[논문]국내 연안 카페리 차량 고박 장치 안전성에 관한 연구: 제2부 가속도 예측 방법에 따른 고박 안전도 비교 연구

정준모; 조희상; 이경훈; 이영우

doi:10.5574/ksoe.2016.30.6.451

[국내논문] 국내 연안 카페리 차량 고박 장치 안전성에 관한 연구: 제2부 가속도 예측 방법에 따른 고박 안전도 비교 연구
Study on Structural Safety of Car Securing Equipment of Coastal Carferry: Part II Assessment of Lashing Safety according to Acceleration Prediction Approaches 원문보기

韓國海洋工學會誌 = Journal of ocean engineering and technology, v.30 no.6, 2016년, pp.451 - 457

정준모 (인하대학교 조선해양공학과) , 조희상 (인하대학교 조선해양공학과) , 이경훈 (선박안전기술공단) , 이영우 (선박안전기술공단)

Abstract ▼ AI-Helper

For a carferry with a displacement of 1,633 tonf, a seakeeping analysis-based direct load approach (DLA) was used in Part I of these series, where the final deliverable was the long-term probabilistic acceleration components. In Part II of these series, the tangential acceleration components are explained based on two approaches: a standard called the IMO CSS code and simple formulas with the probable maximum roll and pitch rotations. The subsequent tangential acceleration-induced external force components are also introduced for these two approaches. The lashing strength components were selected from the IMO CSS code. It was assumed that two different vehicles (a car and a truck) were stowed at the most distant locations on the main deck to assume the largest tangential acceleration components and were secured with four steel wires with longitudinal and transverse lashing angles of $45^{\circ}$. Four cases were considered, with different methods for predicting the acceleration components and different tools for the external loads and lashing strengths involved: cases Rule-LS (rule-based maximum probable roll and pitch angles for predicting the acceleration components in conjunction with LashingSafety), DLA-LS (seakeeping-based long-term acceleration components with LashingSafety), CSS-LC (IMO CSS code-based acceleration components using LashCon), and CSS-LS (IMO CSS code-based acceleration components using LashingSafety). In terms of the acceleration and external force components, the CSS-LC and CSS-LS results are more than two times the results of Rule-LS. Thus, when the external forces and lashing strengths are evaluated using CSS-LC and CSS-LS, the truck needs more lashing wires, while Rule-LS and DLA-LS predict that the present lashing configuration is on the safe side.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

본 논문 제1편에서 정의된 두 가지 종류 차량(25톤 트럭(Truck)과 0.91톤 승용차(Car))가 선체 중심선으로부터 선측 방향 최 외측에 배치될 경우에 대하여 가속도, 고박 외력, 고박 강도, 고박 안전도를 비교 평가 하고자 한다. 이를 위하여 승용차와 트럭의 기본제원과 고박 위치를 요약하여 Table 2에 나타내었다.
제1편에서 도출한 DLA기반의 가속도뿐만 아니라, IMO CSS(2011)에서 제시하는 가속도와 선급 규칙 등에서 요구하는 횡 동요각 및 종 동요각을 이용하여 가속도를 분석할 것이다. 힘의 평형에 기반한 고박 강도를 소개하고, IMO CSS에 기반한 고박 강도를 소개하고자 한다. 고박 장치에 작용하는 외력과 고박 강도를 추정하기 위하여 LashCon(DNV, 2003) 및 LashingSafety(Jo et al.

가설 설정

IMO CSS 가속도 계산시 승용차와 트럭의 길이 방향 위치는 각각 “0.4L” 및 “0.6L”, 수직 방향 위치는 “Tween deck”으로 가정하였다(Fig. 1 참조).
x, y, z는 이 국부 좌표계에 관한 위치를 나타내며, 하첨자 1과 2는 각각 차량 고박점과 선체 고박점을 의미한다. 고박 장치는 강철와이어로 가정하였으며, MSL을 110kN으로 가정하였다.
Table 5는 4개 케이스에 대한 고박 강도를 정리하여 나타낸 표이다. 고박 장치의 인장력을 110kN, 마찰 계수를 0.3으로 가정하였다. 모든 케이스에서 고박 강도는 큰 차이가 없다.
본 논문의 제1부에서는 1,633톤급 국내 연안 카페리를 대상 호선으로 결정한 후, 항행 루트 분석을 통한 장기 해상 상태의 수집과 이를 적용한 직접 하중 계산(DLA, Direct load approach)을 통하여 본 호선이 경험하는 장기 가속도 성분을 추정하는 과정에 대하여 설명하였다. 비교적 높은 확률을 가지는 해상 상태를 11개 선정하였으며, 22.5도의 간격을 가지는 파향은 선박과 균일 조우 확률을 가진다고 가정하였다. 주파수 응답 해석을 위한 주파수 선정 과정을 설명하였으며, 2.
F_ry, F_rz는 횡 동요로 인한 수평 방향 및 수직 방향 관성력,F_px, F_pz는 종 동요로 인한 길이 방향 및 수직 방향 관성력이다. 식 (11)에서 수직 방향 외력에는 상하 동요로 인한 가속도가 고려되어야 하나, 본 연구에서는 이를 미소하다고 가정하여 이를 포함하지 않았다.
연근해 항행 조건(Short sea going)을 고려하여 횡 동요각 θr=25˚ 및 종 동요각 θp=5˚를 가정하여 Tr과 Tp를 산정하였다(KR, 2016).

