JP5291609B2 - 配管支持構造物 - Google Patents

Description

本発明は、原子力発電プラント、火力発電プラント、化学プラント等の各種プラントに設置される配管を支持する構造物に関する。

各種プラントに設置される配管は、図１５に示すように、配管１００の軸の直角方向（Ｘ方向）は支持架構１０１における支持点１０２の全てで動きが拘束（固定）されるが、軸方向（Ｙ方向）は配管１００の熱伸びを考慮して支持点１０２の一部では固定するものの、残りの支持点１０２では可動状態とされる。
また、配管１００はプラント内に張り巡らされており、配管１００が向きを変えて配置される場合には、図１６に示すように、複数の支持架構１０１を用い、直線部分ごとに支持架構１０１で支持する。

以上の配管支持構造物は、大地震による大きな振動を受けると、支持架構１０１を含めた支持構造物全体の減衰性能が小さいため、配管固定部の破損や、配管本体の破損に対する備えが必要である。また、配管支持構造物全体に大変形が生じると、隣接するプラント建屋等に衝突するのを防ぐ手立てが必要である。さらに、複数の支持架構１０１を用いる場合には、隣接する支持架構１０１間に相対変位が生じることで、支持点１０２間で配管１００が破損するのを防止することはもとより、支持点１０２自体の破損を防止する必要がある。例えば、図１６のように相対変位△×が生じると、配管固定点間の（ア）の部分、配管固定点（イ）の部分で配管が損傷する恐れがある。

そこで、配管の耐震性能向上のために、特許文献１では、配管と支持架構の間に、積層ゴム体を挿入し、配管系の減衰性能を向上させることにより、地震時の配管の応答を低減させることを提案している。
また、特許文献２では、支持架構に固定した振動抑制装置と配管とをロッドで結ぶことにより、地震時の振動エネルギを振動抑制装置が吸収し、配管の応答を低減させることを提案している。

特開昭６３−３１２５９４号公報 特開平１−１８８７３５公報

ところが、図１４、図１５に示すような配管を支持架構で直接支持する構造物の場合、配管１００と支持架構１０１の間に積層ゴム体等のデバイスを組み込むスペースがない場合がある。したがって、既設の支持架構の場合には、配管系に大幅な改修が必要となる。
本発明は、このような課題に基づいてなされたもので、既設のものであっても配管系の改修を行うことなく耐震性能を向上できる配管支持構造物を提供することを目的とする。

かかる目的のもとになされた本発明の配管支持構造物は、支柱と梁、又は支柱と桁で構成される構面内に制震機構を設けることで、配管系の改修を行うことなく、かつ耐震性能を向上できる配管支持構造物を提供することを要旨とする。すなわち本発明の配管支持構造物は、設置面から立設し、配管の径方向に間隔をあけて配置されるとともに、配管の軸方向に間隔をあけて繰返して配置される複数の支柱と、径方向に沿って支柱に支持される梁と、軸方向に沿って支柱に支持される桁とを備える支持架構と、梁上の支持点で支持される配管とから構成される。そして本発明の配管支持構造物は、径方向に隣接する支柱と梁とから構成される一又は二以上の第１構面に設けられる第１制震機構と、軸方向に隣接する支柱と桁とから構成される一又は二以上の第２構面に設けられる第２制震機構とを備える配管支持構造物であって、配管支持構造物が少なくとも２つ以上連続する場合に、それぞれの振動特性が同調されていることを特徴とする。

本発明の配管支持構造物において、第１制震機構は、配管が径方向の動きを拘束される支持点（以下、拘束支持点ということがある）を有する梁を含む第１構面に設けられることが好ましい。また、本発明の配管支持構造物において、第２制震機構は、配管が軸方向の動きを拘束される支持点を有する梁に隣接する第２構面に設けられることが好ましい。拘束支持点には、配管支持構造物に大きな震動が加わった際に反力が大きく加わる。そこで、拘束支持点の回りの減衰性能を高くするために、拘束支持点を有する梁を含む第１構面、及び／又は拘束支持点を有する梁に隣接する第２構面に制震機構を設けることを推奨する。

