항만의 계획 및 개발단계에서 중요한 요소 중 하나는 항로의 설계이다. 대부분의 경우 수심이 확보되어 있는 수역이라면 항로의 설계의 핵심은 항로의 배치와 항로폭의 결정이 될 것이다. 본 연구에서는 가변범퍼영역모델을 이용하여 항로를 설계하고 평가한다 이 모델은 선박의 주요명세, 선박점용이론, 선박의 속력, 선박지휘자의 조선기술과 경험을 항로설계에 반영할 수 있으며, 특히 선박의 운동 및 조종특성에 영향을 주는 외력을 정확하게 반영할 수 있다. 이를 위해 선박조종자의 선박제어와 외력 등에 의해 생성되는 선박의 동적데이터를 분석하기 위해 전기능선박조종시뮬레이터를 이용하였으며, 항로의 적정성과 안전성을 평가하기 위해 점용도와 점용지수를 정의한다. 개발된 항로설계기법을 울산신항개발계획에 적용하였다. 이 계획에서 항로의 폭은 전장의 1.5배 중심교각 57도인 만곡부의 곡률반경은 전장의 5.0배로 설계하였으며, 항로부근에는 SBM이 위치하고 있다. 모델의 적용결과 항로의 폭과 곡률반경은 적절하지만, 대각도 변침과 항로부근에 위치한 SBM에 의해 선박조선상의 어려움이 야기되는 것으로 분석되었다.
항만의 계획 및 개발단계에서 중요한 요소 중 하나는 항로의 설계이다. 대부분의 경우 수심이 확보되어 있는 수역이라면 항로의 설계의 핵심은 항로의 배치와 항로폭의 결정이 될 것이다. 본 연구에서는 가변범퍼영역모델을 이용하여 항로를 설계하고 평가한다 이 모델은 선박의 주요명세, 선박점용이론, 선박의 속력, 선박지휘자의 조선기술과 경험을 항로설계에 반영할 수 있으며, 특히 선박의 운동 및 조종특성에 영향을 주는 외력을 정확하게 반영할 수 있다. 이를 위해 선박조종자의 선박제어와 외력 등에 의해 생성되는 선박의 동적데이터를 분석하기 위해 전기능선박조종시뮬레이터를 이용하였으며, 항로의 적정성과 안전성을 평가하기 위해 점용도와 점용지수를 정의한다. 개발된 항로설계기법을 울산신항개발계획에 적용하였다. 이 계획에서 항로의 폭은 전장의 1.5배 중심교각 57도인 만곡부의 곡률반경은 전장의 5.0배로 설계하였으며, 항로부근에는 SBM이 위치하고 있다. 모델의 적용결과 항로의 폭과 곡률반경은 적절하지만, 대각도 변침과 항로부근에 위치한 SBM에 의해 선박조선상의 어려움이 야기되는 것으로 분석되었다.
To design ship channel is one of important factors for planning and developing a port. In most case, the core factors for designing ship channel are the layout and width of channel provided the net underkeel clearance is secured to be safe enough to pass. In this study, Variable Bumper Area(VBA) mod...
To design ship channel is one of important factors for planning and developing a port. In most case, the core factors for designing ship channel are the layout and width of channel provided the net underkeel clearance is secured to be safe enough to pass. In this study, Variable Bumper Area(VBA) model is applied to design and assess ship channel. This model reflects ship's particular, ship domain theory, ship speed and mariner's ship handling skill and experience, especially external forces which cause leeway, set and drift and the change of ship maneuvering characteristics. A real time, full mission shiphandling simulator is used to analyze ship dynamic data according to mariner's ship control, external forces, ete. This model defines Domain degree and Domain-index for assessing the efficiency and safety of the channel. The proposed model is applied to Ulsan new port plan which has a channel width of 1.5 times the length of the largest vessel, a radius of 5 times the length of the largest vessel in a curve of 57 degree centerline angle and SBM facility adjacent to the lateral edge of channel. The result of this study shows that the width of the channel and radius of channel curve are suitable for the target ship but the difficulty of ship handling is caused by the large course change and SBM located in the vicinity of channel.
