小口径配管系の耐震安全性に関する研究
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カテゴリ: 第6回
1. 緒言
耐震安全性は原子力発電所の運転、設計に関する最 も重要な課題の一つである。既往の研究より、原子力配管系の実際の耐力は、設 計条件に対し非常に高いものであることが確認されて いる。但し、これらの研究の多くは、配管あるいは配 管サポートを単独で評価対象とした耐久試験に基づく ものであり、サポートと一体となった配管系の振動特 性に関する試験検証は十分になされていない。 1. 本研究は、実物大の配管-サポート系の加振試験を実 施することで、地震時の配管系の振動特性を把握する とともに、配管-サポート系の持つ耐震裕度を確認する ことを目的としたものである。
2. 試験条件 * 本研究では、地震時におけるサポート単独の挙動に 着目したサポート要素試験と配管-サポート系全体の 振動特性に着目した加振試験の2種類の試験により検 証を実施した。 各試験の試験体および試験条件を以降に示す。
2.1 サポート要素試験 - サポート要素試験では、一般的に適用されるサポー ト型式として、片持ち型、および門型形状のサポート を試験体とし、繰返し荷重を与えることで、サポート の耐力、損傷形態および荷重-変位特性を確認した。 - 試験体の概略図を Fig.1 に示す。また、試験条件を Table 1 に示す。Piping(linch,2inch,4inch)H=500 or 1000Lateral or perpendicular load LEZU-boltL-shaped angle support(L50 or L65) Base plate・Embedded anchors ・expansion anchors1300mm600mm1300mmConcrete block 1YPiping(linch,2inch, 4inch)Lateral or perpendicular load ,500mm VL-shaped angle support (L50 or L65)H=500 or 1000? Embedded anchorsexpansion anchors2300mm600mmVConcrete block 1,500mmFig.1 Schematic view of test specimens465Test caseLoad directionCase 1Table 1 Test conditions Pipe diameter Support type Anchor typeCantilever linch(1B)Expansion (M6) (L50,H=500) 2inch(2B) CantileverExpansion (M6) (L50,H=1000)lateralCase2lateralCase32inch (2B)Cantilever (L50,H=1000)Embedded (016) |lateralCase44inch (4B)Expansion (M12)lateralCase54inch (4B)Embedded (216)lateralCantilever (L65,H=1000)Cantilever (L65,H=1000)Cantilever (L50,H=1000)Cantilever (L65,H=1000)Case62inch (2B)Expansion (M6) | perpendicularCase7 |4inch (4B)Embedded (016) | perpendicularCase8 ||linch (1B)Expansion (M6)lateralFrame (L50,H=500)Frame (L50,H=1000)Case9 | 2inch (2B)Expansion (M6)lateralCase 10 |4inch (4B)Frame (L65,H=1000)Expansion (M6)lateralCase 112inch (2B)Frame (L50,H=1000)Expansion (M6)perpendicularFrameCase 122inch (2B)Embedded (@16)perpendicular(L50,H=1000)2.2 加振試験」加振試験では、エルボ、T 分岐部等を含む配管構成 要素として一般的な 3 次元的な広がりを有する口径4 インチの実物大の配管系を試験体とし、加振時におけ る配管-サポート系の振動特性を評価した。また、試験 体に与える入力地震動を段階的に増大させることで配 管-サポート系の有する耐震裕度を確認した。 - 試験には防災化学技術研究所 兵庫耐震工学研究セ ンター(E-ディフェンス)における振動試験装置を使 用した。試験体の諸元および概略図を Table 2、Fig.2 に示す。 また、主要な試験条件を Table 3 に示す。Table 3 に示す 通り、一部の試験条件においては、試験装置の加振能 力以上の地震力を模擬的に与えるため、配管への錘の 付与および部分的なサポートの撤去などの措置を施し た。 ---入力地震波の形状(応答スペクトル)を Fig.3 に示す。 同地震波をベースに、試験条件に合わせ振動レベルを 調整したものを試験に適用した。ElementPipeTable 2 Specification of test specimenMaterial QuantityRemarks or Structure 4B-Sch40 carbonTotal length: approx. 