JP7367724B2 - 円筒形構造物の補強構造およびこれを備える補強円筒形構造物 - Google Patents

Description

本発明は、下端部が固定されるとともに上端部が開放された中空の円筒形構造物を、該円筒形構造物に作用する風力に対して補強する円筒形構造物の補強構造およびこれを備える補強円筒形構造物に関する。

従来、浮屋根式円筒石油タンクやドーム型平底円筒タンク等の円筒形構造物を構築する場合、円筒形構造物の壁面を下から順々に円筒状に立ち上げて、溶接や検査等の工事を進めていく。構築途中の円筒形構造物は、その上端部に屋根等がまだ設置されていない状態にあり、円筒形構造物の壁面の面外方向への剛性が低いため、強風時に円筒形構造物が壁面に垂直な風圧を受けると、円筒形構造物の壁面が座屈して、倒壊に至る恐れがある。

また、港湾の岸壁等に適用される根入れ鋼板セル工法でも、鋼板で構成された円筒殻である鋼板セルが用いられる。鋼板セルは、建設現場とは異なる場所で予め製作され、建設工程に合わせて順次建設現場に搬送される。搬送された鋼板セルは、建設現場に一定期間仮置きされることとなり、このとき鋼板セルは下端部のみ固定され、上端部が開放された円筒形構造物となる。そして、仮置きされた鋼板セルが強風時に壁面に垂直な風圧を受けると、鋼板セルの壁面が座屈して、倒壊に至る恐れがある。

上端部が開放された中空の円筒形構造物に風力が作用して発生する座屈現象について、時刻歴応答解析を行って得られた結果の例を、図５（ａ）～図５（ｃ）に示す。このような円筒形構造物では、壁面の面外剛性が低いため、図５（ｂ）に示すように、円筒形構造物の下端部に瞬間的に局部座屈が生じた後、図５（ｃ）に示すように、円筒形構造物の壁面の風上部分が全体的に倒れ込むような変形モードとなっている。

このような座屈現象を防ぐため、上端部が開放された円筒形構造物には、強風対策用の補強を施す必要がある。

従来の円筒形構造物の補強構造では、例えば図６（ａ）の縦断面図および図６（ｂ）の平面図に示すように、円筒形構造物５の上端部５Ｕと、反力確保用の治具や防液堤等のアンカー８２との間に、平面視放射状に複数本のワイヤ８１を張り、強風時の円筒形構造物の壁面に作用する面荷重に耐える円筒形構造物の補強構造８としている。各ワイヤ８１は、その一端が円筒形構造物５の上端部５Ｕに連結され、他端が前記アンカー８２に固定されて、円筒形構造物５の上端部５Ｕとアンカー８２との間に張架される。円筒形構造物５の内部には、円筒形構造物５を構築するための足場が設置されることが多いため、ワイヤ８１は円筒形構造物５の内側でなく外側に張られることが一般的である。

また、従来の円筒形構造物の補強構造の他の例として、特許文献１には、図７（ａ）の縦断面図および図７（ｂ）の平面図に示すように、円筒形構造物５の構築途中の上端部の内周面上に仮設足場９１をリング状に設置して強め輪として機能させ、円筒形構造物５の構築済みの外壁面上に外周歩廊兼テンションリング９２を暫定的に組付ける円筒形構造物の補強構造９が開示されている。

また、従来の円筒形構造物の補強構造のさらに他の例として、特許文献２には、円筒形構造物の側板の全周にわたらない範囲で、かつ、卓越風に面する範囲のみにワイヤを張ることが開示されている。

特開２０００－１２０２７６号公報 特開２０１８－７６１１２号公報

しかし、上記の従来の円筒形構造物の補強構造のいずれにおいても、強風時の風力の発生メカニズムについては全く考慮されておらず、円筒形構造物に作用する風力に対して、ワイヤ、強め輪、テンションリング等の補強部材にどの程度の耐力を持たせる必要があるかについても、明確でない。つまり、従来の円筒形構造物の補強構造では、円筒形構造物に取り付けられる補強部材の耐力（強度、サイズ、数）をどのように設定すべきかについて、詳細な検討がなされていないため、補強部材の耐力が、過大な安全率を乗じて設計されることとなり、建設費用を上昇させ、建設作業の効率性を低下させている。

