[논문]쇄빙연구선 ARAON호의 북극해 실측 데이터에 기초한 국부 빙하중 추정식의 수정

조성록; 최경식

doi:10.26748/ksoe.2019.013

쇄빙연구선 ARAON호의 북극해 실측 데이터에 기초한 국부 빙하중 추정식의 수정
Modification of Local Ice Load Prediction Formula Based on IBRV ARAON's Arctic Field Data 원문보기

韓國海洋工學會誌 = Journal of ocean engineering and technology, v.33 no.2, 2019년, pp.161 - 167

조성록 (한국해양대학교 해양공학과) , 최경식 (한국해양대학교 해양공학과)

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This paper focuses on a newly designed ice load formula based on the ARAON's 2016 Arctic field data in order to improve a structural design against ice loads. The strain gage signals from ARAON's hull plating were converted to the local ice pressure upon the hull plating using the influence coefficient matrix and finite element analysis. First, a traditional pressure-area relationship is derived by applying probabilistic approaches to handle the strains measured onboard the ARAON. Then, the local ice load prediction formula is re-analyzed after reviewing the ARAON's additional field data to consider information about the ship speed and thickness of the sea ice. It is shown that the newly developed pressure-area relationship well reflects the influence of other design parameters such as the ship speed and ice thickness in the prediction of local ice loads on Arctic vessels.

주제어

AI 본문요약
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가설 설정

선체 전후 방향이 아닌 변형률이 미치는 영향은 크지 않다는 선행 연구의 결과를 참고로 하여 1축 게이지에서 계측된 변형률을 식 (1)처럼 응력으로 변환할 수 있다. 선체 외판은 2차원 탄성체로 가정하였다.
한편 해빙의 두께 정보는 전체 빙압력 데이터 중 일부에 대해서만 획득했기 때문에 본 연구에서는 그중 최대 두께에 해당하는 1.98m에서 최대 빙압력이 발생했다고 가정하여 식 (14)을 식(15)와 같이 수정하였다. 이를 통해 기존의 압력-면적 관계식은식 (16)와 같이 선속과 빙두께를 고려한 국부 빙하중 추정식으로 수정되었다.

제안 방법

(1993), Taylor et al.(2010)와 같은 선행 연구에서 제시한 확률론적 접근법을 이용해 ARAON호에 대한 빙압력-접촉면적 관계식을 도출하였으며, 이후 ARAON호의 북극해 실선운항 시 계측된 선속과 해빙의 두께에 대한 정보를 추가 분석하여 앞서 도출된 압력-면적 관계식을 수정하였다. 실측 데이터에 기초하여 수정된 이 국부 빙하중 추정식은 빙압력이 단순히 접촉면적만의 함수가 아니라 선속과 빙두께와 같은 주요 설계변수들의 영향도 받는다는 것을 잘 보여주고 있다.
본 논문에서는 쇄빙연구선 ARAON호에서 획득한 2016년 북극해 현장계측 데이터를 토대로 확률론적 접근법을 이용해 ARAON호에 대한 압력-면적 관계식 (10)을 도출하였으며, 이후 ARAON호의 북극해 실선운항 시 계측된 선속과 해빙의 두께에 대한 정보를 추가적으로 분석하여 앞서 도출된 압력-면적 관계 식을 수정한 식 (16)을 도출하였다. 실측 데이터에 기초하여 수정된 국부 빙하중 추정식 (16)은 빙압력이 단순히 접촉면적 만의 함수가 아니라 선속과 빙두께와 같은 주요 설계요소의 영향을 받는다는 것을 잘 보여주고 있다.
이런 이유로 주요 설계요 소인 선속과 빙두께의 변화에 따른 국부 빙하중 추정식을 새롭게 도출할 필요가 있다. 본 연구에서는 ARAON호의 2016 실선 시험에서 획득한 선속과 빙두께에 대한 정보를 각 이벤트에서의 빙압력 분포와 연결하는 방법으로 접근하였다.
(2010)와 같은 연구자들은 확률이론을 적용한 연구를 통해 쇄빙선박에 작용하는 국부 빙하중 추정식을 도출한 바 있다. 본 연구에서는 이들이 사용한 확률론적 접근법을 2016년 ARAON호의 실선 계측 데이터에 적용하여 ARAON호에 대한 빙압력-면적 관계식을 도출하였다.
선박의 속도는 선체 중앙부에 GPS(Global positioning system) 를 부착하여 계측하였다. 선체 우현에는 카메라를 설치하여 선수부에서 깨진 빙편이 회전하며 노출된 단면의 영상을 촬영하였다.
선체 외판의 변형률은 ARAON호의 선수격벽 뒤 외판 안쪽Second deck 하부의 102번 프레임부터 110번 프레임 사이(Fig.1)에서 계측하였다. 변형률 게이지는 좌현에 1축 게이지 8개, 로제트 게이지 20개 그리고 광섬유 센서 5세트가 설치되었으며, 우현에는 12개의 로제트 게이지가 설치되었다.
선박의 속도는 선체 중앙부에 GPS(Global positioning system) 를 부착하여 계측하였다. 선체 우현에는 카메라를 설치하여 선수부에서 깨진 빙편이 회전하며 노출된 단면의 영상을 촬영하였다. 이 영상으로부터 Fig.
이전 시험 때와 달리 2016년 ARAON호의 실선시험에서는 변형률 게이지의 설치 위치와 담당 영역이 다르므로, 본 연구에서는 압력 영향도 행렬을 새로이 계산하였다. 압력 영향도 행렬을 계산 하기 위한 구조해석은 보강재 및 프레임을 포함하여 수행되었다. 압력 영향도 행렬의 크기는 설치된 변형률 게이지의 개수에 따라 결정되며, 본 연구에서 사용된 압력 영향도 행렬의 크기는 좌현은 20×20, 우현은 12×12이다.
98m에서 최대 빙압력이 발생했다고 가정하여 식 (14)을 식(15)와 같이 수정하였다. 이를 통해 기존의 압력-면적 관계식은식 (16)와 같이 선속과 빙두께를 고려한 국부 빙하중 추정식으로 수정되었다.
압력 영향도 행렬은 특정한 영역에 단위 압력을 작용했을 때, 변형률 게이지가 설치된 각각의 영역에 발생하는 변형과 응력을 행렬로 만든 것으로써 유한요소법을 이용한 구조해석을 반복적으로 수행하여 구할 수 있다. 이전 시험 때와 달리 2016년 ARAON호의 실선시험에서는 변형률 게이지의 설치 위치와 담당 영역이 다르므로, 본 연구에서는 압력 영향도 행렬을 새로이 계산하였다. 압력 영향도 행렬을 계산 하기 위한 구조해석은 보강재 및 프레임을 포함하여 수행되었다.
, 2014). 한편 분석에 사용된 영상은 우현 중앙부보다 조금 앞쪽에서 촬영되었고 압력은 선수부에서 계측되기 때문에, 빙두께와 압력 정보 사이에는 약간의 시간차가 있으며 본 연구에서는 실제로 설치된 센서 사이의 거리를 감안하여 데이터 기록 시간에 대한 동기화 과정을 수행하였다.

