The purpose of the present study was to evaluate the safety under extreme environmental conditions and the dynamic safety under service environment conditions, of oceanographic buoy mooring systems consisting of a variety of materials, including chain, wire rope, nylon rope, and polypropylene rope. ...
The purpose of the present study was to evaluate the safety under extreme environmental conditions and the dynamic safety under service environment conditions, of oceanographic buoy mooring systems consisting of a variety of materials, including chain, wire rope, nylon rope, and polypropylene rope. For the static safety assessment of a mooring system, after the calculation of external forces and the division of a mooring system into finite elements, the numerical integral was conducted to yield the elemental static tension until satisfying the geometrical convergence condition. To evaluate the dynamic safety, various processes were considered, including data collection about the anticipated areas for mooring, a determination of the parameters for the interpretation, the interpretation of the dynamic characteristics based on an analytic equation that takes into account the heave motion effect of a buoy hull and a mooring system, and a fatigue analysis of the linear cumulative damage. Based on the analysis results, a supplementary proposal for a wire rope that has a fracture in an actual mooring area was established.
The purpose of the present study was to evaluate the safety under extreme environmental conditions and the dynamic safety under service environment conditions, of oceanographic buoy mooring systems consisting of a variety of materials, including chain, wire rope, nylon rope, and polypropylene rope. For the static safety assessment of a mooring system, after the calculation of external forces and the division of a mooring system into finite elements, the numerical integral was conducted to yield the elemental static tension until satisfying the geometrical convergence condition. To evaluate the dynamic safety, various processes were considered, including data collection about the anticipated areas for mooring, a determination of the parameters for the interpretation, the interpretation of the dynamic characteristics based on an analytic equation that takes into account the heave motion effect of a buoy hull and a mooring system, and a fatigue analysis of the linear cumulative damage. Based on the analysis results, a supplementary proposal for a wire rope that has a fracture in an actual mooring area was established.
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문제 정의
본 논문에서는 기 개발된 해양관측 부이의 역현수식 계류시스템에 대한 정적/동적 안전성 평가를 수행했다. 극한환경조건에서의 극한한계상태 해석법을 통한 정적 안전성 평가, 실제 계류 예정지역의 관측자료를 통한 동적 피로하중을 토대로 해석을 수행함으로써 계류시스템의 역학적 구조 안전성 평가 기법을 확립하고자 하였다.
본 논문에서는 기 개발된 해양관측 부이의 역현수식 계류시스템에 대한 정적/동적 안전성 평가를 수행했다. 극한환경조건에서의 극한한계상태 해석법을 통한 정적 안전성 평가, 실제 계류 예정지역의 관측자료를 통한 동적 피로하중을 토대로 해석을 수행함으로써 계류시스템의 역학적 구조 안전성 평가 기법을 확립하고자 하였다.
본 연구에서는 국내에서 가장 계류 시스템 파손 사고가 많았던 동해 북부(수심 1518 m) 지역에 실제 계류될 선박형 기상관측 부이를 대상으로 구성요소 중 강도상 가장 취약한 와이어로프부를 중심으로 복합재 로프부(나일론, 폴리프로필렌)에 대하여, 극한환경하의 최대외력에 해당하는 정하중에 대한 안전성 해석과 동적 피로하중에 대한 안전성 해석을 수행한다.
본 연구에서는 실해상에 투입되는 선박형 기상관측 부이를 대상으로 부이선체 구조 건전성 평가에 연속하여 계류시스템의 구조건전성 평가 기법을 확립하고자 한다.
가설 설정
조류는 해수면으로부터 선형적으로 분포한다고 가정했으며 설계 환경조건은 Table 3과 같다.
제안 방법
계류시스템에 작용하는 인장력을 계산하기 위해 계류요소를 1m 길이로 분할하고 수치적 적분을 수행했다. 요소에 대한 평형조건을 외삽함으로써 전체시스템의 기하학적 수렴 조건을 계산해 내는 방식의 해석이 진행되었으며, 계류 요소의 연신률과 조류의 효과를 적용했다.
정적 해석을 통해 다양한 재료로 구성되는 계류시스템의 정적해석 기법을 정리하였으며 실제로 계류지역에서 파단이 발생한 계류시스템의 와이어 로프부에 대한 보강안을 도출해 낼 수 있었다. 또한 기존의 계류시스템 해석에서 크게 고려되지 않던 피로손상예측 해석 기법 및 안전성 평가기법을 확립하였다.
