JP5741881B2 - 浮体構造物 - Google Patents

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Description

本発明は、風力発電機等の支持対象物を海洋上に浮かせた状態で設置するための浮体構造物に関する。本願は、２０１３年０４月０１日に、日本に出願された特願２０１３−０７６２９４号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。
従来より、発電方法の種類には、化石燃料を燃焼させる発電、原子力発電及び自然エネルギーを利用した発電等がある。このうち、化石燃料を燃焼させる発電は、地球の温暖化、化石燃料の枯渇等を引き起こすおそれがあるというデメリットが指摘されている。また、原子力発電は、発電所において事故が発生した場合に、その被害が甚大となるというデメリットが指摘されている。
これに対し、自然エネルギーを利用した発電には、地球温暖化や化石燃料の枯渇、事故発生時の被害拡大等のデメリットがないことから、この自然エネルギーを利用した発電システムの構築の推進が、世界的規模で急務となっている。この自然エネルギーを利用した発電システムのうち、風によってブレードを回転させて風力発電機で発電を行う風力発電においては、強い風が安定して供給される遠海の海洋上に風力発電機が設置されることが望ましい。
海洋上に風力発電機を設置する方法としては、主に、海底に打ち込まれた基礎杭から海水面まで支持構造物を延ばして、その海水面まで延ばした支持構造物の上方に風力発電機を設置する方法と、海洋上に浮かせた浮体構造物の上方に風力発電機を設置する方法とがある。風力発電機が設置される遠海においては、水深が深いことによって支持構造物の長さが長くなり、風力発電機等の設置費用が増大するため、海水面まで延ばした支持構造物の上方に風力発電機を設置する方法の採用が困難である。したがって、海洋上に風力発電機を設置する方法としては、海洋上に浮かせた浮体構造物の上方に風力発電機を設置する方法を採用することが望ましい。
このように、海洋上に浮体構造物を浮かせて、その上方に風力発電機を設置する浮体式風力発電設備としては、例えば、下記特許文献１に開示されるようなポンツーン型の浮体式風力発電設備、または、下記特許文献２〜４に開示されるようなスパー型の浮体式風力発電設備が提案されている。
日本国特開２００４−１９４７０号公報 日本国特開２０１０−２２３１１３号公報 日本国特開２０１２−２５２７２号公報 日本国特開２００９−２４８７９２号公報
特許文献１の開示技術は、風力発電機の基端部に複数の主浮力部を設け、それらの主浮力部を連結浮力部で連結するものである。特許文献１の開示技術において、主浮力部及び連結浮力部は、それらの下部のみが水中に沈められて浮かせられる。このとき、連結浮力部は、複数の主浮力部を海水面に沿って連結するものであることから、波浪に対向する面積が大きいものとなる。また、主浮力部及び連結浮力部は、海水面に浮かせられることから、直接に波浪のエネルギーを受けることになる。したがって、特許文献１に開示されたポンツーン型の浮体構造物は、波浪のエネルギーが大きい遠海の海洋上に設置した場合に、波浪の影響を受けて構造物全体が不安定になり易いという問題点があった。
また、特許文献１の開示技術については、波浪の影響を低減させるために、主浮力部及び連結浮力部９０の浮力を低下させ、主浮力部及び連結浮力部９０を所定の水深の場所で全体を水中に沈めさせて浮かせる方法も考えられる。しかし、風力発電機の高さは、海水面から約１２０ｍに達することもあり、主浮力部及び連結浮力部９０の全体を水中に沈めさせて浮かせる場所の水深は、この風力発電機の高さが高くなることに伴って、通常で１５〜２０ｍ、深いときには６０ｍを超える場合もある。このとき、特許文献１の開示技術は、図２０に示すように、連結浮力部９０の断面形状が矩形となっていることから、水深の深い場所で大きい水圧が作用した場合に、連結浮力部９０の矩形断面角部及び矩形断面各辺の中心部に大きな相当応力が発生し易いという問題点があった。
さらに、この水圧に対抗することのできる構造耐力を確保するために、主浮力部及び連結浮力部９０の壁体を厚くする方法や、壁体内側で壁面に垂直な補剛材９２を設ける方法も考えられる。しかし、これらの方法は、例えば、壁体に鋼材が用いられる場合において、鋼材の使用量が増大して、主浮力部及び連結浮力部９０の製造コストが増大するという問題点があった。
また、この水圧に対抗することのできる構造耐力を確保するために、主浮力部及び連結浮力部９０の壁体内側にコンクリートを全充填した場合は、主浮力部及び連結浮力部９０の重量が大きくなり、所定の水深の場所で浮かせるための浮力が得られないという問題点があった。
特許文献２の開示技術は、スパー型の浮体式風力発電設備であり、浮体部は、コンクリート製のプレキャスト筒状体を高さ方向に複数段積み上げ、各プレキャスト筒状体をＰＣ鋼材により緊結し一体化を図るとともに、上端部を開口させた有底中空部を有するものである。このとき、この浮体部は風力発電運用時には十分な性能があるが、施工時に課題がある。
大気中でプレキャスト筒状体を積み上げ、ＰＣ鋼材で緊結を行うには、縦方向に積み上げる場合と、横倒しにして並べる場合がある。縦方向に積み上げる場合は、浮体の上にさらにタワーが建つことになり、非常に高いクレーンが必要となるために風車の大型化への対応が困難である。また、横倒しにして並べた場合はクレーンの高さの問題は解消するが、自重が非常に大きくなるために立て起こし時に浮体部に大きなモーメントが作用する。これに対して十分な強度を確保するためには、大量のＰＣ鋼材を要してしまう。
