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문제 정의
- 본 연구에서는 긴 파이프와 부력재로 구성된 세장형 아티큘 레이티드 타워 형태의 부이 구조물에 대해 황천 조건에서의 생존성을 모형시험 연구를 통하여 평가하였다. 3가지 해상 상태에서의 부이 구조물의 성능을 평가하였으며, 비교를 위해 수치 시뮬레이션 결과를 같이 비교 분석하였다.
- 본 연구에서는 아티큘레이티드 타워(Articulated tower) 형태의 긴 파이프와 부력재로 구성된 세장형 부이 구조물의 황천 조건에서의 생존성을 모형시험 연구를 통하여 평가하였다. 아티큘레이티드 타워 형태의 부이 구조물은 통상적인 체인계류 방식을 이용한 일점 계류부이와 달리 수면 하에 위치한 부력재를 이용하여 위치를 유지하는 방식이다.
가설 설정
- 본 연구에서 고려한 바람과 조류의 속도는 각각 50m/s와 2m/s이며, 이는 태풍 시의 바람 속도와 서해의 강한 조류 속도를 고려하여 설정된 값이다. 본 부이 구조물은 방향성이 없으므로 선수파 조건만을 고려하였으며, 모든 경우 파도와 같은 방향(Collinear)으로 조류와 바람이 작용하는 조건으로 가정하여 시험을 수행하였다. 본 연구에서는 JONSWAP(Joint North Sea wave project) 스펙트럼이 사용되었다.
제안 방법
- 본 연구에서는 긴 파이프와 부력재로 구성된 세장형 아티큘 레이티드 타워 형태의 부이 구조물에 대해 황천 조건에서의 생존성을 모형시험 연구를 통하여 평가하였다. 3가지 해상 상태에서의 부이 구조물의 성능을 평가하였으며, 비교를 위해 수치 시뮬레이션 결과를 같이 비교 분석하였다. 일련의 모형시험 평가를 통하여 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
- 긴 파이프와 부력재로 구성된 세장형 아티큘레이티드 타워 형태의 부이 구조물의 황천 시 생존성(Survivability)을 모형시험을 통하여 평가하였다. 대상 부이구조물은 Fig.
- 일반적으로 생존 조건에서의 앵커에 작용하는 최대 하중을 고려하여 앵커 용량을 산정하게 된다. 따라서 본 연구에서는 부이 구조물 하단 힌지 연결부에 1축 로드셀을 설치하여, 앵커 지지력(Anchor reaction force)을 평가하였다. Fig.
- 이 때 바람 발생 장치는 파도와 조류의 방향과 동일하게 바람이 생성될 수 있도록 설치하였다. 모형시험 시 계측항목으로는 부이 구조물 운동(종동요)과 앵커 지지력이 있으며, 거동 특성과 침수 여부를 확인하기 위하여 비디오 촬영을 진행하였다. 본시험에서 부이 구조물 운동은 Fig.
- 축척비를 고려하였을 때 해양공학수조의 수심이 대상해역의 수심보다 깊기 때문에, 대상 부이 구조물의 하단에는 바닥 구조물을 설치하였다. 바람을 발생하기 위하여 구조물 전방 5m 지점에 바람 발생 장치 2기를 설치하여 운용하였다. 이 때 바람 발생 장치는 파도와 조류의 방향과 동일하게 바람이 생성될 수 있도록 설치하였다.
- 모형시험 시 계측항목으로는 부이 구조물 운동(종동요)과 앵커 지지력이 있으며, 거동 특성과 침수 여부를 확인하기 위하여 비디오 촬영을 진행하였다. 본시험에서 부이 구조물 운동은 Fig. 1과 같이 상부 구조물 최상단에 3개의 마커를 부착하고, 비접촉식 광학 운동 계측 카메라(Qualisys)를 이용하여 운동 계측을 수행하였다. 앵커 지지력은 바닥 구조물과 부이 구조물 사이에 1축 방수 로드셀을 연결하여 계측하였으며, 수직방향의 하중을 계측하였다.
- 아티큘레이티드 타워 형태의 부이 구조물은 통상적인 체인계류 방식을 이용한 일점 계류부이와 달리 수면 하에 위치한 부력재를 이용하여 위치를 유지하는 방식이다. 부이 구조물의 성능 평가를 위해 50년 재현주기 조건을 포함한 3가지 해상상태에서 모형시험을 수행하였고 종동요, 침수여부, 앵커 지지력에 대하여 분석하였다. 모형시험은 파도 단독 해상상태 및 복합 환경 해상 상태에서 수행되었으며, 모형시험 결과를 수치 시뮬레이션 결과와 비교 분석하였다.