24 mElbows;9, Tee;1, steel pipeNozzles%B3 WaterUnder test: 1.4 MPa Cantilever-type 16Expansion anchor support| (including concrete fixture) (with U-bolts) Approx. 80Base mat size ton(10.4m×6.4m)Internal fluidSupportTotal weightSupport NoElbow No201612.4m1.4m」3.1mイルNobNo1O: removed supports at Test Model C Fig.2 Schematic view of test specimen (Test Model A)Table 3 Test conditions InputTest Test case Level““ ModelRemarks Case1 S2 Model AApplied vibration at the design earthquake level(1.5 m/sof the test model. Case2 | 9×52 Model AAmplified the acceleration of the S2 wave by 9 times.Amplified the response of the piping system with Case3 | ass2 Model Ban added mass. The shaking waveform was adjusted (with the time axis) to the natural frequency of the piping system.Removed five main supports (supports 4, 5, 7, 8, Case4 | B×S2 | Model C9) to make the pipes more sensitive to vibration, and applied vibration at the level to damage thepipes. *S2 : Design earthquake level of the test modelWAVE-BNatural frequency of the piping model11.0%目標、WAVE-AWAVE-B -WAVE-CLWAVE-CAcceleration m/sWAVE-A -0.010.1Period sec Fig.3 Response spectra of the excitation waves-4663.1 サポート要素試験 - サポート要素試験により得られた最大荷重および損 傷部位を Table 4 に示す。各試験の荷重-変位特性およ び損傷部位から、損傷形態は Table 4 に示すCategory 1 ~4 の区分に大別できる。各損傷形態の特徴を以下に 示す。また、配管支持点における荷重-変位特性および 損傷箇所の写真の代表例を Fig.5~12 に示す。 Category 1: 定着部損傷タイプ定着部アンカボルトの破断あるいはコンクリー トの破壊による損傷形態である。 U ボルト、支持 部材等での大規模な塑性変形を伴わず損傷に至る ため、荷重-変位特性は、Fig.5 に示す通り線形的な 形状を示しており、地震時におけるサポートの変 形によるエネルギーの吸収効果は他の損傷形態に比べ限定的といえる。 Category 2:支持部材変形タイプ支持部材の変形による損傷形態である。荷重-変 位特性は、Fig.7 に示す通り非線形的な形状を示し ており、弾性限界以上となる入力荷重に対し、高 いエネルギーの吸収効果が想定される。Category 3:U ボルト損傷タイプU ボルトに塑性変形が生じた後、損傷に至るタ イプである。このタイプでは、Fig.9に示す通り、 変形量の増加に伴いサポートの剛性が上昇する特 有の荷重-変位特性が認められる。 Category 4:支持部材および Uボルト変形タイプ支持部材とUボルトの両方に塑性変形が発生し た後、支持機能の喪失に至る損傷形態である。 Fig.11 の荷重-変位特性は、定着部のアンカボルト の破断が発生したケースであるが、アンカボルト が破断に至る前にUボルト、支持部材の両方で塑 性変形が発生しているため、Category 2~3 を合わ せたような特性を示しており、Category 1 の場合に 比べ、高いエネルギーの吸収効果が想定される。PositiveNegativeU-boltSupport beamSupport beamConcrete blockCategoryTest CaseCase1Case2Category1Case8Case9Case 10Fig.4 Specimen and test equipment (Test Case 11) Table 4 Summary of test resultsTested failure capacity Designed allowable force Strength SpecificationsFailure mode | (kN) | Failure mode | (kN) | ratio* 1inch, cantilever type, expansion anchorAnchorage | 3.42 Anchorage 0.66 | 5.18 Lateral load 2inch, cantilever type, expansion anchor |Anchorage 1.56 Anchorage 0.33 4.73 Lateral load linch, frame type, expansion anchor Anchorage 