JP2021037492A - 傾斜板沈降システム - Google Patents

Abstract

【課題】緩衝装置等の部材を用いることなく、沈殿池の側壁に対して必要最小限の隙間を設けて傾斜板沈降装置を配置することによって、処理効率が高く、大規模地震に対応したシステムを提供する。【解決手段】複数の傾斜板２を水平方向に長尺の支持フレーム３に固定してなる傾斜板沈降装置１を、懸吊材２１に取り付けられた複数本の吊りボルト２２によって沈殿池内に吊り下げてなる傾斜板沈降システムにおいて、傾斜板沈降装置１と沈殿池の側壁１１との最短距離をＣ［ｍ］、懸吊材２１の下面から傾斜板沈降装置１の最上段に位置する支持フレーム３の中心軸までの距離をＬ［ｍ］、吊りボルト２２の１本当たりにかかる傾斜板沈降装置１の質量をＷ［ｋｇ］、吊りボルト２２の縦弾性係数をＥ［Ｎ／ｍ2］、吊りボルト２２の断面二次モーメントをＩ［ｍ4］とした時、Ｌ≦（０．１５３×Ｅ×Ｉ／Ｗ）1/2Ｃ≧Ｌ／２を満たす構成とする。【選択図】図１

Description

本発明は、吊りボルトによって傾斜板沈降装置を沈殿池内に吊り下げてなる傾斜板沈降システムに関する。

従来、浄水場などにおいて、被処理水に含まれる固形物を効率よく沈降させる手段として、傾斜板沈降装置が知られている。係る傾斜板沈降装置は、複数枚の傾斜板を支持フレームに取り付けて一体化してなり、吊りボルトによって、沈殿池内に吊り下げられる。

通常、傾斜板沈降装置は、沈殿池に対して固定されていないため、地震が発生した場合には、地震の揺れによって発生する沈殿池内の水の揺動に伴って傾斜板沈降装置も揺動し、傾斜板が支持フレームから外れて落下して損傷したり、支持フレームが損傷する事故が発生していた。

特許文献１には、傾斜板沈降装置と沈殿池の側壁との間に、コイルバネ部材やゴム状弾性部材などの緩衝装置を介在させることにより、地震発生時の揺動を抑制し、傾斜板や支持フレームの損傷を防止した構造が開示されている。

特開２０１６−１５９１９９号公報

特許文献１に開示された構造では、地震発生時の傾斜板沈降装置の揺動が抑制されるが、近年の大規模地震を想定した場合には、傾斜板沈降装置の多数箇所に緩衝装置を配置する必要があり、経費が増大するという問題があった。

また、特許文献１に開示された緩衝装置を用いない場合、大規模地震の際に、揺動した傾斜板沈降装置が沈殿池の側壁に接触しないように、側壁との間に十分に広い隙間を設けると、設置できる傾斜板沈降装置が小さくなり、処理効率が低くなるという問題があった。

本発明の課題は、上記した緩衝装置等の部材を用いることなく、沈殿池の側壁に対して必要最小限の隙間を設けて傾斜板沈降装置を配置することによって、処理効率が高く、大規模地震に対応したシステムを提供することにある。

本発明の傾斜板沈降システムは、傾斜面が互いに平行に配置された複数枚の傾斜板と、前記複数枚の傾斜板が固定された水平方向に長尺の支持フレームと、を有する傾斜板沈降装置と、
沈殿池上に水平方向に掛け渡された懸吊材と、
前記懸吊材の下面に取り付けられ、先端に前記支持フレームが掛けられた複数本の吊りボルトと、を有し、
前記沈殿池内に吊り下げられた傾斜板沈降システムであって、
前記傾斜板沈降装置と前記沈殿池の側壁との最短距離をＣ［ｍ］、前記懸吊材の下面から前記傾斜板沈降装置の最上段に位置する前記支持フレームの中心軸までの距離をＬ［ｍ］、前記吊りボルト１本当たりにかかる前記傾斜板沈降装置の質量をＷ［ｋｇ］、前記吊りボルトの縦弾性係数をＥ［Ｎ／ｍ²］、前記吊りボルトの断面二次モーメントをＩ［ｍ⁴］とした時、
Ｌ≦（０．１５３×Ｅ×Ｉ／Ｗ）^1/2
Ｃ≧Ｌ／２
であることを特徴とする。

