装置と工場の災害耐性を定量的に考える ― インフラ別・災害別に見る設計条件

装置は、銘板の定格どおりの条件だけで動いているわけではありません。電圧は公称値から短時間外れることがあり、地震では床に加速度がかかり、屋外では風圧、屋根では積雪荷重がかかります。こうした外部条件は、装置側では別の物理量になります。電圧の偏差は電源が電圧を維持できる時間やモータのトルクに、加速度はアンカー荷重に、風速は面圧に、積雪の深さは荷重になります。

そのため、災害の種類ではなく、どの量が何に作用するかということが重要です。この記事では、どの工場にもある電源と受電から始め、続いて地震、台風、積雪について、現象と結果に重点を置いて扱います。

この記事の要点

章	この節で解説すること
電圧偏差と機器の許容範囲	同じ瞬低でも、24 V、モータ、溶接機、空調では止まり方が違う
受電方式と設備側のリスク	アメリカ・欧州・日本・ブラジルで、同じ負荷でも電圧が下がる場所と停電の範囲が変わる
地震の加速度とアンカー荷重	震度の目安を水平力に直す。加速度がアンカーを引っ張る
台風の風速と風圧	屋外盤の例で、風速を風荷重に直す
積雪深と積雪荷重	架台屋根の例で、深さを下向きの荷重に直す

電圧偏差と機器の許容範囲

制御盤の銘板が 200 V でも、実際の電圧は公称値からずれることがあります。短時間下がることを瞬時電圧低下（瞬低）、途切れることを瞬時停電（瞬停）、短時間上がることを瞬時電圧上昇と言います。地域や系統で頻度は違いますが、装置側でまず確認するのは、その偏差が交流入力なのか、制御用 24 V なのか、モータ端子なのかです。

その確認のとき、銘板の「±10%」は、現場の電圧が常にその範囲に収まるという意味ではありません。許容範囲、メーカの保証範囲、設計上の余裕は、それぞれ別の数字です。また、同じ ±10% でも、交流 200 V と制御用 24 V とモータ端子では対象が違います。そのため、交流入力が許容内でも、安定化電源の出力が電圧を維持できる時間を使い切れば、PLC は止まります。

同じ電圧偏差でも、機器によって止まる条件が違います。具体的には、制御用 24 V、モータ、電気溶接機、空調では、対象の電圧も、ほかの機器へ与える影響も違います。その違いを次の表にまとめます。

機器	対象の電圧	先に起きる不具合	ほかの機器への影響
PLC・制御（24 V）	安定化電源の出力と、電圧を維持できる時間	24 V が落ちて CPU・センサ・フィールドバスが止まる。電磁接触器は PLC より先に切れることが多い	負荷としては小さい
モータ	端子電圧。インバータなら直流母線	トルクはおよそ電圧の二乗に比例する。電圧が低いと同一負荷で電流が増え、過熱や回転停止につながる	始動電流が周囲の電圧を下げる
電気溶接機	パルス中の端子電圧	アークが不安定になる。インバータ機は直流母線の不足電圧で止まる	工場内の瞬低の主な原因になりやすい
空調	圧縮機の端子と電磁接触器	瞬低で接触器が落ち、再始動で再び電圧が下がる。工程用空調が止まると工程も止まる	圧縮機の始動が瞬低の原因になる

表の PLC について補足すると、広範囲入力の安定化電源には、交流 85 V から 264 V まで受けられるものがあります。そのため、「交流が ±10% なら PLC は耐える」は、交流入力と 24 V 出力を混同した言い方です。PLC が止まらないかどうかは、出力の 24 V が何ミリ秒維持できるかで決まります。一方、溶接機と空調は、電圧低下の被害を受けるだけでなく、周囲の電圧を下げる原因にもなります。また、インバータやサーボでは、モータと同じく直流母線の電圧を見ます。

下の図は、同じ電圧波形に対して、空調・モータ・溶接機・24 V が、それぞれどの数値で止まるかを示します。

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受電方式と設備側のリスク

工場が電気を受ける電圧の階級が違うと、停電がどこまで広がるかと、構内の負荷が電圧を下げる場所が変わります。階級の名前とよくある電圧は地域で違います。一方、設備側で使う換算は同じです。階級から、電圧が下がる場所と停電の範囲へ直します。ただし、階級の名前は電圧の範囲であり、設備が止まらなくなる保証ではありません。

表を読む前に、言葉を二つ確認します。同じ電圧で盤がつながっている部分を母線、変圧器の低い電圧の側を二次側と言います。なお、次の表は地域ごとに切り替えられます。最初に開く地域は、この記事の言語に合わせています。

