정기적으로 운행하던 여객선 세월호가 소각도 변침 중에 급격히 횡경사되면서 전복하는 사고가 최근 발생하였다. 선박의 횡경사가 발생 원인에 따라 Heel, List, Loll로 구분되어 그 원인에 따라 적절히 대응해야 함에도 불구하고 음의 복원력에 의한 횡경사(Loll)에 대한 항해사들의 인식이 매우 부족하다. 이에 본 연구에서는 음의 복원력에 의한 횡경사에 대한 개념, 발생과정 및 횡경사각 산정법을 고찰하고, 박스형 모형선을 이용한 수조 실험을 통해 실제 횡경사각의 발생과 음의 복원력 정도에 따른 횡경사각의 크기를 이론식과 비교 검증하였다. 그 결과, 실험값은 이론식에 의한 횡경사각 계산값과 잘 일치하였으며, 음의 복원력에 의한 횡경사의 특성으로서 좌현과 우현에서 동일한 각도의 횡경사가 발생하였다. 본 연구를 통하여 음의 복원력을 가진 선박의 거동에 관한 인식이 확대되고 과거 원인이 불명확한 전복사고의 원인분석에 참조되길 기대한다. 향후 음의 복원력에 의한 횡경사에서의 부적절한 대응으로 전개될 수 있는 선박의 거동에 관한 실험연구 및 사례연구가 필요하다고 사료된다.
정기적으로 운행하던 여객선 세월호가 소각도 변침 중에 급격히 횡경사되면서 전복하는 사고가 최근 발생하였다. 선박의 횡경사가 발생 원인에 따라 Heel, List, Loll로 구분되어 그 원인에 따라 적절히 대응해야 함에도 불구하고 음의 복원력에 의한 횡경사(Loll)에 대한 항해사들의 인식이 매우 부족하다. 이에 본 연구에서는 음의 복원력에 의한 횡경사에 대한 개념, 발생과정 및 횡경사각 산정법을 고찰하고, 박스형 모형선을 이용한 수조 실험을 통해 실제 횡경사각의 발생과 음의 복원력 정도에 따른 횡경사각의 크기를 이론식과 비교 검증하였다. 그 결과, 실험값은 이론식에 의한 횡경사각 계산값과 잘 일치하였으며, 음의 복원력에 의한 횡경사의 특성으로서 좌현과 우현에서 동일한 각도의 횡경사가 발생하였다. 본 연구를 통하여 음의 복원력을 가진 선박의 거동에 관한 인식이 확대되고 과거 원인이 불명확한 전복사고의 원인분석에 참조되길 기대한다. 향후 음의 복원력에 의한 횡경사에서의 부적절한 대응으로 전개될 수 있는 선박의 거동에 관한 실험연구 및 사례연구가 필요하다고 사료된다.
Recently, the passenger ship 'Sewol' capsized with an abrupt inclination while she was making a small angle alteration. It is very important to fully understand the concepts, causes and relevant corrections for a ship's transverse inclination, which is classified into heel, list and loll. In this st...
Recently, the passenger ship 'Sewol' capsized with an abrupt inclination while she was making a small angle alteration. It is very important to fully understand the concepts, causes and relevant corrections for a ship's transverse inclination, which is classified into heel, list and loll. In this study, the concept, development and calculation of loll were well considered and the actual magnitude of the angle of loll was simulated in a box-shaped model-ship experiment. The experimental values and its development according to different values of negative stability were compared with calculated values. In the results, experimental values for the angle of loll coincided closely with calculated values and the model inclined symmetrically on both port and starboard sides indicating an outstanding feature of loll. This study is expected to expand the concept of loll and help in the analysis of capsize incidents with unknown causes. Further experimental research or case studies concerning the risk of inappropriate correction for loll arising from misunderstandings will be needed.
Recently, the passenger ship 'Sewol' capsized with an abrupt inclination while she was making a small angle alteration. It is very important to fully understand the concepts, causes and relevant corrections for a ship's transverse inclination, which is classified into heel, list and loll. In this study, the concept, development and calculation of loll were well considered and the actual magnitude of the angle of loll was simulated in a box-shaped model-ship experiment. The experimental values and its development according to different values of negative stability were compared with calculated values. In the results, experimental values for the angle of loll coincided closely with calculated values and the model inclined symmetrically on both port and starboard sides indicating an outstanding feature of loll. This study is expected to expand the concept of loll and help in the analysis of capsize incidents with unknown causes. Further experimental research or case studies concerning the risk of inappropriate correction for loll arising from misunderstandings will be needed.
