JP3181371B2 - ボイラの支持構造体 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はボイラの支持構造体に係
り、特に地震時の応答荷重の低減を考慮したボイラの支
持構造体に関する。

【０００２】

【従来の技術】ボイラ装置は図１に示されるように、運
転中のボイラ本体２の自由な熱膨脹を可能とするため
に、ボイラ本体２を吊りボルト３を介して支持鉄骨１に
より吊り下げられている。したがって、地震時に、ボイ
ラ本体は吊り鐘のように振り子運動をしようとする。そ
の際、ボイラ本体と支持鉄骨との相対変位を限度内に制
限する目的で、振れ止め装置としてのサイスミック４が
設けられる。相対変位の限度は、ボイラ本体に接続され
る配管やダクト等を保護するために設定される。

【０００３】従来のボイラの支持構造体における振れ止
め装置の代表的な構造を図５に示す。振れ止め装置は、
ボイラ本体の補強部材としてボイラ水壁５外周に設けた
バックステー６に取付けられた２個のストッパ１０で支
持鉄骨１を挟み込むように構成される。図中に”振動方
向”と示す方向にボイラが振れた場合、ストッパ１０が
支持鉄骨１に接触し、振幅が制限される。ストッパ１０
と支持鉄骨１は、接触以外にはお互いを拘束するものは
なく、そのために図中に示す座標系のＹおよびＺ方向の
ボイラ本体の熱膨脹は自由となる。ボイラ全体の熱膨脹
を考慮して、平面的には図６のように振れ止め装置が配
置される。地震時の振れ止め装置に大きな塑性変形が生
ずるような拘束を行うと、地震応答荷重が低減すること
はよく知られており、この考え方に基づく配管系の振れ
止め装置にエネルギーアブソーバがある。ボイラ装置に
おいても、振れ止め装置に大きな塑性変形が安定して生
じることが可能であれば、地震応答荷重の低減が図れ
る。しかるに、従来技術のボイラ支持構造体における振
れ止め装置は、塑性変形能力、荷重分散、破壊モードに
対する安全性確保等の点で配慮がされておらず、安定し
て大きな塑性変形を生ずることによる地震応答荷重低減
を得ることはできなかった。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上記従来技術は、塑性
変形能力、荷重分散、破壊モードに対する安全性確保等
の配慮がされておらず、以下に示す問題点があった。ス
トッパ１０と支持鉄骨１の間に接触力が発生した場合
の、ストッパ１０の変形、応力の状態を図７に示す。ス
トッパ１０は、材料力学的には一様断面の片持梁であ
り、図７に示すようにストッパ１０の付根部に大きな曲
げモートメントおよび曲げ応力を発生する。接触力が大
きくなり、塑性変形を生ずる場合は、最大曲げ応力の発
生位置であるストッパ１０の付根部に塑性ひずみが集中
する。このため、地震により繰返し接触力が生ずると、
ストッパ１０の付根部でクラックを生じ易くなり、塑性
変形能力、つまり大きな塑性変形を安定して繰返すこと
のできる能力のない構造といえる。

【０００５】２個のストッパ１０は各々交互に支持鉄骨
１と接触する。したがって、ボイラ本体と支持鉄骨の相
対変位を限度内に拘束するのに必要な接触力は、瞬間的
にはどちらか一方のストッパ１０が負担することにな
る。そのため、図５におけるバックステー６への荷重導
入は１個所に大きく集中し、これに耐え得る強度および
剛性をバックステー６は具備する必要があり、強大なも
のが必要となる。つまり、これは従来技術では荷重の集
中を避けて分散するという配慮に欠けていることに起因
した問題点である。前述のとおり、ストッパ１０の付根
部は塑性ひずみが集中し、金属疲労によりクラックを生
じ易い。クラックが生じた場合は、瞬間的には１個のス
トッパで全接触力を負担することにより、一気に破断に
到り、振れ止め装置の機能をなさなくなる。この点で、
従来技術は金属疲労、クラック発生、破断に到るという
破壊モードに対し、途中で連鎖を断ち切れず、安全性の
確保に問題があった。

【０００６】本発明の目的は、前記従来技術の欠点を解
消し、大きな塑性変形を安定して生じ、地震応答荷重に
寄与する振れ止め装置を有するボイラ支持構造体を提供
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
本発明は、ボイラ本体を支持する支持鉄骨と、支持鉄骨
に懸架されボイラ本体を熱による伸縮を許容するごとく
吊り下げ支持する吊り下げ部材と、ボイラ本体と支持鉄
骨の間に設けられ地震発生時の両者の相対変位を限度内
に制限するサイスミックタイとを備えたボイラの支持構
造体において、前記サイスミックタイを、等応力梁とな
る変断面を有する複数個の弾塑性エレメントの一端をボ
イラ本体水壁に設けたバックステーに所定間隔をもって
固着し、他端は剛性を有するバインダ部材に固着し、バ
インダ部材は支持鉄骨またはその延長部材を両側から所
定間隙をもって挟み込むごとく設けて構成したことを特
徴とするボイラの支持構造体に関する。