To design ship channel is one of important factors for planning and developing a port. In most case, the core factors for designing ship channel are the layout and width of channel provided the net underkeel clearance is secured to be safe enough to pass. In this study, Variable Bumper Area(VBA) model is applied to design and assess ship channel. This model reflects ship's particular, ship domain theory, ship speed and mariner's ship handling skill and experience, especially external forces which cause leeway, set and drift and the change of ship maneuvering characteristics. A real time, full mission shiphandling simulator is used to analyze ship dynamic data according to mariner's ship control, external forces, ete. This model defines Domain degree and Domain-index for assessing the efficiency and safety of the channel. The proposed model is applied to Ulsan new port plan which has a channel width of 1.5 times the length of the largest vessel, a radius of 5 times the length of the largest vessel in a curve of 57 degree centerline angle and SBM facility adjacent to the lateral edge of channel. The result of this study shows that the width of the channel and radius of channel curve are suitable for the target ship but the difficulty of ship handling is caused by the large course change and SBM located in the vicinity of channel.
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문제 정의
본 연구에서는 새로운 항로설계기법을 개발하는 것을 목표로, 기존의 항로설계 방법에서 설계 인자로 제시하였으나 실제적 으 로는 적용하기 매우 곤란했던 것들을 고려할 수 있는 가변 범 퍼영역모델(이하 모델)을 개발한다. 이를 위해 전기 능선 박조 종 시뮬레이터를 이용하여 외력에 의한 영향과 조선 자의 선박 조종 특성을 분석하고, 선박점용이 론을 적용하여 해상교통환경을 고려한다.
본 연구에서는 항로설계에 대한 PIANC 규칙과 설계기준에는 명시되어 있지만 실제적으로 감안하기 불가능하거나 매우 곤란한 설계 인자를 고려하여 항로의 적정성과 안전성을 정량적으로 평가할 수 있는 기법을 제안하였다. 이러한 설계 인자 에는 조종성능과 같은 선박 요인, 외력과 해상교통 특성과 같은 환경요인, 선박 조선 자의 조선 특성과 같은 인적 요인 및 안전을 위한 여유 폭 등이 있다.
가설 설정
- 굴곡부에 대한 항로중심선의 교각은 30도를 넘지 않는 것이 바람직하다. 30도를 넘을 경우 항로 굴곡부의 중심선은 곡률반경이 대상 선박 전장의 4배 이상의 원호가 되어야 한다.
- 폭이 넓고, 수심이 충분할 것
0으로 하여 다음과 같이 정의한다. 선박의 중심에서부터 외력에 의한 선체의 동요와 선박제어에 의한 편각으로 완전히 점용 되는 항과 영역의 끝( W까지의 수역에 대한 점용도 는 1.0, 方점에서부터 선폭(3) 지점까지의 수역에 대한 점용도 는 잠 정적인 충돌 또는 항로이탈로 간주하여 0.9, 가변 범퍼 영역의 끄 c)에서는 0.0, 少+3점에서 c 점 사이의 수역에 대한 점 용도는 선형적으로 감소하는 것으로 가정한다[Fig. 2]
제안 방법
각각의 외력 조건에 대해 입항조선과 출항 조선 실험을 수행하고 가변 범퍼 영역, 점용도 분포와 점용지수를 도출하고 그 결과를 분석한다. [Fig.
선박의 명세에 의해 결정되는 수선면적, 외력에 의한 선체의 동요와 선박제어에 의해 확장된 항과 영역과 선박의 전장과 선 속에 의해 결정되는 범퍼 영역의 합을 가변 범퍼 영역으로 정의한다. 대상 선박의 길이와 폭으로 수선면적을 산정하고, 선박조 종 시뮬레이션의 결과로 외력에 의한 선체의 동요와 선박제어에 의한 확장되는 항과 영역을 산출한다. 해상교통환경 특성을 반영하는 범퍼 영역은 선박의 크기, 선박의 항행 속력, 조선 자의 조선방식 등에 의해 결정된다.
본 연구의 결과 항로 설계시 외력의 방향이 현재 침로나 변침 이후 침로에 대해 정횡으로 작용하는 경우보다는 굴곡부의 중앙에 대해 정횡으로 작용할 때 가변범퍼 영역이 가장 넓게 확장되었으며, 변침 조선이 가장 곤란한 것으로 분석되었다. 또한 선박이 항해할 때 위험물 또는 항로의 경계선과의 이격거리를 점용도를 이용하여 정량적으로 평가할 수 있었으며, 외력 상태의 변화에 대해서는 점용지수를 이용하여 비교평가할 수 있었다.