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문제 정의
본 논문은 출항 직후 인천대교 통과시 및 사고발생 5시간 전에 5° 내지 15°의 갑작스런 횡경사가 발생하여 선내 쓰레기통 등 고박 되지 않은 물품이 넘어졌다는 생존자의 증언과 이 상황에서 선원들이 취하였을 조치에 대한 의문 그리고 선박의 횡경사에 대한 고찰에 기반을 두었다.
이에 본 논문에서는 음의 복원력에 의한 횡경사의 인식확대를 위해 그 발생과정과 거동특성을 이론적으로 고찰하고, 음의 복원력에서 선박이 전복하지 않고 이론과 같이 횡경사가 발생함을 확인하기 위한 모형선 실험을 수행하였다. 이를 통해 음의 복원력의 정도에 따른 횡경사의 크기를 이론식과 비교 검증하였으며, 이때 다른 횡경사와 구별되어 나타나는 선박의 이상거동을 재현하였다.
제안 방법
경사시험으로 무게중심 및 경심높이가 검증된 상태에서 음의 경심높이의 정도를 다르게 구현하여 음의 복원력에 의한 횡경사각을 측정하였다. 두 번째 경사시험과 동일한 배수량에서 모형선의 무게중심만을 상승시킴으로써 음의 경심높이(Case 1)를 형성하고, 이후 모형선 상단에 무게를 추가하여 더 큰 정도의 음의 경심높이(Case 2)를 형성하였다.
경사시험으로 무게중심 및 경심높이가 검증된 상태에서 음의 경심높이의 정도를 다르게 구현하여 음의 복원력에 의한 횡경사각을 측정하였다. 두 번째 경사시험과 동일한 배수량에서 모형선의 무게중심만을 상승시킴으로써 음의 경심높이(Case 1)를 형성하고, 이후 모형선 상단에 무게를 추가하여 더 큰 정도의 음의 경심높이(Case 2)를 형성하였다. 음의 경심높이에서는 경사시험을 수행할 수 없으므로 모멘트 계산법으로 경심높이를 산정하였다.
음의 복원력에 의한 횡경사 이론을 바탕으로 그 발생을 검증하기 위한 모형선 실험을 수행하였다. 모형선은 연직현측공식의 성립조건에 부합하도록 상자 모양으로 제작하였고, 통상적인 상선의 B/T를 반영하여 배수량을 조정하였다. 실험은 외력이 없는 장소에 수조를 두고, 횡경사시 모형선의 흘수 증가량을 고려하여 충분한 깊이의 물을 채움으로써 모형선의 횡경사에 다른 외력이 작용하지 않도록 하였다.
실험에서 관측된 모든 횡경사각은 정밀한 경사계를 이용하여 실시간 측정 후 수렴값을 사용하였다. 모형선 및 실험장비의 명세는 Fig.
실험은 먼저 경사시험으로 모형선의 초기 무게중심을 산정한 후 모멘트 계산법에 의해 음의 경심높이를 구현하여 음의 복원력에 의한 횡경사각을 측정하였다. 실험상세 및 실험결과는 다음과 같다.
모형선은 연직현측공식의 성립조건에 부합하도록 상자 모양으로 제작하였고, 통상적인 상선의 B/T를 반영하여 배수량을 조정하였다. 실험은 외력이 없는 장소에 수조를 두고, 횡경사시 모형선의 흘수 증가량을 고려하여 충분한 깊이의 물을 채움으로써 모형선의 횡경사에 다른 외력이 작용하지 않도록 하였다.
음의 복원력에 의한 횡경사 이론을 바탕으로 그 발생을 검증하기 위한 모형선 실험을 수행하였다. 모형선은 연직현측공식의 성립조건에 부합하도록 상자 모양으로 제작하였고, 통상적인 상선의 B/T를 반영하여 배수량을 조정하였다.
이에 본 논문에서는 음의 복원력에 의한 횡경사의 인식확대를 위해 그 발생과정과 거동특성을 이론적으로 고찰하고, 음의 복원력에서 선박이 전복하지 않고 이론과 같이 횡경사가 발생함을 확인하기 위한 모형선 실험을 수행하였다. 이를 통해 음의 복원력의 정도에 따른 횡경사의 크기를 이론식과 비교 검증하였으며, 이때 다른 횡경사와 구별되어 나타나는 선박의 이상거동을 재현하였다.
