(57)【要約】【課題】  水域に浮遊させる杭係留式浮桟橋等の浮体構造物、特に係留杭に作用する波力等の外力による挙動を解析して係留杭の形状や寸法を決定する際に、Ｘ方向とＹ方向に同時に生じる反力を合成して、実際の近似値に基づいて決定できて、過大な構造とならないようにした浮体構造物の挙動解析方法を提供する。【解決手段】  水域に応じた波力等の外力が係留杭３に作用する変化を単位時間毎にシミュレーション計算する外力数値計算装置11からその計算過程における外力が入力されて、浮体構造物に生じる反力により浮体構造物の構造解析を構造解析手段12で行い、その出力信号を画像処理手段13で画像処理してコンピュータグラフィックアニメーション化し、それを表示手段14で表示させて、視覚にて浮体構造物の挙動を把握できるようにする。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
係留手段と、この係留手段に連繋させ、水域に浮遊させて所定位置に設置する浮桟橋等の浮体とからなる浮体構造物の挙動解析装置において、
前記浮体構造物を設置する水域で波浪や潮汐により生じる水面の変動や風等による前記浮遊体構造物に作用する外力の変化を単位時間毎に求める外力数値計算手段と、
前記外力数値計算手段によりシミュレーション数値を算出する際に求められる前記浮体構造物に作用する外力が前記単位時間毎に順次入力されて、浮体構造物に生じる反力を求めて浮体構造物の構造解析を行う構造解析手段と、
前記解析手段の出力信号を画像処理してアニメーション化する画像処理手段と、
前記画像処理手段の出力信号により構造解析画像をアニメーションで再現する表示手段とからなることを特徴とする浮体構造物の挙動解析装置。
【請求項２】
前記アニメーションにおける前記浮体構造物に生じる反力の状態を色彩の変更や濃淡によって表示することを特徴とする請求項１に記載の浮体構造物の挙動解析装置。
【請求項３】
係留手段と、この係留手段に連繋させ、水域に浮遊させて所定位置に設置する浮桟橋等の浮体とからなる浮体構造物の挙動解析方法において、
前記浮体構造物を設置する水域で波浪や潮汐により生じる水面の変動や風等による前記浮遊体構造物に作用する外力の変化を外力数値計算手段により単位時間毎に求め、
前記外力数値計算手段によりシミュレーション数値を算出する際に求められる前記浮体構造物に作用する外力を、浮体構造物に生じる反力を求めてこの浮体構造物に関する構造解析を行う構造解析手段に前記単位時間毎に順次入力し、
前記解析手段の出力信号を画像処理手段により画像処理してアニメーション化し、
前記画像処理手段の出力信号により構造解析画像をアニメーションで表示手段によって再現することを特徴とする浮体構造物の挙動解析方法。
【請求項４】
前記アニメーションにおける前記浮体構造物に生じる反力の状態を色彩の変更や濃淡によって表示することを特徴とする請求項３に記載の浮体構造物の挙動解析方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、河川や港湾等に浮遊する状態で係留杭や係留チェーン等の係留手段に連繋されて設置される浮桟橋や係船岸、波除堤、浮防波堤等の浮体と前記係留手段とに、波浪や潮汐、風等により生じる揺動運動や昇降運動、移動等の挙動を解析する装置であって、その結果を浮体構造物の形状や寸法、構造等に容易に反映させることができるようにした浮体構造物の挙動解析装置及びその挙動を解析する解析方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
浮桟橋等の浮体と、浮体を係留させる係留杭や係留チェーン等の係留手段とからなる浮体構造物は、波浪や潮汐、風等によって揺動したり、昇降したり、移動したりする。特に、港湾その他の海域に設置される浮体構造物の浮体は潮汐の影響を受けて昇降量が大きく、波浪や風によって揺動や移動の量も大きい。この種の浮体構造物は、海底に植設された係留杭に係留ローラー等が用いられて連繋されて設置されている。図４及び図５は、浮体である浮桟橋１が海域２に設置された状態の一例を示している。海域２の海底2aに適宜間隔を設けて４本の係留杭３が植設されており、この係留杭３に昇降自在に係留ローラー４が取り付けられ、この係留ローラー４と浮桟橋１とが連繋させてある。したがって、潮汐により海面2bが変化した場合には、海面2bに浮いた状態にある浮桟橋１が追随して昇降し、前記係留杭３に対して昇降してこの浮桟橋１の昇降を許容するものである。
【０００３】
また、特許文献１には、簡単に撤去できる杭係留式構造物として、浮体の上下方向に移動可能で、かつこの浮体の下方に突設させた上杭を、海底に固定した上端が水没状態の下杭に対して抜き取り可能に係合された構造とされているものが開示されている。
