JP4069266B2 - 水中構造物の流体力低減方法及び流体力低減型水中構造物 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば水中トンネルを構成して水中に横設されるトンネル本体や地盤から水中に立設される縦型換気塔、或は大規模浮体施設を構成し、水中に垂下した状態で設置される脚体等のような水中構造物に関し、特に潮流等の流体力を低減することにより水中構造体の振動を抑制するようにした水中構造物の流体力低減方法及び流体力低減型水中構造物に関する。
【0002】
【従来の技術】
都市間の流通と生活には交通システムを充実させることが必要であるが、地上での道路用地の確保の困難性や確保に要するコスト高から海洋空間の活用が検討されており、その一環として水中トンネルが従来より提案されている。また、空の交通手段に不可欠な飛行場を地上に設置することも同様の理由から困難な問題があり、海上ヘリポートが提案され、検討されている。更に、海底資源の活用として海底油田掘削用プラットホーム等も現に利用されている。これら水中トンネル、或は海上ヘリポートや海底油田掘削用プラットホーム等の大規模浮体施設を設置する場合の問題点は水中の構造物に対して潮流等の定常流および振動流における抗力CD 、揚力CL 、付加質量力CM による流体力が作用するために水中構造物が振動或は揺動することであり、この振動や揺動(以下振動等という。)に対して施設の安定性、安全性を十分に確保する対策が必要である。
【0003】
このような流体力による水中構造物の振動等の問題に対して従来技術を基に考えられる解決方法としては、構造設計時において限界強度を増加する方法、ラーメン構造等の受け流し型設計を採用する方法、ダイナミックダンパー(動吸振器マスダンパー)を利用する方法、ワイヤー等を使用してテンションコントロールを行う方法、構造物の表面にフィンを設ける表面構造の方法、音響により圧力場をコントロールする方法等がある。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上述した解決方法のうち限界強度を増加する方法はコストが増加するという欠点や設計外の外力等(津波、経年による潮流の変化等)に対処できないという欠点がある。また、受け流し型設計による方法は、水中トンネルが自動車等の交通手段に利用するためトンネル自体の変動(歪み)は致命的であり、構造上支持手段が不安定な構造物には不適である。ダイナミックダンパーを利用する方法はビルディングのような一端固定型構造物の屋上に設置する場合には有効であるが、大きな外力が作用し、かつスペース効率が悪く固定条件の異なる水中構造物には不適である。更に、ワイヤー等を使用する方法は水中という設置場所からして設置や維持、管理が困難である。構造物の表面にフィンを設ける方法は海藻等の付着生物による影響、外力の経年変化に対応できないために設計当初の能力を発揮できないという欠点がある。また、音響による方法は水中構造物にスピーカーを設置することが困難であるし、振動力に対して同程度のエネルギーを与えなければならず、騒音の問題、海洋生物に与える影響、エネルギー確保上の問題等がある。
【0005】
また、浮体施設の流体力低減方法としては、浮体施設を構成する脚体等の水中構造物にスクリュウ推進装置を設けて位置をコントロールする方法によって浮体施設の位置制御を行う方法が提案されている。また、カウンターウエイトを用いた動吸振機により振動を吸収して浮体施設をコントロールする方法が行われている。しかし、上記いずれの方法も振動等の原因となる流体力そのものを低減するものではなく、浮体施設の安定性、安全性確保に十分な方法ではないという欠点がある。
【0006】
本発明は上述した従来技術を利用する方法では流体力による水中構造物の振動等を有効に低減することが出来ないという問題点に鑑みなされたもので、潮流等の流体力の定常流および振動流による水中構造物の振動等を気泡によって可及的に低減し、水中構造物自体、或は水中構造物を有する施設の安定性、安全性を高めることができるようにした水中構造物の流体力低減方法及び流体力低減型水中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】
