[논문]파랑중 선박의 운동이 갑판적 컨테이너의 Securing 및 Lashing 시스템에 미치는 영향 해석

윤현규; 이경중; 양영훈

파랑중 선박의 운동이 갑판적 컨테이너의 Securing 및 Lashing 시스템에 미치는 영향 해석
An Analysis of the Influence of Ship Motion on the Securing and Lashing System of Containers on the Deck 원문보기

윤현규 (한국해양연구원 해양안전방제연구본부) , 이경중 (한국해양연구원 해양안전방제연구본부) , 양영훈 (한국해양연구원 해양안전방제연구본부)

파랑중을 운항하는 선박은 항상 파도의 영향을 받아 운동을 하게 된다. 특히 컨테이너선과 같이 갑판위에 화물을 많이 운송하는 선박의 경우에는 여러 방향이 운동형태 중에서 횡동요가 화물의 안전에 가장 큰 영향을 미친다. 이러한 선박에서는 컨테이너의 이동 및 전도를 방지하기 위하여 Securing과 Lashing을 하게 되는데, 적절한 시스템의 선정을 위하여 각각에 작용하는 하중들의 정확한 평가가 요구되고 있다. 따라서 본 논문에서는 갑판적 컨테이너들의 연결부에 작용하는 Securing 하중과 Lashing 와이어에 작용하는 힘에 대한 계산식을 유도하고, 몇가지 Lashing 패턴에 대하여 계산을 수행하였다.

A ship runs with various modes of motion due to waves. Among the modes, roll mainly influences on the safety of cargos on the deck of container ship. In order to protect cargo shifting and turning, securing and lashing system are generally installed. In that case, it is necessary that the force and moment at the connection point of containers should be estimated. Therefore we derived mathematical equations to calculate the forces of securing points and lashing wires. Also we calculated those forces and moments about various lashing patterns.

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가설 설정

② 컨테이너는 길이방향으로 미끄러지거나 전도되지 않는다.
③ 선박의 전후방향, 종방향 운동은 컨테이너의 관성력에 영향 절의 가정과 같이 선수동요 성분은 없다.
③ 선박의 전후방향, 종방향 운동은 컨테이너의 관성력에 영향을 준다.

제안 방법

파랑 중 운항하는 선박의 6자유도 운동을 포텐셜 이론과 스 트립법을 이용하여 수학적으로 정식화하고, 계산을 수행하였다. 대상선박은 대형 컨테이너선이고, 계산된 운동이 수직 적층된 갑판적 컨테이너들 간에 미치는 Securing 하중과 lashing 와이어 장력에 작용하는 효과를 해석하였다.
앞서 언급한 바와 같이 연결점에서의 부재 특성을 고려하여 변위를 계산하면, 각 연결점에서의 하중을 구할 수 있지만, 상당히 많은 입력자료가 요구된다. 따라서 본 논문에서는 주어진 문제를 간략화하여 힘과 모멘트 평형조건식 만을 이용하여 중요한 연결점 위치에서의 하중만을 계산하는 식을 유도하기로 한다. 이를 위하여 다음과 같은 가정을 하기로 한다.
이를 위하여, 적절한 가정을 도입하여 문제를 단순화한 후 힘과 모멘트의 평형식으로부터 컨테이너의 양쪽 모서리에 작용하는 수직방향 힘들과 바닥면에 작용하는 수평방향 힘을 계산하는 식을 유도하였다. 또한 Lashing 와이어가 없는 경우 전도 조건을 가정하여, 와이어가 있는 경우에 대한 장력 계산식을 제안하였다. 제안식들을 통하여 계산을 수행한 결과, 전체 시스템의 물리적인 특성을 어느정도는 반영하고 있는 것으로 판단되었다.
컨테이너에 작용하는 힘은 적재된 인접열 간에는 전달되지 않는다고 가정한 후, 힘과 모멘트의 평형식으로부터 계산하는 단순한 방법을 제안하였다. 또한 적절한 가정을 통하여 Securing 장치인 Twistlock과 Lashing 와이어에 작용하는 하중 계산식을 유도하고, 2층으로 적재된 기본적인 Lashing 패턴 4가지 경우에 대하여 계산을 수행하였다.
Light 경우에는 속도가 10 knot, 유의파고는 12 m, 횡파 조건에서 수행하였다. 실제적으로 유의파고 12 m는 너무 과도한 환경조건이지만 큰 횡동요를 유발시켜서 본 논문에서 제안하는 계산법을 검증하기로 한다. 불규칙파의 생성을 위해서 ITTC 파랑 스펙트럼 (Bhattacharyya, 1978)을 사용하여 10개의 주파수들에 대한 파 성분의 진폭을 구한 후 중첩하여 사용하였다.
이를 위하여, 적절한 가정을 도입하여 문제를 단순화한 후 힘과 모멘트의 평형식으로부터 컨테이너의 양쪽 모서리에 작용하는 수직방향 힘들과 바닥면에 작용하는 수평방향 힘을 계산하는 식을 유도하였다. 또한 Lashing 와이어가 없는 경우 전도 조건을 가정하여, 와이어가 있는 경우에 대한 장력 계산식을 제안하였다.
본 논문에서는 불규칙파 중을 운항하는 선박에 대한 운동값을 2차원 포텐셜 이론과 스트립법을 통하여 계산하였다(윤현규 외, 2004). 컨테이너에 작용하는 힘은 적재된 인접열 간에는 전달되지 않는다고 가정한 후, 힘과 모멘트의 평형식으로부터 계산하는 단순한 방법을 제안하였다. 또한 적절한 가정을 통하여 Securing 장치인 Twistlock과 Lashing 와이어에 작용하는 하중 계산식을 유도하고, 2층으로 적재된 기본적인 Lashing 패턴 4가지 경우에 대하여 계산을 수행하였다.
파랑 중 운항하는 선박의 6자유도 운동을 포텐셜 이론과 스 트립법을 이용하여 수학적으로 정식화하고, 계산을 수행하였다. 대상선박은 대형 컨테이너선이고, 계산된 운동이 수직 적층된 갑판적 컨테이너들 간에 미치는 Securing 하중과 lashing 와이어 장력에 작용하는 효과를 해석하였다.

