JP6179298B2 - ガスホルダーの補強方法、およびガスホルダー - Google Patents

Description

本発明は、ガスホルダーの補強方法、およびガスホルダーに関する。

従来、製鉄所に設けられているガスホルダーでは、震度６の耐震設計レベルを基準として設計されているものが多い。そのため、その震度６を超える大規模地震時の対策として、耐震補強、免震補強、および制振補強などの補強対応が行われている。
耐震補強としては、ホルダー本体および屋根部の外周部に鉄骨を溶接することで剛性を高める補強が一般的となっている。また、免震補強の場合には、構造物（ガスホルダー）の基礎の地下部分を掘削し、その地下空間に積層ゴムなどの免震装置を組み込むことが行われる（例えば、特許文献１参照）。さらに、制振補強の場合には、ガスホルダーに対して架構、基礎、杭等を新設し、これらを使用して、制振ダンパーを組み込むことが行われている（例えば、特許文献２参照）。

特開２０１２−１７７２８２号公報 特開２０１０−２０３１９２号公報

しかしながら、従来のガスホルダーの補強方法では、以下のような問題があった。
すなわち、ホルダー本体を鉄骨で補強する耐震補強の場合や制振ダンパーを設ける制振補強の場合には、溶接作業が必要であるので、その溶接作業期間中のガスホルダーの運転を停止する必要がある。さらに、溶接歪で垂直精度許容値（１／１万）を超えてしまうおそれがあり、ガスホルダーの運転が停止することがあった。
また、免震補強の場合においても、地下掘削時および免震装置の設置時にはガスホルダーの運転を長期間停止する必要があり、その点で改善の余地があった。

本発明は、上述する問題点に鑑みてなされたもので、ホルダー本体に対する溶接作業を行うことなく補強することができ、大地震時におけるピストンのホルダー本体への衝突や傾斜を抑制することができるガスホルダーの補強方法、およびガスホルダーを提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明に係るガスホルダーの補強方法では、既存のガスホルダーに対して、設定震度に応じた耐震補強を行うためのガスホルダーの補強方法であって、前記ガスホルダーの解析モデルを作成し固有値解析を行う工程と、所定地域における対象地震動の波形のうち前記ガスホルダーを共振する成分をフーリエ解析を用いて抽出し、この共振成分に基づいて前記ガスホルダーの固有周期における加速度応答値を算出する工程と、前記ガスホルダーの強度の目標許容値を設定する工程と、前記ガスホルダーの共振時の応答を前記目標許容値まで低減する制振装置を、前記ガスホルダーのピストンに対して設定する工程と、設定された条件に基づく前記制振装置を前記ピストンに設けて補強する工程と、を有することを特徴としている。

また、本発明に係るガスホルダーでは、上述したガスホルダーの補強方法によって前記制振装置を前記ピストンに設けられていることを特徴としている。

本発明では、既存のガスホルダーに対して固有値解析を行って固有周期を求め、対象地震動の波形から、共振する成分をフーリエ変換により算出されたフーリエスペクトルより抽出し、ガスホルダーの共振時の加速度応答値に当てはめたときの応答が得られる。その応答を目標許容値まで低下させる制振装置をピストンに設けることで、ピストンのホルダー本体への衝突や傾斜するのを抑制することができる。
つまり、地震力が地盤からホルダー本体に伝達され、そのホルダー本体の揺れによりピストンに水平力が伝達されるガスホルダーであっても、ピストン自体に作用する水平応答や傾斜応答を、補強した制振装置の減衰作用により効果的に低減することができる。

また、本発明によれば、ピストンに対して制振装置を配置するといった施工の容易な補強構造であり、例えばホルダー本体の外周部に鋼材を配置するような大掛かりな補強とならず、工期を短縮することができ、ガスホルダーの停止期間を短くすることが可能となり、操業の影響を最小に抑えることができる。しかも、補強する制振装置はガスホルダーの総重量に対して１％程度の負荷質量とすることが可能となるので、補強量を低減することができるうえ、従来工法に比べて補強箇所も最小化することができ、コストの低減を図ることができる。

