ボイラ装置
【課題】地震時の安全性および耐震の信頼性の向上が図れ、しかも経済的な耐震構造を有するボイラ装置を提供する。
【解決手段】複数の支柱１と上下に複数配置された主梁２よりなる支持架構７、支持架構７の上部に吊り下げられたボイラ本体４、ボイラ本体４と支持架構７の間を接続する防振ダンパ６を有し、支持架構７の基礎から最下部の主梁２までを第１層、最下部の主梁２から次の主梁２までを第２層とし、最上部の主梁２まで複数の層構造を有し、層構造のうち、支持架構７とボイラ本体４からなるボイラ耐震構造の重心８が位置する重心層と、重心層よりも上層と、重心層よりも下方でボイラ本体４の鉛直部最下端９が位置する最下部層とに設ける防振ダンパ６の降伏耐力の総和が、上層を１としたとき、重心層が３．６〜４．４、最下部層が１．８〜２．２の割合となるように防振ダンパ６を設けた。
【解決手段】複数の支柱１と上下に複数配置された主梁２よりなる支持架構７、支持架構７の上部に吊り下げられたボイラ本体４、ボイラ本体４と支持架構７の間を接続する防振ダンパ６を有し、支持架構７の基礎から最下部の主梁２までを第１層、最下部の主梁２から次の主梁２までを第２層とし、最上部の主梁２まで複数の層構造を有し、層構造のうち、支持架構７とボイラ本体４からなるボイラ耐震構造の重心８が位置する重心層と、重心層よりも上層と、重心層よりも下方でボイラ本体４の鉛直部最下端９が位置する最下部層とに設ける防振ダンパ６の降伏耐力の総和が、上層を１としたとき、重心層が３．６〜４．４、最下部層が１．８〜２．２の割合となるように防振ダンパ６を設けた。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、主に火力発電プラントに用いられる大型のボイラ装置に係り、特に地震によるボイラ装置の振動を抑制し、地震時に安全性および耐震に対する信頼性の高いボイラ装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
主に火力発電プラントに用いられる大型のボイラ装置は、通常、複数本の支柱と、その支柱の上下方向に複数本配置された主梁との組み合わせにより支持架構が構成される。そしてこの支持架構の上部より、ボイラ本体が吊り下げられている。
【０００３】
図８は、従来のボイラ装置の耐震構造を説明するための概略側面図である。
前述のように複数本の支柱１と、その支柱１の上下方向に沿って複数本配置された主梁２との組み合わせにより支持架構７が構成される。ボイラ本体４は、運転中に上下方向に熱伸びする。その熱伸びの変化を拘束しないようにするため、ボイラ本体４は支持架構７の上部から吊りボルト３を介して伸縮可能に吊り下げられている。
【０００４】
前記主梁２は水平方向に配置する耐震用の梁であり、主梁２は地面３２からの高さ方向に複数配置されているが、その上下方向の間隔は必ずしも等間隔ではない。
【０００５】
下方から上方に向かって順に、支持架構７の基礎部分から最下部の主梁２までを第１層、前記最下部の主梁２から次の主梁２までを第２層とし、ボイラ本体４を吊り下げる最上部の主梁２まで複数の層構造を成しており、図８の例では第１層から第７層まで形成されている。
【０００６】
このボイラ装置において、支持架構７とボイラ本体４は複数層にわたって防振ダンパ６により接続されており、この防振ダンパ６でボイラ本体４の振動エネルギーを吸収する耐震構造になっている。
【０００７】
図８はボイラ装置の外部から耐震構造の側面を見た図であり、支持架構７の支柱１、主梁２、防振ダンパ６ならびにボイラ本体４を眺めた図である。防振ダンパ６は図面に向って主梁２の裏側に隠れた状態で配置されており、図示していないがその両端部は支持架構７とボイラ本体４に連結されている。この防振ダンパ６により、地震荷重５による地震エネルギーを吸収して、支持架構７を制振する。
【０００８】
この図８において、符号９はボイラ鉛直部５０とボイラ本体のホッパ部２０１の境界部に当たるボイラ鉛直部５０の最下部、３２は地面、３３はコンクリート製のベースマット、３４はそのベースマット３３の厚さ、３５はベースマット３３への支柱１の埋め込み長さである。なお、本明細書において、前記ボイラ本体鉛直部５０とは、ボイラ火炉水壁管で構成された水壁の鉛直部分を意味する。
【０００９】
図９は、特許第２５７２４０３号公報（特許文献１）および特開平５−１５７２０６号公報（特許文献３）で開示されている防振ダンパ６の構成を示す要部斜視図である。
【００１０】
同図に示すように、ボイラ本体４は、水を蒸気に変換する水壁７２を備えている。この水壁７２の外側には、補強材であるバックステー７１が設置されており、このバックステー７１と支柱７３を連結する形で、鋼製の防振ダンパ６が設置されている。
【００１１】
この防振ダンパ６は、円柱形状をした剛な２本の鋼材６Ａと、円柱形状をした柔な２本の鋼材６Ｂで構成されている。一方の柔な鋼材６Ｂがバックステー７１の端部に垂直方向に取り付けられており、この鋼材６Ｂの上下端部に２本の鋼材６Ａが平行に結合されている。また、この２本の鋼材６Ａの反対側の端部は、垂直方向に設置された他方の柔な鋼材６Ｂに連結されている。さらにこの柔な鋼材６Ｂは、前記支柱７３に連結されている。
【００１２】
このような防振ダンパ６の構成をとることにより、同図に示すように、地震時の防振ダンパ６への作用力Ｆｉと防振ダンパ６の変形量δｉに対して、前記剛な鋼材６Ａは塑性変形せず、前記柔な鋼材６Ｂを塑性変形させて、振動エネルギーを吸収するように、防振ダンパ６が設計されている。
【００１３】
図１０は、防振ダンパ６の構成を示す図である。同図の横軸は防振ダンパ６の変形量δｉ、縦軸は防振ダンパ６の作用力Ｆｉを示している。
【００１４】
本図は、弾性剛性Ｋ１と塑性剛性Ｋ２からなる、いわゆる弾塑性特性を示すものである。本図中の降伏耐力を変数として、防振ダンパ６の設計が行なわれる。
【００１５】
図８に示す従来の耐震構造において、防振ダンパ６は、第１層の上部、第２層の上部、第４層の上部、第５層の上部、第６層の上部に設置されている。
【００１６】
図１１は防振ダンパ６の配置状態を示す概略平面図で、図中の（Ａ）は図８のＡ−Ａ線上から見た概略平面図、（Ｂ）は同様にＢ−Ｂ線上の概略平面図、（Ｃ）はＣ−Ｃ線上の概略平面図、（Ｄ）はＤ−Ｄ線上の概略平面図、（Ｅ）はＥ−Ｅ線上の概略平面図、（Ｆ）はＦ−Ｆ線上の概略平面図、（Ｇ）はＧ−Ｇ線上の概略平面図である。
【００１７】
同図（Ｂ）に示すように第６層では防振ダンパ６が２個配置、同図（Ｃ）に示すように第５層では防振ダンパ６が４個配置、同図（Ｄ）に示すように第４層では防振ダンパ６が４個配置、同図（Ｆ）に示すように第２層では防振ダンパ６が２個配置、同図（Ｇ）に示すように第１層では防振ダンパ６が２個配置されており、合計で１４個の防振ダンパ６が配置されている。
【００１８】
後述するが、この防振ダンパ６の配置に関して、従来技術および本発明について説明する上で、ボイラ本体と支持架構からなる耐震構造の重心位置８が重要な位置となる。この図８に示す従来例ならびに図１に示す本発明の実施形態では、耐震構造の重心位置８が第４層に存在する例を示しており、耐震構造の重心位置８が存在する層を重心層と称している。
【００１９】
従来技術による防振ダンパ６の配置設計の根拠について述べる前に、事前に説明が必要な図１２、図１３について説明する。
【００２０】
図１２は、図８におけるボイラ耐震構造の層高Ｈｉ、層間変位ｆδｉおよび層間変形角ｆθｉの関係を示す説明図である。図１２の左部分は図８と同じ耐震構造の側面を見た図であり、図１２の右部分は前記左部分に対応した各層での層高Ｈｉ、層間変位ｆδｉの大きさおよび層間変形角ｆθｉの大きさを示している。
【００２１】
前記層高Ｈｉとは各層の高さであり、第１層から第７層までに対応してＨ１〜Ｈ７の符号が付されている。
前記層間変位ｆδｉとは、地震荷重５が作用した場合に生じる各層の下端と上端との水平座標の偏差（変位）の最大値を意味し、仮に地震荷重５がゼロの場合には層間変位ｆδｉはゼロとなる。この層間変位ｆδｉの大きさは、層間変位ｆδｉの値がゼロとなる基準線５００より右に行くほど層間変位ｆδｉの値は大となっている。
【００２２】
前記層間変形角ｆθｉとは、層間変位ｆδｉを層高Ｈｉで割った値（ｆθｉ＝ｆδｉ／Ｈｉ）である。言い換えれば、層間変形角ｆθｉは地震荷重５が作用したときの各層の最大の傾きを示すものである。この層間変形角ｆθｉの大きさは、層間変形角ｆθｉの値がゼロとなる基準線５０１より右に行くほど層間変形角ｆθｉの値は大となっている。
【００２３】
図１２の右部分に示すように、耐震設計では一般に、層間変位ｆδｉおよび層間変形角ｆθｉは、各層で一定値とみなされる。その理由について次に説明する。
【００２４】
現実には１つの層内でも高さ方向で「変位」の大きい所と小さい所があり、また、例えば各層の下端を「変位」ゼロとして、上端までの相対的な「変位」の分布をみたときに、上端に向って必ずしも直線的な関係になっていないことが考えられる。
