JP2015096744A - 保護構造物 - Google Patents

Abstract

【課題】飛来物が衝突した際の衝撃力を吸収することができる保護構造物を提供することを目的とする。【解決手段】断面円形の筒状部材を複数有する筒状部１０を備えており、複数の筒状部材は、その中心軸が互いに平行となり、内方に位置する筒状部材の外面と外方に位置する筒状部材の内面との間に隙間が形成されるように、互いに入れ子状態となるように配設されていることを特徴とする。飛来物が軸方向から衝突するように筒状部１０を建造物等に設置すれば、筒状部１０に飛来物が衝突した際に、筒状部１０の複数の筒状部材が蛇腹状に変形して飛来物の衝突エネルギーを吸収する。したがって、飛来物が建造物等に衝突しても、建造物等の本体が損傷することを防ぐことができ、建造物等に加わる力も軽減することができる。しかも、筒状部材の組み合わせを調整すれば、建造物等や想定される飛来物に合わせて、吸収できる衝突エネルギーを調整できる。【選択図】図１

Description

本発明は、保護構造物に関する。さらに詳しくは、ビルや倉庫、重油タンク、給水タンクなどの建造物などを外部からの衝撃から保護するために使用される保護構造物に関する。

日本では、例年、台風の接近や上陸に伴って強風が発生し、この強風により建造物や樹木の倒壊などの被害が生じている。
しかし、台風による強風は、最大風速が６０ｍ／ｓ以上となる場合があるものの、この程度の強風では、家屋や樹木の倒壊は生じても、倒壊した建造物の構造物（例えば鉄骨等）の重量物を飛散させるだけのエネルギーは無い。
このため、従来、日本における強風対策は、防風林等により建造物に吹き付ける風を弱めたり、建造物の強度を高くして風圧による倒壊を防止したりすることが主流であった。

一方、竜巻が発生した場合、台風以上のエネルギーを有する場合があり、その風速が７０ｍ／ｓ以上（Ｆ３以上の竜巻）となれば、倒壊した建造物の構造物や自動車が飛散する可能性がある。アメリカ等では、毎年、大型の竜巻が発生しており、大型の竜巻により飛散した建造物などによる大きな被害が発生している。

日本でも竜巻の発生は見られるものの、これまで発生していた竜巻は比較的規模が小さいこともあり、竜巻に対する特別な対策は講じられていないのが実情である。

しかし、近年、日本でも大型の竜巻が発生するようになり、竜巻による大きな被害が発生している。例えば、竜巻によって建造物の構造物（例えば屋根や壁材）や自動車等が巻き上げられ、その構造物や自動車等が建造物に衝突して建造物が倒壊したり損傷したりする災害が発生している。このため、日本でも、大型の竜巻が発生し建造物の構造物等が飛散した場合において、飛散した構造物等（以下飛来物という）が建造物などに衝突して建造物倒壊や破損等の被害を防止する対策が必要となってきている。

かかる対策として、飛来物が建造物等に衝突することを防ぐことが考えられる。例えば、建造物等の周囲に落石防止用ネットなどを設けて、この落石防止用ネットによって飛来物を受け止めて、飛来物が建造物等に衝突することを防ぐ方法が考えられる。

この方法の場合、飛来物が建造物等に衝突することを直接防止するので、建造物等を保護する効果が高いものの、落石防止用ネットが建造物等を使用する際の邪魔になる可能性がある。また、建造物等が重油タンク等であれば、消防法の規定から、建造物等の周囲に落石防止用ネットを設けることはできない。

一方、建造物等に、飛来物が衝突した際の衝撃力を吸収する構造物を設ければ、建造物等に飛来物が衝突しても、建造物等の損傷を最小限に抑えることができると考える。
しかし、現状では、上述したような構造物、つまり、飛来物が衝突した際の衝撃力を吸収する構造物であって建造物等に設置される構造物は開発されていない。

ところで、自動車などでは、衝突時の衝撃力を吸収する技術が多数開発されている（例えば、特許文献１〜４）。
特許文献１〜４などには、筒状の構造物に対して軸方向からの荷重を加えた場合、筒状の構造物が蛇腹状に変形する現象（非特許文献１参照）を利用して、衝突時の衝撃力を吸収する技術が開示されている。

特開２００９−９６２６１号公報 特開２０１１−１１１１１３号公報 特開２０１２−３５７７１号公報 特開２０１３−８７８８０号公報

三石洋之、"薄肉構造部材の軸圧潰時におけるエネルギー吸収特性"、自動車研究、第２０巻第１１号２７〜３２頁

しかるに、特許文献１〜４の技術は、自動車同士または自動車と壁面などの衝突を想定したものであり、鋼材のように貫通力の高い飛来物が建造物等に衝突する場合における衝撃吸収は想定していない。
つまり、特許文献１〜４の技術を鋼材のように貫通力の高い飛来物が建造物等に衝突した際の衝撃力を吸収する構造物として採用したとしても、飛来物が衝突する際の衝撃力を吸収することは到底不可能である。

上述したように、貫通力の高い飛来物が衝突した際の衝撃力を吸収する構造物であって建造物等に設置されるものは現在のところ開発されておらず、かかる構造物の開発が望まれている。