- 앵커 지지력은 바닥 구조물과 부이 구조물 사이에 1축 방수 로드셀을 연결하여 계측하였으며, 수직방향의 하중을 계측하였다. 비디오 촬영을 위해 수상과 수중 카메라를 설치하여 부이 구조물의 운동과 침수여부를 확인하였다.
- 1과 같이 상부 구조물 최상단에 3개의 마커를 부착하고, 비접촉식 광학 운동 계측 카메라(Qualisys)를 이용하여 운동 계측을 수행하였다. 앵커 지지력은 바닥 구조물과 부이 구조물 사이에 1축 방수 로드셀을 연결하여 계측하였으며, 수직방향의 하중을 계측하였다. 비디오 촬영을 위해 수상과 수중 카메라를 설치하여 부이 구조물의 운동과 침수여부를 확인하였다.
- 외/내경이 서로 다른 3종류의 파이프는 ‘Steel’ 재질의 ‘Homogeneous pipe’로 모델링하였다.
- (2015)은 인장 계류 부이의 플로터의 운동에 대해 시간에 따른 계류선장력의 변화와 더불어 Sub-harmonic 운동에 대해 검토하였다. 인장식 계류 부이의 비선형 운동을 분석하고자 부이의 운동과 계류선 거동사이의 강한 연성효과를 포함한 수치모델을 구축하고, 시험과 수치해석 간의 결과를 비교하였다. 선형운동 뿐만 아니라 Sub-harmonic 운동 요소를 자세히 검토하였으며, Sub-harmonic 운동은 시간별로 변화하는 계류선의 장력에 의해 발생하는 비선형 연성 효과로 인해 지배됨을 확인하였다.
- 종동요 운동의 주파수 응답 특성을 분석하기 위하여 운동 응답 스펙트럼(Motion response spectrum)을 검토하였다. Fig.
- 또한 파이프의 하부 경계조건은 힌지로 고려하였다. 파랑, 조류, 바람 등의 해양 환경하중에 의해 구조물 응답이 발생하며, 응답특성을 반영하기 위해 굽힘 강성(Bending stiffness, EI) 등을 고려하였다. 파이프의 무게 보정을 위해 ‘Clump’모델을 이용하였다.
대상 데이터
- 부이 전체의 지지대 역할을 하는 파이프는 상부파이프(파란색 표시, Pipe 1), 부력재부 파이프(초록색 표시, Pipe 2), 상하부파이프(빨간색 표시, Pipe 3)로 구분된다. 모형시험은 선박해양플랜트연구소(Korea Research Institute of Ships and Ocean Engineering, KRISO)의 해양공학수조에서 수행되었다. 모형의 축척비는 1/22이며, 아크릴 파이프와 플라스틱을 조합하여 제작하였다.
- 모형시험은 선박해양플랜트연구소(Korea Research Institute of Ships and Ocean Engineering, KRISO)의 해양공학수조에서 수행되었다. 모형의 축척비는 1/22이며, 아크릴 파이프와 플라스틱을 조합하여 제작하였다. 상부구조물과 부력재의 주요제원을 Table 1에 나타내었고, 파이프의 주요제원을 Table 2에 요약 제시하였다.
데이터처리
- 부이 구조물의 성능 평가를 위해 50년 재현주기 조건을 포함한 3가지 해상상태에서 모형시험을 수행하였고 종동요, 침수여부, 앵커 지지력에 대하여 분석하였다. 모형시험은 파도 단독 해상상태 및 복합 환경 해상 상태에서 수행되었으며, 모형시험 결과를 수치 시뮬레이션 결과와 비교 분석하였다.
- 서해에 설치된 부이에 대한 거동 해석을 위해 상용 계류해석 프로그램인 OrcaFlex를 이용하였다. 상부구조물와 부력재의 모델링은 OrcaFlex 내의 ‘6D buoy’ 모델을 이용하여 관성력과 부력, 유체항력을 외력으로 고려하였다.
이론/모형
- 본 부이 구조물은 방향성이 없으므로 선수파 조건만을 고려하였으며, 모든 경우 파도와 같은 방향(Collinear)으로 조류와 바람이 작용하는 조건으로 가정하여 시험을 수행하였다. 본 연구에서는 JONSWAP(Joint North Sea wave project) 스펙트럼이 사용되었다. Fig.
- 상부구조물와 부력재의 모델링은 OrcaFlex 내의 ‘6D buoy’ 모델을 이용하여 관성력과 부력, 유체항력을 외력으로 고려하였다.
- 상부구조물와 부력재의 모델링은 OrcaFlex 내의 ‘6D buoy’ 모델을 이용하여 관성력과 부력, 유체항력을 외력으로 고려하였다. 이 때, 유체력 계산은 모리슨(Morison) 방정식을 이용하고, 항력계수 및 부가질량 계수는 1.0을 적용하였다. 외/내경이 서로 다른 3종류의 파이프는 ‘Steel’ 재질의 ‘Homogeneous pipe’로 모델링하였다.
