JP5175733B2 - ポントゥーン型浮体式構造 - Google Patents

Description

本発明はポントゥーン型浮体式構造に関するものである。

僅少土地の島国（または、海岸線の長い国）における人口および都市開発の拡大の結果、都市計画者や技術者は、既存の高度に使用された土地および地下空間にかかる圧力を緩和するために、土地開発を行なう。技術者は、海底・丘・地下深くからの掘削物、さらに建築物残骸でさえも埋立材料として、相対的に広くて有価な陸地を海に作ることができる。しかし、土地開発には限界がある。これは、水深が浅い（20メートル未満）場合にのみ適しているからである。水深が深くおよび／または海底が極端に柔らかい場合には、陸地開発はもはやコスト的に効果的でないか、または、実行不可能であろう。また、陸地開発が海の環境を破壊するかも知れないし、毒性堆積物という被害をすらもたらすおそれもある。

海上に「陸地」を作る代わりの方法として超大規模浮体式構造（Very Large Floating Structures （VLFS））がある。これには、２種類のVLFS、すなわち、半水没型とポントゥーン型のVLFSがある。半水没型浮体式構造は、海面上に出ており、柱状管またはバラスト構造要素を使用して、一定の浮力を維持しつつ波の影響を低減させる。よって、波によって起こる動きを減らすことができるので、大きい波のある外洋での使用に適している。半水没型VLFSの典型例は、石油や天然ガスの掘削および生産に用いられる浮遊型プラットフォームである。これらの半水没型構造が、該構造にさらなる浮力をつけるものとしてプリテンションの高い垂直つなぎ綱を用いて海底に取り付けられた場合には、これらは緊張係留式プラットフォームと呼ばれる。

これに対して、ポントゥーン型浮体式構造は海水面にあり、一般的には静かな海での使用に適していて、入江またはさんご礁および海岸線近くで使用されることが多い。広い範疇でのポントゥーン型浮体式構造またはメガフロートは、少なくともその一辺が60メートルをこえる寸法である。

たとえば、メガフロートの中央部分に大きな負荷がかかると、この浮体式構造の中央は隅に比較して垂直方向にたわむ。結果生じる差分湾曲は、装置の機能を悪化させることもあり得るし、浮体式構造の上部構造（superstructure）はさらに応力をうけるかもしれない、または極端な場合には、高応力条件下で構造破壊に至る可能性がある。

したがって、上記問題の少なくともひとつに対する対策が要求されている。

本発明の第一の態様によれば、ポントゥーン型浮体式構造は、水面より上に保持され、上に置かれた積荷による負荷を支持する上部デッキを有し、前記上部デッキは、前記積荷により働かされる加重の下で前記上部デッキの中央に関し、前記上部デッキのコーナーが垂直に移動可能なように寸法を有し、前記上部デッキの下に設けられたチャンバの水平配列を有し、前記チャンバは、前記構造に浮力を与えるチャンバの第１セットと、水が出入りし安定状態において浮力を与えないチャンバの第２セットを含み、前記チャンバの第２セットは、前記上部デッキの下に浮力付与チャンバのみが設けられた構造に比べて、前記上部デッキの中央に関して前記上部デッキのコーナーの垂直方向の移動を制限するように配置されている。

前記上部デッキから複数の壁が下がり、前記上部デッキと共に前記壁によって区分されたチャンバを形成することが好ましい。

前記壁は前記デッキにほぼ垂直であり、ほぼ平行で横方向に区切られた第1セットと、ほぼ平行で横方向に区切られ前記第１セットにほぼ垂直な第２セットとを有し、これによりチャンバはその水平横方向の断面がほぼ正方形または長方形であることが好ましい。

前記チャンバはそれぞれの底部壁を有し、前記底部壁は前記上部デッキから離れていて、前記第２セットのチャンバの底部壁は水の流れを供給するための開口部を有することが好ましい。