上記課題に鑑み、本発明は、下端部が固定されるとともに上端部が開放された中空の円筒形構造物を、該円筒形構造物に作用する風力に対して、極めて合理的に補強することのできる円筒形構造物の補強構造およびこれを備える補強円筒形構造物を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明の円筒形構造物の補強構造およびこれを備える補強円筒形構造物は、以下の特徴を有する。

［１］ 下端部が固定されるとともに上端部が開放された中空の円筒形構造物を、該円筒形構造物に作用する風力に対して補強する円筒形構造物の補強構造であって、前記上端部の少なくとも１か所に、前記円筒形構造物の径方向外側に向けて水平力を付与する補強部材が取り付けられ、前記補強部材の水平耐力Ｆ_ｎが、前記円筒形構造物の座屈耐力ｐ_ｃｒおよび設計風力Ｗに対し、下記（１）式の関係を満たすことを特徴とする円筒形構造物の補強構造。

Ｆ_ｎ≧√３・ＨＲ（Ｗ－ｐ_ｃｒ） （１）
ただし、Ｈは前記円筒形構造物の高さ、Ｒは前記円筒形構造物の半径である。

［２］ 前記座屈耐力ｐ_ｃｒは、下記（２）式により算出されることを特徴とする［１］に記載の円筒形構造物の補強構造。

ｐ_ｃｒ＝０．８２α（Ｈ／Ｄ）^－１（Ｒ／ｔ）^－２．５ （２）
ただし、
α＝π^２Ｅ／｛２４（１－ν^２）^０．７５｝ （３）
とし、Ｄは前記円筒形構造物の直径、ｔは前記円筒形構造物の肉厚、Ｅは前記円筒形構造物のヤング係数、νは前記円筒形構造物のポアソン比である。

［３］ 前記設計風力Ｗは、下記（４）式により算出されることを特徴とする［１］または［２］に記載の円筒形構造物の補強構造。

Ｗ＝Ｃ_ｆ０×Ｇ_ｆ×（１／２）ρＶ^２ （４）
ただし、Ｃ_ｆ０はよどみ点における風力係数、Ｇ_ｆはガスト影響係数、ρは空気密度、Ｖは設計風速である。

［４］ 前記補強部材は、前記上端部の周方向の６か所に取り付けられていることを特徴とする［１］～［３］のいずれかに記載の円筒形構造物の補強構造。

［５］ 前記補強部材は、前記円筒形構造物の中心軸に対し、前記上端部の周方向に５５°以上６５°以下の間隔で配置されていることを特徴とする［４］に記載の円筒形構造物の補強構造。

［６］ 下端部が固定されるとともに上端部が開放された中空の円筒形構造物を、該円筒形構造物に作用する風力に対して補強する円筒形構造物と、前記円筒形構造物を補強する、［１］～［５］のいずれかに記載の円筒形構造物の補強構造とを備えることを特徴とする補強円筒形構造物。

本発明の円筒形構造物の補強構造およびこれを備える補強円筒形構造物によれば、円筒形構造物の径方向外側に向けて水平力を付与する補強部材の水平耐力Ｆ_ｎが、円筒形構造物の座屈耐力ｐ_ｃｒおよび設計風力Ｗに対し、（１）式の関係を満たすように設定されていることにより、補強部材の水平耐力が効率的に発揮され、極めて合理的な補強構造となる。よって、補強部材の耐力（強度、サイズ、数）を、合理的な安全率で設計することが可能となり、建設費用を抑え、建設作業の効率性を向上できる。

