본 연구는 부유식 구조물의 위치 제어를 위한 계류 체인 링크의 휨 거동에 대해 다룬다. 일반적으로 체인 구조는 링크 간 연결조건에 따라 축력만 전달하는 구조체로 인식되었다. 그러나 체인에 강한 인장력이 작용할 때, 접촉하는 두 링크 간의 마찰력에 의해 휨 강성이 도입되게 된다. 특히, 부유식 플랫폼의 계류선은 강한 인장력이 유지되는데, 물리적으로는 긴장 상태에 있는 체인 링크 간 접촉면에 마찰특성에 의해 휨 강성이 도입되면 환경하중을 받는 플랫폼에 회전 운동이 발생할 때, 계류선에도 회전 변위를 일으키고 이는 결과적으로 설계 시 고려하지 못한 휨모멘트 및 휨응력이 체인에 작용하게 된다. 실제 2005년 Girrasol Buoy 플랫폼의 해상 설치 후 5개월 만에 파손된 계류 체인의 사고 조사 시 주요 원인으로 이러한 휨 거동에 의한 부가 피로손상 누적이 지적되었다. 본 연구에서는 비선형 유한요소해석을 통해 긴장상태에 있는 체인에 도입되는 휨 강성 및 휨 응력의 특성에 대해 분석한다.
본 연구는 부유식 구조물의 위치 제어를 위한 계류 체인 링크의 휨 거동에 대해 다룬다. 일반적으로 체인 구조는 링크 간 연결조건에 따라 축력만 전달하는 구조체로 인식되었다. 그러나 체인에 강한 인장력이 작용할 때, 접촉하는 두 링크 간의 마찰력에 의해 휨 강성이 도입되게 된다. 특히, 부유식 플랫폼의 계류선은 강한 인장력이 유지되는데, 물리적으로는 긴장 상태에 있는 체인 링크 간 접촉면에 마찰특성에 의해 휨 강성이 도입되면 환경하중을 받는 플랫폼에 회전 운동이 발생할 때, 계류선에도 회전 변위를 일으키고 이는 결과적으로 설계 시 고려하지 못한 휨모멘트 및 휨응력이 체인에 작용하게 된다. 실제 2005년 Girrasol Buoy 플랫폼의 해상 설치 후 5개월 만에 파손된 계류 체인의 사고 조사 시 주요 원인으로 이러한 휨 거동에 의한 부가 피로손상 누적이 지적되었다. 본 연구에서는 비선형 유한요소해석을 통해 긴장상태에 있는 체인에 도입되는 휨 강성 및 휨 응력의 특성에 대해 분석한다.
This paper presents the study of the bending behavior of mooring chain links for keeping the position of the offshore floating structures. In general, chain links have been thought as the axial members due to the fundamental boundary condition. But, the flexural stiffness can be induced to the conta...
This paper presents the study of the bending behavior of mooring chain links for keeping the position of the offshore floating structures. In general, chain links have been thought as the axial members due to the fundamental boundary condition. But, the flexural stiffness can be induced to the contact surface between chain links when friction occurs at the surface of the chain links due to high tensile force. Especially, the mooring chains for offshore floating platforms are highly tensioned. If the floater suffers rotational motion and the mooring chain links are highly tensioned, the rotation between contact links, induced by the floater rotation, generates the bending moment and relevant stresses due to the unexpected bending stiffness. In 2005, the mooring chain links for the Girassol Buoy Platform were failed after just 5 months after facility installation, and the accident investigation research concluded the chain failure was mainly caused by the fatigue due to the unexpected bending stress fluctuation. This study investigates the pattern of the induced bending stiffness and stresses of the highly tensioned chain links by nonlinear finite element analysis.
This paper presents the study of the bending behavior of mooring chain links for keeping the position of the offshore floating structures. In general, chain links have been thought as the axial members due to the fundamental boundary condition. But, the flexural stiffness can be induced to the contact surface between chain links when friction occurs at the surface of the chain links due to high tensile force. Especially, the mooring chains for offshore floating platforms are highly tensioned. If the floater suffers rotational motion and the mooring chain links are highly tensioned, the rotation between contact links, induced by the floater rotation, generates the bending moment and relevant stresses due to the unexpected bending stiffness. In 2005, the mooring chain links for the Girassol Buoy Platform were failed after just 5 months after facility installation, and the accident investigation research concluded the chain failure was mainly caused by the fatigue due to the unexpected bending stress fluctuation. This study investigates the pattern of the induced bending stiffness and stresses of the highly tensioned chain links by nonlinear finite element analysis.
* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.
문제 정의
본 연구에서는 비선형 유한요소 해석을 통해 인장력이 작용하는 체인 링크에서의 면내 및 면외 방향 휨 거동을 분석하였다. 접촉하고 있는 체인 링크를 솔리드 요소로 모델링하고 경계조건 및 접촉조건을 부여하여 인장력 및 강제 회전운동에 대한 비선형 해석을 수행하여 링크에 도입되는 휨강성과 휨모멘트 및 응력을 분석하였다.
본 연구에서는 비선형 유한요소해석을 통해 강한 인장력을 받을 때 접촉하고 있는 계류 체인 링크 간의 휨거동에 대해 연구하였다. 본 해석을 통해 링크 간 사잇각이 발생할 때링크 접촉면에 도입되는 면내 및 면외방향 휨강성과 휨모멘트 그리고 이에 따라 유발되는 체인 링크에서의 응력을 분석 하였고, 체인 링크에 작용하는 인장력, 마찰면 마찰계수 그리고 체인 링크의 시험과정 효과 등을 분석하였다.
20과 같이 각 거동 시 최대 주응력 발생 위치를 도출하였다. 사실 최대 응력은 링크간 직접 접촉 구간에서 최대 응력이 발생하나, 이는 근본적으로 지압에 의한 압축응력 성분이고 이는 피로 거동에 있어서 크게 영향을 미치는 성분은 아니므로 본 연구에서는 이 구간을 제외하고 최대 주응력이 발생하는 위치를 도출하였다. 특히 Fig.
가설 설정
본 연구에서는 R3S 재질의 체인 링크를 가정하였고 이에 대한 재료 물성은 Table 1과 같다. 본 재료의 응력-변형률관계를 Ramgerg-Osgood 재료모델을 통해 정의하기 위한 상수 n (hardening exponent)과 α(yield offset) 역시 Table 1에 표기되었다.
유한요소해석을 통해 축력 T가 작용하고 좌측 링크와 중앙부 링크 간의 사잇각 αint가 발생할 때 링크 마찰면에서 발생하는 휨모멘트 Mint를 유한요소해석기법을 통해 분석하기 위하여 Fig. 4와 같이 우측 링크의 중앙부에 기준점(reference point)를 가정하였는데, 이 기준점에 강제 회전을 주어 좌측 접촉면에 링크 사잇각 및 휨모멘트를 발생시켰다.
먼저 시험 하중을 재하하고 이후 하중을 제거하여 체인 링크의 시험 후 발생하는 소성변형을 고려하였다. 이후 체인 링크에 장력을 도입하였는데, 이 연구에서는 계류선이 2,200kN~ 3,400kN의 장력을 받는다고 가정하여 총 7가지의 장력을 재하하였다. 실제 부유식 구조물이 환경 하중에 의해 지속적으로 운동하면 이 부유체를 지지하는 계류선의 장력 역시 그에 따라 변화한다.
실제 부유식 구조물이 환경 하중에 의해 지속적으로 운동하면 이 부유체를 지지하는 계류선의 장력 역시 그에 따라 변화한다. 체인 링크에 작용하는 장력이 변화하면 링크 간 마찰면에 도입되는 마찰력 및 휨강성이 변화하는데, 본 연구에서는 장력의 크기에 따른 마찰면에서의 휨강성 및 휨모멘트 그리고 최대 주응력을 분석하고자 위와 같이 도입되는 장력의 범위를 가정하였다.
제안 방법
강한 인장력이 작용하고 있을 때 계류 체인 링크에서의 휨거동을 분석하기 위해 본 연구에서는 ABAQUS V6.13을 활용하여 재료, 기하, 접촉 비선형 해석을 수행하였다. 해석 모델은 Fig.
