JP6310841B2

JP6310841B2 - 設備設計方法

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Publication number: JP6310841B2
Application number: JP2014258221A
Authority: JP
Inventors: 雄太日下; 唯司飯島
Original assignee: Hitachi GE Nuclear Energy Ltd
Current assignee: Hitachi GE Nuclear Energy Ltd
Priority date: 2014-12-22
Filing date: 2014-12-22
Publication date: 2018-04-11
Anticipated expiration: 2034-12-22
Also published as: JP2016118938A

Description

本発明は、設備設計方法に関する。

近年、建物だけでなく機器や配管等に耐震性の確保が要求される場合において、制振ダンパの採用が増加している。制振ダンパは、振動を吸収する機構により、外部からの地震等の振動が入力された場合に振動をエネルギーに変え、振動を抑制するものである。

制振ダンパの分類としては、能動、半能動、受動的なものがある。制振ダンパの種類としては、弾塑性ダンパ、摩擦ダンパ、鉛ダンパ、粘性弾ダンパ及びダイナミックダンパ（動吸振器）等があり、試検等による耐震性の検証は、様々実施され、制振ダンパの特性が蓄積されている。

特許文献１には、配管の塑性変形を許容し、配管の塑性変形した場合の減衰比の増加、固有振動数の低下を考慮して設計した配管装置、及び配管装置の設計方法が記載されている。

特開２００３−１３２１０７号公報

機器や配管等に制振ダンパを設置する場合、解析モデルに制振ダンパ毎の減衰定数を定義し、その解析モデルの時刻歴応答解析を行う。これにより、制振ダンパの特性定義及び解析実行等に多大な時間を要する。

上記課題を解決するために、本発明の一態様である設備設計方法は、被支持体と前記被支持体を支持する少なくとも一つの制振ダンパとを含む設備を設計するための設備設計方法である。設備設計方法は、特定被支持体と前記特定被支持体を支持する少なくとも一つの特定制振ダンパとを含む特定設備のモデルであって、前記特定制振ダンパの構成を示す特定構成情報を含む前記モデルを作成し、予め設定された、前記制振ダンパの構成を示す構成情報と前記設備の減衰定数との関係を用いて、前記特定構成情報から前記特定設備の特定減衰定数を決定し、前記特定減衰定数に基づいて応答スペクトルを決定し、前記モデルに基づいて解析モデルを作成し、前記応答スペクトル及び前記解析モデルを用いてスペクトルモーダル解析を実行する、ことを備える。

制振ダンパを含む設備の設計期間を短縮することができる。

設備モデルを示す。減衰定数情報を示す。変形例の減衰定数情報を示す。応答スペクトル作成方法を示す。設備モデル設計方法を示す。解析モデルを示す。

本発明の実施例について、図面を参照して説明する。

本実施例は、設計の対象設備を示す設備モデルを作成した後、地震動が対象設備へ及ぼす影響を解析し、解析結果が設計条件を満たすか否かを判定する。本実施例は、機器や配管等の被支持体に制振ダンパを設置した設備に対し、解析モデルにおいて１つ１つの制振ダンパの特性を定義することなく、一つの減衰定数を用いて、解析を行う。また、本実施例は、制振ダンパの種類、個数、容量に応じて、一つの減衰定数を設定する。

以下、対象設備について説明する。

図１は、設備モデルを示す。

本実施例における対象設備は、プラント内の配管系である。この配管系は、二つのアンカ１と、二つの制振ダンパ２と、配管３とを含む。配管３の両端は夫々、二つのアンカ１によりプラントの建屋に固定されている。制振ダンパ２の一端は、建屋に固定され、他端は、配管３の中間部を支持する。二つの制振ダンパ２の容量は、互いに異なる場合がある。なお、制振ダンパ２がばね剛性を有していてもよい。また、配管系は、制振ダンパ２とは別に、配管３を支持する別の支持具を含んでいてもよい。別の支持具は、スナッバ、梁、ハンガ等のように、ばね要素で表されてもよい。

