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문제 정의
- 본 연구에서는 잠수함과 같은 수중운항체에 의한 해중터널의 충돌거동 및 충돌시 발생하는 에너지 소산 메커니즘과 소 산특성을 평가하기 위하여 해중터널과 수중운항체 충돌 모델을 구성하고 얻어진 해석모델의 적절성을 분석하였다. 구성된 모델링을 바탕으로 충돌해석을 수행하여 수중운항체와 해중터널의 충돌시 발생하는 에너지 소산메커니즘과 소산특성을 평가하였다.
가설 설정
- 본 연구에서 해중터널은 수중운항체와 충돌이 발생하는 부분은 충돌시 발생하는 에너지 소산거동과 국부적인 거동을 파악하기 위하여 상세모델링(Fig. 2(a))을 수행하고 이 상세모델링부분을 지지하고 인접한 구간은 소성변형이 발생하지 않을 것으로 가정하여 터널의 단면특성을 가진 탄성보로 모델링하였다. 해중터널 단면은 기존 연구(Seo et al.
- 여기서, V는 충돌속도이고, DWT는 선박의 재하톤수이다. 잠수함의 경우는 DWT를 산정하기 곤란하므로 DT(배수톤수)의 0.8배인 1,440DWT로 가정하여 충돌력을 산정하였다. 산정된 충돌력은 약 46.
제안 방법
- 본 연구에서는 잠수함과 같은 수중운항체에 의한 해중터널의 충돌거동 및 충돌시 발생하는 에너지 소산 메커니즘과 소 산특성을 평가하기 위하여 해중터널과 수중운항체 충돌 모델을 구성하고 얻어진 해석모델의 적절성을 분석하였다. 구성된 모델링을 바탕으로 충돌해석을 수행하여 수중운항체와 해중터널의 충돌시 발생하는 에너지 소산메커니즘과 소산특성을 평가하였다.
- 그리고 충돌의 영향에 의한 해중터널의 연속적인 거동을 모사하기 위하여 좌우로 각각 1km 구간은 빔(Beam) 요소를 이용하여 탄성모델(Fig. 5)로 모델링하였다.
- 또한 해중터널은 자중의 1.2배와 1.4배의 부력이 작용하는 경우를 고려하여 2Case의 충돌해석을 수행하여 그 차이를 분석하였다.
- 본 연구에서는 해중터널(SFT)과 수중운항체의 충돌시 거동을 평가할 수 있는 모델링 기법을 정립하고 충돌해석을 수행하여 충돌시 발생하는 변형, 부재력 및 충돌에너지 소산관계 등을 분석하였다.
- 이 단면은 내부의 격벽을 가진 원통형이며 내부와 외부는 수밀성을 확보하기 위하여 강판라이너가 설치되어 있다. 상세모델링된 충돌구역은 100m의 구간으로 강재와 콘크리트 복합단면으로 고려되었으며, 내부 라이너 등의 강재는 쉘(Shell)요소, 콘크리트는 솔리드(Solid) 요소를 이용하여 탄 소성 모델로 모델링하였다. 상기 해중터널 해석모델은 선행 연구(Hong et al.
- 상세 모델링된 부분과 탄성보로 모델링된 부분 모두 계류를 통해 지지된다. 이 때 각 외력 작용방향에 따라 계류라인 장력의 변화가 발생하며, 이를 반영한 계류라인의 강도(stiffness)를 산정하였다.
- 3과 같이 고려하였다. 이 때 요소에 발생하는 변형이 규정된 값을 넘으면 해당요소를 소거하여 라이너나 벽체의 파괴에 의한 관통현상을 고려하였다. 이는 수중에서의 수밀성이 대상구조물의 가장 중요한 기능중의 하나이기 때문에 필수적으로 고려해야 할 부분이다.
- 이상화 탄성모델의 해중터널 중량을 상세 탄소성모델의 해중터널 중량과 동일하게 적용시키기 위해서 부력비(B/W) 1.2와 1.4에서의 단위질량을 각각 3,745.8kg/m³과 3210.59kg/m³으로 고려하였다.
- 충돌에 의한 계류라인의 장력(Fig. 10)은 부력비(B/W)에 따른 최초 최대장력이 작용하는 계류라인에 대해서 검토하였다.
