JP2001281084A - 浮体を有する構造物における荷重計測装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 浮体を有する構造物に対し、計測器を支持す
る部材の変形を抑制し、計測結果の精度の向上を図るこ
とができる荷重計測装置を提供する。 【解決手段】 浮体を有する構造物における所定の計測
箇所に作用する荷重を計測するための荷重計測装置であ
って、各々が浮体１０，１１に固定されるとともに互い
に離間して配される複数の支持体１２，１３と、各々が
該複数の支持体１２，１３に接続されるとともに互いに
離間して配され、該複数の支持体１２，１３間に作用す
る力を計測する複数の計測器ＲＳ１〜ＲＳ３とを備える
ように構成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、浮体を有する構造
物の所定の計測箇所に作用する荷重を計測するための荷
重計測装置に関し、特に、計測器を支持する部材の変形
を抑制して、計測結果の精度の向上を図るものである。

【０００２】

【従来の技術】例えば、海洋石油開発などに用いられる
セミサブ（半潜水）式の構造物では、浮体の上下揺れを
小さくしたり、移動時に水から受ける抵抗を少なくした
りすることなどを目的として、図４に示すように、ロワ
ーハル５０やカラム５１などの水中部（浮体５２）が移
動方向と直交する水平方向に間隔を空けて配されている
のが一般的である。そのため、分かれた浮体５２ごとに
異なる方向に波浪荷重を受けると、各浮体５２を結合す
る部材（ブレース５３やデッキ５４）に大きな応力が発
生しやすい。こうした浮体を有する構造物を設計するに
あたっては、波浪荷重により発生する応力を十分に検討
する必要がある。

【０００３】図５は、上述した応力を検討するに際し、
浮体を有する構造物（あるいは構造物のモデル）におけ
る所定の計測箇所に作用する荷重を計測するための従来
の計測装置を示している。この計測装置は、浮体を有す
る構造物を対象としており、図４に示す浮体５２を結合
する部材（ここではデッキ５４）に作用する荷重を実験
的に求めることを目的とするものである。また、この図
５の計測装置は、水平方向に分かれて配される浮体６
０，６１ごとにデッキ６２、６３が複数に分割されてお
り、分割されたデッキ６２，６３間に計測器６４が配設
されている。そして、計測器６４によってデッキ６２，
６３間に作用する荷重を計測するようになっている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
た従来の計測装置では、分割されたデッキ６２，６３同
士の結合が計測器６４を介した部分的なものであるため
に、デッキ６２，６３の計測器６４付近に集中的に大き
な応力が発生し、デッキ６２，６３が変形して計測結果
の精度が低下しやすいという問題がある。特に、デッキ
６２，６３間に作用するモーメントによってデッキ６
２，６３に歪みが生じやすい。

【０００５】すなわち、従来、浮体を構造物に作用する
多分力を計測するには、１台の多分力計を用いる場合が
多く、この場合、大きなモーメントに耐えられるように
計測装置が肥大化し、構造物自身の特性（重量、重心位
置など）に影響が生じやすい。また、大きなモーメント
によって計測装置や構造物自身に撓みなどの変形が生じ
やすい。そして、これらのことから、計測精度の低下を
招きやすい。

【０００６】本発明は、上述する事情に鑑みてなされた
ものであり、計測器を支持する部材の変形を抑制し、計
測結果の精度の向上を図ることができる浮体を有する構
造物における荷重計測装置を提供することを目的とす
る。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、請求項１に記載の発明は、浮体を有する構造物にお
ける所定の計測箇所に作用する荷重を計測するための荷
重計測装置であって、各々が浮体に固定されるとともに
互いに離間して配される複数の支持体と、各々が該複数
の支持体に接続されるとともに互いに離間して配され、
該複数の支持体間に作用する力を計測する複数の計測器
とを備える技術が採用される。この荷重計測装置では、
所定の計測箇所に作用する荷重を複数の支持体間に作用
する力として取り出し、これを計測器により計測する。
このとき、計測器は複数であることから支持体間に作用
する力は分解されて計測器に伝わる。また、支持体に接
続される計測器は互いに離間して配されることから支持
体に発生する応力が分散される。これらにより、計測器
との接続部分に発生する部分的な応力集中が低減され
て、支持体の変形が抑制され、計測結果の精度が向上す
る。