設備モデルは、配管系に含まれる幾つかの制振ダンパ２の構成を示す制振ダンパ群構成情報を含む。制振ダンパ群構成情報は、配管系に含まれる制振ダンパ２の種類ａと、配管系に含まれる制振ダンパ２の容量ｂと、配管系に含まれる制振ダンパ２の個数ｃとを含む。制振ダンパ２の種類ａとして、公知の制振ダンパを含め、様々な制振ダンパを用いることができる。制振ダンパ２の容量ｂは、配管の大きさ、必要な減衰定数及び設置位置における施工性等を考慮し設定する。制振ダンパ２の個数ｃは、１つ以上であり、必要な減衰定数に応じて設定する。

以下、対象設備の設計用減衰定数を決定するための減衰定数情報について説明する。

減衰定数情報は例えば、表により表される。

図２は、減衰定数情報を示す。

この例の減衰定数情報は、複数のエントリを有する。各エントリは、エントリ番号と、制振ダンパ群構成情報の条件である制振ダンパ群構成条件と、配管系に適用する一つの設計用減衰定数ｈとを含む。制振ダンパ群構成条件は、種類ａの条件と、容量ｂの条件と、個数ｃの条件との組み合わせにより定義される。種類ａは例えば、弾塑性ダンパ、摩擦ダンパ、鉛ダンパ、粘性ダンパ、他のダンパ等である。容量ｂは、容量範囲で表される。容量範囲は、容量範囲の下限値及び容量上限値の少なくとも何れかにより定義される。個数ｃは、個数範囲で表される。個数範囲は、個数範囲の下限値及び個数上限値の少なくとも何れかにより定義される。設計用減衰定数ｈは、制振ダンパ群構成条件に応じて定義される。

減衰定数情報は、制振ダンパ２の既往知見、実証試験、解析等に基づいて定義される。ここで減衰定数情報は、設計用減衰定数の値が耐震設計として非安全側に（大きく）ならないように、且つ制振ダンパ群構成条件による設計用減衰定数の選定が煩雑にならないように、作成される。例えば、或る制振ダンパ群構成条件に対応する設計用減衰定数は、その制振ダンパ群構成条件内の制振ダンパ群構成情報を用いた実証試験や解析により得られる複数の減衰定数の最小値である。

減衰定数情報は、式により表されてもよい。

図３は、変形例の減衰定数情報を示す。

この変形例の減衰定数情報は、複数の算出式を有する。複数の算出式の夫々は、制振ダンパ群構成条件に対応する。制振ダンパ群構成条件は例えば、種類ａの条件と、容量ｂの条件と、個数ｃの条件とを含む。算出式は例えば、個数ｃに予め設定された係数を乗ずることにより設計用減衰定数ｈを算出する。容量ｂの条件と個数ｃの条件の組み合わせに応じて、係数α１、α２、α３、β１、β２、β３の何れかが用いられる。

このような減衰定数情報によれば、対象設備に含まれる制振ダンパの種類、容量、個数を用いて、対象設備全体の減衰特性を表すことができる。また、対象設備に含まれる制振ダンパの制振ダンパ群構成情報から、対象設備全体の減衰定数を決定することができる。

以下、応答スペクトル作成方法及び設備モデル設計方法について説明する。

応答スペクトル作成方法及び設備モデル設計方法は、例えば設計装置により実行される。設計装置は例えば、メモリ及びプロセッサを含むコンピュータであり、応答スペクトル作成方法のための応答スペクトル作成プログラムと、設備モデル設計方法のための設備モデル設計プログラムとを記憶し、これらのプログラムを実行することにより設計装置として機能する。

