結 論

本 論 文 で は ， 地 震 時 に お け る ス テ ン レ ス 鋼 板 製 矩 形 水 槽 の 振 動 挙 動 を 明 ら か に す る と と も に ， 地 震 時 の 水 槽 の 振 動 対 策 を 提 案 し た ． 特 に ， 耐 震 性 の 不 足 し た 既 設 水 槽 に 容 易 に 取 り 付 け ら れ る 装 置 を 考 案 し ， 振 動 実 験 に よ り 各 装 置 の 特 性 を 検 討 し た ． 長 周 期 地 震 動 時 に 発 生 す る ス ロ ッ シ ン グ 振 動 の 問 題 に 対 し て は ， 水 槽 内 の 水 面 付 近 へ の フ ィ ル タ ー や 多 孔 板 の 波 高 抑 制 装 置 の 設 置 に よ り ， ス ロ ッ シ ン グ 波 高 を 大 き く 抑 え ら れ る こ と を 示 し た ． 一 方 ， 短 周 期 地 震 動 時 に 発 生 す る バ ル ジ ン グ 振 動 に 対 し て は ， 水 槽 の 底 背 面 へ の 薄 い 高 減 衰 ゴ ム か ら 成 る 制 震 装 置 の 設 置 に よ り ， 側 壁 部 に 生 ず る バ ル ジ ン グ 水 圧 を 大 き く 低 減 で き る こ と を 明 ら か に し た ．

以 下 に ， 各 章 で 得 ら れ た 結 論 を 概 説 す る ． な お ， 第 1 章 で は ， 本 研 究 に 関 わ る 既 往 の 研 究 を 紹 介 し ， 本 研 究 の 目 的 と 構 成 を 述 べ た ．

第 2 章 で は ， 矩 形 水 槽 の 地 震 に よ る 被 害 事 例 と メ カ ニ ズ ム を 分 析 し ， 設 計 基 準 の 変 遷 と 水 槽 設 計 に お け る 問 題 点 や 今 後 の 課 題 に つ い て 整 理 し た ． こ の 結 果 に 基 づ い て ， 矩 形 水 槽 に お い て 今 後 検 討 す べ き 事 項 や 設 計 手 法 に 関 す る 課 題 を ま と め た ．

1) 屋 根 板 に 生 ず る ス ロ ッ シ ン グ 波 高 の 計 算 は ， 現 状 は 兵 庫 県 南 部 地 震 を 想 定 し た ， 速 度 応 答 ス ペ ク ト ル 値 （SV = 150 cm/s） を 用 い て 波 高 お よ び 屋 根 板 の 動 水 圧 を 計 算 し て い る ． 近 年 発 生 し た 大 地 震 に お け る 速 度 応 答 値 が こ の 値 を 上 回 る こ と が 報 告 が さ れ て お り ， 入 力 す る 地 震 動 の 応 答 を 考 慮 し た 設 計 が 必 要 で あ る ．

2) 矩 形 水 槽 で 問 題 と な る バ ル ジ ン グ 水 圧 の 研 究 例 は 少 な く ， 指 針 や 基 準 類 に お い て も 明 確 な 規 定 が な い ． 特 に 水 槽 に 生 ず る 動 水 圧 は ，Housner 式 に て 計 算 す る こ と が 一 般 的 と な っ て い る ． し か し な が ら ， 実 際 に は ， 側 壁 が 弾 性 体 の 場 合 ， 変 形 を 伴 う 振 動 が 発 生 し ， 本 式 を 大 き く 上 回 る バ ル ジ ン グ 水 圧 が 発 生 す る 可 能 性 が あ る ． こ の バ ル ジ ン グ 水 圧 は ， 水 槽 の バ ル ジ ン グ 固 有 振 動 数 や 地 震 動 の 特 性 に よ っ て 大 き さ が 異 な る が ， ス テ ン レ ス 鋼 製 矩 形 水 槽 の 場 合 に は ， 比 較 的 短 周 期 の 地 震 動 で 高 く な る ． 今 後 の 設 計 に お い て は ， 水 槽 の バ ル ジ ン グ 固 有 振 動 数 と 想 定 地 震 動 の 加 速 度 応 答 ス ペ ク ト ル を 考 慮 し た 設 計 が 必 要 で あ り ，FEMに よ る 時 刻 歴 解 析 手 法 を 設 計 に 導 入 す る こ と が 極 め て 重 要 と な る ．