上述した課題を解決するために構成された請求項1の発明の手段は、水中構造物に加わる定常流及び振動流の大きさ及び方向を制御手段により計測し、該水中構造物の外面に形成した多数の空気放出孔のうち前記制御手段により選定した空気放出孔から計測値に基づく所望量の空気を該水中構造物の内部から外側の水中に向けて放出するようにしたことにある。
【0008】
また、請求項2の発明の手段は、水中に設置され、内部が大気と連通した筒状の構造物本体と、該構造物本体の外面に、縦方向および横方向にそれぞれ離間して開口形成した複数の空気放出孔と、該複数の空気放出孔の各々を前記構造物本体の内部と連通させるべく該構造物本体に形成した複数の通気用開口と、前記複数の空気放出孔の各々を開閉する開閉手段を有して前記構造物本体に設けられ、該構造物本体内部側の空気を該複数の通気用開口の各々を介して前記各空気放出孔から外側に放出するための空気放出手段と、前記複数の空気放出孔のうちの選択した空気放出孔から所望量の空気を前記構造物本体の外側に放出すべく該空気放出手段を制御する制御手段とからなる。
【0009】
前記構造物本体には水中トンネル本体がある。
【0010】
そして、前記水中トンネル本体は前記複数の空気放出孔が開口する外壁と、前記複数の通気用開口が形成された内壁と、該内壁と外壁との間の空隙に周方向に離間して形成した複数の隔壁とから構成するとよい。
【0011】
更に、前記構造物本体には、浮体施設を構成して水中に横設又は垂下され、或は定置施設を構成して水中に立設される柱状体の外側を囲繞した状態で設置される外筒がある。
【0012】
また、前記制御手段は、前記構造物本体に作用する定常流および振動流の大きさおよび方向を加速度計および流向・流速計から検出し、得られた検出値に基づいて、前記複数の空気放出孔のうち空気を放出する空気放出孔および空気放出量を選択し、前記空気放出手段を駆動するように構成するとよい。
【0013】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づき詳述する。図1ないし図11は第1の実施の形態に係る水中トンネルを示す。図において、1は水中トンネルを構成する水中トンネル本体(以下、トンネル本体という。)で、該トンネル本体1は円筒体からなる外壁2と、該外壁2より小径の円筒体からなり、外壁2との間に空隙を存して設置した内壁3と、該内壁3と外壁2との間に周方向に離間して形成され、長尺の複数の仕切室4、4、・・・を周方向に画成した複数の隔壁5、5、・・・とから構成してあり、内壁3の内側は外気に連通した鉄道路及び自動車路としての交通路6になっている。そして、上記トンネル本体1は直径約23m、単位長さ約200mのコンクリート製二重構造体に構成してあり、複数本のトンネル本体1、1、・・・を軸方向に連結して水中トンネルを構成し、図示しないテンションレグにより海底地盤に係留することにより水中に設置してある。
【0014】
7A、7B、・・、7Mは外壁2の外面2Aの周方向に所定間隔離間して開口形成した複数の空気放出孔を示し(なお、場合により空気放出孔7と総称する。)、該各空気放出孔7は外壁2の直径の約1/50〜1/100の孔径に設定してある。そして、外面2Aの全面から均等に空気を放出することができるように外壁2の長手方向に隣接する空気放出孔7、7、・・・は1/2ピッチ周方向にずらすことにより千鳥格子状に配列してある。8は各空気放出孔7に連結して外壁2に形成したシャッタ室を示し、該シャッタ室8は機器収納室9を介して仕切室4に連通している。他方、10、10、・・・は空気放出孔7、7に対応して内壁3に開口形成した複数の通気用開口を示す。該通気用開口10、10、・・・は内壁3の周方向及び軸方向に離間して配設してある。
【0015】