本発明は上記事情に鑑み、飛来物が衝突した際の衝撃力を吸収することができる保護構造物を提供することを目的とする。

第１発明の保護構造物は、断面円形の筒状部材を複数有する筒状部を備えており、該複数の筒状部材は、その中心軸が互いに平行となりかつ内方に位置する筒状部材の外面と外方に位置する筒状部材の内面との間に隙間が形成されるように、互いに入れ子状態となるように配設されていることを特徴とする。
第２発明の保護構造物は、第１発明において、前記筒状部は、長さの異なる複数の筒状部材から構成されていることを特徴とする。
第３発明の保護構造物は、第１または第２発明において、前記複数の筒状部材は、内方に位置する筒状部材の外面と外方に位置する筒状部材の内面との間の隙間が、該軸方向から前記筒状部材を圧縮する力が加わり前記複数の筒状部材が蛇腹状に変形した際に、内方に位置する筒状部材の外面と外方に位置する筒状部材の内面とが非接触状態に保たれるように配設されていることを特徴とする。
第４発明の保護構造物は、第１、第２または第３発明において、前記筒状部を複数備えており、前記複数の筒状部の一端が連結された基礎部材および／または前記複数の筒状部の他端が連結された外面部材、を備えていることを特徴とする。
第５発明の保護構造物は、第１、第２、第３または第４発明において、前記筒状部が、一対の筒状部材から形成されており、外方に位置する外側筒状部材は、外径が８０ｍｍ、内径が７２〜７４ｍｍのアルミパイプであり、内方に位置する内側筒状部材は、外径が５０ｍｍ、内径が４４〜４６ｍｍのアルミパイプであることを特徴とする。

第１発明によれば、飛来物が軸方向から衝突するように筒状部を建造物等に設置すれば、筒状部に飛来物が衝突した際に、筒状部の複数の筒状部材が蛇腹状に変形して飛来物の衝突エネルギーを吸収する。したがって、飛来物が建造物等に衝突しても、建造物等の本体が損傷することを防ぐことができ、建造物等に加わる力も軽減することができる。しかも、筒状部を複数の筒状部材で形成しているので、筒状部材の組み合わせを調整すれば、建造物等や想定される飛来物に合わせて、吸収できる衝突エネルギーを調整できる。
第２発明によれば、衝突初期の荷重ピークを低く抑えることができるので、建造物等に加わる力を軽減する効果を高くすることができる。
第３発明によれば、複数の筒状部材が蛇腹状に変形した際に、各筒状部材をスムースに変形させることができるので、衝突エネルギーを吸収する効率を高くすることができる。
第４発明によれば、基礎部材および／または外面部材によって複数の筒状部が保持されているので、保護構造物の設置が容易になる。また、外面部材を設ければ、飛来物が衝突した際のエネルギーを分散して複数の筒状部に吸収させることができる。すると、各筒状部の衝突エネルギー吸収能力を低くできるので、保護構造物を小型軽量にすることができる。
第５発明によれば、保護構造物がなければ建造物等に加わる衝撃力が３０Ｇ程度のところ、保護構造物を設置することにより建造物等に加わる衝撃力を２Ｇ以下まで低減することができる。したがって、風速１００ｍ／ｓ程度の竜巻により飛来物が建造物等に衝突しても、建造物等の損傷を抑制することができる。

本実施形態の保護構造物１における筒状部１０の概略説明図であり、（Ａ）は平面図であり、（Ｂ）は側面図であり、（Ｃ）は軸圧潰後の概略側面図である。 本実施形態の保護構造物１における筒状部１０の軸圧潰状況の概略説明図であり、（Ａ）は筒状部１０に荷重Ｆが加わった初期の概略断面図であり、（Ｂ）は筒状部１０が軸圧潰した後の概略断面図であり、（Ｃ）は軸圧潰した後の筒状部１０の概略平面図である。 （Ａ）は本実施形態の保護構造物１を設けた重油タンクＴの概略外観図であり、（Ｂ）は（Ａ）のＢ−Ｂ線概略断面図である。 （Ａ）は本実施形態の保護構造物１を設けた重油タンクＴの概略縦断面図あり、（Ｂ）は（Ａ）の要部概略拡大図である。 内側筒状部材１２が外側筒状部材１１よりも軸長が短い場合において、保護構造物１に荷重Ｆが加わった状況の概略説明図である。 （Ａ）、（Ｂ）はスペーサー１５を設けた筒状部１０の概略説明図であり、（Ｃ）、（Ｄ）は内側筒状部材１２が偏心した状態の筒状部１０の概略説明図である。 本実施形態の保護構造物１を利用した防護プレート２０の概略説明図であり、（Ａ）は概略斜視図であり、（Ｂ）は概略拡大断面図である。 （Ａ）は実施例の実験装置の写真であり、（Ｂ）は筒状部を圧縮する状況を示した写真である。 実施例の実験結果を示したグラフである。 実施例の実験結果を示したグラフである。 実施例の実験結果を示したグラフである。 実施例の実験結果を示したグラフである。

本発明の保護構造物は、火力発電所や原子力発電所、製造プラントなどにおける建造物の壁面等に設置されるものであり、飛来物などが建造物の壁面等に衝突した際に、その衝撃を吸収して建造物の損傷を防ぐものである。

なお、本発明の保護構造物が取り付けられる建造物等はとくに限定されない。例えば、鉄骨造建屋の鉄骨表面部や鉄筋コンクリート建屋壁面表面などを挙げることができる。とくに、重油などの可燃性燃料を収納するタンクなどのように、消防法の規定などにより、建造物等の周囲に落石防止用ネットなどの防護構造物を設けることできない建造物等に適している。

以下では、本発明の保護構造物が取り付けられる建造物が重油タンクの場合を代表として説明する。

（本実施形態の保護構造物１）
図３および図４において、符号Ｔは、本実施形態の保護構造物１を設置した重油タンクを示している。この重油タンクＴは、筒状の本体部ＴＢと、本体部ＴＢの両端に設けられた一対の鏡板ＴＭ，ＴＭとから構成されている。
そして、図３および図４に示すように、重油タンクＴには、本体部ＴＢの表面（下部を除いた部分）および一対の鏡板ＴＭ，ＴＭの表面に、本実施形態の保護構造物１が設けられている。以下では、本実施形態の保護構造物１が設けられる表面、つまり、本体部ＴＢの表面および一対の鏡板ＴＭ，ＴＭの表面を、単に設置面という。

