국내 연안의 카페리선박의 고박안전성은 화물의 중량과 적재된 위치에서 발생할 수 있는 선체가속도를 기반으로 한 작용 외력과 고박장치의 고박력 비교를 통해 평가하고 있다. 고박안전성 평가에 기본이 되는 국내 기준상의 선체가속도는 선박의 특성 및 항해조건의 반영이 없이 적용되고 있다. 본 연구에서는 국내 연안 카페리선박의 선체가속도를 분석하고자 부산-제주를 통항하는 DWT 6,800톤급 선속 15.5 knots의 선박을 기준으로 선체의 4개 지점에서 총 12회의 가속도 계측을 수행하였고, 항해구역 인근 기상관측 부이의 데이터를 수집하였다. 한정된 계측 결과에 대한 이론적 비교 분석을 위하여 수치 시뮬레이션을 통하여 주파수 응답 해석을 통한 RAO를 해석하였고, RAO 결과를 바탕으로 4개 지점에 대한 가속도 해석을 수행하였다. 가속도 비교 결과 위치별 정도의 차이는 있으나 Y축 가속도의 경우 해석 1.81 m/s2, 계측 1.47 m/s2로 해석 시뮬레이션 결과가 0.34 m/s2 높게 분석되었고, 고박안전성 평가기준 8.59m/s2와 비교해 볼 때 해석은 22 % 수준, 계측은 18 % 수준으로 분석되었다.
국내 연안의 카페리선박의 고박안전성은 화물의 중량과 적재된 위치에서 발생할 수 있는 선체가속도를 기반으로 한 작용 외력과 고박장치의 고박력 비교를 통해 평가하고 있다. 고박안전성 평가에 기본이 되는 국내 기준상의 선체가속도는 선박의 특성 및 항해조건의 반영이 없이 적용되고 있다. 본 연구에서는 국내 연안 카페리선박의 선체가속도를 분석하고자 부산-제주를 통항하는 DWT 6,800톤급 선속 15.5 knots의 선박을 기준으로 선체의 4개 지점에서 총 12회의 가속도 계측을 수행하였고, 항해구역 인근 기상관측 부이의 데이터를 수집하였다. 한정된 계측 결과에 대한 이론적 비교 분석을 위하여 수치 시뮬레이션을 통하여 주파수 응답 해석을 통한 RAO를 해석하였고, RAO 결과를 바탕으로 4개 지점에 대한 가속도 해석을 수행하였다. 가속도 비교 결과 위치별 정도의 차이는 있으나 Y축 가속도의 경우 해석 1.81 m/s2, 계측 1.47 m/s2로 해석 시뮬레이션 결과가 0.34 m/s2 높게 분석되었고, 고박안전성 평가기준 8.59m/s2와 비교해 볼 때 해석은 22 % 수준, 계측은 18 % 수준으로 분석되었다.
The securing safety of ferry ships on the domestic coast is evaluated by comparing the external force applied and the securing device based on the cargo weight and hull acceleration that can exist at the loaded position. The hull acceleration based on the domestic standard, which is the basis for se...
The securing safety of ferry ships on the domestic coast is evaluated by comparing the external force applied and the securing device based on the cargo weight and hull acceleration that can exist at the loaded position. The hull acceleration based on the domestic standard, which is the basis for securing safety evaluation, is applied without reflecting the characteristics of the ship and the sailing conditions. In this study, a total of 12 acceleration measurements were performed at four points of the hull of a ship with a DWT 6,800 ton class 15.5 knots passing through Busan-Jeju to analyze the hull acceleration of the domestic coastal ferry ship. Data were collected for the buoy. For a theoretical comparative analysis of the limited measurement results, the response amplitude operator (RAO) was analyzed through frequency-response analysis by numerical simulation, and acceleration analysis for the four points was performed using the RAO results. Based on the acceleration comparison, differences in the degree of each position were observed, but in the case of the Y-axis acceleration, the analysis was 1.81 m/s2, and the measurement was 1.47 m/s2. The analyzed simulation result was as high as 0.34 m/s2. Moreover, analysis was performed at 22 % level, and measurement at 18 % level.
The securing safety of ferry ships on the domestic coast is evaluated by comparing the external force applied and the securing device based on the cargo weight and hull acceleration that can exist at the loaded position. The hull acceleration based on the domestic standard, which is the basis for securing safety evaluation, is applied without reflecting the characteristics of the ship and the sailing conditions. In this study, a total of 12 acceleration measurements were performed at four points of the hull of a ship with a DWT 6,800 ton class 15.5 knots passing through Busan-Jeju to analyze the hull acceleration of the domestic coastal ferry ship. Data were collected for the buoy. For a theoretical comparative analysis of the limited measurement results, the response amplitude operator (RAO) was analyzed through frequency-response analysis by numerical simulation, and acceleration analysis for the four points was performed using the RAO results. Based on the acceleration comparison, differences in the degree of each position were observed, but in the case of the Y-axis acceleration, the analysis was 1.81 m/s2, and the measurement was 1.47 m/s2. The analyzed simulation result was as high as 0.34 m/s2. Moreover, analysis was performed at 22 % level, and measurement at 18 % level.