【０００４】
また、浮桟橋は、船舶の接岸、乗客の乗降の際の動揺を極力抑制することが要望されており、浮桟橋の横揺れの固有周期が波浪の周期と一致する場合には共鳴現象のために揺れが継続してしまうおそれがある。このため、特許文献２には、浮き桟橋等に用いるための、水面に設置したときに波浪により生じる動揺を抑制することができる簡易な構造からなる浮体構造物として、内部に水充填用空間部を有する浮体であって、前記浮体の喫水よりも下方にある水取入用開口部と前記浮体の喫水よりも上方にある天井部とを有し、かつ少なくとも一部に前記浮体の設置場所の水を充填した前記水充填用空間部を、前記浮体の重心に対して少なくとも一対設けた構造とされたものが開示されている。
【０００５】
また、特許文献３には、漁業などに使用する各種網地の水中での形状や運動をコンピュータにシュミレーションさせるための網地形状シミュレーションプログラムが開示されている。さらに、特許文献４には、拡大倍率を乗じた場合にでも不自然な変形状態にならないよう、有限要素解析における入出力データを用いて対象物の３次元形状を表現するためのコンピュータグラフィックを用いた可視化方法が開示されている。
【０００６】
【特許文献１】特開平９−２２８３１５号
【特許文献２】特開２００５−３５４６４号
【特許文献３】特開２００５−２４５２０７号
【特許文献４】特開２００５−２３４７８７号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上述したように、浮体構造物には波浪や潮汐等により種々の外力が加えられることになる。海中部材に作用する波力は、例えば、図６に示す式１に基づいて算出される。この式１は直柱に対して示されたモリソン式を、任意方向部材の微小長さΔＳの区間に働く波力として一般化して表現されたもので、→は、部材直角方向の力や加速度、速度であることを示している。右辺の第１項が抗力、第２項が慣性力を表わすが、式中の水粒子の速度成分、加速度成分は時間的、場所的に変化する量であるから、その変化に十分注意して部材あるいは構造物に最も厳しくなる波力の分布を検討する必要がある。また、砕波が作用する場合や前述したように固有振動周期が長く、構造物の剛性が低い場合には、周期的に作用する波力に対し動的応答の影響を考慮する必要が望ましく、さらに前記抗力と慣性力のほかに、部材軸と水粒子運動方向の共通面に垂直な方向に働く揚力が作用する場合がある。
【０００８】
浮体構造物には上述したように複雑な力が作用することになるが、この浮体構造物の係留杭構造の設計に際しては、これら浮体構造物の設置場所におけるシミュレーション計算を行って浮桟橋と係留杭との連繋部に発生する反力の最大値を求めている。このとき、例えばＸ方向の最大値とＹ方向の最大値との値を求め、これらを組み合わせて構造解析ソフトウェアに供し、モーメントや軸力等の荷重及び応力を算出している。前記Ｘ方向の最大値とＹ方向の最大値とは同時に生じることなく、このため、異なる時間において生じる二次元方向の力を組み合わせている。すなわち、異なる時間に発生する外力を同時に発生するものと見なして構造解析モデルに作用させて構造を決定している。
【０００９】
しかし、実際に浮体構造物に作用する波力等の外力は、前述したように、その設置場所や条件等によって種々のものがある。他方、二次元方向の最大値同士を発生瞬間に拘わらず合成した場合には、実際に生じる外力よりも大きな値となってしまい、これに対抗する構造とすると、過剰な形状や寸法の構造を備えた係留杭等の係留手段や浮体を有する浮体構造物となってしまうおそれがある。
【００１０】
他方、前記特許文献３や特許文献４に開示されているものでは、時間経過に応じて漁網等の挙動を、画像により三次元形状で表示させることにより容易に視覚にて確認できるものであるが、浮体構造物の場合では水面の昇降や移動、揺動等の影響を受けることになるため、例えば漁網の場合のように水中における流れにより影響を受ける場合と異なる。このため、特許文献３や特許文献４に開示されたシミュレーションプログラムをそのまま浮体構造物の挙動解析に応用することができない。
【００１１】
そこで、この発明は、時々刻々現実に浮体構造物に作用する外力を極力正確に把握するようにして、当該設置場所における最適な形状や寸法等の構造の浮体構造物の設計を行えるようにした浮体構造物の挙動解析装置及び挙動解析方法を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