さらに、制振装置をピストンに対して取り付ける補強方法であり、ホルダー本体に対して直接溶接を行わない補強となることから、ホルダー本体に溶接歪が生じるのを防ぐことができ、垂直精度の許容値を確保することができる。

これにより震度６を超える大規模地震が発生した場合でも、ガスホルダー内部のピストンが水平力を受けてホルダー本体に衝突したり、大きく傾斜することがなくなる。そのため、ピストンのホルダー本体への衝突により、ホルダー本体の鉄骨が破断し、柱脚部の圧縮が過大となって基柱が座屈し、さらにはガスホルダーを支持する杭の杭頭部が塑性化するとともに、ピストン慣性力位置と衝突反力位置がずれてピストンがガスホルダー内部で傾斜し、ホルダー本体とピストンとの間で油シール切れが生じ、その部分からガスが漏れ出し、ピストンが落下するといった従来の問題を無くすことができる。

また、本発明に係るガスホルダーの補強方法では、補強後の既存のガスホルダーの応答と目標許容値とを比較する工程を有していることが好ましい。

この場合、制振装置で補強した既存のガスホルダーの応答が目標許容値よりも大きい場合には、再度、制振装置をガスホルダーのピストンに対して設定し直すことを繰り返し行うことが可能であり、前記応答が目標許容値よりも確実に小さくなるように設定することができる。

また、本発明に係るガスホルダーの補強方法では、前記制振装置は、前記ピストンの中心部に配置される水平用制振装置と、前記ピストンの外周部に配置される傾斜用制振装置と、を備えていることが好ましい。

また、本発明に係るガスホルダーの補強方法では、前記傾斜用制振装置は、前記ピストンの外周部に沿って周方向に間隔をあけて複数が配置されていることが好ましい。

本発明では、傾斜用制振装置が地震動の作用により最も変動エネルギーの大きなピストンの外周部に配置されるので、制振装置を付加した効果的な補強を実現することが可能となる。

本発明のガスホルダーの補強方法、およびガスホルダーによれば、ホルダー本体に対する溶接作業を行うことなく補強することができ、大地震時におけるピストンのホルダー本体への衝突や傾斜を抑制することができる。

本発明の実施の形態による補強方法によって補強されたガスホルダーの判断面斜視図である。 図１に示すガスホルダーの側断面図である。 制振装置の配置状態を示す図であって、ピストンを上面側から見た平面図である。 制振装置の概略構成を説明するための模式図である。 ガスホルダーの補強方法における制振装置の設計フローを示す図である。 所定地域における震度７の表層波形の一例を示す図である。 ステップＳ２で算出された加速度スペクトルを示す図である。 ステップＳ３で得られた加速度応答スペクトルと共振時応答加速度とを比較した図である。 制振装置を補強したガスホルダーの作用を説明するための図である。 従来の地震動がガスホルダーに作用した状態の図である。

以下、本発明の実施の形態によるガスホルダーの補強方法、およびガスホルダーについて、図面に基づいて説明する。

図１に示すように、本実施の形態によるガスホルダー１の補強方法は、所定地域に設けられている既存のガスホルダー１に対して、設定震度（ここでは震度７を想定する）に応じた耐震補強をピストン１５に施し、そのピストン１５の応答を低減させるように補強するものである。

図１および図２に示すように、ガスホルダー１は、底盤１１と、底盤１１上に円周方向Ｅに沿って間隔をあけて配置された基柱１２と、円周方向Ｅに沿って延在する横梁１３と、基柱１２と横梁１３とによって囲まれる空間を塞ぐ側壁１４と、側壁内面に沿って上下方向Ｙに摺動可能に設けられたピストン１５と、基柱１２の上端１２ａに設けられた屋根部材１６と、を備えている。ここで、ガスホルダー１において、ピストン１５を除いた底盤１１、基柱１２、横梁１３、側壁１４、および屋根部材１６を以下、ホルダー本体１０と称して説明する。

基柱１２は、例えばＨ形鋼からなり、底盤１１上に立設されており、所定長さ単位のものが上下方向Ｙに沿って継ぎ足されている。
屋根部材１６は、平面視で中心から半径方向に向けて下方に延びる逆さ椀状をなし、その外周部が基柱１２の上端１２ａに接合されている。

