JP6884374B2 - タンク - Google Patents

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制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、地震動にと貯水槽内の水との共振によって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、タンクの壁面と中の液体とが連成振動することによって発生する、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。また、繊維強化プラスチック（ＦＲＰ）製のタンクの場合、４〜５Ｈｚの固有振動数を持つものが多いと言われている。通常の免震構造物は、地震との共振を防止するために、一次固有周期を４秒以上にすることを目標としているが、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、スロッシングを抑制する構造は、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。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。特許文献３には、大型タンクの固有周期を長周期化するために底面に対向する支持板を支柱によって指示し、その支持板と底面との間に積層ゴムを挟んだタンクが開示されている。

特開昭６３−１７２０９２号公報 特開２００５−１８７０１９号公報 特開平０９−１８３４８８号公報

本発明は、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するために、振動をより長周期化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、制震部材とタンク本体とを備えたタンクに関する。本発明のタンクは、矩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を備えている。また本発明のタンクは、タンク本体の底面の下側に互いに間隔をあけて配置されて、底面と側面との接合部分の少なくとも一部を支持する複数の制震部材を備えている。本発明のタンクは、制震部材が、制震部材の上面を構成する上側金属板と制震部材の下面を構成する下側金属板とからなる一対の金属板と、この上側金属板と下側金属板との間に設置される平板状のゴム板とを備える複合部材でなる。本発明の制震部材の平板状のゴム板は、圧縮永久歪が２０％以下、引張り強さが５〜１４Ｎ／ｍｍ ^２ 、静的せん断弾性率が０．２〜０．５Ｎ／ｍｍ ^２ であ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複数の制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。

本発明のタンクの制震部材は、一対の金属板及びゴム板がいずれも略矩形状であり、
ゴム板の縦方向の辺の長さが一対の金属板の縦方向の辺の長さより短く、且つゴム板の横方向の辺の長さが一対の金属板の横方向の辺の長さより短くあって、上面視でゴム板が金属板の内側に設置されている。

また代替的には、制震部材の一対の金属板が略矩形状であり、且つゴム板が略円形であり、ゴム板の径方向の長さが、一対の金属板の一辺の長さより短く、上面視でゴム板が金属板の内側に設置されている。

本発明の制震部材は、タンク本体の底面の下側の鋼材の下面に、４枚以上配置されていることを特徴とする。

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制震部材を備えている。この構成により、タンク本体が制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抑制される。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。

本発明のタンクの制震部材は、制震部材を二枚の金属板と金属板の間に設置される平板状のゴム板（厚みに対して平面の辺が３倍以上）とからなる複合部材とすることで、同じ容積のゴム板単体を用いた場合よりもゴムの撓みを大きく抑制することができる。

本発明のタンクの制震部材は、制震部材を二枚の金属板とこの金属板の間に設置される平板状のゴム板とからなる複合部材としたことにより、ゴム板単体で制震部材を構成するよりも高い耐久性を得ている。

バルジング発生時の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設計することができる。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。

制震部材の金属板とゴム板とがいずれも略矩形状を有しており、ゴム板の縦方向の辺の長さを一対の金属板の縦方向の辺の長さより短くし、且つゴム板の横方向の辺の長さを一対の金属板の横方向の辺の長さより短くすることで、ゴム板を金属板と金属板の間の空間に収容することが可能となり、ゴム板は好ましい均一な撓み量で変形する。

同様に、制震部材の金属板を略矩形状とし、且つゴム板を略円形として、ゴム板を金属板と金属板の間の空間に収容することで、ゴム板は好ましい均一な撓み量で変形する。

本発明の制震部材を互いに間隔を開けて複数配置することで、タンク設置時の制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。制震部材に局所的に荷重がかかった場合であっても、ゴム板の変形の自由度が高くなり、ゴム板の制震の機能を充分に発揮させることができる。

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、実施例１のタンクの制震部材を示しており、図２（ａ）は制震部材の平面図であり、図２（ｂ）は制震部材の正面図である。 図３は、本発明にかかるタンクの制震部材の他の実施例を示しており、図３（ａ）は制震部材の平面図であり、図３（ｂ）は制震部材の正面図である。 図４は、タンク本体の底面に対する制震部材の配置の一例を模式的に示す図である。 図５は、実施例１のタンク及び比較例のタンクを定常波加振した時の入力振動数と動水圧応答の関係を示すグラフである。 図６は、実施例１のタンク及び比較例のタンクを定常波加振した時のタンクの高さごとの変位を示すグラフである。 図７（ａ）は、実施例１のタンクを定常波加振した時の動水圧の経時変化を示すグラフであり、図７（ｂ）は、比較例のタンクを定常波加振した時の動水圧の経時変化を示すグラフである。 図８（ａ）は、実施例１のタンクを東北地方太平洋沖地震の地震波で加振した時の動水圧の経時変化示すグラフであり、図８（ｂ）は、比較例のタンクを同一条件で加振した時の動水圧の経時変化を示すグラフである。