또한 접선방향의 경우 “Penalty” 마찰 옵션을 특정 마찰계수와 합께 적용하여 접촉면에 수직력이 작용할 때 접촉면에서 마찰력이 작용하도록 하였다.
5(a) 표기된 기준점(좌표축 표기)에 재하하였는데, 이를 위해 오른쪽 링크의 단면은 기준점에대해 구속조건(coupled constraint condition in ABAQUS)을 주었다. 링크 간 접촉조건(contact condition)에 대해서는 면접촉 조건을 부여하여 증분-반복해석 단계마다 변화하는 체인 링크 간 접촉면 변화를 반영하였고, 이를 위해 접촉 면의 법선 및 접선방향 마찰특성을 모두 부여하였다. 법선방향의 경우 “Hard contact”를 적용하고 접촉 이후 절점 간 분리특성을 허용하였다.
8과 같다. 먼저 시험 하중을 재하하고 이후 하중을 제거하여 체인 링크의 시험 후 발생하는 소성변형을 고려하였다. 이후 체인 링크에 장력을 도입하였는데, 이 연구에서는 계류선이 2,200kN~ 3,400kN의 장력을 받는다고 가정하여 총 7가지의 장력을 재하하였다.
본 연구에서는 비선형 유한요소해석을 통해 강한 인장력을 받을 때 접촉하고 있는 계류 체인 링크 간의 휨거동에 대해 연구하였다. 본 해석을 통해 링크 간 사잇각이 발생할 때링크 접촉면에 도입되는 면내 및 면외방향 휨강성과 휨모멘트 그리고 이에 따라 유발되는 체인 링크에서의 응력을 분석 하였고, 체인 링크에 작용하는 인장력, 마찰면 마찰계수 그리고 체인 링크의 시험과정 효과 등을 분석하였다.
접촉하고 있는 체인 링크를 솔리드 요소로 모델링하고 경계조건 및 접촉조건을 부여하여 인장력 및 강제 회전운동에 대한 비선형 해석을 수행하여 링크에 도입되는 휨강성과 휨모멘트 및 응력을 분석하였다. 본 해석적 연구를 통해 체인 링크에 작용하는 인장력과 접촉면에서의 마찰계수 그리고 시험하중의 크기가 체인 링크의 면내 및 면외 방향 휨거동에 미치는 영향을 분석하였고 각 방향으로의 휨거동 시 최대 응력 발생위치 및 응력발생 패턴을 도출하였다.
체인 계류선은 실제 설치 전에 최소파단하중의 70%에 해당하는 축력을 재하하는 시험을 통해 반드시 검사한다. 본해석 연구에서는 실제 상황을 고려하여 Table 1에 나타난 시험하중의 재하-해제 과정을 해석하여 이 때 발생하는 국부 소성 변형이 면내/면외 휨거동에 미치는 영향을 고려하였다. Table 1의 체인 링크의 최소 파단 하중 및 시험하중은 식 (4)를 통해 계산하였다[3].
이 국부 소성변형은 접촉하는 링크 간의 락킹효과(locking effect) 를 유발하여 결과적으로 체인 링크에 인장력이 작용할 때 접촉면 마찰에 의한 휨강성을 더욱 크게 도입시키는 주요인이 된다. 시험하중 테스트에 의한 접촉면 소성변형이 OPB/IPB 거동에 미치는 영향은 다음 절에서 정량적으로 비교 분석한다.
일반적으로 체인 링크로 구성된 선 부재는 링크 간의 연결 조건에 따라 축력만 전달하는 구조물로 인식된다. 이에 따라 체인 링크로 구성된 계류선 역시 1축 부재로 고려되었고, 실제 부유식 구조물과 계류선을 포함한 전체계 해석 시에도 체인 계류선의 경우 축력 부재로 고려하여 해석을 하였다.
본 연구에서는 비선형 유한요소 해석을 통해 인장력이 작용하는 체인 링크에서의 면내 및 면외 방향 휨 거동을 분석하였다. 접촉하고 있는 체인 링크를 솔리드 요소로 모델링하고 경계조건 및 접촉조건을 부여하여 인장력 및 강제 회전운동에 대한 비선형 해석을 수행하여 링크에 도입되는 휨강성과 휨모멘트 및 응력을 분석하였다. 본 해석적 연구를 통해 체인 링크에 작용하는 인장력과 접촉면에서의 마찰계수 그리고 시험하중의 크기가 체인 링크의 면내 및 면외 방향 휨거동에 미치는 영향을 분석하였고 각 방향으로의 휨거동 시 최대 응력 발생위치 및 응력발생 패턴을 도출하였다.