なお、図３および図４では、本体部ＴＢの表面下部には本実施形態の保護構造物１が設けられていないが（図３（Ｂ）参照）、もちろん、本体部ＴＢの表面下部にも本実施形態の保護構造物１を設けてもよい。しかし、本体部ＴＢの表面下部は、重油タンクＴを土台Ｂに固定する脚ＢＭが設けられるので保護構造物１を設置しにくく、また、その前面（外方）には、通常、鉄筋コンクリート製の防油堤が設けられており、飛散物が衝突する可能性が低いと考えられる。したがって、重油タンクＴを設置する場所の立地条件などを考慮して、本体部ＴＢの表面下部に、適宜、本実施形態の保護構造物１を取り付ければよい。

（保護構造物１）
図３および図４に示すように、本実施形態の保護構造物１は、基礎部材２と、外面部材３と、複数の筒状部１０と、を備えている。

（基礎部材２および外面部材３）
基礎部材２は設置面に固定される板状の部材であり、その形状が設置面と同じ形状となるように形成されている。同じ形状とは、設置面が上述した本体部ＴＢの表面や一対の鏡板ＴＭ，ＴＭの表面は曲面の場合、保護構造物１を設置面に設置したときに、基礎部材２の表面が設置面と略平行曲面となる形状を意味している。

外面部材３も板状の部材であり、その形状は基礎部材２と同じ形状となるように形成されている。つまり、外面部材３は、その表面が基礎部材２の表面と平行曲面となるように形成されている。言い換えれば、外面部材３は、保護構造物１を設置面に設置したときに、その表面が設置面と平行曲面となる形状に形成されているのである。

（筒状部１０）
そして、基礎部材２と外面部材３との間には、複数の筒状部１０が設けられている。この複数の筒状部１０は、その軸方向の一端（基端）が基礎部材２の外面（設置面と対向する面と逆側の面）に連結されており、その軸方向の他端（先端）が外面部材３の内面（基礎部材２と対向する面）に連結されている。言い換えれば、基礎部材２と外面部材３は、複数の筒状部１０によって互いに連結されているのである。

図１に示すように、各筒状部１０は、断面円形に形成された中空な外側筒状部材１１と、断面円形に形成された中空な内側筒状部材１２と、から構成されている。各筒状部１０は、外側筒状部材１１と内側筒状部材１２が互いに入れ子状態となるように配設されている。具体的には、各筒状部１０は、外側筒状部材１１の中空な空間内に、内側筒状部材１２が外側筒状部材１１と同軸となるように配設されている。つまり、各筒状部１０は、外側筒状部材１１と内側筒状部材１２によって、断面形状が同心円状となるように形成された二重管となっているのである。

そして、各筒状部１０は、その軸方向が基礎部材２の表面の法線方向（言い換えれば外面部材３内面の法線ｎｖ方向）と一致するように配設されており、しかも、隣接する筒状部１０同士の間隔がほぼ同じ距離となるように配列されている。例えば、基礎部材２の表面の法線ｎｖ方向から見たときに、複数の筒状部１０は、格子状や千鳥状に配列されているのである。

本実施形態の保護構造物１は、以上のごとき構成を有しているので、保護構造物１を重油タンクＴの設置面に設けておけば、飛来物が重油タンクＴに向かって飛来してきても、以下の理由により、重油タンクＴに加わる力を軽減でき、重油タンクＴの損傷を防ぐことができる。

まず、本実施形態の保護構造物１を重油タンクＴの設置面に設ければ、重油タンクＴの表面が保護構造物１によって覆われ、外面部材３が最外面に位置するようになる。この重油タンクＴに向かって飛来物が飛来してきても、飛来物はまず保護構造物１の外面部材３に衝突する状況となる。飛来物が外面部材３に衝突すると、外面部材３には衝突エネルギーが加わり、外面部材３を変形させる力および外面部材３を重油タンクＴに向かって移動させようとする力が発生する。

一方、保護構造物１では、外面部材３の内側に複数の筒状部１０が設けられているので、外面部材３に加わる上記力は、飛来物が外面部材３に衝突した位置近傍の筒状部１０（以下被加圧筒状部１０という）に加わることとなる。このとき、複数の筒状部１０は、その軸方向が外面部材３内面の法線方向と一致するように設けられているので、上記力は、主として、被加圧筒状部１０の軸方向から被加圧筒状部１０を軸方向に沿って圧縮するように加わる。

すると、被加圧筒状部１０の軸方向から加わる力の大きさが、被加圧筒状部１０に軸圧潰を生じさせる力（座屈を生じさせる力）以上となると、筒状部１０の外側筒状部材１１および内側筒状部材１２は軸圧潰を生じる（図２（Ａ）参照）。すると、外側筒状部材１１と内側筒状部材１２は座屈を繰り返しながら蛇腹状に折りたたまれて軸方向の長さが短くなるように変形する（図１（Ｃ）、図２（Ｂ）参照）。つまり、被加圧筒状部１０に加わるエネルギーは、外側筒状部材１１と内側筒状部材１２が軸圧潰する際に被加圧筒状部１０に吸収されるので、飛来物が外面部材３に衝突した際の衝突エネルギーは被加圧筒状部１０によって吸収されることになる。