本発明の第１制震機構又は第２制震機構として、ダンパ部材を用いることができる。ダンパ部材を構面内に設けることにより、当該構面の減衰性能を向上できる。ダンパ部材としては、軸降伏型ダンパ、せん断パネル型ダンパ、摩擦型ダンパ等の公知のものを用いることができる。
本発明の第１制震機構としては、ダンパ部材の他に、支持点を中心にして径方向の両側に配管鉛直荷重の影響を考慮して特性を設定された断面減少部を梁に設ける形態にできる。この形態は、震動により梁の両端に発生する曲げモーメントにより、断面減少部が曲げ降伏することにより、震動エネルギを吸収する。

本発明の配管支持構造物において、支持架構の径方向及び軸方向のいずれか一方又は双方の変位を規制する変移制御機構を備えることが好ましい。支持架構の変位を規制することにより、配管支持構造物が隣接する構造物に衝突するのを防ぐ。また、支持点間における配管の破損、支持点における配管の破損防止効果を確実にする。

本発明の配管支持構造物は、構面に制震機構を設けるものであるから、既設のものであっても配管系の改修を行うことなく耐震性能を向上できる。

第１実施形態における配管支持構造物の基本構成を示す図である。 第１実施形態における配管支持構造物に用いられる制震機構を示す図であり、（ａ）は軸降伏型ダンパの概略構成とその荷重−変位履歴曲線を示し、（ｂ）はせん断パネル型ダンパの概略構成とその荷重−変位履歴曲線を示し、（ｃ）は摩擦型ダンパの概略構成とその荷重−変位履歴曲線を示す。 梁に切り欠きを設けて減衰性能を向上させた例を示す。 第２実施形態における配管支持構造物を示す。 図４の変移制御機構の詳細を説明する図である。 振動方向の変位を制御する変移制御機構を示す図である。 軸降伏型ダンパを適用した支持架構自体に変位制御機構を設けた例を示す図である。 せん断型ダンパ（又は摩擦型ダンパ）を適用した支持架構自体に変位制御機構を設けた例を示す図である。 摩擦型ダンパを適用した支持架構自体に変位制御機構を設けた例を示す図である。 （ａ）は第３実施形態が適用される配管支持構造物の例を示し、（ｂ）はその支持架構の構成を示す。 図１０（ｂ）に示す支持架構のＸ方向の卓越モード（点線）を示す図である。 図１０（ｂ）に示す支持架構のＹ方向の卓越モード（点線）を示す図である。 図１０（ａ）に示す配管支持構造物の支持点にＹ方向の荷重Ｐ１〜Ｐ７が作用した状態を示す。 図１３の荷重状態のとき制震デバイスａ、ｂで発生する荷重ｐａ（Ｎａｙ）、ｐｂ（Ｎｂｙ）を降伏荷重として設定することを示す図である。 従来の配管支持構造物の基本構成を示す図である。 直交する配管を支持する従来の配管支持構造物を示す図である。

＜第1実施形態＞
以下、添付図面に示す実施の形態に基づいてこの発明を詳細に説明する。
図１に示すように、第１実施形態に係る配管支持構造物３０は、支持架構１０と、支持架構１０で支持される配管２０から構成される。

支持架構１０は以下のように構成される。
設置面Ｇから立設する複数の支柱１を備えている。支柱１は、配管２０の径方向（図中、Ｘ方向）に間隔をあけて２列に配置されるとともに、配管２０の軸方向（図中、Ｙ方向）に均等間隔で５行に配置される。なお、配管支持構造物３０は軸方向に延設されるものであるが、図１はその一部のみを示している。

配管支持構造物３０は、配管２０の径方向に沿って支柱１に支持される梁２と、配管２０の軸方向に沿って支柱１に支持される桁３を備えている。配管２０の径方向に隣接する二つの支柱１と梁２からなる各ユニットにより第１構面４が構成される。また、配管２０の軸方向に隣接する二つの支柱１と桁３から各ユニットにより第２構面５が構成される。
第１構面４、第２構面５の各々には、ブレース６が設けられる。ブレース６は、各第１構面４、各第２構面５に逆Ｖ字状に配設され、支持架構１０の剛性を向上する。本実施の形態において、ブレース６は、各第１構面４、各第２構面５に設けられる制震機構の構成要素となる。

