JP2003064654A - 浮力構造物 - Google Patents

浮力構造物

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buoyant
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Tomoshi Morita
知志 森田
Takahiro Yamaguchi
高弘 山口
Kazuhiro Nishigaki
和弘 西垣
Fumihiro Aikawa
文宏 相川
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Kumagai Gumi Co Ltd
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    • Y02ATECHNOLOGIES FOR ADAPTATION TO CLIMATE CHANGE
    • Y02A10/00TECHNOLOGIES FOR ADAPTATION TO CLIMATE CHANGE at coastal zones; at river basins
    • Y02A10/11Hard structures, e.g. dams, dykes or breakwaters

Abstract

(57)【要約】 【課題】 簡単な構造で、波浪や潮汐などによる水位変
動による基礎構造物やテンションレグ等の分担する荷重
変動を小さくするとともに、上床盤等の構造体姿勢の安
定性を向上させることのできる浮力構造物を提供する。 【解決手段】 海底地中の地盤1に立設された基礎構造
物2に浮力体3が設けられ、この浮力体3上に所定体積
の支柱より成る支持コラム4が立設され、この支持コラ
ム4の上端に水上に構築される構造体としての上床盤5
が支持されている浮力構造物の浮力体3の外周に、気密
室となる、底部が開口した空気室11を有するバラスト
装置10を設け、水位変動による浮力の変化を自動的に
調整して、基礎構造物やテンションレグ等の分担する荷
重変動を小さくするようにした。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、海洋,湖水,河川
等の水上に構築される構造体を備えた浮力構造物に関す
るもので、特に、上記構造体の姿勢,安定性を向上させ
るための浮力構造物の構成に関する。
【0002】
【従来の技術】従来、防波堤や沈埋函ユニットなどの海
洋構造物の施工段階においては、構造物の浮力を利用し
て水域での運搬や設置作業が行われる。また、浮体式の
水上人工地盤などでは、最初から浮力を主要な支持力と
みなした計画が行われる。こうした海洋構造物などの浮
力構造物においては、水上に構築される構造体の姿勢や
安定性を制御するために浮力の調整作業が不可欠であ
り、これには主として、構造物内に水バラスト装置を取
付けて上記装置内に給排水し、上記構造物の重量を調整
する方法が用いられている。上記構造体としては、防波
堤、沈埋函ユニットの他に、海底トンネルの換気塔、海
峡横断橋梁、水上人工地盤、船舶等が挙げられる。図6
は、従来の浮力構造物としての半潜水型浮上式水上地盤
の一例を示す概略構成図で、同図において、海底地中の
地盤1に立設された基礎構造物2に浮力体3が設けら
れ、この浮力体3上に所定体積の支柱より成る支持コラ
ム4が立設され、この支持コラム4の上端に水上に構築
される構造体としての上床盤5(人工地盤)が支持され
ている。また、図7は、他の浮力構造物としてのテンシ
ョンレグ式人工地盤の一例で、この場合には、海底地中
の地盤1よりワイヤーロープから成るテンションレグ6
を延長させて浮力体3を接続したものである。
【0003】上記図6,図7における浮力体3はいずれ
も密閉型ケーソン(潜函)より成り、この浮力体3に浮
力が発生することで、支持コラム4を介して、上床盤5
を支承する。この浮力体3に作用する浮力の発生機構は
次のとおりである。浮力体3として、図8(a)に示す
ような、水中に半没した断面積S,高さHの矩形状のケ
ーソン3Aを考える。水位dが上記ケーソン3Aの高さ
Hよりも小さい状態においては、ケーソン3Aに生じる
浮力Fは、水の密度をρとしたとき、次式(1)に示
すように、ケーソン3Aの底盤圧力(水圧)と大気圧P
の差に断面積Sを掛けた量に等しい。 F=(ρ×d+P)×S−(P×S)=ρ×S×d‥‥(1) したがって、ケーソン3Aに生じる浮力Fは図中の斜