立て起こし時に浮体部に曲げ耐力が足りずにひび割れ等が発生した場合、その後、風力発電運用時に浮体部が水中に存在して水圧を受ける。この水圧は水平方向のプレストレスとして浮体部に作用するが、鉛直方向にはその効果がほとんど全く期待できない。そのため、発生したひび割れが閉じる作用が無く、耐久性等に問題を抱えることとなる。つまり、特許文献２の開示技術は、構造の大型化に関して限界のある技術である。
特許文献３に開示されたスパー型の浮体構造物は、浮遊時に周面が喫水線に曝される柱状のコラム部と、コラム部の下部に配置されたバラスト部と、コラム部の中間部に配置されたフランジ部とを備える。このように構成された浮体構造物は、作業船による浮体構造物の設置や保守を容易にする目的で開発されたものであり、大型化に伴う耐久性の課題を解決するものでない。
特許文献４に開示されたスパー型の浮体構造物は、上下の蓋体と、これらの間に連続的に設置された筒形のプレキャストコンクリートブロックとがＰＣ鋼材で接合されてなる中空の下部浮体と、該下部浮体にＰＣ鋼材で接合された、上記プレキャストコンクリートブロックよりも小径なプレキャストコンクリートブロックと上蓋とからなる中空の上部浮体と、上記下部浮体の下面に連結鋼管を介して接合されたバラストタンクとを備える。
上記のように、ＰＣ鋼材で浮体構造物を構成する場合、コンクリートの表面に引張力が作用してはならないため、非常に大量のＰＣ鋼材が必要となる。特に、浮体構造物の施工時には、浮体構造物を横倒しにした状態で、浮体構造物の運搬や着水、沈降を行う必要があるため、重いＰＣ鋼材による構造物には非常に大きな曲げモーメントが作用することになる。このように、特許文献４に開示されたスパー型の浮体構造物も、大型化に伴う耐久性の課題を解決するものでない。
本発明は、上記の事情に鑑みてなされたものであり、波浪の影響を低減させるために、浮体構造物を所定の水深の場所で全体を水中に沈めて水中に浮かせた場合であっても、壁体に用いられる鋼材等の使用量を増大させずに、水圧に対抗可能な構造耐力を確保することができるとともに、所定の水深の場所で浮かせるための浮力を得ることが可能となり、さらに大きな曲げ耐力を有する浮体構造物を提供することを目的とする。
本発明は、上記課題を解決して係る目的を達成するために、以下のような手段を採用する。
（１）本発明の一態様に係る浮体構造物は、支持対象物を海洋上に浮かせた状態で設置するために前記支持対象物に付随して設けられる浮体構造物であって、前記支持対象物の基端部に接続された浮体部を備え、前記浮体部は、鋼製の蓋体と、鋼製の外管と、前記外管の内側に設けられた鋼製の内管とを有し、前記浮体部は、前記内管の外壁面と前記外管の内壁面との間に形成された間隙の少なくとも一部に、コンクリート又はモルタルが充填された状態で前記蓋体によって密閉され、前記内管は、所定の長さを有する内管用鋼管を前記浮体部の長手方向に沿って複数接合する第１継手部を有し、前記外管は、所定の長さを有する外管用鋼管を前記長手方向に沿って複数接合する第２継手部を有し、前記長手方向において、前記第１継手部と前記第２継手部とが、交互に配置されている。
（２）上記（１）に記載の浮体構造物において、前記内管用鋼管及び前記外管用鋼管は、鋼帯をスパイラル状に曲げて円筒状に成形することで得られたスパイラル鋼管であってもよい。
（３）本発明の一態様に係る浮体構造物は、支持対象物を海洋上に浮かせた状態で設置するために前記支持対象物に付随して設けられる浮体構造物であって、前記支持対象物の基端部に接続された浮体部を備え、前記浮体部は、鋼製の蓋体と、鋼製の外管と、前記外管の内側に設けられた鋼製の内管とを有し、前記浮体部は、前記内管の外壁面と前記外管の内壁面との間に形成された間隙の少なくとも一部に、コンクリート又はモルタルが充填された状態で前記蓋体によって密閉され、前記内管及び前記外管は、鋼帯をスパイラル状に曲げて円筒状に成形することで得られたスパイラル鋼管である。
（４）本発明の一態様に係る浮体構造物は、支持対象物を海洋上に浮かせた状態で設置するために前記支持対象物に付随して設けられる浮体構造物であって、前記支持対象物の基端部に接続された浮体部を備え、前記浮体部は、鋼製の蓋体と、鋼製の外管と、前記外管の内側に設けられた鋼製の内管とを有し、前記浮体部は、前記内管の外壁面と前記外管の内壁面との間に形成された間隙の少なくとも一部に、コンクリート又はモルタルが充填された状態で前記蓋体によって密閉され、前記支持対象物の前記基端部が、前記内管及び前記外管の径方向の外側から前記内管の内側に向かって貫通しており、前記基端部が貫通している位置において、前記内管の内壁面により形成される中空部に、コンクリート又はモルタルが充填される。
（５）上記（４）に記載の浮体構造物において、前記内管は、所定の長さを有する内管用鋼管を前記浮体部の長手方向に沿って複数接合する第１継手部を有し、前記外管は、所定の長さを有する外管用鋼管を前記長手方向に沿って複数接合する第２継手部を有し、前記長手方向において、前記第１継手部と前記第２継手部とが、交互に配置されていてもよい。
（６）上記（５）に記載の浮体構造物において、前記内管用鋼管及び前記外管用鋼管が、鋼帯をスパイラル状に曲げて円筒状に成形することで得られたスパイラル鋼管であってもよい。
（７）上記（４）に記載の浮体構造物において、前記内管及び前記外管が、鋼帯をスパイラル状に曲げて円筒状に成形することで得られたスパイラル鋼管であってもよい。
（８）上記（１）〜（７）のいずれか一つに記載の浮体構造物において、前記内管が、前記支持対象物の前記基端部の延長部位であってもよい。
（９）上記（１）〜（８）のいずれか一つに記載の浮体構造物において、前記内管の内側に、前記支持対象物の前記基端部が挿入されており、前記基端部が挿入された位置において、前記内管の内壁面により形成される中空部に、コンクリート又はモルタルが充填されていてもよい。