【００２５】
しかしながら、ボイラ装置の耐震設計では、層高Ｈｉに対して層間変位ｆδｉが１／２００程度と相対的に非常に小さくなるため、各層の下端を節として支柱１が一様に傾いて、上端までの相対的な「変位」の分布が直線的な関係になると考えてよい。このため層間変位ｆδｉおよび層間変形角ｆθｉは、各層で一定値とみなされる。
【００２６】
図１３は、地震荷重５が作用した場合の各層（第１層〜第７層）での層間変形角ｆθｉの状態を示す特性図である。
【００２７】
次に従来技術による防振ダンパの配置設計の根拠について説明する。従来技術では、下記の（ａ）の設計制約および（ｂ）〜（ｄ）の技術思想に基づいて、防振ダンパの配置設計が成されていた。
【００２８】
（ａ）ボイラ装置の耐震性を確保するため、図１３中で三角印に示すように、層間変形角を規定値（例えば図中の点線で示す層間変形角＝１／２００＝０．００５）より小さくなるように制約し、図１０に示す防振ダンパの降伏耐力が設計されていた。
【００２９】
（ｂ）ボイラ装置の耐震構造の振動形状を変化させないことが、安定構造に繋がるという技術思想に基づき、上下に隣接する層と層の間で層間変形角を極力一致させるように、防振ダンパの降伏耐力が設計されていた。
【００３０】
（ｃ）耐震構造の重心位置８が存在する層（第４層）より上部の層の層間変形角を小さくすることが、安定構造に繋がるという技術思想に基づき、重心位置８が存在する層（第４層）よりも上層の層間変形角を小さくするように設計されていた。
【００３１】
（ｄ）前記（ａ）〜（ｃ）において、前記図１３で示す規定値（図中の点線で示す１／２００）に対して可能な限り層間変形角を小さくすることが、さらなる安定構造に繋がるという技術思想に基づいて設計されていた。
【００３２】
前記（ａ）〜（ｄ）に基づく従来の設計結果として、図１５に示す防振ダンパの降伏耐力の総和の分布が得られていた。この図１５は、第６層に設置されている防振ダンパ（２個設置）の降伏耐力の総和値を１として、他の層における防振ダンパの降伏耐力総和の比を示したものである。
【００３３】
ここで防振ダンパの降伏耐力の総和について、次の数式（１）〜（７）を用いて説明する。
第１層における防振ダンパの降伏耐力の総和d1ＴＱuは、下記の数式（１）で計算できる。この数式の中の「Ｎ１」は第１層に設置されている防振ダンパの個数、「ｄ１」のｄはダンパー、１は第１層、「Ｔ」はＴｏｔａｌ、「Ｑu」は降伏耐力、「d1Ｑu、ｉ１」は第１層におけるｉ１番目の防振ダンパの降伏耐力を示している。例えば第１層に防振ダンパが２個設置されている場合、第１層における防振ダンパの降伏耐力の総和d1ＴＱuは、〔d1ＴＱu、１＋d1ＴＱu、２〕となる。
同様に、第２層〜第７層おける防振ダンパの降伏耐力の総和d２ＴＱu〜d７ＴＱuは、下記の数式（２）〜（７）で計算できる。
【００３４】
【数１】
【００３５】
式中の
「Ｎ２」は、第２層に設置されている防振ダンパの個数、
「d1Ｑu、ｉ２」は、第２層におけるｉ２番目の防振ダンパの降伏耐力、
「Ｎ３」は、第３層に設置されている防振ダンパの個数、
「d1Ｑu、ｉ３」は、第３層におけるｉ３番目の防振ダンパの降伏耐力、
「Ｎ４」は、第４層に設置されている防振ダンパの個数、
「d1Ｑu、ｉ４」は、第４層におけるｉ４番目の防振ダンパの降伏耐力、
「Ｎ５」は、第５層に設置されている防振ダンパの個数、
「d1Ｑu、ｉ５」は、第５層におけるｉ５番目の防振ダンパの降伏耐力、
「Ｎ６」は、第６層に設置されている防振ダンパの個数、
「d1Ｑu、ｉ６」は、第６層におけるｉ６番目の防振ダンパの降伏耐力、
「Ｎ７」は、第７層に設置されている防振ダンパの個数、
「d1Ｑu、ｉ７」は、第７層におけるｉ７番目の防振ダンパの降伏耐力、
である。
【００３６】
また図１６は、前記図１５に示されている降伏耐力の総和の分布状態に基づいて決められた各層の防振ダンパの個数を示す図である。この図１６に示す各層の防振ダンパの個数は、図１１に示す各層の防振ダンパの設置個数と同じである。
【００３７】
なお、ボイラ装置の耐震構造に関しては前記特許文献１の他に、例えば下記に示すような特許文献２〜５などを挙げることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００３８】
【特許文献１】特許第２５７２４０３号公報
【特許文献２】特開２０００−３０４２０２号公報
【特許文献３】特開平５−１５７２０６号公報
【特許文献４】特開平６−２８０５号公報
【特許文献５】特開平１０−３１７７０９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００３９】
図１４は、地震荷重５が作用した場合の各層（第１層〜第７層）での層せん断力の比を示す特性図である。同図の縦軸は、図１２に示す第１層〜第７層の番号（１〜７）を示す。同図の横軸は、各層の層せん断力の大きさを示し、層せん断力は最上層（第７層）でゼロであり、最下層（第１層）で最大となる。
【００４０】
図中のせん断力値の比は、三角印で示す従来構造の第１層のせん断力値を１として、他の層のせん断力値の比を示したものである。前記第１層のせん断力値は、ボイラ耐震構造におけるコンクリート基礎の経済性に大きな影響を与える。
【００４１】
従来の耐震設計では、三角印で示すように、第１層のせん断力値が大きくなり、ボイラ装置の基礎部分に大きな荷重が作用するという問題があった。このため新設のボイラ装置の場合は、図８に示すように、支柱１を埋め込むコンクリート製のベースマット３３の厚さＢＴ´３４が厚くなり（通常、厚さＢＴ´＝４ｍ）、かつ、ベースマット３３へ埋め込む支柱１の埋め込み長さＢＨ´３５が長くなることから（通常、長さＢＨ´＝１ｍ）、コンクリート基礎が大掛かりになり、不経済であった。
【００４２】
また既設のボイラ装置の場合は、基礎への補強工事として、コンクリート製ベースマット３３の支柱１が埋設されている部分のコンクリートを削り取り、支柱１に補強材を設置した後、再度コンクリートを設置するという、長い工期で不経済な補強工事をせざるを得ないという問題があった。
【００４３】
本発明の目的は、このような背景においてなされたもので、地震時の安全性および耐震構造の信頼性の向上が図れ、しかも経済的な耐震構造を有するボイラ装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００４４】
前記目的を達成するため、本発明の第１の手段は、
複数本の支柱と、その支柱の上下方向に沿って複数本配置された主梁との組み合わせにより構成された支持架構と、
その支持架構の上部から伸縮可能に吊り下げられたボイラ本体と、
そのボイラ本体と前記支持架構の間に接続された防振ダンパを有し、
前記支持架構の基礎部分から最下部の主梁までを第１層、最下部の主梁からその上方の次の主梁までを第２層とし、前記ボイラ本体を吊り下げる最上部の主梁まで複数の層構造を備えたボイラ装置を対象とするものである。
【００４５】
そして前記層構造のうち、前記支持架構とボイラ本体からなるボイラ耐震構造の重心が位置する重心層と、その重心層よりも上層と、前記重心層よりも下方で前記ボイラ本体の鉛直部最下端が位置すると最下部層とに設けられている前記防振ダンパの降伏耐力の総和が、
前記上層を１としたとき、前記重心層が３．６〜４．４、前記最下部層が１．８〜２．２の割合となるように、前記上層、重心層ならびに最下部層に前記防振ダンパを設けたことを特徴とするものである。
【００４６】
本発明の第２の手段は前記第１の手段において、
前記重心層の高さ方向の中央位置よりも上側に前記ボイラ耐震構造の重心位置があると、前記重心層とその上側の層との境界部に前記重心層用の防振ダンパを設置することを特徴とするものである。
【００４７】
本発明の第３の手段は前記第１の手段において、
前記重心層の高さ方向の中央位置よりも下側に前記ボイラ耐震構造の重心位置があると、前記重心層とその下側の層との境界部に前記重心層用の防振ダンパを設置することを特徴とするものである。
【００４８】
本発明の第４の手段は前記第１の手段において、
前記第１層の高さ方向の中央位置の上側にボイラ本体鉛直部の最下部があると、前記第１層と前記第２層との境界部に前記第１層用の防振ダンパを設置することを特徴とするものである。
【００４９】
本発明の第５の手段は前記第１の手段において、
前記第２層の高さ方向の中央位置の下側にボイラ本体鉛直部の最下部があると、前記第１層と前記第２層との境界部に前記第１層用の防振ダンパを設置することを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００５０】
本発明は前述のような構成になっており、地震時の安全性および耐震構造の信頼性の向上が図れ、しかも経済的な耐震構造を有するボイラ装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１】本発明の実施形態に係るボイラ装置の耐震構造を説明するための概略側面図である。
