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문제 정의
- 1. 극한 계류 해석은 파랑, 바람, 해류 속도와 방향을 조합한 복합 해양환경조건을 적용해 계류 해석을 수행하고 계류시스템의 안전성을 평가하기 위한 목적으로 수행되며, 온전 조건, 파단 조건 및 민감도 해석의 순서로 진행된다.
- 본 연구는 파랑, 바람, 해류의 크기와 방향을 조합한 복합 해양환경조건을 적용해 해석을 수행한 뒤, 가장 큰 응답이 발생하는 해양환경하중 조합을 찾는 선별 방법을 적용한 극한 계류 해석 절차를 제시하고, 이 해석 절차에 따라 LNG-FSRU의 터렛 계류시스템을 구성하고 있는 체인지름을 증가시키는 방향으로 초기 설계를 수정해나가면서 계류선 설계 장력의 변화를 살펴보고자 하였다. 극한 계류 해석 절차와 결과를 요약하면 다음과 같다.
- 본 연구에서는 보다 안전한 계류시스템을 설계하기 위해 대상 해역에서의 파랑, 바람, 해류 속도와 방향을 조합한 복합 해양환경조건을 적용해 해석을 수행한 뒤, 가장 큰 응답이 발생하는 해양환경하중 조합을 찾는 선별 방법(screening method)을 제시한다
가설 설정
- 다음으로는 온전 조건에 대한 해석 결과 가장 큰 설계 장력이 발생했던 3번 계류선이 파단된 조건을 가정한다. 체인지름이 160 mm일 때 온전 조건인 Fig.
- 극한 계류 해석에서는 대상 해역의 해양환경자료를 바탕으로 크기와 방향을 조합하여 생성한 다양한 해양환경조건에 대해 계류 해석을 수행한 뒤, 가장 큰 응답이 발생하는 해양환경하중 조합을 찾는 선별 방법을 사용한다. 모든 계류선이 온전한 조건에 대해 계류 해석을 수행한 뒤 온전 조건에 대한 해석 결과 가장 큰 설계 장력이 발생했던 계류선이 파단 되는 경우를 가정한다. 온전 조건 및 파단 조건의 안전 계수와 계류선의 설계 장력의 곱이 체인의 최소 파단 하중보다 클 경우, 계류시스템의 안전성을 확보하기 위하여 체인지름을 증가시키는 방향으로 설계를 수정한다.
제안 방법
- (2013)에서 제시한 설계 방법과 절차를 사용했고, 각각 100년 주기의 최대 장력과 50년 설계 수명의 누적 피로를 설계 기준으로 하여 극한한계상태(Ultimate limit state, ULS)와 피로한계상태(Fatigue limit state, FLS) 관점에서의 안전성 평가를 실시했다.
- 22와 계류해석(mooring analysis)을 위한 Ariane 7이다. Hydrostar는 LNG-FSRU의 내항성능을 해석하기 위하여 주파수 영역에서 선형 및 2차 Radiation/diffraction 해석을 수행하며, 6 자유도 운동에 대한 운동응답함수(Response amplitude operator, RAO)와 유체 동역학적 계수(부가 질량 및 감쇠 계수), 1차 및 2차 파랑 하중 등을 계산한다. Ariane7은 Hydrostar 해석 결과를 활용하여 계류시스템에 대한 준정적 해석(quasi-static analysis)을 수행하며, 해양환경 중에 놓여있는 부유식 해양구조물의 오프셋(offset)과 계류선 장력에 대한 시간 영역 시뮬레이션을 수행한다.
- 그리고 해석 결과에 영향을 미칠 수 있는 설계 변수를 파악하여 온전 및 파단 조건에서 민감도 해석(sensitivity analysis)을 수행하고, 그 결과를 바탕으로 초기 설계변수인 체인 지름을 증가시키는 방향으로 설계를 수정하면서 계류선 최대 장력의 변화를 살펴보고자 한다.
