機器配管系の耐震安全裕度の評価確認に関する研究

　原子力施設の機器配管系には安全上重要なものが多く地震時の損傷防止と機能維持のために十分な耐震安全裕度を確保すると共により合理的な設計法を確立していくため多大の努力が払われている。

　国立防災科学技術センターでは実験的な手法により配管系モデルの損傷を再現し、耐震安全裕度を評価確認することを目的として研究を進めている。59年度末に予備実験、その後本実験を行う予定で実験装置の製作を進めている途上である。そのためここでは実験計画および装置の概要について述べさせていただくことにする。

　原子力施設の機器配管系のうち安全上重要なものは耐震クラスＡまたはAsに分類され、その耐震設計は非常に厳しい条件で行われているが、その安全性を明確に示し耐震信頼性の向上を図るためには実験等による安全裕度の確認が必要である。本研究では、実験的手法による対震安全裕度の評価確認に関わる課題の一つとして多入力による配管系の応答をとりあげている。

　一般に地震動は地盤から基礎、基礎から建屋各層、そこから機器設備や支持構造物を経て配管系に伝わっていくが、この建屋各層あるいは機器等は一般にはそれぞれ異なった固有の揺れ方をする。そして配管系には建屋の各層床面あるいは多数の機器やサポート構造物にまたがって設置されるのが常である。従ってこれらの場所からそれぞれ異なった振動が配管系に作用することになる。異なる建屋にまたがって設置される配管系についても事情は同じである。

　このような問題は多入力地震応答と呼ばれ研究が進められているが実験的研究はまだ少ない。多入力でない（均一加振の）場合に比べ安全側か危険側かといった評価の問題も研究テーマになっている。原子力配管は剛強な基礎建屋上に設置されるので一般の建物等の配管と同列に考えるわけにはいかないが基本的な事情は同じである。多入力の場合、必然的に（振動以外に）支持点の相対変位を伴うのでフレキシブル継手をはじめ配管配置計画上さまざまな対策がとられる。

　この支持点の相対変位はいわば静的な多入力であって地価埋設管の震害にはこのような力によるものが多い。地上配管が多入力を受けるとこのような相対変位による変形と地震の慣性力による変形が生じようとして全体の変形と応力が決まる。これを計算機で求めることも一応可能となっているが大変繁雑な計算となる。このため簡略な評価手法が必要となっている。

　一方、配管系が降伏応力を超えて塑性変形し破損に達するまでの挙動を追跡することは安全裕度の確認のために必要なことであるがこれを計算でシュミレートすることは現状では非常に困難である。また実物には計算式にない要素が必ずある。このため代表的な配管モデルをとりあげ実験的な手法で破損を再現することが必要となる。

　前述のように原子力施設の配管系は多入力による障害を生じないよう各レベルでの対策が行われているが、本研究では安全裕度評価を目的とした多入力波のパターンを種々想定し（その中にはもちろん均一な入力波も含む）、破損に至る荷重レベルやくり返し回数などを実験で求める。この結果を相互に、また設計用入力レベルなどと比較し安全裕度の評価を行う。実験用入力波の想定は既住の建屋や機器の応答に関する研究、設計用床応答スペクトルなどを参照とするとともにモデル配管の形状を考慮して定める。

　このような多入力応答を調べる実験装置は特に決まった方式はなく試験体、試験目的に応じた装置を構成している。配管系の耐震試験には従来、動的総合試験を行う振動台方式、静的破壊試験を主としたアクチュエータ直接加力方式があり、多入力試験には後者が適している。本研究ではアクチュエータ方式をもとに振動台的な手法を加味した実験装置を試作し、静的および動的多入力試験を行う計画で進めている。装置の規模は大口径あるいは長スパンの配管系も対象に入れると極めて大がかりになるが本研究では手法開発も一つの目的として主に小口径の配管を対象に比較的小規模の実験装置を考えている。また多入力の形態も建屋内配管を対象に、主として垂直面内での異入力としている。なお、ここでは場所ごとに異なる入力という意味で多入力としているが、同じ場所で多次元入力（水平２方向）を考える必要性が最近特に指摘されており、本研究でも将来計画としてこのことをとりあげていきたいと考えている。

　前項のような考え方にもとづいて装置の製作を進めているがここではその概要を紹介させていただく。装置の基本は４台のアクチュエータ（加振機）であり、これを試験目的に応じてレイアウト４相多入力試験を行うものである。諸元は以下の通りである。