本発明の傾斜板沈降システムにおいては、
前記最短距離Ｃが、Ｃ≧（３．２７×Ｗ×Ｌ³）／（Ｅ×Ｉ）であること、さらには、
前記最短距離にある前記沈殿池の側壁が緩衝材で構成されていること、
を好ましい態様として含む。

本発明によると、大規模地震が発生した場合にも、傾斜板沈降装置を含むシステムの損傷が抑制され、且つ、最小限の隙間で傾斜板沈降装置を沈殿池に配置することができる。よって、必要以上に処理効率を低下させることなく、大規模地震の際の損傷が抑制された傾斜板沈降システムが提供される。

本発明の傾斜板沈降システムの一実施形態の構成を模式的に示す部分斜視図である。 図１の実施形態を通水方向から見た図である。 本発明に係る、吊りボルトとその周辺部の拡大図及び吊りボルトの断面図である。 本発明に係る、吊りボルトの長さを規定する式を説明するための図である。

本発明者等は、地震が発生した際に、傾斜板沈降システムに及ぼされる影響を種々検討した結果、想定される最大規模の地震の際でも、システムの損傷を抑制するために必要な条件を見出し、本発明を達成した。以下に、図面を参照して本発明の構成を詳細に説明する。

図１は、本発明の傾斜板沈降システムの一実施形態の構成を模式的に示す部分斜視図である。本例は、傾斜板２の表面に沿って水平方向に通水する横向流式傾斜板沈降システムであり、図２は、図１のシステムを、被処理水の通水方向Ｆから見た図である。尚、図１においては、沈殿池内の水の図示を省略する。

本発明の傾斜板沈降システムは、図１，図２に示すように、傾斜板沈降装置１と、沈殿池上に水平方向に掛け渡された懸吊材２１と、吊りボルト２２とを有している。そして、本発明に係る傾斜板沈降装置１は、複数枚の傾斜板２を、傾斜面が互いに平行になるように所定の間隔で配置した状態で、水平方向に長尺の支持フレーム３に固定されて一体化してなり、懸吊材２１に取り付けられた複数本の吊りボルト２２の先端に、最上段の支持フレーム３を掛けることによって、傾斜板沈降装置１は沈殿池内に吊り下げられている。

本実施形態においては、傾斜板２は固定具４を介して支持フレーム３に取り付けられているが、本発明において、傾斜板２を支持フレーム３に固定する手段は特に限定されない。 また、本実施形態においては、傾斜板２を水平方向に複数枚配置して１段とし、互いに傾斜方向が逆になるように、上下に２段配置しているが、本発明はこれに限定されるものではない。１段のみとしても良いし、３段以上配置しても良い。複数段配置する場合には、上下段で傾斜方向が逆になるように配置する。被処理水は、図１中の通水方向Ｆで示されるように、傾斜板２の傾斜面に沿って流され、被処理水に含まれる固形物は、傾斜板２の傾斜した上面に沈降した後、該傾斜板２上を下方に滑り落ちて沈殿池の底部１２に沈殿する。また、被処理水から固形物が除かれた後の清澄水は、傾斜板２に沿って上昇する。本実施形態においては、上段の傾斜板２の下端と下段の傾斜板２の上端とが、水平方向において互いに隙間を有するため、上昇する清澄水が、傾斜板２の固形物が沈降する側とは反対側の裏面側を通って沈降する固形物と分離される。よって、上昇する清澄水が、沈降する固形物と混ざることがなく、効率よく清澄水が得られる。