前記第２セットのチャンバは前記構造の周囲に近接して配置されることが好ましい。

前記第２セットのチャンバは前記周囲に近接して列として配置されることが好ましい。

各列は前記周囲から少なくとも前記第１セットの１個のチャンバ分だけ離されることが好ましい。

前記構造は平面図で見た場合に正方形または長方形であり４辺を有し、各列は上記４辺のひとつにほぼ平行に延びることが好ましい。

上記構造は鉄鋼、コンクリートおよび強化コンクリートのひとつ以上の組み合わせによって形成されることが好ましい。

上記構造は、半水没させるためのほぼ水平方向に配置された底部スラブを含み、上記底部スラブは上記上部デッキに対して、ほぼ平行で共通の端点をもつが垂直方向に離れていることが好ましい。

上記チャンバの配列は第１配列であり、上記構造は上記第1チャンバ配列の下に設けられた水平方向の第２チャンバ配列を有し、上記第１および第２チャンバはほぼ水平に配置された中間スラブによって分離されていて、上記中間スラブは上記上部デッキに対してほぼ平行で共通の端点をもつが垂直方向に離れていることが好ましい。

上記上部デッキは、上記第２チャンバセットに空気の流れを供給するために、開口部を有する、および／または、空気透過性であることが好ましい。

本実施例におけるゼロ浮力チャンバは、水がチャンバに自然に出入りするので受動的になる。そこで、能動的なバラストシステムのような、ポンプや高額な運転コストが不要となる。ゼロ浮力チャンバは、例え負荷が不均一であっても、許容可能なドラフトを超えなければ、浮体式構造が同じドラフトを得ることを可能にする。これは、浮体式構造全体のモジュールの均一性のゆえに、コスト削減につながる。より低い浮力チャンバのおかげで、より軽くより安価な浮体式構造を得ることが可能であるが、これは、サービス性や強度のキャパシティを（低減された応力ならびに差分湾曲のゆえに）低減することなしに、構造の各部の厚さが減少可能であるからである。部分的に水で満たされたより低い浮力チャンバは、流体力学的な制動作用をするので、浮体式構造は波の力ならびに水流によって生じる動きに対する抵抗力がより強くなる。

発明の実施例は、例としての以下の記載および図面に関連させてみれば当業者によりよく理解され、明らかなものになるであろう。図１は本実施例における浮体式構造100を示す。浮体式構造100は固定装置102によって固定されてもよく、陸地108への出入用接続部104、他の構造、または船を含んでよい。防波堤106は、浮体式構造100に衝突する大きな波の力を低減するために、必要に応じて設けることができる。

図２は浮体式構造100の一部の概略断面図を示す。この構造100は本実施例では上部スラブを有する上部デッキ200を含む。デッキ200から複数の壁、たとえば、壁202，204が下がっている。壁202，204はデッキ200に対してほぼ垂直に延びて、複数のチャンバ、たとえば、チャンバ206，208を構成する。チャンバ206，208はデッキ200の下に水平に配置される。水平底部壁またはスラブ210が設けられる。壁202，204およびスラブ210は不透水性材料で形成され、壁202，204のそれぞれは水平底部スラブ210に気密的に接続される。このようにして、ほとんどのチャンバ、たとえば、チャンバ206は気密的に封じられ、水が入り込まないようになっている。同時に、開口部212，214が、選択されたチャンバ208の底部スラブ210に設けられ、これらのチャンバ、たとえば、チャンバ208に水が入れるようにしている。水が入るときにチャンバ208からの空気の排出を容易にするために、デッキ200には少なくともチャンバ208の領域に開口部（図示せず）または空気抜けを設けてもよい。安定状態では、チャンバ208は216で示されるレベルまで水で満たされ、これは数字218で示される海面レベルと等しい。

水はチャンバ208に自由に出入り可能なので、ジルセルと呼ばれるこれらのチャンバは浮体式構造100に対してゼロの浮力を与える。同時に、残りのチャンバ206は浮体式構造100に対して浮力を与える。したがって、浮力は、チャンバ208の下の領域から離れた領域において底面スラブ210に作用している。

この実施例では、チャンバ208は構造100の辺216に沿って設けられ、チャンバ208の浮力ゼロの結果、辺216の垂直方向の動きが制限される。浮体式構造100の中央または中央近くに負荷がかけられると辺216の差分湾曲を減少させることが判明した。チャンバ208の個数および寸法を調整することで、可変負荷に対して許容可能な範囲に差分湾曲を維持するように浮体式構造100を設計することができる。