以上のように構成される支持架構１０において、配管２０は梁２上の支持点Ｐで鉛直方向に支持される。また、配管２０は各支持点Ｐにおいてその径方向の動きが拘束されるように固定される。さらに、配管２０は矢印の先端同士が突き合わされる支持点Ｐ（軸方向の真ん中の支持点Ｐ）においてその軸方向の動きが拘束されるように固定される。軸方向で拘束される支持点Ｐが少ないのは、熱伸びにより配管２０に生じる熱応力の影響を抑えるためである。

配管２０を直接支持する支持架構１０において、例えば地震により大きな振動エネルギが生じると、支持点Ｐ及びその近傍に反力が大きく発生する。そこで、配管支持構造物３０は、配管２０がその径方向の動きが拘束される支持点Ｐを有する梁２を含む第１構面４に第１制震機構を設ける。また、配管支持構造物３０は、配管２０がその軸方向の動きが拘束される支持点Ｐを有する梁２に隣接する、つまり梁２を挟んで軸方向に連なる２つの第２構面５に第２制震機構を設ける。なお、図１において、太線で描かれているブレース６が第１構面４に第１制震機構が設けられていることを示している。

第１制震機構、第２制震機構としては、種々の制震デバイスを用いることができる。その例を図２に示すが、本発明は軸降伏型ダンパ１１（図２(ａ)）、せん断パネル型ダンパ１２(図２(ｂ))、摩擦型ダンパ１３（図２(ｃ)）を第１制震機構、第２制震機構として適用できる。ただし、本発明はこれに限定されず、その他の減衰効果を発揮する制震デバイスを適用できる。配管２０を支持する支持架構１０は、負担する荷重が小さい場合が多いので、その場合には小荷重での非線形挙動を実現しやすい摩擦型ダンパ１３の使用が適切である。軸降伏型ダンパ１１、せん断パネル型ダンパ１２及び摩擦型ダンパ１３は当業者において公知であるため、ここでの説明は省略する。
軸降伏型ダンパ１１等の制震デバイスは大地震等の大きな振動エネルギに伴う入力荷重により、荷重−変位関係が非線形領域（軸降伏型ダンパ、せん断パネル型ダンパの場合は鋼材の降伏、摩擦型ダンパの場合は滑り領域）に入るよう調整して設置する。そうすることで、大地震時において、制震デバイスの荷重−変位関係に入り、その履歴エネルギにより、地震エネルギを吸収する。

支持架構１０の減衰性能を向上させることは、以上のように制震デバイスを設ける以外にも可能である。例えば、図３（ａ）に示すように、支持点Ｐを中心にして配管２０（図３では省略）の径方向の両側の梁２上に切り欠き部（断面減少部）１４を設けることで、当該構面の減衰性能を向上できる。この制震機構は、振動により梁２の両端に発生する曲げモーメント（矢印で示す）により、切り欠き部１４が曲げ降伏させられ、その荷重−変位履歴エネルギ（図３（ｂ））により、地震エネルギを吸収する。ただし、梁２は配管２０による鉛直荷重を支持可能な強度を確保しておく必要がある。

本実施の形態において、固定された支持点Ｐと関連性のない第１構面４、第２構面５については、本実施の形態ではブレース６を設けているが、強度に問題がなければ撤去してもよい。鉛直荷重のみを支持するブレース６であれば、水平方向の変形に影響がないように柱部材に変更してもよい。また、配管２０の支持条件は従来と同様でよい。

以上説明したように、本実施形態によれば、第１構面４、第２構面５に制震機構（第１制震機構，第２制震機構）を設けるものであるから、既設の配管支持構造物３０においても、配管系の改修は不要である。また、配管２０の固定支持点Ｐに関連する構面４、構面５に対してのみ、制震機構を組込むことにより、より効率的に支持架構１０の減衰効果を向上できると同時に、配管固定点近傍以外の構面に対する改修（ブレースの撤去等）が不要であるからコストを抑えることができる。特に図３のように、梁２に切り欠き部を設ける場合には、第１構面４、第２構面５に設けられている既存のブレース６を耐震デバイスに取替える作業が不要であるのでコストの点で有利である。

