JPS62241790A - アクアバネ係留装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 現在の世界経済は工業社会から情報化社会えの変遷期に
ありそれに伴う国際経済摩擦は今後益々厳しくなると予
測される。わが国も自由経済社会の円滑な革新のために
輸出主導型産業構造を再検討して、内需拡大の経済政策
を推進しなければならない。四方を海に囲まれたわが国
に於ては、海上スペースの開発利用は今後の内需拡大の
重要な分野である。従がって政府の関連省庁に於いては
通産省のマリンコミュニティポリス、運輸省の沖合人工
島、国土庁のマリノポリス、水産庁のマリノベーション
、建設省のマリンマルチゾーン等が企画立案され、また
民間活力を利用した人工島方式の関西新空港を着工の段
階となった。今后海上スペースの有効利用は沿岸より沖
合へと展開するに伴い、海上空港海上火力原子力発電所
は浮遊式を、波浪制禦には浮消波堤の技術開発が必要で
あり、■養殖漁業に於いては海水の汚染の関係上内海内
湾海域より外海域に、海底魚礁に対しては浮魚礁、人工
島造成工事に伴う大量の埋立土砂投入による海水の汚濁
拡散防止対策としての外海域用シルトプロテクターの開
発実用化が進行している。これら浮遊構造物を外海域に
設置すれば必然的に大きな波力の影響を受けるための浮
体の係留索には非常に大きい衝■張力が発生して係留系
の安全確保は現有の技術では困難であるため、新しい浮
体の係留システムの開発は海上スペースの有効利用関連
技術の中では最重要課題である。

（従来の技術とその問題点） 浮体の係留方法を力学的に大別すると、自由係留方式と
緊張係留方式とに分類され、係留材としてはチェーン、
、ワイヤ、ロープ等の可橈性材料が使用されている。現
在最も安全といわれている浮体の係留機構は自由係留方
式で係留材には充分な重量を持ったチェーンを使用し、
初期係留時のチェーンの海底との接地長さを水深の２〜
３倍以上とって海底固定台に連結したものである。この
係留機構は係留系には殆んどタルミが発生せず波浪によ
る衝■張力も大きくはないと経験的に言われているが、
欠点としては浮体の波浪潮流等による変位量が大きく船
舶の航行に支障を与えたり浮体相互の衝突の危険もあり
、また海底固定台の間隔が大きいため浮消波堤のように
浮体が長大となると海底固定台に囲まれる海底面積が広
大となって漁業保障費が高額となる等のためその利用範
囲は限定される。渓流機構の選定は浮体の使用目的に応
じて最も安全で経済的な係留方式と係留材の組合せであ
るが、上記のチェーンを使用した自由係留方式以外は潮
位差、潮流の影響も加わって浮体の波浪による波動運動
によって係留系には必ずタルミが生じ、これに起因して
係留系には衝■張力が発生する。この強大な衝■張力の
理論強度は現在のところ工学的には末解析であり、その
予測不可能な衝■張力によって浮体の破損や係留材の切
断による重大な災害事故が発生している。

（発明が解決しようとする問題点） 本発明は上記の点に鑑みてなされたもので、その目的と
するところは、浮体を海底固定台に緊張係留し、係留系
には必要なバネ特性を持たせることによって係留系のタ
ルミに起因する衝■張力の発生を防止し、最大波力に対
しては係留系の持つバネ特性によって最大張力を緩和し
て浮体、保留材、海底固定台に作用する外力を小さくし
て浮遊構造物の安全を確保すると共にその経済性を向上
させようとするものである。

（問題を解決するための手段） 本発明の基本構想は水中に於ける浮体の持つ浮力とシン
カーに働く重力により水中の浮体とシンカーはあたかも
反発しあうように上下反対方向に変位運動する自然現象
を利用して係留系にバネ特性を持たせようとするもので
ある。

即ち第１図の中に示す如く浮体１と海底固定台４の中間
にサブフロート２とシンカー３を配置しそれらを係留支
索７、８、　７’、８’で連結して一連構造とし、さら
に係留支索７、８は係留主索５で浮体１と係留支索７’
８’は係留主索６で海底固定台４と緊張係留すると云う
簡単な機構によって係留系にバネ特性を持たせたもので
ある。従って潮流や潮位の変動及び波力の作用等によっ
て浮体がどのように変位運動しても第２、３、４図に示
す如く係留系には常時張力が作用しているために係留系
のタルミに起因する衝■張力は発生せず安全で経済的な
係留システムが確立された。

