JPH0941706A - ステンレス槽及びその設計方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 外力に強く、作業性も良好で、大水槽の設計
も可能とするステンレス槽及びその設計方法を提供す
る。 【構成】 槽内に、作業空間を考慮した大フレ−ムを配
置し（S10）、それらの強度及び変形量を有限要素法で
構造解析する（S12）。次に、水槽璧及び水槽床に作用
する静的及び動的水圧，水重量を、大フレ−ムに作用す
る節点荷重に置き換える（S14）。次に、有限要素解析
によって得た各有限要素の最大応力及び変形量がフレ−
ム材の許容値より小さくなるように、各有限要素の断面
特性を比定する（S16）。その後、ステンレスパネルを
平板と仮定するとともに（S18）、たわみや応力が許容
値内となるように板厚と必要な補剛ツバの断面特性を比
定する（S20）。また、水槽のコ−ナ−部に１／４円筒
パネルを使用して強度の向上を図る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、水などの液体を貯
留するためのステンレス槽にかかり、特に直方形であっ
て比較的大型のステンレス槽及びその設計方法の改良に
関する。

【０００２】

【背景技術】直方形の大型ステンレス槽，例えば浄水場
で使用されるステンレス水槽は、寸法が１［ｍ］×１
［ｍ］，あるいは１［ｍ］×２［ｍ］などのステンレス
による壁パネルを多数直方形に接合して組み立てられ
る。

【０００３】従来の設計方法の手順を図８を参照して説
明すると、まず、壁パネルに対しては、貯水の重量や地
震などによって静的水圧及び動的水圧が作用するが、こ
れらを静的荷重に置き換える（同図，ステップＳＡ）。
また、床パネルに対しては、水重量及び動的水圧が作用
するが、これらを同様に静的荷重に置き換える（ステッ
プＳＢ）。そして、それらの置き換えた静的荷重から、
各パネルにおける最大応力と変形量を計算する（ステッ
プＳＣ）。次に、それらの計算値から各パネルの厚さを
決める（ステップＳＤ）。すなわち、各パネルの最大応
力がステンレス材の許容応力度より小さく、なおかつ、
各パネルの変形量が許容値よりも小さくなるように、各
パネルの厚さを決める。

【０００４】次に、以上のようにして厚さが決定された
壁パネルを接合して水槽を組み立てる。このとき、組み
立てた水槽が内部に貯留した水によって外側に膨らみ出
さないように、引張り部材によって各パネルを支持する
（ステップＳＥ）。引張り部材の配置間隔は、壁パネル
の寸法と同じになるため、水槽内部にジャングルジムの
ように引張り部材が配置されることとなる。なお、引張
り部材を更に支持するため、腹起し材や火打ち材が必要
に応じて設けられる。

【０００５】図９には、かかる従来の設計方法によって
設計されたステンレス水槽の一部が概略示されている。
同図に示すように、壁パネル１００は、内部に構築され
たあたかもジャングルジムのような引張り力を負担する
骨組み１０２によってそれらパネルに作用する力に抵抗
する構造になっている。骨組み１０２は、水平方向に壁
パネル１００を引っ張る骨組み１０４と、それらを垂直
方向に支持するための骨組み１０６（一部のみ図示）を
中心に構成されている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】以上のように、従来
は、壁パネルの設計から出発し、その後、それを支持す
るように全体の引張り部材の骨組みが決定されてゆく。
すなわち、水圧や地震力を静的荷重に置き換えた外力を
パネル壁で抵抗し、その壁が倒壊するのをジャングルジ
ムのような骨組みで引張って防ごうとする設計方法であ
る。

【０００７】しかしながら、このような従来技術には、
次のような不都合がある。 （1）ジャングルジムような内部補強骨組みは、実際に
地震力が作用した場合、水平方向荷重，いわゆるせん断
力に十分には抵抗できない。今度発生した兵庫県南部大
地震（１９９５年１月１７日）において鋼製あるいはコ
ンクリ−ト製門型の高速道路高架橋がせん断力によって
倒壊した事実が示すように、かかる従来の内部補強骨組
みでは、水平方向荷重に充分抵抗できない。