12.3 Anchorage 2.056.00 Lateral load 2inch, frame type, expansion anchorAnchorage 5.49 Anchorage 1.07 5.13 Lateral load 4inch, frame type, expansion anchorAnchorage7.91Anchorage 1.07 7.39 Lateral load 2inch, cantilever type, embedded anchor,Support 2.22Support 0.94 2.36 Lateral load 4inch, cantilever type, expansion anchorSupport 3.53 Anchorage 1.11 3.18 Lateral load 4inch, cantilever type, embedded anchor,Support 4.18Support1.59 2.63 Lateral load 2inch, cantilever type, expansion anchorAnchorage19.3 U-bolt1.51 12.78 Perpendicular load 4inch, cantilever type, embedded anchor,U-bolt 27.0 U-bolt23.48 Perpendicular load 2inch, frame type, expansion anchorAnchorage 38.3 Anchorage 8.89 4.31 Perpendicular load 2inch, frame type, embedded anchor,U-bolt40.1 Base plate 26.4 Perpendicular load*Strength ratio a=Tested failure capacity / Designed allowable forceCase3Category 2| Case4Case5Case6Category3Case7Case 11Category4Case 121.52467Load kNSnap of expansion anchor3.42kN-------+---------(-26.9 nnnn)25.3mmLoad KN4oFinal cyclei--Load kNELL-LL-ニーストTITIME+----+2019/01/012019/11/04TVM+トー~30~20-100_102030Displacement mm-1010(-3.28kN1Displacement mm Fig.5 Force and displacement of Test Case 1 (Category 1)20---2.22kNLocalized bucking of support__ (-147mm)Load kNYlonini““. Final cycl12ーーーーーートttt-L-2.37k37kN~300-200-1030 10200300Displacement mm~100-200-100200300100Displacement mm Fig.7 Force and displacement of Test Case 3 (Category 2)28.4kN---200---100--行1----23.1mm(27.2mm)Load kNnaoFinal cycle.-100NN PEOT-200F -711 Snap of U-bolt...ORN-200 20 Displacement mm-4030202013040-10 0 10 Displacement mmFig.9 Force and displacement of Test Case 7 (Category 3)| Snap of expansion anchor- 38.3kNと22.4mm)32.7mmLoad kNFinal cycleTTFLoad KN--|-|------1201-35.1kN) -n Displacement mmDisplacement mm Fig.11 Force and displacement of Test Case11(Category 4)NegativeLoad directionPositiveConcrete crackFig.6 Failure state of Test Case 2 (Category 1)NegativeLoad directionPositiveLocalized buking of supportFig.8 Failure state of Test Case 3 (Category 2)模式図Snap of U-boltLoad directionNegativePositiveFig.10 Failure state of Test Case 7(Category 3)PositiveNegativeSnap of expansion anchorPlastic deformation of support beam and U-boltFig.12 Failure state of Test Casel1(Category 4)4683.2 加振試験コーヒーアイフェンス ! - 試験体および振動試験装置の外観写真を Fig.13 に示 す。試験体の固有振動数計測結果を Table 5 に示す。また、 試験体の振動モード図を Fig.14 に示す。Fig.14 に示す 通り、試験体の1次振動モードでは、配管の T 分岐部 が水平方向に大きく振動する。試験では、入力地震に対する試験体の応答を確認す るため試験体各所の応答変位およびひずみ量を計測し た。