대상 데이터

대상 선박은 9000TEU급 컨테이너선(김선영 외, 2004)이고, 주요제원을 Table 1에 나타내었다. Table 1에서 ScantUng 값이 실제값이고, 좀더 횡동요가 많이 발생하는 조건을 만들어주기 위하여 Light 조건을 임의로 설정하였다.

이론/모형

따라서 각각의 컨테이너들을 집중질량으로 모델링하여 다물체 동력학 문제로 다룰 수도 있으나, 이 때도 강성값 등의 고려 및 매우 작은 시간간격에 대하여 계산을 수행하여야 하는 문제가 있다. 본 논문에서는 불규칙파 중을 운항하는 선박에 대한 운동값을 2차원 포텐셜 이론과 스트립법을 통하여 계산하였다(윤현규 외, 2004). 컨테이너에 작용하는 힘은 적재된 인접열 간에는 전달되지 않는다고 가정한 후, 힘과 모멘트의 평형식으로부터 계산하는 단순한 방법을 제안하였다.
실제적으로 유의파고 12 m는 너무 과도한 환경조건이지만 큰 횡동요를 유발시켜서 본 논문에서 제안하는 계산법을 검증하기로 한다. 불규칙파의 생성을 위해서 ITTC 파랑 스펙트럼 (Bhattacharyya, 1978)을 사용하여 10개의 주파수들에 대한 파 성분의 진폭을 구한 후 중첩하여 사용하였다.

성능/효과

5. (a), (b)를 종합해 보면 아래쪽 컨테이너가 위쪽 것의 무게만큼 힘을 추가로 받는 것을 알 수 있고, scantHng 상태에서는 자중에 의한 힘으로 충분히 전도 모멘트를 지탱하고 있는 것을 볼 수 있다. 왜냐하면 위쪽 컨테이너의 양쪽에 작용하는 수직 방향 힘이 모두 0보다 크기 때문이다.
3의 Lashing 패턴에 따른 장력과 수평 방향 반작용력을 나타내었다. 장력의 크기 측면에서는 Vertical lashing이 가장 우수하며, 수평방향 반작용력을 줄이는 효과도 동시에 얻기 위해서는 External cross lashing이 가장 좋은 것을 알 수 있다.
또한 Lashing 와이어가 없는 경우 전도 조건을 가정하여, 와이어가 있는 경우에 대한 장력 계산식을 제안하였다. 제안식들을 통하여 계산을 수행한 결과, 전체 시스템의 물리적인 특성을 어느정도는 반영하고 있는 것으로 판단되었다. 따라서 제안된 식은 Securing 장치나 와이어의 강성값 등이 없어도 하중과 장력을 계산할 수 있는 단순식이므로, 적은 개수의 변수들을 이용하여 개략적인 평가에 유용하게 적용할 수 있을 것으로 기대된다.

후속연구

제안식들을 통하여 계산을 수행한 결과, 전체 시스템의 물리적인 특성을 어느정도는 반영하고 있는 것으로 판단되었다. 따라서 제안된 식은 Securing 장치나 와이어의 강성값 등이 없어도 하중과 장력을 계산할 수 있는 단순식이므로, 적은 개수의 변수들을 이용하여 개략적인 평가에 유용하게 적용할 수 있을 것으로 기대된다.
앞으로, 수평방향의 커넥터가 연결되어 있는 경우 및 좀 더 복잡한 Lashing 패턴에 대해서도 계산이 가능하도록 제안된 식을 확장하여야 한다. 또한 바람 등의 환경 외력의 추가도 고려 하여야 한다.

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