【０００８】また、請求項２に記載の発明は、請求項１
に記載の荷重計測装置において、前記計測器と前記支持
体との間には、前記複数の支持体間に作用するモーメン
トを軸方向の力に分解するための結合機構が配される技
術が採用される。この荷重計測装置では、結合機構によ
り、支持体間に作用するモーメントが軸方向の力に分解
されるため、モーメントによる歪みの発生が抑制され
る。

【０００９】また、請求項３に記載の発明は、請求項１
または請求項２に記載の荷重計測装置において、前記複
数の計測器からの計測結果に基づいて、前記計測箇所に
作用する荷重を算出する制御装置を備える技術が採用さ
れる。この荷重計測装置では、制御装置により計測結果
を算出するため、波浪荷重による構造物への影響を短時
間で求めることが可能となる。

【００１０】

【発明の実施の形態】以下、本発明に係る荷重計測装置
の一実施形態について図面を参照して説明する。図１は
本実施形態に係る荷重計測装置Ｔの全体構成を示す図で
あり、この図１において、符号１０，１１は水中で所定
の浮力を有する浮体、１２は第１支持体、１３は第２支
持体、ＲＳ１〜ＲＳ３は第１及び第２支持体１２，１３
間に作用する力を計測するための計測器、１５は制御装
置を示している。

【００１１】本実施形態の荷重計測装置Ｔは、セミサブ
（半潜水）式の構造物（あるいはそのモデル）を対象と
し、浮体を結合する所定の部材（ここでは図４に示すデ
ッキ５４）に発生する応力を実験的に求めることを目的
としている。そのため、前記浮体１０，１１は、実際の
セミサブ式の構造物における浮体（ロワーハルやカラム
など）に基づいてその形状が定められ、水平方向に所定
の間隔を空けた状態に、離間して配される。なおここ
で、浮体１０，１１が離間される方向をＺ軸方向（離間
方向）、Ｚ軸方向に直交する水平方向をＸ軸方向（長軸
方向）、Ｚ軸方向及びＸ軸方向に直交する方向をＹ軸方
向（高さ方向）と呼ぶことにする。

【００１２】前記第１支持体１２及び第２支持体１３
は、図２に示すように、浮体１０，１１に固設される固
設面１２ａ，１３ａと、計測器ＲＳ１〜ＲＳ３が接続さ
れる計測面１２ｂ，１３ｂとを有し、歪みが大きく生じ
ないように所定の剛性（強度）を有する構造体（剛体）
として構成されている。本実施形態では、固設面１２
ａ，１３ａと計測面１２ｂ，１３ｂとが互いに垂直に配
されており、梁１２ｃ，１３ｃによりその状態が強固に
保持されている。また、応力集中が生じないように、各
固設面１２ａ，１３ａが広範囲に亘って浮体１０，１１
に接合され、第１支持体１２が浮体１０に、第２支持体
１３が浮体１１に固設される。第１支持体１２と第２支
持体１３とは、計測面１２ｂ，１３ｂが互いに平行かつ
対向するように、離間して配される。

【００１３】前記計測器ＲＳ１〜ＲＳ３としては、ここ
では３軸方向（Ｘ、Ｙ及びＺ軸方向）の力を計測可能な
ひずみゲージ式変換器が用いられる。この計測器ＲＳ１
〜ＲＳ３は、実際の構造物のデッキ（図２に示すデッキ
５４）に相当する高さ位置で互いに離間して２つ（計測
器ＲＳ２，ＲＳ３）、デッキ位置からＹ軸方向（高さ方
向）に所定距離の位置に１つ（計測器ＲＳ１）が配され
ている。すなわち、計測器ＲＳ１〜ＲＳ３は、浮体１
０，１１の離間方向（Ｚ方向）とは異なる方向、ここで
は離間方向（Ｚ方向）にそれぞれ直交する、浮体１０，
１１の長軸方向（Ｘ方向）と高さ方向（Ｙ方向）とに互
いに離間して配されている。

