JPH01137038A - 免震装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、免震装置に関する。

〔従来の技術〕

建屋を地震から守る為に採用される免震装置の内、コイ
ルばねを利用するものが簡単な構成で好ましい、その−
例は、特開昭４７−２１９１３号公報により公知である
。

その公知の例によれば、建屋を同心２重のコイルばねで
支えて、地震力の建屋への入力を緩和している。

〔発明が解決しようとする問題点〕

前述の公知の例では、コイルばねに地震入力の消散作用
がないので、建屋が揺れると長時間にわたり揺れて、減
衰能力にとぼしいという問題点があった。

この問題点を解消するにあたっては、コイルばねとオイ
ルダンパ等の粘性ダンパを並列に採用することが考えら
れるが、このようにすると減衰能力の高い免震装置が得
られるが、オイル等の流体。

を扱うので構成が複雑となる上、オイル漏れ等の点検・
保守が必要となる。しかし、建屋の下方は狭いのでその
点検・保守が容易でなく、点検・保守があまり要求され
ない簡単な構成が望まれる。

又、オイルを利用する場合は温度により特性の変化が大
きくて、利用しずらい。

本発明の目的は、簡単な構成により減衰能力の有る免震
装置を提供することにある。

〔問題点を解決するための手段〕

上記問題点を解する為の手段は、第１発明による手段が
、コイルばねと、前記コイルばねよりも塑性変形しやす
いコイル状のダンパとを並列的にＩｆｆえる免震装置で
あって、第２発明による手段が。

コイルばねの両端に接する各フランジと、前記両フラン
ジの間に配（ｆｉｔされており前記コイルばねよりも塑
性変形しやすいコイル状のダンパとから成り、前記各フ
ランジと前記コイル状のダンパとは連結されて組合せて
成る免震装置であって、第３発明による手段が、コイル
ばねの両端に接する各フランジと、前記両フランジの間
であって前記コイルばねの内側に配備されており前記コ
イルばねよりも塑性変形しやすいコイル状のダンパとの
組合せ体から成り、前記フランジは前記コイル状のダン
パの内側に突き出されて前記コイル状のダンパと連結さ
れた中空体部分を備えるとともに、前記中空体内に端部
を抜き差し方向へ移動自在に入れられ且つ前記コイル状
のダンパ内側に通された座屈防止柱を備えることを特徴
とした免震装置である。

〔作用〕

第１発明による手段では、コイルばねに静的荷重に加え
て地震荷重が作用すると、コイルばねは弾性変形しつつ
荷重を支え、コイル状のダンパは塑性変形により振動エ
ネルギを吸収する作用を成す。

第２発明による手段では、第１発明の手段による作用に
加えて、フランジにコイル状のダンパが連結されている
ので、塑性変形したダンパを、コイルばねの復元力を利
用して元に戻す作用を自動的に成せる作用が得られる上
、据付に際しても、ダンパとばねとフランジを一体化さ
れたユニットとして扱うことにより容易に成せる。

第３発明による手段では、第２発明の手段が成す作用に
加えて、座屈防止柱がコイル状のダンパの動きを横へ曲
がって座屈を起こさせることなく直線状に案内するから
ダンパの減衰作用を正確且つ効率良くはつきさせ得るし
、その座屈防止柱は中空体に対して移動自在であるから
各コイルの伸縮作用に障害を与えない。

〔実施例〕

ばね材による太径の金ｘｉのコイルばね１の内側には三
本の金属素線をコイル状に巻いたダンパ２が配備される
。

このコイル状のダンパ２の強さは、塑性変形がコイルば
ね１よりも早く起きるように設定されている。

コイルばね１とコイル状のダンパ２の両端にはフランジ
４が当てがわれている。このフランジ４は、中央に中空
体５の突起がコイル状のダンパ２内に組み込められて、
コイル状のダンパ２と中空体５の外周面とは連結されて
いる。このフランジ４にはコイルばね１の端部外周囲を
囲う囲い６が偉ねる。この囲い６が有る為に、フランジ
６が左右に大きくずれ動くことがなくて、コイル状のダ
ンパ２の位置が中央に安定化される。このことは、据付
に際して楽である。又、中空体５内の中空部には、座屈
防止柱３が上下に摺動移動自在に挿入され、コイル状の
ダンパ２の内側を通っている。

