JP2006206006A

JP2006206006A - 浮体の係留方法

Info

Publication number: JP2006206006A
Application number: JP2005024219A
Authority: JP
Inventors: Minoru Nagai; 實永井
Original assignee: University of the Ryukyus NUC
Current assignee: University of the Ryukyus NUC
Priority date: 2005-01-31
Filing date: 2005-01-31
Publication date: 2006-08-10

Abstract

【課題】海上ないし湖沼に各種浮体を安定よく係留する技術に関し、暴風波浪の周期性に着目し、数周期分の波浪エネルギーを当該係留装置自体によって一時吸収・貯蔵しようとするもので、大型浮体係留方法について新たな手法を実現する。
【解決手段】浮体をロープ又はチェーンで海底に係留する際に、ロープ又はチェーンに中間重錘と中間ブイを取付けて介在させ、中間重錘と中間ブイの運動によって波浪エネルギーを吸収・貯蔵させることを特徴とする浮体の係留方法である。
【選択図】図１

Description

本発明は、海上ないし湖沼で活動したり施設を設置したりするための各種浮体を安定よく係留する技術に関する。

本発明の発明者は、特開2001−247078号において、海面や湖沼、河川などで浮かべて使用するヘキサフロートを提案した。試験装置の場合、１辺10メートル、高さ2.5 メートルのコンクリート製ヘキサフロートの開発に成功した。同フロートは重量480 トン（容積650m３）にも達するが「アルキメデスの原理」により、喫水1.9 メートル、乾舷0.6 メートルと、十分の余剰浮力を有することが証明された。このヘキサフロートは、複数体をワイヤーやロープ、鎖などで、蜂の巣状に連結して使用する柔構造のマルチフロートであり、耐波浪性に優れた多目的活動空間を実現できる。

一方、特開2000−255484号や特開昭56-89610号では、海上に浮上させる消波堤が提案されている。実開平５-38022号公報では、浮遊式の人工リーフおよび人工浮設体が提案されている。
特開2001−247078 特開2000−255484 特開昭56-89610 実開平５-38022号

ところが、前記のような各種の浮体は、水面上に浮いた状態に係留して使用するため、波浪の影響で揺れが大きく不安定であったり、係留用のロープやチェーン（鎖）が切れるなどの問題がネックとなっているため、種々の改善策が施されているが、課題解決に至っていない。

したがって、大型浮体の係留方法が学問的にも技術的にも未確立であると云う現状から、新たに「大型浮体の係留技術」を理論的・実験的に研究する必要がある。大型浮体係留方法が工学的技術的に未解明・未解決であることは、去年（2004年）10月富山県における台風23号襲来時の「大型帆船漂流座礁事故」を見ても明らかである。

東京湾で研究開発された「メガフロート」は、静穏海域係留を原則とするものであり、係留装置としてはいわゆる「ドルフィン係留」が利用されるが、今のところ、沖縄県のように台風襲来も予想される実海域で安定に大型浮体を繋留する方法は確立されていない。

本発明の技術的課題は、暴風波浪の周期性に着目し、数周期分の波浪エネルギーを当該係留装置自体によって一時吸収・貯蔵しようとするものであり、この問題を深く追及し、大型浮体係留方法について新たな発明に至った。

本発明の技術的課題は次のような手段によって解決される。請求項１は、浮体をロープ又はチェーンで海底に係留する際に、ロープ又はチェーンに中間重錘と中間ブイを取付けて介在させ、中間重錘と中間ブイの運動によって波浪エネルギーを吸収・貯蔵させることを特徴とする浮体の係留方法である。

また、請求項２は、海底への係留手段と浮体とを接続するロープ又はチェーンに中間ブイと中間重錘を取付けてなることを特徴とする浮体の係留構造である。

本発明の技術は、今後大型浮体を荒天時においても安定的に係留するためには必須の方法となる可能性がある。すなわち、今後洋上風力発電を始め我が国の海洋活動は一層活発化が計られると予想されるが、安定な洋上空間を創出するための基礎技術として、ヘキサフロート技術とともに、本係留方法の早急な実用化が望まれている。