前記の目的を達成するための技術的手段として、この発明に係る浮体構造物の挙動解析方法は、係留手段と、この係留手段に連繋させ、水域に浮遊させて所定位置に設置する浮桟橋等の浮体とからなる浮体構造物の挙動解析装置において、前記浮体構造物を設置する水域で波浪や潮汐により生じる水面の変動や風等による前記浮遊体構造物に作用する外力の変化を単位時間毎に求める外力数値計算手段と、前記外力数値計算手段によりシミュレーション数値を算出する際に求められる前記浮体構造物に作用する外力が前記単位時間毎に順次入力されて、浮体構造物に生じる反力を求めて浮体構造物の構造解析を行う構造解析手段と、前記解析手段の出力信号を画像処理してアニメーション化する画像処理手段と、前記画像処理手段の出力信号により構造解析画像をアニメーションで再現する表示手段とからなることを特徴としている。
【００１３】
前記外力数値計算手段としての数値計算ソフトウェアで、当該水域に浮体構造物を設置した状態における挙動をシミュレーション計算させると共に、その過程で求められる浮体構造物に生じる反力を順次前記構造解析手段に入力させる。このとき、反力のデータを、例えば１秒毎などのように単位時間毎に入力し、単位時間毎に構造解析を行わせてその解析計算結果を、前記画像処理手段へ出力させる。そして、画像処理手段によって入力された解析計算データを基にコンピュータグラフィックアニメーション化して前記表示手段に表示させる。これにより、浮体構造物における反力状態を可視化させることができ、設計者は浮体構造物を当該水域における適切な位置に設置することができ、係留杭及び浮桟橋等を最適な構造とすることができる。
【００１４】
また、請求項２の発明に係る浮体構造物の挙動解析方法は、前記アニメーションにおける前記浮体構造物に生じる反力の状態を色彩の変更や濃淡によって表示することを特徴としている。
【００１５】
浮体構造物に生じる反力の大きさを視覚によって確認できるようにしたもので、反力を前記アニメーション映像上で識別できる色彩に着色する等したものである。例えば、反力の大きさに応じて色分けしたり、同色であっても濃淡を付ける等によって反力の分布状態を視認できるようにしたものである。
【００１６】
また、請求項３の発明に係る浮体構造物の挙動解析方法は、係留手段と、この係留手段に連繋させ、水域に浮遊させて所定位置に設置する浮桟橋等の浮体とからなる浮体構造物の挙動解析方法において、前記浮体構造物を設置する水域で波浪や潮汐により生じる水面の変動や風等による前記浮遊体構造物に作用する外力の変化を外力数値計算手段により単位時間毎に求め、前記外力数値計算手段によりシミュレーション数値を算出する際に求められる前記浮体構造物に作用する外力を、浮体構造物に生じる反力を求めてこの浮体構造物に関する構造解析を行う構造解析手段に前記単位時間毎に順次入力し、前記解析手段の出力信号を画像処理手段により画像処理してアニメーション化し、前記画像処理手段の出力信号により構造解析画像をアニメーションで表示手段によって再現することを特徴としている。
【００１７】
浮体構造物を設置した状態の水域における挙動を外力数値計算手段でシミュレーション計算しながらその計算過程で求められる反力を構造解析手段に単位時間間毎に入力し、この構造解析手段によって構造解析を行わせる。この単位時間毎の解析結果をコンピュータグラフィックアニメーション化して表示手段で表示させるものである。
【００１８】
また、請求項４の発明に係る浮体構造物の挙動解析方法は、前記アニメーションにおける前記浮体構造物に生じる反力の状態を色彩の変更や濃淡によって表示することを特徴としている。
【００１９】
すなわち、浮体構造物に働く力の反力を彩色したり濃淡を付けることにより視覚により容易に認識できるようにしたものである。
【発明の効果】
【００２０】
この発明に係る浮体構造物の挙動解析装置または請求項３の発明に係る挙動解析方法によれば、表示手段で挙動及び反力の状態を表示させることにより、浮体構造物に作用する波力等の外力を視認することができる。しかも、単位時間毎に連続させたアニメーション映像によるから、係留杭や浮桟橋等の浮体構造物に働く波力等の外力がいずれの方向からも同時に作用した状態として視認することができる。したがって、過大な設計とならず、その水域における適合する構造として設計することができる。
【００２１】
また、浮桟橋等の動揺の状態も上記コンピュータグラフィックアニメーションによって視覚を通じて把握できるので、浮桟橋等を設置する水域における最適位置を容易に選定でき、船舶の接岸や船員等の乗降時の揺動を極力小さくすることができる。
【００２２】
さらに、コンピュータグラフィックアニメーションによって視覚を通じて浮桟橋等の揺動状態を把握できるので、その構造に基づく固有周期と波力等の外力の周期とが同調しないよう設計することが容易となる。
【００２３】