해상교통환경 특성을 반영하는 범퍼 영역은 선박의 크기, 선박의 항행 속력, 조선 자의 조선방식 등에 의해 결정된다. 범퍼 영역의 크기는 당해 해역의 해상교통조사에 의해 결정되어야 하지만, 본 논문에서는 기존의 자료를 적용하여 일반적으로 교통 밀도가 높고, 소형선박이 많은 수역의 경우 범퍼 영역의 크기를 다음과 같이 적용한다. (IABSE, 1993).
본 모델에서는 대상 선박의 크기와 정적인 외력 특성 뿐만 아니라 외력에 의한 선체 운동 특성, 해상교통류 특성 및 선박 조 선 자의 조종 특성을 고려하여 가변 범퍼 영역을 설정하고, 이 영역 내에서 점용 도와 점용지수를 정의하여 수역시설을 설계하고 정량적으로 평가한다.
항해하는 선박이 유지하는 타선 박과의 항과 거리, 위험물 또는 항로 경계와의 이격거리의 적정성과 안전성을 정량적으로 평가하는 것은 매우 어려운 문제이다. 본 모델에서는 외력과 선박제어로 확장된 항과 면적 및 범퍼 영역으로 가변 범퍼 영역 을 설정하고, 점용 도와 점용지수를 도입하여 항과 거리 또는 이격거리를 정량적으로 평가하고 이를 근거로 항로의 폭과 배치를 계획하고 평가한다.
수립한 모델을 PIANC 규칙 및 설계기준에 적합하게 설계된 울산신항 항로계획에 적용하여 항로의 폭과 배치에 대해 검토하였다. 제3 항로의 폭은 대상 선박에 대한 설계기준에는 충족하지만, 외력이 작용할 경우 대각도 변침 이후에 점용도 0.
수립한 모델을 울산신항 개발계획의 기존 온산항 및 북쪽 신항만 접근항로에 적용하여 항로의 적합성 및 안전성을 평가한다.
이를 위해 전기 능선 박조 종 시뮬레이터를 이용하여 외력에 의한 영향과 조선 자의 선박 조종 특성을 분석하고, 선박점용이 론을 적용하여 해상교통환경을 고려한다. 이를 근거로 가변 범퍼 영역(Variable Bumper Area, VBA)을 설정하고, 선박이 이 영역 내에서 수역을 실제 적으로 점용하는 정도를 정량적으로 나타내는 점용 도(Domain Degree, DD)와 점용지수(Domain Index, DI)를 정의하여, 여러 가지 설계 인자의 변화에 따른 실험 결과를 비교분석하여 항로를 설계하거나 기존의 항로를 평가한다.
본 연구에서는 새로운 항로설계기법을 개발하는 것을 목표로, 기존의 항로설계 방법에서 설계 인자로 제시하였으나 실제적 으 로는 적용하기 매우 곤란했던 것들을 고려할 수 있는 가변 범 퍼영역모델(이하 모델)을 개발한다. 이를 위해 전기 능선 박조 종 시뮬레이터를 이용하여 외력에 의한 영향과 조선 자의 선박 조종 특성을 분석하고, 선박점용이 론을 적용하여 해상교통환경을 고려한다. 이를 근거로 가변 범퍼 영역(Variable Bumper Area, VBA)을 설정하고, 선박이 이 영역 내에서 수역을 실제 적으로 점용하는 정도를 정량적으로 나타내는 점용 도(Domain Degree, DD)와 점용지수(Domain Index, DI)를 정의하여, 여러 가지 설계 인자의 변화에 따른 실험 결과를 비교분석하여 항로를 설계하거나 기존의 항로를 평가한다.
울산신항 개발계획에 의하면 울산 본항 입. 출항을 위한 기존의 울산항 제1 항로를 확장하고, 울산신항 입출항을 위해 기존 온산항 입. 출항 항로를 변경하여 저]3항로로 신설하는 것으로 되어있다(해, 2003).
대상 데이터
실험 선박은 제3항로 설계대상 선박인 2만 톤급 일반화물선 이며, 이 선박의 전장은 193m, 선폭은 21m이다. 실험에서 적용하는 외력의 방향은 각각 제1항로, 제3항로 및 굴곡부 중앙 부에 대해 정횡이며, 외력의 강도는 풍속 25노트, 조류 2.