（１０）上記（１）〜（９）のいずれか一つに記載の浮体構造物が、前記浮体部を複数備え、複数の前記浮体部が、浮体連結部によって互いに連結されていてもよい。
（１１）上記（１）〜（１０）のいずれか一つに記載の浮体構造物において、前記内管の外壁面と前記外管の内壁面との間隙が６００ｍｍ以上であり、前記外管の外径の少なくとも一部が６５００ｍｍ以上であってもよい。
上記（１）の態様に係る浮体構造体によれば、波浪の影響を低減させるために、浮体構造物を所定の水深の場所で全体を沈めて水中に浮かせた場合であっても、壁体に用いられる鋼材等の使用量を増大させずに、水圧に対抗可能な構造耐力を確保することができるとともに、所定の水深の場所で浮かせるための浮力を得ることが可能となる。さらに、十分な曲げ耐力を確保することが可能となる。
特に、内管の第１継手部の位置が長手方向の同位置において外管の鋼板部分となり、また、外管の第２継手部の位置が長手方向の同位置において内管の鋼板部分となり、内管の第１継手部と外管の第２継手部とが長手方向で同一の断面内に存在しない構成となる。これにより、同一の断面内において極限強度の低くなる可能性のある継手部分を分散させることができ、二重管構造の浮体部の折損を防止することが可能となる。
特に、上記（２）の態様に係る浮体構造体によれば、内管及び外管の長手方向における溶接がスパイラルビードに置き換えられる。スパイラルビードの溶接は工場における自動化された溶接であるので、製造コストが抑制された二重管構造の浮体部を提供することが可能となる。さらに、スパイラルビードは、ずれ止めとして作用するため、内部のコンクリートと鋼管部との合成化に寄与し、より高い構造耐力を得ることが可能となる。
本発明の第１実施形態に係る浮体構造物が設けられた浮体式風力発電設備の構成を模式的に示す斜視図である。 本発明の第１実施形態に係る浮体構造物を示す側面図である。 本発明の第１実施形態に係る浮体構造物を示す平面図である。 本発明の第１実施形態に係る浮体構造物について、上部構造（支持対象物）が浮体部に取り付けられた状態を示す縦断側面図（内管が上部構造と連続している場合を示す図）である。 本発明の第１実施形態に係る浮体構造物について、上部構造（支持対象物）が浮体部に取り付けられた状態を示す縦断側面図（内管に上部構造が挿入されている場合を示す図）である。 本発明の第１実施形態に係る浮体構造物について、上部構造が浮体部に取り付けられた状態を示す横断平面図（内管が上部構造と連続している場合を示す図）である。 本発明の第１実施形態に係る浮体構造物について、上部構造（支持対象物）が浮体部に取り付けられた状態を示す横断側面図（内管の内側に上部構造が挿入されている場合を示す図）である。 本発明の第１実施形態に係る浮体構造物の浮体部の縦断面図である。 本発明の第１実施形態に係る浮体構造物について、内管及び外管にベンディング鋼管が用いられた態様を示す一部破断斜視図である。 本発明の第１実施形態に係る浮体構造物について、内管及び外管にスパイラル鋼管が用いられた態様を示す一部破断斜視図である。 本発明の第１実施形態に係る浮体構造物の側面図である。 本発明の第１実施形態に係る浮体構造物が水中に沈む前の状態を示す説明図である。 本発明の第１実施形態に係る浮体構造物が水中に沈んだ状態を示す説明図である。 本発明の効果を検証するためのシミュレーションにおいて、支持対象物として想定された２．５ＭＷ級の風力発電設備を示す模式図である。 本発明の第２実施形態に係る浮体構造物が設けられた浮体式風力発電設備の構成を模式的に示す斜視図である。 本発明の第２実施形態に係る浮体構造物の浮体部を示す縦断側面図である。 本発明の第３実施形態に係る浮体構造物が設けられた浮体式風力発電設備の構成を模式的に示す斜視図である。 本発明の第３実施形態に係る浮体構造物について、上部構造を支持する上部構造支持体に浮体部が取り付けられた状態を示す縦断側面図である。 本発明の第３実施形態に係る浮体構造物について、上部構造が浮体部に取り付けられた状態を示す縦断側面図（内管が上部構造と連続している場合を示す図）である。 本発明の第３実施形態に係る浮体構造物について、上部構造が浮体部に取り付けられた状態を示す縦断側面図（内管の内側に上部構造が挿入されている場合を示す図）である。 本発明の第４実施形態に係る浮体構造物が設けられた浮体式風力発電設備の構成を模式的に示す斜視図である。 本発明の第４実施形態に係る浮体構造物について、上部構造に浮体部が取り付けられた状態を示す縦断側面図である。 上部構造の基端部が、内管及び外管の径方向の外側から内管の内側に向かって貫通している状態を示す説明図である。 従来の矩形断面の連結浮力部に作用する水圧の分布図である。
以下、浮体構造物本発明の一実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。
本発明の第１実施形態に係る浮体構造物１は、図１及び図２に示すように、風力発電機等の支持対象物（上部構造）４を海洋上に浮かせた状態で設置するために、上部構造４に付随して、上部構造４の下方に設けられる。浮体構造物１は、所定の水深の場所で全体が水中に沈められた状態で水中に浮かせられ、浮体構造物１の浮力によって上部構造４の少なくとも一部を海水面より上に設置する。浮体構造物１は、図示しない係留索により、水中で所定の場所に係留される。
浮体構造物１は、上部構造４の基端部４ａに接続された浮体部３を備える。例えば、図１及び図３に示すように、上部構造４が３つの場合、浮体構造物１は、３つの浮体部３を備える。この場合、浮体構造物１は、３つの上部構造４を支持するための３つの浮体部３を頂点とし、これらの浮体部３を連結する３つの浮体連結部２３を３辺として、略三角形の平面形状に形成される。