【図２】そのボイラ装置内の各層での防振ダンパの配置状態を示す概略平面図である。
【図３】各層における防振ダンパの降伏耐力の総和の分布状態を示す図である。
【図４】各層における防振ダンパの設置個数の分布状態を示す図である。
【図５】本発明の他の実施形態に係るボイラ装置の耐震構造を説明するための概略側面図である。
【図６】従来構造における防振ダンパの降伏耐力総和の比と、第１の比較例において、従来構造を微小変更した場合の防振ダンパの降伏耐力総和の比を比較して示す図である。
【図７】第２の比較例において、従来構造を大幅変更した場合の防振ダンパの降伏耐力総和の比を示す図である。
【図８】従来のボイラ装置の耐震構造を説明するための概略側面図である。
【図９】そのボイラ装置に用いる防振ダンパの構成を説明するための図である。
【図１０】この防振ダンパの構成を示す図である。
【図１１】従来のボイラ装置での防振ダンパの配置状態を示す概略平面図である。
【図１２】図８におけるボイラ耐震構造の層高Ｈｉ、層間変位ｆδｉおよび層間変形角ｆθｉの関係を示す説明図である。
【図１３】地震荷重が作用した場合の各層（第１層〜第７層）での層間変形角ｆθｉの状態を示す特性図である。
【図１４】地震荷重が作用した場合の各層（第１層〜第７層）での層せん断力の比を示す特性図である。
【図１５】従来の設計結果として得られた防振ダンパにおける降伏耐力の総和の分布状態を示す図である。
【図１６】図１５に示されている降伏耐力の総和の分布状態に基づいて決められた各層の防振ダンパの個数を示す図である。
【図１７】本発明の実施例において、防振ダンパの降伏耐力総和の比を種々変えた場合の、全層（第１層〜第７層）における層間変形角の最大値をまとめた特性図である。
【発明を実施するための形態】
【００５２】
次に本発明の実施形態を図面とともに説明する。
図１は、本発明の実施形態に係るボイラ装置の耐震構造を説明するための概略側面図である。図２はそのボイラ装置内での防振ダンパの配置状態を示す概略平面図で、図中の（Ａ）は図１のＡ´−Ａ´線上から見た概略平面図、（Ｂ）はＢ´−Ｂ´線上の概略平面図、（Ｃ）はＣ´−Ｃ´線上の概略平面図、（Ｄ）はＤ´−Ｄ´線上の概略平面図、（Ｅ）はＥ´−Ｅ´線上の概略平面図、（Ｆ）はＦ´−Ｆ´線上の概略平面図、（Ｇ）はＧ´−Ｇ´線上の概略平面図である。
【００５３】
また、図３は防振ダンパの降伏耐力の総和の分布を示す図、図４は各層における防振ダンパの設置個数の分布を示す図ある。
【００５４】
図１に示すように、複数本の支柱１と、その支柱１の上下方向に沿って複数本配置された主梁２との組み合わせにより支持架構７が構成される。ボイラ本体４は、支持架構７の上部から吊りボルト３を介して伸縮可能に吊り下げられている。
【００５５】
前記主梁２は水平方向に配置する耐震用の梁であり、主梁２は地面３２からの高さ方向に複数配置されているが、その上下方向の間隔は必ずしも等間隔ではない。
【００５６】
下方から上方に向かって順に、支持架構７の基礎部分から最下部の主梁２までを第１層、最下部の主梁２から次の主梁２までを第２層とし、ボイラ本体４を吊り下げる最上部の主梁２まで複数の層構造を成しており、本例実施形態では第１層から第７層まで形成されている。
前記ボイラ本体４と支持架構７の間に、鋼製の防振ダンパ６が複数個設置されている。
【００５７】
前述のように図３は、各層における防振ダンパの降伏耐力の総和の分布を示す図であり、第４層より上層（第５層あるいは第６層）に設置されている防振ダンパの降伏耐力の総和値をそれぞれ１として、他の層における防振ダンパの降伏耐力総和の比を示したものである。
【００５８】
本実施形態ではこの図３に示すように、ボイラ本体４と支持架構７からなるボイラ耐震構造の重心位置８（図１参照）を含む層（第４層）より上層（第５層あるいは第６層）における防振ダンパ６の降伏耐力の総和値の比が１、前記重心位置８を含む層（第４層）における防振ダンパの降伏耐力の総和値の比が４、さらに、ボイラ本体鉛直部５０の最下部９（図１参照）を含む層（第１層）における防振ダンパの降伏耐力の総和値の比が２になるように設計されている。
【００５９】
そしてこの設計に基づく防振ダンパ６の具体的な配置個数は下記の通りであり、防振ダンパ６の総数は１６個である。
第７層[図２（Ａ）参照]：０個
第６層[図２（Ｂ）参照]：２個
第５層[図２（Ｃ）参照]：２個
第４層[図２（Ｄ）参照]：８個
第３層[図２（Ｅ）参照]：０個
第２層[図２（Ｆ）参照]：０個
第１層[図２（Ｇ）参照]：４個
なお、最上層（本実施形態では第７層）は構造上、防振ダンパ６を設置することは不可能であるから、最上層における防振ダンパ６の設置個数は０個である。
【００６０】
また、重心層（第４層）と最下層（第１層）の間の層（本実施形態では第３，２層）には防振ダンパ６は設置しないため、第３，２層の防振ダンパ６の設置個数も０個である。
【００６１】
本実施形態では、上層である第５層と第６層における防振ダンパの降伏耐力の総和が等しい場合を示しているが、一方の層の降伏耐力の総和が他方の層のそれに比較して高い場合には、その降伏耐力の高い方を基準とする。その理由は、降伏耐力の大きい方が、支配的であるからである。
【００６２】
本実施形態では図１に示すように、第４層の高さ方向中央位置１０４よりも上側の位置にボイラ耐震構造の重心位置８があるため、その中央位置１０４よりも上側の位置、すなわち第４層と第５層の境界部に防振ダンパ６を設置している。
【００６３】
また、第１層の高さ方向中央位置１０５の上側の位置にボイラ本体鉛直部５０の最下部９があるため、第１層の高さ方向中央位置１０５よりも上側の位置、すなわち第１層と第２層の境界部に防振ダンパ６を設置している。
【００６４】
図５は、本発明の他の実施形態に係るボイラ装置の耐震構造を説明するための概略側面図である。
この実施形態では同図に示すように、ボイラ本体鉛直部５０の最下部９が、第２層の高さ方向中央位置１０６よりも下側にある。この場合には、第１層の上部、すなわち第１層と第２層の境界部に防振ダンパ６を設置する。
【００６５】
また図示していないが、ボイラ耐震構造の重心位置８が第４層の高さ方向の中央位置１０４よりも下側にある場合には、第４層の下部、すなわち第３層と第４層の境界部に防振ダンパ６を設置する。
【００６６】
そしてこの実施形態においても、前述の防振ダンパ６の降伏耐力総和の分布（図３参照）を満たすように、防振ダンパ６の配置と個数を図４のように決定する。
【００６７】
前述のように防振ダンパ６を配置することにより、ボイラ耐震構造の重心位置８に作用する慣性力による振動エネルギーを吸収するとともに、さらにボイラ本体鉛直部５０の最下部９の振幅による振動エネルギーも吸収することができる。
【００６８】
図１に示す本実施形態によれば、図１３中の丸印に示すように全ての層間における層間変形角が点線で示す規定値(１／２００)以下となっており、前述の設計制約（ａ）を満足していることが分かる。
【００６９】
その一方で、前述の設計思想（ｂ），（ｃ），（ｄ）には基づいていないことが分かる。
すなわち、設計思想（ｂ）に着目すると、従来構造では三角印に示すように、上下に隣接する層と層の間で層間変形角を極力一致させるように設計されていた。これに対して本発明では丸印に示すように、層間変形角を極力一致させるようには設計されておらず、例えば第５層の層間変形角は他の層に比べて突出している。
【００７０】
設計思想（ｃ）に着目すると、従来構造では三角印に示すように、耐震構造の重心位置８が存在する重心層（第４層）より上部の層の層間変形角を小さくするように設計されていた。これに対して本発明では丸印に示すように、層間変形角はそのようには設計されておらず、第４層よりも第５層の層間変形角が大きくなっている。
【００７１】
設計思想（ｄ）に着目すると、同図に示すように従来構造（三角印参照）では規定値（同図の点線で示す１／２００）に対して可能な限り層間変形角が小さくなっている。これに対して本発明（丸印参照）による層間変形角はそうになっておらず、むしろ、規定値に近づくように層間変形角が大きくなっている。
【００７２】
この結果として得られた本発明による層せん断力の比の特性を、図１４に丸印で示す。この図に示ように、本発明による層せん断力の比が従来値の１から０．８と２０％低減されている。
【００７３】
本実施形態で得られた効果が、予想外の特異な効果であることを説明するため、次に二つの比較例を説明する。
第１の比較例は、前記設計制約（ａ）を満たし、かつ前記設計思想（ｂ），（ｃ），（ｄ）に基づいて防振ダンパを配置することで層せん断力を低減した例である。具体的にその例を図６に示す。
【００７４】
