりにオイルダンパ９１に対応する減衰係数
ｇの要素を、支持鉄構１の頂部に設けた形で表わすこと
ができる。ここではこの値を１０ｔｏｎ・ｓ／cmとす
る。入力地震波は、耐震設計でよく用いられるタフト波
とし、図１６にその波形を示す。

【００３５】次に計算結果として、支持鉄構に作用する
層剪断力を図１７に示す。最大値を１として企画化して
いる。この図より、ケース２では第４層、第５層で若干
大きな層剪断力が生じているが、構造的に厳しい条件に
ある第１層で約４０％、第２層で約３０％の層剪断力の
低減が達成されている。また、ボイラ基礎設計荷重とし
ての転倒モーメントはケース２のほうが約３５％小さな
値となる。

【００３６】

【発明の効果】本発明によれば、支持鉄構に作用する設
計地震荷重を従来構造に対して約３０％以上低減でき
る。またボイラ基礎に作用する転倒モーメント設計値も
同程度低減でき、したがってボイラ構造物としての耐震
健全性の向上、支持鉄構、ボイラ基礎の軽量化に寄与す
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明におけるボイラ支持構造物を示す図。

【図２】従来のボイラ支持構造物を示す図。

【図３】従来のタイの構造を示す図。

【図４】従来のボイラ耐震構造図。

【図５】本発明で使用するタイの構造図。

【図６】、

【図７】、

【図８】、

【図９】代表的なエネルギー吸収型タイの構造とその特
性を示す図。

【図１０】従来のタイの地震時変形挙動の説明図。

【図１１】および

【図１２】本発明で使用する可変減衰型ダンパの構造お
よび特性を示す図。

【図１３】本発明の効果を示す図。

【図１４】および

【図１５】ボイラ構造物の計算モデル図。

【図１６】耐震設計用入力地震波を示す図。

【図１７】本発明の効果を示す説明図。

【符号の説明】

１…支持鉄構、２…ボイラ本体、３…サイスミックタ
イ、４…ボイラ基礎、５…主蒸気管、８…可制御型タ
イ、２１…吊りボルト、２２…ペントハウス、２３…吊
りボルトとボイラ本体の係合部、３０…振動センサ、３
１…振動計、３２…制御装置。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ボイラと、ボイラを吊り下げ部材を介し
て支持する支持鉄構と、ボイラの振り子運動を拘束すべ
くボイラと支持鉄構の間に配置され両者を連結するサイ
スミックタイとを備えたボイラの耐震構造物において、
地震エネルギー吸収装置を有する受動型サイスミックタ
イと制御可能な地震エネルギー吸収機能を有する可制御
型サイスミックタイとを併用したことを特徴とするボイ
ラの耐震構造物。
【請求項２】ボイラと、ボイラを吊り下げ部材を介し
て支持する支持鉄構と、ボイラの振り子運動を拘束すべ
くボイラと支持鉄構の間に配置され両者を連結するサイ
スミックタイとを備えたボイラの耐震構造物において、
ボイラの上方位置に弾塑性特性を有する受動型サイスミ
ックタイを、ボイラの下方位置に減衰特性を制御するこ
とが可能な可制御型サイスミックタイを設けたことを特
徴とするボイラの耐震構造物。
【請求項３】ボイラと、ボイラを吊り下げ部材を介し
て支持する支持鉄構と、ボイラの振り子運動を拘束すべ
くボイラと支持鉄構の間に配置され両者を連結するサイ
スミックタイとを備えたボイラの耐震構造物において、
ボイラの上方位置に地震エネルギー吸収機能を有する受
動型サイスミックタイを、ボイラの下方位置に制御可能
な減衰特性を有する準能動型サイスミックタイを連結す
るとともに、支持鉄構およびボイラ本体に振動センサを
設け、振動センサの検出値に基づき準能動型サイスミッ
クタイを制御する制御装置を設けたことを特徴とするボ
イラの耐震構造物。