- 충돌해석을 효율적으로 수행하기 위하여 충돌시 대변형이 발생하는 수중운항체의 선수 모델은 탄소성 모델, 함미부는 전체 선체의 질량값을 정확하게 나타낼 수 있도록 밀도값을 조정한 강체 모델(Fig. 7)로 고려하였다.
- 2(a))을 수행하고 이 상세모델링부분을 지지하고 인접한 구간은 소성변형이 발생하지 않을 것으로 가정하여 터널의 단면특성을 가진 탄성보로 모델링하였다. 해중터널 단면은 기존 연구(Seo et al., 2013)에서 적용된 형상과 제원을 일부 수정하여 사용하였다.
- 해중터널과 수중충돌체의 충돌은 수평방향에서 정면으로 충돌하는 것으로 고려하였으며, 충돌속도는 1,800톤급 잠수 함의 최대 잠항속도 10.29m/s(Fig. 9)로 적용하였다. 수중충돌체의 부가질량은 잠수함 자중의 1.
- 해중터널은 상시 부력을 받는 것으로 고려하기 위하여 충돌해석시 부력과 같은 상시 하중에 의해 발생하는 충격을 완화시키는 Dynamic Relaxation 해석(Fig. 8)을 수행하여 충돌해석 초기조건으로 고려하였다.
대상 데이터
- 빔(Beam)요소로 이상화된 탄성모델의 단면특성은 콘크리트부의 단면영역을 고려하여 이상화 모델의 단면적과 단면2차모멘트를 Table 3과 같이 적용하였다.
- 현재 우리나라에서 통항하는 최대규모의 수중운항체는 1,800 DT 규모이다. 이의 구조해석모델은 800톤급 연안잠수함에 대한 내부 보강 제원(SSLW, 2004)을 기준으로 1,800DT급에 적용하였다. 800톤급 연안잠수함 내부 보강 제원은 Table 4와 같다.
이론/모형
- , 2012)을 고려하였다. 상기 수중운항체 해석모델은 선행연구(Hong et al., 2014)를 통하여 적용 물성과 해석적 방법 등을 검증하였다.
- 상세모델링된 충돌구역은 100m의 구간으로 강재와 콘크리트 복합단면으로 고려되었으며, 내부 라이너 등의 강재는 쉘(Shell)요소, 콘크리트는 솔리드(Solid) 요소를 이용하여 탄 소성 모델로 모델링하였다. 상기 해중터널 해석모델은 선행 연구(Hong et al., 2014)를 통하여 적용 물성과 해석적 방법 등을 검증하였다.
- 9)로 적용하였다. 수중충돌체의 부가질량은 잠수함 자중의 1.67(일본지반공학회, 1994)을 적용하였다.
성능/효과
- 계류시스템의 탄성변형에 의한 에너지 소산비는 부력비 (B/W) 1.2에서 약 2.86%, 1.4일 때 4.93%로 부력비 (B/W) 변동에 따른 영향은 적은 것으로 나타났다.
- 그에 따른 충돌 손상범위는 부력비(B/W) 1.2일 때 폭 58.85m, 높이 12.36m, 1.4일 때 폭 58.85m, 높이 11.43m로 부력비(B/W) 증가에 따라 충돌 손상범위는 높이 방향으로 다소 감소하였다.
- 15), 최대충돌력의 발생 시점과 지속시간도 비교적 유사하게 나타났다. 따라서 평균충돌력일 경우, 부력비(B/W) 1.2일 때 잠수함에 의한 충돌 종료시점 1.235sec에서 13.6MN, 1.4일 때 충돌 종료시점 1.225sec에서 13.2MN으로 부력비(B/W)의 증가에 따라 약 0.4MN 정도 평균충돌력의 감소를 보였다.
- 18로 내측보다 외측 계류라인의 장력변동이 큰 것으로 검토되었다. 또한 부력비 (B/W) 1.2에 대한 1.4의 초기장력 비는 내측 1.71, 외측 1.709로 유사한 비율을 보이지만 부력비(B/W) 1.2에 대한 1.4의 최대장력 비는 내측 1.11, 외측 1.5로 부력비(B/W)의 증가에 대한 최대장력 증가율은 내측 계류라인에서 다소 둔화됨을 확인하였다.
- 또한 부력비(B/W)가 1.2에서 1.4로 증가할 경우 해중터널의 최대수평변위는 약 40%의 감소를 보이는 것으로 나타났다.