인장력 스펙트럼 함수를 계산하기 위한 파라미터값은 Table7과 같으며, 해상상태별 감쇠력, 파도가 기인한 외력 등의 유체력은 부이 선체 구조모델을 통한 포텐셜 이론을 이용하여 계산을 수행하였다. 복합재 로프인 나일론, 폴리프로필렌을 단일 복합재로 이상화하여 와이어 로프와 체결되는 나일론의 물성치를 해석을 위한 파라미터로 사용한다. Table 8은 식 (13)을 통해 계산된 해상상태별 인장력 표준편차와 평균 주파수를 나타낸다.
부이와 무어링 체결부 상단과 앵커와의 체결부에 위치하는 체인의 경우는 충분한 강도상 여유폭이 있기 때문에 체인을 제외한 계류 시스템 요소에 대한 안전성 평가를 수행했다(Table 5 참조). 설계 하중은 준정적해석에 관한 안전율 1.
계류시스템에 작용하는 인장력을 계산하기 위해 계류요소를 1m 길이로 분할하고 수치적 적분을 수행했다. 요소에 대한 평형조건을 외삽함으로써 전체시스템의 기하학적 수렴 조건을 계산해 내는 방식의 해석이 진행되었으며, 계류 요소의 연신률과 조류의 효과를 적용했다.
그러나 장시간 자유수면에서 6자유도운동과 함께 부양하는 부이의 계류시스템의 피로성능 분석에는 활용하기가 곤란하므로, 운동방정식의 시간영역해석을 통해 계류시스템의 동적특성을 해석하는 것이 일반적이나, 본 연구에서는 동적 인장력 해석을 위해 부이선체와 계류시스템의 상하동요 운동 효과가 적용된 해석식(Grosenbaugh and Mark, 1995)을 사용하여 운동특성을 예측한다. 이 결과를 바탕으로 선형누적손상 피로해석 기법을 통해 상하동요운동에 가장 큰 영향을 받는 상단 체인부와 강도상 취약한 와이어 로프부의 피로안전성을 평가한다. 안전성 평가를 위해 사용된 해석식은 수치적 계산기법 및 실험값과의 비교를 통해 정확성이 검증된바 있다((Grosenbaugh and Mark, 1996).
이와 같은 하중 요소들과 정적평형공식을 바탕으로 계류시스템 전체를 유한개의 요소로 분할하고 수치적인 방법으로 부이선체의 표면 계류 조건을 만족할 때까지 반복 적분을 수행하고 계류요소별 작용 인장력을 계산하여 안전성을 평가한다. 구체적인 내용은 4장에 기술한다.
대상 데이터
본 연구에서는 계류예정지인 동해 북부 지역의 해양기상관측 부이의 관측 통계(2008/01/01-2008/09/29) 자료를 바탕으로 Table 6과 같이 풍속별로 이산화된 9개의 해상상태를 구성했다. 스펙트럼 계산을 위해 상용 공학 소프트웨어인 Matlab을 사용했으며 해상상태 별 파고 스펙트럼 Sη(w) 계산을 위해 Generalized piersonmoskowitz 스펙트럼(Pierson and Moskowitz, 1964)을 이용했다.
데이터처리
부이와 무어링 체결부 상단과 앵커와의 체결부에 위치하는 체인의 경우는 충분한 강도상 여유폭이 있기 때문에 체인을 제외한 계류 시스템 요소에 대한 안전성 평가를 수행했다(Table 5 참조). 설계 하중은 준정적해석에 관한 안전율 1.7(DNV, 2004)을 해석된 최대 인장력에 곱하여 계산하였다.
이론/모형
전절에서 기술한 내용들은 극한상태를 고려한 정적 안전성분석에 활용이 가능하다. 그러나 장시간 자유수면에서 6자유도운동과 함께 부양하는 부이의 계류시스템의 피로성능 분석에는 활용하기가 곤란하므로, 운동방정식의 시간영역해석을 통해 계류시스템의 동적특성을 해석하는 것이 일반적이나, 본 연구에서는 동적 인장력 해석을 위해 부이선체와 계류시스템의 상하동요 운동 효과가 적용된 해석식(Grosenbaugh and Mark, 1995)을 사용하여 운동특성을 예측한다. 이 결과를 바탕으로 선형누적손상 피로해석 기법을 통해 상하동요운동에 가장 큰 영향을 받는 상단 체인부와 강도상 취약한 와이어 로프부의 피로안전성을 평가한다.
