復原性基準の性能要件化に向けた海上技術安全研究 …...National Maritime...

National Maritime Research Institute, Japan

復原性基準の性能要件化に向けた海上技術安全研究所の取り組み－復原性能評価手法の開発－

田口晴邦（流体部門）小川剛孝（国際連携センター）石田茂資（海洋部門）


本日の講演内容

復原性に関する国際基準の動向（非損傷時復原性）（短期的課題）Intact Stability（IS）コードの改正、一部強制化

操船ガイダンスの改正（長期的課題）Performance-based criteriaの検討の枠組み

短期的課題に対する海技研の取り組みウェザークライテリオン代替評価のための模型試験法

長期的課題に対する海技研の取り組み基準の性能要件化に向けた評価手法に関する研究

(デッドシップ状態の転覆確率計算、パラメトリック横揺れの推定)

性能要件化に向けたその他の取り組み非損傷時復原性に関する今後の取り組み


非損傷時復原性基準（ISコード）の見直し

●背景・大型旅客船等に対するウェザークライテリオン（C係数基準）の適用性の問題・コンテナ船のパラメトリック横揺れによるコンテナ流出事故

一部強制化を含めた全面的な見直しの検討開始（SLF45,2002）

●検討課題・短期的課題：強制要件を明確にしたISコードの再構成

ウェザークライテリオン代替評価のための模型試験法

・長期的課題：物理現象に即したperformance based criteriaの構築performance based criteriaで考慮すべき危険要素

・波浪中復原力変動に関連する現象（パラメトリック横揺れ、波頂における復原力喪失）・デッドシップ（操船不能）状態の同調横揺れ・ブローチング等操縦性に関連する現象


SLF50 の結果（2007/4/30～5/4）

●短期的課題ISコードの改正案（ISコード2008）, 条約改正案合意24m以上の旅客船及び貨物船に対して強制化（10月の第83回海上安全委員会(MSC 83)に送付）

・ウェザークライテリオンの代替評価のための模型試験法ガイドライン（MSC.1/Circ.1200：巨大旅客船等に対する適用性の問題対策）・操船ガイダンスの改正（MSC.1/Circ.1228：パラメトリック横揺れに対する当面の対策、現行のガイダンス（MSC/Circ.707）の対象を向波、横波まで拡張）

●長期的課題Performance based criteria(“new generation intact stability criteria”) （現行基準の代用として）策定のための基本的な検討の枠組み合意検討課題：①危険性判定のための簡易基準の作成と②直接評価手法の開発、作業完了目標：2010年


ISコード2008の概要

Introduction(定義等), Part A (強制要件)+Part B (勧告及びガイドライン）←非強制

( )

( )

( ) ( )

( )

mGM

formGZ

radmdGZdGZ

radmdGZ

radmdGZ

15.0.deg25

.deg302.0

03.0

09.0

055.0

0

max

.)(deg30

0

.)(deg40

0

.)(deg40

0

.)(deg30

0

≥≥

≥≥

⋅≥−

⋅≥

⋅≥

∫∫

∫

∫

φφφ

φφφφ

φφ

φφ

ウェザークライテリオン（C係数基準）

Part A (強制要件)

GZ曲線に関する要件

b>a

旅客船に対する追加要件等


Performance based criteria (“new generation intact stability criteria”）検討の基本的枠組み

●具体的な基準策定手順の構築（2008年）●危険性の有無を判定する簡易基準の策定（2009年）●復原性能の直接評価手法の策定（2010年）簡易基準で問題があると判定された船舶に対して、現行基準と同等の安全

レベルを確保していることを数値シミュレーションなどによる評価で示し、現行基準の代用として利用可能にする。

●対象とする事故シナリオ1.デッドシップ（操船不能）状態での横揺れ2.追波中における復原力喪失3.パラメトリック横揺れ（貨物に働く過大な加速度に関する問題も含む）4.ブローチング


短期的課題に対する海技研の取り組み

●ウェザークライテリオン(WeC)代替評価のための模型試験法ガイドラインの策定（背景）WeCが不必要に厳しい要件となっているとの指摘があった風圧側面積の大きな大型旅客船等に対して、WeCで使われている風による傾斜偶力てこ（lw1）や同調横揺れ振幅（φ1）を模型試験（風洞試験、水槽

