JP2011189994A

JP2011189994A - 地震動抑制用液体貯留容器

Info

Publication number: JP2011189994A
Application number: JP2011151382A
Authority: JP
Inventors: Tadayoshi Koizumi; 忠由小泉
Original assignee: Meiji University
Current assignee: Meiji University
Priority date: 2011-07-08
Filing date: 2011-07-08
Publication date: 2011-09-29

Abstract

【課題】長周期の地震動によるスロッシングの発生を抑制し内部の液体の流出を防止することができる地震動抑制用液体貯留容器を提供すること
【解決手段】液体７を貯留する地震動抑制用液体貯留容器であって、前記液体７を貯留する内部空間１１の内側上部に、前記内部空間１１の内側上部の全域を複数のセル８に分割する複数の中空体２０，２２，２３を敷設したこと。
【選択図】図８

Description

本発明は、液体貯留容器に関し、特に長周期の地震動によるスロッシングの発生を防止することができる地震動抑制用液体貯留容器に関する。

液体貯留タンク等の液体をその内部に貯留する容器に地震波が作用すると液面は遥動する。この遥動は地震動の卓越した振動周期が貯留されている液体の固有周期に近い場合にきわめて大きくなる。このような現象は、一般にスロッシングと呼ばれている。
スロッシングが生じると構造物には大きな波力が作用し、壁や天井等の部材がこの波力に耐えられないと構造物は破壊される。

従来、地震動の卓越した周期は０．５秒ないし１．０秒程度であると考えられていたため、石油貯留タンク等の大型容器は、固有振動数が上記の範囲よりも大きくなるように設計されていた。ところが、近年長周期の地震動（卓越周期が５秒ないし１０秒程度）が観測されるようになり、容器構造物の破壊や貯留されている液体の漏出事故も報告されるようになった。
このような背景から、長周期の地震動によるスロッシングに対する防災対策の必要性が指摘されている。

特許文献１には、スロッシングによる衝撃力が構造部材に直接作用しないようにして破壊を防止するように構成された液体貯留タンクが記載されている。この液体貯留タンクは、長方形の単位板を組み合わせてなる略直方体の躯体を有している。天井壁の遇四隅角部の単位板には、圧力解除蓋が設けられている。
このような構造とすることにより、スロッシングにより液面に生じた波が天井壁に達したときには圧力解除蓋が開放されて天井壁に作用する衝撃力は開放され、天井壁の破壊を防止することができる。

特開平９−２４９２９２号公報

しかし、特許文献１に記載された液体貯留タンクにおいては、スロッシングの発生そのものは防止することができない。そのため、スロッシングが生じたときには、貯留されている液体が流出してしまうという問題があった。

（発明の目的）
本発明は、長周期の地震動によるスロッシングの発生を抑制し内部の液体の流出を防止することができる地震動抑制用液体貯留容器を提供することを、その目的とする。

上記目的を達成するため、本発明にかかる液体貯留容器は、液体を貯留する内部空間の上部に固定され、前記内部空間の上部を複数のセルに分割する複数の中空体を敷設する、という構成を採っている（請求項１）。

この地震動抑制用液体貯留容器によれば、内部空間の内側上部を複数のセルに分割しない場合に比べ、容器内に貯留されている液体の固有振動数を小さくすることができ、そのため、長周期の地震動によるスロッシングの発生を防止し、貯留されている液体の漏出を防止することができる。

また、中空体は、内部空間の上部にのみ配置されているので、中空体の下部には連続した大きな内部空間を確保することができる。

ここで、前記各中空体の外形を円筒形とすると共に、その両端部を下方から固着し支持する支持板を設け、この支持板を、前記内部空間を構成する外壁の内側に沿って直立するようにしてもよい（請求項２）。

このようにすれば、広く流通しているパイプ部材の端部をふさぐだけで中空体として用いることができる。また、支持板を備えているので、中空体を強固に固定することができる。

