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ISSN : 1598-5725(Print)
ISSN : 2093-8470(Online)
Journal of Navigation and Port Research Vol.42 No.6 pp.427-436
DOI : https://doi.org/10.5394/KINPR.2018.42.6.427

An Experimental and Numerical Study on the Survivability of a Long Pipe-Type Buoy Structure in Waves

Yong-Ju Kwon*․†,Bo-Woo Nam,Nam-Woo Kim**,In-Bo Park***,Sea-Moon Kim****
*,**,***,****,†Korea Research Institute of Ships & Ocean Engineering (KRISO)
Corresponding author : 정회원, bwnam@kriso.re.kr 042)866-3934
25/10/2018 06/12/2018 06/12/2018

Abstract


In this study, experimental and numerical analysis were performed on the survivability of a long pipe-type buoy structure in waves. The buoy structure is an articulated tower consisting of an upper structure, buoyancy module, and gravity anchor with long pipes forming the base frame. A series of experiment were performed in the ocean engineering basin of KRISO with the scaled model of 1/22 to evaluate the survivability of the buoy structure at West Sea in South Korea. Survival condition was considered as the wave of 50 year return period. Additional experiments were performed to investigate the effects of current and wave period. The factors considered for the evaluation of the buoy’s survival were the pitch angle of the structure, anchor reaction force, and the number of submergence of the upper structure. Numerical simulations were carried out with the OrcaFlex, the commercial program for the mooring analysis, with the aim of performing mutual validation with the experimental results. Based on the evaluation, the behavior characteristics of the buoy structure were first examined according to the tidal conditions. The changes were investigated for the pitch angle and anchor reaction force at HAT and LAT conditions, and the results directly compared with those obtained from numerical simulation. Secondly, the response characteristics of the buoy structure were studied depending on the wave period and the presence of current velocity. Third, the number of submergence through video analysis was compared with the simulation results in relation to the submergence of the upper structure. Finally, the simulation results for structural responses which were not directly measured in the experiment were presented, and the structural safety discussed in the survival waves. Through a series of survivability evaluation studies, the behavior characteristics of the buoy structure were examined in survival waves. The vulnerability and utility of the buoy structure were investigated through the sensitivity studies of waves, current, and tides.



긴 파이프로 이뤄진 세장형 부이 구조물의 파랑 중 생존성에 관한 모형시험 및 수치해석 연구

권용주*,남보우,김남우**,박인보***,김시문****
*,**,***,****,†선박해양플랜트연구소

초록


본 논문에서는 긴 파이프 이뤄진 세장형 부이 구조물의 파랑 중 거동특성에 관한 모형시험과 수치해석 연구를 수행하였다. 대상 부이 구조물은 긴 파이프를 기본 뼈대로 하여, 상부구조물, 부력재, 중력식 앵커로 구성된 아티큘레이트(Articulated)형 부이 구조물이다. 대상 해역인 서해에서의 본 부이 구조물의 생존성을 평가하기 위하여, 축척비 1/22의 축소 모형을 제작하여 선박해양플랜트연구소 해양공학수조에 서 일련의 모형시험을 진행하였다. 이 때 50년 재현주기의 극한파 조건을 고려하였으며, 또한 조류 및 주기 효과를 검토하기 위하여 추가적인 실험을 수행하였다. 생존성 평가를 위한 주된 평가항목으로는 구조물의 거동, 앵커 지지력, 침수 횟수를 고려하였다. 모형시험 결과와의 상호 검증을 수행하기 위하여 상용계류해석 프로그램인 OrcaFlex를 이용하여 수치 시뮬레이션을 병행하였다. 평가결과로써 먼저 조위차에 따른 본 부이 구조물의 거동 특성에 대해 살펴보았다. 고조위와 저조위 조건에서의 종동요 응답, 앵커지지력의 변화를 살펴보았으며, 수치 시뮬레 이션 결과와의 직접 비교 검토하였다. 두 번째로는 파도 주기와 조류의 유무에 따른 부이 구조물의 응답 특성 변화에 대해 고찰하였다. 세 번 째로는 상부구조물의 침수와 관련하여 비디오 분석을 통한 침수 횟수를 수치해석 결과와 비교 제시하였다. 마지막으로 모형시험에서 직접 계 측하지 못한 구조응답과 관련하여 수치 시뮬레이션 결과를 제시하고, 극한파 중 구조적 안전성에 대해서 논하였다. 일련의 생존성 평가 연구 를 통하여 본 부이 구조물의 극한파 중 거동 특성에 대해 살펴볼 수 있었으며, 파도, 조류, 조위차에 따른 민감도 특성을 통해 본 부이구조물 의 취약점 및 활용성에 대해 고찰해 보고자 하였다.