試験）結果から求めることを認めることにし、その統一的な運用を図るために標準的な模型試験を定めた実施ガイドライン（MSC.1/Circ.1200)を定めた。


定常風による傾斜偶力てこ（lw1）の試験法

( )w1 wind waterl M M /= + ∆

Mwind：横風による傾斜モーメント（風洞試験）

Mwater：漂流による傾斜モーメント（強制横漂流試験）

Δ：排水量

（１）Mwindの試験方法

・基本的には風洞で試験を実施

・傾斜に伴う喫水変化を考慮

（２） Mwater の試験方法

・ガイド装置を使用

・台車で模型船を真横に曳航

・曳航速度は、曳航力が風圧力に等しくなるように決定


同調横揺れ振幅（φ1）の試験法

・ ISコードで横揺れ固有周期の関数として指定される岨度の横波中における同調横揺れ振幅（φ1r）を求める。（φ1=0.7φ1r）

・自由横揺れ試験、横波中動揺試験

（１）直接法

・規定された波岨度を持つ横波中動揺試験結果

（２）組み立て法

・横揺れ減衰係数Nと有効波傾斜係数rを自由横揺れ試験、横波中動揺試験から求め、次式によりφ1rを計算

（３）パラメータ同定法

・横波中動揺試験データから非線形横揺れ運動方程式のパラメータを求めた後、改めて方程式を解いてφ1rを決定する。

( )11

90r

r

rsN

πφ

φ=


RoPaxフェリーを用いたガイドラインの検証試験

目的：実行可能性、信頼性、評価結果の現行WeCとの等価性等を検証

供試船（全長170m RoPaxフェリー）風による傾斜偶力てこの（lw1）の

評価結果

-0.050

-0.025

0.000

0.025

0.050

0.075

0.100

0.125

0.150

-20 -10 0 10 20 30 40Angle of Heel (deg.)

lw1 [m]

Standard CriterionWind testDrift testWind + Drift tests　Length: Lpp 170.0m

　Breadth: B 25.0m　Depth: D 14.8m　Draft: d 6.6m　Displacement: W 14,983t　Blockage coefficient: 0.521

Metacentric height: 1.41m　Rolling period: Tr 17.9s

Downflooding angle: φf 39.5deg.

現行評価値に比べて1/2～2/3程度に小くなる


RoPaxフェリーを用いたガイドラインの検証試験

同調横揺れ振幅（φ1）の評価結果 WeC評価結果

0

1

2

3

4

5

現ISコード

風洞試験＋漂流試験

風洞試験＋喫水中央

風洞試験（直

立時）＋

漂流試験

風洞試験（直

立時）＋

喫水中央

lw1の評価方法

b/a

φ1：現ISコード

φ1：試験結果（直接法）

φ1

現行評価 15.4 deg.

直接法 19.3 deg.

組み立て法 19.5 deg.

限界KGが最大で3％高くなる(11.48m→11.88m）

本試験はガイドラインの解説文書（MSC.1/Circ.1227）に収録された。

現行評価値より約25％大きくなる


Performance based criteria 策定(長期的課題)に対する海技研の取り組み

●復原性能の直接評価手法に関する検討・デッドシップ状態の転覆確率計算

波と風による漂流運動を考慮した転覆確率計算波と風の統計を考慮した長期転覆確率計算

・パラメトリック横揺れの推定手法パラメトリック横揺れに関する自由航走実験復原力特性変動に関する拘束模型実験数値シミュレーションによる推定計算


デッドシップ状態の転覆確率計算

デッドシップ状態（SOLAS ChapterII-1 Regulation 3.8 ）:主推進装置，ボイラー，補機が動力の欠如により作動しない状態

IS コードのウェザークライテリオン（WeC）で想定する状況はこれに相当する。WeCでは最も厳しいと考えられる横風横波状態を想定。

巨大旅客船の横風横波中での自由漂流試験(オランダMARIN との共同研究の一環としてMARIN耐航性能水槽で実施)


転覆確率の推定（区分線形近似法）

( )( )( ) T/360024365N*N TP11P

×××−−=

( ) ( )

( ) ss

s

dWdTdHTWTHP

WTHfTP

013/1013/1

0 0 0013/1

*

,,,

,,

⋅

∫ ∫ ∫=∞∞∞

( )( ) ( )( ) ( )0mA0m0mTw

0mA0m0mTl

s013/1

;0APorPP;0APorPP

T,W,T,HP

φφφφφφφφφφφφ−<<−<>

+>>−<>

=

PT ：横揺角0 度を含む領域が2 本の近似直線のつなぎ目φm0を超える確率Pl ：|φ|＞φm0 のうち風下側となる確率Pw ：|φ|＞φm0 のうち風上側となる確率PA ：復原力喪失角を含む領域での横揺角が増加方向に発散する条件付確率

●復原力の非線形性を考慮した合理的手法の一つ：GM、復原力消失角、動復原力を変えずにGZ曲線を直線近似(Belenky(1993), Paroka(2005))●漂流運動の影響を考慮（小川、2006）●風と波の相関を考慮した長期転覆確率計算（小川、2007）

長期転覆確率一定海象下での転覆確率


漂流運動が転覆確率に及ぼす影響についての検討（Ogawa, 2006）

Capsizing probability per roll cycle

-40-35-30-25-20-15-10

-50

0 5 10 15 20 25 30 35

Wind speed(m/s)

log 1

0(C

apsi

zing

pro

babi

lity)