又、上記円筒形の各中空体の一部が、その端部と前記外壁との間に空隙が生じるように配置してもよい（請求項３）。

このようにすれば、支持板上端より上部の空間と下部の空間との間の液体の流通を確保することができるため、地震動抑制用液体貯留容器の利便性を向上させることができる。

ここで、前記内部空間を水平方向に分割する水平仕切り板を備えると共に、前記各中空体の外形を球形とし、当該各中空体の下端部が前記水平仕切り板の上面に固定された構成としてもよい。

このようにすれば、ボール、ブイ等として広く用いられ安価に製造することができる球形の中空体を用いることができる。また、水平仕切り板を備えているので中空体を強固に固定することができる。

上記地震動抑制用液体貯留容器において、水平仕切り板には複数の開口部が設けた構成としてもよい（請求項４）。

このようにすれば、仕切り板の上部と下部の間の液体の流通を確保することができるため、液体貯留容器の利便性を向上させることができる。

又、上記各中空体については、前記球形の各中空体に代えて、上側部分が開口された凹状半球体を使用するようにしてもよい（請求項５）。

更に、前述した中空体には、その内部に対して前記液体を注入し又は排出するための孔がを設けてもよい（請求項６）。

このようにすれば、中空体の設置後にも、セル内の液体の量を調節することができる。

本発明に係る地震動抑制用液体貯留容器では、内部空間の内側上部の全域を複数の中空体で複数のセルに分割することにより、各セル内の液体の振動方向の移動距離を減少させるようにしたので、液体の固有振動数が中空体を設けない場合よりも減少することとなり、更に、各セルには水面に当接する面を球状若しくは円弧状の中空体を装備したので、液体の揺動が抑制されることと成り、かかる点においても、長周期地震動によるスロッシングの発生をより一層有効に防止することができるという従来にない優れた液体貯留容器を提供することができる。

以下、図を参照しながら本発明にかかる地震動抑制用液体貯留容器の実施形態を、順次説明する。
最初に、本発明にかかる液体貯留容器の開発の前提となった他の新規な技術内容（貯水槽／その１乃至その３）について順次説明し、その後に、本発明にかかる液体貯留容器について、その実施形態を具体的に説明する。
〔貯水槽／その１〕
まず、図１（ａ）（ｂ）を参照しながら新規技術を含む貯水槽１について説明する。
図１（ａ）には新規技術を含む貯水槽（液体貯留容器）１の断面図を、図１（ｂ）には同貯水槽１の平面図を、それぞれ示す。
この図１（ａ）（ｂ）に開示した貯水槽１は、地盤等の上に設置された底板５を備え、底板５の外周には鉛直方向の外壁３が設けられている。底板５と外壁３により形成された内部空間１１には、水７（液体の一例）が蓄えられている。
内部空間には、底板５から直立し格子状に配置された鉛直仕切り板２が設けられ、内部空間１１は、鉛直仕切り板２により複数のセル８に分割されている。鉛直仕切り板２の上端は液面６の上に突出しており、下端は底板５の上面に固定されている。

次に、貯水槽１に蓄えられている水の固有周期について説明する。
図１（ａ）のＬが１０〔ｍ〕、Ｈが３〔ｍ〕の場合について鉛直仕切り板２がないものとして、下記の数式１により固有周期を計算すると、固有周期Ｔは、４．１７〔ｓ〕となる。

ここで、Ｔは固有周期〔Ｓ〕、Ｌ〔ｍ〕は液体の振動方向の長さ、Ｈ〔ｍ〕は水深、ｇは重力加速度〔９．８ｍ／ｓ^２〕、πは円周率である。
上記地震動抑制用液体貯留容器によれば、容器内に貯留されている液体は、セル単位に分離され地震動の振動方向の寸法は、鉛直仕切り板を設けない場合に比べて小さくなる。そうすると、上記数式１から明らかなように、各セルに貯留されている液体の固有振動数は、鉛直仕切り板を設けない場合に比べて小さくなる。
そのため、長周期の地震動によるスロッシングの発生を防止し、貯留されている液体の漏出を防止することができる。
前述した条件の下に数式１で演算した固有周期Ｔ＝４．１７〔ｓ〕は、実際の場では、長周期の地震動の周期に近い値であり、スロッシングが発生する恐れがある。
一方、図１に示したように鉛直仕切り板２を設け、セル８の振動方向の長さＬ１が１ｍとなった場合について同様に計算するとセル８内の水の固有周期は１．１３〔ｓ〕となる。そのため、長周期地震動によるスロッシングを防止することができる。