図中の符号１０１は従来構造における防振ダンパの降伏耐力総和の比を、符号１０２は従来構造を微小変更した構造における防振ダンパの降伏耐力総和の比を、それぞれ示している。この第１の比較例では、防振ダンパの降伏耐力総和比を１０１から１０２に変更した例である。
【００７５】
この場合の層間変形角は、図１３中の四角印に示すように、前記設計制約（ａ）を満たし、かつ前記設計思想（ｂ），（ｃ），（ｄ）に基づいていることが分かる。
【００７６】
具体的に前記設計制約（ａ）に着目すると、この第１の比較例による層間変形角（図１３中の四角印参照）は、規定値（図１３の点線で示す１／２００）以下となっている。
【００７７】
前記設計思想（ｂ）に着目すると、従来構造では図１３の三角印に示すように、上下に隣接する層と層の間で層間変形角を極力一致させるように設計されていたが、この第１の比較例（図１３中の四角印参照）による層間変形角もそのようになっている。
【００７８】
設計思想（ｃ）に着目すると、従来構造では図１３の三角印に示すように、耐震構造の重心位置８が存在する重心層（第４層）より上部の層の層間変形角を小さくするように設計されていたが、この第１の比較例（図１３中の四角印参照）による層間変形角もそのようになっている。
【００７９】
設計思想（ｄ）に着目すると、図１３に示すように従来構造（三角印参照）では規定値（図１３の点線で示す１／２００）に対して可能な限り層間変形角が小さくなっており、この第１の比較例（図１３中の四角印参照）による層間変形角もそのようになっている。
【００８０】
しかしながら図１４に示すように、この第１の比較例（図１４中の四角印参照）で得られた１層せん断力の比は、従来構造（図１４中の三角印参照）の値１．０から０．９５へと、５％しか低減されなかった。
【００８１】
第２の比較例は、１層せん断力値を小さくすることを目的とした防振ダンパの配置でありながら、前記設計制約（ａ）が満たされなかった例である。
具体的には、防振ダンパの降伏耐力総和の比を、図６において斜線で示す従来構造における防振ダンパの降伏耐力総和の比１０１を、図７の１０３に示すように大幅に変更した例である。
【００８２】
この従来構造を大幅に変更した構造における防振ダンパの降伏耐力総和の比１０３は、本発明で規定する数値範囲を超えるものである。
すなわち、ボイラ耐震構造の重心位置８を含む重心層（第４層）より上層（第５層、第６層）における防振ダンパの降伏耐力総和の比が「１」であるのに対して、その重心層（第４層）における防振ダンパの降伏耐力総和の比が「４．９」、ボイラ本体鉛直部の最下部層における防振ダンパの降伏耐力総和の比が「３」となる構造である。
【００８３】
なお、前述の「従来構造の微小変更」ならびに「従来構造の大幅変更」とは、従来の防振ダンパの降伏耐力総和比の分布をもって（相似形）、各層で±２０％程度以内の変更を「微小変更」といい、それを超える変更を「大幅変更」という。
【００８４】
図１４に示すように、従来構造（図中の三角印参照）の第１層の層せん断力１に対してこの第２の比較例（図中の×印参照）で得られた第１層の層せん断力の比は０．７へと、３０％程度と大きく低減している。しかしながら、この第２の比較例の場合の層間変形角は前記設計制約（ａ）を満たしていない。
【００８５】
具体的には図１３に示すように、この第２の比較例（図中の×印参照）の第５層部分の層間変形角が規定値（図１３の点線で示す１／２００）より大きくなっている。
【００８６】
前述した二つの比較例では、前記設計制約（ａ）を満たした場合には１層せん断力値の低減率が小さく、あるいはその逆に、１層せん断力値の低減率を大きくした場合は、前記設計制約（ａ）を満たない。従って、前記設計制約（ａ）を満たし、かつ、１層せん断力値を大きく低減させるためには、本発明による防振ダンパの配置が不可欠となる。
【００８７】
本発明の代表的な実施例を示した図３において、防振ダンパの降伏耐力総和の比を種々変えた場合の、全層（第１層〜第７層）における層間変形角の最大値をまとめて図１７に示す。
【００８８】
同図の上側横軸は、最下層（第１層）における防振ダンパの降伏耐力総和の比を示し、下側横軸は、重心層（第４層）における防振ダンパの降伏耐力総和の比を示す。また縦軸は、全層（第１層〜第７層）における層間変形角の最大値を示す。
【００８９】
本図中における最下層、重心層における防振ダンパの降伏耐力の比を同時に変化させて求めた、全層の層間変形角の最大値が、許容値１００１である０．００５（＝１／２００ 図１３参照）以下となる範囲は、重心層（第４層）で１．８〜２．２、最下層（第１層）で３．６〜４．４である。図中の直線１００２は、前記許容値以下の降伏耐力総和の比の範囲を示す直線である。
【００９０】
このように、支持架構とボイラ本体からなるボイラ耐震構造の重心が位置する重心層と、その重心層よりも上層と、前記重心層よりも下方でボイラ本体の鉛直部最下端が位置すると最下部層とに設けられている前記防振ダンパの降伏耐力の総和が、前記上層を１としたとき、前記重心層が３．６〜４．４、前記最下部層が１．８〜２．２の割合となるように、前記上層、重心層ならびに最下部層に防振ダンパを設けることにより、全層の層間変形角の最大値を許容値の０．００５以下に抑えることができる。
【００９１】
本実施形態では１層せん断力値を従来値から２０％低減できるため、この結果、図８に示す従来構造で必要であったコンクリート製のベースマット３３の厚さＢＴ´３４（通常、ＢＴ´＝４ｍ）が、図１に示すコンクリート製のベースマット３０の厚さＢＴ３１（厚さＢＴ＝２〜３ｍ）まで低減される。
【００９２】
また、図８に示す従来構造で必要であったコンクリート製ベースマット３３への支柱１の埋め込み長さＢＨ´３５（通常、ＢＨ´＝１ｍ）が、図１に示すコンクリート製ベースマット３０への支柱１の埋め込み長さＢＨ３３（ＢＨ＝０．５〜０．８ｍ）まで低減される。
【００９３】
これにより、新設ボイラ装置の場合は、経済的なコンクリート基礎の提供が可能となり、また、既設ボイラ装置の場合は、長い工期で不経済な基礎補強が不要となる。
【００９４】
本発明の作用効果をまとめれば、下記の通りである。
（１）．ボイラ耐震構造の層間変形角を規定値以下とし、さらに第１層せん断力を従来構造よりも約２０％低減することが可能となる。
【００９５】
（２）．前記（１）項の第１層せん断力の低減により、新設ボイラ装置の場合は、経済的なコンクリート基礎の提供が可能であり、また、既設ボイラ装置の場合は、長い工期で不経済な基礎補強が不要となるボイラ耐震構造を提供することができる。
【００９６】
（３）．前記（２）項により、地震時の安全性および耐震の信頼性の向上が図れ、しかも経済的なボイラ耐震構造の提供が可能となる。
【符号の説明】
【００９７】
１・・・支柱、２・・・主梁、３・・・吊りボルト、４・・・ボイラ本体、５・・・地震荷重、６・・・防振ダンパ、７・・・支持架構、８・・・耐震構造の重心位置、９・・・ボイラ鉛直部の最下部、３０・・・ベースマット、３１・・・ベースマット厚さＢＴ、３２・・・地面、３３・・・ベースマットへの支柱の埋め込み長さＢＨ、５０・・・ボイラ鉛直部、１０４・・・第４層の高さ方向の中央位置、１０５・・・第１層の高さ方向の中央位置微粒子、２０１・・・ホッパ部。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、主に火力発電プラントに用いられる大型のボイラ装置に係り、特に地震によるボイラ装置の振動を抑制し、地震時に安全性および耐震に対する信頼性の高いボイラ装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
主に火力発電プラントに用いられる大型のボイラ装置は、通常、複数本の支柱と、その支柱の上下方向に複数本配置された主梁との組み合わせにより支持架構が構成される。そしてこの支持架構の上部より、ボイラ本体が吊り下げられている。
【０００３】
図８は、従来のボイラ装置の耐震構造を説明するための概略側面図である。
前述のように複数本の支柱１と、その支柱１の上下方向に沿って複数本配置された主梁２との組み合わせにより支持架構７が構成される。ボイラ本体４は、運転中に上下方向に熱伸びする。その熱伸びの変化を拘束しないようにするため、ボイラ本体４は支持架構７の上部から吊りボルト３を介して伸縮可能に吊り下げられている。
【０００４】
前記主梁２は水平方向に配置する耐震用の梁であり、主梁２は地面３２からの高さ方向に複数配置されているが、その上下方向の間隔は必ずしも等間隔ではない。
【０００５】
下方から上方に向かって順に、支持架構７の基礎部分から最下部の主梁２までを第１層、前記最下部の主梁２から次の主梁２までを第２層とし、ボイラ本体４を吊り下げる最上部の主梁２まで複数の層構造を成しており、図８の例では第１層から第７層まで形成されている。
【０００６】
このボイラ装置において、支持架構７とボイラ本体４は複数層にわたって防振ダンパ６により接続されており、この防振ダンパ６でボイラ本体４の振動エネルギーを吸収する耐震構造になっている。
