M-1

強風時における避泊船舶の係留時の挙動に関する研究（Study on behavior of harborage ship at mooring in strong winds）
伊藤麻衣子（MaikoIto）

Wind forces acting on a ship that harbors behind a big building is studied using a open channel instead ofa wind tunnel. For the purpose of safety mooring, the behavior of this wind force must be investigatedsufficiently. The flow profile of 1/7 law are made in the channel by means of up-stream roughness. Then, aship and a building that is a fence or a warehouse are set in the flow.
The wake of buildings are measured. As a result, the regurgitation area becomes 10 times and 5 times of abuilding height for a fence and a warehouse, respectively. Then, wind force on a ship and sway of a ship areinvestigated. And as a result, pulling force acts on the moored ship around just behind a building. And as a
ship's position leaves from a building, pushing force becomes large as well as sway motion do. For a fence,the pushing force of wind on a ship moored is larger than that of a ship fixed.
高さ 0.03m、長さ 0.58m、幅 0.08m の立方体で近似した。バネは両端、即ち水槽側壁で図示のように係留した。
流速計測に PIV (粒子画像流速計)を使用した。
計測範囲に厚さ 2mm のシート状のレーザー光を当てるとトレーサー粒子が光に反射するので,それをハイスピードカメラで撮影した。撮影した画像(1260×1024pix)は時間間隔 1/50(秒)で3000 枚、即ちフレームレート 50Hz で 60 秒間撮影した。図 4 は撮影画像例である。微小時間のシャッター間隔と連続する 2 枚の粒子画像から求めた粒子の距離で、流速を算出する。その結果から乱れ強度と渦度を求めた。
また、船舶の動揺をロードセルで測定した。船舶固定時の流体荷重（風荷重）は六分力計で計測した。
表１ 水理条件

１．緒言
強風に対して建屋の背後では風が弱くなると考えられている。例えば、強風時に船舶が港内で避泊しようと考える際に大きな建屋の背後を選ぼうとする。このような建屋の陰を利用しようとするいくつかの研究 1）、2）、3）、4）,5)があるが、船舶に作用する弱くなったはずの風の力、特に変動成分が実際どの様に船舶の動揺に影響するかは十分調べる必要がある。風荷重については風洞実験が有力な調査方法であるが、本研究では、二次元開水路に建屋と船舶の模型を配置し、建屋背後における船舶に与える風の影響について調べた。
２．実験方法実験の模式図（固定時）を図 1 に、実験模式図（動揺時）を図 2 に示す。長さ 10m、幅 0.6m、高さ 0.4m の二次元開水路の上流に粗度、中央部に建屋模型、その下流に動揺可能な船舶模型を配置して、表 1 の水理条件の下で実施した。なお、実験で使用したバネ定数を表 2 に示す。
計測範囲で 1/7 乗則を再現するために粗度として 3cm の立方体 40 個を配置した。また、図示のごとく建屋の前面からＸ軸、Ｙ軸をとった。建屋模型
は 、 水 路 幅 い っ ぱ い に 長 さ 0.53m で 、 高 さd=0.05m、幅 0.1m の倉庫模型と、山形鋼（0.04m×0.05m×0.002m）のフェンス模型の 2 種類を使用した。また、船舶模型はカーフェリーを想定し、