浮体部３は、図６に示すように、内側に設けられる略円筒状の鋼製の内管３１と、外側に設けられる略円筒状の鋼製の外管３２とを有する略円筒状の二重管構造である。また、浮体部３は、図４Ａ及び４Ｂに示すように、鋼製の蓋体３９を備えている。浮体部３は、内管３１の外壁面と外管３２の内壁面との間に形成された間隙３３の少なくとも一部に、コンクリート又はモルタル３４が充填された状態で蓋体３９によって密閉されている。つまり、浮体部３の上端及び浮体部３の下端は、それぞれ蓋体３９で塞がれている。浮体部３は、内管３１の内壁面によって内部に中空部３５が形成されている。
なお、間隙３３の全部にコンクリート又はモルタル３４が充填されていてもよい。または、間隙３３の一部にコンクリート又はモルタル３４が充填され、残りの空間がバラストを充填するための空間として使用されていてもよい。また、内管３１の外壁面と外管３２の内壁面との間の間隙３３に、内管３１を支持するための支持部材が設けられていてもよい。さらに、内管３１及び外管３２は、それぞれ円筒状の管に限定されず、例えば楕円状の管、または多角形状の管であってもよい。
浮体部３は、図４Ａ、及び図５Ａに示すように、内管３１が延長される形で上部構造４に連続していてもよい。言い換えれば、内管３１が、上部構造４の基端部４ａの延長部位であってもよい。
また、図４Ｂ、及び図５Ｂに示すように、内管３１の内側（中空部３５）に上部構造４の基端部４ａが挿入されていてもよい。この場合は、図４Ｂに示すように、内管３１と基端部４ａとの間の空間にコンクリート又はモルタル３４が充填されて固結するが、ボルトや溶接を用いて内管３１と基端部４ａを接合してもよい。コンクリート又はモルタル３４を充填して固結する場合、鋼材のコンクリート又はモルタル３４との接触面にスタッドや溶接ビードなどをずれ止めとして配置することにより、接合部の長さを短くすることができる。
浮体部３は、互いに浮体連結部２３によって連結されるが、この浮体連結部２３は溶接やボルトによって浮体部３の外管３２に接合されていてもよい。また、図４Ａ、図４Ｂ、及び図５Ａ、図５Ｂに示すように、浮体連結部２３を浮体部３の側面から突っ込んで接合することもできる。なお、浮体連結部２３は、浮体部３と同様に、内管と外管からなる二重管構造であってもよく、または、一般的な単管構造であってもよい。浮体連結部２３の構造として、二重管構造を採用する場合、浮体部３と同様に、内管と外管との間隙の少なくとも一部に、コンクリート又はモルタルが充填されていてもよい。
内管３１は、図７、図８に示すように、所定の長さを有する短い内管用鋼管３１ａを浮体部３の長手方向Ｚに複数接合する第１継手部３１ｂを有する。外管３２は、図７、図８に示すように、所定の長さを有する短い外管用鋼管３２ａを長手方向Ｚに複数接合する第２継手部３２ｂを有する。図９に示すように、長手方向Ｚにおいて、第１継手部３１ｂと第２継手部３２ｂとが、交互に配置されている。
図７に示すように、内管用鋼管３１ａ及び外管用鋼管３２ａは、鋼板を円筒状に曲げて成形することで得られたベンディング鋼管であってもよい。または、図８に示すように、内管用鋼管３１ａ及び外管用鋼管３２ａは、鋼帯をスパイラル状に曲げて円筒状に成形することで得られたスパイラル鋼管であってもよい。
なお、内管３１は、複数の内管用鋼管３１ａで構成する必要はなく、１枚の鋼板を円筒状に成形することで得られた１本のベンディング鋼管、または、鋼帯をスパイラル状に曲げて円筒状に成形することで得られた１本のスパイラル鋼管で構成してもよい。同様に、外管３２も、複数の外管用鋼管３２ａで構成する必要はなく、１枚の鋼板を円筒状に成形することで得られた１本のベンディング鋼管、または、鋼帯をスパイラル状に曲げて円筒状に成形することで得られた１本のスパイラル鋼管で構成してもよい。
本実施形態に係る浮体構造物１において、内管３１の第１継手部３１ｂの位置が、長手方向Ｚの同位置において外管３２の鋼板部分となり、また、外管３２の第２継手部３２ｂの位置が、長手方向Ｚの同位置において内管３１の鋼板部分となる。このように、長手方向Ｚにおいて、内管３１の第１継手部３１ｂと外管３２の第２継手部３２ｂとが、交互に配置されるので、内管３１の第１継手部３１ｂと外管３２の第２継手部３２ｂとが、長手方向Ｚにおける同一の断面内に存在しない。このような構造を有する浮体部３によると、長手方向Ｚにおける同一の断面内において、極限強度の低くなる可能性のある継手部分の応力集中を分散させることができ、その結果、浮体部３の折損を防止することが可能となる。また、内管３１と外管３２との一方が損傷した場合であっても、損傷していない他方によって、必要な浮体部３の構造耐力を確保することが可能となる。このように、浮体部３は、全体的な折損に対するフェイル・セーフ構造を有する。
本実施形態に係る浮体構造物１において、浮体部３が二重管構造を有することにより、内管用鋼管３１ａ及び外管用鋼管３２ａとして用いられる各々の鋼管の板厚を薄くすることができ、その結果、第１継手部３１ｂ及び第２継手部３２ｂにおける溶接の難易度を低減させることができる。従って、本実施形態に係る浮体構造物１によると、内管用鋼管３１ａ及び外管用鋼管３２ａとして高強度鋼を用いることが可能となる。
そもそも、水中に沈められる構造体を鋼構造で形成した場合、鋼構造は比較的薄い板で構成されている。そのため、鋼構造が矩形構造の場合、その矩形構造の側面から水圧が作用すると、鋼板に発生する曲げモーメントが著しく大きくなる。鋼構造が円形の断面形状を有する場合でも、鋼板に大きな軸力が作用するため、座屈に対する構造耐力を確保するために、板厚が非常に大きくなる。