첫 번째 경사시험(Test 1)에서의 무게중심을 기초로 배수량 변화 후의 무게중심을 모멘트 계산법으로 산정하였다(KGC = 12.269 cm, GMC = 0.407 cm). 이를 두 번째 경사시험(Test 2)으로 검증한 결과 미소한 차이가 있었으나 이는 모형선의 형상계수 정밀도에서 기인한 차이로 추정되며, 이를 통해 모멘트 계산법만으로도 충분한 정밀도가 확보됨을 확인하였다.
이론/모형
모형선의 초기 무게중심 산정을 위한 경사시험은 비손상 복원력에 관한 국제협약(IS Code, 2008)을 준수하였으며, 모형선의 양 현측 끝단으로 무게추를 이동하여 경사모멘트를 형성하였다. Fig.
두 번째 경사시험과 동일한 배수량에서 모형선의 무게중심만을 상승시킴으로써 음의 경심높이(Case 1)를 형성하고, 이후 모형선 상단에 무게를 추가하여 더 큰 정도의 음의 경심높이(Case 2)를 형성하였다. 음의 경심높이에서는 경사시험을 수행할 수 없으므로 모멘트 계산법으로 경심높이를 산정하였다. 음의 복원력에 의한 횡경사각 측정결과는 Table 3과 같다.
성능/효과
두 번의 실험에서 음의 복원력에 의한 횡경사각 실험값은 이론식에 의한 계산값과 잘 일치하였으며 Fig. 8과 Fig. 9의 그래프에 나타난 바와 같이 좌현과 우현에서 동일한 크기의 횡경사각이 형성되는 특징도 명확하게 확인되었다. 또한 이론식에서 유추할 수 있듯이 음의 복원력에 의한 횡경사각은 음의 경심높이의 정도가 증가함에 따라 그 값도 함께 증가하였다.
또한 음의 복원력에 의한 횡경사 실험에서 최종적으로 수렴한 횡경사각은 계산값과 근접한 약 10.6° 및 15.8°이었으나 횡요시 최대 경사각은 약 16° 및 21°로 관측되었다.
9의 그래프에 나타난 바와 같이 좌현과 우현에서 동일한 크기의 횡경사각이 형성되는 특징도 명확하게 확인되었다. 또한 이론식에서 유추할 수 있듯이 음의 복원력에 의한 횡경사각은 음의 경심높이의 정도가 증가함에 따라 그 값도 함께 증가하였다. 이는 항해경과에 따라 연료소모 등으로 인해 무게중심이 상승하는 실선에서 음의 복원력에 의한 횡경사가 발생할 경우 그 정도가 지속적으로 증가할 것임을 나타낸다.
407 cm). 이를 두 번째 경사시험(Test 2)으로 검증한 결과 미소한 차이가 있었으나 이는 모형선의 형상계수 정밀도에서 기인한 차이로 추정되며, 이를 통해 모멘트 계산법만으로도 충분한 정밀도가 확보됨을 확인하였다.
선박에 발생하는 횡경사 중 음의 복원력에 의해 발생하는 횡경사는 발생 원인을 오인하여 잘못 대응할 시 더 큰 횡경사를 일으킬 수 있는 위험을 가지고 있음에도 불구하고, 음의 복원력에 의한 횡경사의 실제 발생여부와 이때의 위험성 및 대응방법에 대한 인식이 부족하였다. 이에 음의 복원력에 의한 횡경사를 이론적으로 고찰하고 이를 토대로 모형선 실험을 수행한 본 연구에서는 음의 복원력 상태인 모형선이 전복하지 않고 음의 복원력에 의한 횡경사를 형성하는 것과 이론식으로 예측한 횡경사각과 실험에서 측정된 값이 잘 일치함을 검증하였으며, 음의 복원력에 의한 횡경사각의 특징으로서 좌현과 우현에서 동일하게 횡경사각이 발생함을 확인하였다.