図２は、水深Ｈが０．１〔ｍ〕から５．０〔ｍ〕、液体の振動方向の長さＬが０．１〔ｍ〕から５〔ｍ〕の範囲について数式１によりＴを算出した結果を示す表である。図３は、この計算結果をグラフに表わしたものである。
図２及び図３に示した水深Ｈの範囲では、周期が０．５〔秒〕以上の地震動に対してスロッシングが生じないようにするためには、水深Ｈにかかわりなく振動方向の長さＬ１が０．２〔ｍ〕以下となるように鉛直仕切り板２を設ければよいことがわかる。

貯水槽１では、鉛直仕切り板２の上端は、水面６よりも上方に突出しているため、スロッシングの防止を想定している範囲外の振動周期の地震により大きな波が発生した場合、波が鉛直仕切り板２を越えて隣のセル８に流れるようになる。そのため、鉛直仕切り板２又は外壁３に作用する波力を減少させることができる。

〔貯水槽／その２〕
次に、図４（ａ）（ｂ）を参照しながら新規技術を含む他の貯水槽１２について説明する。
まず図４（ａ）には貯水槽１２の断面図を、図４（ｂ）には貯水槽１２の平面図を示す。
この図４（ａ）（ｂ）において、貯水槽１２は、地盤等の上に設置された底板５を備え、底板の外周には鉛直方向の外壁３が設けられている。底板５と外壁３により形成された内部空間１１には、水７が蓄えられている。
内部空間１１には水平仕切り板４が設けられ、内部空間は上部１１ａと下部１１ｂに分割されている。水平仕切り板４は、その周囲が外壁３の内周に固定されている。
水平仕切り板４よりも上部には、鉛直仕切り板２が設けられ、内部空間の上部１１ａは、鉛直仕切り板２により複数のセル８に分割されている。鉛直仕切り板２の上端は液面６の上に突出しており、下端は水平仕切り板４の上面に固定されている。

水平仕切り板４には、各セル８に対応して１個ずつ開口部１０が設けられている。開口部１０の面積は、水７をセル８ごとに分離する効果を失わないようにするために、セルの底部１３の面積に比べ十分小さくすることが望ましい。
なお、図４では開口部１０の平面形状は円形としてあるが、矩形等他の形状としてもよい。

貯水槽１２によれば、内部空間１１をセル８に分割しているから図１の貯水槽１と同様に長周期地震動によるスロッシングの発生を防止することができる。
また、鉛直仕切り板２は内部空間の上部１１ａにのみ設けられているから、水平仕切り板４の下部には、連続した大きな空間１１ｂを確保することができる。
さらに、前記水平仕切り板４には開口部１０が設けられているから、水平仕切り板４の上部と下部の間の水の流通を確保することができる。
そのため、液体貯留容器の利便性を向上させることができる。たとえば、図１の貯水槽１では注水及び排水をセル８ごとに行う必要があるが、貯水槽１２によれば、セル８のいずれか一つまたは内部空間の下部１１ｂのいずれか１箇所から注排水を行うことができる。

〔貯水槽／その３〕
次に、図５（ａ）（ｂ）を参照しながら新規技術を含む他の貯水槽１３について説明する。
図５（ａ）には貯水槽１３の断面図を、図５（ｂ）には貯水槽１３の平面図を、それぞれ示す。
この図５（ａ）（ｂ）において、貯水槽１３は、地盤等の上に設置された底板５を備え、底板の外周には鉛直方向の外壁３が設けられている。底板５と外壁３により形成された内部空間１１には、水７が蓄えられている。
外壁３の内周には受け台９が設けられ、その上面によって周辺部を支持する形で水平仕切り板４が固定されている。水平仕切り板４は、上方に持ち上げて取り外すこともできる。内部空間１１は、水平仕切り板４により上部１１ａと下部１１ｂに分割されている。
水平仕切り板４よりも上部には、鉛直仕切り板２が設けられ、内部空間の上部１１ａは、鉛直仕切り板２により複数のセル８に分割されている。鉛直仕切り板２の上端は液面６の上に突出しており、下端は水平仕切り板４の上面に固定されている。