＜第２実施形態＞
次に、第１実施形態の支持架構１０の変位を制御する変位制御機構について図４〜図８を参照しながら説明する。
変位制御機構の一例目は、図４、図５に示すように、隣接構造物１５を利用して支持架構１０の変位を規制するものであり、支持架構１０（桁３）と隣接構造物１５の間にストッパ１６を設ける。このストッパ１６は、凹型のメス部材１６ａと凸型のオス部材１６ｂとからなる。メス部材１６ａとオス部材１６ｂはともに鋼製である。メス部材１６ａは変位を制御しようとする方向と平行な隣接構造物１５に設置し、オス部材１６ｂは支持架構１０（桁３）に設置される。なお、オス部材１６ｂを隣接構造物１５に、メス部材１６ａを支持架構１０に設けてもよいことは言うまでもない。
図５（ｂ）に示すように、メス部材１６ａとオス部材１６ｂと間のギャップ△は、支持架構１０の最大変位量が許容変位量以内になるよう設定される。このストッパ１６を設けることにより、図５（ｃ）に示す架構（支持架構１０）の特性とストッパ１６の特性が加えられ、支持架構１０は許容変位量に達するまでに図５（ｃ）の右側の線図の挙動を示す。

次に、二例目の変位制御機構は図６に示すように、ゴム等の弾性体を使用したストッパ１７であり、変位を制御しようとする方向（振動方向）と直交する隣接構造物１５の側面に弾性体からなるストッパ１７を設置する。
ストッパ１７は、支持架構１０に接するか、もしくは支持架構１０との間にギャップ量△（図６（ｂ））を設けるよう設置する。なお、いずれの場合にも、支持架構１０の最大変位量が許容変位量内に収まるようにストッパ１７を設置する。このストッパ１７を設けることにより、図６（ｃ）に示す架構（支持架構１０）の特性とストッパ１７の特性が加えられ、支持架構１０は許容変位量に達するまでに図６（ｃ）の右側の線図の挙動を示す。

変位制御機構は、隣接構造物１５がなくても支持架構１０自体に設置することもできる。この例を図７〜図９を参照して説明する。
図７は軸降伏型ダンパ１１を適用した支持架構１０を示す。この場合、第１構面４内であって、軸降伏型ダンパ１０の支持点を挟んで両側に一対のストッパ１８をハの字形に設ける。ストッパ１８は、図７（ａ）に示すように、一端が梁２に固定され、他端が支柱１との間にギャップが設けられている。このギャップは支持架構１０の許容変位量を規定する。
以上の支持架構１０によれば、図７（ｂ）に示すように、地震により白抜き矢印で示す右向きの荷重が梁２に加わると支持架構１０は上端が右向きに最大の変位量となるように変形する。しかし、変位量が許容変位量に達すると、右側に位置するストッパ１８の先端が支柱１に突き当たり、支持架構１０の変位が制御される。

図８はせん断パネル型ダンパ１２を適用した支持架構１０を示す。この場合、第１構面４内であって、せん断パネル型ダンパ１２を挟んで両側に一対のストッパ１９を設ける。ストッパ１９は、図８（ａ）に示すように、せん断パネル型ダンパ１２との間にギャップが設けられるように、一端が梁２に固定されている。このギャップは支持架構１０の許容変位量を規定する。
以上の支持架構１０によれば、図８（ｂ）に示すように、地震により白抜き矢印で示す右向きの荷重が梁２に加わると支持架構１０は上端が右向きに最大の変位量となるように変形する。これに伴い、せん断パネル型ダンパ１２は平行四辺形に変形する。しかし、支持架構１０の変位量が許容変位量に達すると、せん断パネル型ダンパ１２の左下側の角が左側に位置するストッパ１９に突き当たり、支持架構１０の変位が制御される。
なお、ここでは、せん断パネル型ダンパ１２について説明したが、摩擦型ダンパ１３についても同様に適用できる。

