JP2017145009A - タンク - Google Patents

Abstract

【課題】地震発生時のバルジングを低減するタンクを提供する。
【解決手段】金属板で形成されているタンク１は、多角形の平板からなる底面２と、底面２に対して垂直に接合されている側面と、側面の上端部に配置されている上面と、を備えているタンク本体と、タンク本体の底面２の下側に配置されており、底面２と側面との接合部分の少なくとも一部を支持する免震部材６とを備えている。免震部材６を複数のゴム板から構成した場合には、免震部材６を互いに間隔を開けて配置することが好ましい。
【選択図】図１

Description

本発明は、地上に設置して液体を貯蔵するためのタンクに関する。特に、地面とタンクの底面との間に免震手段を最適化して配置することで、地震時に発生するバルジング（流体−構造連成振動）を低減したタンクに関する。

各種の工場や給水施設に設置されるタンクとして、壁面が金属製のタンクが知られている。このようなタンクは、タンク全体の重量に対して貯蔵されている液体の重量の割合が高くなっており、地震の際には、タンク自体の振動モードと貯蔵されている液体の振動との相互作用によって複雑な振動現象が発生する。タンクの主な振動モードとして、スロッシングモードとバルジングモードとが知られている。スロッシングモードとは、液体の表面が大きくうねることが特徴の比較的長周期の振動現象である。バルジングモードとは、タンクの壁面が共振しタンク本体と液体とが一体となって運動することによって、通常の地震の振動から発生するよりも高い動水圧が発生する、比較的短周期の振動現象である。

一般に、液体を貯蔵している金属製のタンクのバルジングモードの固有振動数は３〜１０Ｈｚ程度であり、その振動の周期は通常の構造物よりも短いと言われている。通常の構造物は、地震との共振を防止するために、一次固有周期を４秒まで長くすることを目標としているが、金属製のタンクの場合は、その振動の周期をわずかに長く変化させることで、発生する動水圧を低減できると考えられる。

これまでに、スロッシングを制御する構造は、種々提案されている。特許文献１には、タンク本体内に減衰板を設置して内容液から生ずる揺動を減衰させる構成が開示されている。また特許文献２には、フレームリングとワイヤとを複数配設し、さらに液面に連動して伸縮、展開するスロッシング防止膜を備えたタンクが開示されている。しかしながら、バルジングモードによって発生する動水圧を低減する具体的な技術は未だ知られていない。

特開昭６３−１７２０９２号公報 特開２００５−１８７０１９号公報

本発明の目的は、上記従来技術の解決すべき課題に鑑みてなされたものであって、タンクのバルジングモード（以下、省略してバルジングと言う）によって発生する動水圧を低減したタンクを提供することを解決すべき課題としている。

請求項１記載の発明は、金属板で形成されているタンクに関する。本発明のタンクは、多角形形状の平板からなる底面と、底面に対して垂直に接合されている側面と、側面の上端部に配置されている上面とを備えているタンク本体と、このタンク本体の底面の下側に配置されており、底面と側面との接合部分の少なくとも一部を支持する免震部材とを備えていることを特徴とする。

発明者は、バルジングの現象を鋭意検討した結果、タンクのバルジングで発生する動水圧を低減させるためには、タンクの側面に加わる荷重を低減することが有効であることを見いだして、本発明を完成させるに至った。本発明のタンクは、底面と側面とが接合されている接合部分の少なくとも一部を免震部材で支持することによって、タンク本体の下側からタンク底面を経て側面に伝わる地震発生時の荷重を低減し、これによりバルジングで発生する動水圧を効率よく低減することができる。

本発明のタンクは、免震部材が、複数の平板状のゴム板であり、このゴム板が、タンク本体の底面の下部に互いに間隔をあけて配置されていることが好ましい。本発明に係る免震部材の配置は、検討の結果、実験的に検証された最も好適な配置である。

また本発明のタンク本体の側面は、外側に凸となる部分を備えていることがさらに好ましい。

本発明のタンクは、タンクの底面と側面との接合部分の少なくとも一部を支持する免震部材を備えている。この構成により、タンク本体が免震部材を介して設置場所に設置されることになり、地震の荷重がタンクの側面に伝わることが効果的に防止される。この結果、タンク側面の共振を低減してバルジングによって発生する動水圧を低減することができる。