ガスホルダー１の内部に設けられるピストン１５は、ガスホルダー１内を上下に区画する隔壁であり、その外周部１５ａが例えばゴム製のシール材（図示省略）を介して側壁内面に対して液密な状態でシールされている。このシール材の側壁内面との接触面に油が充填され、この油の液膜でシールされている。ピストン１５の下側の空間は、底盤１１、側壁１４、及びピストン１５によって密封されたガス封入空間Ｒとなっている。このガス封入空間Ｒ内にガスを流入、又は流出させることによって内圧を変化させることによって、ピストン１５が側壁内面に沿って上下方向Ｙに摺動可能に構成されている。例えば、ガス封入空間Ｒ１内の圧力により生じる浮上力をピストン１５の自重よりも大きくすることで、ピストン１５が上昇することになる。つまり、ガス封入空間Ｒ１内の圧力を一定に保持することで、ピストン１５を所定高さの位置に維持することができる。なお、ピストン１５と屋根部材１６との間の上部空間Ｒ２は、密封されず、開放された空間となっている。

側壁１４は、円周方向Ｅ及び上下方向Ｙに沿って複数に分割された曲率をもった鋼材から形成されている円弧板状体であり、基柱１２、１２同士の間で溶接により取り付けられている。

図３に示すように、ピストン１５の上面１５ｂには、本実施の形態のガスホルダー１における補強手段となる複数の制振装置２（２Ａ、２Ｂ）が設けられている。このうち上面１５ｂの中心部には、ピストン１５の水平方向の応答（揺れ）を低減するための水平用制振装置２Ａが配置されている。上面１５ｂの外周部には、ピストン１５の鉛直方向（上下方向Ｙ）の傾斜応答を低減するための傾斜用制振装置２Ｂがピストン１５の外周部に沿って円周方向Ｅに間隔をあけて複数配置されている。傾斜用制振装置２Ｂは、円周方向Ｅに４５度のピッチで８個が配置されている。なお、傾斜用制振装置２Ｂの配置される位置は、なるべく上面１５ｂの外周側であることが好ましい。

これら制振装置２Ａ、２Ｂは、図４に示すように、周知の応答制御可能なＴＭＤ（チューンド・マス・ダンパー）が採用され、減衰部Ｃ、ばね部Ｋ、および質量部ｍにより構成されている。具体的に制振装置２Ａ、２Ｂは、ばね部Ｋの一端がピストン１５の上面１５ｂに固定され、他端が質量部ｍに固定されており、質量部ｍとピストン上面１５ｂとの間に減衰部Ｃが介装された構成となっており、ピストン１５の揺れ（回転、傾斜）に同調する質量部ｍを用いてピストン１５の揺れを抑制する装置である。

次に、上述した制振装置２Ａ、２Ｂを使用したガスホルダー１の補強方法について、図５のフローチャートを用いて具体的に説明する。
図５に示すように、本実施の形態のガスホルダー１の補強方法は、ガスホルダー１の解析モデルを作成し固有値解析を行うステップＳ１と、所定地域における対象地震動の波形のうちガスホルダー１と共振する成分をフーリエ解析を用いて抽出するステップＳ２と、ガスホルダー１の固有周期における加速度応答値を算出するステップＳ３と、ガスホルダー１の強度より得られる目標許容値Ｐ０を設定するステップＳ４と、ガスホルダー１の共振時の応答を目標許容値Ｐ０まで低減する制振装置２を、ガスホルダー１のピストン１５に対して設定するステップＳ５と、設定された条件に基づく制振装置２（２Ａ、２Ｂ）をピストン１５に設けて補強するステップＳ６と、補強後のガスホルダー１の応答と目標許容値とを比較するステップＳ７と、を有している。

ステップＳ１では、先ず、本実施の形態で補強対象となる既存のガスホルダー１の３次元の解析モデルを作成し固有値解析を行って、固有周期を求める。なお、簡単な質点モデルにモデル化して固有周期を求めることや、略算式を用いて固有周期を求めることも可能である。