また、上下方向に複数本配置される支持フレーム３は、支柱５によって互いに連結しておくことによって、傾斜板２の間隔が保持され、傾斜板沈降装置１のねじれも防止される。

次に、本発明において、大規模地震に対応する吊りボルト２２の長さと、傾斜板沈降装置１と沈殿池の側壁１１との最短距離の設定方法について説明する。

図３（ａ）に示すように、本発明に係る吊りボルト２２は、上端を懸吊材２１の下面に固定され、先端（下端）に傾斜板沈降装置１の最上段に位置する支持フレーム３が掛けられている。支持フレーム３は吊りボルト２２に取り付けられたストッパー２３により脱落が防止されている。図３（ｂ）は図３（ａ）中のＡ−Ａ’部位の断面図である。懸吊材２１は、通常、ＰＣ（プレストレスト・コンクリート）桁などが用いられている。この懸吊材２１の下面から支持フレーム３の中心軸までの距離をＬ［ｍ］とする。

図４に示すように、地震が発生して傾斜板沈降装置１に水平荷重が作用し、吊りボルト２２の上端の懸吊材２１への取り付け位置を中心に、吊りボルト２２が元の位置から角度θ［°］だけ傾動した場合、傾斜板沈降装置１は水平方向にδ［ｍ］移動する。δの大きさは、吊りボルト２２にかかる水平荷重をＰ［Ｎ］、吊りボルト２２の縦弾性係数をＥ［Ｎ／ｍ²］、吊りボルト２２の断面二次モーメントをＩ［ｍ⁴］とすると、以下の（１）式より得られる。
δ＝（Ｐ×Ｌ³）／（３×Ｅ×Ｉ） （１）
上記（１）式より、
Ｐ＝３×Ｅ×Ｉ×δ／Ｌ³ （２）
となる。

ここで、従来のシステムでは、θが３０°、即ちδ＝Ｌ／２までは、傾斜板沈降装置１が揺動するだけで、吊りボルト２２が懸吊材２１から外れたり、吊りボルト２２自体が変形するなどの損傷は生じないことがわかった。従って、傾斜板沈降装置１と沈殿池の側壁１１との最短距離（図２のＣ）がＬ／２未満であった場合には、地震が発生した場合に、吊りボルト２２が懸吊材２１から外れたり、吊りボルト２２自体が変形するなどの損傷が生じる前に、傾斜板沈降装置１が沈殿池の側壁１１に衝突して損傷するおそれがある。よって、Ｃ≧Ｌ／２としておけば、地震発生時に、傾斜板沈降装置１が沈殿池の側壁１１に衝突して損傷するのを防止することができる。吊りボルト２２がθ＝３０°傾動するために必要な水平荷重をＰ₃₀とすると、上記（２）式にδ＝Ｌ／２を代入すればよく、以下の（３）式、次いで（４）式が得られる。
Ｐ₃₀＝１．５×Ｅ×Ｉ／Ｌ² （３）
Ｌ＝（１．５×Ｅ×Ｉ／Ｐ₃₀）^1/2 （４）

上記（４）式より、吊りボルト２２の長さを短くして、Ｌを小さくすることにより、δ＝Ｌ／２となるＰ₃₀が大きくなる、即ち、吊りボルト２２が懸吊材２１から外れたり、吊りボルト２２自体が変形するなどの損傷を生じない範囲で、θ＝３０°まで吊りボルト２２が傾動しうる水平荷重が大きくなることがわかる。