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3) 我 が 国 で 用 い ら れ て い る 水 槽 の 多 く は 弾 性 体（FRP，ス テ ン レ ス 鋼 ，鋼 ）製 で あ る ． こ れ ら の 水 槽 の 板 厚 ， 材 質 お よ び 補 強 形 式 等 の 違 い に よ り 減 衰 性 能 や 塑 性 変 形 能 力 も 大 き く 異 な る ． こ れ ら に つ い て は ， 今 後 の 実 験 や 解 析 に よ っ て 早 急 に 検 討 す る 必 要 が あ る ．

第 3 章 か ら 第 6 章 の 実 験 で は 立 方 体 の 実 水 槽 を 用 い て お り ，1 辺 が 1,000, 2,000 お よ び 3,000 mm の 水 槽 を ， そ れ ぞ れ 小 型 ， 中 型 お よ び 大 型 と 称 し た ．

第 3 章 で は ， 矩 形 水 槽 の ス ロ ッ シ ン グ 波 高 抑 制 に 有 効 な 空 隙 率 の 高 い プ ラ ス チ ッ ク フ ィ ル タ ー の 既 設 槽 へ の 設 置 を 検 討 し た ． 矩 形 モ デ ル 水 槽 お よ び 中 型 ・ 大 型 の 立 方 体 実 水 槽 に お い て フ ィ ル タ ー 設 置 の 形 態 （ 鉛 直 あ る い は 水 平 ） お よ び 位 置 を 変 え て 振 動 実 験 を 行 っ た 結 果 ， 以 下 の 結 論 を 得 た ．

1) モ デ ル 水 槽 に お い て フ ィ ル タ ー を 設 置 し て ス ロ ッ シ ン グ 波 高 を 低 減 す る 手 法 は ， 立 方 体 実 水 槽 に お い て も 効 果 を 発 揮 す る こ と が で き ， 実 水 槽 の 耐 震 性 能 を 向 上 す る 簡 易 で か つ 有 効 な 手 法 で あ る ．

2) 加 振 軸 直 交 面 に 対 し て フ ィ ル タ ー を 設 置 す る 際 ， 水 槽 の 内 壁 付 近 に 設 置 が 可 能 な 場 合 は 設 置 形 態 を 水 面 に 対 し て 水 平 方 向 に ， 中 間 位 置 に 設 置 が 可 能 な 場 合 は 鉛 直 方 向 に 設 置 す る こ と が 望 ま し い ．

3) 加 振 軸 直 交 面 に 対 し て フ ィ ル タ ー を 鉛 直 方 向 に 2 枚 設 置 す る 際 ， フ ィ ル タ ー 設 置 の 制 約 条 件 が な け れ ば ， 槽 幅 の 1/4 お よ び 1/2 の 位 置 へ の 設 置 が 望 ま し い ． こ れ ら の 位 置 へ の 設 置 が 困 難 な 場 合 は ， フ ィ ル タ ー の 間 に 隙 間 を 設 け て 設 置 す る こ と が 望 ま し い ．

第4章 で は ， 矩 形 水 槽 の ス ロ ッ シ ン グ 波 高 の 抑 制 法 と し て ， ス テ ン レ ス 鋼 製 多 孔 板 の 設 置 を 提 案 し た ．ま ず ，矩 形 モ デ ル 水 槽 に 多 孔 板 を 波 高 抑 制 装 置 と し て 用 い ，ス ロ ッ シ ン グ 波 高 の 変 化 お よ び 固 有 振 動 数 に 及 ぼ す 多 孔 板 の 開 孔 率・孔 径 お よ び 設 置 位 置 の 影 響 に つ い て 検 討 し た ．次 に ，モ デ ル 水 槽 で ス ロ ッ シ ン グ 波 高 抑 制 の 認 め ら れ た 多 孔 板 を 大 型 立 方 体 実 水 槽 に 設 置 し て ，ス ロ ッ シ ン グ 波 高 の 変 化 お よ び 多 孔 板 の 深 さ の 影 響 に つ い て 検 討 し た 結 果 ， 以 下 の 結 論 を 得 た ．