【０００８】（2）その骨組みに対する構造計算は、図
１０に示すように、それぞれの引張り部材１１０が負担
すると考えられる壁パネル１１２に作用する静的荷重
（図中の斜線部分に作用する荷重）を引張り部材１１０
で支えようとする考えに基づいており、あくまでも両端
単純支持部材であるとの仮定に基づいて強度計算を行っ
ており、過大に安全側の結果を与えると考えられる。

【０００９】（3）水槽内における作業空間が狭く、作
業能率が悪い。 （4）直方形のため、隅角部分，すなわちコ−ナ−部分
が強度的に弱い。このため、コ−ナ−部分の強度を高め
るために、多量の補強部材を必要とする。 （5）壁パネル材料の強度をベ−スとする設計手法のた
め、設計可能な水槽の規模は５００ｔｏｎ程度が限度と
なっている。しかし、最近は、それ以上の容量の水槽が
求められており、大容量水槽の設計手法が要望されてい
る。

【００１０】本発明はかかる点に着目したもので、大地
震などの外力に強く、作業性も良好で、また、大水槽の
設計も可能とするステンレス槽及びその設計方法を提供
することを目的とするものである。

【００１１】

【課題を解決するための手段】前記目的を達成するた
め、この発明は、まず、槽内に大フレームの骨組みを構
築するとともに、有限要素法を用いてその構造解析が行
われる。この大フレームの構造解析は、その構成部材が
軸力と曲げ両荷重に抵抗でき、なおかつ、大フレーム全
体を一括して解析するために、槽内骨組みの実状に則し
ており、過大に安全な結果をもたらすことがないと考え
られる。構造解析に当っては、作業空間を確保できるよ
うに大フレームが配置され、大地震などの外力を考慮し
た解析が行われる。そして、大フレームの設計の後に、
外壁となる壁パネル及び補剛ツバの設計が行われる。コ
ーナー部には、強度を考慮して１／４円筒パネルが配置
される。この発明の前記及び他の目的，特徴，利点は、
次の詳細な説明及び添付図面から明瞭になろう。

【００１２】

【発明の実施の形態】以下、発明の実施の形態につい
て、実施例を参照しながら詳細に説明する。

【００１３】図１には、本発明の設計方法によって設計
されたステンレス水槽の一例が示されている。同図にお
いて、水槽本体１０の側面には、縦×横＝１［ｍ］×２
［ｍ］の大きさの壁パネル１２が上下に５個，左右に３
個接合されている。また、コーナー部には、縦×横＝１
［ｍ］×１［ｍ］の大きさの壁パネル１４及び１／４円
筒パネル１６が上下に５個づつ接合されている。また、
最上段には、縦×横＝０．５［ｍ］×１［ｍ］の８個の
壁パネル１８及び２個の１／４円筒パネル２０が接合さ
れている。天井側には天井パネル２１，床側には床パネ
ル（図示せず）が接合されている。これらのパネルによ
って構成された水槽本体１０は、全体が基礎２３上に設
けられている。

【００１４】水槽本体１０の底部分には、流入管２４，
流出管２６，越流管２８，排水管３０が設けられてお
り、天井部分には、マンホール３２，通気口３４，水位
計３６，外梯子３８が設けられている。

【００１５】次に、以上のようなステンレス水槽の設計
方法についてその手順を説明する。 （1）大フレームの設計 図２には、その主要ステップが示されている。なお、以
下に示す水槽の設計の前提として、地盤の許容支持力の
検討，水槽の重量の検討，基礎スラブや基礎梁の検討設
計が行われる。