この実施例においては、開口部212，214は底部スラブ210の構造上の整合性が維持されるように設計される。開口部の寸法は、チャンバ内の水面レベルが海水面レベルと同じになるように、水が自由に入り込めるよう十分な大きさに選択される。

図３（ａ）と図３（ｂ）は個々のゼロ浮力チャンバ304，306のための開口部300，302の例を示す。開口部の設計では、開口部内に鋭い箇所がないようにするが、これは鋭い箇所が亀裂の始点となり得るからである。開口部の寸法は、チャンバ構造が弱くならないようにすることと、特に小さい開口部の封鎖との間でバランスを取ることで決定されてよい。

この実施例では、壁とスラブは鉄鋼、コンクリート、鉄筋強化コンクリートのような強化コンクリート、またはその他の材料で必要な剛性と強度をもつ適当な防水性の材料を用いて形成される。コンクリートの防水性によって、強化材の腐食を避けるまたは制限することができるので、防水性コンクリートまたはオフショアコンクリートを使用してよい。たとえば、フライアッシュおよびシリカフュームを含む高性能コンクリートが適当であろう。各実施例において、構造材料のその他の組み合わせが使用可能なことが理解されよう。

たとえば、被覆、陰極保護、腐れ代および腐食モニタリングなどを使用して、強化材料および他の鉄鋼製品に対して腐食防止技術を適用しても良い。海中生物が活動的な場合には、これらの成長を抑えるために、汚れ止め被覆を使用してもよい。平均低潮面の真下などの深刻な低腐食性が考えられる領域では、陰極保護を使用してもよい、また、平均低潮面から１メートルの深度よりも浅い他の部分では、被覆方法を用いてもよい。被覆方法には、塗布、チタン被覆ライニング、ステンレス鋼ライニング、亜鉛、アルミニウムおよびアルミニウム合金の熱吹付けなどが含まれ得る。

図１に戻ると、固定装置102は、浮体式構造100がその位置に保持されるのを保障し、これによって、浮体式構造上に設置された装置が信頼性をもって作動されることになる。固定装置102の設計段階で考慮する一例としては、危険な海洋条件や暴風雨で構造100が漂流するのを防ぐことがある。拘束を解かれた、または漂流する浮体式構造100は周囲の装置を損傷する恐れがあるし、船との衝突で人命の損失を招く恐れもある。図4は、ドルフィンガイドフレームシステム400、チェーンとケーブルによる固定402、緊張係留法404および桟橋／埠頭壁法406などの、いくつかのタイプの固定装置を示す。固定システムの選択はその場所の条件および性能要求に依存する。

固定システムのタイプが選択されると、環境条件および運転条件とに見合う緩衝材、装置の数量および配置、および要件が決定される。固定ドルフィンの配置は、たとえば、浮体式構造の水平方向の移動が適切に制御され、固定する力が適切に分配されるようにすればよい。固定ドルフィンの配置と数量は、浮体式構造の移動および固定する力が許容値を超えないように調整可能である。

浮体式構造に衝撃を与える波の力を弱めるために、１個以上の防波堤106を必要に応じて近傍に建設可能である。防波堤は主要な波高が４メートルをこえる場合に有用である。

つぎに、本発明の実施例における性能を示す計算結果を説明する。図５は本実施例による浮体式コンテナターミナル500の概略上面図を示すが、これは、以下に示す計算に使用される。図５では、中央コンテナ領域502と、構造500の一辺にレール領域504とが設けられている。図5での寸法はメートル単位である。ゼロ浮力チャンバの位置は概略図では番号506，508および510で示される。

構造500とゼロ浮力チャンバなしの同様の構造とを比較するために有限要素法（finite element method（FEM））を使用した。対象とする一例は、浮体式構造500の四隅と中間部分との間の差分湾曲である。たとえば、埠頭クレーンは、中間レール504の傾斜がある所定の傾斜値、たとえば、0.4％を超えた場合には、作動できない可能性がある。