1) モ デ ル 水 槽 に お い て ， 開 孔 率 42 ～ 15 % の 多 孔 板 で は ， 水 槽 の 固 有 振 動 数 付 近 で 波 高 が 卓 越 し ， 開 孔 率 が 低 く な る に つ れ て 波 高 抑 制 効 果 が 大 き く な る ． 一 方 ， 開 孔 率 が 15 % よ り 低 い 多 孔 板 で は ， 隔 壁 の 状 態 に 近 づ い て 水 槽 が 半 分 に 分 割 さ れ た 状 況 に 類 似 す る の で ， 固 有 振 動 数 は 水 槽 幅 か ら 半 分 の 幅 の 値 へ 遷 移 し ， 開 孔 率 が 低 く な る ほ ど 波 高 抑 制 効 果 は 小 さ く な る ． し た が っ て ， 本 条 件 下 で は ， 開 孔 率 15 % の 多 孔 板 で 高 い 波 高 抑 制 効 果 が 得 ら れ る ．

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2) モ デ ル 水 槽 に お い て ， 孔 径 を 5 ～ 25 mm の 範 囲 で 変 え た 場 合 ， 孔 径 が 小 さ い ほ ど 波 高 抑 制 効 果 は 若 干 高 く な る ． し か し ， さ ら に 小 さ い 孔 径 で は ， 隔 壁 の 状 態 に 近 づ く の で 十 分 な 波 高 抑 制 効 果 は 得 ら れ な い と 予 想 さ れ る ． 3) 波 高 抑 制 効 果 に 及 ぼ す 設 置 位 置 の 影 響 は ， 開 孔 率 に よ っ て や や 変 わ る も の

の ， い ず れ の 設 置 位 置 で も 波 高 を 大 き く 抑 え る こ と が で き る ．

4) モ デ ル 水 槽 で 高 い 波 高 抑 制 効 果 の 得 ら れ た 開 孔 率 15 %, 孔 径 5 mm の 多 孔 板 を 大 型 実 水 槽 の 中 間 位 置 に 設 置 し た 場 合 ， ス ロ ッ シ ン グ 波 高 は 大 き く 抑 制 さ れ る ．

5) 水 槽 の 深 い 実 水 槽 の ス ロ ッ シ ン グ 波 高 抑 制 に 対 し て は ， 多 孔 板 を 水 槽 底 面 ま で 設 置 す る 必 要 は な い ．

第5章 で は ， 短 周 期 振 動 時 に 矩 形 水 槽 壁 面 で 問 題 と な る バ ル ジ ン グ 振 動 を 抑 制 す る 手 法 と し て ，薄 い 高 減 衰 ゴ ム か ら 成 る 制 震 装 置 を 考 案 し た ．小 型 お よ び 大 型 の 立 方 体 実 水 槽 の 底 背 面 に 寸 法 等 を 種 々 に 組 み 合 わ せ た 制 震 装 置 を 設 置 し て ス イ ー プ お よ び 地 震 波 の 加 振 実 験 を 行 い ，水 圧 減 少 挙 動 に つ い て 検 討 し た 結 果 ，以 下 の 結 論 を 得 た ．

1) 水 槽 の 底 背 面 （ 架 台 の 下 ） に 本 制 震 装 置 を 設 置 す る こ と に よ り ， バ ル ジ ン グ 固 有 振 動 数 に お け る 応 答 水 圧 は 0.5 ～ 0.7 程 度 減 少 す る ．

2) 小 型 お よ び 大 型 の 実 水 槽 で は 寸 法 や 構 造 形 式 が 大 き く 異 な る も の の ， 水 圧 減 少 に 及 ぼ す 装 置 特 性 の 効 果 は ほ ぼ 同 様 で あ る ． 本 制 震 装 置 の 水 圧 減 少 率 は ， 面 圧 比 （ ゴ ム 板 の 許 容 面 圧 に 対 す る 面 圧 の 比 ） が 高 い ほ ど 大 き く な り ， 面 圧 比 の 関 数 と し て 精 度 よ く 再 現 さ れ る ．

3) 大 型 実 水 槽 に 本 制 震 装 置 を 設 置 す る こ と に よ り ， 短 周 期 地 震 動 に お け る 水 圧 を 大 き く 低 減 す る こ と が で き る ． な お ， 長 周 期 地 震 動 に お い て ス ロ ッ シ ン グ を 助 長 す る こ と は な か っ た ．

第 6 章 で は ， 長 周 期 お よ び 短 周 期 地 震 下 に お け る 大 型 立 方 体 実 水 槽 内 の 水 圧 分 布 を 測 定 し た ． 得 ら れ た 水 圧 分 布 か ら ， 以 下 の 結 論 を 得 た ．