    1. 서 론

    해양에 설치된 부이는 특정 위치에서 지속적인 데이터를 수집하며, 해양관측용 부이는 해양환경 데이터 등을 수집하기 위한 목적으로 활용된다. 해양관측용 부이는 활용되는 기간에 겪을 수 있는 극한조건(Extreme condition) 또는 생존조건 (Survival condition)에서 안전성을 갖도록 설계되어야 한다. 해양관측용 부이는 특정 위치에 머무르기 위해 다양한 계류방 식을 이용하며, 긴장계류나 S자형 계류 등을 이용한 일점계류와 다양한 형태의 다점계류로 위치를 유지한다(Berteanx[1976]). 일 점계류 중 아티큘레이트드 타워(Articulated tower) 형태의 긴장 계류방식은 극한환경에서 부이본체의 침강과 계류삭에 큰 하중 이 걸리므로(Park and Shin(2003)) 안전성 검토가 요구된다.

    해양에 설치된 부이의 극한환경에서의 생존성에 관한 연구 가 다수 수행되었다. Kim et al.(2017)은 바람정보를 계측하기 위한 LiDAR 장비를 탑재한 부유식 기상 부이의 개념설계를 수행하고, 반잠수식 구조물 형태의 부이에 대한 운동해석과 더불어 계류시스템의 안전성을 평가하였다. ABS 설계 기준에 따라 계류 장력에 대한 평가를 수행하고, 앵커점에서의 최대 장력을 기준으로 중력식 앵커의 중량을 확인하였다. Williams and McDougal (2013)은 천해에서의 터렛 형태의 새로운 CALM (Catenary Anchor Leg Mooring) 부이의 설계에 대해 실험적으로 검토하고, 운용환경과 극한환경조건에서 운동성능 을 평가하였다. 2개의 굽어진 체인으로 계류된 CALM 부이의 운용조건, 극한조건, 생존조건에 대해 가장 큰 하중이 발생하 는 계류선에 대해 ABS 룰을 기준으로 최소 파단강도 (Minimum breaking level, MBL)를 만족함을 확인하였다. 해 양파력발전이나 풍력발전 등 해양에너지 분야 역시 설치된 구 조물의 계류 안전성에 대한 생존성 평가가 수행된다. Gao and Moan (2009)은 다수의 파력발전 시스템에 대한 다양한 형태 의 계류시스템에 대한 해석을 수행하였으며, 이 때 이완계류, 긴장계류, 부이를 포함한 형태에 대해 성능평가를 수행하였다. 팜(farm) 형태의 다수의 파력발전 시스템에 대해 부이를 포함 한 계류 형태를 기준으로 구조물의 생존성능을 검토하였다. Kim et al. (2016)은 대형 부유식 파력-해상풍력 복합발전 구 조물의 극한환경에서의 운동 성능을 실험적으로 검토하였다. 설계된 계류선에 부합한 모델 계류선을 제작하고, 바람, 조류, 파랑 등이 포함된 복합환경 하중에서의 운동성능을 확인하였 다. 다점으로 계류된 계류선은 생존조건을 포함하여 100년과 50년 재현주기 조건에서 구조물의 운동 및 계류선의 장력에 대해 검토되었으며, 플랫폼의 최대 변위 조건과 안전계수 조 건을 모두 만족함을 확인하였다. Park et al. (2013)은 부유식 진자형 파력발전 장치의 계류시스템의 생존성에 관한 연구를 수행하였으며, 수치해석기법을 통해 설계된 계류 시스템의 안 전성에 대한 평가를 수행하였다.

    본 논문에서는 통상적인 앵커체인에 의해 일점 계류된 부 이가 아닌 아티큘레이티드 타워(Articulated tower) 형태의 부 이 구조물에 대해 거동특성을 파악하고자 모형시험 및 수치해 석 연구를 진행하였다. 대상 구조물은 긴 파이프로 이뤄진 세 장형 부이 구조물로써 서해에 설치운용 예정이며, 이 구조물 에 대해 극한환경조건 중 생존성을 평가하고자 하였다. 생존 성 평가를 위한 파랑조건으로는 서해의 50년 재현주기 파도조 건에 해당하는 해상상태(Sea state) 7의 파고 및 파주기 조건 을 고려하였다. 파도 단독 조건과 더불어 조류와 바람이 포함 된 복합 환경 조건을 함께 고려하였다. 서해를 대상으로 조위 차에 따른 응답 특성을 검토하였으며, 파도 주기 효과 및 조류 효과를 추가적으로 검토하였다. 부이의 안전성은 상부구조물 의 종동요와 침수여부와 더불어 앵커지지력을 기준으로 평가 하였다.

