최근 이상적인 자연현상으로 인해 돌풍, 태풍 및 쓰나미 등 비상상황이 자주 발생하고 있고, 이로 인해 항내 계류선박은 선체거동을 미리 예측하여 해석하고, 선체거동을 제어하지 못해 계류선박의 계류시스템이 손상되면 해양사고가 발생할 수 있다. 따라서 계류시스템의 손상이 예상되는 경우 정량적 판단에 의해 항내 계류할 것인지 아니면 항외로 피항할 것인지 결정할 필요가 있다. 본 연구에서는 외력에 의한 계류선박의 거동해석 및 계류시스템 제어를 위해 대학내 전용 부두에 계류중인 실습선을 대상으로 계류안전성을 평가하였다. 계류삭의 최대장력을 분석한 결과, 파주기 12초 및 15초인 경우에는 대부분 허용강도(S.W.L)를 초과하는 것으로 분석되었다. 계선주에 작용하는 최대견인력을 분석한 결과, 해당 위치에 설치된 지 노후화된 소형 계선주에 다수의 계류삭을 체결함으로서 모든 평가 Case에서 계선주 허용규격인 35톤을 초과하는 것으로 분석되었다. 선체동요 및 하역안전성 평가결과 파주기 12초 이상 및 풍속 25노트 조건에서는 Surge 운동의 한계값인 3.0미터를 초과하는 것으로 분석되었다. 그 결과를 토대로 계류시스템 제어를 위한 판단기준이 되는 풍속, 파고 및 파주기 등의 주요 외력조건별 고위험, 위험 및 보통 위험 등 3단계의 리스크 매트릭스(Risk Matrix)를 작성하여, 계류시스템 제어를 위한 판단기준이 되는 위기관리 대응매뉴얼로 활용할 수 있을 것으로 기대된다.
최근 이상적인 자연현상으로 인해 돌풍, 태풍 및 쓰나미 등 비상상황이 자주 발생하고 있고, 이로 인해 항내 계류선박은 선체거동을 미리 예측하여 해석하고, 선체거동을 제어하지 못해 계류선박의 계류시스템이 손상되면 해양사고가 발생할 수 있다. 따라서 계류시스템의 손상이 예상되는 경우 정량적 판단에 의해 항내 계류할 것인지 아니면 항외로 피항할 것인지 결정할 필요가 있다. 본 연구에서는 외력에 의한 계류선박의 거동해석 및 계류시스템 제어를 위해 대학내 전용 부두에 계류중인 실습선을 대상으로 계류안전성을 평가하였다. 계류삭의 최대장력을 분석한 결과, 파주기 12초 및 15초인 경우에는 대부분 허용강도(S.W.L)를 초과하는 것으로 분석되었다. 계선주에 작용하는 최대견인력을 분석한 결과, 해당 위치에 설치된 지 노후화된 소형 계선주에 다수의 계류삭을 체결함으로서 모든 평가 Case에서 계선주 허용규격인 35톤을 초과하는 것으로 분석되었다. 선체동요 및 하역안전성 평가결과 파주기 12초 이상 및 풍속 25노트 조건에서는 Surge 운동의 한계값인 3.0미터를 초과하는 것으로 분석되었다. 그 결과를 토대로 계류시스템 제어를 위한 판단기준이 되는 풍속, 파고 및 파주기 등의 주요 외력조건별 고위험, 위험 및 보통 위험 등 3단계의 리스크 매트릭스(Risk Matrix)를 작성하여, 계류시스템 제어를 위한 판단기준이 되는 위기관리 대응매뉴얼로 활용할 수 있을 것으로 기대된다.
Recently, gusts, typhoon and tsunamis have been occurring more frequently around the world. In such an emergency situation, a moored vessel can be used to predict and analyze other vessel behavior, but if the mooring system is destroyed, marine casualties can occur. Therefore, it is necessary to det...
Recently, gusts, typhoon and tsunamis have been occurring more frequently around the world. In such an emergency situation, a moored vessel can be used to predict and analyze other vessel behavior, but if the mooring system is destroyed, marine casualties can occur. Therefore, it is necessary to determine quantitatively whether a vessel should be kept in the harbour or evacuate. In this study, moored ship safety in an exclusive wharf according to swell effects on motion and mooring load have been investigated using numerical simulations. The maximum tension exerted on mooring lines exceeded the Safety Working Load for intervals 12 and 15 seconds. The maximum bollard force also exceeded 35 tons (allowable force) in all evaluation cases. The surge motion criteria result for safe working conditions exceeded 3 meters more than the wave period 12 seconds with a wind speed of 25 knots. As a result, a risk rating matrix (risk category- very high risk, high risk and moderate risk) was developed with reference to major external forces such as wind force, wave height and wave periods to provide criteria for determining the control of capabilities of mooring systems to prevent accidents.