しかしながら、浮体部３の構造として、内管３１と外管３２の間隙３３にコンクリート又はモルタル３４などが充填された二重管構造を採用する場合、水圧はコンクリート又はモルタル３４に圧縮力を発生させるが、この圧縮力はプレストレスとして作用するため、構造体として働くコンクリート又はモルタル３４の強度を著しく向上させることになる。
さらに、充填されたコンクリート又はモルタル３４は、内管３１及び外管３２の鋼材を側面から支持するために曲げ応力がほとんど発生しなくなるのみならず、拘束によって座屈発生を抑制する効果も持ち、構造的に極めて合理的なものとなる。
本実施形態に係る浮体構造物１は、間隙３３に充填されるコンクリート又はモルタル３４が、浮体部３に対して圧縮方向に作用する応力に対抗するので、内管用鋼管３１ａ及び外管用鋼管３２ａに要求される圧縮方向の構造耐力を低減させることができる。このため、本実施形態に係る浮体構造物１は、内管３１及び外管３２について、引張方向の構造耐力を確保するように設計すれば足りることになり、内管用鋼管３１ａ及び外管用鋼管３２ａに使用される鋼材の使用量を減らすことができる。また、本実施形態に係る浮体構造物１は、内管用鋼管３１ａ及び外管用鋼管３２ａに要求される圧縮方向の構造耐力が低減するので、内管用鋼管３１ａ及び外管用鋼管３２ａとして高強度鋼が用いられた場合であっても、高強度鋼を用いることによる座屈応力の低下を抑制することができる。
本実施形態に係る浮体構造物１と、図２０に示す従来の矩形断面の連結浮力部９０とを比較すると、従来の連結浮力部９０では、所定の構造耐力を確保するために、壁体内側で壁面に垂直な補剛材９２を設けることが必要となる。そのため、例えば、２２ｔｏｎ／ｍの鋼材の重量が必要となる。これに対し、本実施形態に係る浮体構造物１では、１．２ｔｏｎ／ｍの鋼材の重量によって、従来の連結浮力部９０と同等の構造耐力を確保することが可能となる。このため、本実施形態に係る浮体構造物１によると、従来の矩形断面の連結浮力部９０と比較して、約５％の鋼材の使用量により製造することができ、著しく製造コストを抑制して浮体式風力発電設備を提供することが可能となる。
本実施形態に係る浮体構造物１によると、内管用鋼管３１ａ及び外管用鋼管３２ａとしてスパイラル鋼管を用いた場合に、鋼管の製造にホットコイルを使用することができる。その結果、厚板鋼板を使用する場合と比較して、鋼管の製造コストを低減させることができる。また、内管用鋼管３１ａ及び外管用鋼管３２ａの長さを長くすることができ、第１継手部３１ｂ及び第２継手部３２ｂを著しく減少させ、又は皆無にすることができる。このため、本実施形態に係る浮体構造物１によると、溶接に必要となるコストを著しく低減させることができる。さらに、本実施形態に係る浮体構造物１によると、内管３１及び外管３２の長手方向Ｚにおける溶接がスパイラルビードに置き換えられる。スパイラルビードは、鋼管の全長にわたって均一に配置されるので、充填されるコンクリート又はモルタル３４のずれ止めとして非常に有効に機能する。従って、本実施形態に係る浮体構造物１によると、浮体部３の構造耐力が向上するとともに、製造コストが抑制された浮体部３を提供することが可能となる。
本実施形態に係る浮体構造物１は、図１０Ａに示すように、中空部３５を中空の状態として浮体構造物１の浮力を大きくすることで、浮体構造物１を海水面上に浮かせた状態で、沿岸から遠海まで曳航することができる。
また、本実施形態に係る浮体構造物１は、図１０Ｂに示すように、上部構造４が設置される遠海において、図示しない注入手段を用いて海水５等を中空部３５に注入することで、浮体構造物１の浮力を低下させ、所定の水深の場所において浮体構造物１の全体を水中に沈めさせて水中に浮かせることができる。
さらに、本実施形態に係る浮体構造物１では、中空部３５が形成され、浮体部３の内部にコンクリート等が全充填されないので、所定の水深の場所で浮かせるための浮力を得ることが可能となる。なお、本実施形態に係る浮体構造物１によると、中空部３５に注入された海水５等による腐食を防止するために、内管３１の内壁面に図示しない防食手段を施してもよい。
また、海水の代わりにスラグ等の粉体又は流動体、モルタル又はコンクリートなどの流動固化体を、内管３１の中空部３５に注入することも有効である。
浮体部３において、内管３１の外壁面と外管３２の内壁面との間の間隙３３（コンクリート又はモルタル３４の厚さ）は６００ｍｍ以上が好ましく、外管３２の外径の少なくとも一部は６５００ｍｍ以上であることが好ましい。なぜなら、浮体部３の構造として２重管構造を採用する場合、浮体部３の製作過程において、内管３１と外管３２との間に作業員が入って作業を行うことが現実的に必要だからである。
具体的には、浮体部３は、例えば以下のようなプロセスによって製作される。
まず、浮体部３の製作作業を行うのに使用される水平面（以下、作業面と称す）上において、複数の内管用鋼管３１ａを鉛直方向に沿って直列に接合することにより、作業面に対して直立する内管３１を製作する。続いて、複数の外管用鋼管３２ａを鉛直方向に沿って直列に接合することにより、作業面に対して直立し且つ内管３１を内側に収容する外管３２を製作する。
続いて、内管３１と外管３２との間にコンクリート又はモルタル３４を充填する。この時、内管３１と外管３２との間に作業員が入って充填作業を行う必要がある。続いて、最初に製作された内管３１に対して、複数の内管用鋼管３１ａを鉛直方向に沿って直列に接合することにより、より長い内管３１を製作する。この時、内管３１と外管３２との間に作業員が入って接合作業を行う必要がある。