- 극한 계류 해석에서는 대상 해역의 해양환경자료를 바탕으로 크기와 방향을 조합하여 생성한 다양한 해양환경조건에 대해 계류 해석을 수행한 뒤, 가장 큰 응답이 발생하는 해양환경하중 조합을 찾는 선별 방법을 사용한다. 모든 계류선이 온전한 조건에 대해 계류 해석을 수행한 뒤 온전 조건에 대한 해석 결과 가장 큰 설계 장력이 발생했던 계류선이 파단 되는 경우를 가정한다.
- 14와 같다. 극한 계류 해석을 수행하기 위해서는 대상 해양구조물의 6 자유도 운동에 대한 RAO, 유체동역학적 계수, 파랑 하중 등의 계산을 선행하여 운동특성을 파악한다. 대상 해양구조물의 운동특성과 대상 해역의 해양환경조건의 특성을 고려하여 계류선의 구성과 배치를 결정한다.
- 0)에 대한 계류해석을 수행하였다. 또한, 계류선 초기인장력에 대한 설계 장력의 민감도 해석을 위하여 초기인장력을 1,670kN을 기준으로 10%씩 감소(1,503 kN)와 증가(1,837 kN)된 조건에서 계류해석을 수행하였다.
- 계류시스템의 설계 변수로는 부유식 해양구조물의 초기 위치, 계류선의 종류 및 개수, 레이아웃, 페어리드와 앵커의 위치, 초기 인장력(pretension) 등이 있다. 본 연구에서는 주요 설계변수 중의 하나인 체인지름을 결정하기 위해 선별 방법을 적용한 극한 계류 해석을 수행하며 그 절차는 Fig. 14와 같다.
- 온전 조건에 대한 계류 해석 결과의 설계 장력이 Table 7에 제시된 안전계수를 만족하는 체인지름을 결정한다. 본 연구에서는 체인지름을 1 mm씩 증가시켜 안전계수를 만족하는 체인지름을 결정하였다. 온전 조건에 대한 극한 계류 해석 결과 가장 큰 최대 장력이 발생하는 계류선을 찾고, 이 계류선이 파단 조건에 대한 계류해석 수행 결과를 파단조건의 안전계수(Table 7)를 만족하는 체인지름을 결정한다.
- 선별된 해양환경하중 조합에 대해서 모든 계류선이 온전 조건에서 뿐만 아니라 계류선의 일부가 파단 조건(1 line missing condition)에서의 안전성을 검토하고, 그 결과를 바탕으로 초기 설계를 수정하는 극한 계류 해석(extreme mooring analysis)를 수행한다
- 모든 계류선이 온전한 조건에 대해 계류 해석을 수행한 뒤 온전 조건에 대한 해석 결과 가장 큰 설계 장력이 발생했던 계류선이 파단 되는 경우를 가정한다. 온전 조건 및 파단 조건의 안전 계수와 계류선의 설계 장력의 곱이 체인의 최소 파단 하중보다 클 경우, 계류시스템의 안전성을 확보하기 위하여 체인지름을 증가시키는 방향으로 설계를 수정한다. 해석 결과에 영향을 미칠 수 있는 설계 변수를 파악하여 온전 및 파단 조건에서 민감도 해석을 수행하고, 온전 조건 및 파단 조건의 안전 계수와 계류선의 설계 장력의 곱이 체인의 최소 파단 하중보다 작아질 때 까지 체인지름을 증가시킨다.
- 제시된 해양환경하중 조합 하에서 온전 조건(Intact condition)에서 계류해석 수행 후 계류선 별 안전성 적합여부를 평가한다. 계류선의 설계 장력(design tension, TD)은 각 시뮬레이션에서 구한 장력 최댓값의 평균과 표준 편차(식 (2), 식 (3))를 이용하여 식 (4)로 결정한다 (BV NR 493, 2012).
