地震時 にお ける大型水槽 のス ロッシング解析

地震時 にお ける大型水槽 のス ロッシング解析

SloshingAnalysisundertheSeism icAcceleration ofLargeW aterStorageTank

平原裕行 ,塩崎考欝,池谷聡 , 山田義英

HiroyukiHirahara,Kouju Shiozaki,Sou lkegaya,YoshihideYam ada

埼 玉大学工学部 機械 工学科

Departm entofM二echanicalEngineering,Saitam aUniversity

㈱エヌ ･ワイ ･ケイ

. ,

Abstract

Thesloshingresponseofalargewaterreservoirundertheseismi caccelerationwasinvestigatedbyusingaflow visualizationtechnique,PIVmeasurementandnumericalsimulation.Transientf一ow patternwasobservedbyahigh speedCCD cameraandmicrobubbleswereanalyzedinordertoobtainthenow velocltywithcrosscorrelation method.Theimpactpressureofsloshingnuctuationwasmeasuredwithpressuretransducermountedonthetopplate Thepressurehistorywasdigitizedandaveragedforensembleofsloshingcycle.Numericalsimulationalsoperformed forthetankdesign.Apracticalseismicwavewasusedinthenumericalcalculation.Consequently,aseverecriteria forthetankdesignwasdeduced&omthepresentresultsI

KeyWords:Sloshing,WaterTank,Earthquake,FlowVisualization,PIVMeasurement,NumericalSimulation

1.まえがき

昨年度 にお いて,地震 時 の大型水槽 のス ロ ッシング解析 を行 うために, は じめに,大 型水槽 の固有振動数 にお け るス ロ ッシ ング イ ンパ ク トの測定実験 を行 った .昨年度 ま での実験 では,地震振動 に よって水 面 が大 き く変動 し,非線形 変動 を発 生す る場合 に 発 生す る天板 にお ける圧力 イ ンパ ク トを測 定 した.今年度 は,高速度 カ メラを用 いて, 水 面変動 の時間変化 を詳細 に調べ ,最 大圧 力 を発 生す る時刻 ,お よび負圧 を発 生す る 時刻 にお け る水 面 の挙動 を対応付 け るため の実 験 を行 っ た . ま た ,数 値 解 析 で は,

star‑cd

に よる解析 を行 い,実験デー タの妥 当性 の確認 を行 い, さらに,実地震波 を用 いて,実際の地震発 生時 の水面変動 をシ ミ ュ レー シ ョン して,天板 にかか る圧 力 イ ン パ ク トを推 定 した.今 回 はその実験結果 に ついて報告す る.

図 1ス ロッシング実験の高速度撮影

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2.実験結果 と考察

図

は

スケールモ デル にお い て ,加 振 振 幅

, 圧 力 系 測 定 位 置

,タンク深 さに対 す る水深 の比

,刺 振加速度振幅

で可 視 化 した ときの水 面 変動 を示す画像 であ り,図

は, それ に対応 す る天板 の圧

2500 3 20001500 監 1000

還 ‑1000‑5005000 ∩ …ii

5

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) ＼ . I .

( .＼ …ノ二二 二.

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ー iV‑. 一 ^{一 J}

▼ 引

カデー タである.この条件 で圧 力 の最 大値 はお よそ

2.3kPa

発生 している.これ は,実機 のスケ ールでの圧力 に換算す る と

を発 生 し ているこ とになる.実地震波 には,固有振 動数程度 ( 実機 では

程度 となる)の 振動 のスペ ク トル が,初期 の数秒 間におい てお よそ

程度含 まれ てい るこ とが 波形解析 か ら判 明 した.また,実験の圧力 デー タに見 られ るよ うに,圧力 には負圧発 生の領域 が観察 され る. これ は,水面 が天 板 に【 衝突 した後,衝突噴流が水平方 向に曲 げ られ ,その後,水流 が天板 か ら離脱す る ときに発生す るもの と考 え られ る. さらに 詳細な観察結果 を図

に示す.図

に加振 振幅

, 圧力系測定位置

,タ ン ク深 さに対す る水深 の比

,加振加 速度振幅

の条件 にお ける最大圧力 発生時の水槽右上の コーナー にお ける流れ の拡大図 と最低圧力発 生時のそれである.

観察画像 を

の手法 に よって解析 し, 水 の速度 も求 めて示 してある. これ らの結 果 か ら,地震波 に含 まれ る固有周波数成分 の加速度振幅 に対応 した加速度 を受 けた水 面は非常 に大きな変動 を生 じ数十

の圧 力変動 を発生す ることが確認 された.

図

( b)

図

計測 による最大圧力発生時及び 負圧発生時の速度ベ ク トル. 線

,

P=0.45 (a)

最高圧九 03 ) 最低圧力

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