（実施例及び作用） 以下、本発明は図示の実施例に基づいて詳述する。

（１）先ず構造について説明する アクアバネ係留装置は第１図の中に示す如く、サブフロ
ート２、とシンカー３、を係留支索７、８、及び７’、
８’、の２本で連結して一連構造としたアクアバネを浮
体１の両側に配置し、係留支索７、８は係留主索５で浮
体１と、係留支索７’、８’は係留主索６で海底固定台
４とをそれぞれ緊張係留するものである。

サブフロート２、は作用外力に対して充分な強度を持つ
中空構造物で浮力を確実に保持するために発泡スチロー
ル等をその中空部に填充するのが良い。シンカー３はコ
ンクリート製品が経済的であるが、コンクリートの比重
は１．４０程度で空中のプラスチイクなみの重量である
ため、コンクリートの粗骨材を鉄鉱石等の比重の大きい
粗骨材に代えるとか、スクラップ用のレールや型鋼等を
利用して容積を小さくする方が据付撤去等の海上作業が
容易である。浮体１が大型浮遊構造物で大きいバネ定数
が必要な場合は、サブフロート２、とシンカー３、の水
中重量も大きくなるため、それらは浮体１、に平行して
その長さを大きくして必要な浮力と水中重量を確保する
方が構造的にも制作上も得策である。浮遊構造物の使用
目的や設置海域の波浪特性等による要求係留機能によっ
ては、サブフロート２、に連結する係留支索８’の代り
に非可橈性支柱１０’を、サブフロート２に剛結し、シ
ンカー３、に連結する係留支索８の代りに非可橈性支柱
１０をシンカー３、に剛結しても係留系のバネ特性は同
じである。それらの非可橈性支柱１０、１０’は外力の
作用に対して充分な強度を持つ円形またわ角形の中空管
を使用し、材料としては最も経済的な鉄を使用する場合
はその中空部に発泡スチロール等を填充して水中比重を
１．００とするような鋼管肉厚を採用するのが良い。こ
の非可橈性支柱を使用する一般的な利点は可■性保留材
の端末処理費が非常に高額となるため、その経済性の向
上が期待できることである。

（２）次ぎに本発明のアクアバネ係留装置の動作につい
て説明する。

第２図は設計水深ｈ、作用水平力Ｈの場合の初期係留時
のアクアバネ係留装置のスケルトンを示すもので係留系
は左右対称形である。この第２図に基いてアクアバネ係
留装置の動作の基本概念を静的解析によって説明する。

浮体１はａ点で２Ｕの浮力が、サブフロート２はｃ点で
Ｕ１の浮力が作用している。シンカー３はｅ点でＷの重
力が、海底固定台４はｆ点でＲの重力が作用していると
する。釣り合いの條件よりＵ＋Ｕ１＝Ｗ＋Ｒ・・・・・
・（１）　の方程式が成立する。

またサブフロート２の浮力Ｕ１とシンカー３の水中重量
Ｗはそれらが常に水中にあるため不変である。浮体１に
外力が作用するとＵ、Ｒは変動するが方程式（１）より
その変動量は同値でなければならない。ａ点とｂ点を結
ぶ直線ａｂの長さをｌａ、垂線との傾斜角をαとする。

同様にｂｃとｄｅは平行で同じ長さｌｂ、垂線との傾斜
角をβ、ｂｅとｃｄは平行で同じ長さｌｃ、垂線との傾
斜角をρ、ｄｆの長さをｌｄ、垂線との傾斜角をθとす
る。

上記の傾斜角α、β、ρ、θはａ点に作用する外力によ
って変動する浮体１の浮力２Ｕと水平力Ｈの函数である
。浮体１は初期係留時に両固定台４の距離　Ｌ＝２ｌ　
の中央に位置するため、ａ点とｆ点の水平距離をｌとし
、ａ点の水深即ちａ点の垂直距離をｈとすれば次ぎの方
程式が成立する。

ｌ＝ｌｄ×ｓｉｎθ＋ｌｃ×ｓｉｎρ＋ｌｂ×ｓｉｎβ
＋ｌａ×ｓｉｎα・・・・・・（２）ｈ＝ｌｄ×ｃｏｓ
θ＋ｌｃ×ｃｏｓρ＋ｌｂ×ｃｏｓβ＋ｌａ×ｃｏｓα
・・・・・・（３）只し海底固定台は充分な水中重量を
持っているため常時変位しないものとする。