　４台のアクチュエータを上下方向にレイアウトした場合の実験状況を図に示した。

　装置主要部の機能は次の通りである。

　アクチュエータ４台、試験治具（反力フレームを含む）から成る。このアクチュエータには図のようにモデル配管の形状や支持方法に対応できるような振動板を接続しこれに試験体に応じたアンカー、サポート、スナッパなどを搭載する。振動板は両側治具フレームにより支持され加振方向には自由に動きうる。アクチュエータの必要とする力はこの振動板やモデル配管の慣性反力とモデル配管の変形抵抗の和となる。アクチュエータの台数および加振力からいえば最小構成の実験装置であり実大の複雑な配管をそのまま搭載することは困難である。しかし実際の配管系はアンカーや支持点の特性を考えて適当に分割することにより比較的少数の代表的なパターンに帰着することが多くそのような部分モデルあるいは縮尺モデルについては十分実験が可能である。

　入力波の発生や演算、アクチュエータの追従制御等を行う装置である。４台のアクチュエータへの入力波を作る際の考え方は前節に述べたが最終的には正弦波とか地震波とかの波形を発生させることになる。４種の異なる入力波を種々の比率や位相関係で試験体に加えるため、アナログのデータレコーダー使用や振幅のマニュアルコントロールは困難である。本装置ではマイクロコンピューターを用いた地震波入力装置で入力波の設定、発生を行う。設計スペクトルを用いて建屋床応答の模擬波を発生させる等の複雑な演算については大型計算機との連携で処理する。

　一方、アクチュエータを入力波の通りに動かす基本となるアナログサーボ制御は従来の振動台や疲労試験機などに用いられているものと同じである。追従量は変位または力（荷重）のいずれも可能である。振動台も含めてこの種の試験装置では試験体の振動や変形がアクチュエータの動きに力学的な影響を与え結果的に制御特性を低下させるという問題がある。本装置の場合、アクチュエータの加振力が比較的小さいこと、アクチュエータの負荷が（振動台のような）慣性負荷とモデル配管の変形抵抗（バネ負荷）和になるのでこの影響は無視できないものと思われる。

　これに対処する一つの方法は試験体からの影響をあらかじめ（微小加振などをもとに）推定し入力波を修正しておく手法で、既に種々の振動試験装置に使われているものである。本装置の場合、多入力ということもあってこの手法の適用は簡単ではない。実測データの解析結果をもとに手法の選択、効果について検討する予定である。

　４台のアクチュエータに駆動力を供給する装置である。装置は油圧ポンプユニット、冷却装置、油圧分岐配管および電源装置から成る。油圧装置の基本仕様はアクチュエータの最大速度で決まる。本装置では全アクチュエータ同時最大速度を20cm／ｓとして油圧ポンプおよびアクチュエータサーボ弁の仕様を決定した。技術開発上の問題点は特にないが各ユニットの仕様は次の通りである。

　油圧ポンプユニット……圧力210kg／cm²、吐出流量140l／min、電動機55kW×１台（２台に拡張予定）。他にアキュムレータ、電磁制御弁、油圧ホースを含み、アクチュエータの選定は任意に選ぶことが可能である。油圧タンク容量は1000lである。

　油圧分岐装置……各アクチュエータへの駆動油圧を分岐して送り出す装置でアキュムレータ、電磁制御弁から成り駆動加振機の選定も任意である。

　実験研究は主に以下のような観点で整理しこれらをまとめて安全裕度の評価を行う。

　試験体は１^B〜４^B程度の範囲で予備実験結果をもとに選定し、また形状、支持方法は実配管を参照し基本的なものを選定する。圧力配管については水圧を印加した応答実験を行えるようにする予定である。防振スナッパは主に高温配管用であるが多入力応答に対する効果を評価するためにモデルにくみ込んでいきたいと考えている。これら各試験条件に対応する試験体について振動特性把握試験、多入力弾性応答試験、静的破壊試験、動的破壊試験を行いその結果を上記の観点で整理検討する計画である。

　現在、油圧装置、制御装置、アクチュエータ（２台）等駆動関連装置の主な部分については製作が完了し、これに関連して入力波発生、制御方法の検討、プログラム作成を進めている。ひきつづき試験治具など試験装置主要部の詳細設計製作を進める予定である。なお実験は大型耐震実験施設内で行われるので将来は大型振動台と連携した総合試験も行っていきたいと考えている。

実験装置