水槽の強度計算

Question

ステンレス水槽の大きさが、幅2744mm、長さ3760mm、深さ456mmで、水4700リットル入ります。その水槽で、上部枠の強度計算をしたいのですが、やりかた及び計算式を教えて頂けないでしょうか。

板厚4mmのステンレスを槽にして、その周囲や、底などを鉄の角パイプにて溶接構造としています。水を満杯入れた時の、横に膨らもうとする圧力が解りたいです。その圧力に耐えうる周囲の角パイプ選定をしたいので、よろしく御願い致します。

Answer

水槽の設計において，底部の強度計算はしっかりやっておく必要があると思います。計算及び実用について書いてみます。ただし，地震動などによって起こる液面揺動（スロッシング）を考慮しない場合です。

１． 計算

?底板に作用する荷重
単位面積当たりの荷重ｐは，単位面積当たりの水の密度と板材の密度を加算します。

?水槽の設置条件
平面の地面（コンクリート面など）に設置するか，鋼材を組んだ架台上に設置するかで計算が変わります。地面に設置する場合は，角パイプの下面は全面地面に接するので，座屈だけの計算をします。架台上に設置する場合には，角パイプは部分的に設置面に接するので，座屈と曲げの両方の計算をします。

?底部以外の荷重
上記?及び?で計算して，角パイプのサイズを決定したら，底部より荷重の大きい個所はなく，また上部は無荷重なので，底部から反比例して荷重が小さくなります（板のたわみ量もおそらく反比例）。

２．実用

今回の場合，□５０ｘｔ２程度の角パイプを使って，底面を外周に沿って四角にパイプを設け，かつ，長手方向の真ん中に１本追加すると良いと思います。また，角の垂直部は，溶接又は曲げによって強度が低下するので，ここには必ずパイプを設けます。

また上部の外周に沿って四角にパイプを設けます。これは，水槽を移動する際に，荷重がかかるからです。

その他の面には，補強のない表面積が１ｍ２以下になるように，パイプの補強をすればいいと思います。

材料について，essenさんがご指摘しているように，問題があると思います。建物内に設置するにしても，水温と水槽の温度差が２０℃を超えるようならば，同材料にしたほうが良いと思います。

Answer

便覧などの計算式を使って、手計算でザックリ＆かなり安全側に計算する場合は以下のようにしては如何でしょうか。梁の計算をするので単位はＣmでいきます。
先ず、水圧は深さの半分のレベルの水圧とします。水圧は10ｍで１Kg/Cm2ですから、この例では0.0228Kg/Cm2。この水圧が水槽の側面全体に掛かると想定します（決めつけます）。
水槽の側面全体に掛かる水圧は　Ｐ＝0.0228×376×45.6＝390Kg
この半分を上部の角パイプで受け、残りの半分は底板との溶接部が受けると想定します。これも決めつけですが夫々195Kgです。
水槽の長さでこれを割ると、約0.5Kg/Cmの等分布荷重が角パイプ＝両端支持梁に掛かるとみなせます。あとは便覧などに記載されている梁の計算式で計算してください。
側壁を合成断面に加えていませんし、かなりラフな計算方法ですが、かなり安全側の計算なので枕を高くして眠れます。
ただ、ステンレスがSUS304などオーステナイト系の場合、鉄の角パイプとの熱膨張率の差が大きいので、熱膨張差による反り（側壁が膨らむかへこむか）のほうが気になります。

Answer

何を意図されたご質問か不明ですが，水槽上部などの応力を計算する場合には，水深456ｍｍまで水圧が水槽内面に変化しながら作用するとして，有限要素法で解析するしかないと思います。

水4700リットル入る水槽の壊れない製作方法ということであれば，手計算で底板の厚さを計算して，製作できますが。

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