試験結果を Table 6に示す。また、応答変位の計測 例を Fig.15 に示す。試験結果のうち、Table 6 における Test Case 1 は、試 験体に対し設計上許容できる限界相当の入力地震波をFig.13 Specimen and test equipment (Test Model B)Table 5 Natural frequency of piping system 与えたケース、Test Case 2 は設計許容の約9倍相当のRemarks 入力地震波を与えたケースである。Test Case 3 は試験| Original test model 体に錘を付加し、配管変位が更に大きくなるよう設定Amplified the response of the 10.9 15.6piping system with additional したケースである。Test Case 4 は、錘の追加に加え、masses| Test Modelc T 35 | 9.6 | 13.5 | 15.2 | Remove five supports 一部サポートを撤去し、Test Case 3 以上の配管変位が 生じるよう設定したケースである。結果として、いずれの試験においても内部流体の漏 えいはなく、少なくとも設計の9倍以上の入力地震波 に対し配管の健全性が確認できた。 設計以上の入力波に対し、試験体の健全性が保たれ1st 13.7Hz2nd 16.6Hz た要因の一つとして、設計条件以上の高い減衰効果がFig.14 Vibration model of piping system (Test Model A) 発生していたことが挙げられる。配管系の振動レベルTable 6 Max response of piping system が大きくなると Uボルトと配管の摩擦、あるいは配管、Remark 支持部材、U ボルト等の局所的な塑性変形により、減Support 7 | Support8 | Support 9 衰効果が向上する。減衰の大きさは配管やサポートの1.7mm0.01% 終局レベルを想定するための重要な要素であるため、 試験結果に基づき、配管応答変位と減衰の関係を評価Ist 13.7Natural frequency Hz2nd | 3rd | 16.6 | 25.8 |4th 28.1Test Model A1|Test Model B6.318.2Support displacement(ductility ratio) |TestMaximum acceleration of the waveMaximum displacement of piping system (at tee)MaximumStrainrange of elbowCase1.46m/s2elastic range15.3m/s216.2mm1.6mm (0.12) 15.9mm(1.2) 50.3mm (3.78)1.3mm 1.6mm(0.1) (0.12) 9.1mm | 15.4mm (0.68)(1.16) 31.8mm 46.6mm (2.39)0.00047.96m/s251.7mm0.0017L-3.5した。13.6m/s2239.8mm0.01373.9mm製KTMここでは、配管最大応答箇所の加速度と、加振装置 床水平加速度の伝達特性から、ハーフパワー法にて減 衰比を推定した。結果を Fig.16 に示す。 Fig.16 に示す 通り、減衰比は振動レベルの増加とともに上昇し、Test Model A では、最大約 9%の減衰比が確認された。また、T 分岐部で約 240mm の変位が認められた Test Case4 の状況を想定し、配管エルボ部のひずみと T分 岐部の変位に着目したシミュレーション解析を実施し た。結果を Fig.17~18 に示すが、解析結果は試験時の 計測値とよく一致しており、ひずみの大きさと地震の 繰返し回数を考慮した累積損傷係数による疲労評価が 可能となる見通しが得られた。14.8mm6.6m8.1mm1mm15.4mmFig.15 Displacement response (Test Case 2)469、14TTTTTTT---1-TI111 TIT - -1-1-11「INTIT - --- 「TINA----T11TTT - -1-1-T PINTIT - - -- 「Tring?--?? ??????? ?1-1 TENTITE- | TITIMDamping ratio %7-11117 TIT - - - 1-1 THINTIT- - Trrrind-1-TI-FIT TIT - - - 1-1-1rl◆ Test Model A1 111111 111日 Test Model B -1-1-TIT - 1-1 Trin| ||||| Test Modelciriiri100100010Displacement at tee mm Fig.16 Damping ratio of piping systemAnalysisElbowBElbowaElbowAElbowor. ElbowA)0.0150.01Circumferential Axial0.005~リー-Strain0-0.005-----0.01----ーーー王240mm-1.50% -300 -200 -100 0 _ 100 12月 200 300Displacement at Tee mm Fig.17 Relation between tee displacement andlocal strain of Elbow ATest result0.013Circumferential strain%2014060 80 100 120 1401Time sec Fig.18 Local strain of Elbow A (Test Case 4)4.