以下に、金属板を用いて略立方体形状としたタンクに、本発明を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。側面および上面は、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た側面部材を複数溶接して構成されている。
（形態２）制震部材は、略正方形の２枚の金属板の間に、略正方形のゴム板が挟まれて構成されている。ゴム板の一辺の長さは金属板の一辺の長さよりも短く、ゴム板は金属板の外側にはみ出すことなく設置される。
（形態３）制震部材は、略正方形の２枚の金属板の間に、略円形のゴム板が挟まれて構成されている。ゴム板の直径は金属板の一辺の長さよりも短く、ゴム板は金属板の外側にはみ出すことなく設置される。
（形態４）制震部材は、鋼材下面の頂点と、各辺の中間部に、互いに間隔を開けて配置される。
（形態５）制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制震効果の得られるゴム板は、圧縮永久歪が２０％以下、引張り強さが５〜１４Ｎ／ｍｍ^２、静的せん断弾性率が０．２〜０．５Ｎ／ｍｍ^２ 程度の物性値を有する。

（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。タンク１は、タンク本体１１と鋼材１５と制震部材２とを備えている。

本実施例のタンク本体１１は、略正方形の底面１２と、底面１２の各辺に沿って接合されて底面１２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１４とを備えており、幅３０００ｍｍ、奥行き３０００ｍｍ、高さ方向３０００ｍｍの略立方体形状に形成されている。ここでいう奥行きの方向とは、図中の矢印Ａで示された方向であり、幅方向とは、水平面内で図中の矢印Ａに対して垂直な方向である。

タンク本体１１の側面１３および上面１４は、略正方形のパネル２０を水平方向に３枚、高さ方向に３列ずつ溶接して形成されている。パネル２０は、中央に外側に向かって凸である球面状の凸部が設けられたＳＵＳ３０４製の鋼板である。側面１３および上面１４が、球面状の凸部を備えた複数のパネル２０を溶接することによって形成されていることで、側面１３を単に平面で形成した場合と比較してタンク本体１１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２（ａ）に、制震部材２の平面図を示し、図２（ｂ）に制震部材２の正面図を示す。制震部材２は、下側金属板３と上側金属板５とからなる一対の金属板３，５と、この金属板の間に設置される平板状のゴム板４とで構成される。下側金属板３は、縦方向１７０ｍｍ、横方向１７０ｍｍ、厚さ１０ｍｍの正方形の鋼板であり、制震部材２の下面を構成する。上側金属板５は、下側金属板３と同一寸法の、縦方向１７０ｍｍ、横方向１７０ｍｍ、厚さ１０ｍｍの正方形の鋼板であり、制震部材２の上面を構成する。下側金属板３と上側金属板５との間に設置される平板状のゴム板４は、縦方向１５０ｍｍ、横方向１５０ｍｍ、厚さ１０ｍｍの正方形の制震ゴムで構成されている。本実施例では、高減衰ゴムを適用した。ゴム板４と一対の金属板３，５は、中心で位置合わせをして設置されている。すなわち、ゴム板４の端辺の位置が、下側金属板３および上側金属板５の外周から１０ｍｍ内側に位置するように設置されている。金属板３，５に挟まれたゴム板４が、金属板３，５の内側に収容されて振動時にはみださないことで、ゴム板４の過剰な変形が抑制され、ゴム板４は好ましい均一な撓み量で変形する。

図４に、タンク本体１１の鋼材１５の下面に対する制震部材２の配置の一例を模式的に示す。本実施例の制震部材２は、鋼材１５の下面の各頂点および各辺の中央を支持する合計８箇所に、互いに間隔をあけて配置される。本実施例のタンク本体１０は底面１２の各辺に沿って側面１３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１２と側面１３の接合部分の一部を支持することができる。

タンク本体１０に、水深２７００ｍｍとなるように水を供給し、振動試験を行った結果を、図５から図８に示す。図５から図７は、タンク１に対して、図１中の符号Ａで示した水平方向に定常波で加振を行ったときの諸特性の評価結果である。図８は、東北地方太平洋沖地震の地震波を適用して加振を行った場合の動水圧の評価結果である。図５から図８では、比較例として、タンク１から制震部材２を除去してタンク本体１０のみに対して同一条件で振動試験を行った結果を「制震部材なし」の結果として破線で示している。

図５は、実施例１のタンクを定常波加振した時の入力振動数と動水圧応答の関係を示すグラフである。図５で縦軸に示した動水圧応答Ｐとは、各振動数における加振力で、最大動水圧を除した値である。図５においては、実施例１のタンクの動水圧応答Ｐを実線で示している。

図５に示したとおり、本実施例のタンク１は、制震部材のない場合と比較して、バルジングの固有振動数（最大値の現れる振動数）が、約１０／１１低周波側に移動している。さらに、タンク１のバルジングが発生したときの動水圧応答Ｐの値は、制震部材のない場合と比較すると、５／９に低減されている。制震部材２の動水圧応答の減衰効果は明らかである。