1) ス ロ ッ シ ン グ 振 動 時 に 発 生 す る 水 圧 は ， 振 動 方 向 に 直 角 な 面 の 側 壁 上 部 で 最 大 と な り 下 部 に 行 く ほ ど 低 く な る ． ま た ， 側 壁 か ら 離 れ る に つ れ て 水 圧 は 低 く な る ．

2) バ ル ジ ン グ 振 動 時 に 発 生 す る 水 圧 は ， 振 動 方 向 に 直 角 な 側 壁 の 中 央 部 付 近 で 最 大 と な り ，槽 深 さ 方 向 の 中 央 部 か ら 下 部 の 水 圧 が 最 も 高 く な る ．ま た ， ス ロ ッ シ ン グ 振 動 と 同 様 に ， 側 壁 か ら の 距 離 が 離 れ に つ れ て 水 圧 は 低 く な る ．

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3) 水 槽 の 破 損 は ， ス ロ ッ シ ン グ 振 動 時 は 屋 根 板 と 側 壁 上 部 で ， バ ル ジ ン グ 振 動 時 は 側 壁 中 央 部 か ら 下 部 に 発 生 す る 可 能 性 が 高 い ．

本 論 文 で は ，地 震 時 に お け る ス テ ン レ ス 鋼 板 製 矩 形 水 槽 の 波 高 お よ び 水 圧 挙 動 に 着 目 し て 振 動 実 験 を 行 い ，水 槽 の 振 動 特 性 を 明 ら か に し た ．ま た ，既 設 の 水 槽 の 耐 震 性 を 向 上 さ せ る 方 法 と し て ，波 高 抑 制 装 置 お よ び 制 震 装 置 を 考 案 し た ．長 周 期 地 震 動 で 発 生 す る ス ロ ッ シ ン グ 波 高 に 対 し て は ，水 槽 内 に フ ィ ル タ ー や 多 孔 板 を 設 置 す る こ と で ス ロ ッ シ ン グ 波 高 を 大 き く 抑 制 す る こ と が で き た ．一 方 ，短 周 期 地 震 動 で 発 生 す る 側 壁 と 水 が 連 成 し て 起 こ る バ ル ジ ン グ 振 動 に 対 し て は ，水 槽 底 面 下 に 高 減 衰 ゴ ム を 用 い た 制 震 装 置 を 設 置 す る こ と で バ ル ジ ン グ 水 圧 を 大 き く 低 減 で き た ．

こ れ ら の 装 置 を 既 存 の 水 槽 に 設 置 す る こ と に よ り ，想 定 外 の 巨 大 地 震 か ら 大 切 な 水 を 守 る こ と が で き る も の と 確 信 す る ．

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使 用 記 号

A 振 幅 amplitude mm

a 加 速 度 acceleration m/s²

D 水 槽 の 奥 行 き depth of water tank mm DP P

水 槽 屋 根 か ら の 多 孔 板 深 さ

depth of perforated plate from

roof of water tank mm

DW P 水 圧 減 少 率 decrement of water pressure % d 多 孔 板 の 孔 径 hole diameter of perforated plate mm dF フ ィ ル タ ー の 設 置 位 置 setting position of filter mm dP 多 孔 板 の 設 置 位 置 setting position of perforated

plate mm

F 加 振 力 exciting force N

f 振 動 数 frequency Hz

fN 固 有 振 動 数 natural frequency Hz

fn

n 次 モ ー ド の 固 有 振 動

数 natural frequency at n-th mode Hz

g 重 力 加 速 度 gravitational acceleration m/s²

H 水 槽 の 高 さ height of water tank mm

HB 水 槽 底 面 か ら の 高 さ height of bottom of water tank mm

H 最 大 波 高 maximum wave height mm

H/F 応 答 最 大 波 高 corresponding wave height mm/N H/ H0 波 高 抑 制 効 果 reduction of maximum wave

height -

h 水 深 water depth mm

n モ ー ド 次 数 mode number -

L 水 槽 の 幅 width of water tank mm

P あ る 振 動 数 に お け る 最 大 水 圧

maximum water pressure at a

certain frequency Pa

P/F 応 答 水 圧 corresponding water pressure Pa/N (P/F)M AX 制 震 時 の 最 大 応 答 水 圧 maximum of corresponding water

pressure with seismic device Pa/N (P/F)M AX , 0

非 制 震 時 の 最 大 応 答 水 圧

maximum of corresponding water

pressure without seismic device Pa/N

p 水 圧 water pressure Pa