JP6132157B2

JP6132157B2 - 液体貯蔵用タンクの免振構造

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Publication number: JP6132157B2
Application number: JP2013192344A
Authority: JP
Inventors: 磯田　和彦; 和彦磯田
Original assignee: Shimizu Corp
Current assignee: Shimizu Corp
Priority date: 2013-09-17
Filing date: 2013-09-17
Publication date: 2017-05-24
Anticipated expiration: 2033-09-17
Also published as: JP2015058939A

Description

本発明は、例えば石油タンクなどの液体を貯蔵する液体貯蔵用タンクの免振構造に関し、特に貯蔵した液体のスロッシングを抑止することが可能な免振構造に関する。

従来、例えば、石油タンクは、内部に石油を貯蔵する有底円筒状のタンク（タンク本体、タンク構造体）と、貯留した石油に浮かべるようにタンクの内部に設けられる浮き屋根と備えて構成されている。

そして、この種の石油タンクにおいては、地震時に、特に地震動の長周期成分によって、タンク内の石油が共振してスロッシングが発生するおそれがある。実際に浮き屋根が大きな揺動変位によって損傷、沈没し、石油が大気に曝露されて引火し、大規模火災が発生した事例がある。

現在、全国には１００００キロリットル以上の石油を貯留可能な石油タンクが２０００基以上存在し、また、５００キロリットル以上の石油タンクが１００００基以上存在するが、石油タンクの長周期地震に対する危険性が注目されるようになったのは最近で、スロッシング対策が考慮されていないものが多々ある。

一方、液体を貯蔵するタンク本体と基礎、地盤との間、すなわち、タンクとこのタンクが設置される支持面との間に免震装置（免振装置）を設けることにより、地震発生時にタンク本体の被害を免震効果によって防止し、さらにタンク本体内に貯蔵した液体のスロッシングを抑止する手法が提案されている（例えば、特許文献１、特許文献２参照）。

特開２０１２−２２９０２６号公報特開２００７−２５３９６８号公報

ここで、タンク（タンク本体）内に貯蔵した液体のスロッシングに対する１次固有周期は、ハウスナーの式により下記の式（１）で表せる。この式（１）から、例えば、重力加速度をｇとし、直径Ｄ＝７０ｍ、高さＨ＝３０ｍで石油の貯蔵量が１１万キロリットルの石油タンクに貯蔵深さｈ＝２０〜３０ｍで石油を貯蔵した場合、スロッシング１次固有周期は、９．２〜９．９ｓｅｃとなる。

そして、このような石油タンクの９．２〜９．９ｓｅｃの１次固有周期は、超高層建物と比べても大幅に長周期である。また、石油タンクのスロッシングに対する減衰は、非常に小さく、減衰は０．５％程度しかない（ちなみに、超高層建物は減衰定数を２％程度として設計されている）。このため、石油タンクは、長周期地震動が作用すると、スロッシング振動が時間とともに増大し、これに伴い前述のような事故を招くおそれがある。

これに対し、例えば図１１から図１３に示すように、石油タンク１と基礎、地盤（支持面２）との間の免震層３に、積層ゴムなどの免震装置（免振機構）４やオイルダンパー等の減衰装置（制振機構）５を設置して、石油タンク１の耐震性を向上させることが提案されている。しかしながら、このような免震構造（免振構造）Ａの固有周期は一般に３〜４秒程度であり、これよりも２〜３倍も長周期のタンク１を免震化しても地震時応答低減効果は小さい。

具体的に、例えば、直径Ｄ＝７０ｍ、高さＨ＝３０ｍで石油（液体）６の貯蔵量が１１万キロリットルの石油タンク１に石油６を満タンにした状態での検討について説明する。

タンク１内の液体重量１０００００ｔｏｎ、タンク本体１ａの自重１００００ｔｏｎとして、Ｔ_１＝９．２ｓｅｃから液体部の等価剛性ｋ_２＝４６．６ｋＮ／ｍｍ、免震層３の固有周期を３．５ｓｅｃとすると、免震層３の剛性はｋ_１＝３５５ｋＮ／ｍｍ（＝７．６０ｋ_２）となる。地表面に対する液体（ｍ_２）の変位応答倍は図１４に示す通りとなり、免震層３にこの応答倍率を最小化する最適減衰を付加しても共振点における液体６の応答変位は地表の十数倍となる。
なお、ω_０はＴ_１＝９．２ｓｅｃに対応する角振動数でω_０＝０．６８ｒａｄ／ｓｅｃ、スロッシングの減衰は小さいため最適値算定において無視した。