どの地域でも、階級を上げると系統側の電流は小さくなります。ただし、変圧器の二次側に置いた溶接とモータ始動は残ります。

下の図は、階級の名前が地域で違っても、仕組みは同じであることを示します。図では上から順に、利用電圧では低下が系統まで届き、構内の変圧器で受けると系統電流は小さく、最も高い階級では停電の範囲が広くなります。また、24 V はどの階級でも下がります。

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一方、受電が 1 回線だと、その線の事故で工場全体が止まります。ただし、2 回線でも、同じ経路なら同時に止まることがあります。構内の事故を構内の遮断器で切れないと、上位が先に切れて工場全体が止まります。なお、施工手順は扱いません。

受電の階級と回線を決めたあと、保護と、電圧を維持する装置（UPS）の配置を検討します。24 V だけを維持するか、工程全体を維持するかで、必要な容量が違います。

地震の加速度とアンカー荷重

地震で床が加速しても、装置の質量はすぐに同じ動きにはなりません。加速度に質量をかけると力になり、これを慣性力と言います。自重を W、重力加速度を g、水平加速度を a とすると、水平の慣性力は F = (a/g) W です。ですから、0.3 g なら自重の 0.3 倍、1 g なら自重と同じ水平力がかかります。その力は、アンカーと据付板を引っ張るか、脚が浮く向きにもなります。

その加速度を、発表される震度からそのまま取ることはできません。マグニチュードは震源の規模です。一方、震度は、その地点での揺れの強さです。日本では気象庁震度階級を使い、0 から 7 までで、5 と 6 は弱と強に分かれます。海外では改正メルカリ震度階（MMI）で報じられることが多いです。ただし、設備の計算では水平加速度（単位 g）を使います。なお、遠いマグニチュード 7 より、近いマグニチュード 5 の方が、現場の加速度が大きいことは珍しくありません。

次の表は、床に固定した質量へ、水平加速度がそのままかかる場合の目安です。気象庁の震度は最大加速度だけでは決まらないため、同じ階級でも地点により加速度は幅を持ちます。したがって、機器の選定に使う値ではありません。

ケース	改正メルカリ	気象庁震度	水平加速度の例	自重の何倍
ほとんどの人が驚く	V〜VI	4	0.03〜0.08 g	0.03〜0.08 倍
家具が倒れることがある	VII	5強	0.15〜0.25 g	0.15〜0.25 倍
立っていることが困難	VIII	6弱	0.25〜0.3 g	0.25〜0.3 倍
固定していない家具の多くが倒れる	IX	6強	0.3〜0.4 g	0.3〜0.4 倍

注: 改正メルカリ震度階（MMI）は、米国などで使う揺れの階級です。気象庁震度は日本の気象庁が使う階級です。表の対応は近似です。

例えば、質量 1 トンの盤なら、震度 6 弱の目安（約 0.3 g）で、水平力は約 3 kN（約 300 kg相当）です。また、上層階や剛性の低い架台では、地表面より加速度が増えることがあります。そのうえ、重心が高いと、同じ加速度でも引張側アンカーの荷重はさらに増えます。

据付側では、ボルトをあらかじめ締め付けておくと、外力の変動の多くを接合面の圧縮で受けます。

下の図は、加速度が大きくなるほど、引張側アンカーの荷重が増える関係です。アンカー径の選定は扱いません。

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台風の風速と風圧

屋外盤、架台、搬送カバーに作用するのは風速そのものではなく、面に働く圧力です。圧力は風速の二乗にほぼ比例するため、風速が倍になると面荷重はおよそ四倍になります。進路の地図は、その圧力の代わりにはなりません。

例として、幅 0.8 m、高さ 2.0 m の屋外盤を置きます。風を受ける面積は 1.6 m² です。速度圧（風速から求める圧力）q は、空気密度を約 1.2 kg/m³ としたときの 0.6 v²（単位 N/m²、v は m/s）です。水平方向の風荷重は、この速度圧に面積をかけ、風力係数を 1 とした目安であり、機器の選定に使う値ではありません。

ケース	風速	速度圧	水平方向の風荷重
台風の下限付近	18 m/s	約 190 N/m²	約 0.3 kN（約 30 kg相当）
暴風域	25 m/s	約 380 N/m²	約 0.6 kN（約 60 kg相当）
風速が倍（圧力は四倍）	36 m/s	約 780 N/m²	約 1.2 kN（約 130 kg相当）
強い台風	40 m/s	約 960 N/m²	約 1.5 kN（約 160 kg相当）

注: 風力係数 1。地上高による割り増しは含めていません。1 kN はおよそ 100 kg相当の力です。台風の下限は気象庁の定義（最大風速およそ 17 m/s 以上）、暴風域は平均風速 25 m/s 以上、強い台風は最大風速 33 m/s 以上 44 m/s 未満です。