【０００８】

【０００９】

【００１０】

【作用】従来技術のボイラ支持構造体における振れ止め
装置のストッパが一様断面であるのに対し、本発明によ
るボイラ支持構造体における振れ止め装置の弾塑性エレ
メントは、広い範囲にわたって塑性ひずみを生ずるよう
に変断面とした鋼材で、塑性ひずみが局部的に集中する
ことなく、塑性変形能力はきわめて優れたものとなる。

【００１１】この弾塑性エレメントを複数で用いること
により、バックステーへの荷重導入位置を分散し、バッ
クステーの負担を軽減することができる。また、複数の
弾塑性エレメントを用いることは、ワイヤロープで１本
の素線が切れてもロープ自体の破断に進展しないのと同
様に、弾塑性エレメントのうちの１つにクラックを生じ
ても、振れ止め装置全体の破断に一気に進展する心配は
なく、破壊モードに対し安全性が高いものとなる。

【００１２】

【実施例】本発明の適用対象であるボイラ装置全体の支
持構造体の概要を図１に、本発明の実施例の詳細を図２
に示す。図２において、ボイラ本体を構成する水壁５の
補強部材であるバックステー６に対し、間隔をとって配
置される弾塑性エレメント７の一端は溶接等で固着され
る。弾塑性エレメント７の他端は、バインダ８に溶接等
で固着する。支持鉄骨１の右側に配置された弾塑性エレ
メント７は、１個のバインダ８で一纏（ひとまとめ）に
される。支持鉄骨１の左側についても同様に一纏にされ
る。以上、２個のバインダ８は、支持鉄骨１を両側から
挟み込むように配置される。バインダ８の剛性は、弾塑
性エレメント７が変形した場合でも、バックステー６に
対し平行面を保てるものを確保する。支持鉄骨１を挟み
込む２個のバインダは、タイプレート９を溶接等でそれ
ぞれに取付けることにより連結される。

【００１３】弾塑性エレメント７は等応力梁をなす変断
面の鋼材で、一例を図３に示す。図３の例は、長方形の
プレートに、菱形の開口を設けて断面係数が位置により
変化するもの（変断面）としている。図３に示すよう
に、曲げモートメント部分と断面係数分布が相似の勾配
を持つ範囲では、曲げ応力は一定かつ最大となる。曲げ
応力が弾性限を超えて変形すると、曲げ応力が一定かつ
最大となる範囲で幅広く塑性ひずみを生ずる。弾塑性エ
レメントは、曲げモートメント分布と断面係数分布が相
似となる範囲を広くとることができれば、本実施例に示
すような、長方形板に菱形開口を設けたものに限る必要
はないが、ボイラ振れ止め装置として最も好適な形状と
して実施例に示す。

【００１４】図２において、”振動方向”と記す方向に
ボイラ本体が振れて、支持鉄骨１と相対変位を生じたと
する。バインダ８は支持鉄骨１を両側から挟み込んでお
り、しかもタイプレート９で連結されているので、バイ
ンダ８と支持鉄骨１は、両者の間に存在するわずかなク
リアランス以上の相対変位は生じ得ず、２個のバインダ
８と支持鉄骨１は一体と見なして差し支えない。したが
ってボイラ本体と支持鉄骨１の相対変位は、ほぼ弾塑性
エレメント７の変形量となり、しかも複数ある弾塑性エ
レメント７の全てで同一となる。

【００１５】図２に示す弾塑性エレメント７を８枚使用
した本発明の実施例と、図５に示す従来技術による振れ
止め装置で、両者に同じ拘束力が発生していると仮定し
て比較する。本実施例の場合、８枚の弾塑性エレメント
７の変形量は全て同一であり、拘束力も８枚が均等に負
担する。これに対し、従来技術の振れ止め装置では、支
持鉄骨１に接触しているいずれか一方のストッパ１０が
全ての高速力を負担する。言いかえると、図３に示す１
枚当たりの弾塑性エレメントが負担する接触力Ｐ_e は、
図７のストッパが負担する接触力Ｐ_s の１／８となる。
さらに、本実施例の弾塑性エレメントに生ずる曲げモー
トメント最大値は、バインダ８がバックステー６と平行
面を保つために両端で半々に生じ、したがって本実施例
で１枚当たりの弾塑性エレメントからバックステー６に
導入されるモーメント荷重は、従来技術でのストッパ１
０からのモーメント荷重の１／１６となる。つまり、図
３のＭ_e は、図７のＭ_s に対し、１／１６となる。