ａ点に水平外力だけが作用する場合にはａ点は水平に変
位する即ちｈは一定であるとする。

緊張釣合い状態にある係留系のａ点に水平力△Ｈが作用
した時のａ点の浮力の変動量を△Ｕと仮定して、ｈは一
定であるため方程式（３）を満足する△Ｈ、△Ｕの函数
である傾斜角α、β、ρ、θを求めその値を方程式（２
）に代入すればａ点とｆ点の水平距離ｌ１が求められる
。従ってａ点の水平変位はｌ１−ｌ＝△ｌとなり、バネ
常数ｋはｋ＝△Ｈ÷△ｌより求められる。△Ｈの値を必
要範囲内で変化させてそれぞれに対応する傾斜角αβρ
θを決定すれば、ａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅ点の変位や各係留
索に作用する張力も求められる。△Ｈが負の値をとると
き即ち上記計算の係留系と反対側の係留系のような変形
も上記計算と同様な方法で計算すればよい。

第３図は浮体１に作用する水平力を順次変化させていっ
たときの変位を計算した結果の一例を図示したものであ
る。

次ぎに潮位の変動や浮体１を水没させて水面下所要深さ
の位置で緊張係留しようとするときは、浮体１の浮力２
Ｕは変動しなければならない。この場合係留系は左右対
称であるため浮体１に水平外力が作用しなければ浮体１
は垂直方向に上下動するため、浮体１と海底固定台４の
水平距離ｌは常に一定である。初期係留時より水位が上
昇する場合は、浮体１の浮力は△Ｕ１増加しそれに伴い
係留系の水平分力を△Ｈ１増加する。初期係留時より水
位が下降するか浮体に荷重を載せる場合には浮体１の有
効浮力は△Ｕ２減小しそれに伴い係留系の水平分力も△
Ｈ２減小する。浮体１の垂直方向変位の場合は前記の如
くｌを一定とするため、△Ｕ△Ｈを仮定して前記方程式
（２）を満足する係留索の傾斜角αβρθを求めれば、
前記浮体１の水平方向変位の場合と同様な計算手法によ
って係留系の諸特性数値が算定できる。第４図は浮体１
の浮力を順次変化させたときの係留系の変位を計算した
結果の一例を図示したものである。

以上の静的解析手法によって係留系の変位形状や各構成
部材の作用力が解明されるため、浮体設置海域の海象地
形地質條件に最も適応した、安全で経済的な係留機構の
設計が可能である。

第５図の如き浮体１と海底固定台４を一本の係留索で連
結しその間にサブフロートとシンカーを取り付けるライ
ン型アクアバネ係留装置は本発明者が開発したものであ
るが、これは波高の大きくない比較的静穏な海域で而も
浮体の変位量が大きくても良い場合には従来の係留方法
に比べて安全で経済的な浮体の係留方法であるが、浮体
の外力による移動範囲が制限されたり、漁業、航行或は
海中構造物の関係で海底固定台の間隔を小さくしなけれ
ばならない場合は、サブフロートの浮力とシンカーの水
中重量を大きくしなければならず、それに伴って浮体の
余剰浮力と海底固定台の水中重量も大きくなり工事費が
高価となる。このライン型アクアバネ係留装置の浮体の
変位に関して、第５図は水平方向の変位を、第６図は垂
直方向の変位について計算した結果の一例を図示したも
のである。第８図はライン型アクアバネ係留装置と本発
明のアクアバネ係留装置に同じサブフロートとシンカー
を使用して浮体１に水平力を作用させた場合のバネ定数
の計算結果を図示したもので曲線１３は本発明のアクア
バネ係留装置のバネ定数を、曲線１４はライン型アクア
バネ係留装置のバネ定数を示す。図示の如く曲線１３は
曲線１４に対して初期係留時には約２倍の大きさであり
、浮体１の水平方向変位量が浮体１と海底固定台の水平
距離ｌの１割程度変位した時は約４倍の大きさで、それ
を超過するに従がってその倍率は急激に増大する。この
現象は定性的に第５・６図より容易に予測することがで
きる。

浮体の係留で最も重要な係留系のバネ特性について、本
発明のアクアバネの機構を簡略化して説明する。ここに
サブフロートの浮力とシンカーの水中重量は同じＷ■ｋ
ｇとする。それらを同じ長さｌ■ｃｍの２本の係留索で
連結して水中に静止させ、それぞれの係留索の中央点に
於いて左右にＨ■ｋｇの水平力を作用させた時の係留索
端部の２本の係留索の開き角度を２β■とすればベクト
ル図よりβ■＝ｔａｎ−１Ｈ■／Ｗ■・・・・・・（４
）　となり、水平力の作用点の水平方向の距離ａ■ｃｍ
はａ■＝ｌ■×ｓｉｎβ■・・・・・・（５）バネ定数
ｋ■（ｋｇ／ｃｍ）は　ｋ■＝Ｈ■／ａ■・・・・・・
（６）となる。