この座屈防止柱３は両端が中空体５の中空内径よりも剥
くされることにより摺動移動が可能とされている。そし
て、その座屈防止柱３の長さはフランジ４の間隙よりも
短かくて、コイルばね１やダンパ２の伸縮を許容してい
る。この座屈防止柱３はコイル状ダンパ２が圧縮された
際に横に曲がって座屈しないようにダンパを案内する役
割をはたし、この役割によりダンパは正確に伸縮して効
率良く振動エネルギを吸収し得る。

コイル状のダンパ２は中空体５の外周面に加工した螺線
状の溝に噛み合せて巻き付けることで。

フランジ４とコイル状のダンパ２との連結を達成するこ
とにすると良い。

フランジ４にはボルトの通し穴７が加工されており、そ
の穴７に通したボルトにより、上方のフランジ４は建屋
側に固定され、下方のフランジ４は基礎側に固定される
。

又、各フランジ４とコイルばね１の端部とは接している
ばかりではなく１機械的にあるいは金２組織的に一体に
しておいても良い。

このように、コイルばね１とコイル状のダンパ２とフラ
ンジ４とを一体に組んだユニット構成によれば、各部を
一体に取り扱えるので据付は性が良い。

〔実施例〕

本実施例のより具体的な説明は以下の通りである。

本免震装置は、上下固有振動数２　Ｈｚ、水平固有振動
数ＩＨｚ、等価粘性減衰１０％を目標に設計した３次元
免震装置であり、コイルばね１．コイル状ダンパ２．座
屈防止柱３．フランジ４で構成される。

まず、コイルばね１の設計式は以下の通りである。

ＮＤ３ ＫＨ＝ＲＣ−Ｋｖ πｄ３ Ｋｖ；軸方向剛性 Ｋｌ（；軸直角方向剛性 τ■；軸方向荷重による応力 τＨ；軸直角方向荷重による応力 Ｇ；せん断罪性係数 ｄ；線径 Ｎ；有効巻数 Ｄ；コイル平均径 Ｒｃ；コイルの形状で決まる係数 Ｆｖ；軸方向荷重 ＦＨ；軸直角方向荷重 Ｒτ；コイルの形状で決まる係数 これらの式に基づき、かつ、製作性を考慮して、コイル
径と線形の比を３．３以上、線形の最大値は１００＋ａ
ｍとして５本実施例のコイルばね１−は設計されている
。

本免震装置は、原子炉という重量構造物を対象としてい
るため、荷重支持能力を大きくとることが望ましく、そ
の観点からは、コイル径を小さく線径を太くすることが
有効である。従って、線形は、製作可能な最大値である
１ｏｏＩＩｌｌｌとし、コイル径は、やはり製作可能な
３３０ｍｍとしている。

これらの線径及びコイル径で、上記固有振動数を達成す
るように、有効巻数及び自由長を決定すると、それぞれ
７巻及び１１００ｗｍとなり、この場合、このコイルば
ね１が支持できる上部碑造物の重量は約２５トンであり
、この荷重によりコイルばねは約６０１Ｉ１１たわむ、
免震装置に加わる地震荷重は、上下、水平とも約０．５
Ｇ程度が最大と想定しており、その場合、上下方向に約
３０ｍｍ、水平方向に約１２０ｍｍ変位する。

次に、コイル状ダンパ２であるが、前述の如く、コイル
状ダンパ２は、地震荷重が作用したときに材料が降伏す
ることによってエネルギを吸収する。

ここでは、最大地震荷重の約１／３の地震荷重で降伏す
るように設計した。上下、水平とも原理は同じなので、
上下方向のみについて説明すると、本実施例のコイル状
ダンパは、上下変位約１０ｍｍで降伏するように設計さ
れている。コイル状ダンパの降伏応力（せん断応力）を
１３ｋｇ／ｍｍ”程度とすると、１０ｍｍの上下変位に
対して発生応力が１３ｋｇ／ｍｍ２を越えるようにすれ
ば良い。このようにして設計した結果、コイル状ダンパ
２は、線径２５ｍｍ、コイル径８０ｍｍ、有効巻数７巻
のコイルを３重巻き、すなわち、３本数列に設置したも
のとなっている。このコイル状ダンパ１本あたりの上下
方向剛性は、約１００ｋｇ／ｍｍとなるので、上下変位
１０ｍｍのときには約１０００ｋｇつまり１トンの反力
を負担し、３本では約３トンの反力を負担している。

