최근에는 법공학 분야에 구조해석 및 구조-유동 연성해석을 이용한 다양한 시뮬레이션 기법을 활용하여 안전사고 및 재난사고에 대한 법적 책임문제를 해명하고 보다 정확한 원인분석을 통해 원인을 규명하고 있는 추세이다. 본 연구에서는 법공학적 관점에서 DCM(Deep Cement Mixing) 선박의 침몰 사고의 원인을 밝혀내고자 하였다. 사고 선박은 선박 건조 당시 SCP(Sand Compaction Pile) 전용 선박으로 건조되었으며, DCM 선박으로 구조 변경을 위해 안정성 검토 없이 리더부 높이 변경 및 증설을 하였다. 이러한 구조물의 증설 및 변경이 본 침몰 사고에 미치는 영향을 알아내고자 상용 구조 해석프로그램인 ADINA를 이용하여 구조안정성 평가를 수행하였으며, 본 연구를 통하여 구조물의 증설 및 변경에 따른 ADINA 해석 결과를 비교, 분석함으로써 DCM 선박 침몰 사고의 정확한 원인을 밝혀낼 수 있었다.
최근에는 법공학 분야에 구조해석 및 구조-유동 연성해석을 이용한 다양한 시뮬레이션 기법을 활용하여 안전사고 및 재난사고에 대한 법적 책임문제를 해명하고 보다 정확한 원인분석을 통해 원인을 규명하고 있는 추세이다. 본 연구에서는 법공학적 관점에서 DCM(Deep Cement Mixing) 선박의 침몰 사고의 원인을 밝혀내고자 하였다. 사고 선박은 선박 건조 당시 SCP(Sand Compaction Pile) 전용 선박으로 건조되었으며, DCM 선박으로 구조 변경을 위해 안정성 검토 없이 리더부 높이 변경 및 증설을 하였다. 이러한 구조물의 증설 및 변경이 본 침몰 사고에 미치는 영향을 알아내고자 상용 구조 해석프로그램인 ADINA를 이용하여 구조안정성 평가를 수행하였으며, 본 연구를 통하여 구조물의 증설 및 변경에 따른 ADINA 해석 결과를 비교, 분석함으로써 DCM 선박 침몰 사고의 정확한 원인을 밝혀낼 수 있었다.
Recently, a wide variety of simulation techniques such as structure analysis and structure-fluid interaction analysis are being employed in the field of forensic engineering for resolving the problem of legal liability for accidents and disasters. In this study, we performed a forensic engineering i...
Recently, a wide variety of simulation techniques such as structure analysis and structure-fluid interaction analysis are being employed in the field of forensic engineering for resolving the problem of legal liability for accidents and disasters. In this study, we performed a forensic engineering investigation of a sinking accident of a DCM (deep cement mixing) vessel. The accident vessel was built as a dedicated SCP (sand compaction pile) vessel at the time of vessel building, and the DCM vessel was structurally modified, e.g., by increasing the leader height and constructing for leader expansion, without a stability review. To determine the effects of expansion and modification of structures in this sinking accident, structural stability evaluation was performed using commercial software for structural analysis, ADINA software. Through an analysis and comparison of simulation results obtained using ADINA software with the results of the structural modification and expansion, we could determine the exact cause of the sinking accident of the DCM vessel.
Recently, a wide variety of simulation techniques such as structure analysis and structure-fluid interaction analysis are being employed in the field of forensic engineering for resolving the problem of legal liability for accidents and disasters. In this study, we performed a forensic engineering investigation of a sinking accident of a DCM (deep cement mixing) vessel. The accident vessel was built as a dedicated SCP (sand compaction pile) vessel at the time of vessel building, and the DCM vessel was structurally modified, e.g., by increasing the leader height and constructing for leader expansion, without a stability review. To determine the effects of expansion and modification of structures in this sinking accident, structural stability evaluation was performed using commercial software for structural analysis, ADINA software. Through an analysis and comparison of simulation results obtained using ADINA software with the results of the structural modification and expansion, we could determine the exact cause of the sinking accident of the DCM vessel.