次に、ステップＳ２において、所定地域における例えば震度７の対象地震動の表層波形（図６参照）、すなわち地震継続時間（ｓｅｃ）と加速度（ｇａｌ）との関係の波形より図７に示すような地震動の周波数特性を示すフーリエスペクトルを算出する。ここで、図７は、横軸に示す周期Ｔ（ｓｅｃ）と、縦軸に示す加速度スペクトル（ｇａｌ×ｓｅｃ）との関係を示している。そして、加速度スペクトルの算出は、図６に示す波形に基づいて周知のＦＦＴ（高速フーリエ変換）のアルゴリズムを用い、対象地震動の調和波への分解を行うこと、すなわち図６に示す表層波形のうち対象地震動の共振する成分を抽出し、この共振成分により計算され、図７に示す表層波加速度スペクトルが得られる。

次いで、ステップＳ３において、図８に示すように、ガスホルダー１の固有周期における加速度応答値（図８に示す補強前加速度応答値Ｐ１のグラフ）を算出する。なお、図８に示す補強後加速度応答値Ｐ２のグラフは、後述するステップＳ５、Ｓ６により求められ、補強前・補強後の固有周期における加速度応答の比較を示している。すなわち、図８は、横軸に示す周期（ｓｅｃ）と、縦軸に示すガスホルダー１における水平応答加速度（ｇａｌ）との関係を示している。図の例では、ステップＳ１の固有値解析に基づき、ガスホルダー１の有効質量が８３０ｔｏｎ、固有周期が０．７８ｓｅｃとなった解析結果を用い、減衰係数を２％に仮定した場合に得られたものである。つまり、ガスホルダー１の固有周期が０．７８の場合、ステップＳ２で地震波のうち０．７８秒の成分を抜き出し、ステップＳ３でガスホルダー１のモデル（補強前加速度応答値Ｐ１）に入れると６０００ｇａｌの応答が得られる。

さらに、ステップＳ４では、図８に示すガスホルダー１の強度より得られる目標許容値Ｐ０を、水平応答加速度（ｇａｌ）の値として設定する。この目標許容値Ｐ０は、ガスホルダー１が地震動が作用してピストン１５が応答したときに、ピストン１５によるガスの気密性が保持されることが可能な値として設定される。なお、図８において、水平応答加速度の目標許容値Ｐ０は、１６００ｇａｌに設定されている。

続いて、ステップＳ５では、ガスホルダー１の共振時の応答をステップＳ４で設定した目標許容値Ｐ０まで低減するために補強する制振装置２を、ガスホルダー１のピストン１５に対して設定する。そして、ステップＳ６において、ステップＳ５で設定された条件に基づく制振装置２（２Ａ、２Ｂ）をピストン１５に設けて補強したガスホルダー１において、固有値解析を行い、補強後加速度応答値Ｐ２を求める。
ステップＳ５及びステップＳ６では、ガスホルダー１の共振時の応答を前記目標許容値Ｐ０まで低減するＴＭＤ（制振装置２Ａ、２Ｂ）、すなわち最適な質量部ｍ、ばね部Ｋ、減衰部Ｃ、ピストン１５に対する取り付け位置、および水平用制振装置２Ａと傾斜用制振装置２Ｂの種別が決定される。

ステップＳ７では、ステップＳ５で設定した制振装置によって補強したガスホルダー１の応答（上述した補強後加速度応答値Ｐ２）と目標許容値Ｐ０とを比較する。その結果、補強後加速度応答値Ｐ２が目標許容値Ｐ０より小さい場合（ステップＳ７：ＹＥＳ）には、図５に示す制振装置の設計補強フローが完了（ＥＮＤ）となる。また、その応答Ｐ２が目標許容値Ｐ０以上の場合（ステップＳ７：ＮＯ）には、ステップＳ５に戻り、制振装置２の再設定が行われ、そのときの応答Ｐ２が目標許容値Ｐ０より小さくなるまで、ステップＳ５〜Ｓ７が繰り返し実施される。
このようにステップＳ７において、制振装置２で補強した既存のガスホルダー１の応答が目標許容値Ｐ０よりも大きい場合には、再度、制振装置２をガスホルダー１のピストン１５に対して設定し直すことを繰り返し行うことが可能であり、前記応答Ｐ２が目標許容値Ｐ０よりも確実に小さくなるように設定することができる。