【０００７】
図８はボイラ装置の外部から耐震構造の側面を見た図であり、支持架構７の支柱１、主梁２、防振ダンパ６ならびにボイラ本体４を眺めた図である。防振ダンパ６は図面に向って主梁２の裏側に隠れた状態で配置されており、図示していないがその両端部は支持架構７とボイラ本体４に連結されている。この防振ダンパ６により、地震荷重５による地震エネルギーを吸収して、支持架構７を制振する。
【０００８】
この図８において、符号９はボイラ鉛直部５０とボイラ本体のホッパ部２０１の境界部に当たるボイラ鉛直部５０の最下部、３２は地面、３３はコンクリート製のベースマット、３４はそのベースマット３３の厚さ、３５はベースマット３３への支柱１の埋め込み長さである。なお、本明細書において、前記ボイラ本体鉛直部５０とは、ボイラ火炉水壁管で構成された水壁の鉛直部分を意味する。
【０００９】
図９は、特許第２５７２４０３号公報（特許文献１）および特開平５−１５７２０６号公報（特許文献３）で開示されている防振ダンパ６の構成を示す要部斜視図である。
【００１０】
同図に示すように、ボイラ本体４は、水を蒸気に変換する水壁７２を備えている。この水壁７２の外側には、補強材であるバックステー７１が設置されており、このバックステー７１と支柱７３を連結する形で、鋼製の防振ダンパ６が設置されている。
【００１１】
この防振ダンパ６は、円柱形状をした剛な２本の鋼材６Ａと、円柱形状をした柔な２本の鋼材６Ｂで構成されている。一方の柔な鋼材６Ｂがバックステー７１の端部に垂直方向に取り付けられており、この鋼材６Ｂの上下端部に２本の鋼材６Ａが平行に結合されている。また、この２本の鋼材６Ａの反対側の端部は、垂直方向に設置された他方の柔な鋼材６Ｂに連結されている。さらにこの柔な鋼材６Ｂは、前記支柱７３に連結されている。
【００１２】
このような防振ダンパ６の構成をとることにより、同図に示すように、地震時の防振ダンパ６への作用力Ｆｉと防振ダンパ６の変形量δｉに対して、前記剛な鋼材６Ａは塑性変形せず、前記柔な鋼材６Ｂを塑性変形させて、振動エネルギーを吸収するように、防振ダンパ６が設計されている。
【００１３】
図１０は、防振ダンパ６の構成を示す図である。同図の横軸は防振ダンパ６の変形量δｉ、縦軸は防振ダンパ６の作用力Ｆｉを示している。
【００１４】
本図は、弾性剛性Ｋ１と塑性剛性Ｋ２からなる、いわゆる弾塑性特性を示すものである。本図中の降伏耐力を変数として、防振ダンパ６の設計が行なわれる。
【００１５】
図８に示す従来の耐震構造において、防振ダンパ６は、第１層の上部、第２層の上部、第４層の上部、第５層の上部、第６層の上部に設置されている。
【００１６】
図１１は防振ダンパ６の配置状態を示す概略平面図で、図中の（Ａ）は図８のＡ−Ａ線上から見た概略平面図、（Ｂ）は同様にＢ−Ｂ線上の概略平面図、（Ｃ）はＣ−Ｃ線上の概略平面図、（Ｄ）はＤ−Ｄ線上の概略平面図、（Ｅ）はＥ−Ｅ線上の概略平面図、（Ｆ）はＦ−Ｆ線上の概略平面図、（Ｇ）はＧ−Ｇ線上の概略平面図である。
【００１７】
同図（Ｂ）に示すように第６層では防振ダンパ６が２個配置、同図（Ｃ）に示すように第５層では防振ダンパ６が４個配置、同図（Ｄ）に示すように第４層では防振ダンパ６が４個配置、同図（Ｆ）に示すように第２層では防振ダンパ６が２個配置、同図（Ｇ）に示すように第１層では防振ダンパ６が２個配置されており、合計で１４個の防振ダンパ６が配置されている。
【００１８】
後述するが、この防振ダンパ６の配置に関して、従来技術および本発明について説明する上で、ボイラ本体と支持架構からなる耐震構造の重心位置８が重要な位置となる。この図８に示す従来例ならびに図１に示す本発明の実施形態では、耐震構造の重心位置８が第４層に存在する例を示しており、耐震構造の重心位置８が存在する層を重心層と称している。
【００１９】
従来技術による防振ダンパ６の配置設計の根拠について述べる前に、事前に説明が必要な図１２、図１３について説明する。
【００２０】
図１２は、図８におけるボイラ耐震構造の層高Ｈｉ、層間変位ｆδｉおよび層間変形角ｆθｉの関係を示す説明図である。図１２の左部分は図８と同じ耐震構造の側面を見た図であり、図１２の右部分は前記左部分に対応した各層での層高Ｈｉ、層間変位ｆδｉの大きさおよび層間変形角ｆθｉの大きさを示している。
【００２１】
前記層高Ｈｉとは各層の高さであり、第１層から第７層までに対応してＨ１〜Ｈ７の符号が付されている。
前記層間変位ｆδｉとは、地震荷重５が作用した場合に生じる各層の下端と上端との水平座標の偏差（変位）の最大値を意味し、仮に地震荷重５がゼロの場合には層間変位ｆδｉはゼロとなる。この層間変位ｆδｉの大きさは、層間変位ｆδｉの値がゼロとなる基準線５００より右に行くほど層間変位ｆδｉの値は大となっている。
【００２２】
前記層間変形角ｆθｉとは、層間変位ｆδｉを層高Ｈｉで割った値（ｆθｉ＝ｆδｉ／Ｈｉ）である。言い換えれば、層間変形角ｆθｉは地震荷重５が作用したときの各層の最大の傾きを示すものである。この層間変形角ｆθｉの大きさは、層間変形角ｆθｉの値がゼロとなる基準線５０１より右に行くほど層間変形角ｆθｉの値は大となっている。
【００２３】
図１２の右部分に示すように、耐震設計では一般に、層間変位ｆδｉおよび層間変形角ｆθｉは、各層で一定値とみなされる。その理由について次に説明する。
【００２４】
現実には１つの層内でも高さ方向で「変位」の大きい所と小さい所があり、また、例えば各層の下端を「変位」ゼロとして、上端までの相対的な「変位」の分布をみたときに、上端に向って必ずしも直線的な関係になっていないことが考えられる。
【００２５】
しかしながら、ボイラ装置の耐震設計では、層高Ｈｉに対して層間変位ｆδｉが１／２００程度と相対的に非常に小さくなるため、各層の下端を節として支柱１が一様に傾いて、上端までの相対的な「変位」の分布が直線的な関係になると考えてよい。このため層間変位ｆδｉおよび層間変形角ｆθｉは、各層で一定値とみなされる。
【００２６】
図１３は、地震荷重５が作用した場合の各層（第１層〜第７層）での層間変形角ｆθｉの状態を示す特性図である。
【００２７】
次に従来技術による防振ダンパの配置設計の根拠について説明する。従来技術では、下記の（ａ）の設計制約および（ｂ）〜（ｄ）の技術思想に基づいて、防振ダンパの配置設計が成されていた。
【００２８】
（ａ）ボイラ装置の耐震性を確保するため、図１３中で三角印に示すように、層間変形角を規定値（例えば図中の点線で示す層間変形角＝１／２００＝０．００５）より小さくなるように制約し、図１０に示す防振ダンパの降伏耐力が設計されていた。
【００２９】
（ｂ）ボイラ装置の耐震構造の振動形状を変化させないことが、安定構造に繋がるという技術思想に基づき、上下に隣接する層と層の間で層間変形角を極力一致させるように、防振ダンパの降伏耐力が設計されていた。
【００３０】
（ｃ）耐震構造の重心位置８が存在する層（第４層）より上部の層の層間変形角を小さくすることが、安定構造に繋がるという技術思想に基づき、重心位置８が存在する層（第４層）よりも上層の層間変形角を小さくするように設計されていた。
【００３１】
（ｄ）前記（ａ）〜（ｃ）において、前記図１３で示す規定値（図中の点線で示す１／２００）に対して可能な限り層間変形角を小さくすることが、さらなる安定構造に繋がるという技術思想に基づいて設計されていた。
【００３２】
前記（ａ）〜（ｄ）に基づく従来の設計結果として、図１５に示す防振ダンパの降伏耐力の総和の分布が得られていた。この図１５は、第６層に設置されている防振ダンパ（２個設置）の降伏耐力の総和値を１として、他の層における防振ダンパの降伏耐力総和の比を示したものである。
【００３３】
ここで防振ダンパの降伏耐力の総和について、次の数式（１）〜（７）を用いて説明する。
第１層における防振ダンパの降伏耐力の総和d1ＴＱuは、下記の数式（１）で計算できる。この数式の中の「Ｎ１」は第１層に設置されている防振ダンパの個数、「ｄ１」のｄはダンパー、１は第１層、「Ｔ」はＴｏｔａｌ、「Ｑu」は降伏耐力、「d1Ｑu、ｉ１」は第１層におけるｉ１番目の防振ダンパの降伏耐力を示している。例えば第１層に防振ダンパが２個設置されている場合、第１層における防振ダンパの降伏耐力の総和d1ＴＱuは、〔d1ＴＱu、１＋d1ＴＱu、２〕となる。
同様に、第２層〜第７層おける防振ダンパの降伏耐力の総和d２ＴＱu〜d７ＴＱuは、下記の数式（２）〜（７）で計算できる。
【００３４】
【数１】
【００３５】
式中の
「Ｎ２」は、第２層に設置されている防振ダンパの個数、
「d1Ｑu、ｉ２」は、第２層におけるｉ２番目の防振ダンパの降伏耐力、
「Ｎ３」は、第３層に設置されている防振ダンパの個数、
「d1Ｑu、ｉ３」は、第３層におけるｉ３番目の防振ダンパの降伏耐力、
「Ｎ４」は、第４層に設置されている防振ダンパの個数、
「d1Ｑu、ｉ４」は、第４層におけるｉ４番目の防振ダンパの降伏耐力、
「Ｎ５」は、第５層に設置されている防振ダンパの個数、