設計装置は、予め設定された減衰定数情報を記憶する。

まず、設計装置は、設計者からの入力に応じて、応答スペクトル候補を作成するための応答スペクトル作成方法を実行する。

図４は、応答スペクトル作成方法を示す。

まず、Ｓ１１０において設計装置は、設計者からの入力に応じて、減衰定数情報を作成して記憶する。

その後、Ｓ１２０において設計装置は、設計者からの入力に応じて、振動データを取得して記憶する。振動データは例えば、振動波形と、複数の固有周期とを含む。振動波形は例えば、時刻歴床応答波形である。時刻歴床応答波形は、プラントにおける地震動の観測記録であり、プラントの床の加速度の時間変化を示す。設計装置は、振動波形のスペクトルに基づいて、複数の固有周期を設定する。複数の固有周期の範囲は例えば、０．０５〜１秒である。複数の固有周期は、プラントやその敷地に応じて決定されてもよい。例えば、敷地の地盤が固いほど、複数の固有周期のうち短周期の固有周期が、狭い間隔で数多く設定される。また、敷地の地盤が軟らかいほど、複数の固有周期のうち長周期の固有周期が、狭い間隔で数多く設定される。

その後、Ｓ１３０において設計装置は、減衰定数情報から得られる複数の設計用減衰定数候補を決定し、複数の設計用減衰定数候補の中から、順次一つの設計用減衰定数を選択する。

その後、Ｓ１４０において設計装置は、複数の固有周期の中から、順次一つの固有周期を選択する。

その後、Ｓ１５０において設計装置は、選択された固有周期を持つ１質点系モデルを作成する。ここで設計装置は、複数の１質点系モデルの夫々に、選択された設計用減衰定数を設定する。即ち、各１質点系モデルは、マスとばねに加えて、設計用減衰定数のダンパを含む。

その後、Ｓ１６０において設計装置は、振動波形を１質点系モデルへ入力して応答時刻歴を算出することにより、複数の応答時刻歴を作成する。応答時刻歴は、加速度の時間変化を示す。更に設計装置は、応答時刻歴から、最大加速度を応答加速度として抽出することにより、固有周期と応答加速度の組を算出する。なお、応答加速度の代わりに震度が用いられてもよい。震度は、応答加速度を重力加速度で除した値である。

その後、Ｓ１７０において設計装置は、全ての固有周期に対する処理を終了したか否かを判定する。全ての固有周期に対する処理を終了していないと判定された場合（Ｎｏ）、設計装置は、処理をＳ１４０へ移行させる。全ての固有周期に対する処理を終了したと判定された場合（Ｙｅｓ）、設計装置は、処理をＳ１４０へ移行させ、次の固有周期を選択する。

その後、Ｓ１８０において設計装置は、固有周期と応答加速度の複数の組から、応答スペクトルを作成し応答スペクトル候補として記憶する。

その後、Ｓ１９０において設計装置は、全ての設計用減衰定数に対する処理を終了したか否かを判定する。全ての設計用減衰定数に対する処理を終了していないと判定された場合（Ｎｏ）、設計装置は、処理をＳ１３０へ移行させ、次の設計用減衰定数を選択する。全ての設計用減衰定数に対する処理を終了したと判定された場合（Ｙｅｓ）、設計装置は、このフローを終了する。

以上の応答スペクトル作成方法によれば、減衰定数情報から得られる複数の設計用減衰定数に夫々対応する複数の応答スペクトル候補を算出することができる。また、応答スペクトル作成方法が、複数の固有周期の夫々に対し設計用減衰定数を含む１質点系モデルを作成することにより、設計用減衰定数の影響を含む応答スペクトルを算出することができる。即ち、応答スペクトル作成方法は、全ての固有周期に同一の設計用減衰定数を用いる１質点系モデルを作成する。また、応答スペクトル作成方法が、設計用減衰定数の影響を含む応答スペクトル候補を算出することにより、解析モデルから制振ダンパ２を除くことができる。

なお、図１のような設備モデルを作成してから、応答スペクトル作成方法を実行してもよい。これにより、Ｓ１１０においてその設備モデルに応じた複数の設計用減衰定数が設定される。この場合、次の設備モデル設計方法は、Ｓ２２０において設備モデルを作成しない。