貯水槽１３によれば、内部空間１１をセル８に分割しているから図１の貯水槽１と同様に長周期地震動によるスロッシングの発生を防止することができる。
貯水槽１３では、鉛直仕切り板２と水平仕切り板４を取り外すことができるので、保守作業を行う際は、鉛直仕切り板４および水平仕切り板４を設けていない場合と同様に大きな作業空間を確保することができる。また、貯水槽１３が大型のもので、保守作業のために内部空間１１の下部１１ｂに人間が入る必要がある場合でも外壁３または水平仕切り板４に人間が出入りするための開口部であるマンホールを設ける必要がなくなる。

上記図１乃至図５に開示した貯水槽１乃至３において、貯水槽の平面形状は長方形に限定されない。
図６（ａ）は、平面形状を円形とし、平面形状が正方形のセルで分割した例である。円筒形の貯水槽１４の内部空間１１は、鉛直仕切り板２によって正方形のセル８に分割されている。
図６（ｂ）は、平面形状を円形とし、平面形状が円形のセルで分割した例である。円筒形の貯水槽１５の内部空間１１は、平面形状がリング型の鉛直仕切り板２によって円形のセル８に分割されている。
平面形状が円形の場合の液体の固有振動数の計算式を数式２に示す。この数式は、例えば、独立行政法人消防研究所のホームページ（http://www.fri.go.jp/bosai/tokachi＿lpgm.html ）に記載されている。

ここで、Ｔは固有周期〔Ｓ〕、Ｄ〔ｍ〕は貯水槽またはセルの内径、Ｈ〔ｍ〕は水深、ｇは重力加速度〔９．８ｍ／ｓ^２〕、πは円周率である。
図７は、数式２による固有周期の計算結果を示すグラフである。長方形形状の場合と同様の傾向を示しており、セルの固有周期を０．５〔秒〕以下とするためには、図６（ｂ）に示したセルの内径Ｄ１を０．２〔ｍ〕以下とすればよいことがわかる。

〔第１の実施形態〕
次に、本発明にかかる地震動抑制用液体貯留容器（貯水槽）の第１の実施形態を、図８（ａ）（ｂ）（ｃ）に基づいて説明する。
ここで、図８（ａ）は本実施形態の貯水槽１６を示す断面図、図８（ｂ）は図８（ａ）の平面図、図８（ｃ）は図８（ｂ）の一部を示す貯水槽１６の拡大部分平面図である。
この図８に示す貯水槽１６は、地盤等の上に設置された底板５を備え、底板の外周には鉛直方向の外壁３が設けられている。底板５と外壁３により形成された内部空間１１には、水７が蓄えられている。
外壁３の内の一方の対向する二面３ａと３ｂの内周には支持板２６が設けられ、その上面によって２辺を支持される形で水平仕切り板４が固定されているが、必要に応じて上方に持ちあ上げて取り外すこともできる。即ち、水平仕切り板４は、単に置いてあるだけであるから上方に持ち上げて取り外すことができる。内部空間１１は、水平仕切り板４により上部１１ａと下部１１ｂに分割されている。
この水平仕切り板４の上には、中空体の一例である中空球体２０が水面６全体を覆うように配置され、内部空間の上部１１ａは、中空球体２０の内部空間により形成されたセル８に分割されている。中空球体２０は、その上端部に注水孔２１が設けられると共に、下端部が水平仕切り板４の上面に固定されている。
水平仕切り板４の中空球体２０を支持していない部分には開口部１０が設けられていて、水７は、上部空間１１ａと下部空間１１ｂとの間を流通できるようになっている。