이론/모형

Froude 수를 사용하여 재분석하였다.

성능/효과

계측된 압력 데이터가 실제로 식 (5)와 같은 지수 분포를 따르는지 검증하기 위해 Anderson-Darling 법을 이용한 적합도 (Goodness-of-fit) 검정을 수행하였으며, 모든 면적에서의 압력 데이터 분포는 95%의 신뢰수준에서 지수 분포가 적합함을 보여주었다. Fig.
(2010)와 같은 선행 연구에서 제시한 확률론적 접근법을 이용해 ARAON호에 대한 빙압력-접촉면적 관계식을 도출하였으며, 이후 ARAON호의 북극해 실선운항 시 계측된 선속과 해빙의 두께에 대한 정보를 추가 분석하여 앞서 도출된 압력-면적 관계식을 수정하였다. 실측 데이터에 기초하여 수정된 이 국부 빙하중 추정식은 빙압력이 단순히 접촉면적만의 함수가 아니라 선속과 빙두께와 같은 주요 설계변수들의 영향도 받는다는 것을 잘 보여주고 있다.

후속연구

실측 데이터에 기초하여 수정된 국부 빙하중 추정식 (16)은 빙압력이 단순히 접촉면적 만의 함수가 아니라 선속과 빙두께와 같은 주요 설계요소의 영향을 받는다는 것을 잘 보여주고 있다. 이 국부 빙하중 추정식은 ARAON호와 유사한 규모의 쇄빙선박에 대한 초기 빙하중 추정에 사용할 수 있으며 향후 계측 데이터를 확보할 수 있다면 규모가 다른 쇄빙선박에도 보완 적용될 수 있을 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	쇄빙선박의 가장 중요한 설계요소 중 하나는?	북극해와 같은 빙해역에서는 일반 해역과는 달리 해빙으로부터 유발되는 빙하중이 쇄빙선박의 가장 중요한 설계요소 중 하나이다. 하지만 빙하중은 해빙의 재료특성, 형상, 크기, 속도, 지역적인 분포 등 여러 요인에 의해 달라지므로 이를 정량적으로 파악하기는 쉽지 않다.
	빙하중을 정량적으로 파악하기 어려운 이유	북극해와 같은 빙해역에서는 일반 해역과는 달리 해빙으로부터 유발되는 빙하중이 쇄빙선박의 가장 중요한 설계요소 중 하나이다. 하지만 빙하중은 해빙의 재료특성, 형상, 크기, 속도, 지역적인 분포 등 여러 요인에 의해 달라지므로 이를 정량적으로 파악하기는 쉽지 않다. 쇄빙선박에 작용하는 국부 빙하중은 일반적으로 해빙과의 접촉면적으로 표현되는 압력-면적 관계식 (Pressure-area relationship)으로 추정하고 있다.
	국부 빙하중을 압력-면적 관계식으로 파악하기 어려운 이유는?	북극해와 같은 빙해역에서는 일반 해역과는 달리 해빙으로부터 유발되는 빙하중이 쇄빙선박의 가장 중요한 설계요소 중 하나이다. 하지만 빙하중은 해빙의 재료특성, 형상, 크기, 속도, 지역적인 분포 등 여러 요인에 의해 달라지므로 이를 정량적으로 파악하기는 쉽지 않다. 쇄빙선박에 작용하는 국부 빙하중은 일반적으로 해빙과의 접촉면적으로 표현되는 압력-면적 관계식 (Pressure-area relationship)으로 추정하고 있다.

참고문헌 (10)

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원문보기 상세보기
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상세보기
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Park, I., Nam, J.H., Byun, S., Park, J., 2014. Conversion of Pixel-based Ice Thickness to Physical Unit for Image of Broken Ice Patch. Proceedings of the Society of CAD/CAM Conference, 523-528.
Taylor, R.S., Jordaan, I.J., Li, C., Sudom, D., 2010. Conversion of Pixel-based Ice Thickness to Physical Unit for Image of Broken Ice Patch. Journal of Offshore Mechanics and Arctic Engineering, 132(3), 031502. https://doi.org/10.1115/1.4000504

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