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문제 정의
- 이 연구는 현행 하기 재화중량톤수 기준으로 설정된 부두시설 접안능력을 선박의 조종성과 항만시설의 구조강도 측면에서 재검토하여 합리적인 접안능력 기준을 제시함으로써 항만물류의 효율성을 향상시키기 위하여 수행되었다. 부두시설의 접안능력 조정 가능성을 판단하기 위해서는 먼저, 조정 범위 내의 선박을 대상으로 자연 환경적 요인을 고려하여 접안하중, 접안용도 및 계류 시스템의 안정성과 선박의 최대 동요량 등을 검토하고, 계류된 선박의 외력을 산정하여 부두의 구조 안전성에 대한 평가가 필요하다.
- 이 연구에서 모델 선박은 현재 해당 부두를 이용하는 선박 중 접안능력과 동일하거나 가장 근사한 재화중량톤수를 가지는 선박을 대상으로 하여 개발하였다. 따라서 모델 선박과 선체구조의 차이가 많은 특이한 선박에 이 연구의 결과를 그대로 적용하는 것은 무리가 따른다.
- 적정성에 대한 고려도 필요하다. 이번 연구는 기존 부두에 대해 흘수를 조정하여 입항할 경우 어느 정도 규모의 선박까지 접안이 가능한지를 검토하기 위한 목적으로 수행되었다. 따라서 현재 접안가능 최대선박의 재화중량톤수에 상응하는 배수톤수를 제한조건으로 두고 선박의 크기와 적재상태를 변화시키면서 선박조종, 계류 및 구조 특성의 차이를 비교 .
제안 방법
- 계류 안정성은 선체와 안벽 그리고 계류 로프로 이루어진 하나의 계류 시스템에 파랑, 바람, 조류, 부력 및 초기 장력 등 외력 조건을 가하여 해석하였다. 계류력 해석 시에는 가해진 외력에 따라 계류 시스템에서 선체 평형을 찾는 정적 해석과 파랑에 의한 선체의 동적 거동을 통계적으로 고려하는 주파수 영역에서의 동적 해석 및 외력 조건의 시간에 대한 비선형성을 고려한 시간영역 해석을 모두 수행하였다.
- 조건을 가하여 해석하였다. 계류력 해석 시에는 가해진 외력에 따라 계류 시스템에서 선체 평형을 찾는 정적 해석과 파랑에 의한 선체의 동적 거동을 통계적으로 고려하는 주파수 영역에서의 동적 해석 및 외력 조건의 시간에 대한 비선형성을 고려한 시간영역 해석을 모두 수행하였다.
- 구조 안전성 검토는 선박 조종 시뮬레이션이나 계류 안정성 검토 시와 동일한 선박을 대상으로 외력조건을 변화시켜가며 볼라드 및 계류용 돌핀에 대한 구조해석을 하고, 허용기준과 비교하여 안전성을 평가하였다. 각 케이스별로 표에 나타나 있는 값은 파고 1.
- 구조 안전성은 Fig. 3과 같은 절차에 따라 환경 하중과 각 대상 부두에 계류된 선박에서 발생하는 외력을 구조물에 가하여 해석하고, 허용기준과 비교하여 평가하였다. 돌핀 구조물의 형식에 따라 케이슨 돌핀 구조물은 활동.
- 171, 500톤) 선박을 선정하였다. 그리고 기본 선박 외에 크기가 증대된 선박 2척을 각각 추가로 선정하여 기본선박과 안전성을 비교하였다. 추가로 선정된 선박은 기본 선박에 비해 재화중량톤수는 증가하였으나 적재상태를 조정하여 배수톤수는 기본 선박과 동일하도록 하였다.
- 환경 조건의 경우 바람은 통상 접안조종 허용 한계치인 풍속 26Kts를 입력하였으며, 풍향은 울산항 탁월풍을 고려하여 설정하였다. 그리고 조류는 구역별로 최강창조류를 입력하였다.
- 추가로 선정된 선박은 기본 선박에 비해 재화중량톤수는 증가하였으나 적재상태를 조정하여 배수톤수는 기본 선박과 동일하도록 하였다. 따라서 부두 별로 만재 상태 선박 1 척 및 부분적재상태 선박 2척 등 3척의 선박을 모델링 하여 실시간 또는 수치 시뮬레이션을 수행하고 결과를 비교하였다.