실험 선박은 제3항로 설계대상 선박인 2만 톤급 일반화물선 이며, 이 선박의 전장은 193m, 선폭은 21m이다. 실험에서 적용하는 외력의 방향은 각각 제1항로, 제3항로 및 굴곡부 중앙 부에 대해 정횡이며, 외력의 강도는 풍속 25노트, 조류 2.7노트 및 파고 1.5미터이고, 선박은 각각의 외력 상황에서 입. 출항하는 시나리오로 설정하였다[Table 2], 당해 수역의 특성을 면밀히 알고 있으며 선박 조종시뮬레이터 사용에 친숙한 선장이 선박 조종 시뮬레이션 실험을 수행하였으며, 실험조건에 따른 결과를 상호비교하기 위해 반 타 변침 조선법(Half-Rudder Turning Maneuvers)을 표준 변침방법으로 선정하였다.
이론/모형
5미터이고, 선박은 각각의 외력 상황에서 입. 출항하는 시나리오로 설정하였다[Table 2], 당해 수역의 특성을 면밀히 알고 있으며 선박 조종시뮬레이터 사용에 친숙한 선장이 선박 조종 시뮬레이션 실험을 수행하였으며, 실험조건에 따른 결과를 상호비교하기 위해 반 타 변침 조선법(Half-Rudder Turning Maneuvers)을 표준 변침방법으로 선정하였다.
성능/효과
(1) 선박의 조종성능은 횡 방향 흐름과 바람에 의해 크게 영향을 받기 때문에 선박의 최소속력을 고려하여 편각이 10-15도를 초과되지 않도록 해야 한다. 그러므로 흐름을 가능한 한 선수에서 받도록 하는 것이 좋다.
(1) 편도항로의 폭은 지역적인 조건과 환경에 따라 대상 선박 의 폭의 4, 8 혹은 10배 범위이며, 일반적으로 항로 폭이 가장 큰 선박의 선폭의 5배 이상으로 한다.
(3) 대각도 변침이 요구되면, 방사형 조선이 이루어지도록 하나의 만곡이 좋다. 방사형 조선을 위해서는 많은 시간의 소 요 없이 위치 확인이 가능하도록 항로표지를 설치한다.
(4) 만곡부는 가장 큰 선박의 길이의 최소한 5배의 곡률반경을 갖추어야 한다.
(5) 만곡부와 만곡부 사이의 중간 직선 항로는 최소한 선박의 길이의 10배이어야 한다.
그러므로 항로를 이용하는 선박이 굴곡부에서 변침할 때 항로 주변에 위치한 원유 부이에 접이 안 하는 선박이나 항로를 횡단하는 소형선박 등에 의해 방해받지 않도록 선박 통항 관제와 같은 적극적인 조치가 필요할 것으로 판단된다. 또한 대각도 변침시 선위 확인이 용이하도록 항해보 조 시설이 요구되지만 모델실험 결과 대각도 변침점 부근에서는 항로의 경계를 나타내는 측방표식은 적절하지 않아 육상에 설치되는 도 등이나 인근 수역에 LANBY와 같은 별개의 항해 지원시설을 고려해야 할 것으로 분석되었다.
본 연구의 결과 항로 설계시 외력의 방향이 현재 침로나 변침 이후 침로에 대해 정횡으로 작용하는 경우보다는 굴곡부의 중앙에 대해 정횡으로 작용할 때 가변범퍼 영역이 가장 넓게 확장되었으며, 변침 조선이 가장 곤란한 것으로 분석되었다. 또한 선박이 항해할 때 위험물 또는 항로의 경계선과의 이격거리를 점용도를 이용하여 정량적으로 평가할 수 있었으며, 외력 상태의 변화에 대해서는 점용지수를 이용하여 비교평가할 수 있었다.
입항하는 선박이 제1 항로에서 저 13 항로를 변침하여 진입할 때, 모든 실험조건에서 점용도 0.5 이상인 영역이 항로의 북측 경계를 넘어서는 것으로 나타났으며, 외력이 저】3 항로에 대해 정횡으로 작용할 때 가장 크게 벗어나는 것으로 나타났다. 그러므로 SK粗원유부이에 계류 중인 선박의 선미가 제3항로 방향으로 향해 있을 경우 선박 조선 자는 위험 감을 크게 느낄 것을 판단된다.