「d1Ｑu、ｉ５」は、第５層におけるｉ５番目の防振ダンパの降伏耐力、
「Ｎ６」は、第６層に設置されている防振ダンパの個数、
「d1Ｑu、ｉ６」は、第６層におけるｉ６番目の防振ダンパの降伏耐力、
「Ｎ７」は、第７層に設置されている防振ダンパの個数、
「d1Ｑu、ｉ７」は、第７層におけるｉ７番目の防振ダンパの降伏耐力、
である。
【００３６】
また図１６は、前記図１５に示されている降伏耐力の総和の分布状態に基づいて決められた各層の防振ダンパの個数を示す図である。この図１６に示す各層の防振ダンパの個数は、図１１に示す各層の防振ダンパの設置個数と同じである。
【００３７】
なお、ボイラ装置の耐震構造に関しては前記特許文献１の他に、例えば下記に示すような特許文献２〜５などを挙げることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００３８】
【特許文献１】特許第２５７２４０３号公報
【特許文献２】特開２０００−３０４２０２号公報
【特許文献３】特開平５−１５７２０６号公報
【特許文献４】特開平６−２８０５号公報
【特許文献５】特開平１０−３１７７０９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００３９】
図１４は、地震荷重５が作用した場合の各層（第１層〜第７層）での層せん断力の比を示す特性図である。同図の縦軸は、図１２に示す第１層〜第７層の番号（１〜７）を示す。同図の横軸は、各層の層せん断力の大きさを示し、層せん断力は最上層（第７層）でゼロであり、最下層（第１層）で最大となる。
【００４０】
図中のせん断力値の比は、三角印で示す従来構造の第１層のせん断力値を１として、他の層のせん断力値の比を示したものである。前記第１層のせん断力値は、ボイラ耐震構造におけるコンクリート基礎の経済性に大きな影響を与える。
【００４１】
従来の耐震設計では、三角印で示すように、第１層のせん断力値が大きくなり、ボイラ装置の基礎部分に大きな荷重が作用するという問題があった。このため新設のボイラ装置の場合は、図８に示すように、支柱１を埋め込むコンクリート製のベースマット３３の厚さＢＴ´３４が厚くなり（通常、厚さＢＴ´＝４ｍ）、かつ、ベースマット３３へ埋め込む支柱１の埋め込み長さＢＨ´３５が長くなることから（通常、長さＢＨ´＝１ｍ）、コンクリート基礎が大掛かりになり、不経済であった。
【００４２】
また既設のボイラ装置の場合は、基礎への補強工事として、コンクリート製ベースマット３３の支柱１が埋設されている部分のコンクリートを削り取り、支柱１に補強材を設置した後、再度コンクリートを設置するという、長い工期で不経済な補強工事をせざるを得ないという問題があった。
【００４３】
本発明の目的は、このような背景においてなされたもので、地震時の安全性および耐震構造の信頼性の向上が図れ、しかも経済的な耐震構造を有するボイラ装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００４４】
前記目的を達成するため、本発明の第１の手段は、
複数本の支柱と、その支柱の上下方向に沿って複数本配置された主梁との組み合わせにより構成された支持架構と、
その支持架構の上部から伸縮可能に吊り下げられたボイラ本体と、
そのボイラ本体と前記支持架構の間に接続された防振ダンパを有し、
前記支持架構の基礎部分から最下部の主梁までを第１層、最下部の主梁からその上方の次の主梁までを第２層とし、前記ボイラ本体を吊り下げる最上部の主梁まで複数の層構造を備えたボイラ装置を対象とするものである。
【００４５】
そして前記層構造のうち、前記支持架構とボイラ本体からなるボイラ耐震構造の重心が位置する重心層と、その重心層よりも上層と、前記重心層よりも下方で前記ボイラ本体の鉛直部最下端が位置すると最下部層とに設けられている前記防振ダンパの降伏耐力の総和が、
前記上層を１としたとき、前記重心層が３．６〜４．４、前記最下部層が１．８〜２．２の割合となるように、前記上層、重心層ならびに最下部層に前記防振ダンパを設けたことを特徴とするものである。
【００４６】
本発明の第２の手段は前記第１の手段において、
前記重心層の高さ方向の中央位置よりも上側に前記ボイラ耐震構造の重心位置があると、前記重心層とその上側の層との境界部に前記重心層用の防振ダンパを設置することを特徴とするものである。
【００４７】
本発明の第３の手段は前記第１の手段において、
前記重心層の高さ方向の中央位置よりも下側に前記ボイラ耐震構造の重心位置があると、前記重心層とその下側の層との境界部に前記重心層用の防振ダンパを設置することを特徴とするものである。
【００４８】
本発明の第４の手段は前記第１の手段において、
前記第１層の高さ方向の中央位置の上側にボイラ本体鉛直部の最下部があると、前記第１層と前記第２層との境界部に前記第１層用の防振ダンパを設置することを特徴とするものである。
【００４９】
本発明の第５の手段は前記第１の手段において、
前記第２層の高さ方向の中央位置の下側にボイラ本体鉛直部の最下部があると、前記第１層と前記第２層との境界部に前記第１層用の防振ダンパを設置することを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００５０】
本発明は前述のような構成になっており、地震時の安全性および耐震構造の信頼性の向上が図れ、しかも経済的な耐震構造を有するボイラ装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１】本発明の実施形態に係るボイラ装置の耐震構造を説明するための概略側面図である。
【図２】そのボイラ装置内の各層での防振ダンパの配置状態を示す概略平面図である。
【図３】各層における防振ダンパの降伏耐力の総和の分布状態を示す図である。
【図４】各層における防振ダンパの設置個数の分布状態を示す図である。
【図５】本発明の他の実施形態に係るボイラ装置の耐震構造を説明するための概略側面図である。
【図６】従来構造における防振ダンパの降伏耐力総和の比と、第１の比較例において、従来構造を微小変更した場合の防振ダンパの降伏耐力総和の比を比較して示す図である。
【図７】第２の比較例において、従来構造を大幅変更した場合の防振ダンパの降伏耐力総和の比を示す図である。
【図８】従来のボイラ装置の耐震構造を説明するための概略側面図である。
【図９】そのボイラ装置に用いる防振ダンパの構成を説明するための図である。
【図１０】この防振ダンパの構成を示す図である。
【図１１】従来のボイラ装置での防振ダンパの配置状態を示す概略平面図である。
【図１２】図８におけるボイラ耐震構造の層高Ｈｉ、層間変位ｆδｉおよび層間変形角ｆθｉの関係を示す説明図である。
【図１３】地震荷重が作用した場合の各層（第１層〜第７層）での層間変形角ｆθｉの状態を示す特性図である。
【図１４】地震荷重が作用した場合の各層（第１層〜第７層）での層せん断力の比を示す特性図である。
【図１５】従来の設計結果として得られた防振ダンパにおける降伏耐力の総和の分布状態を示す図である。
【図１６】図１５に示されている降伏耐力の総和の分布状態に基づいて決められた各層の防振ダンパの個数を示す図である。
【図１７】本発明の実施例において、防振ダンパの降伏耐力総和の比を種々変えた場合の、全層（第１層〜第７層）における層間変形角の最大値をまとめた特性図である。
【発明を実施するための形態】
【００５２】
次に本発明の実施形態を図面とともに説明する。
図１は、本発明の実施形態に係るボイラ装置の耐震構造を説明するための概略側面図である。図２はそのボイラ装置内での防振ダンパの配置状態を示す概略平面図で、図中の（Ａ）は図１のＡ´−Ａ´線上から見た概略平面図、（Ｂ）はＢ´−Ｂ´線上の概略平面図、（Ｃ）はＣ´−Ｃ´線上の概略平面図、（Ｄ）はＤ´−Ｄ´線上の概略平面図、（Ｅ）はＥ´−Ｅ´線上の概略平面図、（Ｆ）はＦ´−Ｆ´線上の概略平面図、（Ｇ）はＧ´−Ｇ´線上の概略平面図である。
【００５３】
また、図３は防振ダンパの降伏耐力の総和の分布を示す図、図４は各層における防振ダンパの設置個数の分布を示す図ある。
【００５４】
図１に示すように、複数本の支柱１と、その支柱１の上下方向に沿って複数本配置された主梁２との組み合わせにより支持架構７が構成される。ボイラ本体４は、支持架構７の上部から吊りボルト３を介して伸縮可能に吊り下げられている。
【００５５】
前記主梁２は水平方向に配置する耐震用の梁であり、主梁２は地面３２からの高さ方向に複数配置されているが、その上下方向の間隔は必ずしも等間隔ではない。
【００５６】
下方から上方に向かって順に、支持架構７の基礎部分から最下部の主梁２までを第１層、最下部の主梁２から次の主梁２までを第２層とし、ボイラ本体４を吊り下げる最上部の主梁２まで複数の層構造を成しており、本例実施形態では第１層から第７層まで形成されている。