第２図は１本実施例のコイル状ダンパの変位と反力の関
係を示すもので、地震荷重の如き繰り返し荷重が加わっ
た場合には、０→ａ→ｌ）　−）　Ｑ→ｄ→ｅ→Ｂ　−
＋　ｌ）→・・・というような履歴特性を示す。

具体的には、荷重が加わ・つて上下変位が１Ｏｎ＋ｍに
至るまで、コイル状ダンパは通常のバネと同様に変位に
比例した反力を生じ、上下変位が１０ｍｍになった時点
では、コイル状ダンパは約３トンの反力を負担しつつ材
料は降伏する。これがａ点である０次に、さらに荷重が
増えると変位は増加するが、材料が降伏しているため反
力は増加せず、横軸に平行にａ点からｂ点に至る。この
ｂ点が上下変位約３０ｍ＋ａの点である。荷重は最大値
に達した後減少し、それに対応して、コイル状ダンパの
変位・反力特性は、ｂ点からＣ点に至るような、０点か
らａ点に至るのと同じ勾配で反力が減少するような特性
となる。Ｃ点においては、コイル状ダンパ２は、再び降
伏し、ａ点におけるとは反対方向に約３トンの反力を負
担している。

コイル状ダンパ２の減衰能力すなわちエネルギ吸収能力
は、第２図の平行四辺形の面積で表わされる。つまり、
反力を変位で積分したものが吸収エネルギ量であるから
、第２図の平行四辺形の面積は、１サイクルあたりのエ
ネルギ吸収量を示している０本実施例の場合には、降伏
力３トン、最大変位３０ｍｍでｆ点の変位は２０ｍｍと
なるから、吸収エネルギＥは Ｅ＝４ｘ３０００（ｋｇ）ｘ９．８（Ｎ／ｋｇ）Ｘｏ、
０２（ｍ）弁２３００（Ｊ） となる。

次に、このエネルギ吸収量が等価粘性減衰に換算して何
％に相当するかを求める。粘性減衰の場合、反力は変位
に対して、位相が９０’ずれるため、変位・反力特性は
だ円形となり、１サイクルのエネルギ吸収量はこのだ円
の面積で表わされる。

粘性減衰の場合、最大変位を又とすると最大反力ｆは、 ｆ＝２ｍωｏωｈＸ で表わされ、ここに、 ｍ；上部構造物の質量（ｋｇ） ω０；免震系の固有角振動数（Ｒａｄ／ｓ）ω；加振角
振動数（Ｒａｄ／ｓ） ｈ；減衰定数（−） Ｘ；最大変位（ｍ） である、そして、変位反力特性のだ円は、最大変位と最
大反力を長径及び短径とするだ円であるので、吸収エネ
ルギＥ′は、 Ｅ’　＝π　Ｘ・２ｍωｏωｈＸ となる。よって、Ｅ＝Ｅ’　とおいてｈについて解き、
かつ、ω０＝ωとおくと、 ｈ＝□ ２πｍω２Ｘ２ ２πＸ２５Ｘ１０”Ｘ（２πｘ　２）”ｘ　Ｏ，０３”
　　　　’岬０．１ となり、約１０％の等価粘性減衰に相等していることが
確認される。

本免震装置は、以上述べたコイルバネとコイル状ダンパ
を組合せたもので、コイルバネの内側に、コイルバネと
同心状にコイル状ダンパを設置したものである。コイル
バネ１とコイル状ダンパ２はいずれもフランジ４に取り
つけられ、コイル状ダンパ２の内側には、コイル状ダン
パ２が座屈しないように、座屈防止柱が設置されている
。地震荷重が加わった場合には、コイルバネ１が復元力
を負担し、コイル状ダンパ２が、前記のように振動エネ
ルギを吸収することにより、免震装置として機能する。

本発明は、上記実施例に何ら限定されるものではなく、
コイルバネを多重にしたもの、コイル断面を角型にした
もの、あるいは、コイルとフランジの取り合い部を溶接
したもの等ももちろん有効である。

本発明の要点は、前述の如く、地震荷重作用時に、コイ
ルバネは降伏することなく、コイル状ダンパが降伏する
ことにある。前述の剛性及び応力に関する設計式より、
応力と変位の関係式として次式が得られる。