本発明に係る円筒形構造物の補強構造およびこれを備える補強円筒形構造物の一例を示す図であり、（ａ）は立面図、（ｂ）は平面図である。 補強部材の水平耐力Ｆ_ｎの算出にあたり考慮する面荷重ｐ_ｎの範囲と、これに基づいて算出される水平耐力Ｆ_ｎとの関係を示すグラフである。 本発明に係る円筒形構造物の補強構造およびこれを備える補強円筒形構造物の他の一例を示す図であり、（ａ）は立面図、（ｂ）は平面図である。 本発明に係る円筒形構造物の補強構造およびこれを備える補強円筒形構造物のさらに他の一例を示す図であり、（ａ）は立面図、（ｂ）は平面図である。 円筒形構造物に風力が作用して発生する座屈の例を示す図である。 従来の円筒形構造物の補強構造の一例を示す図であり、（ａ）は立面図、（ｂ）は平面図である。 従来の円筒形構造物の補強構造の他の一例を示す図であり、（ａ）は立面図、（ｂ）は平面図である。

以下、図面を参照して、本発明の円筒形構造物の補強構造およびこれを備える補強円筒形構造物の実施の形態について説明する。

図１（ａ）の縦断面図および図１（ｂ）の平面図に示すように、本実施の形態の円筒形構造物の補強構造１は、下端部５Ｌが地面に固定されるとともに上端部が開放された中空の円筒形構造物５を、この円筒形構造物に作用する風力に対して補強するものである。

また、本実施の形態の補強円筒形構造物１０は、円筒形構造物５と、この円筒形構造物５を補強する上記円筒形構造物の補強構造１とを備えて、構成されるものである。

図１（ａ）および図１（ｂ）に示すように、円筒形構造物５の上端部５Ｕには、円筒形構造物５の径方向外側に向けて水平力を付与するワイヤ（補強部材）１１が取り付けられている。具体的には、図１（ａ）に示すように、円筒形構造物５の上端部５Ｕと、地面に設置された反力確保用のアンカー１２との間に、６本のワイヤ１１が張架されている。図１（ｂ）に示すように、６本のワイヤ１１は、円筒形構造物５の中心軸５Ｃに対して平面視放射状に並ぶように、円筒形構造物５の上端部５Ｕの周方向に６０°の間隔で配列されている。

円筒形構造物５の径方向外側に向けて水平力を付与する各ワイヤ１１の水平耐力Ｆ_ｎは、円筒形構造物５の座屈耐力ｐ_ｃｒおよび設計風力Ｗに対し、下記（１）式の関係を満たすように設定されている。

Ｆ_ｎ≧√３・ＨＲ（Ｗ－ｐ_ｃｒ） （１）
ただし、Ｈは円筒形構造物５の高さ、Ｒは円筒形構造物５の半径である。

（１）式の関係について、以下に説明する。

円筒形構造物５の座屈耐力ｐ_ｃｒが設計風力Ｗを下回ることによる、円筒形構造物５の座屈を防ぐために、補強部材（ワイヤ）１１が負担すべき面荷重ｐ_ｎは、
ｐ_ｎ＝Ｗ－ｐ_ｃｒ （５）
である。ここで、本発明では、円筒形構造物５に作用する風力分布の特性を用いて、補強部材（ワイヤ）１１が負担すべき面荷重ｐ_ｎを、補強部材が備えるべき水平耐力Ｆ_ｎに変換し、（１）式の関係を得ている。

円筒形構造物５の壁面に作用する風力は、高さ方向および周方向に空間的・時間的に変化し、流入する気流の性質によって、円筒形構造物５に作用する風力分布の特性が大きく変化する。ここで、本発明者は、鋭意研究を重ねた結果、円筒形構造物５に風力が作用して生じる座屈現象は、風上側の正の風力により支配的に影響され、とりわけ、円筒形構造物５の中心軸５Ｃに対して風上側正面をθ＝０°とするとき、円筒形構造物５の周方向に－６０°≦θ≦＋６０°の範囲に作用する正の風力が、円筒形構造物５の座屈現象に支配的な影響を与えることを見出した。