線部に示すケーソン3Aの排水量に等しく、水位dに比
例して増減する。上記ケーソン3Aの挙動は、上記浮力
とケーソン3Aの自重やケーソン3Aに作用する外
力のバランスによる。この場合、ケーソン3Aの姿勢や
安定性の制御は、図外の給排水装置により、ケーソン3
A内に水バラストを給水・排水して、ケーソン3Aの自
重を調整することで行われる。
【0004】次に、図8(b)に示すように、水位dが
上記ケーソン3Aの高さHを越えて上昇した場合には、
ケーソン3Aに生じる浮力Fは、次式(2)に示すよ
うに、ケーソン3Aの底盤圧力と頂盤圧力との差に断面
積Sを掛けた量に等しい。 F=(ρ×d+P)×S−{ρ×(d−H)+P}×S =ρ×S×H ‥‥(2) したがって、浮力Fは、図中の斜線部に示すように、
ケーソン3A全体の排水量に等しく、水位dの変化に関
係なく一定値となる。このような構造は、波浪や潮汐な
どによる水位変動に対して浮力が一定となることから、
上記図6に示した半潜水型浮上式水上地盤や、図7に示
したテンションレグ式人工地盤などに応用することがで
きる。これらの構造は、構造体としての上床盤5(人工
地盤)上の建築物や構造物の自重の大部分を浮力体3で
支持し、荷重変動を含む残りの荷重を海底地中の地盤1
上に設けた基礎構造物2やテンションレグ6で分担する
ものである。したがって、地盤が軟弱で基礎構造物2の
規模を小さくしたい場合に有効であるだけでなく、基礎
構造物2又はテンションレグ6の分担する荷重変動を小
さくできるという利点を有する。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】ところで、上記従来の
構造においては、上床盤5と浮力体3とを連結する支持
コラム4は半没の状態であるので、上記支持コラム4に
作用する浮力は波浪や潮汐などによる水位変動により増
減する。このため、基礎構造物2又はテンションレグ6
の支持力も少なからず変動するため、上床盤5の姿勢や
安定性を十分に確保することが困難であった。そこで、
この変動を小さくするため、上記浮力体3が水中に半没
した場合と同様に、給排水装置を別途設けて、浮力体3
に水バラストを給水・排水して上記浮力体3の自重を調
整する必要があった。しかしながら、給排水装置を取付
けることにより、基礎構造物2又はテンションレグ6の
荷重負担が増加するだけでなく、建設費や維持管理費等
が発生するといった問題点があった。
【0006】本発明は、従来の問題点に鑑みてなされた
もので、簡単な構造で、波浪や潮汐などによる水位変動
による基礎構造物やテンションレグ等の分担する荷重変
動を小さくするとともに、上床盤等の構造体の姿勢を安
定させることのできる浮力構造物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】本発明の請求項1に記載
の浮力構造物は、水上に構築され、水底の地盤上に連結
された支持体に支承された構造体を備えるとともに、底
部側を水中に開口した気密室を有するバラスト装置を備
えたことを特徴とするもので、これにより、波浪や潮汐
などによる水位変動があった場合でも、基礎構造物やテ
ンションレグ等の分担する荷重変動を小さくさせること
ができるとともに、上床盤等の構造体の姿勢を安定させ
ることが可能となる。請求項2に記載の浮力構造物は、
底部が基礎構造物上に保持された浮力体と、この浮力体
に支持コラムを介して支承される上床盤等の構造体とを
備えるとともに、上記浮力体に上記請求項1に記載のバ
ラスト装置を取付けたものである。また、請求項3に記
載の浮力構造物は、底部がテンションレグに接続された
浮力体と、この浮力体に支持コラムを介して支承される
上床盤等の構造体物とを備えるとともに、上記浮力体に
上記請求項1に記載のバラスト装置を取付けたものであ
る。また、請求項4に記載の浮力構造物は、水上人工地
盤等の構造体の下部に、上記請求項1に記載のバラスト
装置を複数個取付けたものである。請求項5に記載の浮
力構造物は、上記気密室に空気を給排する手段を備え、
浮力構造物の設置個所あるいは環境条件等に応じて、上
記気密室内空気量を調整して浮力の調整を行うことがで
きるようにしたものである。
【0008】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て、図面に基づき説明する。図1は、本発明による浮力
構造物の一実施の形態を示す簡略構成図であり、図6と
同じものについては同一の符号を用いている。本例で