    2. 모형시험

    2.1 시험 모형

    본 연구에서는 극한환경에서 긴 파이프로 이뤄진 부이 구 조물의 응답을 평가하기 위하여 축소모형을 이용한 일련의 모 형시험을 수행하였다. 대상 구조물은 Fig. 1에 나타낸 바와 같 이 긴 파이프를 기본 뼈대로 하여, 상부 끝단에 위치한 상부구 조물(Upper structure), 파이프 중간에는 주판알 모양의 부력 을 제공하는 부력재(Floater), 파이프 하부 끝단에 위치한 중 력식 앵커(Anchor)로 구성된다. 본 부이구조물은 통상적인 앵 커체인에 의해 일점 계류된 부이가 아닌 아티큘레이티드 타워 형태로 부이구조물이며, 수면 아래에 파이프 사이에 위치한 부력재의 복원력을 이용하여 위치를 유지한다. 파이프는 3개 의 종류가 혼합하여 사용되었으며, Fig. 1에서 파란색으로 표 시된 상부파이프(Pipe 1)와 초록색으로 표시된 부력체 주위의 파이프(Pipe 2) 그리고 빨간색으로 표시된 부력재 상하부에 설치되는 파이프(Pipe 3)로 나누어진다. 본 모형시험은 선박해 양플랜트연구소(KRISO)의 해양공학수조에서 수행되었으며, 수조의 조파성능과 모형 제작을 고려하여 축척비는 1/22로 결 정하였다. 시험 모델은 아크릴 파이프와 플라스틱을 조합하여 제작하였다. 시험 모델의 주요제원은 Table 12에 요약 제 시하였다.

    2.2 환경조건

    극한환경조건에서 부이 구조물의 생존성을 평가하기 위해 해양환경조건은 재현주기 50년 조건에 상응하는 해상상태 (Sea state) 7에 대해 평가를 진행하였으며, 파도, 바람, 조류 가 모두 포함된 복합 환경 조건을 고려하였다. 본 연구에서는 바람과 조류의 유무에 따른 영향을 비교 검토하기 위하여, 파 도 단독 조건을 포함하였다. 또한 동일한 유의파고에 정점주 기만을 변화를 주어 파도 주기에 따른 영향을 추가적으로 검 토하였다. Table 3은 모형시험에서 고려한 4가지의 환경조건 을 보여준다. 파향(Wave direction, Dir), 정점주기(Peak period, Tp), 유의파고(Significant Wave height, Hs), JONSWAP 스펙트럼 피크향상계수(peak enhancement factor, γ)를 표에 순서대로 나타내었다. 또한 ‘Vc’와 ‘Vw’는 각각 조 류속도와 바람속도를 지시한다. IRW01(파도단독조건, 50년 재현주기)과 IRW02(파도단독조건, 주기효과)는 해상상태 7에 해당하는 파도 단독의 불규칙파 조건이며, IRW03(복합환경조 건, 50년 재현주기)과 IRW04(복합환경조건, 주기효과)는 같은 환경조건에서 파도, 바람, 조류가 모두 포함된 복합 환경 조건 이다. IRW01과 IRW03은 서해에서 50년 재현주기 조건의 정 점주기와 유의파고에 대응되며, IRW02와 IRW04는 같은 해상 상태에서 50년 재현주기보다 짧은 정점주기 조건이다. 본 연 구에서 고려한 바람과 조류 속도는 각각 50m/s와 2m/s이며, 이는 태풍 시의 바람 속도와 서해의 강한 조류 속도를 고려한 값이다. 본 부이구조물은 축대칭의 원형 형태로 방향성을 갖 지 않으므로 파향은 선수파만을 고려하였다. 모든 환경조건에 서 파도와 동일한 방향(Collinear)으로 조류와 바람을 작용한 다고 가정하였다. Fig. 2는 계측된 파도 스펙트럼을 대상으로 하는 파도 스펙트럼과 비교하여 보여준다. 이 때, 빨간색 실선 은 수식에 의한 대상 파스펙트럼이며, 검정색 점선은 모형시 험에서 계측된 파스펙트럼이다. ‘IRW01’의 파스펙트럼의 경우 해양공학수조의 조파성능의 한계로 인해 정점주기와 파 에너 지가 다소 차이를 보이는 것을 확인할 수 있으나, 유의파고를 기준으로 10% 이내였다. ‘IRW02’의 파스펙트럼은 대상 파스 펙트럼과 매우 잘 일치하는 것을 확인할 수 있다.