このように従来の免震構造Ａを適用しても応答低減効果が小さいため、耐震性を向上させるとともに液体６のスロッシングを効果的に抑止可能な手法が強く望まれていた。

本発明の液体貯蔵用タンクの免振構造は、液体を貯蔵するタンクの免振構造であって、前記タンクの下部と前記タンクが設置される支持面との間に、免振機構と、慣性質量ダンパー及び粘性ダンパーを備えてなり、前記タンク内の液体のスロッシングに対して同調する同調型の制振機構とを介設して構成されていることを特徴とする。

また、本発明の液体貯蔵用タンクの免振構造においては、前記タンクが石油タンクであることが望ましい。

本発明の液体貯蔵用タンクの免振構造においては、タンクの下部とタンクが設置される支持面との間に、例えば積層ゴムなどの免振装置からなる免振機構を介設するとともに、回転慣性質量ダンパーなどの慣性質量ダンパー及びオイルダンパーなどの粘性ダンパーを備えてなり、タンク内の液体のスロッシングに対して同調する同調型の制振機構を介設することにより、タンクの免振効果を得ることが可能になるとともに、タンク内に貯蔵した液体のスロッシングを効果的に抑止することが可能になる。

また、慣性質量ダンパーを用いることにより、タンク内の液体のスロッシングをより効果的に抑止できる同調型制震機構を構成することができ、免振層（免震層）の変位やダンパー反力を、無理なく設計できる範囲におさめることが可能になる。

本発明の一実施形態に係る液体貯蔵用タンク（タンク）及び免振構造を示す図である。図１のＸ１−Ｘ１線矢視図である。図１のＸ２−Ｘ２線矢視図である。本発明の一実施形態に係る液体貯蔵用タンク（タンク）及び免振構造の解析モデルを示す図である。本発明の一実施形態に係る液体貯蔵用タンク（タンク）のシミュレーション結果（液体及びタンクの変位応答倍率）を示す図である。本発明の一実施形態に係る液体貯蔵用タンク（タンク）のシミュレーション結果（変位応答倍率）を示す図であり、従来の免振構造を備えた場合と比較した図である。本発明の一実施形態に係る液体貯蔵用タンク（タンク）のシミュレーションで用いた入力地震動の波形を示す図である。本発明の一実施形態に係る液体貯蔵用タンク（タンク）のシミュレーション結果（タンク内の液体の変位量）を示す図である。本発明の一実施形態に係る液体貯蔵用タンク（タンク）のシミュレーション結果（タンク内の液体の加速度）を示す図である。本発明の一実施形態に係る液体貯蔵用タンク（タンク）のシミュレーション結果（免震層の変位）を示す図である。従来の液体貯蔵用タンク（タンク）及び免振構造を示す図である。図１１のＸ１−Ｘ１線矢視図である。従来の液体貯蔵用タンク（タンク）及び免振構造の解析モデルを示す図である。従来の液体貯蔵用タンク（タンク）のシミュレーション結果（液体及びタンクの変位応答倍率）を示す図である。

以下、図１から図１０を参照し、本発明の一実施形態に係る液体貯蔵用タンクの免振構造（以下、免振構造という）について説明する。

本実施形態のタンク１は、石油貯蔵用の浮き屋根式のタンクであり、図１及び図２に示すように、有底円筒状のタンク本体１ａの内部に石油（液体）６を貯蔵するとともに、タンク本体１ａの内部に石油６に浮かべるように設けられ、石油６の貯蔵量に応じて上下移動自在に配設された浮き屋根１ｂを備えて構成されている。

一方、本実施形態の免振構造Ｂは、図１から図３に示すように、タンク本体（タンク構造体）１ａの下部、すなわち、タンク本体１ａの底版と地表面（基礎、地盤、支持面）２の間に免震層３を設け、この免震層３に、積層ゴムなどからなり、横方向のすべり抵抗と横方向及び上下方向の弾性を有する複数の免振装置（免振支承）４が介設されている。また、この免震装置４を、その上端をタンク本体１ａ側に、下端を地表面２側にそれぞれ接続し、タンク本体１ａを支持するように複数設けて免振機構７が構成されている。

さらに、本実施形態の免振構造Ｂは、免震層３に、免振装置４からなる免振機構７を介設するとともに、慣性質量ダンパー８とオイルダンパー９からなる制振機構１０を介設して構成されている。また、これら慣性質量ダンパー８とオイルダンパー９がタンク１の軸線中心の円周方向や半径方向にバランスよく配置され（タンク１の軸線中心に対称配置され）、水平のどの方向にも同じ免振性能を発揮できるように構成されている。