は、半潜水型浮上式水上地盤の浮力体3の外周に、底部
が開口した下向きのカップ状の容器より成るバラスト装
置10が設けられている。このバラスト装置10には気
密室となる空気室11が設けられており、この空気室1
1にはエアコンプレッサー12から延長する給排気管1
3の先端が臨んでおり、ここに、エアコンプレッサー1
2から所定量の空気が送られたり、あるいは内部の空気
が排気されたりする。
【0009】ここで、上記バラスト装置10の作用につ
いて、図2(a)〜(c)を用いて説明する。バラスト
装置10として、図2(a)に示す底部を開放したケー
ソン10Aを考え、これが下向きに設置された、この状
態(初期状態)から外部の水位dが上昇して図2(b)
や図2(c)の状態になった場合を考える。図2(a)
の初期状態では、ケーソン10A内の圧力(内圧)Pは
外部の圧力(大気圧P)に等しく、浮力は働いていな
い。水位が上昇して図2(b)や図2(c)の状態にな
ると、ケーソン10Aの内圧Pは、ケーソン10A内の
水位(内水位)xとともに上昇する。このときの内圧P
は、内水位xと外水位d及び水の密度ρとを用いて、次
式(3)のように表わせる。 P=ρ×(d―x)+P‥‥(3) したがって、P−P=ρ×(d―x)‥‥(3)’ 図2(b)の状態において、ケーソン10Aに生じる浮
力F(d)は、ケーソン10Aの内圧Pと大気圧P
の差に断面積Sを掛けた量である。 F(d)=(P×S)−(P×S)=(P−P)×S‥‥(4) 内圧Pは上記式(3)に示すように、内外の水位差(d
−x)を用いて表わせるので、上記式(4)に式
(3)’を代入して、以下の式(5)を得る。 F(d)=ρ×S×(d―x)‥‥(5) したがって、上記ケーソン10Aに生じる浮力F
(d)は、外水位と内水位にはさまれた空気室体積
(図2(b)の斜線部)の排水量に等しい。
【0010】図2(c)のように、水位dがケーソン1
0Aの高さ以上に上昇した場合には、ケーソン10Aに
生じる浮力F(d)は、ケーソン10Aの内圧Pとケ
ーソン頂盤に作用する外部圧力差に断面積Sを掛けて計
算できる。 F(d)=(P×S)−ρ×S×(d−H)−(P×S) ={(P−P)−ρ×(d−H)}×S ‥‥(6) ここで、上記と同様に、式(3)’の関係を用いると、
以下の式(7)のようになる。 F(d)={ρ×(d―x)−ρ×(d―H)}×S=ρ×S×(H―x) ‥‥(7) したがって、上記ケーソン10Aに生じる浮力F
(d)は、空気室体積(図2(c)の斜線部)の排水
量に等しい。
【0011】次に、図3(a)に示すような、断面積S
=10m×10m、高さH=10mの底部開放ケーソン
を例にとって、水位(外水位)dを変化させた場合の上
記ケーソン10Aに生じる浮力F(d)を計算した結
果を図3(b)に示す。ここでは、水位dを0〜20m
の範囲で変化させた。なお、比較のため、底部を密閉し
た密閉型ケーソンでの計算結果(同図破線)も併せて示
した。図3(b)から明らかなように、本発明による底
部開放型のケーソン10Aの浮力特性は以下のとおりで
ある。水位がケーソンの高さより低い場合(d=0〜
10m)には、浮力は水位の上昇とともに増大するが、
底部開放型のケーソン10Aにおける浮力の上昇量は、
密閉型に比べて大幅に小さく、水位の影響を受けにく
い。水位がケーソンの高さを越える(d=10〜20
m)と、密閉型では浮力が一定であるのに対し、底部開
放型のケーソン10Aの浮力は水位の上昇とともに減少
する。これは、図2(c)の斜線部に示す空気室の排水
量が水圧の増大によって圧縮されるためであり、これが
本発明による底部開放型のケーソンの大きな特徴であ
る。
【0012】なお、上記図3(b)の浮力特性は、空気
室内の空気量の調整を一切行わない状態(エアコンプレ
ッサー12を作動させないとき)の結果であるが、ケー
ソン10Aに生じる浮力F(d)は、内圧Pによって
も調整可能であるので、浮力構造物の設置個所あるいは
環境条件等により、浮力F(d)の能動的な調整が必
要な場合には、上記エアコンプレッサー12を作動させ
て、空気室11内に所定量の空気を送ったり、あるいは
内部の空気を排除するようにすればよい。
【0013】したがって、図1に示す半潜水型浮上式水
上地盤にあっては、水位の増減に比例して増減する支持
コラム4の浮力特性と、水位が上昇すると逆に浮力が減
少する空気室11の浮力特性とを併せることにより、構
造物全体に作用する浮力変動を自動的に、ほぼ完全にキ
ャンセルすることが可能となる。これにより、基礎構造