バルジングによって発生する動水圧を低減できることで、たとえ強度を従来よりも低くしても、地震による破損の恐れのないタンクを得ることができる。この結果、側面や上面に従来よりも板厚の薄い金属板を使用することが可能となり、また内部補強材も従来よりも断面の小さい部材を使用することができ、より安価にタンクを製造することができる。

本発明の免震部材を、複数の平板状のゴム板とすることで、免震部材の配置が容易となり、タンク本体を支持する箇所の最適化もまた容易となる。

ゴム板が、底面の下部に互いに間隔をあけて配置されていることで、局所的に荷重がかかって変形する場合のゴム板の変形の自由度が高くなり、ゴム板の免震の機能を充分に発揮させることができる。

前記ゴム板が、タンク本体の底面と側面との接合部分の少なくとも一部に配置されていることは、実質的に、ゴム板をタンク本体の周縁部に沿って配置することになる。このように配置されたゴム板は、劣化の判断を外側から行うことができ、また交換に係る作業も非常に簡易となる。

本発明のタンクは、外側に凸となる部分が設けられていることで側板の歪みを少なくすることができ、結果としてバルジングの振動を抑制し動水圧をさらに低減することができる。

図１は、本発明にかかるタンクの一実施形態を示す斜視図である。 図２は、本発明にかかるタンクの他の実施形態を示す斜視図である。 図３は、タンク本体の底面に対する免震部材の配置の一例を模式的に示す図である。 図４は、タンク本体の底面に対する免震部材の配置の一例を模式的に示す図である。 図５は、タンク本体の底面に対する免震部材の配置の比較例を模式的に示す図である。 図６は、実施例１のタンク、及び実施例１のタンクから免震部材を除去した場合の振動数と応答動水圧の関係を示すグラフである。 図７は、実施例２のタンク、及び実施例２のタンクから免震部材を除去した場合の振動数と応答動水圧の関係を示すグラフである。 図８は、比較例のタンク、及び比較例のタンクから免震部材を除去した場合の振動数と応答動水圧の関係を示すグラフである。

以下に、本発明を、金属板を用いて略立方体形状に形成したタンクに適用した実施形態について、特に好適な形態を列記する。
（形態１）底面は略正方形であり、底面の各辺に沿って４つの側面が垂直に配置されている。好ましくは、４つの側面のそれぞれ略正方形の平板の中央に、外側に凸である球面状の凸部が設けられている。
（形態２）免震部材は、平板状のゴム板で構成されている。底面の頂点と、その周縁部を含む４つの角部の領域に、それぞれ１つずつゴム板６が配置される。
（形態３）免震部材としてゴム板に求められる特性は、主に、１）タンクを垂直方向に支持する特性、２）荷重を受けたとき、柔軟に変位した後元の形状に復元する特性、３）振動の減衰特性、の３つである。これらの特性を満たして十分な免震効果の得られるゴム板は、タンク重量／ゴム板底面積≦１Ｎ／ｍｍ^２以下、引張り強さが５〜１４ Ｎ／ｍｍ^２、せん断弾性率が０．２〜０．５Ｎ／ｍｍ^２ との物性値を有する。

（実施例１）
以下に、図面を参照しつつ、本発明の実施例１のタンク１の構成と作用について詳細に説明する。図１に、本実施例のタンク１の斜視図を示す。本実施例のタンク１は、タンク本体１０と免震部材であるゴム板６とを備えている。タンク本体１０は、略正方形の底面２と、底面２の各辺に沿って接合されて底面２から垂直に延在する４つの略正方形の側面３と、側面３の上端部に配置されて屋根として機能する上面５とを備えている。本実施例のタンク本体１０は、ＳＵＳ３０４製の厚さ０．８ｍｍの鋼板を用いて、５００×５００×５００ｍｍの略立方体形状に形成されている。側面３のそれぞれには、中央の半径３５０ｍｍの領域に、外側に向かって凸である球面状の凸部３ａが設けられている。上面４には開口部５が設けられている。側面３に外側に向かって凸である球面状の凸部３ａを設けたことで、側面を単に平面で形成した場合と比較してタンク本体１０の歪みを低減すると共に剛性を高くすることができ、結果として荷重に対する変形量が小さくなっている。