【００１６】以上、ボイラ本体が振れた場合の挙動およ
び従来構造との比較により示される本実施例の各構成要
素の作用を要約すると下記となる。弾塑性エレメント７
はボイラ本体と支持鉄骨との相対変位に対し、変形を生
じて変形抵抗による拘束力を発生するとともに、広範囲
にわたる塑性ひずみにより安定して効率よくエネルギー
吸収を行う。バインダ８は、複数の弾塑性エレメント７
を一纏にし、全ての弾塑性エレメントに等しい変形を与
えるとともに、バックステー６と平行面を保つことによ
り、弾塑性エレメント７を両端固梁の変形様式に保つ。
この変形様式を保つことにより、弾塑性エレメント７の
最大曲げモートメントは両端に半々に振り分けられ、バ
ックステー６の負担を軽減するとともに、所定の拘束力
を発生するのに必要な弾塑性エレメント７自身の板厚も
薄くできるので、装置をコンパクトにできる。バックス
テー６とバインダ８を平行に保つことにおいて、間隔を
あけて複数の弾塑性エレメント７を配置すると、バイン
ダ８はつんのめることがなく、必要な剛性も小さくて済
むので装置をコンパクトにできる。タイプレート９は、
２個のバインダ８が支持鉄骨１を両側から挟む状態を保
持する役目をし、これにより全ての弾塑性エレメント７
が常に同一の変形となる。したがって、従来構造のよう
に瞬時においては、いずれか一方のストッパが拘束力を
負担し、塑性変形により先端が開いていくようなことも
ない。また、タイプレート９はバインダ８に対し、補強
の役目も果たすので、バインダ８がバックステー６に対
し平行面を保ち易くなる。

【００１７】弾塑性エレメント７は、等応力梁となるよ
うな変断面を有するものであれば、本実施に示す長方形
板に菱形の開口を設けたものである必要はなく、配管の
振れ止めに用いられるエネルギーアブソーバでは、Ｘ型
プレートと称されるものも見受けられる。Ｘ型プレート
は長方形板より長辺を底辺とする二等辺三角形を対称に
切り欠いたものである。ただし、本実施例に示す長方形
板に菱形の開口を設けた形状は、以下に示す理由により
Ｘ型プレートに比較してよりボイラ装置に好適なものと
いえる。まずボイラは大型の構造物であり、大きな拘束
力を必要とするので振れ止め装置は大型となり、重量も
重くなる。バインダ８およびタイプレート９の重量は弾
塑性エレメント７で支持する必要があるが、中央部がく
びれた形状であるＸ型プレートよりも、長方形の長辺が
残る本実施例のほうが重量を支える必要のあるボイラ振
れ止め装置には好適なものである。次に、図２におい
て、ボイラ本体を構成する水壁５は運転中に下方へ熱膨
脹し、その際にバインダ８と支持鉄骨１が接触すると摩
擦力が生じ、バインダ８の先端に下向きの力が加わる。
これは先に述べたバインダ８の重量がさらに重くなるこ
とと同じことであり、本実施例の形状はボイラ振れ止め
装置に好適なものである。配管の振れ止めに用いられる
エネルギーアブソーバのＸ型プレートは、強固なケース
に納めて用いられるもので、上記ボイラ装置で必要な重
量支持および熱膨脹時の摩擦力の考慮は全く必要がな
い。以上のとおり、配管用エネルギーアブソーバと本実
施例は等応力梁様式の部品が塑性変形を生じながら振れ
を拘束する点は同じでも、その部品が具備すべき要件に
は違いがある。本実施例の弾塑性エレメント７は、ボイ
ラ振れ止め装置に必要とされる固有の条件を考慮した点
で新規のものである。

【００１８】本発明の特徴である弾塑性エレメント７を
複数で用いることにより、以下に示す設計・製作上の利
点が生じる。ボイラ振れ止め装置は、ボイラ装置中の取
付け位置ごとに必要とする拘束力等の設計仕様が異な
り、しかも塑性変形を生ずることを前提に設計するので
弾塑性挙動を充分把握しておくことが必要である。しか
るに、弾塑性挙動は非線形問題で、その解析には大変な
労力を要し、全てのボイラ振れ止め装置をそのつど弾塑
性解析を実施して設計するのは非効率なこととなる。こ
れに対し、本発明の場合、弾塑性エレメント７の単品寸
法をシリーズ化して、これについて弾塑性解析や実験等
を実施しておけば、拘束力等の設計仕様に対し、寸法変
更と使用枚数の組合わせで対応が可能となる。その結
果、設計作業が容易になるという利点が生ずる。