    2.3 수조 배치 및 계측 항목

    Fig. 3은 모형시험에서 조위차에 따른 시험 세팅과 수조 내 의 배치를 보여준다. 본 부이의 설치 대상 지역인 서해는 낮은 수심과 큰 조위차를 특징으로 한다. 시험 환경에서의 수조의 수심이 대상해역의 수심보다 깊기 때문에, 본 연구에서는 부 이 구조물의 하단에 바닥 구조물을 설치하여 수심을 보정하였 다. 또한 본 연구에서는 설치 대상 지역의 고조위(Highest Astronominal Tide, HAT)와 저조위(Lowest Astronominal Tide, LAT) 조건에서 부이의 응답 특성을 동시에 검토하기 위하여, 하부 플레이트를 이용하여 고조위와 저조위 조건을 구현하였다. 복합 환경 조건을 재현하기 위해 조류와 바람을 직접 생성하였으며, 구조물의 전방 5 m 지점에 바람발생장치 2기를 설치하였다. 이 때 파도, 바람, 조류 방향은 일치시켰다. 모형 시험에서 계측한 항목은 부이구조물의 회전 운동(종동 요)과 파이프 하부의 앵커지지력이며, 부이 구조물의 응답 특 성과 침수여부 확인을 위한 비디오 촬영을 같이 진행하였다. 부이 구조물의 운동은 비접촉식 광학 운동 계측 카메라 (Qualisys)를 이용하여 상부구조물에 설치된 3개의 마커를 이 용하여 계측하였으며, 앵커지지력은 파이프 최하단과 유니버 셜 조인트 사이의 1축 방수 로드셀을 연결하여 계측하였다. 로드셀에 걸리는 힘은 NI 장비 중 NI-USB-6363를 사용하여 아날로그 입력을 하였으며, 샘플링레이트(Sampling rate)는 50 Hz로 하였다. 부력체의 운동 및 상부구조물의 침수여부는 수중과 수상 카메라를 이용하여 분석을 진행하였다.

    3. 수치 시뮬레이션

    본 연구에서는 계류해석 전용 프로그램인 OrcaFlex를 이용 한 시간영역 수치 시뮬레이션을 통하여 모형시험으로 확인한 본 부이구조물의 응답을 검증하고자 하였다. 상부구조물과 부 력재에 대한 수치모델링은 ‘6D buoy’ 모델을 적용하였다. ‘6D buoy’ 모델은 구조물의 관성력과 부력, 모리슨 방정식에 기반 한 유체항력을 외력으로 고려하며, 이 때 부가질량 계수는 1.0 을 적용하였다. 파이프는 유한요소 모델을 이용하여 모델링 되었으며, 외경과 내경이 서로 다른 3가지 종류의 스틸파이프 제원을 기반으로 ‘Homogeneous pipe’로 Line 모델을 적용하 였다(OrcaFlex, 2017). 이 때 적용된 항력과 부가질량계수는 각각 1.2와 1.0이다. 파이프의 전체 모델은 ‘Clump’ 모델을 이 용하여 보정하였으며, 파이프의 하단부에 힌지 조건이 적용되 었다. Fig. 4는 프로그램에서 사용된 수치 모델을 도시적으로 나타낸다. 수치 시뮬레이션은 실선 스케일을 기준으로 수행되 었다.

    4. 결과 및 고찰

    4.1 조위차에 따른 응답 특성

    Fig. 5는 고조위와 저조위 조건에서의 부이 구조물의 거동 스냅샷을 보여준다. 본 부이 구조물은 하부 끝단이 앵커와 힌 지 형태로 구속되어 있기 때문에 환경외력이 발생했을 때 하 부 끝단을 중심으로 회전 운동을 보이게 된다. 선수파 조건을 기준으로 보면 부이 구조물은 종동요 운동을 주로 경험하게 되며, 구조물의 종동요 응답에 따라 상부 구조물과 수면사이 의 수직거리가 시시각각으로 큰 폭으로 변화하게 된다.

    Fig. 6은 50년 재현주기 파조건(IRW03)에서의 부이구조물 의 종동요와 앵커 지지력의 시계열을 보여준다. Fig. 6(a)와 Fig. 6(b)는 각각 고조위와 저조위 조건에서의 응답 시계열이 다. 부이구조물의 종동요 응답 시계열을 보면, 바람과 조류가 포함된 복합 환경 조건이기 때문에 초기 기운 각도가 발생하 고 이를 중심으로 동적인 거동이 발생한 것을 확인할 수 있다. 고조위와 저조위에서의 초기 종동요는 각각 약 14.1°와 17.2° 였다. 이 때 초기 기운 각도가 차이나는 것은 저조위 조건에서 상대적으로 부력중심 위치가 낮아짐에 따라 복원력이 감소하 기 때문이다. 파도에 의해 주로 기진하는 동적인 종동요 응답 도 고저위 조건에서 보다 저조위 조건에서 다소 증가한 경향 을 확인할 수 있다. 특히 저조위 조건에서는 최대 약 40도까지 부이 구조물이 기운 상황이 수차례 발생한 것을 확인할 수 있 다. 앵커지지력 시계열은 초기 장력을 배제하고 동적 장력만 을 나타내었다. 이 때 가장 큰 앵커지지력이 발생하는 1,300초 부근에서 저조위에서의 동적 앵커지지력이 고조위 조건에서 보다 더 큰 것을 확인할 수 있다. 이는 저조위 조건에서 부이 구조물의 운동이 커짐에 따라 관성력과 부력으로 기인한 동적 하중이 증가했기 때문으로 생각된다.