以上のごとく、本実施形態の保護構造物１を設けた場合、飛来物が重油タンクＴに向かって飛来してきても、保護構造物１の被加圧筒状部１０の変形によって衝突エネルギーを吸収できるので、重油タンクＴに加わる力を軽減でき、重油タンクＴの損傷を防ぐことができるのである。

しかも、本実施形態の保護構造物１は、筒状部１０を複数の筒状部材（上記例では一対の筒状部材１２，１３）によって形成しているので、単に筒状部材を衝撃吸収材として使用した場合に比べて、衝撃吸収効果を改善することができる。例えば、一対の筒状部材１２，１３の合計板厚と同じ板厚の筒状部材（単管）を使用した場合に比べて、一対の筒状部材１２，１３からなる筒状部１０を有する本実施形態の保護構造物１は、衝撃吸収効果を改善することができるのである。つまり、本実施形態の保護構造物１は、筒状部１０を複数の筒状部材が入れ子状態となるように形成しただけであるが、単純に筒状部材（単管）を衝撃吸収材として使用する場合に比べて、衝撃吸収効果を改善することができるのである。
なお、本明細書において、合計板厚とは、筒状部１０を構成する全ての筒状部材の板厚を足しあわせたものを意味している。

例えば、約１００ｋｇの鉄骨材が風速１００ｍ/ｓクラスの竜巻の風によって飛来物として衝突する場合を考えると、この場合、飛来物が建造物等に衝突する際の衝突力は３０Ｇ程度になる。
かかる場合に、外径８０ｍｍかつ板厚か５〜７ｍｍのアルミ製のパイプ（単管、長さ１７０ｍｍ）を衝撃吸収部材として使用した場合には、重油タンクＴに加わる衝撃力を２Ｇ以下に低減することはできない。
一方、被加圧筒状部１０の内側筒状部材１２として、アルミ製のパイプ（外径５０ｍｍ、内径４４〜４６ｍｍ（板厚ｔ＝２〜３ｍｍ）、長さ１７０ｍｍ）のものを使用し、外側筒状部材１１として、アルミ製のパイプ（外径８０ｍｍ、内径７２〜７４ｍｍ（板厚ｔ＝３〜４ｍｍ）、長さ１７０ｍｍ）のものを使用する。すると、被加圧筒状部１０の合計板厚は上記単管と同じであっても、衝突エネルギーを保護構造物１で吸収し、重油タンクＴに加わる衝突力を２Ｇ以下程度まで低減することができる。

そして、筒状部１０を複数の筒状部材が入れ子状態となるように形成した場合、蛇腹状に軸圧潰する際に、筒状部材（単管）の場合に比べて、荷重変動の幅を小さくできる（図９（Ｂ）参照）。上記のごとき筒状部１０を設計する場合、筒状部１０の変形（軸圧潰）の際の荷重変動（つまり吸収性能）を数値計算により確認するが、かかる数値計算では、通常、変形（軸圧潰）過程における荷重は一定値となるものとして仮定して数値計算が実施される。このため、軸圧潰の際の荷重変動の幅が小さくなれば（荷重変動がなめらかになれば）、実機と数値計算の結果（設計）との差を小さくできる。つまり、筒状部１０を複数の筒状部材が入れ子状態となるように形成した場合、筒状部材（単管）の場合に比べて荷重変動の幅が小さくなるので、実機における筒状部１０の性能を設計段階でより精度よく評価できる。言い換えれば、筒状部１０を複数の筒状部材が入れ子状態となるように形成した場合には、筒状部１０をより設計に近い性能のものとすることができるので、筒状部１０に所望の性能を発揮させることができるという利点も得られる。

（内側筒状部材１２と外側筒状部材１１の配置）
なお、内側筒状部材１２および外側筒状部材１１は、その外径（内径）や板厚はとくに限定されず、内側筒状部材１２を外側筒状部材１１内に配置したときに、両者間にある程度の隙間ができるように配設できればよい。両者間にある程度の隙間ができるとは、外側筒状部材１１と内側筒状部材１２が蛇腹状に変形できる程度の隙間を意味している。つまり、「両者間にある程度の隙間」が形成されている場合は、上述したように、内側筒状部材１２と外側筒状部材１１が同軸となるように配置され、内側筒状部材１２の外面と外側筒状部材１１の内面との間に均等な隙間が形成されるようになっている場合に限られない。

例えば、内側筒状部材１２の外面と外側筒状部材１１の内面は接触していないが、周方向の位置によって隙間の大きさが異なる状態も、「両者間にある程度の隙間」が形成されている場合に該当する。また、内側筒状部材１２の外面と外側筒状部材１１の内面の一部が接触していても、両者が接触していない部分（隙間）が形成されており、内側筒状部材１２が蛇腹状に変形できるのであれば、その状態も本明細書における「両者間にある程度の隙間」が形成されている場合に該当する（図６（Ｃ）、（Ｄ）参照）。

なお、内側筒状部材１２と外側筒状部材１１は、両者間の隙間が、内側筒状部材１２および外側筒状部材１１が軸圧潰したときに、両者が接触しない程度の隙間となるように配設されていることが望ましい。つまり、内側筒状部材１２および外側筒状部材１１が軸圧潰しても、内側筒状部材１２の外面と外側筒状部材１１の内面が非接触状態に保たれる程度の隙間となるように、外側筒状部材１１内に内側筒状部材１２が配設されていることが望ましい（図１（Ｃ）、図２（Ｂ）、（Ｃ）参照）。すると、内側筒状部材１２と外側筒状部材１１が軸圧潰した際に、両者ともスムースに変形させることができるので、衝突エネルギーを吸収する効率を高くすることができるという利点が得られる。