次に、摩擦型ダンパ１３についてはストッパを用いることなく、変位制御機構を支持架構１０自体に設けることができる。この三例目の形態は図９に示されている。
この摩擦型ダンパ１３は、第１の摩擦体１３１と第２の摩擦体１３２とから構成される。摩擦型ダンパ１３は、第１の摩擦体１３１と第２の摩擦体１３２の接触面の摩擦力により振動エネルギを吸収する。第２の摩擦体１３２にはブレース６の一端側が固定されており、第２の摩擦体１３２はブレース６と一体となって変位される。
第１の摩擦体１３１は、高μ部１３１ａと低μ部１３１ｂとからなり、低μ部１３１ｂを中心にしてその両側に高μ部１３１ａが配置される。高μ部１３１ａは低μ部１３１ｂよりも摩擦係数が高い。もちろん、摩擦係数の高低は、第１の摩擦体１３１と第２の摩擦体１３２の接触面の摩擦係数のことである。また、第２の摩擦体１３２の当該接触面の摩擦係数は均等である。

以上の摩擦型ダンパ１３は、第１の摩擦体１３１の低μ部１３１ｂと第２の摩擦体１３２とが接触している範囲では、図１０（ｃ）に示すように低い摩擦力Ｆ１で第１の摩擦体１３１と第２の摩擦体１３２とが相対的に変位する。しかし、図９（ｂ）に示すように第２の摩擦体１３２が第１の摩擦体１３１の高μ部１３１ａと接触するようになると、図９（ｃ）に示すように第１の摩擦体１３１と第２の摩擦体１３２の間には高い摩擦力Ｆ２が生じるので、第２の摩擦体１３２の変位が規制される。

以上のように、第１実施形態に変位制御機構を設けることにより、効率的な地震エネルギの吸収を実現しながら、さらに支持架構１０の変位を許容範囲内に収めることが可能になる。したがって、変位が大きくなって支持架構１０又は配管２０が破損するのを避けることができる。
一例目の鋼製のストッパ１６の場合、地震時、支持架構１０がメス部材１６ａとオス部材１６ｂ間のギャップ量△を超えて変位しようとすると、メス部材１６ａとオス部材１６ｂが接触し、支持架構１０の剛性にストッパ１６の剛性が付加され、支持架構１０の変位が許容変位を超えることを防止する。
二例目の弾性体からなるストッパ１７の場合、地震時、支持架構１０がストッパ１７に接触すると、ストッパ１７は、図６（ｃ）に示すように、ある程度変形するとそれ以上変形が進まなくなるため、その性質を利用して、支持架構１０の変位量を許容変位量以下に制御する。
三例目のように、支持架構１０自体に変位制御機構を設置する場合、周囲の構造物に係らず支持架構１０の変位を許容範囲内に制御できる利点がある。

＜第３実施形態＞
支持架構１０の振動特性を全体で同調させることが、支持架構１０の耐震性を確保する上で好ましい。そのために、使用される各制震機構（制震デバイス）の特性を調整することが必要である。第３実施形態では、その例を説明する。

例えば、図１０（ａ）に示す二つの架構Ａ、Ｂに支持される配管２０を備える配管支持構造物３０について、制震デバイスの特性を調整する例を説明する。
＜剛性の調整＞
ｉ）架構Ａ、ＢともにＸ方向、Ｙ方向の卓越モードが、架構が全体的に同方向に動くような振動モードとなるよう制震デバイスの剛性を調整する。
例えば、架構Ａが図１０（ｂ）に示すような支持架構である場合、そのＸ方向およびＹ方向の卓越モードは、各々図１１、図１２に示すようになる。
ｉｉ）架構Ａ、Ｂのそれぞれの方向の卓越モード振動数が一致するよう剛性を調整する。具体的には、架構ＡのＸ方向、Ｙ方向の卓越モードの固有振動数をＴａｘ、Ｔａｙ、架構ＢのＸ方向、Ｙ方向の卓越モードの固有振動数をＴｂｘ、Ｔｂｙとすると、Ｔａｘ＝Ｔｂｘ、Ｔａｙ＝Ｔｂｙとなるようにする。