제안 방법

5%의 비교적 작은 횡 동요 감쇠비를 적용하여 주파수 응답 해석을 실시하였다. 198회에 걸친 1시간 시간 응답 해석을 실시하였지만, 초기 불안정성을 제거하기 위하여 3,500초의 해석 시간에 대하여만 장기 가속도 산정에 사용하였다. 운동 성분의 시간 응답 분석으로부터 얻어진 운동 스펙트럼과 주파수 응답 해석에서 얻어진 운동 RAO(Response amplitude operator)의 비교를 통하여 시간 응답 해석의 정량성을 확인할 수 있었다.
강철 와이어 4개가 차량을 고박하는 상황에 대하여 4가지 케이스에 대한 고박 강도를 검토하였다. 4가지 케이스는 동일한 고박 강도 공식을 준용하기 때문에 거의 동일한 강도가 계산되었다.
힘의 평형에 기반한 고박 강도를 소개하고, IMO CSS에 기반한 고박 강도를 소개하고자 한다. 고박 장치에 작용하는 외력과 고박 강도를 추정하기 위하여 LashCon(DNV, 2003) 및 LashingSafety(Jo et al., 2016)를 사용하여 그 결과를 비교 분석하고자 한다.
, 2016)을 사용하였음을 의미한다. 또한 본 논문의 제1편에서 DLA를 통하여 얻은 만재 출항 조건 운동 가속도를 접선 가속도로 변환하여 외력을 산정하였다. 이를 LDA-LS 케이스라 명명하였다.
LDA-LS 케이스에서는 횡 동요각 및 종 동요각을 식 (9) 및 식 (10)의 F_Px 및 F_ry를 이용하여 다시 추정하였다. 마지막으로 IMO CSS 가속도를 사용하여 CSS-LC 케이스 및 CSS-LS케이스를 비교하였다. 여기서 각각 케이스는 LashCon(DNV, 2003)과 LashingSafety(Jo et al.
만재 배수량 1,633톤급 연안 카페리에 0.9톤급 자동차 및 39톤급 트럭이 심각한 접선 가속도를 경험하도록 횡 방향 및 종방향 최외곽에 배치된 상황을 가정하여, 차량에 작용하는 가속도와 외력을 평가하였다. 본 논문의 제1부에서 내항성 해석을 통하여 도출한 만재 출항 조건의 회전 가속도로부터 횡 동요 각도 및 종 동요 각도를 추정하고 이를 이용하여 접선 가속도와 외력를 도출하였다.
9톤급 자동차 및 39톤급 트럭이 심각한 접선 가속도를 경험하도록 횡 방향 및 종방향 최외곽에 배치된 상황을 가정하여, 차량에 작용하는 가속도와 외력을 평가하였다. 본 논문의 제1부에서 내항성 해석을 통하여 도출한 만재 출항 조건의 회전 가속도로부터 횡 동요 각도 및 종 동요 각도를 추정하고 이를 이용하여 접선 가속도와 외력를 도출하였다. 이를 DLA-LS 케이스라 명명하였다.
본 논문의 제1부에서는 1,633톤급 국내 연안 카페리를 대상 호선으로 결정한 후, 항행 루트 분석을 통한 장기 해상 상태의 수집과 이를 적용한 직접 하중 계산(DLA, Direct load approach)을 통하여 본 호선이 경험하는 장기 가속도 성분을 추정하는 과정에 대하여 설명하였다. 비교적 높은 확률을 가지는 해상 상태를 11개 선정하였으며, 22.
두 번째 선급 규칙에 명시된 25도 및 5도 횡 동요각 및 종 동요각을 가정 고려하여 접선 가속도와 외력을 추정하였으며, 이를 Rule-LS 케이스라 정의하였다. 세 번째 IMO CSS에 정의된 접선 가속도에 기반한 외력을 두가지 다른 프로그램(LashCon 및 LashingSafety)을 이용하여 도출하였다. 이를 각각 CCS-LC 및 CCS-LS 케이스라 정의하였다.
제2부에서는 다양한 가속도 추정 방법에 따른 고박 장치에 작용하는 외력을 비교 평가할 것이다. 제1편에서 도출한 DLA기반의 가속도뿐만 아니라, IMO CSS(2011)에서 제시하는 가속도와 선급 규칙 등에서 요구하는 횡 동요각 및 종 동요각을 이용하여 가속도를 분석할 것이다. 힘의 평형에 기반한 고박 강도를 소개하고, IMO CSS에 기반한 고박 강도를 소개하고자 한다.
5도의 간격을 가지는 파향은 선박과 균일 조우 확률을 가진다고 가정하였다. 주파수 응답 해석을 위한 주파수 선정 과정을 설명하였으며, 2.5%의 비교적 작은 횡 동요 감쇠비를 적용하여 주파수 응답 해석을 실시하였다. 198회에 걸친 1시간 시간 응답 해석을 실시하였지만, 초기 불안정성을 제거하기 위하여 3,500초의 해석 시간에 대하여만 장기 가속도 산정에 사용하였다.

