No.1-7(新井研究室)

構造物背後における係留船舶にかかる風荷重に関する研究
074103 大友政治
１．はじめに構造物背後で風は弱くなる特性がある。この特性を利用して構造物背後で係留しようとする船舶について調べた研究 1)2)が幾つかある。そこで、本研究室では二次元開水路を用い、構造物模型背後の流場を調べ、また、その構造物模型背後に設置された固定船舶模型に作用する風荷重を調べてきた。本研究では、構造物模型背後で係留された動揺可能な船舶模型を用い、船舶模型の係留荷重に作用する風荷重の影響を調べた。
特に、風荷重に対する構造物模型と船舶模型の距離の影響を調べた。また、船舶模型を固定している場合の風荷重と比較した。
２．実験方法図１に本実験の状況を示す。実験には長さ 10m、幅 0.6m、高さ 0.4m の二次元開水路を使用した。構造物模型は倉庫型（長さ 0.53m、幅 0.1m、高さ 0.05m）とフェンス型（長さ 0.53m、幅 0.002m、高さ 0.05m）の 2 種類とし、船舶模型（長さ 0.53m、幅 0.08m、高さ 0.03m）をその構造物模型背後に設置した。地上風速分布再現のために0.03m の立方体の粗度を構造物模型前面から 2.4m上流の水路床に 40 個設置した。
船舶模型は両側面
図 1 実験の状況図の前後に滑車を介して 4 セットのコイルバネで係留し動揺可能にしている。また天井から船舶模型上面までの高さ 1.92m で吊るしており、上下動をゆるしていない。そして、船舶模型の係留荷重をロードセルで計測した。なお、構造物模型と船舶模型の距離を変えて 7 ケース計測した。表 1 に実

表2 バネ定数の種類
バネ(個数) バネ定数(N/mm)
1個
0.012N/mm
2個
0.006N/mm
3個
0.004N/mm

表１ 水理条件
流量：Q0.0165m3/s
断面平均流速：U0.133m/s
レイノルズ数：Re7300
水深：h0.2m
水路幅：Ｂ1.0m
水路勾配1.6/1000

験の水理条件を示す。表 2 に実験で使用したコイルバネの係留ライン 1 本当りのバネ定数を示す。
３．実験結果および考察

1.0F/F0（１）時間平均風荷重0.80.6

図 2 は倉庫模型がある場合とフェンス模型がある場合について、0.4動揺時の係留荷重と固定時の船舶模型に作用する風荷重の時間平均 0.2を示している。縦軸は構造物模型が有る場合の荷重の時間平均 F で 0.0:動揺時: 〃: 〃: 〃: 〃: 〃:固定時: 〃あり、構造物模型が無い場合の荷重の時間平均 F0 で無次元化されて -0.2いる。図 2 を見ると、動揺時も固定時も Lb/d=4 では風荷重は負にな -0.4っている。これは、構造物模型直背後で生じる逆流域により構造物 -0.6 24681012

ﾌｪﾝｽ模型(バネ定数0.012N/mm)
倉庫模型(バネ定数0.012N/mm)
ﾌｪﾝｽ模型(バネ定数0.006N/mm)
倉庫模型(バネ定数0.006N/mm)
ﾌｪﾝｽ模型(バネ定数0.004N/mm)
倉庫模型(バネ定数0.004N/mm)
昨年度ﾌｪﾝｽ模型
昨年度倉庫模型
1416

模型背後に船舶模型が引き寄せられているため、船舶模型に作用す

図 2 時間平均風荷重る風荷重が負になると考えられる。そして、フェンス・倉庫模型（動揺時と固定時）

1820
Lb/dの場合、動揺時も固定時も Lb/d が大きくなるにつれ、船舶模型に作用する風荷重が単調に増加していることが分かる。ただし、Lb/d =12 以上の動揺時の係留荷重すなわち風荷重は、フェンス模型と比べて倉庫模型は小さくなっている。これは、逆流域の範囲の違いが反映されたものと考えられる。一方、図 2 のフェンス模No.1-7(新井研究室)型の場合動揺時と固定時を見ると、明らかに固定時よりも動揺時の風荷重の方が強いことが分かる。
しかし、倉庫模型では固定時と動揺時の係留荷重との間には有意な差は無いと言える。尚、動揺時の係留船舶のバネ定数が変わっても船舶模型に作用する風荷重がほぼ近い値を示していることが分かる。
（２）変動風荷重の標準偏差

8Fσ/Fmσ0：動揺時： 〃： 〃： 〃： 〃： 〃：固定時： 〃図 3 は倉庫模型がある場合とフェンス模型がある場合について、動揺時の係留荷重と固定時の船舶模型に作用する風荷重の標準偏差 6