해석 모델은 8절점 솔리드 요소(C3D8I of ABAQUS Standard)를 사용하였고 왼쪽 링크 단면은 고정단 조건, 오른쪽 링크 단면은 하중재하 단면으로 고려하였다. 하중 및 강제 회전변위 재하에 있어서는 Fig. 5(a) 표기된 기준점(좌표축 표기)에 재하하였는데, 이를 위해 오른쪽 링크의 단면은 기준점에대해 구속조건(coupled constraint condition in ABAQUS)을 주었다. 링크 간 접촉조건(contact condition)에 대해서는 면접촉 조건을 부여하여 증분-반복해석 단계마다 변화하는 체인 링크 간 접촉면 변화를 반영하였고, 이를 위해 접촉 면의 법선 및 접선방향 마찰특성을 모두 부여하였다.
대상 데이터
본 해석 연구에서 고려한 체인 링크는 직경 d=147.0mm 를 갖는 studless 체인 링크이고 기하형상은 Fig. 6과 같은 치수를 따라 모델링하였다[3].
5와 같이 완전한 형태의 중앙부 링크와 함께 양 쪽에 접촉하는 링크의 반절만을 모델링하여 해석에 고려하였다. 해석 모델은 8절점 솔리드 요소(C3D8I of ABAQUS Standard)를 사용하였고 왼쪽 링크 단면은 고정단 조건, 오른쪽 링크 단면은 하중재하 단면으로 고려하였다. 하중 및 강제 회전변위 재하에 있어서는 Fig.
13을 활용하여 재료, 기하, 접촉 비선형 해석을 수행하였다. 해석 모델은 Fig. 5와 같이 완전한 형태의 중앙부 링크와 함께 양 쪽에 접촉하는 링크의 반절만을 모델링하여 해석에 고려하였다. 해석 모델은 8절점 솔리드 요소(C3D8I of ABAQUS Standard)를 사용하였고 왼쪽 링크 단면은 고정단 조건, 오른쪽 링크 단면은 하중재하 단면으로 고려하였다.
14에 표기하였다. 검토 결과, 중앙부 표면에서는 348.2MPa(항복응력 대비 71%), -551.57MPa(112.6%)의 인장 및 압축 응력이 발생하였고, 곡률부의 경우 234.82MPa(47.9%), -422.26MPa(86.2%)의 응력이 각각 발생하였는데, 이것은 현행 시험조건에 대해서 상당한 수준의 응력이 잔류응력으로 잔존함을 알 수 있다. 이는 결과적으로 체인 링크의 최대 응력을 증가시키는 요인으로 작용할 뿐 만 아니라 피로 수명의 측면에서도 평균 응력의 증가를 초래하여 결과적으로 피로 수명 측면에서도 부담을 주게 된다.
또한 미끌림이발생하는 시점 이후의 하중-변위곡선의 기울기는 마찰계수에 대해 큰 영향을 받지 않는 것을 이 그림을 통해 알 수 있다. 다만, 마찰계수에 따라 미끌림 (slip)의 발생 시점에 차이가 나타남에 따라 마찰면에서의 마찰계수가 클수록 링크 간 상대회전운동의 시점이 늦춰져서 결과적으로 동일한 사잇각 발생 시 링크에 도입되는 휨모멘트가 크게 나타남을 알 수 있다.
17은 마찰면에서의 마찰계수가 면내 및 면외방향 휨거동에 미치는 영향을 나타낸다. 먼저, 변형이 작은 구간, 즉변형이 진전되는 초기에서 하중-변위곡선 상의 기울기 차이는 마찰계수에 큰 영향을 받지 않는 것으로 나타난다. 즉, 인장력이 도입되어 링크 간 락킹 상태에서는 마찰면의 특성은 전체 거동에 대해 큰 영향을 미치지 않는다.