また、請求項２の発明に係る浮体構造物の挙動解析装置または請求項４の発明に係る浮体構造物の挙動解析方法によれば、表示手段に表示された映像によってより確実に係留杭等に生じる反力の状態を把握できるから、係留杭や浮桟橋等の浮体構造物の設計がさらに容易となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
以下、この発明に係る浮体構造物の挙動解析及び挙動解析方法を具体的に説明する。
【００２５】
この挙動解析装置は、図１に示すように、主として外力数値計算手段11と構造解析手段12、画像処理手段13、表示手段14から構成されている。外力数値計算手段11は数値計算ソフトウェアを備えており、浮桟橋１を設置すべき水域の波浪等に関する情報と、この水域の任意の位置に浮桟橋１を設置した状態とを入力して、波浪等の外力が浮桟橋１に作用する状態を単位時間毎にシミュレーション計算する。この計算データを前記構造解析手段12に入力し、単位時間毎の浮桟橋１に生じる反力状態を計算する。
【００２６】
前記外力数値計算手段11により求められたシミュレーション計算結果と、構造解析手段12により求められた浮桟橋１の反力状態のデータとを前記画像処理手段13に入力し、これらのデータを基にコンピュータグラフィック処理しアニメーション化して、そのアニメーションを前記表示手段14に表示させる。このアニメーション映像は、画像処理手段13に各データが単位時間毎に入力されるため、単位時間毎に状態が変化した映像となる。すなわち、時々刻々と変化する反力状態を表示手段14を構成するモニター画面上で視覚を通して認識できることになる。
【００２７】
図２は前記構造解析手段12による計算結果の出力データであって係留杭３に生じる反力状態を時系列で示したもので、この反力状態を前記表示手段14で変化させて視認することができる。したがって、係留杭３に生じる、図３に示すＸ方向とＹ方向のそれぞれ反力とが合成された反力として視認して評価することができる。すなわち、実際に生じる反力に応じて、浮桟橋１や係留杭３等の浮体構造物の設計を行うことができる。
【００２８】
また、前記アニメーション映像は単位時間毎に変化を連続して表示されるものであるから、浮体構造物に生じる動揺の状態を視覚にて認めることができる。したがって、この浮体構造物の固有周期と波浪等の外力との関係を容易に把握することができ、浮桟橋等の構造を変更して固有周期を異ならせることにより、動揺を早期に抑止させるようにすることができる。しかも、動揺量を視覚にて把握することができるから、動揺量が目標値よりも大きいことを容易に認識できる。また、この目標値を前記構造解析手段12に入力して設定し、浮桟橋１等の挙動データにおける動揺量とを比較するようにし、浮桟橋１等の設置位置を移動させながら最適位置を選定するようにすることもできる。さらに、動揺量や固有周期、反力の状態等を総合的に勘案して、浮桟橋１等と係留杭３との連係構造を最適なものとすることができる。
【００２９】
また、表示手段14に表示されるアニメーション映像において、特に係留杭３に生じる反力を他の部分と異なる色彩で表示するようにする。その場合、反力の大きさに応じて色彩を異ならせたり、同色で濃淡を付けるようにすれば、視覚により反力の分布を容易に認識できるので好ましい。
【産業上の利用可能性】
【００３０】
この発明に係る浮体構造物の挙動解析装置及び挙動解析方法によれば、同時刻に浮桟橋や係留杭等の浮体構造物に働く波力等の外力を合成した状態で構造解析を行って構造の評価を行えるから、過大な構造とならず、部材等を減じてコストの低減を図った、浮桟橋等を構築することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】この発明に係る浮体構造物の挙動解析装置の構成の概略を示すブロック図である。
【図２】この発明に係る浮体構造物の挙動解析装置及び挙動解析方法により計算した浮体構造物に働く反力を時系列で示したものである。
【図３】浮体構造物として浮桟橋を係留杭に係止させた場合の一例を示す平面図であり、図上に図２に示す反力の方向を示している。
【図４】浮体構造物を湾部に設置した状態を例示する平面図である。
【図５】図４に示す浮体構造物の設置状態を示す側面図である。
【図６】海中部材に作用する波力の算出に用いられる式の一例を示している。
【符号の説明】
【００３２】
１  浮桟橋（浮体構造物）
２  海域
３  係留杭（浮体構造物）
11  外力計算手段
12  構造解析手段
13  画像処理手段
14  表示手段
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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