＜降伏荷重の調整＞
地震時に配管２０の支持点Ｐに作用する荷重は、慣性力のばらつきにより支持点Ｐごとに異なる。よって、制震デバイスに作用する荷重もばらつきがあるため、それらを考慮してそれぞれの制震デバイスの降伏荷重を設定し、制震デバイスが降伏した後も振動が同調するようにする。
例えば、図１３に示すように、配管２０がＹ方向に固定されている支持点に地震によりＹ方向の荷重Ｐ１〜Ｐ７が作用した場合、それらは慣性力のばらつきにより異なる。ここで、図１３の荷重状態のとき降伏するよう制震デバイスの降伏軸力を調整する場合は、この状態での制震デバイスに発生する荷重を降伏軸力として設定する。つまり、制震デバイスａ、ｂを例にすると、図１３の状態で発生する荷重ｐａ（Ｎａｙ）、ｐｂ（Ｎｂｙ）を降伏荷重として設定する。この特性を視認して示すのが、図１４である。つまり、制震デバイスａ、ｂは同時に軸降伏する。

以上のように、支持架構１０の振動特性を全体で同調させることで、配管支持構造物３０全体として効率よく地震エネルギを吸収することが可能になる。
また、各支持架構１０同士の振動特性を同調させるため、支持架構１０は同位相で振動し、支持架構１０同士の相対変位に伴う、固定点（支持点）Ｐ間の配管２０の破損や、固定点（支持点）Ｐの破損などを防ぐことができる。

以上の説明は本発明の一実施形態にすぎず、本発明の主旨を逸脱しない限り、上記実施形態で挙げた構成を取捨選択し、他の構成に適宜変更することが可能である。

１０…支持架構
１…支柱、２…梁、３…桁、４…第１構面、５…第２構面
６…ブレース（第１制震機構、第２制震機構）
１１…軸降伏型ダンパ、１２…せん断パネル型ダンパ、１３…摩擦型ダンパ
１４…切り欠き部、１５…隣接構造物、１６，１７，１８，１９…ストッパ
２０…配管
３０…配管支持構造物

Claims (6)

1. 設置面から立設し、配管の径方向に間隔をあけて配置されるとともに、前記配管の軸方向に間隔をあけて繰返して配置される複数の支柱と、
   前記径方向に沿って前記支柱に支持される梁と、
   前記軸方向に沿って前記支柱に支持される桁と、
   前記径方向に隣接する前記支柱と前記梁とから構成される一又は二以上の第１構面に設けられる第１制震機構と、
   前記軸方向に隣接する前記支柱と前記桁とから構成される一又は二以上の第２構面に設けられる第２制震機構と、を備える支持架構と、
   前記梁上の支持点で支持される前記配管と、
   を備える配管支持構造物であって、
   前記配管支持構造物が少なくとも２つ以上連続する場合に、それぞれの振動特性が同調されていることを特徴とする配管支持構造物。
2. 前記第１制震機構は、
   前記配管の前記径方向の動きが拘束される前記支持点を有する前記梁を含む前記第１構面に設けられる請求項１に記載の配管支持構造物。
3. 前記第２制震機構は、
   前記配管が前記軸方向の動きを拘束される前記支持点を有する前記梁に隣接する前記第２構面に設けられる請求項１又は２に記載の配管支持構造物。
4. 前記第１制震機構又は前記第２制震機構は、ダンパ部材である請求項１〜３のいずれか一項に記載の配管支持構造物。
5. 前記第１制震機構は、前記支持点を中心にして前記径方向の両側の前記梁上に設けられる配管鉛直荷重の影響を考慮して特性を設定された断面減少部である請求項１〜３のいずれか一項に記載の配管支持構造物。
6. 前記支持架構の前記径方向及び前記軸方向のいずれか一方又は双方の変位を規制する変移制御機構を備える請求項１〜５のいずれか一項に記載の配管支持構造物。

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