후속연구
본 연구에서 기술한 음의 복원력에 의한 횡경사의 발생과 그 특성에 대한 실험결과를 바탕으로 이에 대한 인식 확대와 함께 명확한 원인을 찾아낼 수 없었던 과거 전복사고의 원인분석에 참조가 되기를 기대하며, 예비 항해사 및 현직 항해사를 대상으로 한 음의 복원력에 의한 횡경사 교육에 본 연구결과를 활용할 수 있을 것이다. 이에 더하여 본 연구를 바탕으로 실선에서의 조건을 반영한 연구 및 부적절한 횡경사 대응의 위험성에 대한 후속연구와 사례연구가 필요할 것으로 보이며, 음의 복원력에 의한 횡경사에서의 경심 높이를 이용하여 이때의 복원성, 외방경사 등의 조종성능에 대한 연구를 수행할 수 있을 것이다.
계산값과 실험값의 비교에서 1°미만으로 발생한 근소한 차이는 실험장비의 중량 또는 치수 측정의 정밀도 차이 및 미소한 종·횡경사로 인한 수선면적의 차이로 판단된다. 이를 보다 정밀하게 측정하여 계산에 반영한다면 계산값과 실험값의 차이를 줄일 수 있을 것이다. 그러므로 연직현측공식에서 전제로 하는 직사각형 선형이 아닌 실선에서도 그 선형을 정확히 반영한 복원정 산정식으로부터 음의 복원력에 의한 횡경사각 산정식을 도출한다면 이론식에 의한 값과 실제값이 일치할 수 있을 것이다.
본 연구에서 기술한 음의 복원력에 의한 횡경사의 발생과 그 특성에 대한 실험결과를 바탕으로 이에 대한 인식 확대와 함께 명확한 원인을 찾아낼 수 없었던 과거 전복사고의 원인분석에 참조가 되기를 기대하며, 예비 항해사 및 현직 항해사를 대상으로 한 음의 복원력에 의한 횡경사 교육에 본 연구결과를 활용할 수 있을 것이다. 이에 더하여 본 연구를 바탕으로 실선에서의 조건을 반영한 연구 및 부적절한 횡경사 대응의 위험성에 대한 후속연구와 사례연구가 필요할 것으로 보이며, 음의 복원력에 의한 횡경사에서의 경심 높이를 이용하여 이때의 복원성, 외방경사 등의 조종성능에 대한 연구를 수행할 수 있을 것이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
선박의 횡경사는 무엇으로 구분되는가?
선박의 횡경사는 발생 원인에 따라 Heel, List, Loll로 구분된다. Heel은 파도나 바람 등의 외력에 의한 일시적인 횡경사이며, List는 화물이나 평형수의 불균형한 배치 등으로 인해 무게중심이 선체의 기하학적인 중심선을 벗어날 때 발생하는 횡경사이다.
음의 복원력에 따른 욍경사각의 증가와 양 현에서 동일하게 발생하는 횡경사 특성을 통해 판단할 수 있는 것은?
실험에서 확인된 음의 복원력 정도에 따른 횡경사각의 증가와 양 현에서 동일하게 발생하는 횡경사는 음의 복원력에 의한 횡경사를 구별할 수 있는 중요한 특성이다. 만약 특별한 외력이나 무게중심의 편향이 없음에도 양 현에서 횡경사가 발생하고, 시간경과에 따라 경사각이 증가한다면 항해사는 이를 음의 복원력에 의한 횡경사각으로 판단하고 즉시 무게중심을 낮추는 조치를 취해야 할 것이다.
Heel은 무엇인가?
선박의 횡경사는 발생 원인에 따라 Heel, List, Loll로 구분된다. Heel은 파도나 바람 등의 외력에 의한 일시적인 횡경사이며, List는 화물이나 평형수의 불균형한 배치 등으로 인해 무게중심이 선체의 기하학적인 중심선을 벗어날 때 발생하는 횡경사이다. Loll은 무게중심이 경심 위에 위치하여 발생한 음의 복원력(Negative Stability, - GM)에 의한 횡경사이다(Derrett and Barrass, 2006).
참고문헌 (7)
Derrett, D. R. and Barrass, C. B.(2006), Ship Stability for Masters and Mates (6th Edition), Elsevier Butterworth - Heinemann, pp. 1-280.
IMO(2008), International Code on Intact Stability (IS CODE).
Megel, J. and J. Kliava(2010), Metacenter and ship stability, American Journal of Physics, Vol. 78, No. 7, pp. 738-747.
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