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제안 방법
12회의 실선 계측 기간 중 기상특보가 발효된 5개 기간에 대하여 상세 분석하였으며, 부산-제주간을 18시 30분 출항하여 다음날 07시 입항하는 규칙적인 항해 일정을 가지고 있다. 가속도 분석은 대상 선박의 항해 일정을 반영하여 선박이 출항 후 정상 항해를 시작한 당일 19:00에서 입항을 위한 준비(Stand by) 시작인 명일 06:00까지를 기준으로 시행하였고, 5초 기간동안 (+) 또는 (-)의 최대로 발생한 가속도를 샘플링하였다.
본 연구는 부산-제주의 수심 50 ~ 150 m의 운항 해역의 조건에 따라 Bretschneider spectrum을 반영하여 가속도를 산출 하였다. 식(6)은 해당 파랑스펙트럼(S(ω))을 나타낸다.
본 연구에서는 현재 국내 연안을 항해하는 카페리선박 중 여객이 승선하지 않고 다양한 비표준화 화물을 운송하는 화물구역이 폐위된 카페리선박인 부산-제주 통항 DWT 6,800 톤급 카페리선박을 대상으로 선체 4개 지점에 12회의 가속도를 실선 계측하고, 수치 시뮬레이션의 주파수 응답 해석 RAO(Response amplitude operator)를 기반으로 가속도를 해석하였으며, 화물고박기준의 선체가속도와 비교 분석하였다.
선박의 움직임에 대한 가속도 수치 시뮬레이션의 첫 단계는 주파수 응답 해석 (Frequency response analysis)을 수행하는 것으로, 주파수 응답 해석을 통한 대상 선박의 6자유도 운동에 RAO(response amplitude operators)를 해석하였다.
RAO 해석을 위하여 유한요소해석(FEA)계열 Patran를 통하여 Fig. 7과 같이 대상 선박을 모델링하였다.
국내 연안의 화물 운송 카페리선박에서 발생할 수 있는 가속도 실선 계측을 위하여 부산-제주를 통항하는 DWT 6,830톤급 성우 YJ호를 대상선박으로 선정하였다. 주요 제원은 Table 2와 같이 LBP 105.
0 rad/sec에 입사각 000 ~ 180°를 30° 간격으로 설정하였다. 선체가속도 해석은 실선계측과 비교를 위하여 유의파고 1.7 m, 2.0 m, 2.5 m로 설정하였다.
5 knots이며, 화물 적재시 GM은 2 m 수준을 유지하였다. 실선 계측은 Fig. 2의 일반 배치도에서 표기된 최상갑판의 화물창에서 LBP 기준으로 선미(0.2 L), 좌우현(0.5 L) 선수(0.7 L)의 4개 지점에 대하여 수행하였다.
이에 본 연구에서는 국내 연안이라는 제한된 항행구역 및 환경을 고려한 선체가속도 분석을 위하여 부산-제주간을 통항하는 DWT 6,800톤급 연안 카페리 선박을 대상으로, 총 12회에 선박의 4개 지점에 대한 가속도를 계측하였고, 3개의 기상부이 관측 데이터를 수집하였다. 실선 계측 기간 중 최대가속도 크기는 Max 0.
3과 같이 부산-제주를 통항하고 있으며 항해시 상황에 따라 거문도 남측과 북측을 통하여 제주로 통항하고 있다. 항적 분석 결과를 바탕으로 가장 인접한 3개소(A : 제주, B : 거문도, C : 거제도)의 기상관측부이에서 파고, 파향 등의 데이터를 수집하였다.
데이터처리
3장의 실선계측 결과는 특정한 파향, 파주기 등의 기상조건에서 시행한 계측 결과로 다양한 파향, 파주기에 대한 선체가속도 비교 분석을 위하여 Lloyd’s Waveload의 수치시뮬레이션을 수행하였다.
모델링 시 만재 출항 조건을 기준을 설정하였으며 RAO 해석을 위하여 영국의 선급 기관인 Lloyd's Register에서 개발하여 상용화된 WAVELOAD-FD 1.1을 통하여 시뮬레이션을 수행하였고, WAVELOAD-FD에서 모든 선박 및 구조물에 대한 주파수 응답 모델은 식(5)와 같이 6가지의 RAO에 대하여 파의 진폭 및 위상 정보를 포함하는 복합 진폭 (ξ : complex mode amplitude)와 선형화된 주파수 영역 모델에서 외적 파도에 의한 응답 계수를 통하여 평가한다.
이론/모형
실선 계측시 가속도 측정은 MEMS 기반의 G-MENS DR-01 센서를 활용하였다. MEMS 센서를 통한 선박의 가속도 계측은 Kim et al.