11は内壁3内部の大気を各空気放出孔7から外側の海中に放出するための空気放出手段を示す。12は該空気放出手段11を構成するメイン放出機器部を示し、該メイン放出機器部12は通気用開口10に内設した塵埃除去用のエアフィルタ12Aと、大気中の窒素酸化物を除去するために仕切室4に位置して該エアフィルタ12Aの下流側に設けた触媒収容体12Bと、基端側は触媒収容体12Bに連通した通気用配管12Cと、該通気用配管12Cの先端に接続され、仕切室4に沿って伸長する空気分配管12Dと、通気用配管12Cに上流側から設けた吸引ポンプ12E、圧力保持用加圧タンク12F、空気流量計12G、メイン開閉弁12Hとから構成してある。また、13は機器収容室9に配置した個別放出機器部で、該個別放出機器部13は前記空気分配管12Dとシャッタ室8との間に接続した連通管13A、13A、・・・と、機器収納室9に位置して該各連通管13Aに上流側から設けた個別流量計13B、個別開閉弁13C及び逆止め弁13Dとから構成してある。
【0016】
次に、14は開閉室8に設けられて空気放出孔7を開閉するシャッタ装置を示し、該シャッタ装置14は一端側がシャッタ室8に枢支されて開閉可能なシャッタ本体14Aと、該シャッタ本体14Aを駆動する油圧装置14Bとから構成してある。かくして、本実施の形態における空気放出手段11は、排気ガス等により大気中に含まれる窒素酸化物等の有害物質をメイン放出機器部12のエアフィルタ12Aと触媒12Bによって除去し、二酸化炭素を多く含む清涼な空気を個別放出機器部13からシャッタ装置14を介して空気放出孔7から海中に放出するものであり、二酸化炭素は海水に溶解させることができる。
【0017】
更に、15は前記空気放出手段11を制御するための制御手段を示す。該制御手段は水中トンネル1の略軸中心に設置した加速度計16Aと、流向・流速計16Bと、マイクロコンピュータ16Cとホスト制御盤16Dとからなり、定常流と振動流及びこれらの流速を検出し、空気放出孔7A乃至7Mのうち空気を放出する空気放出孔7を選定する中央制御部16と、前記ホスト制御盤16Dに電気的に接続され、各空気放出孔7A乃至7M毎のメイン放出機器部12を制御するメイン制御盤17A乃至17Mと、個別放出機器部13及びシャッタ装置14を作動すべく該各メイン制御盤17に電気的に接続された個別の制御盤18、18、・・・とから構成してあり、制御手段15及び空気放出手段11は図4に示すシステムに構成してある。なお、同図中二重線は空気の流れを示す。
【0018】
本実施の形態は上述の構成からなるが、ここでトンネル本体1に対する流体力を気泡により低減する原理について説明する。先ず、流体力の抗力CD の低減について説明すると、放出された空気によりトンネル本体1の外周に気泡が纏わり付き、水中に集団で混在することによって気泡の持つダンピング作用が生じる。そして、流れの向きに関係なくダンピングが増加する結果、流体力による速度変動を減少させることができる。また、その際の気泡は、下流側に圧力の低下により生じる流れの剥離域に流れ込むことでトンネル本体1の形状が見かけ上流線形になり、流れをスムーズにすることによって効果的に抗力CD を低減させることができるのである。
【0019】
また、揚力CL の低減について説明すると、トンネル本体1の後流の圧力の小さい領域に気泡が入り込み、渦の原因となる流れの剥離が起きないために見かけ上トンネル本体の外周における圧力差が減少する結果、揚力が減少することによる。更に、付加質量力CM の低減について説明すると、トンネル本体1の外周を質量を持たない気泡が取り囲むことにより、見かけ上トンネル本体1の付加質量を排除するものである。
【0020】
上述した流体力低減の原理に沿って本実施の形態における空気放出の制御方法を説明すると、制御手段15は図5および図6に示す手順に従って定常流および振動流とその速さを検出し、空気放出手段11を作動してトンネル本体1の外面2Aから空気を放出して気泡を発生させることにより、流体力を低減するものである。即ち、トンネル本体1の振動が基準値を越えたか否かを加速度計16Aにより判定し、越えた場合には流向・流速計16Bにより流体力の種類を判定する。トンネル本体1の変動加速度により揚力方向の卓越振動かを流速計16Bと加速度計16Aの計測値から判定し、トンネル本体1の振動速度が最大の場合(加速度値が最小の場合)には揚力が最大になるから、この場合の流体力を低減するための空気放出タイミングを加速度信号の振動周期プラス、マイナスT/4ずらして空気を放出する。つまり、抗力に対しては加速度最大のときに空気を放出し、揚力に対しては加速度が0のときに放出する。