従来の浮体係留方法の内、最も一般的な方法は、浮体を海底のアンカー（Anchor、錨／碇）またはシンカー（Sinker、沈錘）にロープ（綱）またはチェーン（鎖）によって係留する方法である。しかしながら、アンカーまたはシンカーの係留力すなわち略水平方向の耐張力は、当該浮体に加わると予想される最も大きい外力（風力、波力および潮力を積算）以上となるよう設計される。シンカーの係留力は、シンカー自身の水中重量にシンカーと海底面間の静止摩擦係数を乗じて算出する。

ただし、この方法では、何らかの理由で動き出した浮体の「慣性力」は考慮されていない。その理由は以下の通りである。慣性力は浮体の重量とともに増加するが、もしこれを上述外力に加えるとすれば、結局アンカーの係留力もしくはシンカー重量を浮体の重量以上に設計せねばならず、大型浮体になるほど、それは実現不可能な要求となるからに他ならない。浮体慣性力が直接アンカーないしシンカーに作用することを回避するために、従来技術では、係留ロープまたはチェーンの長さを十分に長くすることで良としている。

例えば前記のヘキサフロートでは、フロート敷設点の水深10メートルに対しチェーン長さは（推奨値）2.5 倍の25メートルとした。結果的にこの長さでも、長時間に渡る台風襲来下の（中城湾）洋上では、慣性力が直接シンカーに加わることを回避できず、係留ロープの断線に至った。

メガフロートの「静穏海域」敷設に関連して、最近注目されている技術に「ドルフィン係留」がある。これは（ゴム等で）弾性を持たせた多数の棒杭を海底に垂直に建設し、フロート端面を両端または四方から保持して係留しようとする。力学的には弾性力によって外力を吸収しかつ慣性力の発生を押さえるものと云えるが、棒杭を建設できる程度の「浅水深域」あるいは「静穏海域」以外の実海域では、実用化の見通しは全く立っていない。

発明者らは、上述技術状況を深く考察することによって、本発明に到達した。すなわち、発明の目的は「如何にして浮体に慣性力を発生させないか」、「浮体慣性力がアンカーないしシンカーに直接作用することを如何にして回避するか」であった。

請求項１、２の発明は、海底への係留手段と中間ブイおよび中間重錘よりなり、中間重錘と中間ブイの運動によって、波浪エネルギーの吸収・貯蔵および放出を実現するものである。すなわち、暴風波浪の周期性に着目し、数周期分の波浪エネルギーを当該係留システム自体によって一時吸収・貯蔵そして放出し、浮体の運動すなわち慣性力の発生を最小限に抑制することを実現した。波浪エネルギーの吸収量、波浪中における係留システムの挙動等について、理論的に解明し、さらに実験的に検証し研究した結果である。

本発明によれば、小型ないし中大型浮体の係留装置として最適であり、台風襲来時等、荒天波浪状況下においても、対象浮体を安定に係留できる。したがって、ヘキサフロート技術やメガフロート技術による今後の洋上活動の推進に不可欠の技術となる。

請求項３は、海底又は水底への係留手段と浮体とを接続するロープ又はチェーンに弾性手段を介在させてなることを特徴とする浮体の簡易係留構造である。請求項１、２のように、中間重錘と中間ブイの運動によって、波浪エネルギーの吸収・貯蔵および放出を行なうということは、海底係留手段と浮体とを接続するロープ又はチェーンにゴムやスプリングなどのような弾性手段が介在しているのと同じ原理である。したがって、簡易な係留構造の場合は、実際にゴムやスプリングなどの弾性手段を介在させることによっても実現できる。

請求項４は、前記の浮体の上に、少なくとも風車を設置することを特徴とする請求項２又は請求項３に記載の浮体の係留構造である。このように、海上に浮かべた浮体の上に風車を設置することにより、波浪の影響の大きな海上でも風車を安定的に稼働でき、風力の豊富な海上における風力発電が可能となる。