なお、図８の例では、ステップＳ５、Ｓ６で求められた補強後加速度応答値Ｐ２は、目標許容値Ｐ０よりも小さくなっており、補強した制振装置２Ａの付加質量が３８ｔｏｎであり、補強前のガスホルダー１の有効質量８３０ｔｏｎに対する質量比が４．５％増であり、固有周期が０．７８ｓｅｃ、減衰定数を１３％となった解析結果を用いて得られたものである。

次に、上述したガスホルダー１の補強方法、およびガスホルダー１の作用について図面に基づいて詳細に説明する。
本実施の形態では、既存のガスホルダー１に対して固有値解析を行って固有周期を求め、対象地震動の波形から、共振する成分をフーリエ変換により算出されたフーリエスペクトルより抽出し、ガスホルダー１の共振時の加速度応答値に当てはめたときの応答が得られる。その応答を目標許容値Ｐ０まで低下させる制振装置２をピストン１５に設けることで、ピストン１５のホルダー本体１０への衝突や傾斜するのを抑制することができる。

また、ガスホルダー１は、ピストン１５がガス圧によって浮いており、地震力が入ったときに、その地震力が地盤からホルダー本体１０の側壁１４に伝達され、さらにホルダー本体１０を構成する基柱１２が地震力によって揺すられてピストン１５に水平力が伝達される構成、すなわち構造物（ガスホルダー１）全体が揺すられることによりピストン１５が励起される構成となっている。そのため、図９に示すように、このような荷重伝播経路を有するガスホルダー１であっても、本実施の形態の補強方法とすることで、ピストン１５自体に作用する水平応答（図９の符号Ｘ方向）を水平用制振装置２Ａの減衰作用により、傾斜応答（図９の符号Ｆ方向）を傾斜用制振装置２Ｂの減衰作用により効果的に低減することができる。

また、ピストン１５に対して制振装置２を配置するといった施工の容易な補強構造であり、例えばホルダー本体の外周部に鋼材を配置するような大掛かりな補強とならず、工期を短縮することができ、ガスホルダー１の停止期間を短くすることが可能となり、操業の影響を最小に抑えることができる。
しかも、補強する制振装置２Ａ、２Ｂはガスホルダー１の総重量に対して１％程度の負荷質量とすることが可能となるので、補強量を低減することができるうえ、従来工法に比べて補強箇所も最小化することができ、コストの低減を図ることができる。

さらに、制振装置２をピストン１５に対して取り付ける補強方法であり、ホルダー本体１０に対して直接溶接を行わない補強となることから、ホルダー本体１０に溶接歪が生じるのを防ぐことができ、垂直精度の許容値を確保することができる。

また、本実施の形態のガスホルダー１は、複数の傾斜用制振装置２Ｂが、地震動の作用により最も変動エネルギーの大きなピストン１５の外周部に沿って周方向に間隔をあけて配置されるので、制振装置２Ａ、２Ｂを付加した効果的な補強を実現することが可能となる。

したがって、震度６を超える大規模地震が発生した場合であっても、図１０に示すような、ガスホルダー１内部のピストン１５が水平力を受けることにより、ピストン１５がホルダー本体１０に衝突したり、ピストン１５が大きく傾斜する不具合を防止することができる。そのため、本実施の形態においては、ピストン１５がホルダー本体１０に衝突すると、ホルダー本体１０におけるピストン１５の接触部の鉄骨（基柱１２）が破断し、柱脚部の圧縮が過大となって基柱１２が座屈し、さらにガスホルダー１を支持する杭の杭頭部が塑性化するとともに、ピストン慣性力位置と衝突反力位置がずれてピストン１５がガスホルダー１内部で傾斜し、ホルダー本体１０とピストン１５との間で油シール切れが生じ、その部分からガスＧが漏れ出し、ピストン１５が落下するという従来の問題を無くすことができる。