이론/모형

마지막으로 IMO CSS 가속도를 사용하여 CSS-LC 케이스 및 CSS-LS케이스를 비교하였다. 여기서 각각 케이스는 LashCon(DNV, 2003)과 LashingSafety(Jo et al., 2016)를 사용하여 계산되었다. IMO CSS 가속도 계산시 승용차와 트럭의 길이 방향 위치는 각각 “0.

성능/효과

가속도 측면에서 Rule-LS는 CCS-LC 및 CCS-LS 케이스 결과와는 큰 차이를 나타냈으며, IMO CCS는 대양을 항해하는 선박에 대한 가속도를 사용하기 때문으로 2배 정도 큰 가속도가 예측되었다. CCS-LC 케이스의 횡 방향 가속도는 CCS-LS 케이스의 횡 방향 가속도와 비교적 의미있는 차이를 보였으며, 이는 f_BGM 적용 방법의 차이에 기인하는 것으로 추정되었다. 따라서 화물에 작용하는 가속도 또는 외력 추정을 위하여 본 연구를 통하여 다음과 같은 잠정적인 결론을 추론할 수 있다.
Rule-LS 케이스 또는 DLA-LS 케이스의 종 방향, 횡 방향, 수직 방향 가속도 성분은 IMO CSS에 기반한 케이스(CSS-LC 또는 CSS-LS) 결과에 비하여 상당히 작음을 확인할 수 있다. IMO CSS가 가속도를 대략 2배 이상 크게 예측하고 있음을 확인할 수 있다.
4도여서 25도와는 큰 차이를 보였으며,따라서 횡 방향 접선 가속도와 횡 방향 외력에서 큰 차이가 있었다. 가속도 측면에서 Rule-LS는 CCS-LC 및 CCS-LS 케이스 결과와는 큰 차이를 나타냈으며, IMO CCS는 대양을 항해하는 선박에 대한 가속도를 사용하기 때문으로 2배 정도 큰 가속도가 예측되었다. CCS-LC 케이스의 횡 방향 가속도는 CCS-LS 케이스의 횡 방향 가속도와 비교적 의미있는 차이를 보였으며, 이는 f_BGM 적용 방법의 차이에 기인하는 것으로 추정되었다.
단, 종 방향 고박 강도의 경우 수직 방향 외력을 사용하기 때문에 케이스 별로 약간의 차이를 보였다. 가정된 고박 상황에 대한 고박 안전도를 평가한 결과 IMO CSS에 기반한 가속도를 사용할 경우 고박 강도가 고박 외력에 비하여 작아서 추가적인 고박이 요구되었지만, Rule-LS 및 DLA-LS 케이스의 경우 현재 상태로도 충분한 고박 강도를 유지할 수 있음을 확인하였다.
선급 규칙에 기반하여 가속도를 추정한 케이스(Rule-LS)의 외력 성분은 DLA 결과(DLA-LS)와 비교적 큰 차이를 나타내고 있음을 확인할 수 있다. 이는 본 논문의 제1편에서 얻은 회전가속도를 이용하여 종 동요각 및 횡 동요각을 재산정했기 때문이다.
198회에 걸친 1시간 시간 응답 해석을 실시하였지만, 초기 불안정성을 제거하기 위하여 3,500초의 해석 시간에 대하여만 장기 가속도 산정에 사용하였다. 운동 성분의 시간 응답 분석으로부터 얻어진 운동 스펙트럼과 주파수 응답 해석에서 얻어진 운동 RAO(Response amplitude operator)의 비교를 통하여 시간 응답 해석의 정량성을 확인할 수 있었다. 최종적으로 가속도 성분의 시간 응답에 대한 파정/파저 집계법과 파정/파저의 확률밀도함수 분석을 통하여 장기 가속도를 추정할 수 있었다.
이는 본 논문의 제1편에서 얻은 회전가속도를 이용하여 종 동요각 및 횡 동요각을 재산정했기 때문이다. 재산정한 횡 동요각 및 종 동요각은 각각 9.4도와 5.4도로서 선급 규칙에서 제공하는 25도의 횡 동요각과는 큰 차이를 보였다.