ここで、地震が発生した場合に、傾斜板沈降装置１にかかる水平荷重は、（垂直荷重×地震係数）で示される。傾斜板沈降装置１は、複数本の吊りボルト２２によって吊り下げられており、１本の吊りボルト２２にかかる傾斜板沈降装置１の質量（傾斜板沈降装置１の質量／吊りボルトの本数）をＷ［ｋｇ］とすると、１本の吊りボルト２２の先端にかかる垂直荷重［Ｎ］は９．８Ｗ［Ｎ］である。想定される最大規模の地震が発生した場合の地震係数は１であるから、かかる地震によって傾斜板沈降装置１に水平荷重が作用し、その結果、１本の吊りボルト２２の先端にかかる最大水平荷重Ｐ_max［Ｎ］は、
次の（５）式で示される。
Ｐ_max＝９．８Ｗ×１＝９．８Ｗ （５）
上記（４）式のＰ₃₀に上記（５）式におけるＰ_maxを代入し、変形すると、以下の（６）式となる。
Ｌ＝（０．１５３×Ｅ×Ｉ／Ｗ）^1/2 （６）
よって、Ｌ≦（０．１５３×Ｅ×Ｉ／Ｗ）^1/2、及び、傾斜板沈降装置１と沈殿池の側壁１１との最短距離ＣがＣ≧Ｌ／２であれば、想定される最大規模の地震が発生した場合でも、システムの損傷を防止することができる。

上記（１）式によれば、吊りボルト２２の長さが短くなるほど、同じ水平荷重がかかった場合でも、吊りボルト２２が傾動する幅（角度）は小さくなる。従って、傾斜板沈降装置１と沈殿池の側壁１１との距離をＬ／２よりもより短い距離としても、最大水平荷重Ｐ_maxがかかった場合における傾斜板沈降装置１と側壁１１との衝突を生じない。具体的には、吊りボルト２２がθ＝３０°まで傾動するために必要な水平荷重Ｐ₃₀と、想定される最大水平荷重Ｐ_maxとの比より、
Ｃ≧（Ｌ／２）×（Ｐ_max／Ｐ₃₀） （７）
とすればよい。右辺にそれぞれ（３）式と（５）式とを代入すると、以下の（８）式が得られる。
Ｃ≧（３．２７×Ｗ×Ｌ³）／（Ｅ×Ｉ） （８）
従って、吊りボルト２２を短くすることにより、傾斜板沈降装置１と沈殿池の側壁１１との最短距離Ｃも短くすることができる。

また、Ｃ＝（３．２７×Ｗ×Ｌ³）／（Ｅ×Ｉ）とした場合、傾斜板沈降装置１と側壁１１とが接触する可能性が高くなるため、側壁１１の表面を弾性部材で形成しておくことにより、わずかな接触で傾斜板沈降装置１が損傷するのを防止することができる。弾性部材としては、ゴムや、弾性樹脂などからなる部材を配置する、或いは、側壁１１の表面をこれら弾性部材で被覆しておけばよい。尚、傾斜板沈降装置１の取り付け作業等を考慮すると、Ｌは最小で１０ｃｍ程度は必要である。

尚、図１，図２に示した横向流式傾斜板沈降システムにおいては、通水設備や排水設備等を配置するため、通水方向における沈殿池の側壁１１との距離は比較的遠くなる。そのため、傾斜板沈降装置１と沈殿池の側壁１１との最短距離Ｃは、図２に示すように、傾斜板２の配列方向における、傾斜板沈降装置１の構成部材と沈殿池の側壁１１との距離のうち、最も短い距離である。また、本発明の傾斜板沈降システムにおいては、沈殿池の側壁１１の表面が緩衝材で構成されていることが好ましい。

