原子力施設の耐震設計建物・構築物への影響評価

(1)

原子力施設の耐震設計

建物・構築物への影響評価

首都大学東京名誉教授

西川孝夫

(2)

設計用地震動レベルを超えた最近の地震

（

設計用地震動の応答スペクトルを超えた地震）

• 駿河湾沖の地震

２００９年８月１１日

マグニチュード６．５

浜岡原発

・

新潟県中越沖地震

２００７年７月１６日マグニチュード６．８

柏崎刈羽原発（ほぼ直下か）？

• 能登半島地震

２００７年３月２５日マグニチュード６．９

志賀原発

• 宮城県沖地震

２００５年８月１６日マグニチュード７．２

女川原発

(3)

発電所の地震観測記録

(4)

新潟県中越沖地震における

柏崎刈羽原子力発電所

• 設計用地震加速度が大幅に超えていた可能

性があるが重要構造物、部位に被害がない

実際の耐震的実力は？

余裕度を確認する必要がある

• 地盤災害をどうするか、至急対策が必要

B,Cクラスの設計フィロソフィー？

(5)

目視点検で確認された被害状況

• As, A クラス（現行のSクラス）

被害なし

• Bクラス

天井クレーンの駆動軸の損傷

• Cクラス

変圧器の火災

変圧器防油堤の沈下、ズレ

主排気筒に接続されるダクトのズレ

(6)

設計用地震力と応答の地震力の比較

（７号機）

0 500 1000 -8.2 -1.7 12.3 18.1 23.5 31.7 38.2 49.7 せん断力 ×10 3_(kN) T.M.S.L. (m) 4.8 設計用地震力中越沖地震動的地震力(S1-D) 動的地震力(S2-D) 静的地震力設計用地震力中越沖地震によるせん断力静的地震力動的地震力(S1-D) 動的地震力(S2-D)

せん断力 ×10

3

(kN)

建物高さ（m） 0 500 1000 -8.2 -1.7 12.3 18.1 23.5 31.7 38.2 49.7 せん断力 ×10 3_(kN) T.M.S.L. (m) 4.8 設計用地震力中越沖地震動的地震力(S1-D) 動的地震力(S2-D) 静的地震力設計用地震力中越沖地震によるせん断力静的地震力動的地震力(S1-D) 動的地震力(S2-D)

せん断力 ×10

3

(kN)

0 500 1000 -8.2 -1.7 12.3 18.1 23.5 31.7 38.2 49.7 せん断力 ×10 3_(kN) T.M.S.L. (m) 4.8 設計用地震力中越沖地震動的地震力(S1-D) 動的地震力(S2-D) 静的地震力設計用地震力中越沖地震によるせん断力静的地震力動的地震力(S1-D) 動的地震力(S2-D)

せん断力 ×10

3

(kN)

建物高さ（m）

(7)

最大応答値と設計配筋による

負担せん断力（７号機）

0 1000 2000 3000 -8.2 -1.7 12.3 18.1 23.5 31.7 38.2 49.7 せん断力 ×10 3_(kN) T.M.S.L. (m) 4.8 中越沖地震によるせん断力設計配筋による負担せん断力中越沖地震によるせん断力設計配筋による負担せん断力

せん断力

×10

3

(kN)

建物高さ（m） 0 1000 2000 3000 -8.2 -1.7 12.3 18.1 23.5 31.7 38.2 49.7 せん断力 ×10 3_(kN) T.M.S.L. (m) 4.8 中越沖地震によるせん断力設計配筋による負担せん断力中越沖地震によるせん断力設計配筋による負担せん断力

せん断力

×10

3

(kN)

0 1000 2000 3000 -8.2 -1.7 12.3 18.1 23.5 31.7 38.2 49.7 せん断力 ×10 3_(kN) T.M.S.L. (m) 4.8 中越沖地震によるせん断力設計配筋による負担せん断力中越沖地震によるせん断力設計配筋による負担せん断力

せん断力

×10

3

(kN)

建物高さ（m）

(8)

最大応答値（７号機）

基礎版上（B3F）

_{中間階（3F）}

ｼﾐｭﾚｰｼｮﾝ解析結果ｼﾐｭﾚｰｼｮﾝ解析結果 0 500 1000 1500 2000 0 1 2 3 4 せん断力 Q (× 10 3 kN) せん断ひずみγ (×10-3₎ S₁相当静的地震力（3Ci）建屋：シミュレーション条件設計用地震力動的地震力(S1相当) 動的地震力(S1相当) 0 500 1000 1500 2000 0 1 2 3 4 せん断力Q (×10 3 kN) せん断ひずみγ (×10-3₎ S₁相当静的地震力（3Ci）建屋：シミュレーション条件設計用地震力動的地震力(S1相当)