- 이번 연구는 기존 부두에 대해 흘수를 조정하여 입항할 경우 어느 정도 규모의 선박까지 접안이 가능한지를 검토하기 위한 목적으로 수행되었다. 따라서 현재 접안가능 최대선박의 재화중량톤수에 상응하는 배수톤수를 제한조건으로 두고 선박의 크기와 적재상태를 변화시키면서 선박조종, 계류 및 구조 특성의 차이를 비교 . 분석하여 부두 접안능력 조정 가능성을 평가하였다.
- 배수량으로 정의된다. 배수량 31, 300톤인 20, 000 DMT급 유조선을 기본 선박으로 하고, 배수톤수는 동일 하나 부분적재 상태인 25, 000 DWT 및 30, 000 DWT급 선박을 추가로 모델링하여 각 Case 별로 6회씩의 선박 조종 시뮬레이션을 실시하고 그 결과를 비교하였다.
- 9는 150, 000 DWT 및 170, 000 DWT급 선박의 접안 시뮬레이션 항적 합성도 와 제어도 분석값이다. 배수톤수 171, 500톤인 150, 000 DVT급 실험 유조선(만재상태)을 기본 선박으로 하고 배수톤수는 동일하나 부분적재 상태인 160, 000 DVT급 및 170, 000 DWT급 선박을 추가로 모델링하여 시뮬레이션을 실시하고 그 결과롤 비교하였다.
- 7은 40, 000 DWT 및 50, 000 DWT급 선박의 접안 시뮬레이션 항적 합성도 와 제어도 분석값이다. 배수톤수 56, 990톤인 40, 000 DWT급 실험 유조선(만재상태)을 기본 선박으로 하고 배수톤수는 동일하나 부분적재 상태인 45, 000 DWT 급 및 50, 000 DWT급 선박을 추가로 모델링하여 시뮬레이션을 실시하고 그 결과를 비교하였다. 주요 항목에 대한 분석 결과 Table 10과 같이 전체적으로 배수톤수가 동일한 경우 조종성에 유의적인 차이가 없는 것으로 나타났다.
- 따라서 현재 접안가능 최대선박의 재화중량톤수에 상응하는 배수톤수를 제한조건으로 두고 선박의 크기와 적재상태를 변화시키면서 선박조종, 계류 및 구조 특성의 차이를 비교 . 분석하여 부두 접안능력 조정 가능성을 평가하였다.
- 선박은 조종 안전성 검토 시와 동일한 선박을 대상으로 하였으며, 부두, 계류시설 및 계류라인의 배치는 현재의 방식을 그대로 적용하여 모델링하였다. 계류 안정성 해석시 외력 조건으로 조류는 부두 전면의 최강 창.
- 돌핀 구조물의 형식에 따라 케이슨 돌핀 구조물은 활동. 전도에 대한 안정 성과허용 지지력을 검토하고, 말뚝식 돌핀 구조물은 파일의 허용응력, 허용지지력 및 허용인발력과 Deck 단면을 검토하였다.
- 통항 및 접안 안전성 평가는 Table 3과 같은 설계조건에 따라 3개의 샘플 부두(UTT 부두, OTK-North 부두, SK-8 부두) 에 대해 각각 3척의 모델 선박을 이용하여 시뮬레이션을 실시하고 그 결과를 분석하여 수행하였다. 항로와 부두 배치 등 항만 시스템은 현재 상태로 설정하였다.
- 통항 안전성 평가는 대상 수역 통항 시 근접도와 여유제어력, 작업부하, 타작동 및 선체 운동 등의 제 어도를 분석하여 수행하였으며, 접안 안전성은 Fig. 1과 같은 절차에 따라 접안조종 시의 근접도, 접안 시 종. 횡 방향 이동속도 및 접안에너지를 분석하여 평가하였다.
- 항만시스템의 적절성을 판단하기 위한 안전성 평가는 통항 및 접안 안전성과 계류 및 구조 안전성으로 구분하여 검토하였으며, 각 단계별 평가 방법과 절차는 다음과 같다.
- 현행 하기 재화중량톤수 기준으로 설정된 기존 부두시설에 대해 접안능력 조정 가능성을 판단하기 위하여 부두 및 항만시설 설계조건과 자연환경 요인 등을 고려하여 선박조종 시뮬레이션과 계류 및 구조 안전성 해석을 수행하고 다음과 같은 결론을 얻었다.