請求項１、２のように、浮体と海底係留部との間に中間重錘と中間ブイを介在させて、中間重錘と中間ブイによって波浪エネルギーを吸収・貯蔵させることにより、浮体に発生する慣性力を抑制し、かつ浮体の慣性力が直接にアンカーないしシンカーに作用することを極力回避して、係留ロープやチェーンの切断を未然に防止できる。

請求項３のように、簡易な係留構造の場合は、実際にゴムやスプリングなどの弾性手段を介在させることによっても、請求項１、２と同様に、波浪エネルギーの吸収・貯蔵および放出を行なうことができる。

請求項４のように、海上に浮かべた浮体の上に風車を設置することにより、波浪の影響の大きな海上でも風車を安定的に稼働でき、風力の豊富な海上における風力発電が可能となる。

次に本発明による浮体の係留方法が実際上どのように具体化されるか実施形態を説明する。図１は本発明による浮体の係留構造の実施形態を示す縦断面図であり、浮体１と中間ブイ２を海面３上に浮かべてある。そして、中間ブイ２をロープＲ１で係留手段４に連結してある。係留手段４は、通常は海底に存在するが、人工の岸壁や天然の岩壁に係留したり、構築物を利用して係留するこも考えられる。中間ブイ２と浮体１を連結しているロープには、中間重錘５を連結してある。このロープは、中間重錘５と中間ブイ２間をロープＲ２とし、中間重錘５と浮体１間をロープＲ３とする。

浮体１は、前記のようなヘキサフロートでもよいし、消波堤や浮遊式の人工リーフおよび人工浮設体でもよいし、特に限定されない。中間ブイ２は、通常の状態で容易に沈降しない程度の浮力のある浮体を用いるが、特に材質や構造、形状などの制限はない。中間重錘５は、金属やコンクリートその他の比重のできるだけ大きな重い物体を利用し、水中に沈降させる。

この配置において、各ロープＲ１、Ｒ２、Ｒ３にかかる張力（Ｔ）の内、垂直上向き成分すなわち浮力をＢ１、Ｂ２、Ｂ３とする。また、浮体１および中間ブイ２側のロープＲ２、Ｒ３の受ける水平方向の成分をそれぞれＦ・Ｆとし、中間重錘５の海中における重量をＷ（一定値）とする。Ｆ…は、向きこそ違え、全て絶対値は等しいので、単にＦと記載する。もちろん、このＦが、浮体１にかかる外力Ｆに等しいことは言うまでもない。したがって、中間重錘５を吊るしているロープＲ２、Ｒ３が垂線となす角度α＝β＝１／２・Ｗとなり、波浪状態のいかんに係わらず、Ｆが一定値以下で、中間重錘５の運動のみで外力を吸収している場合、Ｂ１＝Ｂ２＝１／２Ｗとなる。

いま、図２のように、波浪や風力で浮体１が流され、係留手段４から遠ざかり始めるものとすると、図１でジグザグ状に折れ曲がっていたロープＲ１、Ｒ２、Ｒ３が引き伸ばされて、図２のように直線状態に近づいてくる。その結果、「Ｂ１＋Ｂ-Ftan γ＝Ｗ」となる。

つまり、中間ブイ２は、海底の係留部４と中間重錘５から受ける力で水面下に沈下し、中間重錘５は、浮体１と中間ブイ２によって引き揚げられる方向の力を受ける。これらの運動によって、浮体１の慣性力が抑制される。また、これらの運動が抵抗となって、各ロープＲ１、Ｒ２、Ｒ３が真っ直ぐになることはなく、したがって浮体１の慣性力が直接に係留部４に作用して、ロープが切断されることも殆ど発生しない。