- (2010)에서 제시한 대상해역인 북미동부해안 해양환경조건(Table 3)의 파랑, 바람, 해류의 크기에 대하여 파향(H)을 중심으로 풍향(V)의 변화와 주어진 풍향을 중심으로 해류방향(C)을 변화하여 조합한 해양환경조건을 적용하여 계류 해석을 수행하였다. 파랑, 바람, 해류 방향 변화에 따른 극한 계류 해석을 수행하기 위하여 파향은 0°에서 345°까지 15°간격으로 24개 방향, 풍향은 각각의 파향을 기준으로 −45°에서 45°까지 15°간격으로 7개 방향, 해류방향은 각각의 풍향을 기준으로 −30°에서 30°까지 15°간격으로 5개를 변화하여 총 840개의 해양환경 하중 조합을 선정하였다. Table 6에서 #0~4를 보면, 파향은 0°로 정의되고, 풍향은 0°를 기준으로 −45°로 정의된다.
대상 데이터
- Cho, et al. (2010)에서 제시한 대상해역인 북미동부해안 해양환경조건(Table 3)의 파랑, 바람, 해류의 크기에 대하여 파향(H)을 중심으로 풍향(V)의 변화와 주어진 풍향을 중심으로 해류방향(C)을 변화하여 조합한 해양환경조건을 적용하여 계류 해석을 수행하였다. 파랑, 바람, 해류 방향 변화에 따른 극한 계류 해석을 수행하기 위하여 파향은 0°에서 345°까지 15°간격으로 24개 방향, 풍향은 각각의 파향을 기준으로 −45°에서 45°까지 15°간격으로 7개 방향, 해류방향은 각각의 풍향을 기준으로 −30°에서 30°까지 15°간격으로 5개를 변화하여 총 840개의 해양환경 하중 조합을 선정하였다.
- LNG-FSRU는 LNG의 적하역시 비교적 가혹한 해양환경조건에 놓여있더라도 Weather-vaning을 통해 안전을 확보하기 위해서 터렛 계류시스템을 적용하고 있다. LNG-FSRU에 설치된 터렛은 수평 방향 무게중심으로부터 선수 방향으로 0.45LPP만큼 떨어진 지점에 위치하고, 터렛 페어리더(fairlead)에는 총 9개의 계류선이 연결되어 있다. Fig.
- 온전 조건 및 파단 조건에서는 모든 해양환경하중 조합(#0~839)에 대해 각 10회의 시뮬레이션을 수행한다. 민감도 해석에서는 전체 해석 조건 중에서 가장 큰 하중을 발생시키는 상위 30개의 해양환경 하중 조합에 대해 각 30회의 시뮬레이션을 수행하였다.
- 본 연구에 사용된 소프트웨어는 내항성능해석(seakeeping analysis)을 위한 Hydrostar v7.22와 계류해석(mooring analysis)을 위한 Ariane 7이다. Hydrostar는 LNG-FSRU의 내항성능을 해석하기 위하여 주파수 영역에서 선형 및 2차 Radiation/diffraction 해석을 수행하며, 6 자유도 운동에 대한 운동응답함수(Response amplitude operator, RAO)와 유체 동역학적 계수(부가 질량 및 감쇠 계수), 1차 및 2차 파랑 하중 등을 계산한다.
- 운동 해석에 사용된 파 주파수 영역은 0.05 rad/s부터 2.0 rad/s까지 0.05 rad/s 간격으로 총 40개이고, 파향은 0°에서 180°까지 30° 간격으로 총 7개이다. 횡동요(roll) 운동 감쇠계수는 임계 감쇠 계수의 7%를 적용하였다.
- (2010)으로부터 인용하였다. 운동 해석을 위해 생성한 격자의 개수는 2046개이고, 이 격자계(Fig. 1)의 배수량은 200,028 ton으로 실선 배수량과의 오차가 0.
데이터처리
- Fig. 14에서 제시한 극한 계류 해석 절차를 적용하여 온전 조건, 파단조건, 민감도해석 순서로 해석을 수행하였다.