후속연구

본 연구에서는 DLA를 통하여 도출한 가속도의 장기 분포로부터 극한 가속도를 도출하였지만, 횡 동요 및 종 동요 각도에 대하 통계 분석을 통하여 극한 가속도를 도출하여 비교할 필요가 있을 것으로 사료된다. 또한 수직 방향 외력의 산정시 상하동요에 의한 가속도 성분을 포함하여 외력을 산정하는 것이 좀 더 합리적일 것으로 사료된다. 향후 다양한 선박에 대한 DLA를 통하여 연안 여객선에 적합한 극한 가속도를 제시할 필요가 있을 것으로 사료된다.
본 연구에서는 DLA를 통하여 도출한 가속도의 장기 분포로부터 극한 가속도를 도출하였지만, 횡 동요 및 종 동요 각도에 대하 통계 분석을 통하여 극한 가속도를 도출하여 비교할 필요가 있을 것으로 사료된다. 또한 수직 방향 외력의 산정시 상하동요에 의한 가속도 성분을 포함하여 외력을 산정하는 것이 좀 더 합리적일 것으로 사료된다.
또한 수직 방향 외력의 산정시 상하동요에 의한 가속도 성분을 포함하여 외력을 산정하는 것이 좀 더 합리적일 것으로 사료된다. 향후 다양한 선박에 대한 DLA를 통하여 연안 여객선에 적합한 극한 가속도를 제시할 필요가 있을 것으로 사료된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	화물을 고정하기 위하여 사용된 고박 장치의 안전도는?	화물을 고정하기 위하여 사용된 고박 장치의 안전도는 고박장치의 고박력과 화물에 작용하는 외력(관성력)을 비교하는 간단한 과정이다. 즉, 식 (1)-(3)은 외력(좌항)과 고박 강도(우항)의 비교를 나타내며, Fx, Fy, Mx는 각각 선체 길이 방향 외력, 선체 수평 방향 외력, 선체 길이 방향 축에 관한 전도 모멘트를 나타낸다.
	고박 장치에 대한 외력 상정 시 거리 벡터를 길이로 간주하여도 무방한 이유는?	여기서rx, ry, rz는 직교 좌표계(x, y, z)에 관한 거리 벡터 r의 성분을 의미한다. 외력 성분은 방향성이 존재하기 때문에 거리를 벡터로 표현하는 것이 타당하지만, 외력의 크기를 고박 강도와 비교하는 개념이므로 외력 성분의 방향성은 중요하지 않다. 따라서 거리 벡터를 길이로 간주하여도 무방하다.
	2배 정도 큰 가속도가 예측된 이유는?	4도여서 25도와는 큰 차이를 보였으며,따라서 횡 방향 접선 가속도와 횡 방향 외력에서 큰 차이가 있었다. 가속도 측면에서 Rule-LS는 CCS-LC 및 CCS-LS 케이스 결과와는 큰 차이를 나타냈으며, IMO CCS는 대양을 항해하는 선박에 대한 가속도를 사용하기 때문으로 2배 정도 큰 가속도가 예측되었다. CCS-LC 케이스의 횡 방향 가속도는 CCS-LS 케이스의 횡 방향 가속도와 비교적 의미있는 차이를 보였으며, 이는 fBGM 적용 방법의 차이에 기인하는 것으로 추정되었다.

참고문헌 (5)

International Maritime Organization(IMO), 2011. Code of Safe Practice for Cargo Stowage and Securing.
Jo, H., Choung, J., Lee, K., 2016. Force Equilibrium-Based Safety Assessment System for Cargo Securing of Car Ferries. Proceedings of the 26 th International Ocean and Polar Engineering Conference, Rhodes, Greece.
Ministry of Land, Infrastructure, Transport and Tourism (MLIT), 2015. On Cargo Securig of Ocean-Going RORO ships(in Japanese). [Online] Available at: [Accessed March 2015].
Det Norske Veritas(DNV), 2003. LASHCON IMO User Guide. [Online] Available at: [Accessed September 2015].
Korea Register of Shipping(KR), 2016. Rules for the Classification of Steel Ships Part 7 Ships of Special Service. [Online] Available at: [Accessed September 2016].

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용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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