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은정 소
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1 한국해양공학회지제 27 권제 6 호, pp 22-26, 2013 년 12 월 / ISSN(print) / ISSN(online) Journal of Ocean Engineering and Technology 27(6), 22-26, December, 중량체적용을통한계류선의설계개선방안연구 송제하 * 신승호 * 정동호 * 김현주 * * 한국해양과학기술원선박해양플랜트연구소 Improved design for mooring line with lumped weight at seabed JaeHa Song *, SeungHo Shin *, DongHo Jung *, HyeonJu Kim * Korea Research Institute of Ship and Ocean engineering (KRISO/KIOST), Daejeon, Korea KEY WORDS: Mooring line design 계류선설계, Lumped weight 중량체, Weight and distance 중량및간격, Numerical analysis 수치해석 ABSTRACT: The purpose of this study was to improve the design of a mooring line by attaching a lumped mass to it on the seabed. A numerical analysis of the redesigned mooring system is performed to analyze the effect of the weight of the attached lumped mass using the commercial software Orcaflex. The ultimate tension of the mooring system with the lumped mass is compared with that of a bare mooring line in the original design. An appropriately designed weight for the lumped mass is found to induce a critical lifted point in the mooring line by floater motion in the ultimate condition to move toward the floater position from the anchor point, while maintaining a similar safety factor for the mooring line. On the other hand, it is shown that excess weight for the lumped mass induces snapping in a mooring line, resulting in low safety factor for the mooring system. The distance between lumped weights is shown to be a minor parameter affecting the safety of a mooring line, although a shorter line has an advantage from an economic point of view. Using the optimal weight for the lumped mass attached to the mooring line on a seabed reduces the mooring line length and installation area occupied by a mooring system under real sea conditions. 1. 서론부유식구조물은부유체와계류시스템으로구성되어있으며, 최근심해해상풍력, 해양온도차발전및해상파력발전용구조물로도널리개발되고있다. 신재생해양에너지개발에있어서해양구조물건설비용이전체비용에비하여큰부분을차지하기때문에, 신재생해양에너지의효율적인개발을위하여경제적인해양구조물개발이필요하다. 부유식해양구조물에서는계류시스템개발비용이높은비율을차지하기때문에, 경제성을고려한계류시스템의설계가매우중요하게인식되고있다 (KIOST, 2011a). 계류시스템중계류선은수심및구조물특징에따라체인등의재료를사용하는카테너리 (Catenary) 계류와긴장 (Taut) 계류로나눌수있다. 카테너리계류는비교적수심이얕은경우에적용되며, 계류선의중량에의한인장력이부유체이동에대한복원력으로작용한다. 따라서, 계류선의중량과인장력이주요설계인자가된다. Jung et al. (2012) 는카테너리계류선설계절차를정립하였으며, 초기강성의중요성을고려하여부유 식파력발전구조물의계류선을설계하였다. 카테너리계류선에비하여긴장계류는비교적수심이깊은해역에대하여적용할수있으며, 재료는특수섬유재질의로프혹은와이어로프등이사용된다. 긴장계류를천해역에적용하기어려운이유중의하나는천해역에서조수간만의차이가약간만발생하여도설계된초기긴장계류선의인장력은크게변화되기때문인데, 이로인하여긴장계류선의역할을수행하기어렵게된다. 앞서언급한바와같이, 카테너리계류선은자중에의한인장력이복원력으로작용하기때문에, 비교적무거운중량을가지는체인이사용된다. 체인은일부분이부유체와해저면사이에매달려있으며, 많은부분은해저면위에놓여서극한환경하중이작용할경우복원력으로작용한다. 카테너리계류선의소요비용을줄이기위해서는해저면위에놓여있는많은부분의체인양을절감할수있는방안을고안해야한다. 즉, 계류선전체의길이가절감될수있도록계류시스템을고안하여경제성을향상시킬수있다. 계류선의설계에있어서계류선의길이는경제성뿐만아니 Received 6 November 2013, revised 18 December 2013, accepted 18 December 2013 Corresponding author Dongho Jung: , dhjung@kriso.re.kr c 2013, The Korean Society of Ocean Engineers It is noted that this paper is revised edition based on proceedings of KAOST 2013 in Jeju. 22