    부이구조물의 종동요와 앵커지지력의 정량적인 경향을 확 인하기 위해 통계치를 수치해석 결과와 같이 비교 검토하였 다. Fig. 7과 Fig. 8은 고조위와 저조위에서 부이구조물의 종 동요와 앵커지지력의 통계치를 보여주며, 통계치는 최소값, 평 균값, 최대값에 대해 나타내었다. 여기서 부이구조물의 응답은 전체 샘플 데이터를 기준으로 평가하였다. 검정색 비워진 바 그래프는 시험 결과이며, 빨간색 채워진 바 그래프는 실제 수 심조건에서의 수치 시뮬레이션 결과이다. 또한 파란색 사선의 바 그래프는 실험수심 조건에서의 계산결과이다. 또한 앞서 시계열에서 살핀 바와 동일하게 부이구조물의 종동요 운동은 저조위 조건에서 상대적으로 크게 발생하였으며, 이 때 최대 종동요 각도가 약 –45°까지 발생하였다. 수치 시뮬레이션에 서도 모형시험과 유사한 경향을 확인해 주고 있으며, 두 결과 간의 일치도는 매우 좋았다. 앵커지지력은 조위차에 따라 평 균값에서 약간 차이를 보이지만, 동적 응답을 포함한 결과는 조위차와 관계없이 약 25톤으로 유사하였다. 이 때 저조위 조 건에서 발생한 앵커지지력은 정적 하중을 기준으로 약 1.60배 에 해당한다. 수치 시뮬레이션에서는 모형시험에서 보다 저조 위 조건을 기준으로 약 10~30% 가량 작게 평가되었다. 이러한 오차의 첫 번째 원인으로는 수치 모델과 모형시험간의 축척효 과(Scale effect)에서 기인한 유체항력의 차이로 사료된다. 또 한 두 번째 원인으로는 파도와 조류가 포함된 복잡한 유동장 에서 대변위로 움직이는 세장체 운동을 세밀하게 평가하기에 는 모리슨 항력 기반의 수치 시뮬레이션 방법이 한계를 가지 고 있다고 사료된다. 특히 상부구조물이 침수될 때에는 수치 계산에서 엄밀하기 고려하지 못하는 입수(Water entry) 또는 출수(Water exit) 유체력이 작용하기 때문에 대파고 조건에서 는 오차가 증가하게 된다. 또한 실험수심 조건에서의 계산결 과가 실제수심 조건에서의 결과에 비해 작게 평가된다. 이는 실제수심 조건 계산에서 해저바닥에 의해 앵커지지력이 크게 평가되는 반면, 바닥구조물이 설치된 실험수심에서의 계산은 해저바닥의 영향이 적으며 앵커지지력이 적게 평가되기 때문 이다.