流量：Q
断面平均流速レイノルズ数水深：h
水路勾配30.0165ｍ /ｓ
30.133ｍ /ｓ
約7300
0.2ｍ
1.6/1000

表２ バネ定数

バネ（個数）
1個
2個
3個
1

バネ定数（N/mm）
0.012
0.0060.004

M-1３．実験結果（1）建屋背後の流速場
図 3 にフェンス模型設置時の、また、図 4 に倉庫模型設置時の時間平均流速分布を示す。ただし、この時、船舶模型は設置していない。流速 u は建屋の影響が出ていない接近流速 U（断面平均流速）で無次元化した。図中の点線は計測結果より推定した逆流域を示している。倉庫模型では X/d≒6 が、フェンス模型では X/d≒10 が再付着点であり、逆流域の範囲は倉庫の方が狭いことが分かる。さらに実験中の観察では境界は常に同じ場所にあるわけではなく、倉庫、フェンス共にそれぞれ前後に動いていることが確認できた。図3、図 4 とも X/d=0 では流速が速くなっている。
その影響は X/d＝16 まで及んでいる。建屋模型
背後で建屋より低いところで、流速は、両建屋模型とも遅いが、倉庫模型の方がフェンス模型より速いことが分かる。両建屋模型建屋高さ d は同じなのでこの違いは、建屋模型の幅が関係していると言える。

図１ 実験模式図（固定時）

図 2 実験模式図（動揺時）
風は地表の植生、建築物等の摩擦の影響を受けるため、地表に近づくにつれて弱くなる性質である。風速の高度分布については、理論的に大気が中立状態の時、「対数則」によって式（1）で与えられる。

V = V1 {1n( z / z 0 ) / 1n( z1 / z 0 )}（2）建屋背後の乱れ強度
図 5 にフェンス模型設置時の、また、図 6 に倉庫模型設置時の流速の乱れ強度分布を示す。風荷重の乱れ強度は Root Mean Square である。両模型とも建屋の後流で乱れが大きくなりその影響は少なくとも X/ｄ=16 まで及んでいる。乱れ強度は倉庫模型に比べてフェンス模型の方が強いが、高さ Y/ｄ≦1 では両模型の乱れ強度の強さに大きな差は見られない。船舶位置においてにこの乱れが大きく影響するとは言い難い。倉庫模型の乱れ強度分布は上下に幅広くなっていくのに対し、フェンス模型では始め狭く、かつ、上方に向かって突き出ていくように見える。しかし、X/ｄ=16 に至る。全体的に広がることが分かった。実験で、粒子は渦を巻きながら水面付近まで上昇していく様子が両建屋模型共に確認できた。再付着点での乱れ強度は、建屋前方で影響のない X/d=-4 の地点の乱れ強度と同程度である。

(1)

ここで、 z 0 ：粗度長である。
が得られるが、経験則として式（1）の「指数則(べき法則)」が成り立つことが知られており、以下の式が用いられる。

V = V1 ( z / z1 )

(2)

1/ n

V ：地上高 z における風速

V1 ：地上高 z1 における風速
n ：指数則のべき指数「指数則」から地表付近の風速指数則で表す場
合、べき指数 n の値は、表 3 のように与えられる。本研究では n=7 を採用している。