すなわち、本実施形態の免振構造Ｂは、免震層３に免振装置４と慣性質量ダンパー８（及びオイルダンパー９）とを設け、従来の免振構造Ａに対し、適切な慣性質量と減衰を免震層３に付加することにより、タンク本体１ａの揺れを大幅に抑制するように構成されている。

さらに、本実施形態の免振構造Ｂでは、タンク本体１ａの下部と地表面（支持面）２との間に介設される制振機構１０が、タンク１内の石油（液体）６のスロッシングに対して同調する同調型の制振機構として構成されている。

ここで、この免振構造Ｂでは、ダンパー軸方向と地震力の作用方向のなす角度をθとすると、ダンパー性能がｃｏｓ^２θとなることから、ダンパー設置台数ｎとして免震層全体での地震方向（振動作用方向）換算ダンパー性能が１台当たりのｎ／２となる。

これを踏まえ、例えば、図１、図２、図４に示すように、直径Ｄ＝７０ｍ、高さＨ＝３０ｍで石油６の貯蔵量が１１万キロリットルの石油タンク１に石油６を満タンにした状態での検討について説明する。ここでは、図１１から図１４に示した従来の免振構造Ａに対する検討に対し、慣性質量ダンパー８を付加した点のみが異なっている。なお、浮き屋根１ｂは必須条件ではなく、浮き屋根１ｂがなくても応答低減効果は変わらない。

タンク内の液体重量１０００００ｔｏｎ、タンク本体（タンク構造体）１ａの自重１００００ｔｏｎとして、Ｔ_１＝９．２ｓｅｃから液体部の等価剛性ｋ_２＝４６．６ｋＮ／ｍｍ、免震層３の固有周期を３．５ｓｅｃとする。これにより、免震層３の剛性はｋ_１＝３５５ｋＮ／ｍｍ（＝７．６０ｋ_２）となる。

そして、設置するダンパーの諸元は次のように設定する。
本実施形態において、このダンパーの諸元の設置等に関しては「磯田和彦、半澤徹也、田村和夫：慣性質量ダンパーを組み込んだ低層集中制震に関する基礎的研究：日本建築学会構造系論文集、一般社団法人日本建築学会、Ｎｏ．６６６、ｐｐ．７１３−７２２、２０１３年４月」に記載の手法に基づいて行い、免震層３に設置される慣性質量Ψ（全体）の最適値は、次の式（２）で設定する。

一方、免震層３に設置される減衰ｃ_１（全体）の最適値は、次の式（３）で設定する。

そして、直径Ｄ＝７０ｍ、高さＨ＝３０ｍの石油タンク１に対する試算例では、Ψ＝７５７０００ｔｏｎ、ｃ_１＝２３００００ｋＮ・ｓｅｃ／ｍ＝２３００ｋＮ／ｋｉｎｅ＝２３５ｔｏｎｆ／ｋｉｎｅとなる。

一般に、慣性質量ダンパー８は１台あたり１００００ｔｏｎ程度の最大耐力のものが製造されているので、地震方向に７５台以上が必要となる。一方、本実施形態の免振構造Ｂでは、前述の通り、ダンパー設置台数ｎとして免震層全体での地震方向換算ダンパー性能が１台当たりのｎ／２となるため、１５０台の慣性質量ダンパー８をタンク本体１ａと地表面２の間の免震層３にバランスよく配置する。

また、付加減衰は減衰係数Ｃ＝６ｔｏｎｆ／ｋｉｎｅのオイルダンパーを使用すると、地震方向に４０台以上が必要になり、ダンパー設置台数ｎとして免震層全体での地震方向換算ダンパー性能が１台当たりのｎ／２であることから、８０台のオイルダンパー９をタンク本体１ａと地表面２の間の免震層３にバランスよく配置すればよい。

そして、上記のように構成した本実施形態の免振構造Ｂにおいては、変位応答倍率を周波数伝達関数の形で示した図５及び図６の解析結果の通り、慣性質量ダンパー８を付加することにより、粘性減衰のみの従来と比較し、最大応答倍率が７２％低減し、共振特性が大幅に改善することが確認された。なお、減衰については、従来がｃ_１＝５８０ｔｏｎｆ／ｋｉｎｅであるのに対し、本実施形態の免振構造Ｂではｃ_１＝２３５ｔｏｎｆ／ｋｉｎｅとなり、４０％に低減されることが確認された。