また、内側筒状部材１２と外側筒状部材１１の相対的な位置を保っておくため、または、内側筒状部材１２と外側筒状部材１１の相対的な位置を正確に位置決めするために、内側筒状部材１２と外側筒状部材１１の間の隙間にスペーサーを設けてもよい。かかるスペーサーを設ければ、筒状部１０を複数設けた場合に、どの筒状部１０もほぼ状態とできるので、どの筒状部１０もほぼ状況で軸圧潰させることができる。そして、スペーサーを設ければ、筒状部１０を設置する際に、内側筒状部材１２と外側筒状部材１１の相対的な位置がズレることを防ぐことができるので、筒状部１０の設置作業が行い易くなるという利点も得られる。かかるスペーサーの形状などはとくに限定されず、内側筒状部材１２と外側筒状部材１１が軸圧潰する邪魔とならなければよい。例えば、薄い波板を内側筒状部材１２と外側筒状部材１１の間に配置して、スペーサー１５とすることができる（図６（Ａ）、（Ｂ）参照）。この場合、スペーサー１５を設ける位置はとくに限定されず、図６（Ａ）、（Ｂ）に示すように、スペーサー１５を３箇所設けてもよいし、上下方向の中間のスペーサー１５ｂだけを設けたり、上下の二箇所のスペーサー１５ａ，ｃだけを設けたりしてもよい。

（筒状部１０の材料について）
なお、筒状部１０の内側筒状部材１２および外側筒状部材１１は、中空な円筒状の部材であって、軸方向から加圧された際に軸圧潰して蛇腹状に変形するものであればよく、とくに限定されない。例えば、上述したようなアルミ製のパイプや鋼管、ステンレス管を、内側筒状部材１２および外側筒状部材１１として使用することができる。

とくに、内側筒状部材１２や外側筒状部材１１として、市販のアルミ製のパイプを使用すれば、安価かつ迅速に保護構造物１を重油タンクＴ等に設置できるという利点も得られる。例えば、重油タンクＴに保護構造物１を設ける場合には、上述した性能（３０Ｇの衝突力を２Ｇ程度以下に低減する性能）を維持するには、筒状部１０を４万本程度設けなければならない。すると、市販品以外のもの（特注品など）を使用した場合、製品の納期が非常に長くなり、また、製品のコストも非常に高くなる。しかし、市販のアルミ製のパイプなどを使用すれば、入手が容易でありしかも安価に入手できるので、安価かつ迅速に保護構造物１を重油タンクＴ等に設置できる。

また、上記例では、筒状部１０の内側筒状部材１２と外側筒状部材１１は、内径以外は同じものを使用しているが、内径以外（例えば素材や板厚など）が異なるものを使用してもよい。

（軸長変更）
また、重油タンクＴに加わる衝突力を低減する上では、内側筒状部材１２と外側筒状部材１１の長さが異なるものとするほうが望ましい。

飛来物が保護構造物１に衝突した際において、飛来物が保護構造物１に衝突した後、被加圧筒状部１０が変形を開始する前（変形前期間）の期間は、被加圧筒状部１０は剛体のように機能するので、保護構造物１に加わった力は、被加圧筒状部１０を介してそのまま重油タンクＴに加わる。そして、変形前期間は、飛来物から保護構造物１に加わる力が増加するので、重油タンクＴに加わる力も増加する（図９参照）。とくに、変形前期間の終了直前は、通常、変形前期間と被加圧筒状部１０が蛇腹状に変形している期間（変形期間）を含めて最大の力が重油タンクＴに加わる。したがって、飛来物が保護構造物１に衝突したのち、できるだけ低い荷重で被加圧筒状部１０が変形を開始するようになっていることが望ましい。

上述したように、内側筒状部材１２と外側筒状部材１１の長さを異なるものとすれば、飛来物が保護構造物１に衝突した際には、一方の筒状部材だけに力が加わる。すると、筒状部材の変形を低い荷重で開始させることができるので、変形前期間に重油タンクＴに加わる力を小さくすることができ、この期間に重油タンクＴが損傷することを防ぐことができる。

例えば、図５に示すように、外側筒状部材１１を内側筒状部材１２よりも長くする。この場合、飛来物が衝撃した際の力Ｆは、まず、外側筒状部材１１にのみ加わる。すると、外側筒状部材１１のみが力Ｆを受けるので、内側筒状部材１２と外側筒状部材１１の両方に力が加わる場合に比べて、小さい力で外側筒状部材１１の軸圧潰が発生する（図５（Ｂ））。したがって、変形前期間において重油タンクＴに加わる力を小さくすることができる。

なお、上記構成（外側筒状部材１１が内側筒状部材１２よりも長い）の場合、外側筒状部材１１が小さい力で変形してしまうので、外側筒状部材１１のみが変形している期間に吸収できる衝突エネルギーは小さい。しかし、外側筒状部材１１が変形して内側筒状部材１２と同じ長さになれば、それ以降は外側筒状部材１１と内側筒状部材１２の両方が変形し、両者の軸圧潰によって衝突エネルギーを吸収できる（図５（Ｃ）参照）。したがって、外側筒状部材１１を内側筒状部材１２よりも長くしても、外側筒状部材１１と内側筒状部材１２とが同じ長さである場合と同等程度の大きさの衝突エネルギーを吸収することができる。

また、上記例では、外側筒状部材１１が内側筒状部材１２よりも長い場合を説明したが、内側筒状部材１２を外側筒状部材１１よりも長くしても、同様の効果を得ることができる。