- LNG-FSRU의 파향 0°와 45° 조건에서 횡동요, 상하요, 종동요 운동해석 결과를 모형실험 결과 (Lee, et al., 2010)를 비교 검증하였다. 횡동요(roll) 임계 감쇠 계수의 7%의 운동 감쇠계수를적용한 해석 결과가 모형실험 결과보다는 다소 작게 나타났지만, 전반적으로 실험결과와 유사한 결과를 얻을 수 있었다(Fig.
- a는 시뮬레이션 횟수에 따른 보정 계수이다. 동일한 해양환경조건에서 여러 회 시뮬레이션을 수행하는 이유는 JONSWAP 스펙트럼에 여러 파 위상(random wave phase)을 적용하여 불규칙파랑의 시간이력에 대한 계류선 장력의 최댓값의 변화를 구현하였다. 온전 및 파단 조건을 적용한 극한 계류 해석에서는 10회 시뮬레이션에 대한 보정 계수 0.
- 일정한 설계파고(Table 3)에서 해상상태의 변화에 대한 설계장력의 민감도를 평가하기 위하여 JONSWAP 스펙트럼에 세 개의 파랑 첨두 주기(12.1s, 14.2s, 16.3s), 세 개의 첨예도 계수(2.0, 2.5, 3.0)에 대한 계류해석을 수행하였다. 또한, 계류선 초기인장력에 대한 설계 장력의 민감도 해석을 위하여 초기인장력을 1,670kN을 기준으로 10%씩 감소(1,503 kN)와 증가(1,837 kN)된 조건에서 계류해석을 수행하였다.
이론/모형
- 계류 해석을 위해 Cho, et al. (2010)에서 모형실험과 수치해석에 사용한 해양환경조건을 참고하였다. Table 3은 북미 동부해안(North America east coast)에서 수심 192 m인 해역에 파랑, 바람, 해류가 함께 존재하는 복합 해양환경조건이다.
- BV Rule Note NR 493 (2012)에서 제안하는 파향과 풍향의 상대각도 변화에 따른 풍속을 보정하기 위하여, 감소 지수(reduction factor, qv)를 식 (1)과 같이 제시한다. 정의된 해양환경하중 조합의 풍속에 BV Rule Note NR 493 (2012)에서 제시한 0.9qv (intensity of the elements)를 곱한 결과를 계류해석에 이용한다(Table 6).
- 해류속도는 제시된 해양환경조건의 해류속도에 0.5(intensity of the elements)를 곱한 결과를 계류해석에 이용한다 (BV Rule Note NR 493, 2012).
성능/효과
- Fig. 2는 3개의 계류선이 2° 간격으로 배치되어 1개의 다발을 이루고, 3개의 다발이 120° 간격으로 배치되는 계류 레이아웃(mooring layout)을 나타낸다. 전체 계류선의 배치와 제원은 Cho, et al.
- Table 3Metocean data for North America east coast
- Table 4Metocean condition
- 해양환경의 영향을 받는 부유체의 운동이 계류선의 거동에 미치는 영향은 고려하지만, 계류선의 거동이 부유체의 운동에 미치는 영향은 포함하지 않았다. 광범위한 설계조건별 계류선 성능 해석을 위해서는 해석 시간이 짧은 Ariane과 같은 준정적 해석 방법이 효율적으로 판단된다. 본 연구에서 제안한 준정적조건에서 계류선 설계장력에 대한 극한 해양환경조건 선별과 민감도 해석기법을 계류선 동적 거동과 부유체 운동의 연성을 고려한 계류선 설계장력 등의 연구로 확대하고, 부유체 계류시스템 성능 검증에 활용될 수 있을 것으로 기대된다.