u/U0 1Y/d 4433

表 3 べき指数
地 表 状 態
平坦な地形の草原
海 岸 地 方田園
市 街 地

n7～107～10
4～62～42221/n0.10～0.14
0.10～0.14
0.17～0.25
0.25～0.50

1100-2-4002448612

図 3 流速分布（フェンス模型）-2-8161020X/dM-12Y axis Title

33221100-2-40024486128161020X/d1818161614141212
Y axis Title

u/U0 14Y/d 4108642-505-1010-5

図70510X axis Title

X axis Title

渦度分布（フェンス模型）

0.5

Y axis Title

110.0

00.5

4

1.0

8

1.5

122.0

16

2.520X/d

図 5 乱れ強度分布（フェンス模型）

1818161614141212
Y axis Title

22108686422-505

X axis Title

図80.5104-10u'/U0Y/d 4462-103300-0.5-484

図 4 流速分布（倉庫模型）
u'/U0Y/d 441010-10-50510

X axis Title

渦度分布（倉庫模型）

33（4）船舶に働く力
図 9 にフェンス模型の、図 10 に倉庫模型の背後に船舶模型を配置したときの時間平均風荷重 F を示す。建屋模型が無い場合の船舶に働く時間平均風荷重 F0 で規格化してある。横軸は建屋と係留船舶の距離である。図中に「固定」とあるのは船舶を固定した場合の船舶に働く時間平均荷重で、「動揺」とあるのは船舶を係留した場合の係留ラインに働く力である。結果によれば、両建屋模型とも固定時、動揺時とも建屋直背後のLｂ/ｄ=4 では逆流が生じているため風荷重が負になる。一方、船舶模型位置が建屋模型から離れていくにつれ時間平均荷重は、増大して１に近づくことが分かる。フェンス模型の場合では明らかに固定時よりも動揺時の方が風荷重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との間には有意な差はない。なお、係留のバネ定数が変わっても船舶模型に作用する風荷重がいずれのバネ定数の場合でもほぼ近い値を示していることが分かる。

221100-0.5-40.000.541.081.5122.0162.520X/d図 6 乱れ強度分布（倉庫模型）（3）建屋背後の渦度
図 7 にフェンス模型の、また、図 8 に倉庫模型の背後の渦度分布を示す。図中の黒塗り部分が模型部を示している。倉庫模型では前面の角で、フェンス模型ではフェンス角において強い渦が発生している。倉庫模型ではやや水底に向かって流下しているが、フェンス模型では上昇しながら流下しており、様子が異なることが分かる。この理由として、フェンス模型では、発生した渦に下から流体が供給され連行していくが、倉庫模型では、幅があるために、流体が供給されず、このような結果になったと考えられる。図 3、図 4 にみた逆流域の領域に違いがあったのは、この事が影響していると言える。また、発生した渦は後流に拡散していき、船舶が係船されるところでよく乱れた流れになっていることが分かる。この渦度分布に沿って流速の乱れ強度が変化していると見てよい。

-3-

M-1
（4）流速と風荷重
図 12 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、船舶模型位置で船舶が無い時の流速 ud に対して時間平均風荷重 F がどうなるのかを見たものである。ud は、水底から構造物の高さ d までの平均流速であり、接近流速 U で無次元化されている。図 12 を見ると、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くなっていく。即ち、船舶模型位置での流速と風荷重には強い相関があると考えられる。次に、図 13 は流速と船舶模型に作用する係留荷重と風荷重の標準偏差の関係みたもである。これによると、動揺時の係留荷重は前例と同様に強い相関があるが、固定時の風荷重は動揺時の係留荷重に比べて相関が弱いと言える。

1.0F/F00.8
0.6
0.40.20.0-0.2:動揺時: 〃: 〃:固定時-0.4

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)
昨年度ﾌｪﾝｽ模型-0.62468101214161820Lb/d

図 9 時間平均風荷重（フェンス模型）
1.0F/F00.8
0.6
0.4
0.2
0.0

1.0F/F0-0.2:動揺時: 〃: 〃:固定時-0.4

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)
昨年度倉庫模型

0.80.6-0.624681012141618200.4Lb/d

図 10 時間平均風荷重（倉庫模型）(3)風荷重の標準偏差
図 11 に船舶に作用する風荷重の標準偏差を示す。縦軸は構造物が有る場合の風荷重の標準偏差 Fσ であり、構造物が無い場合の風荷重の標準偏差 Fmσ0 で無次元化されている。図 7 と図 8の結果を見ると、フェンス模型では倉庫模型よりも渦が上昇していることなどの違いがあり、このことから、図 11 に見られるようにフェンス模型の場合の変動が倉庫模型の場合より大きくなる結果を与えている。その結果、建屋の高さが同じでもその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、固定時の変動強度は、建屋なしの場合に対して、約 1.5～2.5 倍と大きくなることが分かる。一方、動揺時では、倉庫模型が約 1～5 倍、フェンス模型が約 1～7 倍になり、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。動揺時は固定時よりも荷重の変動が大きいことも分かる。
この結果から船舶の動揺は建屋背後で大きくなる可能性があると言える。
8Fσ/Fmσ0：動揺時： 〃： 〃： 〃： 〃： 〃：固定時： 〃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