Without driftWith drift

Drift speed due to wind & wave

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

0 5 10 15 20 25 30 35Wind speed (m/s)

Drif

t spe

ed (m

/s)

Cal.( wind only)Cal. (wave only(H1/3=9.5m, T01=12.4sec))Cal.(wind&wave(H1/3=9.5m, T01=12.4sec))Exp.(wind only)Exp.(wave only(H1/3=9.5m, T01=12.4sec))Exp.(wind&wave(H1/3=9.5m, T01=12.4sec))Cal.(Beaufort)

低速操縦運動モデルに波強制力(Enhanced Unified Theory)と風圧力（実験式）を組み合わせることでデッドシップ状態での漂流速度の推定が可能

漂流運動を考慮しない転覆確率は、過小に推定される。ーーー＞安全性（転覆確率）を適切に評価するためには、漂流運動を考慮することが重要である。


長期転覆確率に及ぼす波と風の相関についての検討（小川、2006,2007）

14.75-

13.75-

12.75-

11.75-

10.75-

9.75-

8.75-

7.75-

6.75-

5.75-

4.75-

3.75-

2.75-

1.75-

0.75-

0-4-

5-6-7-8-9-10-11-12-13-14-

Hw(m)

T(sec)

Ws=20(m/s)

0.0006-0.00080.0004-0.00060.0002-0.00040-0.0002

●：Beaufort 階級表で WMOの参考波高とPierson-Moskowitz の式で定義される海象

対象海域：南大東島の南東 (22～24°N, 132～134°E)

船舶安全法施行規則上の近海区域に相当解析期間：1994-2003(10年間), 秋季(9月から11月)

台風が多く発生する厳しい海象条件


計算対象船

-0.8

-0.6

-0.4

-0.2

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

0 10 20 30 40 50 60 70

(deg.)

(m)

Original(kg=15.8m)

Present method0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

0 10 20 30 40 50 60 70 80

Angle of Heel(deg.)

GZ(

m)

Original GZ (kg=10.63m)Present method

対象船 : Ro-PAXフェリー（左）、大型旅客船（右）ウェザークライテリオン(WC)が厳しく適用される船舶●大きな風圧側面積による風圧モーメント：傾斜偶力てこ大

●浅い喫水で大きな上部構造物：

基準式の有効波傾斜係数が1以上となる（物理的に不適切）

GZ曲線と区分線形近似(重心高さ：WeCを満足する高さに設定)


波と風の統計を考慮した長期転覆確率

対象船 : Ro-PAXフェリー（左）、大型旅客船（右）

波高－波周期－風速の3相関を考慮した長期転覆確率（図中：黒線）に比べて、これを考慮しない転覆確率は誤差が大きくなる。：波と風の発現頻度、とりわけ風の発現頻度を考慮した転覆確率の推定が重要

Capsizing probability　(T=3600sec., LPS)

-40.0-35.0-30.0-25.0-20.0-15.0-10.0

-5.00.0

0 5 10 15 20 25 30 35

Wind speed(m/s)

log 1

0(pr

obab

ility

)

Present methodBeaufort(short term)NormalizedNo correlation

Capsizing probability　(T=3600sec., RO-PAX)

-40.0-35.0-30.0-25.0-20.0-15.0-10.0

-5.00.0

0 5 10 15 20 25 30 35

Wind speed(m/s)

log 1

0(pr

obab

ility

)

Present methodBeaufort(short term)NormalizedNo correlation


パラメトリック横揺れ現象の把握(1)

χ=180°

0.35

0.40

0.45

0.50

0.55

0.60

0.65

0.00 0.50 1.00 1.50Vm (m/s)

Te/Tφ

λ/L=0.91.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0 2.22.4

●自由航走模型実験による検討波浪条件（波周期、波高）、運航条件（船速、針路）を変化させて、パラ

メトリック横揺れの発生状況、発生後の横揺れの大きさを調査

→比較的広範囲の波浪条件、運航条件でパラメトリック横揺れの発生を確認

船速

出会周期

T e／横揺れ固有周期

T φ

実験結果（パラメトリック横揺れの発生状況：正面向波）

パラメトリック横揺れの発生範囲当所角水槽での実験（田口他、2002）


パラメトリック横揺れ現象の把握(2)

当所中水槽での実験（小川他、2007）

波浪中で横傾斜させた船体を上下揺れ、縦揺れ以外の運動を拘束して曳航し、ヒールモーメントを計測前後揺れが復原力特性変動に及ぼ

す影響等を把握

Heel moment (Heel:10deg., Head Seas, Fn=0.1, H1/3=6m, T01=16.4sec.)

