衝撃吸収材を用いた竜巻防護対策の事例紹介
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カテゴリ: 第16回
衝撃吸収材を用いた竜巻防護対策の事例紹介
Application of shock absorber to tornado protection on power plant equipment
株四国総合研究所
野口
新ニ
Shinji
NOGUCHI
四国電力株
O堀田
宏司
Kouji
HOTSUTA
Member
四国電力株
池田
和豊
Kazutoyo
IKEDA
Shock absorber has been designed for power plant equipment against to the impact load of a tornado missile. Impact energy could be absorbed by axial deformation on the double pipe of aluminum alloy.The compression test was performed by changing material, diameter and thickness of pipe. The obtained stress displacement cave was used for the optimal design of shock absorber for the heavy oil tank.The response acceleration on the heavy oil tank against to the impact load was evaluated by dynamic finite element analysis.The effect of acceleration reduction using shock absorber was confirmed by detailed analysis model.Shock absorber was mounted on the outer surface of the heavy oil tank in Ikata Power Station Unit 3.
Keywords: Shock absorber, Impact load, Tornado missile, Double pipe, Aluminum alloy, Dynamic finite element analysis
はじめに
瀬戸内地域で過去発生した竜巻は、気象庁の区分では 0 （m ）の ルとさ ているが、 発電所では、国内最大級の竜巻を考慮し、最大 を100
（m ）とした上で、飛来物発生防止対策や、飛来物から重要安全施設を保護するための竜巻防護対策を実施 している。
竜巻防護対策は、飛来物を重要安全施設に到達させ ないこと、または衝撃力を和らげることを目的に、重 要安全施設の構造・設置場所の状況等に応じて、防護 不ット・防護鋼板・衝撃吸収材等から適切な対策を選 択している。
衝撃吸収材を用いた竜巻防護対策の事例として、非 常用ディーゼル発電機の燃料を貯蔵する屋外設置の重 油タンクをFig.1 に示す。重油タンク外面に衝撃吸収材を貼りめぐらせ、飛来物の衝突による衝撃力を緩和さ せている。
本稿では、衝撃吸収材の緩衝効果により、竜巻に対 して、重油タンクの健全性が確保さ ていることを紹介する。
Fig. 1 Shock absorber using double pipe of aluminum alloy(on heavy oil tank)
衝撃吸収材の特性検討
適切な緩衝性能を有する市販の製品がなかったため、アルミニウム製管が軸 向に座屈変形（軸圧壊） する際に、衝突エ不ルギーを吸収できることに着目して、各種アルミニウム合金管の圧縮試験を行い、最適な特性（緩衝効果）を持つ衝撃吸収材を選定した。Fig.2 に衝撃吸収材の圧縮試験結果から設定した剛性特性を示す。なお、試験過程において、衝撃吸収材は安定的に軸圧壊することを確認している。
連絡先:堀田 宏司、〒790-0012 松山市湊町6丁目1 の 2 、 四 国 電 力 相 原 子 力 本 部 、E-mail:hotsuta11076@yonden.co.jp
80
70
0
応力(MPa)
0 40
30
20
10
0
02040080100 120 140
変位(mm)
3 2 バネ質点モデルによる応答加速度の評価
衝撃吸収材が取り付けら た重油タンクに、飛来物が衝突する際の評価モデルを Fig.3 に示す。重油タンク及び衝撃吸収材については、バ不ー質点系でモデル化し、衝撃吸収材の緩衝効果（k）を評価モデルに取り入 ている。飛来物については、鋼製材はシェル要素にて材料 SS400 でモデル化し、乗用車は衝突の際に潰 て自らエ不ルギーを吸収する構造であるため、車体剛性を以下の式にて求めてモデル化した[1]。
C=588M