Recently, gusts, typhoon and tsunamis have been occurring more frequently around the world. In such an emergency situation, a moored vessel can be used to predict and analyze other vessel behavior, but if the mooring system is destroyed, marine casualties can occur. Therefore, it is necessary to determine quantitatively whether a vessel should be kept in the harbour or evacuate. In this study, moored ship safety in an exclusive wharf according to swell effects on motion and mooring load have been investigated using numerical simulations. The maximum tension exerted on mooring lines exceeded the Safety Working Load for intervals 12 and 15 seconds. The maximum bollard force also exceeded 35 tons (allowable force) in all evaluation cases. The surge motion criteria result for safe working conditions exceeded 3 meters more than the wave period 12 seconds with a wind speed of 25 knots. As a result, a risk rating matrix (risk category- very high risk, high risk and moderate risk) was developed with reference to major external forces such as wind force, wave height and wave periods to provide criteria for determining the control of capabilities of mooring systems to prevent accidents.
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문제 정의
본 연구에서는 외력에 의한 계류선박의 거동해석 및 계류 시스템 제어를 위해 대학 내 전용 부두에 계류중인 실습선을 대상으로 계류 및 동요 안전성을 평가하였으며 다음과 같은 결론을 도출하였다.
본 연구에서는 전용 부두에 장시간 계류중인 실습선을 대상으로 풍속별, 너울 및 장주기파의 파고 및 파주기별 외력에 의한 계류선박의 거동해석을 실시하였다. 이를 토대로 계선주 용량의 상향 조정제안 등 계류시스템에 대한 개선방안을 제시하였고, 계류삭 보강방안 등 동요저감방안을 제안하였다.
계류선박의 안전성평가결과를 토대로 본선에서 신속하게 조치 가능한 계류시스템 개선사항으로 계류삭 보강이 있다. 즉, 본 연구에서는 한바다호에 체결하고 있지 않는 선수 브레스트(breast) 라인을 보강하는 경우의 영향을 검토하였다. 짧은 길이의 브레스트 라인을 가까운 계선주에 추가 체결하는 경우와 기존 계선주보다 약 10m 정도 육상쪽에 위치하여 긴 브레스트 라인을 연결하는 경우를 비교하였다.
가설 설정
다만, 실습선의 경우 승무원 및 실습생이 안전하게 승선할 수 있으며 되므로 이에 직접적으로 해당되는 것이 없다. 실습선의 경우 육상전원이 연결되어 있음을 고려 하여 Loading Arm이 장착된 Oil Tankers의 하역한계 기준값인 Surge(peak-to-peak) 및 Sway(0-to-peak)가 각각 3.0m가 한계값이라고 가정하여 평가를 수행하였다.
태풍과 같은 황천시의 항내에 있어서 선박의 정박에 대해 고려해보면, 우리나라 항만의 숙명적인 과제는 여름~가을철에 태풍이 내습한다는 것이다. 태풍의 직간접적인 영향으로 항내 및 항외에 계류, 묘박, 표류중인 선박의 피해건수는 수도없이 많이 존재한다. 태풍시 항내에서 정박하는 것에 대한 위험성이 지적되어, 항외에서의 피항이 바람직한 것으로 검토되어 항외 피항을 권고하며, 학교부두에 계류중인 실습 선도 매년 3회 내외의 태풍 피항을 가고 있다.
제안 방법
계류시스템 제어를 위한 판단기준이 되는 풍속, 파고 및 파주기 등의 주요 외력조건별 리스크 매트릭스(Risk Matrix)를 작성하여 본선의 대응 매뉴얼 또는 위기관리 데이터베이스를 구축하였다. 고위험(Very High Risk), 위험(High Risk) 및 보통 위험(Moderate Risk)과 같이 3단계로 구분하였다.
계류안전성 해석은 학교 부두에 접안중인 실습선을 대상으로 했으며, 본 연구에서는 바람, 조류 및 파랑과 같은 외력이 존재할 때 계류된 선박에 대한 계류삭 및 계선주의 장력, 방충재의 반력 변화를 평가하기 위해 대상부두 특성, 이용선박 특성 및 바람, 조류 및 파랑 등과 같은 환경외력을 모델링 하였다(Kang and Park, 2016).