    4.2 파도 및 조류에 따른 영향

    본 절에서는 파도 및 조류에 따른 영향을 검토하기 위하여, 파도 주기 변화에 따른 결과와 조류 유무에 따른 결과를 직접 비교 분석하였다. Fig. 9는 파도주기 변화 및 조류유무에 따른 부이 운동특성 변화를 시계열로써 직접 비교하여 보여준다. Fig. 9(a)는 파도 주기 효과를 나타내며, 검정색 실선과 빨간 색 점선은 각각 정점주기 15.4초와 12.0초의 결과이다. Fig. 9(b)는 조류유무 따른 결과를 보여주며, 검정색 실선과 빨간색 점선은 각각 파도 단독 조건과 복합 환경 조건의 결과이다. 전 반적으로 부이 종동요 응답 크기는 파도주기에 따라서는 큰 차이를 보이지 않으나, 조류 유무에 따른 응답 크기의 변화는 분명히 관찰된다. 특히, 복합 환경 조건에서 조류 및 바람으로 인해 10도 이상의 정적 경사각이 발생하나, 파도 단독 조건에 서는 정적 경사각이 발생하지 않는다. 또한 상대적으로 복합 환경 조건에서 파도 단독 조건에 비해 종동요 응답이 커지게 되며, 이는 두 가지 정점주기에서 모두 확인되었다. 이는 본 구조물이 파장에 비하여 부이의 특성길이가 매우 작기 때문에 유체항력과 변동 부력에 의해 지배적으로 부이의 거동이 기진 하게 되고, 조류가 포함될 경우 이러한 기진력이 크게 증가하 기 때문으로 사료된다. Fig. 10은 부이구조물의 최소 종동요 값을 파도 주기와 조류 유무에 따라 비교하여 도시하고 있다. 채워진 빨간색 바 그래프는 수치 시뮬레이션 결과이며, 비워 진 검정색 바 그래프는 시험 결과이다. 앞서의 시계열에서의 관찰에서와 동일하게 부이 구조물의 종동요에 대한 파도주기 효과는 크지 않으나 조류 효과는 분명히 관찰된다. 복합 환경 조건에서는 파도 단독 조건의 결과에 비해 부이의 최소값이 약 1.5배 가량 증가하였다. 반면, 표준편차는 파도 단독 조건 이 크게 평가되었다. 즉, 조류에 의해 부이의 평균 종동요가 발생하고, 파랑에 의한 종동요의 응답 범위는 줄어든다. 모형 시험과 수치해석 결과를 비교하면 전반적인 경향은 유사하나 모형시험이 수치해석보다 다소 크게 평가된 것을 확인할 수 있다.

    파도주기와 조류속도의 효과를 검토하기 위해 추가적인 수 치해석을 수행하였으며, 최소 종동요 응답을 Fig. 11에 나타내 었다. Fig. 11은 파도주기 및 조류속도의 변화에 따른 최소 종 동요의 계산결과이다. 파도주기를 17.5초에서 10초까지 변화 시킴에 따라 일부 종동요 응답의 차이가 발생한다. 반면, 구조 물의 종동요 응답은 조류속도 변화에 대해 매우 민감한 특성 을 보인다. 즉, 조류속도가 증가함에 따라 종동요 역시 커지는 경향을 보였다.

    반면 앵커지지력은 파도주기 효과와 조류효과에 대해 모두 발생한다. Fig. 12과 Fig. 13의 시계열과 최대값에서와 같이 정점주기가 짧은 조건에서 큰 앵커지지력이 나타나며, 복합환 경조건에서 파도 단독 조건에 비해 큰 응답이 발생한다.

    최대 앵커지지력은 모형시험에서 파도주기 효과와 조류효 과를 보이나, 수치해석에서는 파도주기 효과가 발생하지 않는 다. 모형시험에서 수치해석에 비해 큰 앵커지지력을 평가하는 것은 축척효과에 의한 항력의 증가와 더불어 수심조건의 차이 로 인한 앵커 하중 증가로 평가되며, 정점주기가 짧은 조건에 서 본 효과가 더 크게 확인되었다. 반면 조류효과는 수치해석 과 모형시험에서 동일하게 발생하였다. 복합환경조건에서 앵 커지지력은 파도 단독 조건에 비해 5~15% 가량 증가하였다.

    4.3 상부구조물 침수 횟수

    부이의 상부 구조물이 침수가 발생할 경우 그 위치에 설치 된 장비가 유실되거나 고장이 발생할 수 있기 때문에, 침수 여 부 및 침수 횟수는 본 부이구조물의 생존성을 결정하는 중요 한 요소이다. 본 부이 구조물은 앞서 살펴 본 것처럼 큰 종동 요 응답이 발생할 때 상부 구조물까지의 수직거리가 급격히 줄어들 수 있으며, 이로 인하여 침수에 쉽게 노출될 수 있다. Fig. 14은 파도 단독 조건과 복합 환경 조건에서 상부구조물 의 침수되는 과정을 보여준다. 큰 파도가 다가옴에 따라 부이 는 하부 앵커점을 중심으로 큰 회전운동을 하게 되고, 이로 인 하여 상부구조물이 물에 잠기는 모습을 볼 수 있다. 특히 복합 환경 조건에서는 조류 및 바람에 의하여 정적 경사각이 더해 지기 때문에, 더욱더 침수에 취약하게 된다. 또한 상대적으로 저조위 조건에서 보다 고조위 조건에서 침수에 더 취약할 수 있다.