ｔａｎの値は０度から４５度付近まではほぼその角度に
比例して大きくなるが、４５度以上の範囲では角度の増
大に対して非常に大きな増大率で大きくなる。ｓｉｎの
値は０度から４５度付近まではほぼその角度に比例して
大きくなるが、４５度以上の範囲では角度の増大に対し
て非常に小さな増大率で大きくなる、というそれぞれの
特性を持っている。従がって前記方程式（４）よりｔａ
ｎβ■＝Ｈ■／Ｗ■であるためＨ■がＷ■に等しくなる
程度まではβ■はＨ■に比例して増大するが、Ｈ■／Ｗ
■＝１　即ちβ■が４５度よりも大きな範囲ではβ■の
増加率に対してｔａｎ値であるＨ■／Ｗ■は急激に増大
する。即ちシンカーの水中重量とサブフロートの浮力は
同じＷ■で一定であるため、Ｈ■が大きくなってもβ■
の増加は微小であるということになる。さらにそのβ■
の函数であるｓｉｎβ■と前述の如く、Ｈ■の函数であ
るβ■が４５度よりも大きな範囲ではβ■の増加に対し
てｓｉｎ値の増加率は微小であるため、それらの相乗効
果によって、Ｈ■がＷ■よりも大きい範囲ではＨ■の増
加に対してｓｉｎβ■の増加率は非常に小さいことにな
る。

従がって水平力の作用点の水平距離ａ■は前記方程式（
５）より　ａ■＝ｌ■×ｓｉｎβ■であるため、Ｗ■よ
り大きなＨ■を順次増加して作用させていった場合のａ
■の増加率は非常に小さいことになる。然るにバネ定数
を前記方程式（６）より　ｋ■＝Ｈ■／ａ■であるため
Ｗ■より大きなＨ■が作用する範囲ではＨ■の増加に対
してバネ定数ｋ■の増加率は急激に増大することになる
。以上の説明によって本発明のアクアバネの特性は浮体
への作用水平力が小さい範囲ではバネ秤に使用されてい
るツル巻バネの特性を持ち、浮体への作用水平力が大き
くなると自動車や鉄道用貨客車に使用されている長さが
異なる鋼板を数枚重ね合せこれをその中央でボールド締
めにした重ね板バネのような特性を併せ持つものであり
、外海域の広範囲な周期波高の組合せよりなる波浪の影
響を受ける浮体の係留用バネとしては非常に有効なバネ
特性を持っていることが理解できる。

第７図は浮体を海底固定台に自由係留する最も一般的な
係留型式の断面を示したもので、その係留材としては必
要な自重を持ったチェーンを使用し、チェーンの海底地
盤との設置長さを水深の約２倍以上とれば十分に安全で
あると経験的にいわれている。この型式は計算比較する
までもなく一見して前記アクアバネ係留型式に比べて係
留系の持つバネ定数が小さく浮体の作用外力により変動
量は大きく海底固定台の間隔も非常に長くなることが理
解できる。この係留型式もチェーンの自重が軽い場合や
周期が短かく波高の大きい波に対しては係留系に衝■張
力が発生する。浮消波堤のような大型浮遊構造物で水深
が深く大きな波力を受ける場合は係留用チェーンの費用
が高くなるためにチェーンの海底設置長さを短かくして
浮体の側近に浮遊フロートを係留チェーンに取付けて係
留チェーンに発生する衝■張力を緩和しようとする対策
が採用されているがその効果については疑問がある。そ
の理由は慣性力の大きな浮遊構造物は波動に遅れた運動
をし、慣性力の小さな浮遊フロートは波動に連動して運
動する。従がって波の山付近では浮体を浮遊フロートが
接近してその間の係留チェーンはタルミが生じ、波の谷
付近では浮遊フロートが先に反対方向に最大速度で運動
するためにチェーンには衝■張力発生することになる。