【００１６】設計対象とする水槽内に、平面２方向（基
礎ばりに平行な１方向と垂直な１方向）に対して、２
［ｍ］間隔に大フレ−ムを配置する（図２，ステップＳ
１０）。この際、水槽架設中及び完成後における種々の
作業が効率的に行えるように、できるかぎり広い空間を
有する大フレ−ムとする。全ての大フレ−ム部材は、軸
力と曲げの両方に抵抗できる剛接合部材として設計され
る。図３には、水槽本体１０を天井側から見たときの大
フレームの配置の様子が示されている。同図にハッチン
グで示すように、大フレーム４０は縦及び横の方向に等
間隔で配置されている。なお、同図に点線で示すもの
は、１／４円筒パネル１６を安定させるための用心フレ
ーム４２である。

【００１７】例えば、寸法が幅×奥行き×高さ＝１０
［ｍ］×１０［ｍ］×５．５［ｍ］の水槽を２［ｍ］×
１０［ｍ］×５．５［ｍ］のセグメントに分割し、各セ
グメントに作用する水圧・水重量に抵抗できる大フレー
ム構造を考える。なお、設計に当っては、水槽内の水が
天井板高さまで充満していると仮定することで、水圧・
水重量を安全側に採用する。

【００１８】図４には、図３の矢印Ｆ１方向から見た水
槽本体１０の内側の一部が示されており、図５には図４
の＃５−＃５線に沿って矢印方向に見た内部が示されて
いる。これらの図に示すように、本実施例では２［ｍ］
間隔で大フレーム４０が配置される。図４中、ハッチン
グで示す骨組みの全体が大フレーム４０である。図示の
例では、大フレーム４０は、水平方向部材４０Ａ〜４０
Ｅ，垂直方向部材４０Ｆ〜４０Ｈ，筋交い部材４０Ｉ〜
４０Ｋを含んでいる。

【００１９】このような大フレ−ム４０の強度及び変形
量を有限要素法で構造解析する（ステップＳ１２）。こ
のとき、大フレ−ム４０を例えば数十から数百個の有限
要素に分割して、有限要素法による構造解析を行う。例
えば、有限要素（構造要素）として、軸力・せん断力・
曲げモーメントに抵抗できる１節点３自由度の曲げ部材
要素を用いる。次に、水槽璧及び水槽床に作用する静的
水圧，動的水圧，水重量を、大フレ−ム４０に作用する
節点荷重に置き換える（ステップＳ１４）。例えば、図
４中に示す節点Ｈ１〜Ｈ５について荷重条件の数値例を
示すと、次の表１のようになる。同表中、Ｘは図４の左
右方向，Ｙは図４の上下方向に対応する。また、Ｍは回
転方向であり、Ｅは１０の乗数を表わす。他の節点につ
いても、同様に求めることができる。

【００２０】

【表１】

【００２１】次に、前記ステップＳ１２の有限要素解析
によって求められた各有限要素の最大応力及び変形量が
フレ−ム材の許容値より小さくなるように、各有限要素
の断面特性を比定する（ステップＳ１６）。具体的に
は、１つの曲げ部材要素の剛性方程式から曲げ部材要素
の始点と終点の合応力を計算し、道路橋示方書に規定さ
れる、座屈現象を考慮し低減された許容応力を越えない
という条件下で、大フレーム構造の各部材寸法を決定す
る。例えば、図４中に示す部材Ｂ１〜Ｂ５について構造
解析結果の数値例を示すと、表２のようになる。他の部
材についても、同様に求めることができる。

【００２２】

【表２】

【００２３】この表２の値から、各部材要素の部材力を
応力レベルに換算し、合応力が上記の許容応力を超過し
ているかどうかを調べると、表３のようになる。同表に
おいて、合応力が許容応力を超過しているときは、合応
力の数値が１．０以上となるが、同表の例ではそのよう
な部材は見当たらない。他の部材についても、同様の数
値を求め、同様に合応力を調べる。この結果から、大フ
レーム４０を構成する各部材の断面特性が決定される。
例えば、部材Ｂ１としては、縦×横×厚み＝８０×４０
×３ｍｍの［字形鋼（チャンネル形鋼）が用いられる。
部材Ｂ３としては、縦×横×厚み＝２０×２０×３ｍｍ
のＬ字形鋼（アングル形鋼）が用いられる。