- 1과 같은 절차에 따라 접안조종 시의 근접도, 접안 시 종. 횡 방향 이동속도 및 접안에너지를 분석하여 평가하였다.
대상 데이터
- 계류 안정성 해석시 외력 조건으로 조류는 부두 전면의 최강 창. 낙조인 유속 0.2Kts, 유향 상대 방위 0도 및 180도를 입력하였다. 그리고 바람과 파랑은 각각 Table 5 및 Table 6과 같이 설정하였다.
- 실험 대상 부두로는 울산항의 OTK-North 부두, UTT 부두 및 SK-8 부두를 선정하였으며, 실험 대상 기본 선박은 각 부두 별로 접안가능 최대 선박인 20, 000 DWT급(배수톤수 31, 300톤), 40, 000 DWT급(배수톤수 56, 990톤) 및 150, 000 DWT급(배수톤수 171, 500톤) 선박을 선정하였다. 그리고 기본 선박 외에 크기가 증대된 선박 2척을 각각 추가로 선정하여 기본선박과 안전성을 비교하였다.
- 항로와 부두 배치 등 항만 시스템은 현재 상태로 설정하였다. 환경 조건의 경우 바람은 통상 접안조종 허용 한계치인 풍속 26Kts를 입력하였으며, 풍향은 울산항 탁월풍을 고려하여 설정하였다. 그리고 조류는 구역별로 최강창조류를 입력하였다.
데이터처리
- 평가요소별 세부 평가항목은 Table 4와 같다. 매 시나리오별로 각각의 세부 평가항목에 대한 기술 통계량을 구한 다음, 부두 별로 선박의 크기에 따른 유의성 검증은 일원배치 분산분석 (one-way ANOVA)을 이용하여 a<0.05 수준에서 판정하였다.
이론/모형
- 해석은 토목. 건축 분야의 범용 구조해석 및 설계용 프로그램인 GT-STRUDL을 이용하여 수행하였다. 구조 안전성 해석시 외력 조건으로 조류는 부두 전면의 최강창조인 유속 0.
- 계류 선박의 수치해석법으로는 다음의 특이점분포법을 적용하였다.
- 계류 안정성 해석은 BV에서 개발한 전용 프로그램인 Ariane-3Dynamic & Hydro-Star Offshore Software를 이용하여 Fig. 2와 같은 절차로 수행하였다.
성능/효과
- 0000。"급 부두는 58, 000 DWT의 실질적인 적재능력을 가지는 배수톤수까지, 그리고 150, 000 DWT급 부두는 190,000 DVT의 실질적인 적재능력을 가지는 배수톤수까지 접안이 가능할 것으로 판단된다.
- 2) 울산항을 대상으로 3개 부두 및 선박을 선정하여 배수톤수는 일정하게 두고 적재상태를 조정하여 재화중량톤수를 단계별로 증가시켜가며 안전성을 비교한 결과, 일정 범위(선박 크기별 13〜50%) 내에서는 선박의 크기와 상관관계가 없는 것으로 나타났다.
- 3) 따라서 항로 폭, 선회장, 선석 길이 및 계류라인의 배치 등에 문제가 없다면 탱커 터미널의 경우는 재화중량톤수 대신에 배수톤수를 적용하여 접안가능 최대선박을 조정할 수 있을 것으로 본다.
- 4) 배수톤수가 동일하도록 적재상태를 조정하여 재화중량톤수 기준으로 선박의 크기를 증가시킬 경우선박 조종이나나 부두시설 구조 안전성에는 거의 영향이 없었으며, 계류 장력과 방충재의 압축력은 선박이 증대될수록 다소 증가하는 경향을 보였다.
- 40,000 DVT급 선박의 계류 안전성에 대한 해석 결과, Table 13과 같이 실질적인 배수톤수는 동일하나 적재상태를 달리하여 재화중량톤수 기준으로 선박의 크기를 25% 정도 증가시킬 경우, 최대계류장력은 파고 1.0m에서는 127.3%, 파고 1.5m에서는 15% 각각 증가하였다. 그리고 방충 재의 동적압축력은 파고 1.