前記ボイラ本体４と支持架構７の間に、鋼製の防振ダンパ６が複数個設置されている。
【００５７】
前述のように図３は、各層における防振ダンパの降伏耐力の総和の分布を示す図であり、第４層より上層（第５層あるいは第６層）に設置されている防振ダンパの降伏耐力の総和値をそれぞれ１として、他の層における防振ダンパの降伏耐力総和の比を示したものである。
【００５８】
本実施形態ではこの図３に示すように、ボイラ本体４と支持架構７からなるボイラ耐震構造の重心位置８（図１参照）を含む層（第４層）より上層（第５層あるいは第６層）における防振ダンパ６の降伏耐力の総和値の比が１、前記重心位置８を含む層（第４層）における防振ダンパの降伏耐力の総和値の比が４、さらに、ボイラ本体鉛直部５０の最下部９（図１参照）を含む層（第１層）における防振ダンパの降伏耐力の総和値の比が２になるように設計されている。
【００５９】
そしてこの設計に基づく防振ダンパ６の具体的な配置個数は下記の通りであり、防振ダンパ６の総数は１６個である。
第７層[図２（Ａ）参照]：０個
第６層[図２（Ｂ）参照]：２個
第５層[図２（Ｃ）参照]：２個
第４層[図２（Ｄ）参照]：８個
第３層[図２（Ｅ）参照]：０個
第２層[図２（Ｆ）参照]：０個
第１層[図２（Ｇ）参照]：４個
なお、最上層（本実施形態では第７層）は構造上、防振ダンパ６を設置することは不可能であるから、最上層における防振ダンパ６の設置個数は０個である。
【００６０】
また、重心層（第４層）と最下層（第１層）の間の層（本実施形態では第３，２層）には防振ダンパ６は設置しないため、第３，２層の防振ダンパ６の設置個数も０個である。
【００６１】
本実施形態では、上層である第５層と第６層における防振ダンパの降伏耐力の総和が等しい場合を示しているが、一方の層の降伏耐力の総和が他方の層のそれに比較して高い場合には、その降伏耐力の高い方を基準とする。その理由は、降伏耐力の大きい方が、支配的であるからである。
【００６２】
本実施形態では図１に示すように、第４層の高さ方向中央位置１０４よりも上側の位置にボイラ耐震構造の重心位置８があるため、その中央位置１０４よりも上側の位置、すなわち第４層と第５層の境界部に防振ダンパ６を設置している。
【００６３】
また、第１層の高さ方向中央位置１０５の上側の位置にボイラ本体鉛直部５０の最下部９があるため、第１層の高さ方向中央位置１０５よりも上側の位置、すなわち第１層と第２層の境界部に防振ダンパ６を設置している。
【００６４】
図５は、本発明の他の実施形態に係るボイラ装置の耐震構造を説明するための概略側面図である。
この実施形態では同図に示すように、ボイラ本体鉛直部５０の最下部９が、第２層の高さ方向中央位置１０６よりも下側にある。この場合には、第１層の上部、すなわち第１層と第２層の境界部に防振ダンパ６を設置する。
【００６５】
また図示していないが、ボイラ耐震構造の重心位置８が第４層の高さ方向の中央位置１０４よりも下側にある場合には、第４層の下部、すなわち第３層と第４層の境界部に防振ダンパ６を設置する。
【００６６】
そしてこの実施形態においても、前述の防振ダンパ６の降伏耐力総和の分布（図３参照）を満たすように、防振ダンパ６の配置と個数を図４のように決定する。
【００６７】
前述のように防振ダンパ６を配置することにより、ボイラ耐震構造の重心位置８に作用する慣性力による振動エネルギーを吸収するとともに、さらにボイラ本体鉛直部５０の最下部９の振幅による振動エネルギーも吸収することができる。
【００６８】
図１に示す本実施形態によれば、図１３中の丸印に示すように全ての層間における層間変形角が点線で示す規定値(１／２００)以下となっており、前述の設計制約（ａ）を満足していることが分かる。
【００６９】
その一方で、前述の設計思想（ｂ），（ｃ），（ｄ）には基づいていないことが分かる。
すなわち、設計思想（ｂ）に着目すると、従来構造では三角印に示すように、上下に隣接する層と層の間で層間変形角を極力一致させるように設計されていた。これに対して本発明では丸印に示すように、層間変形角を極力一致させるようには設計されておらず、例えば第５層の層間変形角は他の層に比べて突出している。
【００７０】
設計思想（ｃ）に着目すると、従来構造では三角印に示すように、耐震構造の重心位置８が存在する重心層（第４層）より上部の層の層間変形角を小さくするように設計されていた。これに対して本発明では丸印に示すように、層間変形角はそのようには設計されておらず、第４層よりも第５層の層間変形角が大きくなっている。
【００７１】
設計思想（ｄ）に着目すると、同図に示すように従来構造（三角印参照）では規定値（同図の点線で示す１／２００）に対して可能な限り層間変形角が小さくなっている。これに対して本発明（丸印参照）による層間変形角はそうになっておらず、むしろ、規定値に近づくように層間変形角が大きくなっている。
【００７２】
この結果として得られた本発明による層せん断力の比の特性を、図１４に丸印で示す。この図に示ように、本発明による層せん断力の比が従来値の１から０．８と２０％低減されている。
【００７３】
本実施形態で得られた効果が、予想外の特異な効果であることを説明するため、次に二つの比較例を説明する。
第１の比較例は、前記設計制約（ａ）を満たし、かつ前記設計思想（ｂ），（ｃ），（ｄ）に基づいて防振ダンパを配置することで層せん断力を低減した例である。具体的にその例を図６に示す。
【００７４】
図中の符号１０１は従来構造における防振ダンパの降伏耐力総和の比を、符号１０２は従来構造を微小変更した構造における防振ダンパの降伏耐力総和の比を、それぞれ示している。この第１の比較例では、防振ダンパの降伏耐力総和比を１０１から１０２に変更した例である。
【００７５】
この場合の層間変形角は、図１３中の四角印に示すように、前記設計制約（ａ）を満たし、かつ前記設計思想（ｂ），（ｃ），（ｄ）に基づいていることが分かる。
【００７６】
具体的に前記設計制約（ａ）に着目すると、この第１の比較例による層間変形角（図１３中の四角印参照）は、規定値（図１３の点線で示す１／２００）以下となっている。
【００７７】
前記設計思想（ｂ）に着目すると、従来構造では図１３の三角印に示すように、上下に隣接する層と層の間で層間変形角を極力一致させるように設計されていたが、この第１の比較例（図１３中の四角印参照）による層間変形角もそのようになっている。
【００７８】
設計思想（ｃ）に着目すると、従来構造では図１３の三角印に示すように、耐震構造の重心位置８が存在する重心層（第４層）より上部の層の層間変形角を小さくするように設計されていたが、この第１の比較例（図１３中の四角印参照）による層間変形角もそのようになっている。
【００７９】
設計思想（ｄ）に着目すると、図１３に示すように従来構造（三角印参照）では規定値（図１３の点線で示す１／２００）に対して可能な限り層間変形角が小さくなっており、この第１の比較例（図１３中の四角印参照）による層間変形角もそのようになっている。
【００８０】
しかしながら図１４に示すように、この第１の比較例（図１４中の四角印参照）で得られた１層せん断力の比は、従来構造（図１４中の三角印参照）の値１．０から０．９５へと、５％しか低減されなかった。
【００８１】
第２の比較例は、１層せん断力値を小さくすることを目的とした防振ダンパの配置でありながら、前記設計制約（ａ）が満たされなかった例である。
具体的には、防振ダンパの降伏耐力総和の比を、図６において斜線で示す従来構造における防振ダンパの降伏耐力総和の比１０１を、図７の１０３に示すように大幅に変更した例である。
【００８２】
この従来構造を大幅に変更した構造における防振ダンパの降伏耐力総和の比１０３は、本発明で規定する数値範囲を超えるものである。
すなわち、ボイラ耐震構造の重心位置８を含む重心層（第４層）より上層（第５層、第６層）における防振ダンパの降伏耐力総和の比が「１」であるのに対して、その重心層（第４層）における防振ダンパの降伏耐力総和の比が「４．９」、ボイラ本体鉛直部の最下部層における防振ダンパの降伏耐力総和の比が「３」となる構造である。
【００８３】
なお、前述の「従来構造の微小変更」ならびに「従来構造の大幅変更」とは、従来の防振ダンパの降伏耐力総和比の分布をもって（相似形）、各層で±２０％程度以内の変更を「微小変更」といい、それを超える変更を「大幅変更」という。
【００８４】
図１４に示すように、従来構造（図中の三角印参照）の第１層の層せん断力１に対してこの第２の比較例（図中の×印参照）で得られた第１層の層せん断力の比は０．７へと、３０％程度と大きく低減している。しかしながら、この第２の比較例の場合の層間変形角は前記設計制約（ａ）を満たしていない。
【００８５】
具体的には図１３に示すように、この第２の比較例（図中の×印参照）の第５層部分の層間変形角が規定値（図１３の点線で示す１／２００）より大きくなっている。
【００８６】