일반적으로 부유식 구조물의 계류선 설계시 피로 수명은 설비의 설계 사용 수명(Design service life)의 10배 이상을 확보하도록 한다는 것을 감안한다면 이 사고는 매우 이례적이다. 조사 결과, 설계 과정에서 고려하지 못한 추가의 동적 응력 (Dynamic stress)가 도입되었고 이는 체인 링크에 작용하는 휨응력이라고 결론을 내었다[6]. 앞서 언급한대로 체인 링크는 힌지 연결 조건으로 가정된다.
후속연구
휨강성 수식은 부유식 구조물-계류선 및 라이저의 전체계 해석 시 계류 체인 간의 회전강성모델에 바로 적용하면 Bureau Veritas(2014)[8] 에서 권장하는 면내 및 면외방향 휨 특성을 고려한 계류선의 유체-구조해석에 직접 적용이 가능하다. 또한 응력 추정식은 전체계 해석에서 도출되는 시간이력 인장력 및 링크 간 사잇각 결과를 입력 값으로 하여 링크의 hop-spot에서의 피로수명 분석을 위한 시간이력응력 추정에 바로 적용이 가능할 것으로 판단된다.
이는 앞서 검토한대로 시험단계 후 링크 접촉면에 소성변형이 발생하고 이것이 체인 링크 간의 락킹을 더욱 공고히 함에 따른 것으로, 본 해석결과는 시험단계에서 발생하는 소성변형이 체인 링크접촉 면에 도입되는 휨강성에 직접적인 영향을 미치는 것을 증명한다. 부유식 구조물의 지속적인 회전 운동에 따른 계류 체인 링크의 회전 운동이 발생할 때 과도한 휨강성은 결과적으로 부가적인 휨응력을 유발하여 체인 링크의 피로 수명에 큰부담을 야기하므로 현행 체인 링크의 시험방법에 대한 개선이 필요하다는 것이 이 해석 결과에서도 드러난다.
본 해석기법을 이용하면 접촉하는 체인 링크에 도입되는 휨강성 및 응력을 직접적으로 도출할 수 있다. 이 해석기법을 통해 체인 링크의 직경 및 형상(stud/studless) 그리고재질(steel grade)가 면내 및 면외 휨거동에 미치는 영향 분석 연구가 추가적으로 수행 가능할 것으로 판단된다.
이와 같은 상세 해석을 통해 계류 체인의 면내 및 면외방향 휨거동에 대한 휨강성 및 휨응력 크기 및 최대 휨응력 발생 위치를 파악할 수 있고, 이에 더하여 계류 체인에 작용하는 장력 T와 사잇각 α를 변수로 하는 면내/면외 휨응력식을 회귀분석을 통해 도출할 수 있다. 즉, 본 해석기법은 결과적으로 계류 체인의 휨거동을 고려한 피로손상도 평가에 있어서 동적 면내 및 면외방향 휨거동에 의해 유발되는 응력 평가에 활용될 수 있다. 본 해석기법을 포함한 계류 체인의 피로손상도 평가의 절차는 Fig.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
부유식 해상 구조물에서 체인 링크로 구성된 계류선을 사용하는 이유는?
부유식 해상 구조물은 지속적으로 변화하는 환경하중을 받기 때문에 구조물의 위치를 유지할 수 있는 장치가 필요하고, 이러한 목적에 있어서 일반적으로 체인 링크로 구성된 계류선이 사용된다. 체인으로 구성된 계류선(mooring lines) 은 바람, 파랑, 조류 등을 받는 부유식 해상구조물의 수직 및수평 운동에 대해 저항하는 역할을 한다.
계류선의 기본 선 형인 카테나리 형과 톳 형은 각각 어떤 방식으로 부유식 구조물의 운동에 저항하는가?
계류선의 기본 선 형(profile)에 대해서는 카테나리 형(catenary type), 톳 형 (taut type)으로 나눈다. 카테나리 형은 해저 지반에 안착된 체인의 무게로, 톳 형은 계류선의 길이방향 강성으로 부유식 구조물의 운동에 저항한다. 구조적 특성에 따라 일반적으로 천해 해역에서는 카테나리 타입이, 심해 해역에서는 세마이톳(semi taut) 또는 톳 방식이 주로 설계된다.