ﾌｪﾝｽ模型(ﾊﾞﾈ定数0.012N/mm)
倉庫模型(ﾊﾞﾈ定数0.012N/mm)
ﾌｪﾝｽ模型(ﾊﾞﾈ定数0.006N/mm)
倉庫模型(ﾊﾞﾈ定数0.006N/mm)
ﾌｪﾝｽ模型(ﾊﾞﾈ定数0.004N/mm)
倉庫模型(ﾊﾞﾈ定数0.004N/mm)
昨年度ﾌｪﾝｽ模型
昨年度倉庫模型を示している。縦軸は構造物模型が有る場合の荷重の標準偏差 Fσ4であり、構造物模型が無い場合の荷重の標準偏差 Fmσ０で無次元化されている。昨年度の乱れ強度の計測で得られた結果により、フェン2ス模型は倉庫模型より模型背後で乱れ強度が強いことが分かっている。その結果、図 3 で見るように、動揺時の係留荷重は Lb/d =4～012 にかけて倉庫模型が約 1～5 倍、フェンス模型が約 1～7 倍になり、2468101214161820Lb/d

フェンス模型は倉庫模型より乱れの変動が強くなっている。
つまり、

図 3 変動風荷重の標準偏差

構造物模型の高さが同じでもフェンス模型と倉庫模型のようにその（動揺時と固定時）幅が違うと、船にかかる風荷重の変動の仕方が違うということが分かる。一方、固定時の荷重の標準偏差は動揺時の係留荷重に比べて弱いことが分かる。
1.0（３）船舶模型位置での流速と風荷重

F/F00.8

図 4 は倉庫模型がある場合とフェンス模型がある場合について、0.6

動揺時の係留荷重と固定時の船舶模型に作用する風荷重の時間平均Fと船舶模型位置で船舶が無い時の流速udの関係を調べたもの

0.40.2である。縦軸は図 2 と同様であり、ud は、水底から構造物の高さ0.0d までの平均流速で、接近流速 U で無次元化されている。図 4 を-0.2見ると、船舶模型位置での流速が速くなっていくと風荷重も大き：固定時： 〃：動揺時： 〃： 〃： 〃： 〃： 〃-0.4

昨年度倉庫模型
昨年度ﾌｪﾝｽ模型
倉庫模型(バネ定数0.012N/mm)
倉庫模型(バネ定数0.006N/mm)
倉庫模型(バネ定数0.004N/mm)
ﾌｪﾝｽ模型(バネ定数0.012N/mm)
ﾌｪﾝｽ模型(バネ定数0.006N/mm)
ﾌｪﾝｽ模型(バネ定数0.004N/mm)-0.6

くなっていく。すなわち、船舶模型位置での流速と風荷重には強-0.4-0.2

0.00.20.40.6ud/U 0.8

図 4 時間平均風荷重と流速い相関があると考えられる。次に、図 5 は船舶模型に作用する係（動揺時と固定時）

留荷重と風荷重の標準偏差と流速の関係を示している。縦軸は図3 と同様である。これによると、動揺時の係留荷重は前例と同様8な強い相関があり固定時は動揺時の係留荷重に比べて相関が弱い F /Fσことが分かる。
４．おわりにmσ06：固定時： 〃：動揺時： 〃： 〃： 〃： 〃： 〃昨年度倉庫模型
昨年度ﾌｪﾝｽ模型
倉庫模型(バネ定数0.012N/mm)
倉庫模型(バネ定数0.006N/mm)
倉庫模型(バネ定数0.004N/mm)
ﾌｪﾝｽ模型(バネ定数0.012N/mm)
ﾌｪﾝｽ模型(バネ定数0.006N/mm)
ﾌｪﾝｽ模型(バネ定数0.004N/mm)

4

本研究では、動揺時の係留荷重と固定時の風荷重を比較して船舶模型に作用する風荷重を調べた。その結果、時間平均風荷重につい2てフェンス模型の場合、固定時よりも動揺時の係留荷重の方が大き 0いということが分った。また、構造物模型の高さが同じでもその幅が違うと船舶模型に作用する風荷重の影響の仕方に違いがあるということが分った。

-0.4-0.20.00.2

0.40.6ud/U

図 5 変動風荷重の標準偏差と流速（動揺時と固定時）

参考文献
1)新井信一・高梨清一・平山久(1991)：岸壁係留時の挙動に関する実船実測、海岸工学論文集、第 38 巻、pp.741－745
2)Shigeki Sakakibara,etc.(2005)：Dynamic Behavior of Moored Ship Motions induced by Initial Attack of Large Scaled
Tsunami, Japan Institute of Navigation,(112) pp.125－133