점용지수는 외력이 없을 때에 비해 외력이 제1항로 또는 제 3 항로에 정횡으로 작용할 때 약 20% 정도 증가하였으며, 외력이 굴곡부 중앙부에 대해 정횡으로 작용할 때 27.2%로 최대로 증가하였으며, 출항조선과 입항 조선의 비교에서는 선회곡률반경이 상대적으로 작아지는 출항 조선의 전체평균이 입항 조선에 비해 14.3% 높게 나타났다. 한편 항과 면적도 외력이 작용할 경우 선폭의 2배 이상으로 넓어졌으며 최대 2.
수립한 모델을 PIANC 규칙 및 설계기준에 적합하게 설계된 울산신항 항로계획에 적용하여 항로의 폭과 배치에 대해 검토하였다. 제3 항로의 폭은 대상 선박에 대한 설계기준에는 충족하지만, 외력이 작용할 경우 대각도 변침 이후에 점용도 0.5 이상의 영역이 항로의 대부분을 차지하고, 굴곡부 부근에서는 항로경계선을 벗어났다. 그러므로 항로를 이용하는 선박이 굴곡부에서 변침할 때 항로 주변에 위치한 원유 부이에 접이 안 하는 선박이나 항로를 횡단하는 소형선박 등에 의해 방해받지 않도록 선박 통항 관제와 같은 적극적인 조치가 필요할 것으로 판단된다.
선수방위와 선체 진행 방향의 차이는 외력이 없을 경우 일반상선의 편각 범위인 5~15°의 중앙값인 7~8°로 나타났으며, 외력이 선회 전후의 직선 항로 에 대해 정횡으로 작용할 경우에는 외력이 없을 때에 비해 실험조건에 따라 2~3배 증가하였다. 특히 외력이 굴곡부의 중앙부에 대해 정횡으로 작용하는 경우에 선수방위와 선체 진행 방향의 차이가 가장 크게 나타났다. 이것은 선체 선회운동에서 발생하는 편각과 외력이 동시에 작용하기 때문인 것으로 판단된다.
3% 높게 나타났다. 한편 항과 면적도 외력이 작용할 경우 선폭의 2배 이상으로 넓어졌으며 최대 2.38배 증가하는 것으로 나타났다.
후속연구
5 이상의 영역이 항로의 대부분을 차지하고, 굴곡부 부근에서는 항로경계선을 벗어났다. 그러므로 항로를 이용하는 선박이 굴곡부에서 변침할 때 항로 주변에 위치한 원유 부이에 접이 안 하는 선박이나 항로를 횡단하는 소형선박 등에 의해 방해받지 않도록 선박 통항 관제와 같은 적극적인 조치가 필요할 것으로 판단된다. 또한 대각도 변침시 선위 확인이 용이하도록 항해보 조 시설이 요구되지만 모델실험 결과 대각도 변침점 부근에서는 항로의 경계를 나타내는 측방표식은 적절하지 않아 육상에 설치되는 도 등이나 인근 수역에 LANBY와 같은 별개의 항해 지원시설을 고려해야 할 것으로 분석되었다.
이것은 흐름에 의한 압류(Set and Drift), 바람에 의한 풍압차(Leeway) 및 조타기를 사용할 때 편각 (Drifting Angle)이 발생하기 때문이다. 따라서 수역시설을 설계하고 평가할 때 기초 자료가 되는 선박의 크기인 선폭과 전 장 이외에 외력과 조종에 의한 실제적인 본선의 항과 면적 (Swept Area)을 고려하는 것이 바람직할 것이다. 이것은 외력 이 선박의 진행 방향에 직각으로 작용하는 경우와 변침 과정에서 현저하게 나타나게 된다.
추후 연구에서는 반복 실험을 통해 위험물, 항만시설, 항해지원시설에 대한 일반적으로 허용 가능한 점용도를 산정하고, 해상교통조사를 통해 당해 수역에서의 해상교통 특성을 파악하여 범퍼 영역의 크기를 조정할 필요가 있으며, 선박 조선자의 설문조사를 통해 가변범퍼 영역 내의 점용도를 조정할 필요가 있다.
참고문헌 (5)
한국항만협회 (2000), 항만 및 어항설계기준
해양수산부 (2003), 울산신항 개발계획 정비용역 보고서
IABSE (1993), 'Ship Collision with Bridge'
PIANC(1980), 'International Commission for the Reception of Large Ships', Report of Working Group IV
William C. Webster (9192) 'Shiphandling Simulation Application to Waterway Design'
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