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문제 정의
최근에는 이러한 법공학 분야에 다양한 시뮬레이션 기법 등의 공학적 검사법을 활용함으로써 보다 정확한 원인 분석을 통해 사고의 원인을 규명하고 이를 예방하기 위해 각종 제도와 법적 규제에 대한 규격 및 정책을 제안하고 있는 추세이다.(1~6) 본 연구에서는 법공학에서 다루는 내용 중 구조물 증설에 따른 DCM(Deep Cement Mixing) 선박의 침몰 사고 분석에 대해 손상 분석 및 유한요소해석 프로그램인 ADINA 를 이용한 구조 해석을 적용함으로써 사고 선박의 구조안정성및 사고 원인 규명에 관한 연구를 진행하고자 한다.(7~9) 본 연구에서 다룬 DCM 선박은 건조 당시 SCP(Sand Compaction Pile) 전용 선박으로 제작되었다.
이와 같은 선박 구조물의 변경으로 인한 전복 및 침몰 사고는 사고 발생 시 대형 참사를 내재하고 있기 때문에 법공학적인 측면에서 전문화되고 체계적인 사고 조사와 원인 규명을 통해 사전에 예방대책을 마련함으로써 유사 및 동종 재해의 발생을 최소화해야 한다. 따라서 본 연구에서는 ADINA 를 이용하여 DCM 선박의 개조 및 변경 모델에 대해 구조안정성을 비교, 분석함으로써 구조물 변경에 따른 선박 침몰 사고의 정확한 원인을 규명하고 동일 및 유사 형태의 안전사고 예방에 기여하고자 한다.
본 연구에서는 법공학에서 다루는 내용 중 구조물 증설에 따른 DCM 선박의 침몰 사고 분석에 대하여 ADINA를 이용하여 구조 해석을 수행함으로써 원인 규명에 관한 연구를 진행하였다. 사고선박은 도입 이후 구조안정성 평가 없이 리더 높이의 증가, 증설, 공법 변경 등 크게 3 차례 개조, 변경되었으며, 제조한지 28년된 선박으로 구조 검증을 위해 필요한 구조계산서 등의 자료가 남아 있지 않은 상태이었다.
제안 방법
사고선박은 도입 이후 구조안정성 평가 없이 리더 높이의 증가, 증설, 공법 변경 등 크게 3 차례 개조, 변경되었으며, 제조한지 28년된 선박으로 구조 검증을 위해 필요한 구조계산서 등의 자료가 남아 있지 않은 상태이었다. 그에 따라 초기 SCP 전용 선박을 기준으로 개조, 변경 단계에 따른 구조 변경된 상태에 대하여 정성(定性)적인 방법으로 구조안정성 평가를 수행하였다. 그 결과, 현장 조사, 자료 검토, 구조안정성 평가 등 일련의 법공학적 관점에서의 연구를 통하여 사고 선박에 대한 임의 개조, 변경이 사고 당시 선박의 구속 조건 및 기상 악화로 인하여 선체가 심하게 흔들리는 조건에서 구조물의 안정성에 악영향을 줄 수 있음을 알 수 있었으며, 본 침몰 사고에 직접적인 관련성이 있음을 판단하였다.
따라서 이에 관한 사고 관련성을 파악하기 위해 상세 구조 해석을 수행하였으며, 초기 도입 당시와 개조 전∙후 선박 구조물에 대한 구조해석 결과를 Fig. 13 – Fig. 17, Table 4 에 정리하여 나타내었다.
2.2 현장 조사
사고 선박은 선박의 구조물 중 5 열 리더부가 인양된 상태로 인양된 구조물 내역, 최종 개조 후 리더부 구조, 백스테이(backstay)와 리더 연결부 조건 등을 검토하였으며, 인양된 사고 선박의 우측 리더부가 Fig. 3 에서 보듯 최우측 상단 백스테이 메인 빔 부근에서 비틀림 변형이 발생하여 선체 방향으로 심하게 휘어져 소성 변형된 형태가 확인되고, 이로 인한 수평지지대 및 백스테이 연결부 등에서 변형 및 파단 형태가 확인되었다. 백스테이부는 Fig.