これより、風力分布が高さ方向で一様であるものと仮定すると、補強部材（ワイヤ）１１が備えるべき水平耐力Ｆ_ｎは、補強部材が負担すべき面荷重ｐ_ｎのうち、円筒形構造物５の周方向に－６０°≦θ≦＋６０°の範囲に作用する風力についてθ＝０°方向成分を積分して、下記（１’）式のように算出され、これより上記（１）式の関係が導かれる。

図２に、上記（１’）式の水平耐力Ｆ_ｎの算出において、考慮する面荷重ｐ_ｎの範囲を、－６０°≦θ≦＋６０°から変化させた場合に、補強部材（ワイヤ）１１が備えるべき水平耐力Ｆ_ｎがどのように変化するかを、グラフで示す。ただし、図２において、縦軸の水平耐力Ｆ_ｎはＨＲ／（Ｗ－ｐ_ｃｒ）で基準化している。

図２に示されるように、考慮する面荷重ｐ_ｎの範囲を±６０°よりも広くすると、補強部材（ワイヤ）１１が備えるべき水平耐力Ｆ_ｎは必要な水平力を上回り、非効率的な補強構造となる。一方、考慮する面荷重ｐ_ｎの範囲を±６０°よりも狭くすると、補強部材（ワイヤ）１１が備えるべき水平耐力Ｆ_ｎは必要な水平力を下回り、補強が不足する。そこで、本発明では、式（１）、（１’）に示すように、補強部材が負担すべき面荷重ｐ_ｎのうち、円筒形構造物５の周方向に－６０°≦θ≦＋６０°の範囲に作用する風力を考慮して、補強部材（ワイヤ）１１が備えるべき水平耐力Ｆ_ｎを算出している。

上記（１）式において、円筒形構造物５の座屈耐力ｐ_ｃｒは、本発明者らによる「変動風力を受ける円筒形貯槽の動的座屈特性」（日本風工学会論文集、平成３０年４月、第４３巻、第２号、ｐｐ．１－１０）に開示される、屋根面のない円筒形構造物の風力に対する無次元座屈耐力ｋ_ｖの近似式に基づいて、下記（２）式のように算出される。

ｐ_ｃｒ＝０．８２α（Ｈ／Ｄ）^－１（Ｒ／ｔ）^－２．５ （２）
ただし、
α＝π^２Ｅ／｛２４（１－ν^２）^０．７５｝ （３）
とし、Ｄは円筒形構造物５の直径、ｔは円筒形構造物５の肉厚、Ｅは円筒形構造物５のヤング係数、νは円筒形構造物５のポアソン比である。

また、円筒形構造物に作用する風力Ｗについては下記式（４）で表される。

Ｗ＝Ｃ_ｆ０×Ｇ_ｆ×（１／２）ρＶ^２ （４）
ただし、Ｃ_ｆ０はよどみ点における風力係数、Ｇ_ｆはガスト影響係数、ρは空気密度、Ｖは設計風速である。

本実施の形態の円筒形構造物の補強構造１およびこれを備える補強円筒形構造物１０によれば、円筒形構造物５の径方向外側に向けて水平力を付与するワイヤ（補強部材）１１の水平耐力Ｆ_ｎが、円筒形構造物５の座屈耐力ｐ_ｃｒおよび設計風力Ｗに対し、（１）式の関係を満たすように設定されていることにより、ワイヤ１１の水平耐力が効率的に発揮され、極めて合理的な補強構造となる。よって、ワイヤ１１の耐力（強度、サイズ、数）を、合理的な安全率で設計することが可能となり、建設費用を抑え、建設作業の効率性を向上できる。また、円筒形構造物５は、下端部が固定され、上端部が開放されているため、円筒形構造物５の上端部５Ｕにワイヤ（補強部材）１１を取り付けることで、円筒形構造物５の耐風性を著しく向上させることができる。

なお、上記（１’）式の水平耐力Ｆ_ｎの算出において、考慮する面荷重ｐ_ｎの範囲を、６０°≦θ≦＋６０°としていることから、ワイヤ（補強部材）１１は、本実施の形態のように、円筒形構造物５の上端部５Ｕの周方向に６０°の間隔で設置されれば必要十分である。この配置間隔を５５°以上６５°以下の範囲内とすれば、円筒形構造物の補強構造１の合理性が確保される。