（配列の他の例）
上記例では、複数の筒状部１０が、保護構造物１の規則的に配列されている場合を説明したが、複数の筒状部１０の配列方法はとくに限定されず、ランダムに配列してもよい。また、保護構造物１の場所によって配列方法や密度を変化させてもよい。この場合、構造物の強度や保護する部分の重要度に合わせて、その部分に適した保護構造物１を形成することができる。例えば、重要度の低い部分や強度の高い部分の表面に設置する保護構造物１では、複数の筒状部１０を設置する密度を低くする（数を減らす）、また、複数の筒状部１０の筒状部材の板厚を薄くする等にすれば、保護構造物１を軽量化できるし製造コストを低減することができる。

（異なる筒状部１０）
また、複数の筒状部１０は、全て同じ構造の筒状部１０を使用する必要はなく、異なる構造の筒状部１０を使用してもよい。重要度の低い部分や強度の高い部分の表面に設置する保護構造物１では、初期荷重に対する変形性を低下させたものを使用してもよい。例えば、内側筒状部材１２や外側筒状部材１１の板厚を厚くすれば、衝突初期における筒状部１０の変形性を低下させる（軸圧潰の開始を遅くする）ことができる。逆に、初期荷重に対する変形性を向上させるのであれば、内側筒状部材１２や外側筒状部材１１の板厚を薄くすれば、衝突初期から軸圧潰を迅速に進めることができる。

（多重管）
また、上記例では、筒状部１０が、内側筒状部材１２と外側筒状部材１１を有する二重管の場合を説明したが、筒状部１０は、筒状部材を３本以上入れ子状態にした多重管としてもよい。この場合でも、筒状部材の本数を調整すれば、保護構造物１を設置する建造物等や想定される飛来物の種類に合わせて、保護構造物１に吸収させる衝突エネルギーを調整できる。また、上述した二重管の場合と同様に、長さの異なる筒状部材を設ければ、衝突初期から軸圧潰を迅速に進めることができる。さらに、各筒状部材の板厚などの組み合わせを調整すれば、保護構造物１を設置する建造物等や想定される飛来物の種類に合わせて、保護構造物１に吸収させる衝突エネルギーを調整できる。

（保護部材１の設置例）
なお、上記例では設置面が曲面の場合を説明したが、設置面が平面の場合であれば、基礎部材２や外面部材３は、その表面が設置面と平行面となるように形成すればよい。

また、基礎部材２や外面部材３は、必ずしもその表面が設置面と平行面や平行曲面となっていなくてもよく、設置対象の形状や周囲の状況に応じて適切な形状とすればよい。例えば、設置対象の近傍に障害物（木や他の構造物）がある場合には、その構造物と接触しないように基礎部材２や外面部材３の形状を調整すればよい。
しかし、基礎部材２や外面部材３の表面が設置面と平行面や平行曲面となるように形成されていれば、設置面への保護構造物１の設置が容易になるし、保護構造物１を設置面に安定した状態で固定することができる。また、衝撃荷重を均等に被保護設備に伝えるという点でも好ましい。

さらに、保護部材１は、他の部材に設置せず、単独で使用してもよい。例えば、複数の保護部材１を、基礎部材２と外面部材３によって平面が形成されるように並べて板状や箱状の部材を形成すれば、複数の保護部材１からなる防護プレートを形成することができる。

また、基礎部材２と外面部材３を設けずに、筒状部１０を保護部材１として直接対象物の表面に取り付けてもよい。この場合には、基礎部材２や外面部材３を設ける場合に比べて保護部材１を軽量化できるので、保護部材１を設置する建造物等への負担を軽減できるという利点が得られる。

さらに、図７に示すように、中空な箱状の部材２３の中に、保護部材１として筒状部１０だけを収容して防護部材２２を形成してもよい。具体的には、箱状の部材２３の対向する２壁２３ａ，２３ｂの間に、２壁２３ａ，２３ｂの法線方向と筒状部１０の軸方位が平行となるように、複数の筒状部１０を並べて配置する。すると、防護部材２２に対して、２壁２３ａ，２３ｂの法線方向から他の物体が衝突すると、複数の筒状部１０が軸圧潰して、衝突エネルギーを吸収することができる。例えば、図７に示すように、井桁状に形成された枠２１を設け、この枠２１に防護部材２２を取り付ければ、複数の防護部材２２を有する防護プレート２０を形成することができる。かかる防護プレート２０を保護したい壁面などの前に設置すれば、飛散物などの衝突から壁面などを保護することができる。

さらに、筒状部１０と基礎部材２だけ、または、筒状部１０と外面部材３だけで、保護部材１を構成してもよい。筒状部１０と基礎部材２だけで保護部材１を構成した場合には、保護部材１の設置を容易にしつつ軽量化が可能となるという利点が得られる。また、筒状部１０と外面部材３だけで保護部材１を構成した場合には、軽量化しつつ筒状部１０がむき出しの場合に比べてエネルギーを分散して複数の筒状部に吸収させることができるし外観を向上させることができるという利点が得られる。

本発明の保護部材の衝突エネルギー吸収性能を確認するために、保護部材を構成する筒状部に軸方向から荷重を加えた場合における、筒状部の変形と荷重との関係を確認した。

実験では、種々の筒状部を形成し、各筒状部を軸方向から荷重を加えて加圧圧縮して、筒状部の変形（圧縮量）と筒状部に加える荷重との関係を測定した（図８参照）。
実験には、圧縮試験機（島津製作所製：油圧式ＲＨ竪型）に筒状部を取り付けて、圧縮荷重を加えた。圧縮試験中の圧縮量および荷重は、圧縮試験機に設けられているロードセル及びダイヤルゲージによって測定した。

試験は、以下の４通りの試験を行った。
（１）２重管の挙動を確認する試験
（２）板厚の相違の影響を確認する試験
（３）軸長を変化させた場合の影響を確認する試験
（４）スペーサーの影響を確認する試験