- 6) 선박 조종 시뮬레이션과 계류 및 구조 안정성 해석 결과를 종합하여 판단하면, 현재의 항만시스템과 부두조건하에서적재상태를 조정하여 실질적인 배수톤수를 일정하게 유지한다면 20, 000 DWT급 부두는 50%, 40, 000 DWT급 부두는 25%, 그리고 150, 000 DMT 급 부두는 13% 정도 선박의 크기를 증가시키더라도 안전성에는 문제가 없는 것으로 검토되었다.
- 횡 방향 접안속도와 접안에너지 등도 선박간 통계적인 유의성을 보였으나 앞의 항목과는 달리 선박의 크기가 증가할수록 오히려 감소하였다. 결과적으로 실질적인 배수톤수가 동일한 경우 선박의 크기가 50% 정도 증가하더라도 접안 조종에 미치는 영향은 미미하였다.
- 3% 각각 증가하였다. 그리고 방충 재의 동적압축력은 파고 1.0m에서는 13.1% 증가하였으나 파고 1.5m에서는 오히려 20.3% 감소하였으며, 볼라드의 동적 작용 하중은 선박이 증대될수록 오히려 감소하는 경향을 보였다. 한편, 선체동요량은 선박의 크기에 따라 증가하는 요소와 감소하는 요소가 있었으나 허용기준을 고려할 때 그 차이는 의미가 없는 수준이었다.
- 3% 각각 증가하였다. 그리고 파고 LOm에서 방충재의 동적 압축력은 14.7%, 볼라드의 동적 하중은 44.1% 각각 증가하였다. 한편, 선박 크기에 따른 선체 동요량의 차이는 허용기준을 고려할 때 의미가 없는 수준이었다.
- 말뚝식 돌핀 구조물인 OTK North 부두에 대하여 구조 안전성을 검토한 결과, Table 15에서 보여주는 바와 같이 배수톤수가 동일하다면 유의 파고 1.0m 이하의 조건에서는 재화중량톤수 기준으로 선박의 크기가 50% 정도 증가하여도 안전성에 문제가 없었으며, 오히려 선박의 크기가 증가할수록 응력은 전반적으로 감소하는 경향을 보였다.
- 대한 해석 결과이다. 실질적인 배수톤수가 동일하더라도 선박 크기가 증가할수록 계류 장력 역시 증가하여 재화중량톤수 기준으로 선박의 크기를 13% 정도 증가시킬 경우 최대계류장력은 파고 1.0m에서는 88.7%, 파고 L5m에서는 33.3% 각각 증가하였다. 그리고 파고 LOm에서 방충재의 동적 압축력은 14.
- 실질적인 배수톤수가 동일하도록 적재상태를 조정하며 재화중량톤수 기준으로 선박의 크기를 50% 정도 증가시킬 경우, 최대계류장력은 파고 1.0m에서는 46.2%, 파고 1.5m에서는 13.3% 각각 증가하였다. 그리고 방충 재의 동적압축력은 파고 1.
후속연구
- 구조 안전성 해석 시 외력 조건은 예상 가능한 최대조건을 입력하였으며, 그 작용 방향도 외력의 영향이 가장 크게 반영되도록 설정하였기 때문에 실험 결과에는 어느 정도의 여유를 가지고 있다고 볼 수 있다. 계류 안정성 해석 결과 장주기 파랑이 입사될 때에는 작용 하중과 동요량이 대폭 증가하는 경향을 보이므로 수 분에서 수 시간의 주기를 가지는 부진동이나 장주기의 지진해일 등이 발생할 경우에는 계류 로프 수의 증가 등 계류 안정성을 확보하기 위한 추가의 조치가 필요하다.
- 부두시설의 접안능력 조정 가능성을 판단하기 위해서는 먼저, 조정 범위 내의 선박을 대상으로 자연 환경적 요인을 고려하여 접안하중, 접안용도 및 계류 시스템의 안정성과 선박의 최대 동요량 등을 검토하고, 계류된 선박의 외력을 산정하여 부두의 구조 안전성에 대한 평가가 필요하다. 그리고 여기에 부가하여 선박 통항 및 접안 조종의 안전성에도 문제가 없는지를 종합적으로 검토하여 평가하여야 한다.
- 한편, 이 연구에서 채택한 외력 조건은 과거 울산항의 기상과 해상 자료 기록을 검토하여 추출한 것이므로 이 연구 결과를 타 항만에 준용하는 것에도 한계를 가진다.
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