ここでCは車体剛性（N m）、Mは車体重量（kg)である。
Fig. 2 Stress-displacement characteristics of shock absorber
衝突解析
3 1 竜巻影響評価の飛来物
竜巻影響評価（竜巻による影響を考慮した重油タン ク各部位の構造強度評価）に用いる飛来物は、飛来物 発生防止対策等を踏まえて、Table 1 に示す鋼製材・乗用車の2種類が選定さ ている。
衝突 度は、重油タンクに加わる衝撃荷重が大きくなるよう、鉛直 向よりも い水平 向の値を適用している。
Table 1 Specifications of tornado missiles
飛来物
飛来物形状(mm)
重量
（kg）
衝突 度(m )
エネルギー
(kJ)
鋼製材
長さ4,200X幅300X奥
行200X板厚
13
7
220
乗用車
長さ4, 00X幅1, 00X奥行1,400
2,000
47
2,210
Fig.3Spring mass system model for evaluating response acceleration
解析には汎用市販コードの LS-DYNA を使用した。LS-DYNA は、衝突問題など短時間の動的現象のシミュ ーションに適し、様々な分野において多くの利用実績のある有限要素法解析コードである。
竜巻影響評価に必要となる、飛来物衝突時の重油タンク応答加 度の解析結果を Fig.4 に示し、最大応答加 度（最大絶対値）を Table 2 に示す。衝撃吸収材の緩衝効果により、重油タンク応答加 度が大きく低減している。
Fig. 4 Response acceleration history on heavy oil tank against to the tornado missile impact
Table 2 Maximum response acceleration evaluated by spring mass system model
飛来物
重油タンク応答加 度(m 2)
鋼製材
約1
（参考 衝撃吸収材がない場合 約2 ）
乗用車
約2
3 3 応力評価
竜巻による荷重が重油タンクの重心位置に付加 さ るため、JEAG4601[2]の横置円筒形容器の応力評価に準拠し、地震荷重を竜巻による飛来物の 衝撃荷重に置き換えて発生応力を求めた。
地震水平荷重が、F=mo・aHで算出さ ることから、飛来物による衝撃荷重の重油タンク応答 加 度（aH）は次式となる。
aH=WM／mo WM=mo・aH
ここでmoは重油タンク満油重量と衝撃吸収材重
量の合計重量である。
原子力発電所の竜巻影響評価ガイドに基づき、竜巻による 圧荷重（WW）、気圧差荷重（Wp）並びに飛来物による衝撃荷重（WM）を組み合わせた複合荷重（W
T2=WW+o 5Wp+WM）により評価した、重油タン
クの胴板、支持脚及び基礎ボルトに関する応力比（発 生応力／許容応力）をTable 3 に示す。衝撃吸収材の緩衝効果により、応力比は全て1未満となり、竜巻に対 して重油タンクの健全性が確保さ ることを確認した。
Table 3 Results of tornado impact assessment
評価部材
材料
応力比
胴板
SS400
0
支持脚
SS400
0 2
基礎ボルト
SNB7
0 34
3 4 詳細モデルによる裕度の確認
JEAG4 01 に準拠した応力評価では胴板の裕度がほとんどなかった。そこで、Fig.5 のような詳細モデルを作成し、応答加 度を求めた。
Fig. 5Example of detailed analysis model (in the longitudinal direction)
加 度応答をFig.6 に示す。長手 向および横 向に衝突した場合の加 度は、士約9m/s2 程度であった。詳細にモデル化して解析することによって、余裕があることが確認できた。なお、タンク表面に生じるひずみも十分小さいことを確認した。
Fig. 6 Response acceleration history calculated by detailed analysis model
設置状況
今回開発した衝撃吸収材は、原子力規制庁によるエ 事計画認可・使用前検査を経て、 発電所3号機の重要安全施設（重油タンク）に対する竜巻防護対策と して、設置済である。（Fig.7 参照）。
Fig. 7 Shock absorber mounting condition on heavy oil tank
おわりに
今後は、低コストで簡易な構造の衝撃吸収材の特徴 を生かし、原子力発電所の重要安全施設に対してだけ でなく、広く一般的な産業施設、土木・建築構造物等 に対する衝突問題の緩和 策として活用していく予定である。なお、本件は「屋外設置物の保護装置及び屋 外設置物の保護設備（公開番号 特開 2016-8469 号）」として特許を取得した。
参考文献
水野幸治 自動車の衝突安全（2012 年 名
古屋大学出版会）
日本電気協会 原子力発電所耐震設計技術指針
（JEAG4601-1987）