- 파이프의 무게 보정을 위해 ‘Clump’모델을 이용하였다.
성능/효과
- (1) 본 부이 구조물은 앵커 연결점을 중심으로 힌지 운동을 하기 때문에 매우 큰 종동요 운동 특성을 보여주고 있으며, 특히 해상상태 7의 복합 환경 조건에서는 조류 및 바람의 정적 경사 각도로 인하여 최소 –35도까지 종동요가 발생할 수 있음을 확인하였다.
- (2) 큰 종동요 운동으로 인하여 부이의 상부 구조물은 침수의 위험에 노출되며, 복합 환경 조건을 기준으로 해상상태 6부터는 침수가 발생하는 것으로 평가되었다. 특히 해상 상태 7 조건에 서는 시간당 약 50회 이상의 잦은 침수에 노출되는 것으로 평가되었다.
- (3) 앵커 용량과 관련하여 앵커 지지력을 계측하였으며, 해상 상태 7에서 최대 앵커 지지력이 정적 앵커 하중 대비 약 1.48배가량 발생할 수 있음을 확인하였다. 이러한 앵커 지지력과 안전율을 고려하여 앵커의 최종 용량이 산정될 필요가 있다.
- 복합 환경 조건에서는 조류 및 바람에 의한 초기 경사각으로 인하여 상대적으로 더 낮은 해상상태인 해상 상태 6 조건에서부터 침수가 발생하였다. 모형시험 평가 결과를 보면 해상상태 6조건에서의 침수 빈도수는 시간당 약 12회였으며, 해상 상태 7조건에서는 단위 시간당 약 55회의 침수가 발생 하였다. 이 경우에도 수치 시뮬레이션은 1.
- 이는 조류 및 바람에 의한 부가적인 감쇠력으로 인하여 부이 구조물이 종동요가 상대적으로 저감했기 때문으로 사료된다. 모형시험과 수치 시뮬레이션 결과를 직접 비교하면, 정점주기 근방에서 수치시뮬레이션 결과가 다소 크게 평가 되었지만 전반적으로는 모형시험과 수치해석 결과는 서로 잘 일치 하는 경향을 보인다. 두 결과 사이의 차이는 입사파 에너지와 감쇠력 모델의 차이로부터 발생한 것으로 판단된다.
- 해상상태 7 조건을 기준으로 보면 부이 구조물의 최소 종동요 값은 파도 단독 조건에서 –22°이지만, 복합 환경 조건에서 –35°까지 발생하였다. 반면 종동요의 표준 편차 값은 파도 단독 조건에 비하여 복합 환경 조건에서 약 18%~25%가량 줄어든 것을 확인할 수 있다. 수치 시뮬레이션 결과는 모형시험결과보다 부이 구조물을 종동요를 다소 과대평가하고 있지만, 전반적으로 경향은 잘 일치하는 것을 확인할 수있다.
- 인장식 계류 부이의 비선형 운동을 분석하고자 부이의 운동과 계류선 거동사이의 강한 연성효과를 포함한 수치모델을 구축하고, 시험과 수치해석 간의 결과를 비교하였다. 선형운동 뿐만 아니라 Sub-harmonic 운동 요소를 자세히 검토하였으며, Sub-harmonic 운동은 시간별로 변화하는 계류선의 장력에 의해 발생하는 비선형 연성 효과로 인해 지배됨을 확인하였다. Lee et al.
- 반면 종동요의 표준 편차 값은 파도 단독 조건에 비하여 복합 환경 조건에서 약 18%~25%가량 줄어든 것을 확인할 수 있다. 수치 시뮬레이션 결과는 모형시험결과보다 부이 구조물을 종동요를 다소 과대평가하고 있지만, 전반적으로 경향은 잘 일치하는 것을 확인할 수있다.
- 8은 부이 구조물 종동요의 최소값과 표준편차를 비교하여 보여주고 있다. 해상상태가 높아질수록 종동요의 최소값과 표준편차 값이 모두 증가하는 경향을 보였다. 복합 환경조건에 서는 조류와 바람에 의한 정적 경사 각도로 인하여 파도 단독인 조건에 비하여 부이 구조물의 최소 종동요가 더 크게 발생한 것을 확인할 수 있다.
- 조파성능의 한계로 인하여 해상상태 7의 경우 정점주기와 파 에너지가 다소 차이나는 것을 볼 수 있지만, 유의파고 기준으로 10% 이내로 교정된 파도 스펙트럼이 본 시험에 적용되었다. 해상상태에 따라 파도 스펙트럼을 비교하면, 해상상태가 커짐에 따라 파랑 에너지가 크게 증가하고 정점 주기는 점차 장주기(저주파수) 쪽으로 이동하는 것을 확인할 수 있다.
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