    Fig. 15는 고조위와 저조위에서 상부구조물의 침수횟수를 비교하여 도시하고 있다. 고조위에서는 파도 단독 조건과 복 합 환경 조건에서 모두 상부구조물의 침수가 발생하였으나, 저조위 조건에서는 오직 복합 환경 조건에서만 침수가 발생하 였다. 고조위 조건에서 파도 단독 조건에 비해 복합환경조건 에서 침수횟수는 크게 증가한다. 서해는 빠른 속도의 조류가 발생하므로, 본 부이구조물의 침수 위험은 매우 높으며, 50년 재현주기의 복합환경조건에서 조위조건에 관계없이 침수가 발생하므로 상부구조물에 탑재되는 장비의 성능 및 사용기간 을 검토하여야 한다.

    수치 시뮬레이션과 모형시험 모두 같은 조건에서 침수를 예측하나, 침수 횟수는 모형시험에 비해 수치 시뮬레이션이 훨씬 크다. 모형시험과의 오차원인으로 수치 모델과 모형시험 간의 축척효과에서 기이한 유체항력의 차이로 사료된다. 유체 항력의 영향을 검토하기 위해 다양한 항력계수에 대해 추가적 인 수치해석을 수행하였다. Fig. 16은 고조위에서 항력계수에 따른 상부구조물의 시간당 침수횟수를 나타낸 그래프이다. 항 력계수에 따라 침수횟수의 민감도가 분명히 확인되었으며, 이 는 축척효과가 모형시험과 수치해석사이의 오차원인으로 사 료된다. 다만 다양한 항력계수를 고려했음에도 불구하고 여전 히 실험과의 차이가 존재한다. 두 번째 원인으로는 파도와 조 류가 혼합된 복잡한 유동장에서 대변위로 움직이는 세장체 운 동을 모사하기에 수치모델링의 한계가 있다고 사료된다. 특히 상부구조물의 침수 때 발생하는 입수 또는 출수 유체력이 작 용하며, 대 파고 조건에서는 오차가 증가한다.

    4.4 구조응답

    극한환경조건에서 부이의 파랑 중 생존성을 확인하기 위해 구조 응답을 검토하였다. 부이가 설치대상해역인 서해는 조석 간만의 차가 크고, 조류속도가 매우 강하다. 앞서 검토한 종동 요, 앵커지지력 및 상부구조물 침수응답을 통해 조차와 조류 속도에 따른 효과를 확인하였으며, 그 중 종동요 응답과 구조 응답 사이의 관계를 수치해석을 통해 검토하였다. Fig. 17는 파이프 길이를 따라 발생된 최대 Von Mises 응력을 보여준 다. Fig. 17(a)의 좌측 2개의 그래프는 고조위(HAT)와 저조위 (LAT)에서 조류 효과를 보여주며, Fig. 17(b)의 우측 2개의 그래프는 IRW01(파랑조건)과 IRW03(복합환경조건)에서 조차 효과를 보여준다. 고조위와 저조위에서 모두 조류가 있는 복 합환경조건인 IRW03에서 응답이 파랑단독조건인 IRW01에 비해 크게 발생하며, 이는 조류로 인해 굽힘방향의 응답이 크 게 발생하였기 때문이다. Fig. 17(b)에 나타낸 바와 같이, 파랑 단독조건과 복합환경조건에서 저조위에서의 응답이 고조위의 응답에 비해 크게 발생하며, 저조위에서 큰 종동요가 발생하 였기 때문인 것으로 평가된다. 가장 큰 응답이 발생한 조건은 저조위에서의 복합환경조건이며, 조류 및 조차에 따른 효과가 분명히 보인다. 가장 큰 응답이 발생한 지점은 파이프 길이 약 17m 부근으로, 플로터(Floater)의 연결부에 해당하는 지점이 다. 가장 응답이 작은 고조위에서의 파랑단독조건의 안전율은 항복응력 335MPa을 기준으로 2.46이나, 가장 응답이 큰 고조 위의 복합환경조건에서는 1.46으로 기준치인 1.67에 미치지 못 했다. 구조응답에 대한 추가적인 검토가 요구된다.

    종동요와 응력사이의 관계를 Fig. 18에 나타내었다. 둘 사 이의 관계를 명확히 살피기 위해 해상상태 6이하의 조건에 대 한 계산결과를 함께 표시하였다. 앞서 최대 Von Mises 응력 을 통해 검토한 바와 같이 고조위에서 최소 종동요가 –35°로 절대값이 상대적으로 작으며, 응력의 최대값 역시 저조위에서 의 결과에 비해 약간 작게 평가된 반면, 저조위에서 최소 종동 요가 –45°이며, 이에 따라 응력의 최대값이 크게 평가되었다. 최소 종동요의 절대값이 커짐에 따라 응력역시 커지는 경향이 발견되었으며, 최소 종동요와 최대 응력사이의 상관관계가 명 확히 보였다.