【００１４】各計測器ＲＳ１〜ＲＳ３が配される位置に
おいて第１支持体１２と第２支持体１３との離間距離Ｄ
は同一であり、各計測器ＲＳ１〜ＲＳ３は、Ｘ軸方向の
一側を第１支持体１２の計測面１２ｂに固設されるとと
もに、他側を結合機構としてのヒンジ機構２０，２１，
２２を介して第２支持体１３の計測面１３ｂに結合され
る。ヒンジ機構２０〜２２は、第１及び第２支持体１
２，１３間に働くモーメントを軸方向に分解して計測器
ＲＳ１〜ＲＳ３に作用させるためのものであり、例え
ば、計測器ＲＳと第２支持体１３とに結合される位置同
士の距離ｄを一定のまま、各結合位置を中心に所定の方
向に回転自在に構成される。なお、各計測器ＲＳ１〜Ｒ
Ｓ３は、それぞれ制御装置１５に接続されている。

【００１５】制御装置１５は、各計測器ＲＳ１〜ＲＳ３
からの３軸方向の力の計測結果（出力信号）に基づい
て、実際の構造物（あるいはそのモデル）における所定
の計測箇所に相当する位置に作用する荷重を算出するよ
うになっており、本実施形態では、直交する３軸方向の
荷重とその各軸回りの３つのモーメントを算出するよう
になっている。

【００１６】次に、上述構成の荷重計測装置Ｔを用い
て、浮体を有する構造物の所定の計測箇所に作用する荷
重を計測する計測方法の一例について説明する。ここ
で、図３に示すように、各計測器ＲＳ１，ＲＳ２，ＲＳ
３で計測されるＸ軸方向の分力をそれぞれｆｘ１，ｆｘ
２，ｆｘ３、Ｙ軸方向の分力をｆｙ１，ｆｙ２，ｆｙ
３、Ｚ軸方向の分力をｆｚ１，ｆｚ２，ｆｚ３とする。

【００１７】また、計測に先立って、浮体１０，１１間
に荷重が作用しない状態で、３つの計測器ＲＳ１，ＲＳ
２，ＲＳ３の重心位置Ｇrsに対して、６種類の定荷重、
すなわち直交するＸ、Ｙ、Ｚの３軸方向の力（ｆ１，ｆ
２，ｆ３）及びその軸回りの３つのモーメント（ｍ１，
ｍ２，ｍ３）、を加える。そして、各計測器ＲＳ１〜Ｒ
Ｓ３ごとに計測される３軸方向の力を次式に代入するこ
とにより、マトリクス［ａij］を求める。

【００１８】

【数１】

【００１９】式（１）を逆変換して、最小二乗法により
マトリクス［ａij］の逆マトリクス［ｂij］を求めるこ
とで次式が導かれる。

【００２０】

【数２】

【００２１】すなわち、この式（２）に実際の計測結果
（ｆｘ１〜ｆｚ３）を代入することで、３つの計測器Ｒ
Ｓ１〜ＲＳ３の重心位置Ｇrsに作用する荷重が求められ
ることになる。

【００２２】計測にあたっては、計測装置Ｔを実際に水
中に配した上で、浮体１０，１１に対して荷重（波浪荷
重）を作用させる。このとき、各計測器ＲＳ１〜ＲＳ３
で計測される３軸方向の分力（ｆｘ１〜ｆｚ３）は制御
装置１５に送られる。制御装置１５では、計測器ＲＳか
ら送られる計測結果を式（２）に代入することで、３つ
の計測器ＲＳ１〜ＲＳ３の重心位置Ｇrsに作用する６種
類の荷重、すなわち３軸方向の力（ｆ１，ｆ２，ｆ３）
とその軸回りの３つのモーメント（ｍ１，ｍ２，ｍ
３）、を算出する。