이를 토대로 계선주 용량의 상향 조정제안 등 계류시스템에 대한 개선방안을 제시하였고, 계류삭 보강방안 등 동요저감방안을 제안하였다. 또한, 계류시스템 제어를 위한 판단기준이 되는 풍속, 파고 및 파주기별 리스크 매트릭스(Risk Matrix)를 작성하여 본선의 대응 매뉴얼 또는 위기관리 데이터베이스를 구축하였다. 이를 통해 계류선박의 안전을 확보하고, 사고 피해를 경감하는 것으로 연구목표로 한다.
배치된 방충재는 PNEUMATIC-Fender와 V-Type Fender 두 종류의 방충재가 설치되어 있으나, 접안시 현측에 접촉하는 PNEUMATIC-Fender(1,500H×3,000L)만을 계류안전성평가 사항으로 고려하여 모델링하였다.
외력에 의한 선체동요로 인해 대상 선박의 통상적인 하역 작업이 가능한 범위 내에 있는지를 평가하기 위하여 선체의 6자유도 운동(Surge, Sway, Heave, Roll, Pitch, Yaw) 통계량과 선체 특정부분의 상대운동에 대한 운동 진폭치(Amplitude)를 기초로 하여 검토한다.
본 연구에서는 전용 부두에 장시간 계류중인 실습선을 대상으로 풍속별, 너울 및 장주기파의 파고 및 파주기별 외력에 의한 계류선박의 거동해석을 실시하였다. 이를 토대로 계선주 용량의 상향 조정제안 등 계류시스템에 대한 개선방안을 제시하였고, 계류삭 보강방안 등 동요저감방안을 제안하였다. 또한, 계류시스템 제어를 위한 판단기준이 되는 풍속, 파고 및 파주기별 리스크 매트릭스(Risk Matrix)를 작성하여 본선의 대응 매뉴얼 또는 위기관리 데이터베이스를 구축하였다.
대상 데이터
계류안전성 평가대상은 부산항내 한국해양대학교 전용부두에 접안중인 동양 최대 규모의 실습선 한바다호이며, 주요 제원은 Table 1과 같고, 계선주 좌표 등은 실측을 통해상 세 좌표로 입력하였다. 또한, 실습선의 계류삭 특성 및 체결 상황은 Table 2와 같이 총 12본으로 구성된다.
풍속 20노트, 25노트 및 30노트를 각각 구분하여 대표주기 10초, 12초, 15초를 대상으로 평가를 수행하였다. 중간 파주기의 영향을 검토하기 위해 30노트의 경우에는 1초 주기간격으로 평가를 수행한 결과는 Fig.
이론/모형
계류안전성 평가는 T.T.I(Tension Technology International)사의 OPTI-MOOR SW(Ver.6.2.6) 최신 버전을 이용하여 수행하였다. OPTI-MOOR는 선형 해석으로 타 계류안전성 해석프로 그램에 비해 단순하나 정확한 모델링으로 국내 해상교통안 전진단의 계류안전성평가에 대표적으로 사용되고 있는 해석프로그램이다(Kim et al.
성능/효과
(1) 계류삭의 최대장력을 분석한 결과 파주기 12초 및 15 초인 경우에는 대부분 허용강도(Safety Working Load, M.B.L.의 55 %)를 초과하는 것으로 분석되었다.
(2) 계선주에 작용하는 최대견인력을 분석한 결과 해당 위치에 설치된 지 약 30년이 넘은 노후화된 소형 계선주에 다수의 계류삭을 체결함으로서 모든 평가 케이스에서 계선주 허용규격인 35톤을 초과하는 것으로 분석되어 안전을 위해서는 계선주의 용량을 상향 조정할 필요가 있는 것으로 분석되었다.
(3) 선체동요 및 하역안전성 평가결과 파주기 12초 이상 및 풍속 25노트 조건에서는 Surge 운동의 한계값인 3.0 m를 초과하는 것으로 분석되었다.
(4) 계류시스템 제어를 위한 판단기준이 되는 풍속, 파고 및 파주기 등의 주요 외력조건별 리스크 매트릭스 (Risk Matrix)를 작성하였으며 이를 통해 본선의 대응 매뉴얼 또는 위기관리 데이터베이스로 활용 가능할 것으로 분석되었다.
본 시뮬레이션 평가에서는 선수방향으로 파가 입사하도록 설정함으로서 선수미 방향 계류삭에 작용하는 장력이 매우 크게 작용하나 파입사 방향과 직각방향인 방충재에는 Fig. 7과 같이 허용범위의 약 30~40% 수준의 최대반력이 작용하는 것으로 분석되었다.