次に、時刻歴応答解析による本実施形態の免振構造Ｂの応答低減効果の検討結果について説明する。

ここでは、タンク１をそのまま地表に設置したＣａｓｅ１（免振、制震なし）、従来の免振構造ＡのＣａｓｅ２（粘性減衰のみ：最適な減衰係数を付与）、本実施形態の免振構造ＢのＣａｓｅ３（慣性質量と粘性減衰：最適な慣性質量と減衰係数を付与）の３ケースについて検討を行い、本実施形態の免振構造ＢのＣａｓｅ３の優位性を確認した。

入力地震動は、図７に示す建築センター波（レベル２）とした。なお、図７に示す地震波形は、横軸が時間（ｓｅｃ）、縦軸が加速度（ｍ／ｓｅｃ^２）、ｍａｘ：最大加速度である。この地震動は、最大加速度３５６ｇａｌ、継続時間が１２０ｓｅｃであるが、後揺れも検討するため、解析時間を１６０ｓｅｃとした。

そして、図８は、Ｃａｓｅ１、Ｃａｓｅ２、Ｃａｓｅ３の各ケースにおけるタンク１内の液体６の変位量（縦軸：ｍ）と時間（横軸：ｓｅｃ）の関係、ｍａｘ：最大変位量を示した解析結果である。

この結果から、まず、免振や制震の対策がないＣａｓｅ１では、図８（ａ）に示すように、時間の経過とともに周期約１０ｓｅｃのスロッシング揺れが成長し、時間が経過してもなかなか減衰しない（縦軸の目盛を他のケースの２倍にしている）ことが確認された。

免振と減衰を備えたＣａｓｅ２では、図８（ｂ）に示すように、主要動の間は揺れが増大するが、その後は比較的早く減衰することが確認された。

一方、本実施形態の免振と慣性質量と減衰を備えたＣａｓｅ３では、図８（ｃ）に示すように、主要動の間も揺れが増大せず、地震後は最も速やかに揺れが終息することが確認された。これは、周期同調型制振機構１０の効果（特徴）が現れた結果と言える。

また、タンク１内の液体の変位量は、Ｃａｓｅ１で３．９４ｍ、Ｃａｓｅ２で１．９３ｍ、Ｃａｓｅ３で１．１７ｍとなり、本実施形態の免振構造Ｂを採用することでスロッシングを大幅に抑止できることが確認された。

さらに、Ｃａｓｅ２は従来の免振構造Ａを用いて最も応答低減できるように諸元を最適化したものである。そして、Ｃａｓｅ３の本実施形態の免振構造Ｂは、このＣａｓｅ３より最大応答変位を４０％低減できるだけでなく、大きな応答の継続時間（回数）や実効値（数回現れる比較的大きな応答値（Ｃａｓｅ２が１．８ｍ、Ｃａｓｅ３が０．９ｍ程度））も大幅に低減できることが確認された。

次に、図９は、Ｃａｓｅ１、Ｃａｓｅ２、Ｃａｓｅ３の各ケースにおけるタンク１内の液体６の加速度（縦軸：ｍ／ｓｅｃ^２）と時間（横軸：ｓｅｃ）の関係、ｍａｘ：最大加速度を示した解析結果である。

この結果から、免振や制震の対策がないＣａｓｅ１では、図９（ａ）に示すように、時間の経過とともに周期約１０ｓｅｃのスロッシング揺れが成長し、時間が経過してもなかなか減衰しない（縦軸の目盛を他のケースの２倍にしている）ことが確認された。

免振と減衰を備えたＣａｓｅ２では、図９（ｂ）に示すように、主要動の間は揺れが増大するが、その後は比較的早く減衰することが確認された。

本実施形態の免振と慣性質量と減衰を備えたＣａｓｅ３では、図９（ｃ）に示すように、地震の最初の大きな揺れで最大応答値が生じるが、主要動の間も揺れが増大せず、地震後は最も速やかに揺れが終息することが確認された（縦軸の目盛はＣａｓｅ２の０．６倍にしている）。

また、タンク１内の液体６の加速度は、Ｃａｓｅ１で１８４ｇａｌ、Ｃａｓｅ２で９０ｇａｌ、Ｃａｓｅ３で５５ｇａｌとなり、本実施形態の免振構造Ｂを採用することで大幅に抑止できることが確認された。

次に、図１０は、Ｃａｓｅ２、Ｃａｓｅ３の各ケースにおける免震層３の変位（縦軸：ｍ）と時間（横軸：ｓｅｃ）の関係、ｍａｘ：最大変位量を示した解析結果である。Ｃａｓｅ１は免震層３がないので解析対象から除外している。