続いて、最初に製作された外管３２に対して、複数の外管用鋼管３２ａを鉛直方向に沿って直列に接合することにより、より長い外管３２を製作する。この時も、内管３１と外管３２との間に作業員が入って接合作業を行う必要がある。そして、より長くなった内管３１と外管３２との間にコンクリート又はモルタル３４を充填する。以上のように、内管３１及び外管３２の長さを徐々に延ばしながら、内管３１と外管３２との間にコンクリート又はモルタル３４を順次充填するというプロセスを繰り返すことにより、所定の長さを有する浮体部３を製作する。
このように、浮体部３の製作過程において、内管３１と外管３２との間に作業員が入って作業を行うことが必要なので、浮体部３の間隙３３は６００ｍｍ以上が好ましく、外管３２の外径の少なくとも一部は６５００ｍｍ以上が好ましい。一方、上記の寸法未満の寸法を用いる場合、内管３１及び外管３２のそれぞれの接合部の強度が低下するので、補強部品を内管３１の内側と外管３２の外側とに追加する必要がある。しかしながら、外管３２の外側に補強部品を設置することは、外観上および防食上の観点から好ましくない。
本願発明者は、二重管構造を有する浮体部３を用いて風力発電設備を支持した場合と、従来の一般的な単管構造を有する浮体部を用いて同じ風力発電設備を支持した場合との、板厚、発生応力、バラスト量及び鋼重をシミュレーションにより算出した。その算出結果を表１に示す。
なお、上記のシミュレーションでは、支持対象物として、図１１に示すような、２．５ＭＷ級の風力発電設備を想定した。また、上記のシミュレーションにおいて、風力発電設備と浮体部とを含む全体構造の水中部（バラストを含む）の重量が水上部の重量の１０倍以上となるように、また、全体構造の浮力と全重量とが釣り合うように、水上部の重量を５５０ｔｏｎに設定し、浮体部径を９ｍに設定し、浮体部長を９０ｍに設定した。なお、水中部の重量を水上部の１０倍以上とするのは、浮体としての安定を取ることのできる重量比の目安であるからである。ここで、上記バラストとは、水中部の重量が水上部の重量の１０倍以上となるように全体構造の重量バランスを調整し、また、全体構造の浮力と全重量を吊り合わせるために、浮体部の内部空間に充填される重量物である。
また、上記シミュレーションにおいて、浮体部の上端部の設計耐力が、鋼管から伝達されるモーメントにより生じる負荷よりも大きくなるように設計し、浮体部の下端部が水圧に耐え得るように設計した。許容応力は、降伏強度を安全係数１．５で除算して得られる値に設定した。鋼材として、ＳＭ４９０を使用する場合を想定した。コンクリートと鋼とのヤング率比を７に設定した。
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表１に示すように、従来の一般的な単管構造を有する浮体部を用いて２．５ＭＷ級の風力発電設備を支持した場合、バラスト量が非常に多く、重量が不足していることが判明した。また、浮体部径が９ｍの場合、板厚が２５ｍｍとなるので、必要な構造耐力を得るためには、非常に密に補剛材を単管内に設ける必要があることが判明した。
一方、二重管構造を有する浮体部３を用いて２．５ＭＷ級の風力発電設備を支持した場合、発生応力が非常に小さいので、さらに大型化しても板厚の増加はほとんど必要なく、必要な構造耐力を得られることが判明した。
以上のように、本実施形態に係る浮体構造物１によると、波浪の影響を低減させるために、所定の水深の場所で全体を水中に沈めて水中に浮かせた場合であっても、鋼材等の使用量を増大させずに、水圧に対抗可能な構造耐力を確保した浮体部３を提供することが可能となる。
次に、本発明の第２実施形態に係る浮体構造物１Ａについて、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、以下の第２実施形態において、上述した第１実施形態の構成要素と同一の構成要素については、同一の符号を付すことによって以下での説明を省略する。
第２実施形態に係る浮体構造物１Ａは、図１２に示すように、例えば、１つの上部構造４を支持するための１つの上部構造支持体２と、上部構造支持体２の側方に設けられる３つの浮体部３と、３つの浮体部３を相互に連結する浮体連結部２３と、上部構造支持体２と浮体部３とを接続する支持体接続部２４とを備える。浮体構造物１Ａは、図示しない係留索により、水中で所定の場所に係留される。
上部構造支持体２も、浮体部３と同様に二重管構造を有する。つまり、上部構造支持体２は、内管３１が上部構造４と連続する構造（内管３１が、上部構造４の基端部４ａの延長部位である構造）、又は、内管３１の内側（中空部３５）に上部構造４の基端部４ａが挿入された構造を有する。
浮体部３は、図１３に示すように、内側に設けられる略円筒状の鋼製の内管３１と、外側に設けられる略円筒状の鋼製の外管３２とを有する略円筒状の二重管構造である。この浮体部３の上下方向が長手方向Ｚである。浮体部３は、内管３１の外壁面と外管３２と内壁面との間に形成された間隙３３の少なくとも一部（図１３では一例として全部）に、コンクリート又はモルタル３４が充填された状態で密閉されている。浮体部３は、内管３１の内壁面によって内部に中空部３５が形成されている。浮体部３の上端及び浮体部３の下端は、それぞれ蓋体３９で塞がれている。
第２実施形態に係る浮体構造物１Ａは、図１３に示すように、上部構造４が設置される遠海において、図示しない注入手段を用いて海水５等を浮体部３の中空部３５に注入することで、浮体構造物１Ａの浮力を低下させて水中に沈めることができる。
以上のような第２実施形態に係る浮体構造物１Ａによれば、波浪の影響を低減させるために所定の水深の場所で全体を沈めて水中に浮かせた場合であっても、鋼材等の使用量を増大させずに水圧に対抗可能な構造耐力を確保することができるとともに、所定の水深の場所で浮かせるための浮力を得ることが可能となる。