체인으로 구성된 계류선의 역할은 무엇인가?
부유식 해상 구조물은 지속적으로 변화하는 환경하중을 받기 때문에 구조물의 위치를 유지할 수 있는 장치가 필요하고, 이러한 목적에 있어서 일반적으로 체인 링크로 구성된 계류선이 사용된다. 체인으로 구성된 계류선(mooring lines) 은 바람, 파랑, 조류 등을 받는 부유식 해상구조물의 수직 및수평 운동에 대해 저항하는 역할을 한다. 계류선의 기본 선 형(profile)에 대해서는 카테나리 형(catenary type), 톳 형 (taut type)으로 나눈다.
참고문헌 (14)
American Petroleum Institute (2005) Design and Analysis of Stationkeeping Systems for Floating Structures (API RP 2SK), API Publishing services, Washington DC, USA.
Det Norske Veritas (2010) Position Mooring (DNV-OSE301), DNV, Norway.
Det Norske Veritas (2008) Offshore Mooring Chain (DNV-OS-E302), DNV, Norway.
Americal Bureau of Shipping (2009) Guide for Certification of Offshore Mooring Chain, ABS, Houston, USA.
Bureau Veritas (2012) Classification of Mooring Systems for Permanent Offshore Units, Bureau Veritas, France.
Jean, P., Goessens, K., and L'Hostis, D. (2005) Failure of Chains by Bending on Deepwater Mooring Systems, Proceedings of 2005 Offshore Technology Conference, OTC 17238.
Cerkovnik, M., Chang, S.S., and Criffin, C. (2012) Fatigue Analysis of Tether Chain in Hybrid Risers, Proceedings of the ASME 2012 31st International Conference on Ocean, Offshore and Arctic Engineering, pp.799-807.
Bureau Veritas (2014) Fatigue of Top Chain of Mooring Lines Due to In-plane and Out-of-plane Bendings, Bureau Veritas, France.
Bastid, P. and Smith, S. (2013) Numerical Analysis of Contact Stresses between Mooring Chain Links and Potential Consequences for Fatigue Damage, Proceedings of the ASME 2013 32nd International Conference on Ocean, Offshore and Arctic Engineering (OMAE2013-11360).
Pacheno, P.M.C.L., Kenedi, P.P., and Jorge, J.C.F. (2002) Elastoplastic Analysis of the Residual Stress in Chain Links, Proceedings of the ASME 2002 21st International Conference on Offshore Mechanics and Arctic Engineering, pp.39-46 (OMAE2002-28083).
Pacheno, P.M.C.L., Kenedi, P.P., Jorge, J.C.F., and Paiva, A.M.C (2003) Analysis of the Influence of Mechanical Properties on the Residual Stress in Offshore Chain Links Using the Finite Element Method, Proceedings of the ASME 2003 22nd International Conference on Offshore Mechanics and Arctic Engineering (OMAE2003-37205).
Pacheno, P.M.C.L., Kenedi, P.P., Jorge, J.C.F., Santos, H.G., Savi, M.A., and Paiva, A.M.C (2003) Modeling Residual Stresses in Offshore Chain Links Using Finite Element Method, Proceedings of 17th International Congress of Mechanical Engineering (COBEM2003-0320).
임유창, 김경수, 정준모, 강찬회(2010) 부유식 해양플랜트 계류 체인의 면외굽힘 거동에 대한 연구, 대한조선학회논문집, 대한조선학회, 제47권, 제4호, pp.580-588. Lim, Y.C., Kim, K.S., Choung, J.M., and Kang, C.H. (2010) A Study on Out-of-plane Bending Mechanism of Mooring Chains for Floating Offshore Plants, Journal of the Society of Naval Architects of Korea, SNAK, Vol.47, No.4, pp.580-588.
신태송(2006) STS 304 스체인리스강의 응력도-변형도 곡선에 관한 제안, 한국강구조학회 논문집, 한국강구조학회, 제18권, 제2호, pp. 271-278. Shin, T.S. (2006) A Proposal on the Stress-strain Curve of Stainless Steel STS304, Journal of Korean Society of Steel Construction, KSSC, Vol.28, No.4, pp.271-278.
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.