この結果から、免振と減衰を備えたＣａｓｅ２では、図１０（ａ）に示すように、主要動の間は揺れが１５〜２０ｃｍ程度で継続することが確認された。

一方、本実施形態の免振と慣性質量と減衰を備えたＣａｓｅ３では、図１０（ｂ）に示すように、最初に２５ｃｍ程度の揺れが生じるが、そのとは主要動の間も揺れが２０ｃｍ程度以下で、地震後は速やかに揺れが終息することが確認された。

また、免震層３の変位量は、Ｃａｓｅ２で１７ｃｍ、Ｃａｓｅ３で２６ｃｍであり、両ケースともに一般的な免振建物と比較しても同等以下の変位でおさまることが確認された。

さらに、ダンパー反力については、Ｃａｓｅ２でオイルダンパー９の反力合計が８４０００ｋＮとなり、地震方向換算で８０台（総数１６０台）設置することにより、１０００ｋＮ程度の通常のオイルダンパー９で対応できる。

Ｃａｓｅ３では慣性質量ダンパー８の反力合計が１０６０００ｋＮとなり、地震方向換算で７５台（総数１５０台）設置することにより、１４００ｋＮ程度の慣性質量ダンパー８で対応でき、オイルダンパー９は反力合計が３９０００ｋＮとなり、地震方向換算で４０台（総数８０台）設置することにより、１０００ｋＮ程度の通常のオイルダンパー９で対応できる。以上のことから、ダンパー反力については、現状の製品で十分対応できることが確認された。

したがって、本実施形態の液体貯蔵用タンクの免振構造Ｂにおいては、タンク１の下部とタンク１が設置される支持面２との間に、積層ゴムなどの免振装置４からなる免振機構７を介設するとともに、回転慣性質量ダンパー８などの慣性質量ダンパー及びオイルダンパー９などの粘性ダンパーを備えてなり、タンク１内の液体６のスロッシングに対して同調する同調型の制振機構１０を介設することにより、タンク１の免振効果を得ることが可能になるとともに、タンク１内に貯蔵した液体６のスロッシングを効果的に抑止することが可能になる。

また、慣性質量ダンパー８を用いることにより、タンク１内の液体６のスロッシングをより効果的に抑止できる同調型制震機構を構成することができ、免振層（免震層）３の変位やダンパー反力を、無理なく設計できる範囲におさめることが可能になる。

さらに、大きな慣性質量を２層モデルの１層目に設けることで、固有周期が１割程度長周期化するため、地震入力エネルギーを１割程度低減する効果を得ることが可能になる。（「磯田和彦、半澤徹也、田村和夫：慣性質量ダンパーを組み込んだ構造物への地震入力エネルギーに関する研究：日本建築学会構造系論文集、一般社団法人日本建築学会、Ｎｏ．６５０、ｐｐ．７５１−７５９、２０１０年４月」）

以上、本発明に係る液体貯蔵用タンクの免振構造の一実施形態について説明したが、本発明は上記の実施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、本実施形態では、本発明に係る液体貯蔵用タンクが石油タンク１であるものとして説明を行ったが、本発明に係る液体貯蔵用タンクの免振構造は、液体を貯蔵したタンクに免振性能を付与するとともに、液体のスロッシングを抑止するものであり、この作用効果を必要とするあらゆるタンクに適用可能である。すなわち、特にタンクの種類を限定しなくても本実施形態と同様の作用効果を得ることが可能である。

１石油タンク（タンク）
１ａタンク本体
１ｂ浮き屋根
２地表面（基礎、地盤、支持面）
３免震層（免振層）
４免振装置（免震装置、免振機構）
５制振機構
６石油（液体）
７免振機構
８慣性質量ダンパー
９オイルダンパー
１０制振機構
Ａ従来の液体貯蔵用タンクの免振構造
Ｂ液体貯蔵用タンクの免震構造

Claims

液体を貯蔵するタンクの免振構造であって、
前記タンクの下部と前記タンクが設置される支持面との間に、免振機構と、慣性質量ダンパー及び粘性ダンパーを備えてなり、前記タンク内の液体のスロッシングに対して同調する同調型の制振機構とを介設して構成されていることを特徴とする液体貯蔵用タンクの免振構造。
請求項１記載の液体貯蔵用タンクの免振構造において、
前記タンクが石油タンクであることを特徴とする液体貯蔵用タンクの免振構造。