結言本研究による結果を以下にまとめる。 (1)サポート要素試験により、サポートの支持機能喪 失までの挙動および実耐力を確認することができた。 (2)加振試験により、配管の振動特性を把握するとと もに、配管系の持つ耐震裕度の高さを確認するこ とができた。 (3)加振試験条件を想定したシミュレーション解析を 実施し、試験結果との比較により塑性変形を考慮 した解析法の妥当性を確認することができた。参考文献[1] T.Ito et al., Proving Proving Test on the SeismicReliability of the Main Steam Piping System Partl,ASME PVP,Vol.345,1997 [2] K.Tai et al., Proving Proving Test on the SeismicReliability of the Main Steam Piping System Part2,ASME PVP, Vol.345,1997 [3] K. Tai et al., Performance of aMultiple-excitationSimulatro at the Seismic Test of a Piping System Supported by Conventional Snubbers, ASME PVP,Vol345, 1997 [4] K. Tai et al., Proving Test on the Seismic Reliability ofthe Main Steam Piping System(Part1:Simulation forPWR Main Steam Piping), 14th SMIRT, Vol.K, 1997 [5] Y.Namita et al., Seismic Proving Test of Ultimate PipingStrength(Piping Component Test Result and SystemTest Plan), ASME PVP, Vol.428-1, 2001 [6] K.Suzuki et al., Seismic Proving Test of Ultimate PipingStrength(Test Results on Piping Component and PipingSystem Test), ASME PVP, ASME PVP, Vol.445-1,2002 [7] K.Suzuki et al., Seismic Proving Test of Ultimate PipingStrength(Simulation Analysis of Sumplified PipingSystem Test), ASME PVP, Vol.466, 2003 [8] K.Suzuki et al., Seismic Proving Test of Ultimate PipingStrength(Status of Design Method Confirmation Test,17th SMiRT,Vol.K5-2, 2003 [9] T.Ishiguro et al., Study on Seismic Design Margin basedupon Inelastic Shaking Test of the Piping and Support System, ICAPP, Paper 9484, 2009-470“ “?小口径配管系の耐震安全性に関する研究“ “石黒 三,Takami ISHIGURO,江藤 和敏,Kazutoshi ETO,池田 和豊,Kazutoyo IKEDA,吉井 俊明,Toshiaki YOSHII,近藤 正美,Masami KONDO,平山 大作,Daisaku HIRAYAMA
耐震安全性は原子力発電所の運転、設計に関する最 も重要な課題の一つである。既往の研究より、原子力配管系の実際の耐力は、設 計条件に対し非常に高いものであることが確認されて いる。但し、これらの研究の多くは、配管あるいは配 管サポートを単独で評価対象とした耐久試験に基づく ものであり、サポートと一体となった配管系の振動特 性に関する試験検証は十分になされていない。 1. 本研究は、実物大の配管-サポート系の加振試験を実 施することで、地震時の配管系の振動特性を把握する とともに、配管-サポート系の持つ耐震裕度を確認する ことを目的としたものである。
2. 試験条件 * 本研究では、地震時におけるサポート単独の挙動に 着目したサポート要素試験と配管-サポート系全体の 振動特性に着目した加振試験の2種類の試験により検 証を実施した。 各試験の試験体および試験条件を以降に示す。
2.1 サポート要素試験 - サポート要素試験では、一般的に適用されるサポー ト型式として、片持ち型、および門型形状のサポート を試験体とし、繰返し荷重を与えることで、サポート の耐力、損傷形態および荷重-変位特性を確認した。 - 試験体の概略図を Fig.1 に示す。また、試験条件を Table 1 に示す。Piping(linch,2inch,4inch)H=500 or 1000Lateral or perpendicular load LEZU-boltL-shaped angle support(L50 or L65) Base plate・Embedded anchors ・expansion anchors1300mm600mm1300mmConcrete block 1Y