（１）２重管の挙動を確認する試験
筒状部として２重管を使用した場合において、軸方向から荷重を加えて加圧圧縮した場合における圧縮量および荷重の変化を比較した。

筒状部は、アルミ製のパイプ（外径８０ｍｍ、板厚３ｍｍ、長さ１７０ｍｍ）内に、アルミ製のパイプ（外径５０ｍｍ、板厚３ｍｍ、長さ１７０ｍｍ）を入れて２重管（合計板厚６ｍｍ）としたもの（実施例１）と、アルミ製のパイプ（外径８０ｍｍ、板厚３ｍｍ、長さ１７０ｍｍ）内に、アルミ製のパイプ（外径５０ｍｍ、板厚２ｍｍ、長さ１７０ｍｍ）を入れて２重管（合計板厚５ｍｍ）としたもの（実施例２）を使用した。
比較対象となる１重管には、アルミ製のパイプ（外径８０ｍｍ、板厚５ｍｍ、長さ１７０ｍｍ、比較例１）のものと、アルミ製のパイプ（外径８０ｍｍ、板厚４ｍｍ、長さ１７０ｍｍ、比較例２）のものを使用した。

図９（Ａ）に結果を示す。
なお、いずれの場合も圧縮量１１０ｍｍ以降に荷重が急激に増加しているのは、それ以上圧縮できない状況（図１（Ｃ）の状態）となったからである。

図９（Ａ）に示すように、実施例１および比較例１、２とも、圧縮量の増加に伴って、荷重が波形に変動することが確認できる。そして、実施例１は、ピークの荷重が、比較例１、２の間の大きさとなるように変動している。
実施例１のパイプは、個々のパイプの厚さが比較例１，２よりも薄いが合計の厚さが比較例１，２よりも厚いことを考慮すれば、上記結果は、パイプの組み合わせを調整すれば、荷重に対する所望の挙動を示す筒状部を形成できる可能性があることを示していると考えられる。

また、図９（Ｂ）に示すように、実施例２の合計板厚と比較例１の板厚は同じであるが、その挙動は異なっている。
まず、最初のピークの荷重は、実施例２の方が若干小さくまた早期に座屈を開始している。つまり、合計板厚が同じであれば、単管パイプに比べて、多重管は、初期荷重に対する衝撃吸収性能が高いことが確認できる。
つぎに、最初のピーク後の挙動を比較すると、比較例１に比べて実施例２は変動周期が短い。しかも、各周期の山となる部分の荷重は、実施例２は、比較例１のピーク荷重に比べて２０〜３０％程度小さくなっている。しかも、比較例１では、各周期の山となる部分の荷重が最初のピークの荷重と同程度であるのに対し、実施例２では、各周期の山となる部分の荷重が最初のピークの荷重よりも３０〜４０％程度小さくなっている。このことから、座屈が生じた後、蛇腹状に変形していく過程において、合計板厚が同じであれば、単管パイプに比べて、多重管は、小さくかつなめらかな荷重変動で衝撃を吸収していることが確認できる。
そして、最終的な圧縮量では、比較例１に比べて実施例２は１５ｍｍ以上大きく圧縮されている。つまり、合計板厚が同じであれば、多重管は、トータルでの衝撃吸収量が大きくなることが確認できる。

以上のように、合計板厚と同じ板厚を有する単管パイプに比べて、多重管では、総合的に衝撃吸収性能が高いことが確認できる。

（２）板厚の相違の影響を確認する試験
筒状部として２重管を使用した場合であって、各管の板厚が衝撃吸収に与える影響を確認した。実験では、２つの管の合計板厚を同じにして、各管の板厚を変化させて比較した。

以下の実施例３、４では、合計板厚が６ｍｍとなるように調整した。
筒状部（実施例３）は、アルミ製のパイプ（外径８０ｍｍ、板厚３ｍｍ、長さ１７０ｍｍ）内に、アルミ製のパイプ（外径５０ｍｍ、板厚３ｍｍ、長さ１７０ｍｍ）を入れて２重管としたものを使用した。
筒状部（実施例４）は、アルミ製のパイプ（外径８０ｍｍ、板厚４ｍｍ、長さ１７０ｍｍ）内に、アルミ製のパイプ（外径５０ｍｍ、板厚２ｍｍ、長さ１７０ｍｍ）を入れて２重管としたものを使用した。

以下の実施例５、６では、合計板厚が７ｍｍとなるように調整した。
筒状部（実施例５）は、アルミ製のパイプ（外径８０ｍｍ、板厚４ｍｍ、長さ１７０ｍｍ）内に、アルミ製のパイプ（外径５０ｍｍ、板厚３ｍｍ、長さ１７０ｍｍ）を入れて２重管としたものを使用した。
筒状部（実施例６）は、アルミ製のパイプ（外径８０ｍｍ、板厚５ｍｍ、長さ１７０ｍｍ）内に、アルミ製のパイプ（外径５０ｍｍ、板厚２ｍｍ、長さ１７０ｍｍ）を入れて２重管としたものを使用した。

図１０（Ａ）、（Ｂ）に結果を示す。

図１０（Ａ）に示すように、実施例３、４は、変動周期や谷となる荷重に差は見られるものの、最初のピーク荷重以降は、ピーク荷重はほぼ同じであり、近似した挙動を示していることが確認できる。

一方、図１０（Ｂ）に示すように、実施例５、６では、両者間においてピーク荷重に大きな差が生じており、板厚５ｍｍのパイプを使用した実施例６では、実施例５に比べて、全てのピークでピーク荷重が大幅に大きくなっている。また、実施例６では、圧縮量が１０５ｍｍ程度となったときに荷重が急激に増加している。実施例５では、荷重が増加するタイミングが圧縮量１１０ｍｍ以降であることを考慮すると、実施例６では、圧縮できる量も少なくなっていることが確認できる。