0.001

0.01

0.1

10.000 0.001 0.002 0.003 0.004 0.005 0.006 0.007 0.008 0.009

GM amplitude/Lpp

Prob

.

plusminusplus (Surge Free)minus (Surge Free)plus (Heel 15deg)minus (Heel 15deg)

上：規則波での変動振幅下：不規則波中での超過確率

Heel 10deg (λ/L=1.6)

00.0010.0020.0030.0040.0050.0060.0070.0080.0090.01

0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025

H/λ

GM

am

plitu

de/L

pp

Fn=0.2 Fn=0.1Fn=0.05 Fn=0Fn=0.2(Surge free) Fn=0.1(Surge free)Fn=0.05(Surge free) Fn=0(Surge free)

●復原力特性変動に関する拘束模型実験


●シミュレーションによる推定

(Head seas, Hw=8.44m)

0

5

10

15

20

25

30

0.3 0.35 0.4 0.45 0.5 0.55 0.6 0.65 0.7Te/Tφ

φm

ax(d

eg.)

Cal.(λ/L=1.2)Cal.(λ/L=1.4)Cal.(λ/L=2.0)Exp.(λ/L=1.2)Exp.(λ/L=1.4)Exp.(λ/L=2.0)

Time history (λ/L=2.0, Hw=8.44m, Fn=0.15)

-0.4

-0.3

-0.2

-0.1

0

0.1

0.2

0.3

0.4

1400 1450 1500 1550 1600

(sec.)

(rad

)

RollPitch

3自由度モデルによる規則向波中での計算例（小川他、2007）

パラメトリック横揺れの推定

・縦運動を考慮した1自由度モデル（線型strip法による縦運動計算+非線形横揺れ運動方程式）

( )2 ;2 0

GZ tGM

φφ αφ β φ φ ω+ + + =&& & & &

( ) { }; ; ( ), ( ), ( )GGZ t GZ t t tφ φ ξ ζ θ=

・3自由度モデル（非線形strip法）

（縦揺れ、上下揺れ及び横揺れの連成計算。波による流体力は時間毎の浸水面形状に対して計算）

( ) ( ) ( ){ }( )tM

t;GZwGZWbaJI

x

0xxxx

=

+++++ φφφφφφ &&&&&


パラメトリック横揺れの推定に関する課題

●パラメトリック横揺れの発生限界、発生後の横揺れ振幅の計算値と実験値に大きな差が生じる場合がある（主に不規則波中）。●不規則波中でのパラメトリック横揺れの非エルゴード性を考慮した発生確率の推定手法は未だ開発されていない。上記のことが合理的に解決できて、貨物に働く過大な加速度も含めたパラメトリック横揺れの危険性が評価できる推定手法の開発が課題

Time history (T02=12.1sec, H1/3=9.43m, Fn=0.1)

-0.4

-0.3

-0.2

-0.1

0

0.1

0.2

0.3

0.4

1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000

(sec.)

(rad

)

RollPitch

0

10

20

30

40

50

0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4

Froude number

max

. rol

l ang

le (d

egre

es) simulation I

simulation II

free-runningexperiment

不規則波中での最大横揺れ角(Japan : IMO/SLF49/5/7, 2006)

不規則向波中での計算例（小川他、2007）


性能要件化に向けたその他の取り組み

損傷時復原性に関する性能要件“Safe return to port”のための浸水のシナリオ（想定損傷範囲等）を考慮した損傷時復原性能要件

改正された国際基準の国内規則への取り組み安全レベル（転覆確率）の評価に基づく非損傷時復原性能要件の検討

研究成果の普及活動復原性セミナーでの講演（（財）日本船舶技術研究協会主催）

基準の動向に関する解説記事の執筆（日本船舶海洋工学会誌）

EUプロジェクト(SAFEDOR)との情報交換(海技研主催のワークショップ )(http://www.nmri.go.jp/main/news/press/RBA-WS/RBA-WS.html）


まとめ(非損傷時復原性についての今後の取り組み)

本研究の一部は、日本財団の助成により（財）日本船舶技術研究協会が設立した「復原性に係る基準に関する調査研究」プロジェクトの一環として実施しました。また、一部はオランダMARINとの「研究協力に関する包括的な協定」にもとづき実施しました。ここに、関係各位に謝意を表します。

復原性能評価手法に関する継続的な検討

・デッドシップ：評価手法は確立されている。性能基準の策定（主に新形式船）に活用するために、在来船について転覆確率を計算して、安全性と転覆確率の関係を把握する

・パラメトリック横揺れ：不規則波中での発生確率の合理的な推定手法の確立、合理的な危険性判定指標の策定

・模型実験による復原性能評価手法の検討

（性能基準に対応した標準模型試験法の開発等）

研究成果を活用した、性能基準の策定

（策定手順構築、危険性判定簡易基準の作成）

御清聴ありがとうございました。

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