【0021】
このように、制御手段15によって検出した流体力の抗力係数CD 、揚力係数CL および付加質量係数CM により、流体力の低減に有効なパラメータを求め、適切な空気放出孔7を選択して空気放出手段11により空気放出孔7から必要な量の空気を放出する。そして、空気放出による変動加速度の大きさによる空気放出量を最適に調整する。空気放出量増加に伴なってトンネル本体1の変動量が漸減するAタイプの場合(図7参照)には、制御手段により空気放出量を制御してトンネル本体1の変動加速度量の範囲内を制御目標に空気量を調節する。また、変動量が空気を放出した場合に極大値を持つBタイプの場合(図8参照)には、空気放出によるトンネル本体1の変位量の増減域を補償して空気量を放出するのである。
【0022】
空気放出のパターンを示すと、図9に示すように、例えば図中左方向からの定常流による抗力CD および揚力CL が作用する場合には、空気放出孔7A乃至7Gから空気A、A、・・・を放出することにより(放出パターンA)、流体力を低減することができる。
【0023】
図10に示すように振動流による抗力CD および揚力CL が作用する場合には、トンネル本体1の直径方向両側に位置する空気放出孔7C、7D、7Eおよび7J、7K、7Lから空気A、A、・・・を放出することにより(放出パターンB)、流体力を有効に低減することができる。また、図11に示すように、振動流の付加質量力CM が作用するような場合には、全ての空気放出孔7A乃至7Mから径方向に空気A、A、・・・を放出することにより(放出パターンC)、付加質量力CM を有効に低減することができ、トンネル本体1の振動等を抑制することができる。なお、空気の放出は1のトンネル本体1を1単位として行い、また1の仕切室4に対応する複数の空気放出孔7A(7B、・・・、7M)は一体に空気を放出する。
【0024】
本実施の形態によれば、トンネル本体1は二重構造に構成してあるから、設計基準以上の外力が作用した場合でも安全性に優れているし、設計において必要以上の安全率をとる必要がなく、建設コストの低減を図ることができる。また、仕切室4を配管12C、12Dや機器12E乃至12Hの収納空間として使用できるから、設計および保守管理が容易である。
【0025】
また、空気を加圧して放出する構成にしてあるから、水中トンネル損傷の際の復旧に用いられるトンネル内空気充填バックアップシステムにも流用可能であるという利点がある。
【0026】
更に、本実施の形態ではシャッタ本体14Aが一端側を支点に回動するシャッタ装置14を例に挙げたが、シャッタ本体はスライド式に構成してもよく、要は空気放出孔7を確実に開閉可能な手段であればよい。
【0027】
図12は本発明の第2の実施の形態を示し、例えば海上ヘリポートや海底油田掘削用プラットホーム等の浮体施設31を構成し、デッキ或はプラットホーム32から海中に垂下される脚体33に対する流体力を低減するために本発明を適用したものである。図中34は脚体33の外周に設けた縦型水中構造物としてのコンクリート製縦型筒体を示し、該縦型筒体34は第1の実施の形態におけるトンネル本体1と同様に外壁35と内壁36と隔壁37とから上端が開口部34Aになった二重筒体に構成してある。そして、開口部34Aから流入する外気を外壁35に形成した多数の空気放出孔38、38、・・・から図示しない空気放出手段および制御手段によって放出することにより、流体力を低減するものである。この流体力低減の原理および作動は第1の実施の形態に異なるところはないので、その詳細の説明は省略する。
【0028】
【発明の効果】
本発明は以上詳述した如く構成したから、下記の諸効果を奏する。