以上の結果を考慮すると、組わせるパイプの板厚が同程度であれば、合計板厚を同じにすれば、圧縮したときに近似した挙動を生じることが確認できた。
一方、板厚が厚いパイプ（つまり圧縮荷重に対する強度が高いパイプ）を使用すると、板厚が厚いパイプの性質の影響を強く受けるので、合計板厚が同じでも、圧縮したとき挙動が異なってくることが確認できた。

参考までに、合計板厚が７ｍｍとなるように、筒状部を３重管とした場合の結果を図１１（Ａ）に示す。３重管としても、軸方向の荷重を加えれば荷重が波形に変動し、各パイプは蛇腹状に変形することが確認できる。
一方、合計板厚が同じでも、３重管では、ピーク荷重などが実施例５、６（２重管）と若干相違する。これは、合計板厚を同じにしても、筒状部を構成する管の本数や板厚を調整すれば、荷重に対する所望の挙動を示す筒状部を形成できる可能性があることを示していると考えられる。

（３）軸長を変化させた場合の影響を確認する試験
筒状部として２重管を使用した場合であって、軸長の異なるパイプを使用した場合における衝撃吸収の状況を確認した。

筒状部（実施例７）は、アルミ製のパイプ（外径８０ｍｍ、板厚３ｍｍ、長さ１７０ｍｍ）内に、アルミ製のパイプ（外径５０ｍｍ、板厚３ｍｍ、長さ１６５ｍｍ）を入れて２重管としたものを使用した。つまり、内側の管が短くなったものを使用した。

図１１（Ｂ）に結果を示す。
比較のために、実施例１の結果を同じグラフに記載している。
図１１（Ｂ）に示すように、実施例７では、実施例１に比べて初期のピーク荷重が小さくなっており、パイプの変形が小さい荷重で早く始まっていることが確認できる。
一方、圧縮量が５ｍｍを超えると、それ以降は実施例１と実施例６の挙動はほぼ同じ挙動を示している。

以上の結果より、２重管の軸長を変化させると、荷重が加わった初期における衝撃吸収性能を高くすることができることが確認できた。

（４）スペーサーの影響を確認する試験
２重管とした場合において、横断面における外側の管と内側の管の位置が衝撃吸収の状況に与える影響を確認した。

実験では、実施例１と同じパイプを使用し、波板（板厚０．４ｍｍ）をスペーサーとして外側の管と内側の管の隙間に配置した場合（実施例８、９、図６（Ａ）、（Ｂ）参照）と、内側の管が外側の管に接触するように配置した場合（実施例１０、図６（Ｃ）、（Ｄ）参照）と、について、圧縮した場合の挙動を確認した。
なお、実施例８ではスペーサーはパイプの軸方向の中間に一枚だけ配置し、実施例９ではスペーサーはパイプの軸方向の上下に一枚ずつ（合計２枚）配置した。

図１２に結果を示す。
図１２に示すように、実施例８〜１０は、ほとんど同じ挙動を示していることが確認できる。また、実施例１の挙動（図９（Ａ）参照）と比較しても、ほとんど同じ挙動であることがわかる。

以上の結果より、各管が蛇腹状に変形できるのであれば、外側の管と内側の管の位置やスペーサーは、衝撃吸収性能への影響を小さいことが確認できた。
ただし、実施例１０では、圧縮量が１００ｍｍ以降において、他の実施例に比べて荷重が高くなっているので、内側の管と外側の管が接触している場合には、若干、衝撃吸収性能に影響が生じると推察される。

本発明の保護構造物は、ビルや倉庫、重油タンク、給水タンクなどの建造物の壁面などの設置に適している。

１ 保護構造物
２ 基礎部材
３ 外面部材
１０ 筒状部
１１ 外側筒状部材
１２ 内側筒状部材
１５ スペーサー
２０ 防護プレート
Ｔ 重油タンク

Claims (5)

1. 断面円形の筒状部材を複数有する筒状部を備えており、
   該複数の筒状部材は、
   その中心軸が互いに平行となり、内方に位置する筒状部材の外面と外方に位置する筒状部材の内面との間に隙間が形成されるように、互いに入れ子状態となるように配設されている
   ことを特徴とする保護構造物。
2. 前記筒状部は、
   長さの異なる複数の筒状部材から構成されている。
   ことを特徴とする請求項１記載の保護構造物。
3. 前記複数の筒状部材は、
   内方に位置する筒状部材の外面と外方に位置する筒状部材の内面との間の隙間が、該軸方向から前記筒状部材を圧縮する力が加わり前記複数の筒状部材が蛇腹状に変形した際に、内方に位置する筒状部材の外面と外方に位置する筒状部材の内面とが非接触状態に保たれるように配設されている
   ことを特徴とする請求項１または２記載の保護構造物。
4. 前記筒状部を複数備えており、
   前記複数の筒状部の一端が連結された基礎部材および／または前記複数の筒状部の他端が連結された外面部材、を備えている
   ことを特徴とする請求項１、２または３記載の保護構造物。
5. 前記筒状部が、一対の筒状部材から形成されており、
   外方に位置する外側筒状部材は、外径が８０ｍｍ、内径が７２〜７４ｍｍのアルミパイプであり、
   内方に位置する内側筒状部材は、外径が５０ｍｍ、内径が４４〜４６ｍｍのアルミパイプである
   ことを特徴とする請求項１、２、３または４記載の保護構造物。