During the centuries that followed the Age of Discovery, when Europeans, notably Portugal and Spain, started to cruise the Seven Seas, the first navigators faced a dilemma that threatened their well being and the success of their enterprise: how to transport goods safely and efficiently across the oceans? Moreover, how to do it avoiding deterioration and consequent losses? The final answer for these questions was the creation of containers: a geometrically simple structure that facilitated maritime transportation. Nowadays, sea surface transportation accounts for 99% of all international transportation. Of this amount, the biggest part of the fleet corresponds to container ships. The use of containers to transport numerous manufactured goods is relatively new. Since this piece of equipment was invented in 1937 by Malcolm MacLean, a revolution was seen in maritime transportation, with consequent improvements in efficacy and reliability.

Despite its young age, containers became broadly popular and their use quickly spread around the globe. Nowadays, about 90% of all non-bulk cargo maritime transportation worldwide is performed employing containers stacked in container ships. However, such popularization brought some concerns: tight schedules allied a recent increase in the height of stacks carried on deck and the growing size of container, coinciding with a substantial increase in the number of containers lost at sea. This number is estimated in something around 10 thousand each year, and although the total number is involved is a matter of controversy among experts, this still represents a significant economical loss to the liner industry. Often, extreme sea conditions that eventually induce parametric rolling in the vessel are considered the most probable culprit behind those losses. However, present regulation and norms for securing equipment are calculated based on static loads, an unrealistic approach considering the dynamic nature of the conditions faced by containers during maritime transportation. Thus, questions have been raised about the safety of prolonged use of these standards, which might underestimate real values of forces acting on container stacks and their securing elements.

In this panorama, the problem of container stack dynamics must be addressed properly to understand the mechanisms behind container losses, helping to set new standards and promoting valuable advice to the liner industry. To achieve this goal, the authors propose the study of the container loss problem in the light of science using a strong methodology. The study was divided in four main stages: scaling of a 20 ft ISO freight container, pilot study using scaled model in a two-tiers single stack arrangement (2x1), container stack dynamics study using scaled model in a seven-tiers single stack arrangement (7x1) and the same study of a seven-tiers three stack arrangement (7x3). These stages were segregated in two sub-stages: experimentation using shaking table testing, and numerical simulation employing finite element method. For both sub-stages a set of control variables were idealized: amplitude and frequency of the driving excitation, payload added to the scaled models, horizontal rotation of the stack base and twist lock's gap size. Additionally, 2x1, 7x1, and 7x3 systems' linking connectors, denominated twist locks were modeled for both cases (experimental and numerical).

The first part of the research presents a method to scale down 20 ft containers using dimensional analysis, similarity theory, and finite element analysis. The scaling study was separated into four sub-stages: determination of similitude parameters using Froude scaling laws, design testing (Finite Element Method-F.E.M.), scaled model manufacture and experimental validation (static and dynamical). The physical (dimensions, mass, and moments of inertia) and structural (longitudinal, transversal and torsional stiffness) characteristics of the scaled models were decided based on two dimensionless numbers: ratios between gravity force and inertia force, and elastic force divided by inertia force, through experimental and numerical analysis. Furthermore, the choice of each similitude parameter and its determination using dimensional analysis are presented in detail. Additionally, model geometrical design based on finite element analysis, posterior static and dynamic validation are explained thoroughly. In conclusion, study qualifications and limitations are logically presented with further prospect.

The second part of the research presents a pilot study used to identify some important points before the last two stages of the study. Among these points author can emphasize: adequacy of the instruments and their operations, checking the design of the research protocol, assessing whether the research protocol is realistic and workable, establishing whether the sampling frame and technique are effective, identifying logistical problems which might occur using proposed methods, estimating variability in outcomes to help determining sample size, collecting preliminary data, assessing the proposed data analysis techniques to uncover potential problems, and the assess the adequacy of the control variables.

The third part of the research describes an approach to simulate the 7x1 system, subjected to dynamical load induced by its base. Series of experiments with controlled parameters (amplitude and frequency of driving excitation, payload, shaking table base rotation and gap size) were performed using a shaking table test to understand the effects of each variable in the container stack dynamics and present enough data to validate the numerical model. Finally, the last stage describes an approach to simulate the 7x3 system using shaking table test in three cases only. The main goal of this stage is to identify and quantify the contact among stacks in order to calibrate the numerical model.