πＤ２Ｎ ここに、δＶは上下変位で、その他の記号は前述の通り
である１本式は上下変位とそれによる発生応力の関係を
示すもので、水平変位については原理は同じであるので
省略する０本式の両辺を材料の降伏応力τツで除すと という式が得られ、Ｇ、ｄ、Ｄ、Ｎ、　　τｙの値とし
てコイル状ダンパの値を用いて定義される。右次元応力
係数と定義する０次に、原理を材料の許容ねじり応力τ
１で除すと、 という式が得られ、Ｇ、ｄ、Ｄ、Ｎ、　τユの値として
コイルバネの値を用いて定義される、右辺の糸数と定義
する。

本発明の免震装置は、コイル状ダンパの無次元応力係数
がコイルばねの無次元応力係数よりも大きいことを特徴
としており、それ故、上下変位を増加させた場合、コイ
ルばねの発生応力が許容ねじり応力に達する前に、コイ
ル状ダンパの発生応力は降伏応力に達する。言い換える
と、コイル状ダンパが降伏しても以然としてコイルばね
は弾性範囲内で、変位の増加に対して反力を増加させる
ことができるものである。第１図の実施例はもちろんこ
の関係を満足するものであり、この関係が満足されるな
らば、本発明は、第１図の実施例に何ら限定されるもの
ではない。

本実施例では、コイルばね１の内側に、塑性変形能力を
有する材料を用いて形状をコイル状としたダンパ２を設
置する構成を有し、上部構造物の自重の他に地震荷重が
作用した場合、コイルばね１は、弾性変形により復元力
を発生し、コイル状ダンパ２は、塑性変形により振動エ
ネルギを吸収する。

本実施例によれば、荷重支持要素と減衰要素を一体化し
、かつ、その際、荷重支持要素であるコイルバネの内側
の空きスペースに減衰要素であるコイル状ダンパを設置
したことにより、免震装置の小型化が可能となる。さら
に、一体化により、据付工数低減が図れる。

この免震装置を例えば、高速増殖炉に適用した場合には
、原子炉の軽量化が可能である。

〔発明の効果〕

本発明によれば、コイル状の部材を利用した簡単な構成
でありながら振動減衰能力を有するので高い免震能力を
有するという効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例による免震装置の縦断面図、
第２図は第１図中のコイル状ダンパの変位、反力関係を
示すグラフ図である。 １・・・コイルばね、２・・・コイル状のダンパ、３・
・・座屈防止柱、４・・・フランジ、５・・・中空体、
６・・・囲い。 率λ口

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、コイルばねと、前記コイルばねよりも塑性変形しや
   すいコイル状のダンパとを並列的に備える免震装置。 ２、特許請求の範囲の第１項において、前記コイルばね
   と前記コイル状のダンパとは同心状に配置されているこ
   とを特徴とした免震装置。 ３、特許請求の範囲の第１項又は第２項において、前記
   コイル状のダンパは前記コイルばねの内側空間内に配備
   されていることを特徴とした免震装置。 ４、特許請求の範囲の第２項又は第３項において、前記
   コイル状のダンパは、複数本のダンパ素材を同一コイル
   径であつて同心且つ並列的に設けて成ることを特徴とす
   る免震装置。 ５、コイルばねの両端に接する各フランジと、前記両フ
   ランジの間に配備されており前記コイルばねよりも塑性
   変形しやすいコイル状のダンパとから成り、前記各フラ
   ンジと前記コイル状のダンパとは連結されて組合せて成
   る免震装置。 ６、特許請求の範囲の第５項において、前記コイル状の
   ダンパは前記コイルばねの内側空間内に配備されている
   ことを特徴とした免震装置。 ７、コイルばねの両端に接する各フランジと、前記両フ
   ランジの間であつて前記コイルばねの内側に配備されて
   おり前記コイルばねよりも塑性変形しやすいコイル状の
   ダンパとの組合せ体から成り、前記フランジは前記コイ
   ル状のダンパの内側に突き出されて前記コイル状のダン
   パと連結された中空体部分を備えるとともに、前記中空
   体内に端部を抜き差し方向へ移動自在に入れられ且つ前
   記コイル状のダンパ内側に通された座屈防止柱を備える
   ことを特徴とした免震装置。 ８、特許請求の範囲の第７項において、前記フランジは
   コイルばねの端部外周囲を囲う囲いを備えることを特徴
   とした免震装置。