- 또한, 파랑 첨두 주기를 15%씩 증감시킴에 따라 계류선의 안전 계수가 절반 또는 두 배로 변화하므로, 파랑 첨두 주기에 대한 민감도가 크다고 할 수 있다. 대상 해역에서의 JONSWAP 스펙트럼의 첨예도 계수 γ를 2.5에서 2와 3으로 각각 변화시키고, 계류선의 초기 인장력을 1,670 kN을 기준으로 10%씩 감소(1,503 kN) 또는 증가(1,837 kN) 시키며 민감도 해석을 수행한 결과, 해석 결과에 대한 두 변수의 영향은 크지 않음을 확인할 수 있었다.
- 체인지름이 증가할수록 최소 파단 하중도 증가하므로, 최소 파단 하중에 각 조건에 대한 안전 계수를 고려한 허용 하중도 증가한다. 또한, 체인지름이 증가할수록 탄성 계수는 감소해서 계류선에 발생하는 설계 장력은 감소하므로 계류선의 안전성을 확보할 수 있게 된다.
- 따라서 온전 조건에서는 안전 계수와 계류선의 설계 장력의 곱이 최소 파단 하중보다 작지만, 파단 조건에서는 최소 파단 하중보다 크므로 체인지름을 168 mm까지 증가시켜야 한다. 민감도 해석 결과 JONSWAP 스펙트럼의 첨예도 계수와 계류선의 초기 인장력에 대한 민감도는 크지 않은 것으로 판단되었으나, 파랑 첨두 주기에 대한 민감도는 큰 것으로 판단되었다. 파단 조건에서 파랑 첨두 주기를 감소시켰을 때 안전 계수와 계류선의 설계 장력의 곱이 최소 파단 하중보다 크므로, 체인지름을 증가시켜야 한다.
- 4. 초기 체인지름은 152 mm 이었으나, 극한 계류 해석 절차를 통해 최종 체인지름은 172 mm로 결정되었다.
- Ariane을 활용한 계류 해석은 계류선의 동적 거동과 해류 수직방향 유속 분포 영향을 포함하지 않는다. 해양환경의 영향을 받는 부유체의 운동이 계류선의 거동에 미치는 영향은 고려하지만, 계류선의 거동이 부유체의 운동에 미치는 영향은 포함하지 않았다. 광범위한 설계조건별 계류선 성능 해석을 위해서는 해석 시간이 짧은 Ariane과 같은 준정적 해석 방법이 효율적으로 판단된다.
후속연구
- 체인지름뿐만 아니라 다른 설계 변수들에 대해서도 이와 같은 해석 절차를 통해 선별 방법을 적용한 극한 계류 해석을 수행한다면, 대상 해역의 복합 해양환경하중 조합에 대해서 계류선의 설계 장력 관점에서의 안전성을 확보할 수 있을 것으로 기대한다. 또한, 준정적 해석을 통해 초기 설계 변수를 결정한 뒤, 결정된 값에 대한 민감도 해석을 수행한다면 초기 설계 변수에 대한 신뢰성을 높일 수 있을 것으로 생각한다.
- 광범위한 설계조건별 계류선 성능 해석을 위해서는 해석 시간이 짧은 Ariane과 같은 준정적 해석 방법이 효율적으로 판단된다. 본 연구에서 제안한 준정적조건에서 계류선 설계장력에 대한 극한 해양환경조건 선별과 민감도 해석기법을 계류선 동적 거동과 부유체 운동의 연성을 고려한 계류선 설계장력 등의 연구로 확대하고, 부유체 계류시스템 성능 검증에 활용될 수 있을 것으로 기대된다.
- 체인지름뿐만 아니라 다른 설계 변수들에 대해서도 이와 같은 해석 절차를 통해 선별 방법을 적용한 극한 계류 해석을 수행한다면, 대상 해역의 복합 해양환경하중 조합에 대해서 계류선의 설계 장력 관점에서의 안전성을 확보할 수 있을 것으로 기대한다. 또한, 준정적 해석을 통해 초기 설계 변수를 결정한 뒤, 결정된 값에 대한 민감도 해석을 수행한다면 초기 설계 변수에 대한 신뢰성을 높일 수 있을 것으로 생각한다.
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