【００１９】弾塑性エレメント７を複数で、しかも両端
固着梁様式の変形を生ずるように用いることにより、１
枚当たりの曲げモートメントは小さくなり、それだけ弾
塑性エレメント７の１枚当たりの板厚は薄くできること
は以前に述べたとおりである。弾塑性エレメント７はバ
ックステー６およびバインダ８に固着する必要があり、
通常は溶接が用いられる。板厚が厚いと溶接量、つまり
入熱量が大きくなり、溶接ひずみや溶接割れ等の問題が
生じ易いが、本発明によると板厚を薄くでき、このよう
な問題がなくなる。また、長方形板に菱形の開口を設け
るための板切り作業は通常ガスカッターにて行われる
が、板厚が厚いと滑らかな切断面を得るのが容易でな
く、端面仕上げの作業の手間も増えるが、本発明による
と板厚を薄くでき、板切りおよび仕上げ作業も容易とな
る。なお、切断端面は金属疲労によるクラック発生防止
の観点から滑らかであることが要求される。

【００２０】本発明の他の実施例を図４に示す。左記の
実施例と同じ部品は図２と同一番号で示す。本実施例は
ボイラ本体の近くに支持鉄骨の支柱がなく、比較的離れ
た位置にある支持鉄骨の梁との間に振れ止め装置を設け
る場合である。前記の実施例では２個のバインダ８で支
持鉄骨１を挟み込んでいたが、本実施例では１個のバイ
ンダ８で弾塑性エレメント７を一纏にし、支持鉄骨１に
設けた凸形ブラケット１２を、バインダ８の背側に設け
た凹形ブラケット１４で挟み込むようにしている。スチ
フナ１１およびブレース１３は、各々凹凸のブラケット
を補強する。本実施例の効果は前記の実施例と同じであ
る。本実施例は、前記の実施例で述べた弾塑性エレメン
ト７の寸法をシリーズ化し、枚数との組合わせで容易に
設計仕様に対応できるという本発明の設計上の利点が、
ボイラ本体と支持鉄骨との距離に制約されることなく生
かせることを示すものである。

【００２１】

【発明の効果】本発明によれば、広い範囲にわたって塑
性ひずみを生じて無理なく大きな塑性変形が可能で、局
部的にひずみが集中するという問題が解消される。その
結果、地震時に大きな塑性変形を伴う拘束が可能とな
り、地震応答荷重の低減が可能となる。地震応答荷重の
低減効果は、ボイラ容量、地盤条件、予測される地震動
の強さ等に左右され、一様に特定することはできない
が、代表的な条件で応答解析を実施した結果では２０％
以上の低減となった。すなわち、本発明によれば従来技
術に比較し、地震応答荷重低減効果が高く、バックステ
ーの軽量化が図れ、しかも安全性の高いボイラ振れ止め
装置を有するボイラ支持構造体を提供することが可能と
なる。

【００２２】

【００２３】

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明が適用されるボイラの支持構造体の概要
図。

【図２】本発明における振れ止め装置（サイスミックタ
イ）の実施例図。

【図３】本発明における弾塑性エレメントの構造、変
形、曲げモートメント、断面係数、応力を示す図。

【図４】本発明における振れ止め装置の他の実施例図。

【図５】従来のボイラ振れ止め装置を示す図。

【図６】ボイラ振れ止め装置の水平面内配置図。

【図７】従来技術におけるボイラ振れ止め装置の変形、
曲げモートメント、断面係数、応力を示す図。

【符号の説明】

１…支持鉄骨、２…ボイラ本体、３…吊りボルト、４…
サイスミックタイ、５…水壁、６…バックステー、７…
弾塑性エレメント、８…バインダ、９…タイプレート、
１１…スチフナ、１２…凸形ブラケット、１３…ブレー
ス、１４…凹形ブラケット。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 実開 平３−56006（ＪＰ，Ｕ) 実開 平２−14509（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) F22B 37/24

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ボイラ本体を支持する支持鉄骨と、支持
   鉄骨に懸架されボイラ本体を熱による伸縮を許容するご
   とく吊り下げ支持する吊り下げ部材と、ボイラ本体と支
   持鉄骨の間に設けられ地震発生時の両者の相対変位を限
   度内に制限するサイスミックタイとを備えたボイラの支
   持構造体において、前記サイスミックタイを、等応力梁
   となる変断面を有する複数個の弾塑性エレメントの一端
   をボイラ本体水壁に設けたバックステーに所定間隔をも
   って固着し、他端は剛性を有するバインダ部材に固着
   し、バインダ部材は支持鉄骨またはその延長部材を両側
   から所定間隙をもって挟み込むごとく設けて構成したこ
   とを特徴とするボイラの支持構造体。