図３は、本実施例のタンク本体１０に対する免震部材６の配置を模式的に示す図である。本実施例の免震部材は、４枚の同一形状、同一素材のゴム板６である。ゴム板６は、底面２の各頂点とこの頂点から延びる二つの辺の一部を支持するように、底面２の下側に接して配置される。本実施例のタンク本体１０は底面２の各辺に沿って側面３が接合されているので、頂点から延びる二つの辺の一部を支持することで、底面２と側面３の接合部分の一部を支持することができる。

図３に示すように、ゴム板６は、互いに間隔をあけて配置されている。ゴム板６は、荷重を受けたとき、この間隔によって生じている空間に拡がるように変形し、荷重が除去されると再び迅速に元の形状に戻る。タンク１は設置箇所の地盤にゴム板６を挟んで設置されることになり、タンク１が地盤に直接接することがない。

タンク本体１０に、水深４００ｍｍとなるように水を供給し、振動試験を行った結果を、図６のグラフに示す。図６には、タンク１にバルジングの固有振動数λ付近までの振動数で水平方向に加振するスイープ試験を行ったときの、入力した振動数（Ｈｚ）と応答動水圧（水圧を加振力で除した値、Ｐａ／Ｎ）との関係を実線で示している。比較のために、タンク１から免震部材のゴム板６を除去してタンク本体１０のみを設置し、同一条件でスイープ試験を行った結果を、「非免震」の結果として破線で示している。

図６に示したとおり、本実施例のタンク１は、非免震の場合と比較して、バルジングの固有振動数（最大値の現れる振動数）が、約４／７の低周波側に移動している。さらに、バルジングが発生したときの応答動水圧は１０．５Ｐａ／Ｎであり、非免震のタンク本体１０の１８Ｐａ／Ｎに対して、応答動水圧の減衰効果は明らかであった。

本実施例のタンク１は、タンク本体１０の側面３が外側に向かって凸である球面状の凸部３ａを備えており、さらに、間隔を開けて配置されているゴム板６を備えていることで、バルジングの固有振動数が低周波側に移動し、しかもその応答動水圧が極めて小さくなっている。固有振動数が低周波となった場合、振動が長周期化して瞬間的にタンクにかかる力が小さくなるため、免震の効果は非常に顕著である。

（実施例２）
図２に、本実施例のタンク７の斜視図を示す。本実施例のタンク７は、タンク本体１１と免震部材であるゴム板６とを備えている。タンク本体１１は、略正方形の底面２と、底面２の各辺に沿って接合されて底面２から垂直に延在する４つの略正方形の側面１３と、側面１３の上端部に配置されて屋根として機能する上面５とを備えている。側面１３が平板状であることを除くと、タンク本体１１の材料、底面２と上面４の構成、底面２に対する側面１３の配置と接合の形態は、実施例１のタンク本体１０と同一である。また免震部材であるゴム板６の構成と配置は実施例１と同一であり、重複説明を割愛する。

タンク本体１１に、水深４００ｍｍとなるように水を供給し、振動試験を行った結果を、図７のグラフに示す。図７では、タンク７にバルジングの固有振動数λ付近までの振動数で水平方向に加振するスイープ試験を行ったときの、入力振動数（Ｈｚ）と応答動水圧（水圧を加振力で除した値、Ｐａ／Ｎ）との関係を実線で示している。比較のために、タンク７から免震部材のゴム板６を除去してタンク本体１１のみを設置し、同一条件でスイープ試験を行った結果を、「非免震」の結果として破線で示している。

図７に示したとおり、本実施例のタンク７は、非免震の場合と比較して、バルジングの固有振動数が、約３／５の低周波側に移動しており、免震の効果が得られていることが確認された。一方で、バルジングが発生したときの応答動水圧は、非免震の場合の値が２３Ｐａ／Ｎであるのに対して、２０Ｐａ／Ｎであり、実施例１のタンク１と比較すると応答動水圧の減衰効果は限定的であった。

実施例１のタンク１と実施例２のタンク７との間の応答動水圧の値の差は、側面の形状の違いに由来している。実施例１に示したように、側面３に凸部３ａを設けていることによって、側面３全体の歪みを少なくすることができ、それが結果としてバルジング振動を抑制していると考えられる。一方で、実施例２のタンク７は、タンクの側面１３に加わる荷重を低減する最適な位置にゴム板６が配置されていることで、バルジングに対して一定の減衰効果が得られていることが確認された。

