杭の急落対策

杭の急落とは

洋上の杭はガイドフレームまたは杭グリッパーに設置し、油圧ハンマーで海底地盤に打ち込みます。打撃と打撃の間は、杭周面の摩擦と先端の抵抗が杭を支えます。杭先端が強い地層から弱い地層へ、例えば硬い層の下にある緩い砂や軟らかい粘土へ進むと、抵抗が杭とハンマーの重量を下回り、その重量によって杭が加速することがあります。地盤ボーリングとコーン貫入試験（CPT）でこうした地層の位置を把握し、杭の急落解析では地盤抵抗と重量を比較して、想定される落下距離と速度を求めます。

衝撃吸収装置のストロークは、杭が地盤中を落下する距離ではありません。杭とハンマーを停止させる間に、装置自身の接続部間で生じる相対移動量です。吊上げモデルで両者の関係を評価します。

クレーンへの影響

運動する質量 m が速度 v で移動すると、その運動エネルギーは \tfrac{1}{2} m v^2です。この解析の1,500 tの杭とハンマーは、5.0 m/sで18.75 MJの運動エネルギーを持ちます。剛性 k を持つ接続がその速度で張ると、運動エネルギーと、接続が伸びる間に重量が行う仕事がその伸びに費やされ、最大荷重は次の式で表されます。

ここで W は運動する質量の重量です。荷重伝達経路の剛性が高いほど、最大荷重も高くなります。クレーンの巻上げ機、ワイヤ、玉掛けは剛性が高いため、剛な接続で停止させると、クレーンには静荷重を大幅に上回る荷重がかかります（高い DAF）。その後、荷重の振動が減衰する過程で吊索がたるみ、再び急に張ってスナップ荷重が生じることもあります。衝撃吸収装置は荷重伝達経路に柔軟な要素を加えます。ガススプリングで荷重を設定値まで高め、停止する間はバルブでその付近に保ちます。

POLARISの有無による比較

条件をそろえた当社のCONSTELLATION解析 CS-2026-005では、1,200 tの杭と、その杭頭にクランプで固定された300 tのハンマーが5.0 m/sで動き、吊索はすでに両者の重量を支えています。同じパラメータで2回計算し、剛な接続の場合と、ストローク6.0 mの2,000 t POLARISを使用する場合を比較しました。

補償装置を使った急落ケースは、独立したソルバーでも照合しました。このケースでは吊索がすでに重量を支えているため、閉形式の解は W + v\sqrt{k m}; となります。クレーン自身の伸びを考慮すると剛な接続の最大荷重は34.2 MN、クレーンを剛体とすると44.8 MNで、解析結果はその間に入ります。スリングがたるんだ状態から始まれば最大荷重はさらに高くなり、ハンマーが杭上に独立して載っていれば、吊索が受け止めるのはハンマーだけです。 杭急落停止解析を読む →

衝撃吸収装置の容量選定

想定し得る最悪の急落について、予想される急落ではなく、次の3つの要件を満たす必要があります。

1. エネルギー。 吊索が運動する質量を受け止める時点の運動エネルギーで、解析では18.75 MJです。装置がストロークしている間も重量が引き続き作用するため、重量を上回る荷重分だけが運動を減速させます。
2. 最大荷重。 クレーン、ワイヤ、玉掛け、ハンマーが許容できる荷重です。バルブ設定値は重量とその上限の間に置きます。解析では14.7 MNとクレーンSWL 24.5 MNの間の18.0 MNです。
3. ストローク。 重量を上回る荷重で運動エネルギーを吸収するために必要な移動量で、終端には余裕を持たせます。衝撃吸収装置がストローク端に達すると、クレーンを保護できなくなります。

解析で使用した4.98 mのストローク中、装置は18.75 MJの運動エネルギーに加え、重量が行った約73 MJの仕事を受けました。当社の クレーンの衝撃吸収 に関する記事では、エネルギーと許容最大荷重から必要ストロークを概算できます。解析で得られたDAF 1.43を用いると5.85 mが必要となり、6.0 mの装置は4.98 mを使用しました。その後、クレーン、玉掛け、衝撃吸収装置、ハンマー、杭の時刻歴モデルで最大荷重を確認します。

杭急落リスクへの備え

杭急落のリスクは杭打ち計画時に評価します。地盤データを用いた杭急落解析から、落下距離と速度を伴う想定シナリオが得られます。杭とハンマーの質量からエネルギーを求め、クレーンの荷重表から許容荷重を定めます。これらを合わせて、装置に必要なエネルギー容量、荷重、ストロークを決めます。

玉掛けは衝撃吸収装置と同じくらい重要です。POLARISはクレーンの吊索系に直列につながり、そのロッド端からハンマーまで柔軟なスリングを掛けます。打設中はスリングがたるみ、ロッドは引き込まれたままです。そのためハンマーの重量と打撃は装置を通らず、杭が急落したときには全ストロークを使えます。

衝撃吸収装置自身の重量も、吊上げ時のクレーン荷重表に算入します。 POLARIS は、1本の油圧シリンダー内に少量のガスとCFDで設計したバルブを収め、外部アキュムレータやニードルバルブを使用しません。そのため、容量に対して軽量です。容量は75～4,000 t、ストロークは1.0～8.0 mです。