성능/효과
가속도 결과를 비교하면 Sa(x,y,z)가 Ma(x,y,z) 대비 117 % 수준이고, Ca(x,y,z)은 Sa(x,y,z) 대비 265 %, Ma(x,y,z) 대비 445 %로 현재의 화물고박기준에서 국내연안 카페리선박에 일괄 적용되는 기준 가속도는 실선 계측, 수치시뮬레이션 결과와 비교해 볼 때 과도한 기준값이 적용되고 있다고 판단된다.
대상선박의 선체가속도 해석결과 4개 지점에서 X축과 Y 축은 10 % 이내의 유사한 결과가 발생하였으나, Z 축의 경우 선체의 중앙대비 선수미에서 높게 산출되었다.
실선계측과 수치시뮬레이션을 비교한 결과 파주기에 따라 차이가 존재하지만 평균적으로 수치시뮬레이션이 높게 평가되었으며, 파주기를 제외한 각각의 최대 가속도를 비교하면 수치시뮬레이션이 높은 것으로 분석되었다.
연안카페리선박 중 부산-제주간 화물을 운송하는 선박을 대상으로 수행한 실제계측 및 수치시뮬레이션의 선체가속도는 화물고박기준에 따른 선체가속도 대비 최대 38 % 수준으로 확인되었다. 이러한 가속도 분석결과는 국내 연안 1일이내의 항행구역으로 제한되는 운항환경의 특수성을 고려하면 연안 카페리선박의 선체가속도에 대한 기초 검토 자료로 활용될 것으로 기대된다.
)의 최대 가속도를 나타낸다. 최대값을 기준으로 평균적으로 비교한 결과 X축에서는 Cax는 Sax 대비 378 %, Max 대비 543 % 수준이고, Y축에서 Cay는 Say 대비 496 %, May 대비 584 % 수준이며, Z축에서 Caz는 Saz 대비 265 %, Maz 대비 445 % 수준으로 분석되었다.
후속연구
연안카페리선박 중 부산-제주간 화물을 운송하는 선박을 대상으로 수행한 실제계측 및 수치시뮬레이션의 선체가속도는 화물고박기준에 따른 선체가속도 대비 최대 38 % 수준으로 확인되었다. 이러한 가속도 분석결과는 국내 연안 1일이내의 항행구역으로 제한되는 운항환경의 특수성을 고려하면 연안 카페리선박의 선체가속도에 대한 기초 검토 자료로 활용될 것으로 기대된다.
향후 다양한 연안 항해구역 및 기상조건과 다양한 카페리선박을 대상으로 선체가속도 측정 및 수치시뮬레이션을 통해 연안 카페리선박에서 발생할 수 있는 최대 선체가속도에 대한 신뢰도 향상과 화물고박기준의 합리적인 가속도 기준 제시를 위한 추가 연구가 필요하다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
국내 연안 카페리선박은 어떤 것이 있는가?
국내 연안 카페리선박은 여객 및 차량을 주목적으로 하는 여객선 외에 제주-부산 등, 국내 연안의 비표준화 화물 운송을 목적으로 하는 선박이 있으며, 이러한 화물 운송 전용 카페리선박은 포항, 광양을 기점으로 철강재를 전용으로 운송하는 선박과 자동차, 일반 화물, 컨테이너 계열의 철제 상자 등 다양한 비표준화 화물을 운송하는 선박이 있다.
고박장치의 고박력과 화물에 작용하는 외력(관성력)을 비교하는 과정을 설명하시오.
화물고박기준에서 고박안전도는 IMO CSS(IMO, 2011)를 준용하여 고박장치의 고박력과 화물에 작용하는 외력(관성력)을 비교하는 과정을 제시하고 있다. 고박력과 비교되는 화물에 작용하는 외력은 화물의 질량과 적재된 위치에서의 선체가속도를 기반으로 산출하고 있고, 이 때의 선체가속도는 IMO CSS에 기반하여 항행 구역에 제한이 없는 25일 이상의 연속항해를 기반으로 하는 원양 항행 선박에 발생하는 가속도를 기준으로 하고 있다.
국내 연안의 카페리선박의 고박안전성을 평가하는 방법은 무엇인가?
국내 연안의 카페리선박의 고박안전성은 화물의 중량과 적재된 위치에서 발생할 수 있는 선체가속도를 기반으로 한 작용 외력과 고박장치의 고박력 비교를 통해 평가하고 있다. 고박안전성 평가에 기본이 되는 국내 기준상의 선체가속도는 선박의 특성 및 항해조건의 반영이 없이 적용되고 있다.
참고문헌 (11)
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Choung, J. M., H. S. Jo, K. H. Lee, and Y. W. Lee(2016b), Study on Structural Safety of Car Securing Equipment of Coastal Carferry: Part II Assessment of Lashing Safety according to Acceleration Prediction Approaches, Journal of Ocean Engineering and Technology, Vol. 30, No. 6, pp. 451-457.
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Kim, D. H., S. M. Lee, and G. Y. Kong(2013), A Study on the Wireless Ship Motion Measurement System Using AHRS, J. Navig. Port Res., Vol. 37, No. 6, pp. 575-580.
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