구조적 안정성 검토 없이 리더(leader)의 높이 변경, 증설, 공법 변경 등의 구조적 개조가 진행되어 구조물 무게가 2 배 정도 증가하였다. 이러한 구조적 개조가 진행되는 과정에서 구조 변경에 따른 구조 영향 평가는 전혀 이루어지지 않은 상태로 개조 완료 후 해수 바닥 천공 작업을 진행하였고 불안한 양묘(heave in anchor) 및 기상 악화로 인해 관성, 피로 등에 문제가 있음에도 불구하고 무리하게 피항 작업을 진행하다 결국 증설된 리더 구조물이 전도되어 선박이 침몰하여 큰 물적 및 인적 피해를 야기하였다. 이와 같은 선박 구조물의 변경으로 인한 전복 및 침몰 사고는 사고 발생 시 대형 참사를 내재하고 있기 때문에 법공학적인 측면에서 전문화되고 체계적인 사고 조사와 원인 규명을 통해 사전에 예방대책을 마련함으로써 유사 및 동종 재해의 발생을 최소화해야 한다.
첫째, 사고 선박은 초기 리더 60 m의 3열이 설치된 SCP 전용 선박으로 건조되었고, 백스테이 높이는 이에 맞춰 40 m로 설치되었으며, 그 후 부수 장비의 하중 증가에도 불구하고 구조적 안정성 평가 없이, 기존 백스테이를 그대로 사용하여 리더를 85 m로 높이는 개조 작업을 수행하였다. 해석 결과, 백스테이 보강 없이 리더 높이를 증가시킨 것이 구조물의 파단에 악영향을 주었음을 알 수 있다.
대상 데이터
(1~6) 본 연구에서는 법공학에서 다루는 내용 중 구조물 증설에 따른 DCM(Deep Cement Mixing) 선박의 침몰 사고 분석에 대해 손상 분석 및 유한요소해석 프로그램인 ADINA 를 이용한 구조 해석을 적용함으로써 사고 선박의 구조안정성및 사고 원인 규명에 관한 연구를 진행하고자 한다.(7~9) 본 연구에서 다룬 DCM 선박은 건조 당시 SCP(Sand Compaction Pile) 전용 선박으로 제작되었다. 구조적 안정성 검토 없이 리더(leader)의 높이 변경, 증설, 공법 변경 등의 구조적 개조가 진행되어 구조물 무게가 2 배 정도 증가하였다.
사고 DCM 선박은 Fig. 7 에 나타낸 바와 같이, 초기에 리더 60 m 의 3 열이 설치된 SCP 전용 선박으로 건조되었으며, 백스테이 높이는 이에 맞춰 40 m 로 설치되었다. 그 후 사고 선박은 Fig.
사고 현장은 방파제 축조공사현장으로 해상 기상 악화로 사고 선박의 피항 작업 중 선체가 심하게 흔들리면서 전체 리더부가 선체 내부 방향으로 전도되어 침몰사고가 발생하였다. 사고 선박은 중량 2,600 ton, 선령 약 28 년의 DCM 선박으로 방파제 등 축조 공사를 할 때 시멘트로 말뚝을 만들어 연약 지반을 단단히 하는 용도의 선박이며, 초입인도 상태에서 크게 몇 차례에 걸쳐 개조된 선박으로 Fig. 1 과 Fig. 2 에 나타낸 바와 같이, 최종 개조 전체 사진 및 도면은 제시되지 않은 상태이다.
성능/효과
Case 1 과 Case 2 해석 결과를 비교해보면, Case 2가 리더 높이 증가로 인해 최대 응력이 Case 1 에 비해 크게 발생하였음을 알 수 있고, 최대 응력 발생 위치도 리더 높이 증가로 인해 백스테이 좌측 하부 대각지주부에서 실제 파손이 발생한 최우측 리더부로 옮겨진 것으로 보아 백스테이의 보강 없이 리더의 높이를 증가시킨 것이 구조물의 안정성에 악영향을 주었음을 알 수 있다. Case 2 와 Case 3 해석 결과를 비교해보면 Case 3 가 사고 후 백스테이 보강으로 인해 Case 2 에 비해 응력이 작게 발생함을 알 수 있고 최대 응력 발생 위치도 최우측 리더부에서 백스테이 좌측 하부 대각지주부로 옮겨진 것으로 보아 백스테이 보강이 구조물의 안정성에 호의적인 영향을 주었음을 알 수 있다.