次に、本発明の第３実施形態に係る浮体構造物１Ｂについて、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、以下の第３実施形態において、上述した第１及び第２実施形態の構成要素と同一の構成要素については、同一の符号を付すことによって以下での説明を省略する。
浮体構造物１Ｂは、図１４に示すように、例えば、１つの上部構造４を支持するための１つの上部構造支持体２と、上部構造支持体２の下方に設けられた浮体部３と、浮体部３の下方に設けられ、上部構造４及び浮体構造物１Ｂの海洋上におけるバランスをとるための複数のフィン３８とを備える。浮体構造物１Ｂは、図示しない係留索により、水中で所定の場所に係留される。
図１５に示すように、上部構造支持体２は、略円柱状のコンクリート製のブロック体２１を有する。上部構造支持体２において、略円形の平面形状を有する上端部２ａに、上部構造４の基端部４ａが取り付けられている。このような構造により、上部構造支持体２は、上部構造４を支持する。
浮体部３は、図１５に示すように、内側に設けられる略円筒状の鋼製の内管３１と、外側に設けられる略円筒状の鋼製の外管３２とを有する略円筒状の二重管構造である。この浮体部３の上下方向が長手方向Ｚである。浮体部３は、内管３１の外壁面と外管３２と内壁面との間に形成された間隙３３の少なくとも一部（図１５では一例として全部）に、コンクリート又はモルタル３４が充填された状態で密閉されている。浮体部３は、内管３１の内壁面によって内部に中空部３５が形成されている。
第３実施形態に係る浮体構造物１Ｂは、図１５に示すように、上部構造４が設置される遠海において、図示しない注入手段を用いて海水５等を浮体部３の中空部３５に注入することで、浮体構造物１Ｂの浮力を低下させて水中に沈めることができる。
以上のような第３実施形態に係る浮体構造物１Ｂによれば、波浪の影響を低減させるために所定の水深の場所で全体を水中に沈めて水中に浮かせた場合であっても、鋼材等の使用量を増大させずに水圧に対抗可能な構造耐力を確保することができるとともに、所定の水深の場所で浮かせるための浮力を得ることが可能となる。
なお、第３実施形態における上部構造４は、図１６Ａに示すように、二重管構造の浮体部３の内管３１と連続する構造（内管３１が、上部構造４の基端部４ａの延長部位である構造）を有していてもよい。また、図１６Ｂに示すように、第３実施形態における上部構造４は、基端部４ａが二重管構造の浮体部３の内管３１の内側（中空部３５）に挿入された構造を有していてもよい。図１６Ｂに示す構造の場合、上部構造４と内管３１の間にモルタル又はコンクリートを充填することで、上部構造４と内管３１とを接合してもよい。または、図１６Ｂに示す構造の場合、上部構造４と内管３１とを、ボルトや溶接を用いて接合してもよい。
次に、本発明の第４実施形態に係る浮体構造物１Ｃについて、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、以下の第４実施形態において、上述した第１〜第３実施形態の構成要素と同一の構成要素については、同一の符号を付すことによって以下での説明を省略する。
第４実施形態に係る浮体構造物１Ｃは、図１７に示すように、例えば、１つの上部構造４を支持するための１つの浮体部３を備える。浮体構造物１Ｃは、図示しない係留索により、水中で所定の場所に係留される。
浮体部３は、図１８に示すように、内側に設けられる略円筒状の鋼製の内管３１と、外側に設けられる略円筒状の鋼製の外管３２とを有する略円筒状の二重管構造である。この浮体部３の上下方向が長手方向Ｚである。浮体部３は、内管３１の外壁面と外管３２と内壁面との間に形成された間隙３３の少なくとも一部（図１８では一例として全部）に、コンクリート又はモルタル３４が充填された状態で密閉されている。浮体部３は、内管３１の内壁面によって内部に中空部３５が形成される。
第４実施形態に係る浮体構造物１Ｃは、図１８に示すように、上部構造４が設置される遠海において、図示しない注入手段を用いて海水５等を浮体部３の中空部３５に注入することで、浮体構造物１Ｃの浮力を低下させて水中に沈めることができる。
以上のような第４実施形態に係る浮体構造物１Ｃによれば、波浪の影響を低減させるために所定の水深の場所で全体を水中に沈めて水中に浮かせた場合であっても、鋼材等の使用量を増大させずに水圧に対抗可能な構造耐力を確保することができるとともに、所定の水深の場所で浮かせるための浮力を得ることが可能となる。
また、第４実施形態に係る浮体構造物１Ｃは、横倒しの状態からクレーン又は中空部３５への注入によって立て起こすことができる。浮体部３は、コンクリート又はモルタル３４が充填された二重管構造であるので、非常に大きな曲げ耐力を有する。また、浮体構造部１Ｃを立て起こしている最中に、浮体部３に充填されたコンクリート又はモルタル３４にひび割れが生じた場合でも、コンクリート又はモルタル３４は完全に鋼材によって覆われ、水と直接接触することがないので、耐久性上の問題が発生することはない。
なお、第４実施形態における上部構造４は、第３実施形態と同様に、二重管構造の浮体部３の内管３１と連続する構造（内管３１が、上部構造４の基端部４ａの延長部位である構造）を有していてもよい（図１６Ａ参照）。また、第４実施形態における上部構造４は、第３実施形態と同様に、基端部４ａが二重管構造の浮体部３の内管３１の内側（中空部３５）に挿入された構造を有していてもよい（図１６Ｂ参照）。
以上、本発明の第１〜第４実施形態について説明したが、上記各実施形態で説明したように、必ずしも、上部構造４の中心軸線と浮体部３の中心軸線（つまり、内管３１及び外管３２の中心軸線）とが一致するように、上部構造４と浮体部３とが接続されていなくともよい。