The study helped to elucidate some points regarding the system's fundamental mechanical behavior, where correlation of dynamic properties depending on amplitude, frequency, base rotation, container load and twist lock gap size, were obtained and used to calibrate and validate a numerical model. After this strenuous validation, the scaled numerical model was used as a valid tool to simulate the behavior of multi-stack configuration in some simple situations faced by containers during maritime transportation. Among these situations some common were studied in detail: heaving, pitching and rolling, employing cases reported in the literature. Additionally, the problem of how simple changes in basic variables affect force in the bottom twist lock was addressed providing useful advice for the industry, trying to maintain the problem complexity to a minimum. Undoubtedly, this is one of the most significant findings to emerge from this study. In this panorama, it may contribute significantly to the understanding of container stack dynamics, an area where intuition and old standards are still preferred over more solid scientific principles.

コンテナ船の大型化に伴い、港での荷役作業も長時間化の傾向にある。新しいラッシング金物の導入や、ラッシングバー等の軽量化により、荷役効率の改善、荷役時間の短縮が期待される。現在の船級規則では、最近の技術であるFAT (フルオートマティック・ツイストロック)と呼ばれるについては安全評価基準が実際上定められておらず、ユーザーであるオーナー自身がメーカーの情報に基づいて、ないしは自身の技術評価を行なう評価する必要がある。FATによる固縛は、港湾での荷降ろし時にロック解除作業が不要である反面、航海中にも、万が一、コンテナを上に引き上げるのと同等の力がかかればロック解除状態になる懸念がある。船体の大型化によって、従来のローリングやピッチングといった剛体運動に加えて、スラミングによる船体のウィッピングや、船体の捩れといった弾性体挙動が荒天時には引き起こされ外力あるいは加速度も剛体運動によるものに加わるが、これによってコンテナスタックがどのような挙動を示すか、といった問題についてはこれまでにほとんど検討が行われておらず、その挙動の基本的な特性を知る必要がある。

これまでのコンテナの剛性などの規則は、基本的にローリングによる静的な荷重に基づいて行われているが、スラミングによる船体のウィッピングなどの荷重を正しく評価するためには、加速度による慣性力や、ツイストロックのガタや隣り合うコンテナスタックの衝突による荷重など動的な影響の評価が不可欠である。特に、ガタやスタック間の衝突による衝撃的な荷重が重要になると考えられるが、これらは非常に非線形性の強い現象で、解析には非線形有限要素法を用いた高度な解析技術が必要になる。本論文は、このこれまでほとんど扱われていない新しい問題に対して、スケールモデルを用いた実験、および非線形数値シミュレーションに基づき評価する手法を開発することを目的としている。

本論文は7章からなり、第1章は研究の背景や、研究の目的の説明である。第2章は研究の全体像を概説している。第3章は1/4スケールモデルを用いた振動実験に関する説明で、震動台と測定法、実験条件の説明とデータの後処理について説明している。そして第4章において実験結果の考察を行っている。第5章から第8章は非線形有限要素解析に関して説明している。第5章においては計算モデルについて説明している。第6章においては2段積みのスケールモデル実験と有限要素解析の比較を行い、貨物の重量やツイストロックのギャップサイズの影響を議論している。また、第7章において、7段1列のスケールモデル実験、7段3列のスケールモデル実験と有限要素解析の比較により、モデルのキャリブレーションを行っている。また、第8章において様々な条件で有限要素解析を行うことにより、ピッチング、ローリングなど様々な船体運動に対して、ツイストロックにかかる荷重がギャップサイズやコンテナの剛性、重量分布などによりどのように変化するかを議論し、コンテナスタックのラッシングの問題に対して動的な影響の重要性を指摘するとともに、設計に対する指針を与えている。第9章では結論を述べている。

本論文は、主に振動実験をあつかった2009年のLevent Kirkayak氏の博士論文に対して、数値計算を中心として、モデルの様々な改善を行うとともに、様々なパラメータの調整、および新しいスタック間の衝突モデルの提案も行っており、その数値モデルを用いた解析により、実際のコンテナ船におけるスタックの挙動を再現し、様々な要因の影響を調べるとともに、コンテナスタックの設計に対して有用な提言を行っており、新規性、有用性は非常に高いと考えられる。この研究は、コンテナ船における固縛の評価、規則制定のための重要な一歩であり、コンテナ船における安全なコンテナ輸送のための社会的にも大きな意義を持った研究である。

したがって、博士(環境学)の学位を授与できると認める。