上述した本実施の形態によるガスホルダーの補強方法、およびガスホルダーでは、ホルダー本体１０に対する溶接作業を行うことなく補強することができ、大地震時におけるピストン１５のホルダー本体１０への衝突や傾斜を抑制することができる。

以上、本発明によるガスホルダーの補強方法、およびガスホルダーの実施の形態について説明したが、本発明は上記の実施の形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。

例えば、ピストン１５の上面１５ｂに配置される制振装置２の数量、位置は本実施の形態に制限されることはなく、上述した制振装置２の設計方法（補強方法）に応じて適宜に設定することができる。本実施の形態では、傾斜用制振装置２Ｂは円周方向に８個配置されているが、例えば４個とすることも可能である。

なお、本実施の形態のガスホルダーの補強方法を実現するべく、コンピュータに対し、本実施の形態のガスホルダーの補強方法（上述した各ステップＳ１〜Ｓ７）を実行するためのコンピュータプログラムを供給し、そのコンピュータ（ＣＰＵあるいはＭＰＵ）に格納された該プログラムに従って耐震性を評価することができる。

また、上記の場合においては、上記コンピュータプログラム自体が本実施の形態の機能を実現することになる。そのコンピュータプログラムの伝送媒体としては、プログラム情報を搬送波として伝播させて供給するためのコンピュータネットワーク（ＬＡＮ、インターネット等のＷＡＮ、無線通信ネットワーク等）システムにおける通信媒体（光ファイバ等の優先回線や無線回線等）を用いることができる。

さらに、上記コンピュータプログラムをコンピュータに供給するための手段、例えばかかるコンピュータプログラムを格納した記憶媒体を構成することもできる。かかる記憶媒体としては、例えばフレキシブルディスク、ハードディスク、光ディスク、光磁気ディスク、ＣＤ−ＲＯＭ、磁気テープ、不揮発性のメモリカード、ＲＯＭ等の各種記録媒体を用いることができる。

その他、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、上記した実施の形態における構成要素を周知の構成要素に置き換えることは適宜可能である。

１ ガスホルダー
２ 制振装置
２Ａ 水平用制振装置
２Ｂ 傾斜用制振装置
１０ ホルダー本体
１２ 基柱
１３ 横梁
１４ 側壁
１５ ピストン
１５ａ 外周部
１５ｂ 上面
１６ 屋根部材
Ｅ 円周方向
Ｙ 上下方向
Ｐ０ 目標許容値
Ｐ１ 補強前加速度応答値
Ｐ２ 補強後加速度応答値
Ｒ１ ガス封入空間
Ｒ２ 上部空間

Claims (5)

1. 既存のガスホルダーに対して、設定震度に応じた耐震補強を行うためのガスホルダーの補強方法であって、
   前記ガスホルダーの解析モデルを作成し固有値解析を行う工程と、
   所定地域における対象地震動の波形のうち前記ガスホルダーを共振する成分をフーリエ解析を用いて抽出し、この共振成分に基づいて前記ガスホルダーの固有周期における加速度応答値を算出する工程と、
   前記ガスホルダーの強度の目標許容値を設定する工程と、
   前記ガスホルダーの共振時の応答を前記目標許容値まで低減する制振装置を、前記ガスホルダーのピストンに対して設定する工程と、
   設定された条件に基づく前記制振装置を前記ピストンに設けて補強する工程と、
   を有することを特徴とするガスホルダーの補強方法。
2. 補強後の既存のガスホルダーの応答と目標許容値とを比較する工程を有していることを特徴とする請求項１に記載のガスホルダーの補強方法。
3. 前記制振装置は、前記ピストンの中心部に配置される水平用制振装置と、前記ピストンの外周部に配置される傾斜用制振装置と、を備えていることを特徴とする請求項１又は２に記載のガスホルダーの補強方法。
4. 前記傾斜用制振装置は、前記ピストンの外周部に沿って周方向に間隔をあけて複数が配置されていることを特徴とする請求項３に記載のガスホルダーの補強方法。
5. 請求項１乃至４のいずれか１項に記載のガスホルダーの補強方法によって前記制振装置が前記ピストンに設けられていることを特徴とするガスホルダー。

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