스펙트럼 계산을 위해 상용 공학 소프트웨어인 Matlab을 사용했으며 해상상태 별 파고 스펙트럼 Sη(w) 계산을 위해 Generalized piersonmoskowitz 스펙트럼(Pierson and Moskowitz, 1964)을 이용했다.
인장력 스펙트럼 함수를 계산하기 위한 파라미터값은 Table7과 같으며, 해상상태별 감쇠력, 파도가 기인한 외력 등의 유체력은 부이 선체 구조모델을 통한 포텐셜 이론을 이용하여 계산을 수행하였다. 복합재 로프인 나일론, 폴리프로필렌을 단일 복합재로 이상화하여 와이어 로프와 체결되는 나일론의 물성치를 해석을 위한 파라미터로 사용한다.
성능/효과
해석결과, 인장력은 수직 하중이 큰 상하부의 체인부에서 급격한 증가를 보였으며 수직 하중이 작은 나일론, 폴리프로필렌로프부에서는 완만한 증가를 보여주고 있다. 또한 시스템 전체에 대해 27%의 연신량을 확인할 수 있었다. 이는 복합재 로프부 자체의 큰 연신률에 기인하며 시스템 전체의 인장력 감소에 큰 도움을 주고 있는 것을 확인 할 수 있었다.
또한 시스템 전체에 대해 27%의 연신량을 확인할 수 있었다. 이는 복합재 로프부 자체의 큰 연신률에 기인하며 시스템 전체의 인장력 감소에 큰 도움을 주고 있는 것을 확인 할 수 있었다. 계류시스템 요소별 작용 인장력은 Table 4와 같다.
해석결과, 인장력은 수직 하중이 큰 상하부의 체인부에서 급격한 증가를 보였으며 수직 하중이 작은 나일론, 폴리프로필렌로프부에서는 완만한 증가를 보여주고 있다. 또한 시스템 전체에 대해 27%의 연신량을 확인할 수 있었다.
후속연구
본 연구를 통해 확립된 부이 계류시스템에 대한 강도 해석기술 및 안전성 평가기법은 표준적이고 타당한 구조설계 기법의 가이드라인으로서 활용될 수 있으리라 판단되며, 사고로 인한 부이의 유실 방지 및 극한설계 관점에서 매우 유용하게 활용될 수 있으리라 판단된다.
계류시스템의 하단부에 위치하는 복합 재료 물질인 나일론과 폴리프로필렌 로프 의 경우 재료적 불확실성이 크기 때문에 정확한 피로 파라미터를 결정할 수 없었고 피로해석을 수행할 수 없었다. 추후 실험을 통한 파라미터 확보를 통해 모든 계류요소에 대한 정확한 피로해석이 가능할 것이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
Inverse-catenary 계류 방식는 어떤 목적으로 사용되는가?
Inverse-catenary 계류 방식은 심해계류를 목적으로 사용되며 나일론, 폴리프로필렌, 와이어로프, 금속제체인 으로 구성되어있다. 특히 나일론, 폴리프로필렌, 와이어로프 등 뛰어난 신축성을 갖는 재질을 채용함으로써 정적하중을 제어하는 데 매우 효과적이다.
Semitaut 계류방식은 무엇으로 구성되었는가?
Semitaut 계류방식은 금속제 체인과 나일론 라인으로 구성되며 중간 수심 환경에 사용된다. 나일론은 상하단의 체인 사이에 위치하게 되며 설계 하중으로 야기되는 나일론의 연신률이 계류시스템의 주요 설계변수이다.
해양 기상관측용 부이의 계류시스템은 3종류로 어떻게 나뉘는가?
* All-chain type mooring
* Semitaut type mooring
* Inverse-Catenary type mooring
참고문헌 (8)
박한일, 신무근 (2003). '한국 연근해 적용을 위한 해양 관측 부이의 특성 분석 연구', 한국해양환경공학회 2003년도 춘계학술대회 논문집, pp 267-273
조규남, 이우섭 (1997). "해양 관측용 부이의 개념 설계 연구", 한국해양공학회지, 제11권, 제4호, pp 205-212
DNV (2004). Position Mooring, Offshore Standard DNVOS-E301
Grosenbaugh and Mark A. (1995). "Designing Oceanographic Surface Mooring to Withstand Fatigue", Journal of Atmospheric and Oceanic Technology, Vol 12, pp 1101-1110
National Data Buoy Center (1989). NDBC Mooring Design Manual
Pierson, W.J. and Moskowitz, L.M. (1964). "A Proposed Spec-Tral form for Fully Developed Wind, Sea, Etc", Journal of Geophysical Research, Vol 69, pp 5181-5190
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