Case 1 과 Case 2 해석 결과를 비교해보면, Case 2가 리더 높이 증가로 인해 최대 응력이 Case 1 에 비해 크게 발생하였음을 알 수 있고, 최대 응력 발생 위치도 리더 높이 증가로 인해 백스테이 좌측 하부 대각지주부에서 실제 파손이 발생한 최우측 리더부로 옮겨진 것으로 보아 백스테이의 보강 없이 리더의 높이를 증가시킨 것이 구조물의 안정성에 악영향을 주었음을 알 수 있다. Case 2 와 Case 3 해석 결과를 비교해보면 Case 3 가 사고 후 백스테이 보강으로 인해 Case 2 에 비해 응력이 작게 발생함을 알 수 있고 최대 응력 발생 위치도 최우측 리더부에서 백스테이 좌측 하부 대각지주부로 옮겨진 것으로 보아 백스테이 보강이 구조물의 안정성에 호의적인 영향을 주었음을 알 수 있다. Case 3 와 Case 4 해석 결과를 비교해보면, 최종 개조된 Case 4 가 리더열 추가 및 공법 변경으로 인해 Case 3 에 비해 응력이 크게 발생함을 알 수 있고, 최대 응력의 발생 위치도 백스테이 좌측 하부 대각지주부에서 실제 파손이 발생한 최우측 상단 백스테이 메인붐으로 옮겨진 것으로 보아 백스테이의 보강 없이 리더 열 추가 및 공법 변경으로 무게를 증가시킨 것이 구조물의 파단에 직접적인 영향을 주었으며, 이로 인한 구조물의 파단은 본 침몰 사고와 큰 관련성이 있음을 알 수 있다.
Case 2 와 Case 3 해석 결과를 비교해보면 Case 3 가 사고 후 백스테이 보강으로 인해 Case 2 에 비해 응력이 작게 발생함을 알 수 있고 최대 응력 발생 위치도 최우측 리더부에서 백스테이 좌측 하부 대각지주부로 옮겨진 것으로 보아 백스테이 보강이 구조물의 안정성에 호의적인 영향을 주었음을 알 수 있다. Case 3 와 Case 4 해석 결과를 비교해보면, 최종 개조된 Case 4 가 리더열 추가 및 공법 변경으로 인해 Case 3 에 비해 응력이 크게 발생함을 알 수 있고, 최대 응력의 발생 위치도 백스테이 좌측 하부 대각지주부에서 실제 파손이 발생한 최우측 상단 백스테이 메인붐으로 옮겨진 것으로 보아 백스테이의 보강 없이 리더 열 추가 및 공법 변경으로 무게를 증가시킨 것이 구조물의 파단에 직접적인 영향을 주었으며, 이로 인한 구조물의 파단은 본 침몰 사고와 큰 관련성이 있음을 알 수 있다. 건조 당시 초기 설계도 대비 실제 사고 선박의 경우 하부 백스테이 우측 대각지주가 누락된 상태가 관찰되어 이에 대한 영향을 파악하기 위해 Case 4 와 Case 5 의 해석 결과를 비교해본 결과, 최대 응력 발생 위치는 최우측 상단 백스테이 메인붐으로 유사하나 발생 응력 값은 Case 4 대비 우측 대각지 주를 추가시킨 Case 5 의 경우가 상대적으로 작게 나타나는 것으로 보아 우측 대각지주의 누락이 구조물의 안정성에 악영향을 주었음을 알 수 있다.
(7~9) 본 연구에서 다룬 DCM 선박은 건조 당시 SCP(Sand Compaction Pile) 전용 선박으로 제작되었다. 구조적 안정성 검토 없이 리더(leader)의 높이 변경, 증설, 공법 변경 등의 구조적 개조가 진행되어 구조물 무게가 2 배 정도 증가하였다. 이러한 구조적 개조가 진행되는 과정에서 구조 변경에 따른 구조 영향 평가는 전혀 이루어지지 않은 상태로 개조 완료 후 해수 바닥 천공 작업을 진행하였고 불안한 양묘(heave in anchor) 및 기상 악화로 인해 관성, 피로 등에 문제가 있음에도 불구하고 무리하게 피항 작업을 진행하다 결국 증설된 리더 구조물이 전도되어 선박이 침몰하여 큰 물적 및 인적 피해를 야기하였다.