基礎版上（B3F）

_{中間階（3F）}

ｼﾐｭﾚｰｼｮﾝ解析結果ｼﾐｭﾚｰｼｮﾝ解析結果ｼﾐｭﾚｰｼｮﾝ解析結果ｼﾐｭﾚｰｼｮﾝ解析結果 0 500 1000 1500 2000 0 1 2 3 4 せん断力 Q (× 10 3 kN) せん断ひずみγ (×10-3₎ S₁相当静的地震力（3Ci）建屋：シミュレーション条件設計用地震力動的地震力(S1相当) 動的地震力(S1相当) 0 500 1000 1500 2000 0 1 2 3 4 せん断力Q (×10 3 kN) せん断ひずみγ (×10-3₎ S₁相当静的地震力（3Ci）建屋：シミュレーション条件設計用地震力動的地震力(S1相当) 0 500 1000 1500 2000 0 1 2 3 4 せん断力Q (×10 3 kN) せん断ひずみγ (×10-3₎ S₁相当静的地震力（3Ci）建屋：シミュレーション条件設計用地震力 0 500 1000 1500 2000 0 1 2 3 4 せん断力Q (×10 3 kN) せん断ひずみγ (×10-3₎ S₁相当静的地震力（3Ci）建屋：シミュレーション条件設計用地震力 0 500 1000 1500 2000 0 1 2 3 4 せん断力Q (×10 3 kN) せん断ひずみγ (×10-3₎ S₁相当静的地震力（3Ci）建屋：シミュレーション条件設計用地震力動的地震力(S1相当)

基礎版上（B3F）

中間階（3F）

(9)

耐震設計審査指針（新指針）

パンフレット「新しい耐震設計審査指針」原子力安全・保安院原子力安全基盤機構より抜粋

(10)

耐震バックチェック

• 旧指針で設計された施設の新指針に照らし

ての検証

特に地震動が大きくなったことへの安全性

の検証

昭和

53年以前

２７機（東海除く）

平成

18年まで（旧指針）

２８機

計５５機

泊

3号機、島根3号機（建設中）は旧指針

平成

18年以降（新指針）

大間原子力発電所（建設中）

(11)

耐震バックチェックの方針

• 地震動の再評価

水平（断層モデル、震源を特定しない地震動

鉛直地震動（新指針から）

• なるべく実情に即したモデル化を行う

例えば回転バネを考慮

コンクリートの実剛性を使う

減衰定数など最近の研究による知見を

取入れる（機器系）

(12)

中越沖地震からの教訓

中越沖地震に対する柏崎刈羽原子力発電所

の地震後の健全性評価

これからの使用に対する安全性の評価のため

に行われた検討

耐震余裕度の精査と余裕度の確保ーー設計

実機

(13)

簡便モデルからより詳細な解析モデルへ

質点系モデル

一部の建屋では、局所的な振動により

質点系モデルでは、床の応答が十分に

評価できない周期帯が見られた。

これらの評価には、３次元FEMモデル

や多軸床柔性考慮モデルが有効である

ことがわかった。

３次元FEMモデル

多軸床柔性考慮モデル

４号機原子炉建屋中間階（NS方向）

観測記録質点系モデル ３次元FEMモデル

図は、耐震・構造設計小委員会構造ワーキンググループ

資料より抜粋

(14)

X Y Z

中越沖地震を踏まえた解析手法の高度化

新潟県中越沖地震を踏まえたシミュレーション解析等に

おいて、建屋応答をより精度よく再現するためには、解析

手法について更なる検討の余地があることが確認された。

実現象をより精度よく評価できる地震応答解析手法の

高度化をはかることが重要である。

X Y Z V1 C100 X Y Z V1 C100

地盤のFEMモデル（例）

建屋の３次元モデル（例）

図は、耐震・構造設計小委員会構造ワーキンググループ資料より抜粋

(15)

余裕度を明示化した設計法・評価法の確

立について

–設計用の地震動による応答レベルと設計上のクラ

イテリアとの関係は図書に記載されており、審査にお

いて確認されている。しかし、実耐力に基づく余裕や

設計上の余裕については評価されていない。

図は、東京電力ホームページより抜粋

(16)

簡便な質点系モデルからより詳細な解析モデルへ

柏崎刈羽６・７号機原子炉建屋

水平方向

鉛直方向

T.M.S.L. 49.7m T.M.S.L. 38.2m T.M.S.L. 31.7m T.M.S.L. 23.5m T.M.S.L. 18.1m T.M.S.L. 12.3m T.M.S.L. 4.8m T.M.S.L. -1.7m T.M.S.L. -8.2m T.M.S.L. -13.7m T.M.S.L 12.0m (GL)