【００２４】

【表３】

【００２５】（2）壁パネル及び補剛ツバの設計 次に、水槽璧を構築するため、壁パネル１２，１４，１
６，１８，２０及び補剛ツバ５０を設計する。本実施例
では、凸形状の壁パネルを強度的に等価な板厚を持つ平
板とみなして設計が行われる（ステップＳ１８）。壁パ
ネル１２〜２０には、通常、強度向上のために凹凸のプ
レス加工が施されているが、壁パネルの板厚を決定する
ためには平板と仮定した方が好都合である。そこで、板
厚の計算は平板として行い、次に強度的に等価な凸変形
パネルを選定するようにする。

【００２６】具体的には、凸変形加工が施された壁パネ
ルに対する水圧負荷試験を行うとともに、その結果と、
長方形板に等分布荷重が作用する場合の最大たわみと最
大曲げモーメントの関係式を利用して、凸変形加工パネ
ルと等強度を持つ平板の板厚を計算する。表４には、短
辺１［ｍ］，長辺２［ｍ］のステンレス凸変形パネルに
対する水圧負荷試験の一例が示されている。この試験結
果を利用した演算から、凸変形パネルの等価平板厚は実
際の板厚の６〜７倍程度であることが判明した。別言す
れば、凸変形パネルを使用すれば、平板パネルの１／６
〜１／７程度の厚さのものでよいことになる。ここで
は、安全性を考慮して、等価平板厚が凸変形パネルの５
倍の厚さに相当すると仮定して設計を行う。なお、表４
中、残存値は、許容残存変形量を表わす。

【００２７】

【表４】

【００２８】次に、本実施例では、図４〜図６に示すよ
うに、大フレーム４０間に所定の間隔で補剛ツバ５０が
設けられる。そして、この補剛ツバ５０に対して壁パネ
ル１２〜２０が支持される。設計に当っては、壁パネル
１２〜２０を、大フレ−ム４０に対する接合箇所では単
純支持，補剛ツバ５０の部分では弾性支持された等価な
平板と仮定する（ステップＳ１８）。そして、水圧（静
的荷重），地震（動的荷重）が作用した場合、その最大
たわみ量及び最大応力が許容値以内になるように、壁パ
ネル１２〜２０の板厚と補剛ツバ５０の断面寸法の最適
な組み合わせ（経済的に最も安価となると考えられる組
み合わせ）を算出する（ステップＳ２０）。この結果、
長方形の壁パネルは通常縦配置（縦長配置）となるが、
本設計法では横配置（横長配置）となる。表５には、剛
度比（等価平板の曲げ剛度と補剛ツバの曲げ剛度の比）
と、等価平板の最大たわみ及び最大曲げモーメントとの
関係の一例が示されている。

【００２９】

【表５】

【００３０】次に、壁パネル１２〜２０の厚さと補剛ツ
バ５０の断面寸法を決定する。各パネルには、深さに応
じた水圧が作用する。つまり、三角形水圧分布荷重の部
分荷重である台形分布荷重が作用する。しかし、ここで
は、台形分布荷重の平均値に等しい等分布荷重が補剛ツ
バ５０で支持された壁パネル１２〜２０に作用すると仮
定する。前記表４に示した実験結果によれば、ステンレ
ス製パネルの許容最大たわみ量は静的荷重に対して１１
［ｍｍ］，動的荷重に対して１５［ｍｍ］である。ま
た、許容応力度は静的荷重に対して１４００［ｋｇ／ｃ
ｍ²］、動的荷重に対して２０００［ｋｇ／ｃｍ²］であ
る。従って、これらの制約条件を満足し、極力経済的な
壁パネル１２〜２０の厚さと補剛ツバ５０の断面寸法を
決定する。一例を挙げると、表６のようになる。同表
中、パネルの段数は、水槽１０の天井側から数えた段数
である。