4202468101214161820Lb/d

図 11 変動風荷重の標準偏差-4-0.2

0.0：固定時： 〃：動揺時： 〃： 〃： 〃： 〃： 〃-0.2-0.4

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)-0.6-0.4-0.2

図 128Fσ/Fmσ060.00.20.40.6ud/U 0.8

船舶位置流速と時間平均風荷重：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)

420-0.4

図 13-0.2

0.00.2

0.4

0.6ud/U

流速と流速変動風荷重の標準偏差（5）Sway と Yaw の時間平均値
図 14 にフェンス模型設置時の Sway の時間平均値、図 15 に倉庫模型設置時の Sway 時間平均値を示す。建屋直背後の Lb/d=4 でバネ定数によるその違いはそれほど無い。Lb/d が大きくなると揺れは大きくなるし、係留バネ係数が小さいほど揺れは大きい Lb/d=6 では、Sway が交差して、さらに、下流に行くほど差がはっきりと表れてくる。そこではバネ定数が小さければ大きく揺れると言える。なお、図示していな
いが Yaw は値が小さいので船舶は回頭運動していないと言える。

M-1yσ 1.2(mm)15(Sway)mm：倉庫模型(0.012N/mm)：倉庫模型(0.006N/mm)：倉庫模型(0.004N/mm)

1.0

100.8

0.6

50.4

00.2

：ﾌｪﾝｽ模型（ﾊﾞﾈ定数0.012/mm）：ﾌｪﾝｽ模型（ﾊﾞﾈ定数0.006/mm）：ﾌｪﾝｽ模型（ﾊﾞﾈ定数0.004/mm）

0.0-50420861412101816図 14図 17

Sway の時間平均値(フェンス模型)(Sway)
mm
1050：倉庫模型（ﾊﾞﾈ定数0.012/mm）：倉庫模型（ﾊﾞﾈ定数0.006/mm）：倉庫模型（ﾊﾞﾈ定数0.004/mm）-52468101214161820(Lb/d)

図 154861012141618Lb/d20

Sway の標準偏差（倉庫模型）(7)固定時と係留時の風荷重の標準偏差の関係
図 18 と図 19 は、船舶動揺時の風荷重の標準偏差 Fσｙと船舶固定時の Fσk を示したものである。
図 18 はフェンス模型時の、図 19 は倉庫模型時である。先に図 9 と図 10 に見たように時間平均風荷重が固定時と動揺時では若干差がみられるが倉庫模型ではその差がほぼないと言える。
しかし、図 18 と図 19 から固定時と係留時の場合で船舶模型と建屋模型が近い場合の標準偏差の変化の仕方が大きく異なる。

150220(Lb/d)

Sway の時間平均値(倉庫模型)
8Fσ ｙ（6）Sway の標準偏差
図 16 にフェンス模型時の、また、図 17 に倉庫模型時の Sway の標準偏差 yσを示す。Lb/d=4 では、建屋両模型とも、あまり差はない。しかし、Lb/d が大きくなるのにつれ差が大きくなる。倉庫模型は、Lb/d=10 で変化の仕方が変わる。これは、船舶模型が逆流域から出た時に当たりそのことが原因になっているのではないかと考えられる。Lb/d=18 では、フェンス模型は減少していくのに対し、倉庫模型では、増加傾向にある。よって、フェンス模型、倉庫模型では標準偏差の増え方に違いがある。

642:フェンス模型（ﾊﾞﾈ定数0.012N/mm）:フェンス模型（ﾊﾞﾈ定数0.006N/mm）:フェンス模型（ﾊﾞﾈ定数0.004N/mm）
00123Fσ ｋ4

図 18 風荷重の標準偏差の関係（フェンス模型）

1.2yσ(mm)：ﾌｪﾝｽ模型(0.012N/mm)：ﾌｪﾝｽ模型(0.006N/mm)：ﾌｪﾝｽ模型(0.004N/mm)