中越沖地震における柏崎刈羽原子力発電所のシミュレーション解析

解析モデルは

JEAG４６０１（追補版を含む）に基づく質点系モデル

T.M.S.L 12.0m (GL)

中越沖地震における基礎版上の地震記録を用いて、設計モデルを基本とした

質点系モデルによる原子炉建屋のシミュレーション解析を実施している。

▽：入力点

▽ ：評価点

▽：入力点

質点

曲げ・せん断

剛性考慮

地盤ばね

図は、耐震・構造設計小委員会構造ワーキンググループ資料より抜粋

(17)

簡便な質点系モデルからより詳細な解析モデルへ

最

大

応

答

加

速

度

NS方向

_EW方向

UD方向

0 500 1000 1500 2000 -20 -10 0 10 20 30 40 50 最大応答加速度（Gal） T.M .S.L. (m) K6 R/B UD 0 500 1000 1500 2000 -20 -10 0 10 20 30 40 50 最大応答加速度（Gal） T.M .S.L. (m) K6 R/B NS 0 500 1000 1500 2000 -20 -10 0 10 20 30 40 50 最大応答加速度（Gal） T.M .S.L. (m) K6 R/B EW

解析

観測

解析

観測

解析

観測

柏崎刈羽６号機

0 10 20 30 40 0.1 1 観測解析加速度応答スペクトル( Ga l) 周期（秒） K6 R/B UD (TMSL23.5m) h=0.05 0.02 5 0 10 20 30 40 0.1 1 観測解析加速度応答スペクトル( m/ s 2) 周期（秒） K6 R/B EW (TMSL23.5m) h=0.05 0.02 5 0 10 20 30 40 0.1 1 観測解析加速度応答スペクトル( m/ s 2) 周期（秒） K6 R/B NS (TMSL23.5m) h=0.05 0.02 5

質点系モデルによる地震応答解析は、全体として中越沖地震時の建屋の

挙動を表現できている。

床

応

答

ス

ペ

ク

ト

ル

図は、耐震・構造設計小委員会構造ワーキンググループ資料より抜粋

(18)

原子力発電所建屋の裕度明示化

設計地震動による応答レベルを超えた領域における挙動に

ついて検討・把握し、安全裕度を評価し、明示する方法につい

て検討することが重要である。

地

震

に

よ

る

水

平

力

せん断ひずみ

終局ひずみ

▽

許容限界

▽

設計地震動による

応答レベル

設計上の余裕

_{実力による余裕}

耐震壁のせん断力～せん断ひずみ関係

▽

実終局ひずみ

設計に用いるカーブ

実構造物のカーブ（イメージ）

(19)

将来の技術動向

ハザード曲線

×

＝

フラジリティ曲線

損傷確率

免震構造を原子炉施設に採用し

耐震性の大幅な向上をはかる。

これまで排気筒等に採用された制

震装置の使用範囲を拡大し耐震性

の向上をはかる。

施工性の改善、工期短縮を目指

して、SC構造等これまでのRC

構造と異なる構造を採用する。

地震時の安全性を確率論により評

価し、原子力発電所の総合的な安

全性を明示する。

免震構造の導入

_{制震装置の導入}

地震PSAの評価

SC構造の採用

今後原子力の耐震分野においても、新技術の導入、新構造の採用、将来

の設計法・評価法の採用等、さらなる安全性を目指して努力することが、

求められている。

(20)

免震構造

• 構造物の下に特殊な支承を

設け地盤から切り離し、系全体を

長周期化し、構造物への入力を

減らす。

地盤が硬く、建物が

剛なほど有効なシステム

(21)

地震入力を低減する方法

(22)

各種免震構造の特徴

耐震構造

基礎免震構造

中間層免震構造

特

徴

•一様な剛性・耐力分

布にすることが必要

•用途と最適な構造

形式の整合が困難

•建築計画に制約

•地震入力を低減可能

•比較的自由な構造計

画が可能

•用途と構造形式の整

合が困難

•建物周囲にエキスパン

ションジョイントが必要

•マスダンパー効果によ

り、建物全体の地震入

力が低減

•自由度の高い建築・構

造計画が可能

•用途と構造形式の整

合が可能

上部構造

免震層

上部構造

Exp.J.