このように、上記第１実施形態における液体貯留槽１６は、上記のように構成され機能するので、これによれば、内部空間１１をセル８に分割しない場合に比べ、液体貯留槽１７内に貯留されている水の固有振動数を小さくすることができる。
そのため、長周期の地震動によるスロッシングの発生を防止し、貯留されている水の漏出を防止することができる。
また、中空球体２０は、内部空間１１の上部１１ａにのみ配置されているので、中空球体２０の下部には連続した大きな内部空間１１ｂを確保することができる。
セルを形成するための中空体として、ボール、ブイ等として広く用いられ安価に製造することができるものを採用することができる。また、水平仕切り板４を備えているので中空球体２０を強固に固定することができる。
更に、水平仕切り板４には、開口部１０が設けられているので、上部１１ａと下部１１ｂの間の水６の流通を確保することができる。そのため、液体貯留容器の利便性を向上させることができる。
中空球体２０には、上部及び下部に注水孔２１が設けられているので、中空球体２０の設置後にも、セル８内の水の量を調節することができる。

〔第２の実施形態〕
次に、本発明にかかる地震動抑制用液体貯留容器（貯水槽）の第２の実施形態を、図９（ａ）（ｂ）に基づいて説明する。
ここで、図９（ａ）は本第２実施形態の貯水槽１７を示す断面図、図９（ｂ）は図９（ａ）の平面図である。
ここで、貯水槽１７の全体的な構成は、図８の貯水槽１６と同様であるが、中空体として中空半球体２２を用いている点が図８の貯水槽１６とは異なっている。中空半球体２２は、中空の球体をその中心を通る水平面で切断して上半分を取り除いてできるボウル状の形状をしている。
中空半球体２２の上端部は円形の開口部となっており、ここから水６を注水及び排水することができる。中空半球体２２の下部は、水平仕切り板４の上面に固定されている。
その他の構成は、図９に示すように、前述した第１実施形態（図８の場合）と同一となっている。

このため、貯水槽１７の各セル８の固有振動数は、中空半球体２２の水面位置の内径（図９（ａ）のＤ２）を、数式２のＤとして算出することができる。

又、本第２実施形態の貯水槽１７（図９）の基本的構造は、図８の貯水槽１６と同様であるから、この貯水槽１７は、図８の貯水槽１６と同様の効果を奏する。
また、中空半球体２２は、中空の球体を半分に分割することにより製造することができるから、中空体を容易に製造することができる。

〔第３の実施形態〕
次に、本発明にかかる地震動抑制用液体貯留容器（貯水槽）の第３実施形態を、図１０（ａ）（ｂ）に基づいて説明する。
ここで、図１０（ａ）は本第３実施形態の貯水槽１８を示す断面図、図１０（ｂ）は図１０（ａ）の平面図である。
この図１０に示す貯水槽１８は、地盤等の上に設置された底板５を備え、底板の外周には鉛直方向の外壁３が設けられている。底板５と外壁３により形成された内部空間１１には、水７が蓄えられている。
外壁３の内の一方の対向する二面３ａと３ｂの内周には支持板２６が底板５から直立して設けられ、その上面に両端部が固定される形で中空円筒体２３が配置されている。内部空間１１の上部１１ａは、中空円筒体２３の内部空間により形成された複数のセル８に分割されている。
また、中空円筒体２３は、軸方向の長さが異なる中空円筒体２３ａと中空円筒体２３ｂがあり、それらが交互に、互いに接触するように、また、水面６全体を覆うように配置されている。
中空円筒体２３ａは、軸方向の長さが貯水槽１８の内幅（図１０（ｂ）のＬ２）に等しく、端面２５が外壁３に密着するように配置されている。又、中空円筒体２３ｂは、軸方向の長さがＬ２よりもやや短く、端面２５と外壁３との間に空隙２４ができるように配置されている。水７は、この空隙２４により上部１１ａと下部１１ｂとの間を流通することができる。