直径Ｄが１２ｍｍのステンレスＳＵＳ３０４製の吊りボルトを用いて、吊りボルト１本当たり１２５ｋｇの傾斜板沈降装置を吊り下げる傾斜板沈降システムにおいて、想定される最大規模の地震（地震係数＝１）に耐える吊りボルトの長さと、傾斜板沈降装置と沈殿池の側壁との最短距離を求めた。尚、吊りボルトの断面二次モーメントＩは、以下の式（９）から求められる。また、ステンレスＳＵＳ３０４の縦弾性係数Ｅは１９３×１０⁹［Ｎ／ｍ²］である。
Ｉ＝π×Ｄ⁴／６４ （９）
よって、
Ｌ＝（０．１５３×１９３×１０⁹×（π×０．０１２⁴／６４）／１２５）^1/2
＝０．４９
Ｃ＝（３．２７×１２５×０．４９³）／（１９３×１０⁹×π×０．０１２⁴／６４）
＝０．２４５
Ｐ_max＝１２５×９．８＝１２２５［Ｎ］

上記のように、Ｌが４９ｃｍとなるような吊りボルトを用い、傾斜板沈降装置１と沈殿池の側壁１１との最短距離Ｃを２４．５ｃｍ以上とすれば、想定される最大規模の地震が発生し、吊りボルト１本当たり１２２５Ｎの水平荷重がかかった場合でも、システムの損傷が防止される。

また、Ｌが２０ｃｍとなるような吊りボルトを用いた場合には、
Ｃ＝（３．２７×１２５×０．２０³）／（１９３×１０⁹×（π×０．０１２⁴／６４））
＝０．０１７
となり、傾斜板沈降装置１と沈殿池の側壁１１との最短距離Ｃを１．７ｃｍ以上とすれば、想定される最大規模の地震が発生し、吊りボルト１本当たり１２２５Ｎの水平荷重がかかった場合でも、システムの損傷が防止される。

また、Ｌが１００ｃｍとなるような吊りボルトを用いた場合、前記（３）式より、
Ｐ₃₀＝１．５×１９３×１０⁹×（π×０．０１２⁴／６４）／１．０²
＝２９５［Ｎ］
となり、吊りボルト１本当たり、わずか２９５Ｎの水平荷重がかかった時点で吊りボルトがθ＝３０°傾動してしまう。よって、傾斜板沈降装置と沈殿池との最短距離ＣをＬ／２である５０ｃｍ以上としていても、想定される大規模の地震が発生した場合には、吊りボルトが３０°を超えて傾動してシステムが損傷してしまう。

１：傾斜板沈降装置、２：傾斜板、３：支持フレーム、４：固定具、５：支柱、１１：側壁、１２：底部、２１：懸吊材、２２：吊りボルト、２３：ストッパー、Ｆ：通水方向

Claims (3)

1. 傾斜面が互いに平行に配置された複数枚の傾斜板と、前記複数枚の傾斜板が固定された水平方向に長尺の支持フレームと、を有する傾斜板沈降装置と、
   沈殿池上に水平方向に掛け渡された懸吊材と、
   前記懸吊材の下面に取り付けられ、先端に前記支持フレームが掛けられた複数本の吊りボルトと、を有し、
   前記沈殿池内に吊り下げられた傾斜板沈降システムであって、
   前記傾斜板沈降装置と前記沈殿池の側壁との最短距離をＣ［ｍ］、前記懸吊材の下面から前記傾斜板沈降装置の最上段に位置する前記支持フレームの中心軸までの距離をＬ［ｍ］、前記吊りボルト１本当たりにかかる前記傾斜板沈降装置の質量をＷ［ｋｇ］、前記吊りボルトの縦弾性係数をＥ［Ｎ／ｍ²］、前記吊りボルトの断面二次モーメントをＩ［ｍ⁴］とした時、
   Ｌ≦（０．１５３×Ｅ×Ｉ／Ｗ）^1/2
   Ｃ≧Ｌ／２
   であることを特徴とする傾斜板沈降システム。
2. 前記最短距離Ｃが、Ｃ≧（３．２７×Ｗ×Ｌ³）／（Ｅ×Ｉ）であることを特徴とする請求項１に記載の傾斜板沈降システム。
3. 前記最短距離にある前記沈殿池の側壁が緩衝材で構成されていることを特徴とする請求項２に記載の傾斜板沈降システム。

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