(1)水中構造物の表面から空気を放出し、水中構造物の外側の所要部位に気泡を形成するようにしたから、水中構造物に作用する流体力を効率よく低減することができる。
(2)水中構造物の外周面の一部或は全面から制御手段により定常流および振動流とその流速に応じて空気を放出するから、流体力を確実に低減することができる。
(3)大気中の二酸化炭素は海中に放出することにより溶解させることができるから、二酸化炭素の処理プラントとしての機能も果たすことができ、地上における二酸化炭素の低減に資することができる。
(4)水中構造物に排気ガス等を地上側に放出するための換気塔は不要であるのであり、海上交通を妨げることがない。
(5)放出した空気の気泡により水中構造物の位置の確認が容易であり、航行船舶に注意を喚起できるし、事故等の場合の位置確認も容易である。
【図面の簡単な説明】
【図1】図1ないし図11は本発明の第1の実施の形態に係り、図1は流体力低減型水中トンネルの部分側面図である。
【図2】図1中のII−II矢示方向拡大断面図である。
【図3】図2中の要部拡大図である。
【図4】空気放出手段および制御手段のシステム構成図である。
【図5】トンネル本体に対する流体力を低減する手順を示す流れ図である。
【図6】図6は図5に続く手順を示す流れ図である。
【図7】放出空気量と流体力の関係を示す線図である。
【図8】放出空気量と流体力の他の関係を示す線図である。
【図9】空気放出パターンAを示す説明図である。
【図10】空気放出パターンBを示す説明図である。
【図11】空気放出パターンCを示す説明図である。
【図12】図12は第2の実施の形態に係り、縦型水中構造物に本発明を適用した場合の概略説明図である。
【符号の説明】
1 トンネル本体
2 外壁
3 内壁
5 隔壁
7、38 空気放出孔
8 通気用開口
11 空気放出手段
15 制御手段
16A 加速度計
16B 流向・流速計
34 縦型筒体
Claims (6)
- 水中構造物に加わる定常流及び振動流の大きさ及び方向を制御手段により計測し、該水中構造物の外面に形成した多数の空気放出孔のうち前記制御手段により選定した空気放出孔から計測値に基づく所望量の空気を該水中構造物の内部から外側の水中に向けて放出するようにしてなる水中構造物の流体力低減方法。
- 水中に設置され、内部が大気と連通した筒状の構造物本体と、該構造物本体の外面に、縦方向および横方向にそれぞれ離間して開口形成した複数の空気放出孔と、該複数の空気放出孔の各々を前記構造物本体の内部と連通させるべく該構造物本体に形成した複数の通気用開口と、前記複数の空気放出孔の各々を開閉する開閉手段を有して前記構造物本体に設けられ、該構造物本体内部側の空気を該複数の通気用開口の各々を介して前記各空気放出孔から外側に放出するための空気放出手段と、前記複数の空気放出孔のうちの選択した空気放出孔から所望量の空気を前記構造物本体の外側に放出すべく該空気放出手段を制御する制御手段とから構成してなる流体力低減型水中構造物。
- 前記構造物本体は水中トンネル本体である請求項2記載の流体力低減型水中構造物。
- 前記水中トンネル本体は前記複数の空気放出孔が開口する外壁と、前記複数の通気用開口が形成された内壁と、該内壁と外壁との間の空隙に周方向に離間して形成した複数の隔壁とから構成したことを特徴とする請求項3記載の流体力低減型水中構造物。
- 前記構造物本体は、浮体施設を構成して水中に横設又は垂下され、或は定置施設を構成して水中に立設される柱状体の外側を囲繞した状態で設置される外筒である請求項2記載の流体力低減型水中構造物。
- 前記制御手段は、前記構造物本体に作用する定常流および振動流の大きさおよび方向を加速度計および流向・流速計から検出し、得られた検出値に基づいて、前記複数の空気放出孔のうち空気を放出する空気放出孔および空気放出量を選択し、前記空気放出手段を駆動するようにしてなる請求項2記載の流体力低減型水中構造物。
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