【００２３】続いて、制御装置１５では、算出された６
種類の荷重を次式（３）〜（８）に代入することで、実
際の構造物における計測箇所に相当する位置Ｐに作用す
る荷重（Ｆｘ，Ｆｙ，Ｆｘ，Ｍｘ，Ｍｙ，Ｍｚ）を算出
する。 Ｆｘ＝ｆ１ …（３） Ｆｙ＝ｆ２ …（４） Ｆｚ＝ｆ３ …（５） Ｍｘ＝ｍ１−（Ｙ×ｆ３−Ｚ×ｆ２） …（６） Ｍｙ＝ｍ２−（Ｚ×ｆ１−Ｘ×ｆ３） …（７） Ｍｚ＝ｍ３−（Ｘ×ｆ２−Ｙ×ｆ１） …（８）

【００２４】このとき、位置Ｐにおける各荷重（Ｆｘ，
Ｆｙ，Ｆｘ，Ｍｘ，Ｍｙ，Ｍｚ）は、例えば次のように
定義される。 Ｆｘ：デッキを前後（Ｘ方向）にせん断する力 Ｆｙ：デッキを上下（Ｙ方向）にせん断する力 Ｆｚ：デッキを離間方向（Ｚ方向）に引っ張る力 Ｍｘ：デッキを折り曲げるモーメント Ｍｙ：デッキを水平面内で引き裂くモーメント Ｍｚ：デッキをねじ曲げるモーメント

【００２５】以上のように、本実施形態の荷重計測装置
Ｔでは、実際の構造物における所定の計測箇所に相当す
る位置Ｐに作用する荷重を、第１及び第２支持体１２，
１３間に作用する力として取り出し、これを３つの計測
器ＲＳ１〜ＲＳ３により計測する。そしてその計測結果
を制御装置１５により逆変換して合成することで、位置
Ｐにおける荷重を実験的に求めることができる。

【００２６】このとき、本実施形態の荷重計測装置Ｔで
は、複数の計測器ＲＳ１〜ＲＳ３で第１及び第２支持体
１２，１３間に作用する力を計測するため、各計測器Ｒ
Ｓ１〜ＲＳ３で計測される力は分解されたものとなり、
一の計測器ＲＳが受ける力は小さい。また、各計測器Ｒ
Ｓ１〜ＲＳ３は、互いに離間して配されているので、計
測器ＲＳ１〜ＲＳ２からの反力によって各支持体１２，
１３に発生する応力が分散される。これらから、計測器
ＲＳ１〜ＲＳ３と接続される部分に発生する部分的な応
力集中が低減され、第１及び第２支持体１２，１３の変
形が抑制される。そのため、波浪荷重によって生じる第
１及び第２支持体１２，１３間の力が計測器ＲＳ１〜Ｒ
Ｓ３に正確に伝わるようになり、浮体を有する構造物に
おける所望の位置での荷重を精度よく求めることができ
る。

【００２７】さらに、結合機構としてのヒンジ機構２０
〜２２により、第１及び第２支持体１２，１３間に作用
するモーメントが３軸方向の力に分解されて計測器ＲＳ
１〜ＲＳ３に伝わるために、各支持体１２，１３間にモ
ーメントが作用せず、第１及び第２支持体１２，１３の
変形がさらに抑制される。