さらに沿岸海域の波浪は現実には水の実質部分は波動に
よってゆっくりと波の進行方向に運ばれておりその平均
速度を質量輸送速度と言い次式で計算することができる Ｕ＝（π２Ｈ２÷２ＬＴ）＝｛ｃｏｓｈ２ｋ（ｈ＋Ｚ）
＋ｓｉｎｈ２ｋｈ｝ここにＵ：質量輸送速度、　Ｈ：波
高、　Ｌ：波長　　　　Ｔ：周期、　ｋ＝２π÷Ｌ、　
ｈ：水深、　　　　Ｚ：水面よりの深さ 上式より明らかなように質量輸送速度は波高の２乗に比
例し水面が最大でそれから次第に減少して水底で最小と
なる。　いま　Ｈ＝６ｍ、Ｌ＝５５ｍＴ＝６ｓｅｃ、ｈ
＝２０ｍの場合について計算すると、水面の質量輸送速
度は　Ｕ＝１．０９９５ｍ／ｓｅｃとなり波の進行方向
の流れは意外に大きいものである。

それに加えて沿岸流や海面上の風速の影響が加算された
場合は浮体には一般に言われている波力以外に大きな水
平力が作用していることが解る。

従がって台風時等にはチェーンを使用した自由係留方式
で浮体の側近に浮遊フロートをチェーンに取付けてもそ
の浮力が相当大きくなければその機能は消失し、またチ
ェーンと海底との接地長さが水深程度では係留系には大
きな衝■張力が発生すると予測される。本発明のアクア
バネ係留装置を使用する場合は基本的には上記質量輸送
速度と沿岸流及び海上風速に対しては、また季節風時の
波高等に対しては初期係留時の係留索の張力即ちツル巻
バネの特性で対応し、台風時等の大波高に対しては重ね
板バネの特性で対応するため係留索には衝■張力は発生
せず安全で経済的な係留が可能である （効　果） 本発明は上述のように浮体１、と海底固定台４、の中間
にサブフロート２、とシンカー３、を配置して前記のよ
うにそれらを緊張係留するという簡単な機構で係留系に
は波動に起因する強大な衝■張力の発生を防止し、海底
固定台４の間隔を小さく、而も浮体１の波力による移動
範囲も小さくして漁業や航行その他の産業活動に対する
影響を少なくした最も安全で経済的な浮体の係留方法で
あると確信している。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明のアクアバネ係留装置による浮体の係留
状態を示す標準断面図で、左半分はサブフロート２とシ
ンカー３を可■性保留材で連結した状態を示し、右半分
は上記の場合の可■性保留材８、８’を非可■性保留材
１０、１０’に取り換えた場合の係留状態を示している
。 第２図は本発明のアクアバネ係留装置の機能解説用とし
て、外力が作用していないとき即ち初期係留時の係留系
のスケルトンを図示した。 第３図は第２図の如き係留系の浮体に水平力が作用した
ときの係留系の変位状態の一例を示す。 第４図は第２図の如き係留系に於て浮体の浮力が変化し
た時の係留系の変位状態の一例を示す。 第５、６図は可■性保留材で浮体１、シンカー３、サブ
フロート２、海底固定台４、を緊張係留するライン型ア
クアバネ係留型式の浮体１、に水平力が作用した場合と
、浮体１の浮力が変化した場合のそれぞれの係留系の変
位状態の一例を示す。 第７図は最も一般的な係留法の代表例として、係留材と
してはチェーンを使用した自由係留方式の係留状態を示
す断面図。 第８図は本発明のアクアバネ係留装置のバネ特性の一例
を示すもので、横軸は浮体１に水平力が作用したときの
浮体１と海底固定台４の水平距離ｌの伸び率を、縦軸は
浮体１に水平力が作用して変位したｌに対応する係留系
のバネ常数を無次元で表示している。 １、・・・・・・浮体、　２、・・・・・・サブフロー
ト３、・・・・・・シンカー　　４、・・・・・・海底
固定台５　・・・・・・浮体１、に取り付けた可■性保
留材（係留　　　　　　　主索） ６　・・・・・・海底固定台４、に取りつけた可■性保
留材　　　　　　　（係留主索）

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）浮体と海底固定台の中間水中に２本以上の可■性
   係留材で連結したサブフロートとシンカーを配置し、そ
   の可■性保留材を２分割し、それぞれを浮体及び海底固
   定台と可■性係留材で連結する機構で、浮体を海底固定
   台に緊張係留することにより係留系にバネ特性を持たせ
   ることを特徴とするアクアバネ係留装置。
2. （２）浮体と海底固定台の中間水中にそれぞれ非可■性
   支柱が剛結されたサブフロートとシンカーを配置し、サ
   ブフロートより突出した非可■性支柱の先端部をシンカ
   ーと海底固定台に可■性係留材で連結し、シンカーより
   突出した非可■性支柱の先端部を浮体とサブフロートに
   可■性係留材で連結して浮体を海底固定台に緊張係留す
   ることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載のアクア
   バネ係留装置。