파주기 12초 및 15초에 대한 영향을 검토하기 위해 Fig. 6 과 같이 모든 풍속별 최대장력을 비교해본 결과 모든 경우에서 허용강도를 초과하는 계류삭이 존재하는 것으로 나타나 계류삭의 파단의 가능성이 높은 것으로 분석되었다.
후속연구
계류시스템 제어의 판단기준으로 이러한 리스크 매트릭스를 활용하면 계류중인 선박의 안전확보 및 항만에서의 예상되는 사고에 의한 피해를 줄일 수 있는 획기적인 수단이 될 것으로 전망된다.
본 연구에서 제시한 계류시스템 제어를 위한 판단기준이 되는 풍속, 파고 및 파주기별 리스크 매트릭스는 부두별 운영가이드라인을 작성하는 기초 자료가 될 것으로 기대되며, 항내 계류선박의 각종 재해 예방을 위해서는 부두별 특성, 선종 및 선형을 고려한 영향을 보다 상세히 검토하여 계류 선박의 거동을 제어할 필요가 있을 것으로 판단된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
우리나라 항만의 숙명적인 과제는 무엇인가?
태풍과 같은 황천시의 항내에 있어서 선박의 정박에 대해 고려해보면, 우리나라 항만의 숙명적인 과제는 여름~가을철에 태풍이 내습한다는 것이다. 태풍의 직간접적인 영향으로 항내 및 항외에 계류, 묘박, 표류중인 선박의 피해건수는 수도없이 많이 존재한다.
계류선박의 계류시스템이 손상되면 어떤 문제가 발생할 수 있는가?
항만에 있어 돌풍, 태풍 및 쓰나미 등 비상상황 발생시 선체거동을 미리 예측하여 해석하고, 선체거동을 제어하지 못해 계류선박의 계류시스템이 손상되면 좌초, 안벽충돌과 같은 사고가 발생하여 Fig. 1과 같이 화재나 해양환경오염으로 이어질 수 있다.
본 연구에서 풍속별, 너울 및 장주기파의 파고 및 파주기별 외력에 의한 계류선박의 거동해석을 통해 어떤 결과를 얻었는가?
본 연구에서는 전용 부두에 장시간 계류중인 실습선을 대상으로 풍속별, 너울 및 장주기파의 파고 및 파주기별 외력에 의한 계류선박의 거동해석을 실시하였다. 이를 토대로 계선주 용량의 상향 조정제안 등 계류시스템에 대한 개선방안을 제시하였고, 계류삭 보강방안 등 동요저감방안을 제안하였다. 또한, 계류시스템 제어를 위한 판단기준이 되는 풍속, 파고 및 파주기별 리스크 매트릭스(Risk Matrix)를 작성하여 본선의 대응 매뉴얼 또는 위기관리 데이터베이스를 구축하였다. 이를 통해 계류선박의 안전을 확보하고, 사고 피해를 경감하는 것으로 연구목표로 한다.
참고문헌 (10)
Cho, I. S.(2005), A Study on Dynamic Analysis of Moored Ship Motions by Tsunami, The Journal of Navigation and Port Research, Vol. 29, No. 8, pp. 661-666.
Cho, I. S., Y. S. Lee and Lee C. R.(2006), A Time Domain Analysis of Moored Ship Motions with Resonant Period of a Tsunami, The Journal of Navigation and Port Research, Vol. 30, No. 6, pp. 433-438.
Kang, W. S. and Park Y. S.(2016), A Basic Study on Safe Mooring Guide for Dangerous Goods Berths in Ul-san Port, Journal of the Korean Society of Marine Environmental & Safety, Vol. 22, No. 1, pp. 067-073.
Kim, S. Y., J. S. Kim, Y. D. Kim and Lee Y. S.(2016), A Study to Improve the Operation Criteria by Size of Ship in Ulsan Tank Terminal, Journal of the Korean Society of Marine Environmental & Safety, Vol. 22, No. 6, pp. 639-646.
Kubo, M., I. S. Cho, S. Sakakibara, E. Kobayashi and S. Koshimura(2005), The Influence of Tsunamis on Moored Ships and Ports, International Journal of Navigation and Port Research, Vol. 29, No. 4, pp. 319-325.
Kubo, M., K. Saito and T. Oki(1993), Approximate calculation of ship motions under the prevention system of ship separation from quay wall, Journal of Japan Institute of Navigation, Vol. 89, pp. 15-21.
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Kwak, M. S. and Y. H. Moon(2014), A Study on Estimation of Allowable Wave Height for Loading and Unloading of the Ship Considering Ship Motion, Journal of the Korean Society of Civil Engineers, Vol. 34, No. 3, pp. 873-883.
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