【００２８】また、本実施形態では、３つの計測器ＲＳ
１〜ＲＳ３が浮体１０，１１の離間方向（Ｚ方向）と異
なる方向、すなわち離間方向に直交する方向に離れて配
されているため、各計測器ＲＳ１〜ＲＳ３によって計測
される力を合成することで、所望の位置における６種類
の荷重、すなわち直交する３軸方向の荷重とその軸回り
の３つのモーメント、を同時に算出することができる。
しかも、制御装置１５により計測結果を自動的に算出す
るため、波浪荷重による構造物への影響が短時間で求め
られ、これらを詳しく把握することで、信頼性の高い構
造物の設計が可能となる。

【００２９】すなわち、本実施形態では、軸方向の荷重
のみを計測する計測器ＲＳ１〜ＲＳ３を組み合わせると
ともに、計測器ＲＳ１〜ＲＳ３自身にはモーメント荷重
が作用しないように結合機構としてのヒンジ機構２０〜
２２を配し、軸方向の荷重の計測結果を合成する制御装
置１５を備える構成とすることにより、モーメント荷重
を含めた多分力の計測を実現することができる。

【００３０】なお、上述した実施形態において示した各
構成部材の諸形状や組み合わせ等は一例であって、本発
明の主旨から逸脱しない範囲において設計要求等に基づ
き種々変更可能である。例えば、本発明は以下のような
変更をも含むものである。

【００３１】上述した実施形態では、計測対象としてセ
ミサブ式の構造物（海洋構造物）としているが、これに
限るものではなく、他の形態の構造物（海洋構造物）に
も適用可能である。

【００３２】また、上述した実施形態では、セミサブ式
の構造物における図４に示すデッキ５４に作用する荷重
を求めているが、これに限るものではなく、ブレース５
３に作用する荷重も同様にして求めることが可能であ
る。

【００３３】また、上述した実施形態では、３つの計測
器ＲＳ１〜ＲＳ３を用いており、これにより、３軸方向
の力を合成することで、所定箇所における直交する３軸
方向の荷重とその軸回りの３つのモーメント、を同時に
算出することができるという利点がある。しかしなが
ら、計測器の数はこれに限るものではなく、２つあるい
は４つ以上としてもよい。また、計測器の配置位置は、
計測する対象箇所に応じて任意に定められることは言う
までもない。

【００３４】

【発明の効果】以上説明したように、本発明に係る荷重
計測装置によれば、浮体を有する構造物に作用する荷重
を複数の支持体間に作用する力として取り出し、この力
を各々が互いに離間して配される複数の計測器により計
測するので、計測器が接続される部分に発生する部分的
な応力集中が低減されて支持体の変形が抑制され、計測
結果の精度の向上を図ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明に係る荷重計測装置の一実施形態にお
ける全体構成を模式的に示す斜視図である。

【図２】 図１の荷重計測装置の側面図である。

【図３】 図１の荷重計測装置に作用する力を説明する
ための図である。

【図４】 セミサブ式の構造物の概略構成を示す斜視図
である。

【図５】 従来の荷重計測装置を示す斜視図である。

【符号の説明】

ＲＳ１，ＲＳ２，ＲＳ３ 計測器 １０，１１ 浮体 １２，１３ 支持体 １５ 制御装置 ２０，２１，２２ ヒンジ機構（結合機構）

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 浮体を有する構造物における所定の計測
   箇所に作用する荷重を計測するための荷重計測装置であ
   って、 各々が浮体に固定されるとともに互いに離間して配され
   る複数の支持体と、 各々が該複数の支持体に接続されるとともに互いに離間
   して配され、該複数の支持体間に作用する力を計測する
   複数の計測器とを備えることを特徴とする荷重計測装
   置。
2. 【請求項２】 前記計測器と前記支持体との間には、前
   記複数の支持体間に作用するモーメントを軸方向の力に
   分解するための結合機構が配されることを特徴とする請
   求項１に記載の荷重計測装置。
3. 【請求項３】 前記複数の計測器からの計測結果に基づ
   いて、前記計測箇所に作用する荷重を算出する制御装置
   を備えることを特徴とする請求項１または請求項２に記
   載の荷重計測装置。