    5. 결 론

    본 연구에서는 긴 파이프로 이뤄진 세장형 부이 구조물의 파랑 중 생존성에 대한 모형시험 및 수치해석을 수행하였다. 본 부이구조물의 대상해역인 서해를 기준으로 조위차에 따른 응답특성을 검토하고, 50년 재현주기 조건을 기준으로 파도주 기와 조류효과를 검토하였다. 또한 상부구조물의 침수여부를 통해 부이구조물의 생존성을 평가하였다. 본 모형시험 및 수 치해석을 통하여 얻은 결론은 다음과 같다.

    • 본 부이 구조물은 구조물 형상과 하단 힌지조건에 의해 매우 큰 종동요 응답 특성을 보임을 확인하였다. 특히 조위차 에 따른 종동요 응답 특성이 민감하게 변화함을 확인하였으 며, 고조위 조건보다 저조위 조건에서 약 10°가량 더 큰 종동 요 응답을 보여주었다. 본 연구에서 고려한 환경조건을 기준 으로 저조위 조건에서의 정적 경사각 및 최대 경사각은 각각 –17.2°와 –45°까지 발생하였다.

    • 본 부이 구조물은 조류에 매우 취약한 특성을 보이며, 파도단독 조건에서 보다 조류를 포함한 복합환경 조건에서 부 이 거동(종동요) 및 앵커지지력이 10~15% 이상 증가할 수 있 음을 확인하였다. 이는 조류가 큰 해역에서는 본 형태의 부이 구조물은 적용이 어려움을 지시해 준다.

    • 본 부이 구조물의 상부구조물은 고조위 조건에서 침수 에 취약하며, 복합환경조건에서 초기경사각이 커짐에 따라 시 간당 침수횟수가 크게 증가한다. 상부구조물에 장비가 탑재될 경우 방수 및 사용기간의 검토가 요구된다.

    • 본 부이 구조물의 종동요 응답결과는 수치해석과 유사 한 반면, 상부구조물의 침수횟수와 앵커지지력은 다소 차이를 보였다. 이러한 오차 원인은 수치 모델과 모형시험간의 축척 효과로 인한 유체항력의 차이와 모리슨 항력 기반의 시뮬레이 션 방법의 한계로 사료된다. 특히 입수(Water entry)와 출수 (Water exit) 유체력에 의해 대파고 조건에서 오차가 증가한 다.

    • 모형시험에서 직접 계측하지 못한 구조응답을 수치 시 뮬레이션을 통해 평가하였으며, 파이프의 구조적 안전성을 검 토하였다. 극한파 중 최소 종동요와 최대 응력 사이의 상관관 계를 분석하였으며, 최소 종동요가 커짐에 따라 최대 응력 역 시 크게 발생하는 경향을 확인하였다. 구조응답은 종동요 응 답이 큰 저조위 복합환경조건에서 가장 취약하다.

    향후 본 연구를 통해 평가된 결과는 실해역 부이 구조물의 계측 데이터와 비교를 수행하여 모형-실선 상관관계 분석 및 수치 모델링 개선 작업을 추가적으로 진행할 예정이다.

    후 기

    본 논문은 한국지질자원연구원의 지원을 받아 수행하는 “수중 고주파수 음파계측모듈 개발 및 수중음파 신호 해 석”(PNS3120) 과제의 연구결과 중 일부임을 밝힙니다.

    Figure

    KINPR-42-427_F1.gif

    Long pipe type buoy

    KINPR-42-427_F2.gif

    Wave spectra [left : IRW01, right : IRW02]

    KINPR-42-427_F3.gif

    Experimental set-up & measurement

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    Simulation model [left : side view, right : bird view]

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    Snapshots of the buoy structure under HAT and LAT conditions (IRW03)

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    Time series of pitch motion and anchor force of the buoy (IRW03)

    KINPR-42-427_F7.gif

    Comparisons of pitch motion statistics of the buoy

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    Comparisons of statistics of the anchor force

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    Time series of pitch motion of the buoy in HAT condition

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    Comparisons of motion statistics in HAT (Left : Wave period effects, right : current effects)

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    Calculation results on minimum pitch angle according to the change of wave period and current velocity in HAT (Left : Wave period effects, right : current effects)

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    Time series of anchor force of the buoy in HAT condition

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    Comparisons of maximum anchor force (HAT)

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    Snapshots on submergence of a equipment

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    Comparisons of number of submergence per hour (left : HAT, right : LAT)

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    Effects of the drag coefficient on the number of submergence per hour in HAT conditions.

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    Maximum von mises stress along the pipe length

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    Relation between minimum pitch angle and maximum von mises stress

    Table

    Main dimension of the upper structure and the floater

    Main dimension of the long pipe type buoy

    Environmental conditions

    Reference

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