[논문]빙해지역 일반 운항 및 쇄빙 운항 시의 빙하중 특성 비교 연구

이민우; 권용현; 임채환; 이탁기

doi:10.5574/ksoe.2015.29.1.028

[국내논문] 빙해지역 일반 운항 및 쇄빙 운항 시의 빙하중 특성 비교 연구
A Comparative Study on Ice Load Characteristics between General and Ice-breaking Operations in Ice-covered Waters 원문보기

韓國海洋工學會誌 = Journal of ocean engineering and technology, v.29 no.1, 2015년, pp.28 - 33

이민우 (국립경상대학교, 해양산업연구소) , 권용현 (국립경상대학교, 해양산업연구소) , 임채환 (한국기계연구원) , 이탁기 (국립경상대학교, 해양산업연구소)

Abstract ▼ AI-Helper

The icebreaking research vessel ARAON had her second ice trial in the Arctic Ocean from July 16 to August 12, 2010. In this study, the ice loads measured during the “general” operation and “ice breaking” operation in ice-covered waters were analyzed and compared. Whereas the “general” operation stands for the voyage in the water partially covered by ice, the “ice breaking” operation involved substantial ice floes for the ice breaking performance test. Based on the measured data, comparisons of the relationship between the ship speed and ice load, and between the locations of strain gauges and ice loads were investigated. Peak stresses higher than 20 MPa were found. The longitudinal and vertical correlations between the measurement location and ice load were analyzed, and the probability of peak stress was calculated. As a result, the probability function for higher ice loads during both operation modes was expressed in an exponential and power forms.

Keyword

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 일정 규모 이상의 빙판에 대한 쇄빙시험을 수행하면서 계측된 빙하중의 특성을 분석하고자 하였다. 우리나라 최초의 쇄빙연구선인 아라온호를 이용하여 2010년 8월초 북위 73도부터 78도 사이 알래스카의 북극해 안쪽의 Chukchi해와 Beaufort해 일대에서 4회의 빙판 쇄빙 운항을 통하여 해빙의 재료특성 계측(Choi et al.
본 연구는 2010년 아라온호의 북극항해 시 국부 빙하중을 계측한 자료 중에서 쇄빙 성능 시험과 빙해역을 일반 운항하는 과정에서 계측된 자료를 분석한 것이다. 분석 결과, 다음과 같은 결론을 도출하였다.

제안 방법

빙해역 일반 운항과 쇄빙 운항 시 비교를 위해 빙하중 계측 자료와 본선 운항 자료를 바탕으로 높은 응력 수준이 관심의 대상이므로 계측된 변형률로부터 환산한 응력 값이 20MPa 이상의 비교적 높은 피크 값을 추출하고 이에 대응하는 선속 데이터도 수집하였다. 추출된 피크 값을 중심으로 계측된 응력과 선속과의 관련성을 조사하였고, 선수미 방향과 선체 깊이 방향으로 부착된 변형률 게이지의 위치에 따른 응력의 상관성도 확인하였으며, 응력 수준을 범주화하여 그 발현 확률 특성도 살펴보았다.
빙해역 일반 운항과 쇄빙 운항 시 비교를 위해 빙하중 계측 자료와 본선 운항 자료를 바탕으로 높은 응력 수준이 관심의 대상이므로 계측된 변형률로부터 환산한 응력 값이 20MPa 이상의 비교적 높은 피크 값을 추출하고 이에 대응하는 선속 데이터도 수집하였다. 추출된 피크 값을 중심으로 계측된 응력과 선속과의 관련성을 조사하였고, 선수미 방향과 선체 깊이 방향으로 부착된 변형률 게이지의 위치에 따른 응력의 상관성도 확인하였으며, 응력 수준을 범주화하여 그 발현 확률 특성도 살펴보았다.
따라서 본 연구에서는 계측된 피크 응력들을 개별적인 자료로 취급하여 응력 수준을 10MPa씩 범주를 나누어 그 발현 확률을 구하였으며 Fig. 7에 그 결과를 나타내고 있다.

대상 데이터

참고로 아라온호의 설계흘수는 6,820mm A/B이고, 최대흘수는 7,620mm A/B이다. 그리고 게이지 부착 위치에 사용된 재료는 EH36(항복강도 355MPa)으로 그 두께는 34.5mm이다.

데이터처리

앞서 3장에서 기술한 자료 분석 절차에 의거 정리된 내용을 일반 운항 시 전체 자료(Lee et al., 2014)와 비교하였다. 우선 Fig.

이론/모형

앞 장에서 보고한 빙해역 쇄빙 시 계측된 자료들을 분석하기 위해, 본 연구에서는 아라온호의 최초 항해인 남극항해 시에 쇄빙 성능 및 빙하중 분석을 수행한 러시아 Arctic and Antarctic Research Institute(AARI) 보고서(Likhomanov, 2010)의 자료 분석 절차를 적용하였다. 이 절차에 의하면, 우선 게이지 위치에 따른 계측 값의 변화로부터 위치-계측 값의 상관관계를 파악한 후 특별한 상관관계가 없다고 판단되면, 전체 계측 값을 이용하여 발현 확률을 표현할 수 있는 확률밀도함수를 구하게 된다.