例えば、図１９に示すように、上部構造４の基端部４ａが、内管３１及び外管３２の径方向の外側から内管３１の内側に向かって貫通していてもよい。言い換えれば、上部構造４の中心軸線と浮体部３の中心軸線とが直交するように、上部構造４と浮体部３とが接続されていてもよい。この図１９に示すように、基端部４ａが貫通している位置において、内管３１の内壁面により形成される中空部３５に、コンクリート又はモルタル３４’が充填されることで、上部構造４が浮体部３に固定されていてもよい。
以上、本発明の実施形態について詳細に説明したが、前述した実施形態は、何れも本発明を実施するにあたっての具体化の例を示したものに過ぎず、これらによって本発明の技術的範囲が限定的に解釈されてはならないものである。
１、１Ａ、１Ｂ、１Ｃ 浮体構造物
２ 上部構造支持体
２ａ 上部構造支持体の上端部
２１ ブロック体
２３ 浮体連結部
２４ 支持体接続部
３ 浮体部
３１ 内管
３１ａ 内管用鋼管
３１ｂ 第１継手部
３２ 外管
３２ａ 外管用鋼管
３２ｂ 第２継手部
３３ 間隙
３４ コンクリート又はモルタル
３５ 中空部
３８ フィン
３９ 蓋体
４ 上部構造
４ａ 上部構造の基端部
５ 海水
９０ 連結浮力部
Ｚ 長手方向

Claims (11)

  1. 支持対象物を海洋上に浮かせた状態で設置するために前記支持対象物に付随して設けられる浮体構造物であって、
    前記支持対象物の基端部に接続された浮体部を備え、
    前記浮体部は、鋼製の蓋体と、鋼製の外管と、前記外管の内側に設けられた鋼製の内管とを有し、
    前記浮体部は、前記内管の外壁面と前記外管の内壁面との間に形成された間隙の少なくとも一部に、コンクリート又はモルタルが充填された状態で前記蓋体によって密閉され、
    前記内管は、所定の長さを有する内管用鋼管を前記浮体部の長手方向に沿って複数接合する第１継手部を有し、
    前記外管は、所定の長さを有する外管用鋼管を前記長手方向に沿って複数接合する第２継手部を有し、
    前記長手方向において、前記第１継手部と前記第２継手部とが、交互に配置されていることを特徴とする浮体構造物。
  2. 前記内管用鋼管及び前記外管用鋼管は、鋼帯をスパイラル状に曲げて円筒状に成形することで得られたスパイラル鋼管であることを特徴とする請求項１に記載の浮体構造物。
  3. 支持対象物を海洋上に浮かせた状態で設置するために前記支持対象物に付随して設けられる浮体構造物であって、
    前記支持対象物の基端部に接続された浮体部を備え、
    前記浮体部は、鋼製の蓋体と、鋼製の外管と、前記外管の内側に設けられた鋼製の内管とを有し、
    前記浮体部は、前記内管の外壁面と前記外管の内壁面との間に形成された間隙の少なくとも一部に、コンクリート又はモルタルが充填された状態で前記蓋体によって密閉され、
    前記内管及び前記外管は、鋼帯をスパイラル状に曲げて円筒状に成形することで得られたスパイラル鋼管であることを特徴とする浮体構造物。
  4. 支持対象物を海洋上に浮かせた状態で設置するために前記支持対象物に付随して設けられる浮体構造物であって、
    前記支持対象物の基端部に接続された浮体部を備え、
    前記浮体部は、鋼製の蓋体と、鋼製の外管と、前記外管の内側に設けられた鋼製の内管とを有し、
    前記浮体部は、前記内管の外壁面と前記外管の内壁面との間に形成された間隙の少なくとも一部に、コンクリート又はモルタルが充填された状態で前記蓋体によって密閉され、
    前記支持対象物の前記基端部が、前記内管及び前記外管の径方向の外側から前記内管の内側に向かって貫通しており、
    前記基端部が貫通している位置において、前記内管の内壁面により形成される中空部に、コンクリート又はモルタルが充填されることを特徴とする浮体構造物。
  5. 前記内管は、所定の長さを有する内管用鋼管を前記浮体部の長手方向に沿って複数接合する第１継手部を有し、
    前記外管は、所定の長さを有する外管用鋼管を前記長手方向に沿って複数接合する第２継手部を有し、
    前記長手方向において、前記第１継手部と前記第２継手部とが、交互に配置されていることを特徴とする請求項４に記載の浮体構造物。
  6. 前記内管用鋼管及び前記外管用鋼管は、鋼帯をスパイラル状に曲げて円筒状に成形することで得られたスパイラル鋼管であることを特徴とする請求項５に記載の浮体構造物。
  7. 前記内管及び前記外管は、鋼帯をスパイラル状に曲げて円筒状に成形することで得られたスパイラル鋼管であることを特徴とする請求項４に記載の浮体構造物。
  8. 前記内管は、前記支持対象物の前記基端部の延長部位であることを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載の浮体構造物。
  9. 前記内管の内側に、前記支持対象物の前記基端部が挿入されており、
    前記基端部が挿入された位置において、前記内管の内壁面により形成される中空部に、コンクリート又はモルタルが充填されることを特徴とする請求項１〜８のいずれか一項に記載の浮体構造物。
  10. 前記浮体部を複数備え、
    複数の前記浮体部が、浮体連結部によって互いに連結されていることを特徴とする請求項１〜９のいずれか一項に記載の浮体構造物。
  11. 前記内管の外壁面と前記外管の内壁面との間隙が６００ｍｍ以上であり、
    前記外管の外径の少なくとも一部が６５００ｍｍ以上であることを特徴とする請求項１〜１０のいずれか一項に記載の浮体構造物。
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