- 또한 잠수함의 탄소성 변형에 의한 에너지 소산비는 부력비(B/W) 1.2에서 약 0.77%, 1.4일 때 0.82%로 부력비(B/W) 증가에 따라 초기 충돌에너지 소산 비율이 증가하였으나, 전체적으로 그 영향은 미비한 것으로 나타났다.
- 분석결과, 충돌이 영향을 미치는 범위는 부력비(B/W)에 의한 계류라인의 장력에 따른 국부적인 손상은 적었으나, 해중터널의 수평변위에는 큰 변동이 나타났다. 현 충돌조건에서 전체 2km구간을 고려하는 경우 전체적인 충돌거동을 나타낼 수 있는 것으로 판단된다.
- 8배인 1,440DWT로 가정하여 충돌력을 산정하였다. 산정된 충돌력은 약 46.86MN으로 이는 강체벽에 충돌하는 평균충돌력으로서 부력비(B/W)가 1.2일 경우 약 29%, 1.4일 경우 약 28.2%정도 수준으로 충돌력의 감소를 보였다. 이는 평균충돌력과 최대 충돌력의 비교이나 최초의 첨두값을 보인후 일정한 충돌력을 보이는 선박의 경우와는 달리 잠수함의 충돌에서는 첨두값이 보이지 않는 비교적 완만한 충돌력 곡선을 보인다.
- 수중운항체의 충돌에너지는 해중터널의 탄소성 변형에 의해 초기 충돌에너지의 대부분이 소산되는 것으로 검토되었다. 특히, 부력비(B/W) 1.
- 최대충돌력은 부력비(B/W)에 관계없이 약 20MN으로 거의 유사하게 발생하였으며(Fig. 15), 최대충돌력의 발생 시점과 지속시간도 비교적 유사하게 나타났다. 따라서 평균충돌력일 경우, 부력비(B/W) 1.
- 최초 충돌시 해중터널의 연속체로서 거동은 약 300∼700m 부근까지 영향을 미치며 시간이 지날수록 충돌의 영향이 좌우로 전파(Fig. 13)되는 것으로 나타났다.
- 충돌부의 수평변위가 최대에 도달할 때 중심으로부터 250m, 550m, 1,050m에서의 수평변위는 부력비(B/W) 1.2의 경우 각각 698mm, 10mm, 65mm, 1.4의 경우 각각 47mm, 12mm, 4mm가 발생하여 약 550m 위치에서는 수평변위 상대적으로 작은 것으로 나타났다.
- 충돌에 의한 해중터널 국부 관입량은 부력비(B/W) 1.2일 때 5.093m, 1.4일 때 5.05m로 부력비(B/W) 증가에 따라 비교적 유사한 관입량을 보였다. 이는 부력비(B/W) 증가에 따른 계류라인의 초기장력 증가와 무관하지 않은 것으로 판단된다.
- 충돌에너지의 대부분은 해중터널의 소성변형에 의해 소산되었으며, 해중터널의 수평변위 수중운항체 모델의 변형에 의한 에너지 소산 기여도는 초기 충돌에너지의 0.9~2.0%로 일반적인 선박충돌에 비해 미미한 것으로 검토되었다. 해중터널의 충돌력은 일반적인 선박충돌력과 상이한 특성을 보여 이의 산정에 대한 연구가 필요한 것으로 판단된다.
- 수중운항체의 충돌에너지는 해중터널의 탄소성 변형에 의해 초기 충돌에너지의 대부분이 소산되는 것으로 검토되었다. 특히, 부력비(B/W) 1.2에서는 초기 충돌에너지의 약 82.4%정도가 해중터널(SFT)의 탄소성 변형에 의해 소산되었으며, 1.4일 경우 약 82%로 부력비(B/W)가 증가하더라도 해중터널의 탄소성 변형에 의한 에너지 소산 비율이 유사함(Fig. 14)을 확인하였다.
후속연구
- 추후에 다양한 충돌조건 및 단면에 대한 충돌거동 평가와 이에 따른 설계하중 및 설계고려 방법에 대한 연구가 필요할 것으로 판단된다.
- 0%로 일반적인 선박충돌에 비해 미미한 것으로 검토되었다. 해중터널의 충돌력은 일반적인 선박충돌력과 상이한 특성을 보여 이의 산정에 대한 연구가 필요한 것으로 판단된다.
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