なお、本発明の円筒形構造物の補強構造およびこれを備える補強円筒形構造物は、上記実施の形態に限定されることなく、本発明の要旨の範囲内において、適宜変更することが可能である。例えば、図３（ａ）の縦断面図および図３（ｂ）の平面図に示す円筒形構造物の補強構造２およびこれを備える補強円筒形構造物２０のように、補強部材として、円筒形構造物５の上端部５Ｕと、円筒形構造物５の内側の地面との間に斜材２１を架設して、円筒形構造物５の上端部５Ｕに径方向外側に向けて水平力を付与するようにしてもよい。あるいは、図４（ａ）の縦断面図および図４（ｂ）の平面図に示す円筒形構造物の補強構造３およびこれを備える補強円筒形構造物３０のように、補強部材として、円筒形構造物５の上端部５Ｕの内側に水平に水平トラス部材３１を架設して、円筒形構造物５の上端部５Ｕに径方向外側に向けて水平力を付与するようにしてもよい。

円筒形構造物の補強構造 １、２、３
補強円筒形構造物 １０、２０、３０
補強部材（ワイヤ） １１
補強部材（斜材） ２１
補強部材（水平トラス部材） ３１
円筒形構造物 ５
下端部 ５Ｌ
上端部 ５Ｕ
中心軸 ５Ｃ

Claims (6)

1. 下端部が固定されるとともに上端部が開放された中空の円筒形構造物を、該円筒形構造物に作用する風力に対して補強する円筒形構造物の補強構造であって、
   前記上端部の少なくとも１か所に、前記円筒形構造物の径方向外側に向けて水平力を付与する補強部材が取り付けられ、
   前記補強部材の水平耐力Ｆ_ｎが、前記円筒形構造物の座屈耐力ｐ_ｃｒおよび設計風力Ｗに対し、下記（１）式の関係を満たすことを特徴とする円筒形構造物の補強構造。
   Ｆ_ｎ≧√３・ＨＲ（Ｗ－ｐ_ｃｒ） （１）
   ただし、Ｈは前記円筒形構造物の高さ、Ｒは前記円筒形構造物の半径である。
2. 前記座屈耐力ｐ_ｃｒは、下記（２）式により算出されることを特徴とする請求項１に記載の円筒形構造物の補強構造。
   ｐ_ｃｒ＝０．８２α（Ｈ／Ｄ）^－１（Ｒ／ｔ）^－２．５ （２）
   ただし、
   α＝π^２Ｅ／｛２４（１－ν^２）^０．７５｝ （３）
   とし、Ｄは前記円筒形構造物の直径、ｔは前記円筒形構造物の肉厚、Ｅは前記円筒形構造物のヤング係数、νは前記円筒形構造物のポアソン比である。
3. 前記設計風力Ｗは、下記（４）式により算出されることを特徴とする請求項１または２に記載の円筒形構造物の補強構造。
   Ｗ＝Ｃ_ｆ０×Ｇ_ｆ×（１／２）ρＶ^２ （４）
   ただし、Ｃ_ｆ０はよどみ点における風力係数、Ｇ_ｆはガスト影響係数、ρは空気密度、Ｖは設計風速である。
4. 前記補強部材は、前記上端部の周方向の６か所に取り付けられていることを特徴とする請求項１～３のいずれかに記載の円筒形構造物の補強構造。
5. 前記補強部材は、前記円筒形構造物の中心軸に対し、前記上端部の周方向に５５°以上６５°以下の間隔で配置されていることを特徴とする請求項４に記載の円筒形構造物の補強構造。
6. 下端部が固定されるとともに上端部が開放された中空の円筒形構造物を、該円筒形構造物に作用する風力に対して補強する円筒形構造物と、
   前記円筒形構造物を補強する、請求項１～５のいずれかに記載の円筒形構造物の補強構造と
   を備えることを特徴とする補強円筒形構造物。

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