그에 따라 초기 SCP 전용 선박을 기준으로 개조, 변경 단계에 따른 구조 변경된 상태에 대하여 정성(定性)적인 방법으로 구조안정성 평가를 수행하였다. 그 결과, 현장 조사, 자료 검토, 구조안정성 평가 등 일련의 법공학적 관점에서의 연구를 통하여 사고 선박에 대한 임의 개조, 변경이 사고 당시 선박의 구속 조건 및 기상 악화로 인하여 선체가 심하게 흔들리는 조건에서 구조물의 안정성에 악영향을 줄 수 있음을 알 수 있었으며, 본 침몰 사고에 직접적인 관련성이 있음을 판단하였다. 이러한 동종의 사고 재발을 예방하기 위해서는 해양 건설 선박의 구조 및 용도의 개조, 변경 시에 구조안정성 평가와 관련한 정부 차원에서의 법적, 제도적 장치의 마련이 시급한 것으로 사료된다.
넷째, 건조 당시 초기 설계도 대비 실제 사고선박의 경우 하부 백스테이의 우측 대각지주가 누락된 상태가 관찰되어 그 영향을 파악하기 위해 누락 전∙후의 해석 결과를 비교한 결과, 우측 대 각지주의 누락이 구조물의 안정성에 악영향을 주 었음을 알 수 있다.
다섯째, 리더 높이 추가와 리더열 추가 및 공법 변경 모델의 경우가 가장 큰 응력이 발생하였고, 그 발생 위치는 백스테이 보강 없이 리더 높이를 증가시킨 경우는 최우측 리더부에서 발생하였으며, 리더열을 추가하고 공법 변경으로 무게가 증가된 경우는 최우측 백스테이 메인붐에서 최대 응력이 발생한 것으로 보아 현장 조사, 제시 자료, 해석 결과를 종합적으로 비교 검토해보면 해석 결과와 실제 구조물의 파손 거동이 유사함을 알 수 있다.
셋째, 사고 당시 최종 구조 변경은 작업가능심도 38 m의 SCP 선박을 작업가능심도 72 m의 DCM 선박으로 개조함과 동시에 리더를 85 m의 3열과 80 m의 2열로 개조하는 작업을 수행함으로써 개조 전 약 573.75 ton 대비 개조 후 약 561.4 ton 의 추가 하중이 발생하여 전체 구조물의 무게가 2배 정도 증가하는 결과를 가져왔다. 해석 결과, 백스테이 보강없이 리더 열 추가 및 공법 변경으로 무게를 증가시킨 것이 구조물의 파단에 직접적인 영향을 주었고, 이로 인한 구조물의 파단은 본 침몰 사고와 큰 관련성이 있음을 알 수 있다.
첫째, 사고 선박은 초기 리더 60 m의 3열이 설치된 SCP 전용 선박으로 건조되었고, 백스테이 높이는 이에 맞춰 40 m로 설치되었으며, 그 후 부수 장비의 하중 증가에도 불구하고 구조적 안정성 평가 없이, 기존 백스테이를 그대로 사용하여 리더를 85 m로 높이는 개조 작업을 수행하였다. 해석 결과, 백스테이 보강 없이 리더 높이를 증가시킨 것이 구조물의 파단에 악영향을 주었음을 알 수 있다.
4 ton 의 추가 하중이 발생하여 전체 구조물의 무게가 2배 정도 증가하는 결과를 가져왔다. 해석 결과, 백스테이 보강없이 리더 열 추가 및 공법 변경으로 무게를 증가시킨 것이 구조물의 파단에 직접적인 영향을 주었고, 이로 인한 구조물의 파단은 본 침몰 사고와 큰 관련성이 있음을 알 수 있다.
둘째, 리더 상부가 파손되어 전도되는 사고가 발생한 후 동 사고로 인해 백스테이 상부를 대각 방향으로 일부 보강하는 작업이 수행되었다. 해석 결과, 상부 백스테이 보강이 구조물의 안정성에 호의적인 영향을 주었음을 알 수 있다.