その後、設計装置は、設計者からの入力に応じて、設備モデルを作成し、設備モデルの地震応答解析を行うための、設備モデル設計方法を実行する。

図５は、設備モデル設計方法を示す。

まず、Ｓ２２０において設計装置は、設計者からの入力に応じて、図１のような設備モデルを作成する。

その後、Ｓ２３０において設計装置は、減衰定数情報を用いて、設備モデルに含まれる制振ダンパ群構成情報を取得し、制振ダンパ群構成情報に対応する設計用減衰定数を決定する。これにより、一つの設計用減衰定数が決定される。

その後、Ｓ２４０において設計装置は、複数の応答スペクトル候補の中から、決定された設計用減衰定数に対応する応答スペクトルを選択する。

その後、Ｓ２５０において設計装置は、設備モデルに基づく解析モデルを作成する。ここで設計装置は、設備モデル内の制振ダンパ２を、制振ダンパ２の減衰特性を持たない支持具に置き換えることにより、解析モデルを作成する。

図６は、解析モデルを示す。

設備モデルと比較すると、解析モデルは、制振ダンパ２を、制振ダンパ群構成情報に応じ、表現しない、または支持具２ａとして表現する。支持具２ａとして表現する場合、支持具２ａは、制振ダンパ２の減衰特性を持たない支持具である。制振ダンパ２がばね剛性を有する場合、支持具２ａは、ばね要素で表されてもよい。設備モデルから解析モデルを作成することにより、解析モデルは、各制振ダンパの減衰定数を含む必要がなく、スペクトルモーダル解析を適用することができる。

その後、Ｓ２６０において設計装置は、応答スペクトルと解析モデルを用いてスペクトルモーダル解析を行うことにより、応力を算出する。

ここでまず、設計装置は、解析モデルの固有値解析により、複数の固有モードの固有周期、刺激係数を算出する。

その後、設計装置は、各固有モードに対し、固有モードと刺激係数と応答加速度とからモーメントを算出する。その後、設計装置は、複数の固有モードから夫々算出された複数のモーメントを重ね合わせることにより、モーメントを算出する。その後、設計装置は、予め設定された断面係数及び応力係数を用いて、モーメントから応力を算出する。設計装置は、試験や解析等に基づいて、配管３の形状に応じた応力係数を設定する。

その後、Ｓ２７０において設計装置は、解析結果が予め定められた設計条件を満たすか否かを判定する。例えば、設計装置は、算出された応力が、予め定められた許容応力より小さい場合、解析結果が設計条件を満たすと判定する。許容応力は、配管３の材料の物性値に基づいて設定される。

解析結果が設計条件を満たさないと判定された場合（Ｎｏ）、設計装置は、処理をＳ２２０へ移行させ、設備モデルを変更する。一方、解析結果が設計条件を満たすと判定された場合（Ｙｅｓ）、設計装置は、このフローを終了する。

以上の設備モデル設計方法が、制振ダンパ２による減衰を一つの設計用減衰定数で表し、設計用減衰定数の影響を応答スペクトルに含めることにより、制振ダンパ２を含まない解析モデルを作成することができる。これにより、設備モデル設計方法において、スペクトルモーダル解析を用いることができ、時刻歴応答解析を用いる場合に比べて、解析時間を短縮することができ、耐震性検討期間及び対象設備の施工までの期間を短縮することができる。また、応答スペクトル作成方法が複数の応答スペクトル候補を算出し記憶しておくことにより、設備モデル設計方法の処理時間を短縮することができる。また、設備モデル設計方法が、設備を作成し、応答解析を実行し、解析結果を判定することにより、設計条件を満たす設備を迅速に設計することができる。応答スペクトル作成方法の一回の実行後に、設備モデル設計方法の複数回の実行を行うことができる。

なお、応答スペクトル作成方法は、応答スペクトル候補の作成を含まなくてもよい。この場合、設備モデル設計方法は、Ｓ２４０の代わりに、決定された設計用減衰定数に対してＳ１３０〜Ｓ１９０を行うことにより、決定された設計用減衰定数に対応する応答スペクトルを作成してもよい。これにより、応答スペクトル作成方法の処理時間を短縮することができる。特に、設計用減衰定数の取り得る値の種類が多い場合や、減衰定数情報が式で表されている場合に、応答スペクトル候補の数が多くなることを防ぐことができる。