図６に、タンク１を定常波加振したときの、底面１２からのタンクの高さごとの変位δを実線で示す。図５と同様、比較のために、タンク１から制震部材２を除去してタンク本体１０のみで定常波加振を行った結果を、「制震部材なし」の結果として破線で示している。タンク１の変位は、最下部（０ｍｍ）から最上部（３０００ｍｍ）までの全ての位置で、比較例のタンク本体１１の変位δの値に対して低減されており、その値は平均４０％、最大で約６０％である。特に、水面付近の高さ２５００ｍｍ付近での変位の低減効果が大きく、制震部材２の振動の減衰効果は明らかである。

図７（ａ）は、実施例１のタンクを定常波加振した時の時間に対する動水圧の経時変化を示すグラフである。図７（ｂ）は、比較例の制震部材のないタンクを定常波加振した時の時間に対する動水圧の経時変化を示すグラフである。タンク１において、周波数４．４Ｈｚ、振幅±１ｍｍの加振を行った場合の動水圧の最大値は、３．８ｋＰａであり、減衰定数Ｋ＝０．０５８２であった。一方で、比較例の制震部材のないタンクを同一条件で加振した場合、動水圧の最大値は、１０．６ｋＰａであり、減衰定数Ｋ＝０．０３９６であった。これらのことからも、制震部材２の振動の減衰効果は明らかである。

図８（ａ）は、実施例１のタンクを東北地方太平洋沖地震の地震波で加振した時の動水圧の経時変化を示すグラフである。図８（ｂ）は、比較例のタンクを同一条件で加振した時の動水圧の経時変化と応答水圧スペクトルの関係を示すグラフである。実際の地震波による加振を適用した場合であっても、本実施例の制震部材２の振動の減衰効果は明らかである。

本実施例のタンク１は、一対の金属板３，５とゴム板４からなる制震部材２がタンク本体１１の鋼材１５の下面に間隔を開けて配置されていることで、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。制震部材２の制震効果は明らかである。

（制震部材の変形例）
本発明のタンクに適用可能な他の制震部材２’の構成の一例を、図３に示す。制震部材２’の下側金属板３と上側金属板５は、実施例１と同様の略正方形の２枚の鋼板である。金属板３，５の間に、略円形のゴム板６が挟まれている。ゴム板の直径は金属板３，５の一辺の長さより短く、ゴム板は金属板３，５の外側にはみ出すことなく設置される。
制震部材の変形例として、下側金属板３の一辺の長さを上側金属板５の一辺の長さよりも長くしたり、下側金属板３の板厚を上側金属板５の板厚よりも厚く構成することも可能である。一対の金属板を長方形または円形で構成することも可能である。

（制震部材の配置の変形例）
実施例１では、制震部材２の配置について、タンク本体１１の鋼材１５の下面の各頂点および各辺の中央を支持する合計８箇所に、互いに間隔をあけて配置される例を示した。しかし、制震部材２のタンクの底面積に対する相対的な大きさを実施例よりも大きくし、鋼材１５の下面の頂点の４箇所のみに配置することが可能である。また、制震部材２のタンクの底面積に対する相対的な大きさを実施例よりも小さくし、鋼材１５の下面の各辺上に２個以上配置することも可能である。

（タンク本体の変形例）
本実施例では、ステンレス鋼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や条件等により、タンクに用いる材料を、他の金属または繊維強化プラスチック（ＦＲＰ）とすることが可能である。また、実施例では立方体形状のタンクについての説明をおこなったが、タンクを直方体状や円柱状、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。その場合の制震部材は、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…タンク
２…制震部材
３…下側金属板
４，６…ゴム板
５…上側金属板
１１…タンク本体
１２…底面
１３…側面
１４…上面
１５…鋼材
２０…パネル

Claims (4)

1. タンクであって、
   矩形状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互いに間隔をあけて配置されて、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複数の制震部材と、
   を備えており、
   前記制震部材が、前記制震部材の上面を構成する上側金属板と前記制震部材の下面を構成する下側金属板とからなる一対の金属板と、前記上側金属板と前記下側金属板との間に設置される平板状のゴム板とを備える複合部材であり、
   前記平板状のゴム板は、圧縮永久歪が２０％以下、引張り強さが５〜１４Ｎ／ｍｍ ^２ 、静的せん断弾性率が０．２〜０．５Ｎ／ｍｍ ^２ であることを特徴とするタンク。
2. 前記制震部材において、前記一対の金属板及び前記ゴム板がいずれも略矩形状であり、
   前記ゴム板の縦方向の辺の長さが前記一対の金属板の縦方向の辺の長さより短く、且つ前記ゴム板の横方向の辺の長さが前記一対の金属板の横方向の辺の長さより短くあって、上面視で前記ゴム板が前記一対の金属板の内側に設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. 前記制震部材において、前記一対の金属板が略矩形状であり、且つ前記ゴム板が略円形であり、
   前記ゴム板の径方向の長さが、前記一対の金属板の辺の長さより短くあって、上面視で前記ゴム板が前記一対の金属板の内側に設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。
4. 前記制震部材が前記タンク本体の前記底面の下側の鋼材の下面に、４枚以上配置されていることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載のタンク。
   

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