前述した二つの比較例では、前記設計制約（ａ）を満たした場合には１層せん断力値の低減率が小さく、あるいはその逆に、１層せん断力値の低減率を大きくした場合は、前記設計制約（ａ）を満たない。従って、前記設計制約（ａ）を満たし、かつ、１層せん断力値を大きく低減させるためには、本発明による防振ダンパの配置が不可欠となる。
【００８７】
本発明の代表的な実施例を示した図３において、防振ダンパの降伏耐力総和の比を種々変えた場合の、全層（第１層〜第７層）における層間変形角の最大値をまとめて図１７に示す。
【００８８】
同図の上側横軸は、最下層（第１層）における防振ダンパの降伏耐力総和の比を示し、下側横軸は、重心層（第４層）における防振ダンパの降伏耐力総和の比を示す。また縦軸は、全層（第１層〜第７層）における層間変形角の最大値を示す。
【００８９】
本図中における最下層、重心層における防振ダンパの降伏耐力の比を同時に変化させて求めた、全層の層間変形角の最大値が、許容値１００１である０．００５（＝１／２００ 図１３参照）以下となる範囲は、重心層（第４層）で１．８〜２．２、最下層（第１層）で３．６〜４．４である。図中の直線１００２は、前記許容値以下の降伏耐力総和の比の範囲を示す直線である。
【００９０】
このように、支持架構とボイラ本体からなるボイラ耐震構造の重心が位置する重心層と、その重心層よりも上層と、前記重心層よりも下方でボイラ本体の鉛直部最下端が位置すると最下部層とに設けられている前記防振ダンパの降伏耐力の総和が、前記上層を１としたとき、前記重心層が３．６〜４．４、前記最下部層が１．８〜２．２の割合となるように、前記上層、重心層ならびに最下部層に防振ダンパを設けることにより、全層の層間変形角の最大値を許容値の０．００５以下に抑えることができる。
【００９１】
本実施形態では１層せん断力値を従来値から２０％低減できるため、この結果、図８に示す従来構造で必要であったコンクリート製のベースマット３３の厚さＢＴ´３４（通常、ＢＴ´＝４ｍ）が、図１に示すコンクリート製のベースマット３０の厚さＢＴ３１（厚さＢＴ＝２〜３ｍ）まで低減される。
【００９２】
また、図８に示す従来構造で必要であったコンクリート製ベースマット３３への支柱１の埋め込み長さＢＨ´３５（通常、ＢＨ´＝１ｍ）が、図１に示すコンクリート製ベースマット３０への支柱１の埋め込み長さＢＨ３３（ＢＨ＝０．５〜０．８ｍ）まで低減される。
【００９３】
これにより、新設ボイラ装置の場合は、経済的なコンクリート基礎の提供が可能となり、また、既設ボイラ装置の場合は、長い工期で不経済な基礎補強が不要となる。
【００９４】
本発明の作用効果をまとめれば、下記の通りである。
（１）．ボイラ耐震構造の層間変形角を規定値以下とし、さらに第１層せん断力を従来構造よりも約２０％低減することが可能となる。
【００９５】
（２）．前記（１）項の第１層せん断力の低減により、新設ボイラ装置の場合は、経済的なコンクリート基礎の提供が可能であり、また、既設ボイラ装置の場合は、長い工期で不経済な基礎補強が不要となるボイラ耐震構造を提供することができる。
【００９６】
（３）．前記（２）項により、地震時の安全性および耐震の信頼性の向上が図れ、しかも経済的なボイラ耐震構造の提供が可能となる。
【符号の説明】
【００９７】
１・・・支柱、２・・・主梁、３・・・吊りボルト、４・・・ボイラ本体、５・・・地震荷重、６・・・防振ダンパ、７・・・支持架構、８・・・耐震構造の重心位置、９・・・ボイラ鉛直部の最下部、３０・・・ベースマット、３１・・・ベースマット厚さＢＴ、３２・・・地面、３３・・・ベースマットへの支柱の埋め込み長さＢＨ、５０・・・ボイラ鉛直部、１０４・・・第４層の高さ方向の中央位置、１０５・・・第１層の高さ方向の中央位置微粒子、２０１・・・ホッパ部。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数本の支柱と、その支柱の上下方向に沿って複数本配置された主梁との組み合わせにより構成された支持架構と、
その支持架構の上部から伸縮可能に吊り下げられたボイラ本体と、
そのボイラ本体と前記支持架構の間に接続された防振ダンパを有し、
前記支持架構の基礎部分から最下部の主梁までを第１層、最下部の主梁からその上方の次の主梁までを第２層とし、前記ボイラ本体を吊り下げる最上部の主梁まで複数の層構造を備えたボイラ装置において、
前記層構造のうち、前記支持架構とボイラ本体からなるボイラ耐震構造の重心が位置する重心層と、その重心層よりも上層と、前記重心層よりも下方で前記ボイラ本体の鉛直部最下端が位置すると最下部層とに設けられている前記防振ダンパの降伏耐力の総和が、
前記上層を１としたとき、前記重心層が３．６〜４．４、前記最下部層が１．８〜２．２の割合となるように、前記上層、重心層ならびに最下部層に前記防振ダンパを設けたことを特徴とするボイラ装置。
【請求項２】
請求項１に記載のボイラ装置において、
前記重心層の高さ方向の中央位置よりも上側に前記ボイラ耐震構造の重心位置があると、前記重心層とその上側の層との境界部に前記重心層用の防振ダンパを設置することを特徴とするボイラ装置。
【請求項３】
請求項１に記載のボイラ装置において、
前記重心層の高さ方向の中央位置よりも下側に前記ボイラ耐震構造の重心位置があると、前記重心層とその下側の層との境界部に前記重心層用の防振ダンパを設置することを特徴とするボイラ装置。
【請求項４】
請求項１に記載のボイラ装置において、
前記第１層の高さ方向の中央位置の上側にボイラ本体鉛直部の最下部があると、前記第１層と前記第２層との境界部に前記第１層用の防振ダンパを設置することを特徴とするボイラ装置。
【請求項５】
請求項１に記載のボイラ装置において、
前記第２層の高さ方向の中央位置の下側にボイラ本体鉛直部の最下部があると、前記第１層と前記第２層との境界部に前記第１層用の防振ダンパを設置することを特徴とするボイラ装置。
【請求項１】
複数本の支柱と、その支柱の上下方向に沿って複数本配置された主梁との組み合わせにより構成された支持架構と、
その支持架構の上部から伸縮可能に吊り下げられたボイラ本体と、
そのボイラ本体と前記支持架構の間に接続された防振ダンパを有し、
前記支持架構の基礎部分から最下部の主梁までを第１層、最下部の主梁からその上方の次の主梁までを第２層とし、前記ボイラ本体を吊り下げる最上部の主梁まで複数の層構造を備えたボイラ装置において、
前記層構造のうち、前記支持架構とボイラ本体からなるボイラ耐震構造の重心が位置する重心層と、その重心層よりも上層と、前記重心層よりも下方で前記ボイラ本体の鉛直部最下端が位置すると最下部層とに設けられている前記防振ダンパの降伏耐力の総和が、
前記上層を１としたとき、前記重心層が３．６〜４．４、前記最下部層が１．８〜２．２の割合となるように、前記上層、重心層ならびに最下部層に前記防振ダンパを設けたことを特徴とするボイラ装置。
【請求項２】
請求項１に記載のボイラ装置において、
前記重心層の高さ方向の中央位置よりも上側に前記ボイラ耐震構造の重心位置があると、前記重心層とその上側の層との境界部に前記重心層用の防振ダンパを設置することを特徴とするボイラ装置。
【請求項３】
請求項１に記載のボイラ装置において、
前記重心層の高さ方向の中央位置よりも下側に前記ボイラ耐震構造の重心位置があると、前記重心層とその下側の層との境界部に前記重心層用の防振ダンパを設置することを特徴とするボイラ装置。
【請求項４】
請求項１に記載のボイラ装置において、
前記第１層の高さ方向の中央位置の上側にボイラ本体鉛直部の最下部があると、前記第１層と前記第２層との境界部に前記第１層用の防振ダンパを設置することを特徴とするボイラ装置。
【請求項５】
請求項１に記載のボイラ装置において、
前記第２層の高さ方向の中央位置の下側にボイラ本体鉛直部の最下部があると、前記第１層と前記第２層との境界部に前記第１層用の防振ダンパを設置することを特徴とするボイラ装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【公開番号】特開２０１２−２５１７４４（Ｐ２０１２−２５１７４４Ａ）
【公開日】平成２４年１２月２０日（２０１２．１２．２０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１２５６６８（Ｐ２０１１−１２５６６８）
【出願日】平成２３年６月３日（２０１１．６．３）
【出願人】（０００００５４４１）バブコック日立株式会社 (683)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１２月２０日（２０１２．１２．２０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年６月３日（２０１１．６．３）
【出願人】（０００００５４４１）バブコック日立株式会社 (683)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]