성능/효과

(1) 게이지 위치에 따른 피크 응력을 조사한 결과, 수직 방향으로는 다소 높은 상관성을 가진 것으로 파악되었으나, 매우 높은 상관 수준은 아니었다. 그리고 선수미 방향으로는 일반 운항 시와 같이 쇄빙 운항 시 게이지 위치와 계측된 응력 사이의 상관관계가 약한 수준으로 파악되었다.
(1) 게이지 위치에 따른 피크 응력을 조사한 결과, 수직 방향으로는 다소 높은 상관성을 가진 것으로 파악되었으나, 매우 높은 상관 수준은 아니었다. 그리고 선수미 방향으로는 일반 운항 시와 같이 쇄빙 운항 시 게이지 위치와 계측된 응력 사이의 상관관계가 약한 수준으로 파악되었다. 이는 일반 운항 및 쇄빙 운항 시 특정 위치에 항상 높은 응력 값이 계측되지 않는 것을 의미한다.
그리고 선수미 방향으로는 일반 운항 시와 같이 쇄빙 운항 시 게이지 위치와 계측된 응력 사이의 상관관계가 약한 수준으로 파악되었다. 이는 일반 운항 및 쇄빙 운항 시 특정 위치에 항상 높은 응력 값이 계측되지 않는 것을 의미한다.
(2) 선속에 따른 빙하중을 분석한 결과, 쇄빙 시 최대 빙하중이 계측되는 선속은 일반 운항 시에 비해 다소 낮아졌고 전체적으로는 선속의 변화 범위도 많이 좁아져 있음을 알 수 있다. 쇄빙 운항 시에 일반 운항 시보다 엔진 출력을 다소 높였을 가능성을 고려하면 빙판 쇄빙 시 상당한 저항이 발생하였고 이것이 선속을 저하시켰을 것으로 보인다.
(2) 선속에 따른 빙하중을 분석한 결과, 쇄빙 시 최대 빙하중이 계측되는 선속은 일반 운항 시에 비해 다소 낮아졌고 전체적으로는 선속의 변화 범위도 많이 좁아져 있음을 알 수 있다. 쇄빙 운항 시에 일반 운항 시보다 엔진 출력을 다소 높였을 가능성을 고려하면 빙판 쇄빙 시 상당한 저항이 발생하였고 이것이 선속을 저하시켰을 것으로 보인다.
(3) 빙하중의 최대 피크응력 발현 확률이 일반 운항 시보다 쇄빙 운항 시 확률이 높은 것으로 보아 빙의 밀집도와 상관성이 있을 것으로 추측된다. 하지만, 이에 대해서는 추가적인 분석이 필요한 것으로 판단된다.
(4) 일반 운항 시와 마찬가지로 쇄빙 운항 시 빙하중의 발생확률은 거듭제곱 함수를 이용하는 것이 안전 측면에서 보다 합리적인 결과를 주는 것으로 파악되었다.

후속연구

여기서, 쇄빙 운항 시보다 일반 운항 시에 더 큰 응력이 계측되었는데 이는 빠른 선속이 중요한 요인일 것으로 생각된다. 또한, 빙에 의한 비교적 높은 충격압은 유빙 및 빙의 모서리에 선체가 충돌할 때 나타날 가능성이 높은데, 이러한 경우는 큰 빙판을 대상으로 시험을 수행한 쇄빙 운항 시보다 일반 운항 시에 발생될 가능성이 높을 것이므로 본 계측에서와 같이 일반 운항 시에 보다 높은 값이 계측될 수 있을 것이다.
또한, 일반 운항 시의 빙 밀집도가 4에서 9 사이인 것을 고려하면, 일정 수준 이상의 피크응력 발현빈도가 빙의 밀집도와 어느 정도 관계가 있을 수 있음을 의미한다고 볼 수 있다. 그러나 이 부분도 관련 데이터에 대한 추가적인 분석이 필요하다고 생각된다.
(3) 빙하중의 최대 피크응력 발현 확률이 일반 운항 시보다 쇄빙 운항 시 확률이 높은 것으로 보아 빙의 밀집도와 상관성이 있을 것으로 추측된다. 하지만, 이에 대해서는 추가적인 분석이 필요한 것으로 판단된다.

참고문헌 (9)

Choi, K.S., Lee, C.J., Rim, C.W., Kim, H.S., 2011. Strength Characteristics of Arctic Sea Ice from Ice Field Tests of the Icebreaking Research Vessel ARAON. Journal of the Society of Naval Architects of Korea, 48(3), 254-259.

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Jeong, S.Y., Lee, C.J., 2012. Measurement of Sea Ice Thickness in the Arctic Ocean Using an Electromagnetic Induction Instrument. Journal of the Society of Naval Architects of Korea, 49(2), 189-195.

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Kim, H.S., Lee, C.J., Choi, K.S., Kim, M.C., 2011a. Study on Icebreaking Performance of the Korea Icebreaker ARAON in the Arctic Sea. International Journal of Naval Architecture and Ocean Engineering, 3, 208-215.

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Kim, H.S., Lee, C.J., Jeong, S.Y., Choi, K.S., 2011b. A Study on the Speed Sea Trial on the Ice Field for Ice Breaking Research Vessel "Araon". Journal of the Society of Naval Architects of Korea, 48(5), 421-425.

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Lee, T.K., Kim, T.W., Rim, C.W., Kim, H.S. 2014. A Study on Analysis of Ice Load Measured during the Voyage in the Arctic Sea. Journal of the Society of Naval Architects of Korea, 51(2), 107-113.

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Lee, T.K., Lee, J.H., Rim, C.W., Choi, K.S., 2013. Effects of Ship Speed and Ice Thickness on Local Ice Loads Measured in Arctic Sea. Journal of Ocean Engineering and Technology, 27(5), 82-87.

원문보기 상세보기
Likhomanov, V., 2010. Full-scale Ice Trials of the Korean Research Icebreaker ARAON. Arctic and Antarctic Research Institute Scientific-Technical Report.
St. John, J.W. and Minnick, P.V., 1995. Ice Load Impact Study on the National Science Foundation's Research Vessel Nathaniel B. Palmer. Report No. SSC-376, Ship Structural Committee.
Yang, Y.K., 2012, Sports Statistics Using SPSS Statistics. Yidam-Books: Seoul.

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