【００３１】

【表６】

【００３２】なお、この表６に示されている補剛ツバ５
０の必要断面２次モーメントは、パネルを単一板と考え
た場合の値である。実際には、各段のパネルは接続され
ているので、パネル接続部分の補剛つば５０の剛度は隣
接するパネル双方で必要とされる剛度の和となる。な
お、一般に市販されている部材を使用すれば、コスト的
に有利であるので、実際上は表６に示した条件に近似す
る断面２次モーメントを持つ市販部材を用いるようにす
ればよい。

【００３３】（3）大フレーム部材間の接合 更に本実施例では、上述した大フレーム構造（床板下の
部材も含む）が確実に軸力と曲げモーメントを伝達する
ため、大フレーム構造の部材間の接合部にも工夫が施さ
れている。上述した従来の設計手法では、ジャングルジ
ムを構成する部材間の接合部については、格別な強度設
計はなされておらず、スポット溶接で単純に接合されて
いるのみである。つまり、ジャングルジムの形態を維持
するためだけの溶接となっている。

【００３４】これに対し、本実施例では、軸力と曲げモ
ーメントが確実に伝達されるように、橋梁用部材のガセ
ットが用いられており、ガセットの寸法及び溶接長に対
しては、強度及び構造計算を行っている。図７には、主
要なガセット接合部分が拡大して示されている。同図
（A）には、図４のＰＡからＰＢに至る部分が拡大して
示されており、図７（A）左側では大フレーム部材４０
Ｂがガセット６０Ａに接合し、右側では大フレーム部材
４０Ｂ，４０Ｇ，４０Ｉ，４０Ｊがガセット６０Ｂに接
合している。

【００３５】図７（B）には、図５のＰＣからＰＤに至
る部分が拡大して示されており、図７（B）左側では大
フレーム部材４０Ｌがガセット６０Ｃに接合し、右側で
は大フレーム部材４０Ｌ，４０Ｍがガセット６０Ｄに接
合している。図７（C）には、図４のＰＥの部分が拡大
して示されており、大フレーム部材４０Ｅ，４０Ｆ，４
０Ｋがガセット６０Ｅに接合している。

【００３６】以上のように、本実施例の設計方法によれ
ば、曲げ力と軸力を負担できる材料を用いて構築した大
フレ−ムから設計が出発し、弾性支持された等価平板と
みなした壁パネルの経済設計に至る。つまり、上述した
従来技術と全く逆の設計プロセスとなっている。このた
め、次のような利点が得られる。

【００３７】（1）水圧や地震力を大フレ−ムに作用す
る節点荷重に置き換え、有限要素法によって大フレ−ム
が設計されている。このため、従来のジャングルジム構
造の内部補強部材が単に引張り力のみを負担できるのに
対し、大地震における負荷にも抵抗できるようになる。

【００３８】（2）コ−ナ−部に１／４円筒パネルを使
用するとともに、用心フレームを各コーナー間に設ける
こととしたので、コ−ナ−部においても大フレ−ム構造
を維持でき、従来の直方形と比較して強度が向上する。
また、外的美観にも優れている。なお、本実施例は、従
来の矩形水槽と円筒水槽の中間に位置するものと考える
ことができる。

【００３９】（3）設計時に、広い空間を有する大フレ
−ムを用いるようにすれば、良好な作業空間を確保する
ことができる。

【００４０】（4）ステンレス槽については、骨組や壁
パネルを一体として考えた構造設計手法は未だ確立され
ているわけではない。従来の壁パネルから骨組（ジャン
グルジム）に至る設計方法は、静的・動的荷重に対して
壁パネルがどれだけ耐え得るかという設計方法であり、
壁パネル及び骨組の全体の構造設計については何ら検討
されておらず、多分に経験的な判断要素が大きい。つま
り、実際に水槽を作ってみて水をいれ、水槽が壊れるか
どうかという実験を行っているのが実状である。このた
め、容量が小さいものであればよいが、大きな水槽の設
計には不向きである。しかし、本実施例によれば、パネ
ルからではなくフレ−ムから設計を行うため、２０００
ｔｏｎ程度の水槽の設計も可能となる。