計算のために、構造500は二層構造と仮定したが、これについて簡単に説明する。図６（ａ）と（ｂ）は、それぞれ、防水チャンバ600および構造500（図５）のゼロ浮力チャンバ602の概略断面図を示す。図６（ａ）では、防水チャンバ600は、上部および底部スラブ606，608の間に設けられた中間スラブ604によって区分される。同様に、図６（ｂ）に示されるように、ゼロ浮力チャンバ602は上部および底部スラブ606，608の間に設けられた中部スラブ604によって区分される。開口部610，612は、ゼロ浮力チャンバ602の底部スラブ608に設けられ、これと対応する開口部614，616が中間スラブ604に設けられる。梁補強部618，620は上部スラブ606の下および底部スラブ608の上面にそれぞれ設けられ、上部および底部スラブ606，608を横切って、水平方向に離された互いに直交する２つの列として延びる。

表１は計算に使用したデータをまとめたもので、一例としての浮体式構造の寸法や構成材料特性、自重および埠頭クレーンの重量をふくむ。

計算にはアバクス（ABAQUS）ソフトウェアを使用した。計算モデルは以下を含む。
・上部、中間、底部スラブおよび垂直壁用４ノード薄板要素。スラブ用の各要素は、5m×5mの寸法でそれぞれ厚さが異なり、垂直壁用の各要素は5m×4.8mの寸法である。
・梁補強部のモデル用２ノード梁要素。各梁補強部は5mの長さである。
・浮力のモデル化のための底部プレート要素のノードに横方向ばねを取り付ける。ばねの係数は250kN/m（＝1.03×9.81×5×5）で、これは浮力に匹敵する。

図７（ａ）および（ｂ）は、本実施例において計算された、ゼロ浮力チャンバなしとありとの浮体式構造の湾曲面700，702をそれぞれ示す。湾曲面700，702は7層コンテナ負荷、および、表１に示される埠頭クレーン負荷とターミナル自重条件下で計算された。図７（ａ）および（ｂ）の比較から明らかなように、本実施例による浮体式構造（図７（ｂ））では、ほぼ「平らな」湾曲面702に例示されるように、浮体式構造の差分湾曲は著しく低減される。

図８（ａ）および（ｂ）は、本実施例において計算された、ゼロ浮力チャンバなしとありとの浮体式構造における主要応力に対する底部スラブの応力状態800，802をそれぞれ示す。応力状態800，802は７層コンテナ負荷、および、表１に示されるクレーン負荷と自重条件下で計算された。図８（ａ）および（ｂ）の比較から明らかなように、本実施例による浮体式構造（図８（ｂ））において、応力は著しく低減される。

図９（ａ）および（ｂ）は、本実施例において計算された、ゼロ浮力チャンバなしとありとの浮体式構造における主要応力に対する上部スラブの応力状態900，902をそれぞれ示す。応力状態900，902は７層コンテナ負荷、および、表１に示されるクレーン負荷と自重条件下で計算された。図９（ａ）および（ｂ）の比較から明らかなように、実施例による浮体式構造（図９（ｂ））において、応力は著しく低減される。

表２および３に、実施例におけるゼロ浮力チャンバなしとありとの浮体式構造における湾曲の計算結果をそれぞれまとめて示す。

広範にわたり本発明の精神または範囲を逸脱することなく実施例に示したように、本発明に対して多くの各種変更および／修正が可能である。したがって、上記実施例は、あらゆる観点において例示的なものであり、制限を設けるものではない。

本実施例は以下に使用可能である
・浮体式コンテナターミナル、浮体式クルーズセンタ、浮体式ホテル、浮体式レストラン、浮体式埠頭／バースまたは浮体式空港
・固定用ブイ
・スパー
・半水没装置
・柔軟土壌上の筏またはマット基部
・マルチボデーの浮体式構造および櫛型浮体式構造などのその他の浮体式構造。