以上述べてきたとおり、実施例１および実施例２のタンクは、ゴム板６を、最適な位置である底面２と側面３とが接合されている接合部分の下側に間隔を開けて配置したことによって、タンク本体の下側からタンクの底面２を経て側面に伝わる荷重を低減することができ、バルジングでタンクに発生する応答動水圧を効率よく低減できることが確認された。さらに、地上に設置して液体を貯蔵する金属製のタンクに対して、実施例１のタンク１のように側面に凸部を設けることが、バルジングの更なる対策として有効であることが確認された。

（変形例）
図４に、タンク本体１０に対する免震部材８の配置の変形例を模式的に示す。本変形例の免震部材８は、外周部および中央部の開口部のそれぞれの形状が底面２の外周部の形状と相似形である、１枚のゴム板である。本変形例の免震部材８は、底面２と側面３の接合部分全体を支持することができる。この免震部材８についても、タンク本体の下側からタンクの底面２を経て側面に伝わる荷重を低減することができ、免震の効果が確認されている。

更なる変形例として、ゴム板の数を増やして、底面２と側面３の接合部分を複数箇所で支持することも可能である。例えば、底面２の隣り合う頂点と頂点との間を結ぶ辺の下側に３個以上のゴム板を配置して支持することができる。更にまた、底面２の中央部分にも、同一素材で同一の板厚のゴム板を配置することができる。

（比較例）
側面３に凸部３ａを有するタンク本体１０と、タンク本体１０の底面２全体に配置した免震部材としてのゴム板９とを備えた比較例のタンクについて、免震部材の配置と免震の効果を検証した。図５は、タンク本体１０の底面に対するゴム板９の配置を模式的に示す図である。図８に、比較例のタンクについて、実施例１，２と同様のスイープ条件で行った振動試験の結果を示す。

図８では、比較例のタンクの振動試験の結果を、実線で示している。また、実施例１と同様に、タンク本体１０単体でおこなった「非免震」の振動試験の結果を破線で示している。比較例のタンクは、非免震の場合と比較して、バルジングの固有振動数が、約９／１０の低周波側に変化している。しかしながら入力した振動数に対する応答動水圧の値は、全体として非免震の場合と同等であり、有意な差は認められなかった。さらに、バルジングが発生したときの応答動水圧は、非免震のタンクが１８Ｐａ／Ｎであったのに対して、比較例のタンクが１５Ｐａ／Ｎであり、応答動水圧の明確な減衰効果は認められなかった。

以上のことから、免震部材をタンク本体の底面の下部全体に配置することは、荷重に対する免震部材の自由な変形を阻害することになり、免震効果が充分に得られないことが確認された。

以上、実施例に基づいて、本発明に係るタンクを詳細に説明した。しかしながら、特許請求の範囲の発明には、これらの例示以外の様々な形態が含まれる。例えば、実施例では、ステンレス鋼（ＳＵＳ３０４）からなるタンクについて詳細な説明を行ったが、貯留する液体の種類と、要求される設置期間に応じて、タンクに用いる材料を、他の金属とすることが可能である。また、立方体形状のタンクについての説明をおこなったが、タンク全体を六角柱状や円柱状、その他の任意の形状とすることができる。さらに、側面を底面の周縁部のみに配置するだけではなく、タンクを複数の区画に分割するように底面の内側と接合して配置しても良い。その場合の免震部材は、タンクの底面と側面の接合部分を支持するように配置することが好ましい。

１，７…タンク
２…底面
３，１３…側面
３ａ…凸部
４…上面
５…開口部
６，８，９…ゴム板
１０，１１…タンク本体

Claims (3)

1. 金属板で形成されているタンクであって、
   多角形の平板からなる底面と、前記底面に対して垂直に接合されている側面と、当該側面の上端部に配置されている上面と、を備えているタンク本体と、
   前記タンク本体の前記底面の下側に配置されており、前記底面と前記側面との接合部分の少なくとも一部を支持する免震部材と、
   を備えていることを特徴とするタンク。
2. 前記免震部材が、複数の平板状のゴム板であり、
   前記ゴム板が、前記底面の下部に互いに間隔をあけて配置されていることを特徴とする請求項１に記載のタンク。
3. 前記タンク本体の前記側面が、外側に凸となる部分を備えていることを特徴とする請求項１または２に記載のタンク。

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