【００４１】（5）大フレーム部材の接合部分にガセッ
トを用いているので、軸力や曲げモーメントが確実に伝
達されて、外力に対して良好な強度を得ることができ
る。

【００４２】この発明には数多くの実施の形態があり、
以上の開示に基づいて多様に改変することが可能であ
る。例えば、次のようなものも含まれる。 （1）前記実施例では、大フレ−ムを２［ｍ］間隔の配
置としたが、配置間隔は、必要に応じて増減してよい。 （2）前記実施例は、本発明を水槽に適用した場合のも
のであるが、他の液体などの貯留などにも適用可能であ
る。 （3）前記実施例中に示した数値も一例であり、何らそ
れらに限定されるものではない。

【００４３】

【発明の効果】以上説明したように、この発明によれ
ば、骨組みである大フレームから設計を行い、その後パ
ネルの設計を行うこととしたので、大地震などの外力に
強く、作業性も良好で、また、大水槽の設計も可能とな
るという効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明によるステンレス槽の一実施例を示す側
面図である。

【図２】前記ステンレス槽の設計方法の手順を示す図で
ある。

【図３】前記ステンレス槽の平面からみた大フレームを
示す図である。

【図４】図３のＦ１方向からみた大フレームを示す図で
ある。

【図５】図４の＃５ー＃５線に沿って矢印方向にみた図
である。

【図６】大フレームと補剛ツバと壁パネルの関係を示す
図である。

【図７】大フレームの部材間のガセット接合部分を示す
図である。

【図８】従来の設計方法の手順を示す図である。

【図９】従来のステンレス水槽の内部を示す部分斜視図
である。

【図１０】従来のステンレス水槽の内部を示す部分斜視
図である。

【符号の説明】

１０…水槽本体 １２，１４，１６, １８，２０…壁パネル ２３…基礎 ２４…流入管 ２６…流出管 ２８…越流管 ３０…排水管 ３２…マンホール ３４…通気口 ３６…水位計 ３８…外梯子 ４０…大フレーム ４２…用心フレーム ５０…補剛ツバ ６０…ガセット

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ステンレス槽の骨組みとなる大フレーム
   を槽内部の空間に配置するステップ；大フレームを有限
   要素法により構造解析して、最大応力及び変形量を算出
   するステップ；槽壁及び槽床に作用する静的圧力，動的
   圧力及び液重量を、大フレームに作用する節点荷重に置
   き換えるステップ；前記最大応力及び変形量がフレーム
   材の許容値より小さくなるように、各有限要素の断面特
   性を比定するステップ；を含むことを特徴とするステン
   レス槽の設計方法。
2. 【請求項２】 前記大フレーム間に補剛ツバを設けると
   ともに、壁パネルを補剛ツバで弾性支持された平板と仮
   定し、この平板に所定の荷重が作用したときの最大たわ
   み量及び最大応力が許容値以内となるように、壁パネル
   の板厚と補剛ツバの断面寸法を算出するステップ；を含
   むことを特徴とする請求項１記載のステンレス槽の設計
   方法。
3. 【請求項３】 請求項２記載の設計方法で設計が行われ
   たステンレス槽であって、 ステンレス槽の骨組みとなる大フレーム；この大フレー
   ム間に設けられた補剛ツバ；この補剛ツバに設けられた
   壁パネル；コーナー部に用いられた１／４円筒パネル；
   この１／４円筒パネルを安定させるための用心フレー
   ム；を備えたことを特徴とするステンレス槽。
4. 【請求項４】 前記大フレーム及び用心フレームの部材
   間の接合部分にガセットを用いたことを特徴とする請求
   項３記載のステンレス槽。