1.00.80.60.40.20.00

図 162468101214161820Lb/d

Sway の標準偏差（フェンス模型）

図 19-5-

風荷重の標準偏差の関係（倉庫模型）

M-1（8）スペクトル
図 20 にフェンス模型時の、図 21 に倉庫模型時の Sway のスペクトルを示す。両図ともバネ定数 0.012N/mm の場合の一例である。f は周波数、P は Sway のパワーを表わしている。フェンス模型の方が倉庫模型に比べパワーが大きい。
どちらの模型でも Sway の固有周期での揺れは小さい。つまり、固有周期より小さい周波数で揺れており、よってパワーが大きくなっていることが分かる。その結果、外力の大小が Swayの大小に関わっていると考えられる。これによれば建屋模型と船舶模型の距離が違うと揺れやすい周期が分かる。このようにスペクトルでみると揺れの様相が複雑であることが分かってくる。

P0.5:Lb/d=4:Lb/d=8:Lb/d=12:Lb/d=166.82s

0.48.19s

0.32.92s
固有周期(K=0.012N/mm)1.63s

3.41s
0.2

1.57s
2.04s

8.19s

1.32s
0.1
1.95s
5.12s
5.12s

2.73s
2.73s

1.25s

1.41s

0.0
2345

6 7 8 90.1

2341

参考文献
1) 鈴木博史・釣谷康（1990）：港内係船船泊に対する近接構造物の遮風効果把握のための実験アプローチ、海洋開発論文集、VOL.6、
pp113-1172) 平石哲也・本城 智・古川正美(1991)：避泊フェリーの係留張力と振れ回り運動、海岸工学論文集、第 38 巻、pp.731－7353) 新井信一・高梨誠一・平山久(1991)：岸壁係留時に関する実船実測、海岸工学論文集、第38巻、pp.741-7454) 佐藤昭人・我原弘昭（2006）：漁船安全係留のための間伐材を用いた防風柵の減風効果について、海洋開発論文集、VOL.22、
pp343-3485) Devenport,A.G.:The Relationship of Wind
Structure to Wind Loading,Proc.Int.Conf.Wind
Effects on Buildings andStructure(teddington),Her Majesty’s StationaryOffice,2003

5f

フェンス模型0.012/mm

図 20スペクトル（フェンス模型）

P0.5:Lb/d=4:Lb/d=8:Lb/d=12:Lb/d=16

0.4

0.3
固有周期(K=0.012N/mm)1.63s

8.19s

4.09s
0.23.15s
2.73s

0.15.85s3.72s 2.92s

8.19s

1.78s 1.28s

0.020.134526 7 8 91

倉庫模型0.012N/mm

図 21４．結言風を避けるために建屋の背後に避泊する船舶に、どのような風荷重がかかるのか実験的に調べた。
ウィンドトンネルの代わりに開水路を使用した。水路上流に粗度を配置して 1/7 乗則の流場を作り模型を配置した。
まず、建屋の背後の流速分布を調べた。その結果、フェンス型建屋では、生成された渦がゆっくりと上昇して行き、逆流域がフェンス高さの約 10 倍まで伸びること、一方、箱形の倉庫模型では渦が、地面に引き戻され、逆流域は建屋高さの約 5 倍程度となる。
次に、船舶模型を配置し、船舶を固定した時の風荷重と、係留したときの係留力を調べた。
その結果、時間平均荷重では、建屋の直背後付近では船舶に引き戻す荷重が働くが、建屋と船舶が離れるにつれ、船舶を押す力が増加した。
フェンスの場合、船舶を固定して計測した力よりも動揺時の荷重の方が少し大きくなった。倉庫の場合は両者に違いは見られない。
最後に、係留船舶の Sway を調べた。Sway の動揺量は、船舶が建屋から離れるほど大きくなる。また、係留バネ力が小さいほど大きく揺れる。
以上により、建屋背後の避泊では、建屋から離れるほど風荷重の時間平均値が大きくなり、揺れも大きくなることがわかった。

435f

スペクトル（倉庫模型）-6-