なお、被支持体は、プラント内の機器であってもよい。また、対象設備に加わる振動は、地震動の代わりに、プラントの運転により発生する振動等、プラント内で発生する振動であってもよい。また、制振ダンパ群構成情報と制振ダンパ群構成条件は、対象設備に含まれる制振ダンパの種類と容量と個数の何れかを含んでいてもよい。

また、被支持体を支持する少なくとも一つの制振ダンパ以外の支持体があった場合でも本発明の設備設計方法を妨げることはなく、制振ダンパ以外の支持体の構成情報に応じ本発明の設備設計方法を用いることができる。

本発明の表現における用語について説明する。設備設計方法は、設備モデル設計方法を含んでもよいし、応答スペクトル作成方法を含んでもよい。モデルは、設備モデルを含んでもよい。構成情報は、制振ダンパ群構成情報を含んでもよい。構成情報の条件は、制振ダンパ群構成条件を含んでもよい。減衰定数は、設計用減衰定数であってもよい。

１…アンカ、２…制振ダンパ、２ａ…支持具、３…配管

Claims

設計装置による、被支持体と前記被支持体を支持する少なくとも一つの制振ダンパとを含む設備を設計するための設備設計方法であって、
前記設計装置が、
特定被支持体と前記特定被支持体を支持する少なくとも一つの特定制振ダンパとを含む特定設備のモデルであって、前記特定制振ダンパの構成を示す特定構成情報を含む前記モデルを作成し、
予め設定された、前記制振ダンパの構成を示す構成情報と前記設備の減衰定数との関係を用いて、前記特定構成情報から前記特定設備の特定減衰定数を決定し、
前記特定減衰定数に基づいて応答スペクトルを決定し、
前記モデルに基づいて解析モデルを作成し、
前記応答スペクトル及び前記解析モデルを用いてスペクトルモーダル解析を実行する、
ことを備える設備設計方法。
前記構成情報は、前記制振ダンパの種類と、前記制振ダンパの容量と、前記制振ダンパの個数との何れかを含む、
請求項１に記載の設備設計方法。
前記解析モデルの作成は、前記モデルにおける前記特定制振ダンパを、前記特定制振ダンパの減衰特性を持たない支持具に置き換えることにより、前記解析モデルを作成する、
請求項２に記載の設備設計方法。
前記応答スペクトルの決定は、振動波形を取得し、前記特定減衰定数と前記振動波形に基づいて前記応答スペクトルを算出する、
請求項３に記載の設備設計方法。
前記応答スペクトルの決定は、前記振動波形に基づいて複数の固有周期を決定し、前記複数の固有周期の夫々に対し、前記特定減衰定数を用いる１質点系モデルを作成し、前記振動波形を前記１質点系モデルへ入力して応答加速度を算出することにより、前記複数の固有周期に夫々対応する複数の応答加速度を算出し、前記複数の固有周期と前記複数の応答加速度に基づいて前記応答スペクトルを算出する、
請求項４に記載の設備設計方法。
前記関係は、複数の構成情報の条件に複数の減衰定数を夫々関連付ける表である、
請求項３に記載の設備設計方法。
前記設計装置は、
振動波形を取得し、前記複数の減衰定数の夫々と前記振動波形とに基づいて応答スペクトル候補を算出することにより、複数の応答スペクトル候補を算出し、
前記応答スペクトルの決定は、前記複数の応答スペクトル候補の中から前記特定減衰定数に対応する応答スペクトル候補を前記応答スペクトルとして選択する、
請求項６に記載の設備設計方法。
前記関係は、前記構成情報から前記減衰定数を算出する式である、
請求項３に記載の設備設計方法。
前記設計装置は、
前記スペクトルモーダル解析により前記特定設備の応力を算出し、前記応力が予め定められた許容応力より大きいか否かを判定し、前記応力が前記許容応力より大きいと判定された場合、前記モデルを変更する、
請求項１乃至８の何れか一項に記載の設備設計方法。