実施例における浮体式構造の概略側面図である。 図１の浮体式構造の一部を示す概略断面図である。 （ａ）は図１の浮体式構造のゼロ浮力チャンバの概略底面図である。（ｂ）は図１の浮体式構造の別のゼロ浮力チャンバの概略底面図である。 図１の浮体式構造用の複数の各種固定装置の概略側面図を示す。 他の実施例による浮体式構造の概略平面図である（寸法はメートル単位）。 （ａ）は図５の浮体式構造の耐水チャンバの概略断面図である。（ｂ）は図５の浮体式構造のゼロ浮力チャンバの概略断面図である。 （ａ）はゼロ浮力チャンバなしで７層コンテナ付加での浮体式構造の湾曲面を示す（湾曲はメートル単位）。（ｂ）は図５の浮体式構造の7層コンテナ付加での湾曲面を示す（湾曲はメートル単位）。 （ａ）はゼロ浮力チャンバなしで７層コンテナ付加での浮体式構造における、主要応力に対する底部スラブの応力の状態を示す（応力はMPa単位）。（ｂ）は図５の浮体式構造で７層コンテナ付加での、主要応力に対する底部スラブの応力の状態を示す（応力はMPa単位）。 （ａ）はゼロ浮力チャンバなしで７層コンテナ付加での浮体式構造における、主要応力に対する上部スラブの応力の状態を示す（応力はMPa単位）。（ｂ）は図５の浮体式構造で７層コンテナ付加での、主要応力に対する上部スラブの応力の状態を示す（応力はMPa単位）。

Claims (12)

1. 水面より上に保持され、上に置かれた積荷による負荷を支持する上部デッキを有し、
   前記上部デッキは、前記積荷により働かされる加重の下で前記上部デッキの中央に関し、前記上部デッキのコーナーが垂直に移動可能なように寸法を有し、
   前記上部デッキの下に設けられたチャンバの水平配列を有し、前記チャンバは、前記構造に浮力を与えるチャンバの第１セットと、水が出入りし安定状態において浮力を与えないチャンバの第２セットを含み、
   前記チャンバの第２セットは、前記上部デッキの下に浮力付与チャンバのみが設けられた構造に比べて、前記上部デッキの中央に関して前記上部デッキのコーナーの垂直方向の移動を制限するように配置されているポントゥーン型浮体式構造。
2. 前記上部デッキから複数の壁が下がり、前記上部デッキと共に前記壁によって区分されたチャンバを形成する、請求項１記載のポントゥーン型浮体式構造。
3. 前記壁は前記デッキにほぼ垂直であり、ほぼ平行で横方向に区切られた第１セットと、ほぼ平行で横方向に区切られ前記第１セットにほぼ垂直な第２セットとを有し、これによりチャンバはその水平横方向の断面がほぼ正方形または長方形である、請求項２記載のポントゥーン型浮体式構造。
4. 前記チャンバはそれぞれの底部壁を有し、前記底部壁は前記上部デッキから離れていて、前記第２セットのチャンバの底部壁は水の流れを供給するための開口部を有する、請求項１から３のいずれか１項に記載のポントゥーン型浮体式構造。
5. 前記第２セットのチャンバは前記構造の周囲に近接して配置される、請求項１から４のいずれか１項に記載のポントゥーン型浮体式構造。
6. 前記第２セットのチャンバは前記周囲に近接して列として配置される、請求項５記載のポントゥーン型浮体式構造。
7. 各列は前記周囲から少なくとも前記第１セットの１個のチャンバ分だけ離される、請求項６記載のポントゥーン型浮体式構造。
8. 前記構造は平面図で見た場合に正方形または長方形であり４辺を有し、各列は前記４辺のひとつにほぼ平行に延びる、請求項６または７に記載のポントゥーン型浮体式構造。
9. 前記構造は鉄鋼、コンクリートおよび強化コンクリートのひとつ以上の組み合わせによって形成される、請求項１から８のいずれか１項に記載のポントゥーン型浮体式構造。
10. 前記構造は、半水没させるためのほぼ水平方向に配置された底部スラブを含み、前記底部スラブは前記上部デッキに対して、ほぼ平行で共通の端点をもつが垂直方向に離れている、請求項１から９のいずれか１項に記載のポントゥーン型浮体式構造。
11. 前記チャンバの配列は第１配列であり、前記構造は前記第１チャンバ配列の下に設けられた水平方向の第２チャンバ配列を有し、前記第１および第２チャンバはほぼ水平方向に方向づけられた中間スラブによって分離されていて、前記中間スラブは前記上部デッキに対してほぼ平行で共通の端点をもつが垂直方向に離れている、請求項１から１０のいずれか１項に記載のポントゥーン型浮体式構造。
12. 前記上部デッキは、前記第２チャンバセットに空気の流れを供給するために、開口部を有する、および／または、空気透過性である、請求項１から１１のいずれか１項に記載のポントゥーン型浮体式構造。

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