해석 결과를 검토해 보면, Case 2 의 경우와 Case 4 의 경우가 가장 큰 응력이 발생하고, 그 발생 위치는 백스테이 보강 없이 리더의 높이를 증가시킨 Case 2 의 경우는 최우측 리더부에서 발생하였으며, Case 4 의 경우는 최우측 백스테이 메인붐에서 최대 응력이 발생한 것을 알 수 있다. 현장 조사, 제시 자료, 해석 결과를 종합적으로 비교 검토해보면 실제 Case 2 의 경우 최우측 리더부에서 파단이 발생하였으며, Case 4 의 경우도 실제 최우측 상단 백스테이 메인붐에서 파단이 발생한 것으로 보아 해석과 실제 구조물의 파손 거동이 유사함을 알 수 있다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
법공학이란 무엇인가?
공학과 관련된 각종 사고에 관한 법적 문제에 대하여 공학적으로 해명하는 학문 분야인 법공학 (Forensic Engineering)은 기계구조물의 붕괴, 파손, 결함 등으로 인한 사고 발생 시 공학 분야의 전문 적인 지식과 경험을 갖추고 있는 전문가가 법적인 관점에서 문제점을 규명하는 학문이다. 최근에는 이러한 법공학 분야에 다양한 시뮬레이션 기법 등의 공학적 검사법을 활용함으로써 보다 정확한 원인 분석을 통해 사고의 원인을 규명하고 이를 예방하기 위해 각종 제도와 법적 규제에 대한 규격 및 정책을 제안하고 있는 추세이다.
본 연구 대상인 DCM 선박이 침몰된 원인은 무엇인가?
(7~9) 본 연구에서 다룬 DCM 선박은 건조 당시 SCP(Sand Compaction Pile) 전용 선박으로 제작되었다. 구조적 안정성 검토 없이 리더(leader)의 높이 변경, 증설, 공법 변경 등의 구조적 개조가 진행되어 구조물 무게가 2 배 정도 증가하였다. 이러한 구조적 개조가 진행되는 과정에서 구조 변경에 따른 구조 영향 평가는 전혀 이루어지지 않은 상태로 개조 완료후 해수 바닥 천공 작업을 진행하였고 불안한 양묘 (heave in anchor) 및 기상 악화로 인해 관성, 피로 등에 문제가 있음에도 불구하고 무리하게 피항 작업을 진행하다 결국 증설된 리더 구조물이 전도되어 선박이 침몰하여 큰 물적 및 인적 피해를 야기하였다. 이와 같은 선박 구조물의 변경으로 인한 전복 및 침몰 사고는 사고 발생 시 대형 참사를 내재하고 있기 때문에 법공학적인 측면에서 전문화되고 체계적인 사고 조사와 원인 규명을 통해 사전에 예방대책을 마련함으로써 유사 및 동종 재해의 발생을 최소화해야 한다.
최근 법공학분야에 무엇을 활용하여 사고의 원인을 규명하려는 모습을 보이고 있는가?
공학과 관련된 각종 사고에 관한 법적 문제에 대하여 공학적으로 해명하는 학문 분야인 법공학 (Forensic Engineering)은 기계구조물의 붕괴, 파손, 결함 등으로 인한 사고 발생 시 공학 분야의 전문 적인 지식과 경험을 갖추고 있는 전문가가 법적인 관점에서 문제점을 규명하는 학문이다. 최근에는 이러한 법공학 분야에 다양한 시뮬레이션 기법 등의 공학적 검사법을 활용함으로써 보다 정확한 원인 분석을 통해 사고의 원인을 규명하고 이를 예방하기 위해 각종 제도와 법적 규제에 대한 규격 및 정책을 제안하고 있는 추세이다. (1~6) 본 연구에서는 법공학에서 다루는 내용 중 구조물 증설에 따른 DCM(Deep Cement Mixing) 선박의 침몰 사고 분석에 대해 손상 분석 및 유한요소해석 프로그램인 ADINA 를 이용한 구조 해석을 적용함으로써 사고 선박의 구조안정성및 사고 원인 규명에 관한 연구를 진행하고자 한다.
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