図３は、波浪力と係留角度αβとの関係を示すグラフである。いま、係留角度βが９０度を過ぎた当たりで、無次元係留力ｆが２となる。すなわち、例えば中間重錘５の水中重量が１０トンの場合、波浪力が２０トン作用して始めてβが９０度になることを示している。この場合、１１０度あたりに持って行く（引っ張る）為には、５０トンもの力が必要と言うことになる。見方を変えれば、そこまでに中間ブイ２を引っ張った「莫大な仕事量＝エネルギー」が全て「中間重錘５及び浸水中間ブイ２の位置エネルギー」として貯えられることになる。

計算の結果、当初の予想以上に「本発明係留方法」は大きなエネルギーを一時的に貯え、かつ放出することを確認できた。同様研究の初期段階のものは、他の研究機関でも見かけるが、ここまで具体的に明らかにし、実用段階に近付いたのは、今の所、本発明だけであることも確認した。

本発明における特徴の１つは、係留手段４となる「アンカーシンカー」である。これはアンカー（碇）のような爪を持ったシンカー（重錘）と云う造語である。鉄とコンクリートの複合体であるが、製造コストが従来のシンカーに比べて著しく高くなることは考えられない。

次の特徴は当然「中間重錘５と中間ブイ２」、及び「その組み合わせ」である。中間ブイ２単体の技術は従来より存在するので、製造コストも含めて、これが「本発明係留方法」実現のネックになるとは思えない。中間重錘５は、「コンクリート球体」として、従来技術で低コストに製作可能であると考えられるので、特に問題はない。廃船などを利用してもよい。

図は１か所だけに係留しているが、本発明の係留方法によれば、今後新たに１辺１０メートル、高さ2.５メートル（重量４８０トン）のヘキサフロートなどの浮体１を製作しても、３方向（複数方向）から、本発明方法で係留すれば、係留位置（座標）を極めて安定に保持できるものと思われる。

以上の係留方法は、図４のような構造により、簡易化することもできる。すなわち、浮体１と海底係留手段４との間を弾性手段６を介して接続することもできる。この場合は、弾性手段６が前記の中間重錘５や中間ブイ２の作用をするので、ロープ又はチェーンＲ４で直接に浮体１と係留手段４を接続できることは言うまでもない。

以上の実施形態においては、中間ブイ２や中間重錘５は単体で示してあるが、一か所のみに、あるいは複数か所において複数用いることもできる。また、係留手段４は、海底などに直接にロープＲ１を固定して連結してもよいが、大重量のシンカー（重錘）や爪を持ったアンカー（碇）に連結してもよい。

以上のように、本発明によると、浮体と海底などの係留手段とを連結するロープの途中に中間ブイと中間重錘を取付けることによって、ロープが浮体から受ける外力を吸収しかつ慣性力の発生を押さえることができる。その結果、浮体がより安定よく係留され、しかも係留用のロープが切断されるような恐れも解消され、海上に各種の基地を設置したりする場合に有効である。

本発明による浮体の係留構造の実施形態を示す縦断面図である。図１の係留構造において、浮体が大きく動いて中間ブイが水面下に沈下した状態である。波浪力と係留角度との関係を示すグラフである。本発明の原理を簡易係留構造に適用した実施形態の縦断面図である。

符号の説明

１浮体
２中間ブイ
３海面
Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３ロープ
４係留手段
５中間重錘
６弾性手段

Claims

浮体をロープ又はチェーンで海底に係留する際に、ロープ又はチェーンに中間重錘と中間ブイを取付けて介在させ、中間重錘と中間ブイの運動によって波浪エネルギーを吸収・貯蔵・放出させることを特徴とする浮体の係留方法。
海底への係留手段と浮体とを接続するロープ又はチェーンに中間ブイと中間重錘を取付けてなることを特徴とする浮体の係留構造。
海底又は水底への係留手段と浮体とを接続するロープ又はチェーンに弾性手段を介在させてなることを特徴とする浮体の簡易係留構造。
前記の浮体の上に、少なくとも風車を設置することを特徴とする請求項２または請求項３に記載の浮体の係留構造。