このように構成された本第３実施形態にかかつ貯水槽（地震動抑制用液体貯留容器）１８によれば、内部空間を複数のセル８に分割しない場合に比べ、貯水槽１８内に貯留されている水の固有振動数を小さくすることができる。
そのため、長周期の地震動によるスロッシングの発生を防止し、貯留されている液体の漏出を防止することができる。
又、中空円筒体２３は、内部空間１０の上部１１ａにのみ配置されているので、中空体の下部には連続した大きな内部空間１１ｂを確保することができる。
更に、セルを形成するための中空体として、パイプ材として広く用いられ安価に製造することができるものを採用することができる。また、支持板２６を備えているので中空円筒体２３を強固に固定することができる。
また、中空円筒体２３ｂは、外壁３との間に空隙２４を生じるように配置されているので、上部１１ａと下部１１ｂの間の水７の流通を確保することができる。そのため、貯水槽の利便性を向上させることができる。

本発明に係る地震動抑制用液体貯留容器の近接領域にある貯水槽（その１）を示す図で、図１（ａ）はその断面図、図１（ｂ）は図１（ａ）の平面図である。図１にかかる貯水槽（その１）に係る固有周期についての計算結果を示す図表である。図２に開示した図表（固有周期の計算結果）を示すグラフである。本発明に係る地震動抑制用液体貯留容器の近接領域にある貯水槽（その２）を示す図で、図４（ａ）はその断面図、図４（ｂ）は図４（ａ）の平面図である。本発明に係る地震動抑制用液体貯留容器の近接領域にある貯水槽（その３）を示す図で、図５（ａ）はその断面図、図５（ｂ）は図５（ａ）の平面図である。上記貯水槽（その１乃至３）にあって、貯水槽の形状を円筒形とした場合の例を示す平面図である。上記貯水槽（その１乃至３）にあって、貯水槽の形状を円筒形とした場合の固有周期の計算結果を示すグラフである。本発明に係る地震動抑制用液体貯留容器（貯水槽）の第１実施形態を示す図で、図８（ａ）はその断面図、図８（ｂ）は図８（ａ）の平面図、図８（ｃ）は図８（ｂ）の一部を成す貯水槽の拡大部分平面図である。本発明に係る地震動抑制用液体貯留容器（貯水槽）の第２実施形態を示す図で、図９（ａ）はその断面図、図９（ｂ）は図９（ａ）の平面図である。本発明に係る地震動抑制用液体貯留容器（貯水槽）の第３実施形態を示す図で、図１０（ａ）はその断面図、図１０（ｂ）は図１０（ａ）の平面図である。

３，３ａ，３ｂ外壁
４水平仕切り板
５底板
６水面
７水
８セル
９受け台
１０開口部
１１内部空間
１６，１７，１８貯水槽
２０中空球体
２１孔
２２中空半球体
２３中空円筒体
２４空隙
２５端面
２６支持板

Claims

液体を貯留する液体貯留容器において、
前記液体を貯留する内部空間の上部に固定され、前記内部空間の上部を複数のセルに分割する複数の中空体を敷設したことを特徴とする地震動抑制用液体貯留容器。
請求項１に記載の液体貯留容器において、
前記各中空体の外形を円筒形とすると共にし、その両端部を下方から固着し支持する支持板を設けると共に、
この支持板が、前記内部空間を構成する外壁の内側に沿って直立するように設けられていることを特徴とする地震動抑制用液体貯留容器。
請求項２に記載の液体貯留容器において、
前記各中空体の一部が、その端部と前記外壁との間に空隙が生じるように配置されていることを特徴とする地震動抑制用液体貯留容器。
請求項１に記載の液体貯留容器において、
前記内部空間を水平方向に分割する水平仕切り板を備えると共に、
前記各中空体の外形を球形とし、当該各中空体の下端部が前記水平仕切り板の上面に固定されており、
前記水平仕切り板には、複数の開口部が設けられていることを特徴とした地震動抑制用液体貯留容器。
請求項４に記載の液体貯留容器において、
前記球形の各中空体に代えて、上側部分が開口された凹状半球体を使用したことを特徴とする地震動抑制用液体貯留容器。
請求項１乃至５の何れか一つに記載の液体貯留容器において、
前記中空体には、その内部に対して前記液体を注入し又は排出するための孔が設けられていることを特徴とする地震動抑制用液体貯留容器。