例えば、この屋外盤なら、強い台風（40 m/s）で水平方向に約 1.5 kN（約 160 kg相当）の力がかかります。ただし、高さや突風、風力係数が違うと、同じ風速でも値は変わります。

下の図は、風速が上がると盤の面を押す圧力と水平力が増える様子です。いまの風速、速度圧、水平力（kN と kg相当）が数値で変わります。また、いまの風速が、気象庁の台風の強さと、ハリケーン階級（SSHWS）のどこに当たるかも示します。気象庁は 10 分平均、ハリケーン階級は 1 分平均のため、同じ風速でも階級は一致しません。外装の許容値は装置ごとに違うので、表や図の数値を許容値の代わりにはできません。

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積雪深と積雪荷重

積雪の深さだけで屋根の荷重を決めてはいけません。雪は雨を吸うことで重さを増しますし、天気の変化によっては溶けて密度が増したところ雪が積もり、見た目を超えた重さとなります。また、採光部や架台は、屋根全体の平均荷重より、局所的な堆積で先に耐力が足りなくなることがあります。なお、積雪は地域差が大きい条件です。

例として、2.0 m × 2.0 m の屋外架台屋根を置きます。面積は 4.0 m² です。積雪の単位荷重は、建築基準法でよく使う値（積雪 1 cm あたり 20 N/m²、すなわち 2 kN/m³）で固定します。積雪荷重は単位面積あたりの鉛直力、屋根全体の荷重はそれに面積をかけた値です。いずれも目安であり、機器の選定に使う値ではありません。

ケース	積雪の深さ	積雪荷重	屋根全体の荷重
積雪 30 cm	0.3 m	0.6 kN/m²	約 2.4 kN（約 240 kg相当）
積雪 60 cm	0.6 m	1.2 kN/m²	約 4.8 kN（約 490 kg相当）
多雪地域でよくある 1 m	1.0 m	2.0 kN/m²	約 8 kN（約 800 kg相当）
同じ 1 m で水を含んだ雪	1.0 m	4.0 kN/m²	約 16 kN（約 1 600 kg相当）

注: 単位荷重は積雪 1 cm あたり 20 N/m²（2 kN/m³）。最後の行だけ、水を含んだ雪の目安で単位荷重を倍にしています。1 kN はおよそ 100 kg相当の力です。

例えば、この 2 m 四方の屋根なら、積雪 1 m で約 8 kN（約 800 kg相当）の下向きの力がかかります。最後の行は、深さが同じでも、水を含む雪では荷重が増えることを示します。

下の図は、深さが増えると柱の荷重が増え、積もったあとに雨が降ると、深さは同じでも密度が上がって柱の力がさらに増える様子です。なお、部材断面の選定は扱いません。

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まとめ

電圧では、交流入力と制御用 24 V のように見る場所を分け、それぞれの偏差と、電圧を維持できる時間を確認します。受電方式は、地域で階級の名前が違っても、電圧が下がる場所と停電の範囲を変えます。地震では加速度がアンカー荷重になり、風では風速が面圧になり、雪では深さが荷重になります。設計で使うのは、この換算のあとの値です。板厚やアンカー径の推奨値や、過去の発生地点だけで判定することは、ここでは扱いません。

よくある質問

Q1. 定格の ±10% なら PLC は耐えますか。

A. 交流入力の銘板範囲と、24 V を維持できる時間は別です。ですから、広範囲入力の電源なら、交流は残っていても、出力側が先に落ちることがあります。また、電磁接触器は、そのさらに手前で切れることがあります。

Q2. 受電の階級を上げれば瞬低は消えますか。

A. 系統側の電流は小さくなりますが、二次側の始動と溶接は残ります。一方、利用電圧で受けると、同じパルスが系統まで届きやすくなります。

Q3. 震度と加速度は同じですか。

A. 違います。震度は、その地点の揺れの階級であり、力そのものではありません。アンカーに働くのは、加速度に質量をかけた力です。また、同じ階級でも、加速度には幅があります。

Q4. 風速が倍だと、風圧はどうなりますか。

A. 面の圧力はおよそ四倍になります。圧力が風速の二乗に比例するためです。台風の節の表では、18 m/s と 36 m/s がこの関係です。例えば、幅 0.8 m、高さ 2.0 m の屋外盤なら、18 m/s で約 30 kg相当、36 m/s で約 130 kg相当です。

Q5. 積雪深が分かれば荷重は決まりますか。

A. 深さだけでは決まりません。単位荷重をかけて下向きの力になります。例えば、この 2 m 四方の屋根なら、積雪 1 m で約 800 kg相当です。同じ 1 m でも、水を含んだ雪なら約 1 600 kg相当になります。また、局所的な堆積は、平均荷重より先に部材の耐力を超えることがあります。