物2の負担荷重の変動を小さくすることができ、従来の
給排水装置の取付けに伴う建設費や維持管理費を大幅に
削減することができる。更に、浮力の保持や調整が空気
圧の制御によって行えるため、従来の水バラスト方式に
比べて設備面でも有利であるという利点を有する。ま
た、空気室11を多数設けることで、優れた安定性と安
全性とを確保することができる。
【0014】なお、図4に示すように、テンションレグ
式人工地盤の場合であっても、上記実施の形態と同様
に、浮力体3の一部にバラスト装置10を設けることに
より、構造物全体に作用する浮力変動をキャンセルして
テンションレグ6の負担荷重の変動を小さくでき、建設
費や維持管理費の省コスト化を図ることができる。ま
た、図5に示すように浮体式水上地盤の場合であって
も、浮体式水上地盤30の下面側に複数のバラスト装置
10をマトリックス状に並設することにより、通常の箱
型ケーソン方式に比べて、波浪や潮汐による水位変動を
低減できるので、基礎構造物2の負担荷重を小さくでき
るとともに、建設の省コスト化を図ることができる。更
に、浮力の保持や調整が空気圧の制御によって行えるた
め、従来の水バラスト方式に比べて設備面でも有利であ
る。
【0015】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
浮力構造物に、底部側を水中に開口した気密室を有する
バラスト装置を設け、水位変動による浮力の変化を調整
するようにしたので、基礎構造物やテンションレグ等の
分担する荷重変動を小さくでき、構造体の姿勢の安定性
を向上させことができる。また、浮力の保持や調整が空
気圧の制御によって行えるため、従来の水バラスト方式
に比べて設備面でも有利であり、建設費や維持管理費を
大幅に削減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の一実施の形態を示す簡略構成図であ
る。
【図2】 本発明の実施の形態に係わる浮力発生の原理
を示す図である。
【図3】 本発明の実施の形態に係わる浮力の計算モデ
ルと浮力の試計算結果を示す図である。
【図4】 本発明の他の実施の形態を示す簡略構成図で
ある。
【図5】 本発明の他の実施の形態を示す簡略構成図で
ある。
【図6】 従来の浮力構造物の簡略構成図である。
【図7】 従来の浮力構造物の簡略構成図である。
【図8】 従来の密閉型ケーソンの浮力特性を説明する
ための図である。
【符号の説明】
1 海底地中の地盤、2 基礎構造物、3 浮力体、4
支持コラム、5 上床盤、6 テンションレグ、10
バラスト装置、11 空気室、12 エアコンプレッ
サー、13 給排気管。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 西垣 和弘 東京都新宿区津久戸町2番1号 株式会社 熊谷組東京本社内 (72)発明者 相川 文宏 東京都新宿区津久戸町2番1号 株式会社 熊谷組東京本社内 Fターム(参考) 2D018 BA21 2D055 AA09 EA01 EA05

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 水上に構築され、水底の地盤上に連結さ
    れた支持体に支承された構造体を備えた浮力構造物であ
    って、底部側を水中に開口した気密室を有するバラスト
    装置を備えたことを特徴とする浮力構造物。
  2. 【請求項2】 底部が基礎構造物上に保持された浮力体
    と、この浮力体に支持コラムを介して支承される上床盤
    等の構造体とを備えるとともに、上記浮力体に上記バラ
    スト装置を取付けたことを特徴とする請求項1に記載の
    浮力構造物。
  3. 【請求項3】 底部がテンションレグに接続された浮力
    体と、この浮力体に支持コラムを介して支承される上床
    盤等の構造体物とを備えるとともに、上記浮力体に上記
    バラスト装置を取付けたことを特徴とする請求項1に記
    載の浮力構造物。
  4. 【請求項4】 水上人工地盤等の構造体の下部に、上記
    バラスト装置を複数個取付けたことを特徴とする請求項
    1に記載の浮力構造物。
  5. 【請求項5】 上記気密室に空気を給排する手段を備
    え、浮力の調整を可能としたことを特徴とする請求項1
    〜請求項4のいずれかに記載の浮力構造物。
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