上部構造

免震層

下部構造

(23)

23 Isolators

○ Elastomeric Isolator Natural rubber bearing

Lead plug rubber bearing

High damping rubber bearing

○ Slider

○ Rotating Ball Bearing

Slider with elastomer

retainer

steel ball

plate

retainer

sliding material

elastomer

Elastomeric Isolator

(24)

24 Dampers

○ _{Elastoplastic Damper}

_{Steel damper}

Lead damper

○ Fluid Damper

Oil damper

Viscous damper

○ Friction Damper

Oil Damper

Lead Damper

(25)

0

0.5

1

1.5

0

100

200

300 X 方向

Y 方向

(免

震

層

直

上

/基

礎

上

)

基礎上最大加速度 (cm/s

2 )

最大加

速度比

近年の地震における免震建物の応答値

2003年十勝沖地震

7棟

2003年5月26日宮城県沖の地震

1棟

2004年新潟県中越地震

2棟

2005年福岡県西方沖の地震

2棟

0

0.5

1

1.5

0 200 400 600 800 1000

X 方向

Y 方向

(免

震

層

直

上

/基

礎

上

)

基礎上最大加速度 (cm/s

2 )

最大

加

速度

比

2003年十勝沖地震の記録

その他の地震の記録

(26)

当協会会員によるデータ集積結果（2008年12月末まで）福井県岐阜県静岡県愛知県三重県 ⑥免震建築物の県別分布（戸建住宅を除く）鳥取 43 北海道 15 青森 9 岩手 92 宮城 6 秋田 9 山形 13 福島 36 茨城 23 栃木 10 群馬 98 埼玉 138 千葉 625 東京 322 神奈川 24 新潟 8 富山 14 石川 7 福井山梨 19 長野 29 岐阜 136 静岡 179 愛知 30 三重 9 滋賀 21 京都 99 大阪 180 兵庫 4 奈良 14 和歌山 8 5 島根 ₁₃ 岡山 20 広島 4 山口 8 徳島 8 香川 8 愛媛 22 高知 46 福岡 2 佐賀 6 長崎 15 熊本 8 大分　9 _宮崎 6 鹿児島 4 沖縄 201 ～ 101 ～ 200 51 ～ 100 1 ～　20 21 ～　50 17

(27)

極限挙動に関する検討項目

■積層ゴムの引張力・座屈の発生

■擁壁との衝突

■免震部材の特性劣化

鋼材ダンパー・鉛プラグ入り積層ゴム・高減衰積層ゴム・すべり支承

■免震層下部構造剛性が低い場合

＜極限状態モードに影響を与える事象＞

・免震層での浮上り

・擁壁との衝突

・免震部材のハードニング・座屈

・免震部材の復元力劣化・破断

・上部構造の降伏

衝突破断 _引き抜き _座屈

(28)

ダンパー増設の効果

頂部加速度／入力加速度

免震層変形／入力加速度

弾塑性ダンパー

増設時

オイルダンパー

増設時

ダンパー増設により免震層変形低減・疲労特性改善が可能

(29)

積層ゴムの引張力・座屈発生に関する検討

15階 (45m) 20階 (60m) 25階 (75m) 12m リジッドビーム 12m ケース１ (積層ゴム 2台配置) ケース２ (積層ゴム 3台配置) Right Left 入力 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 0 100 200 応答最大加速度(Gal) 階 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 0 0.2 0.4 応答最大変位(m) 階免震層 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 0 0.1 0.2 層せん断力係数階ケース1 (積層ゴム2台配置) ケース2 (積層ゴム3台配置)

・上部構造の搭状比：3.75～6.25

・積層ゴム配置：左右２列、左右中央３列

・積層ゴムの引張領域非線形・座屈を考慮

→ 積層ゴムに座屈は生じず、上部構造はほぼ弾性状態

(30)

鋼材ダンパーの破断エネルギー（事例）

α s＝2％ α s＝5％ α s＝3％ α s＝4％

巨大地震

標準波・告示波

α s＝2％ α s＝5％ α s＝3％ α s＝4％

検討した鋼材ダンパーはVE=225cm/sの巨大地震に際しても破断

には至らない。

ただし、破断までの余裕は従来の標準波の場合よりも少ない。

(31)

鉛入り積層ゴム：長周期地震動を想定した加力試験

⑤鉛プラグ中央表面 ⑤以外 ⑤鉛プラグ中央表面 ⑥鉛プラグ直上鋼板 ⑤,⑥以外

告示波(八戸位相)

三の丸波入力

Φ 102₀ Φ 10 00 48 ⑥ 250 200 50 ⑦ ⑧ 9. 5 200 100 ② ③ ④ ⑤ ① 1150 R 70 0 Φ2 00 鉛プラグ石膏ボードﾌﾗﾝｼﾞﾌﾟﾚｰﾄ 48

原子力施設の耐震設計 建物・構築物への影響評価