2 중량체적용을통한계류선의설계개선방안연구 23 라, 공유수면점사용허가면적을결정하는중요한요소이다. 따라서, 계류선의안전성에문제가없는조건에서계류선의길이를감소시키는연구가필요하다. 계류선의해석에관한연구는도서를통하여기초적인자료가제시되고있으며 (Berteaux, 1976), 다양한연구논문이출판되고있다 (Chen, et al., 2001; Kim, Y.B., 2009). 그러나, 계류선을효율적이고경제적으로설계하기위한연구는드물다. 본연구에서는부유식파력발전시스템의계류선설계에있어서, 설계효율성을높이기위한방안으로계류선에중량체를설치하는방안에관한설계를수행한다. 체인으로구성된계류선은자중이복원력의주된성분이므로, 해저면위에놓여있는계류선에중량체를설치하여설계효율성을높이고자한다. 설계된계류선의적합성을판단하기위하여수치해석적연구를수행하였다. 안전성해석은세장형구조물전용프로그램인올카플렉스 (Orcaflex) 를이용하였다. 중량체의무게및설치거리등에따른거동특성을파악하였다. 2. 기본설계조건 본절에서는계류선설계에적용되는해양환경조건및부유체구조물등의조건을설정한다. 2.1 해양환경조건본연구에서의부유식파력발전장치는제주해역에설치되는것으로가정하였으며, 제주인근특정해역에대한해양환경조건을설계조건으로고려하였다. Table 1 에서는제주도인근해역의특정지점에대한해양환경조건으로 50년재현주기설계값을보여주고있다 (KIOST, 2011b). 파랑환경은겨울에는 NW, 여름에는 SSW 방향이지배적이다. Table 1 Ocean Environmental conditions in Jeju Current (m/s) 2.0 Current dir. SW Wind (m/s) 50 Wind dir. NNW Hs (m) 8.7 Tp (s) 12.9 Wave dir. NW (Winter) SSW( (Summer) Water depth (m) 구조물기초제원파력발전장치의기본제원및거동특성은계류선의설계에있어서매우중요한인자가된다. 부유체는높이 8m, 폭 21m, 길이 29m의제원을가지며, 진자형발전장치를위하여전면에 2개의수실로구성되어있다 (Jung et al., 2012). 계류선의기초제원또한 Jung et al. (2012) 가설계한자료를참고하였다. 즉, 초기설계된계류선의초기장력및각종제원등은참고문헌 자료를그대로사용하였다. 카테너리계류에서초기장력은계류선의거동특성을결정하는중요한설계인자중의하나이며, 본연구에서는 120 kn의초기장력을작용시켰다. 참고문헌과동일한조건으로해석을수행하며, 중량체설계를통하여초기설계된계류선을개선시키고자한다. 2.3 중량체기초제원본연구에서는부유식파력발전장치의계류선이해저면바닥에놓여있는부분에대해서일정간격으로중량체를설치하여얻어지는효과를연구하였다. 계류선에설치되는중량체의기본제원은계류선의총길이를줄일수있는중요한인자가된다. 중량체는직육면체의콘크리트블록으로가정하였으며, Table 2에서는설계에사용된콘크리트블록의기본제원을보여주고있다. 여기서, 는중량체의공기중중량, 는중량체의수중중량, 는체인의수중중량, 는중량체의수중중량을체인수중중량으로나눈값으로써, 중량체의중량에상응하는체인길이를의미한다. 전체 5가지의중량체를선정하여, 중량체의중량에따른계류선거동특성을살펴보았다. Table 2 Data of concrete blocks - Block density : 2300, kg/m , kg/m 3 - Chain dia. : 100mm (219, kgf m 200, kgf m ) Concrete block ( ), 1m 1m 1m m 2m 1m m 2m 2m m 3m 3m m 5m 5m 중량체를설치한계류선의동적해석 중량체가일정간격으로설치된계류선에대한설계를수행하는과정에서각계류선의안전성을평가하였는데, 계류선의안전성은상용프로그램인올카플렉스를이용하였다. 올카플렉스는세장체전용해석프로그램으로서, 부유체와의연성거동해석도가능하다. 부유체의동수역학적계수들은사용자가직접입력하게되는데, 구조물의거동및하중 RAO, 강성, 점성, 부가질량행렬, 1차및 2차파랑하중등이다. 본연구에서는부유체의운동방정식을풀이하기위하여본연구팀이보유하고있는부유체해석용 In-house S/W를이용하여부유체의유체동역학적계수들을구한후, 올카플렉스에입력자료로활용하였다 (Nam, et al., 2012). 따라서, 부유체와계류선과의상호연성효과를고려하였으며, 부유체의장주기운동및표류감쇠영향등이계류선거동에미치는영향을고려하여동적해석을수행하였다. 본연구에서는 8개의선으로구성되는 4점계류방식을선정

3 24 송제하 신승호 정동호 김현주 (a) Winter Fig. 1 Layout of mooring line (Jung et al., 2012) Fig. 2 Layout of weight attached on the mooring 하였으며, 중량체는앵커로부터일정거리만큼간격을두고배치하였다. 계류선의길이는극한환경조건에서모든계류선이해저면으로부터분리되지않는조건으로결정되었는데 (Jung et al., 2012), 중량체를배치함으로써해저면으로부터분리되는계류선길이가감소되도록설계하였다. 중량체의제원과배치거리를설계인자로하여, 중량체효율성을검토하였다. Fig. 1에서는올카플랙스에모델링된계류선의배치를보여준다. Fig. 2에서는각각의계류선에모델링된중량체의배치를보여준다. 동적해석에서는 2장에서의해양환경설계조건을적용하였으며, 파랑은 50년재현주기환경조건을 ISSC스펙트럼으로구현하였다. 동적해석의극한환경조건은 3시간풍속지속조건으로해석이이루어졌다. 또한, 극한환경조건에대한계류선의응답은 3시간지속시간에대한응답을구한후웨이블 (Weibull) 분포법에의한장기추정값을검토하였다 (DNV, 2001; API, 1996). 3.1 설치되는중량체의제원에따른안전율계류선에설치되는중량체의제원을변화시키면서계류선에발생하는극한인장력을해석하였다. 이때중량체의제원은 Table2에정리된바와같이총 5가지중량을적용시켰으며, 각각의계절조건의환경하중을적용하여얻은안전율은 Fig. 3 (a), (b) 에정리하였다. 여기서, 안전율은사용된체인의허용인장력을극한인장력으로나눈값을의미한다. (b) Summer Fig. 3 Safety factor of each mooring line according to normalized block weights Fig. 3은콘크리트블록중량에따른계류선의안전율을보여주고있다. 가로축은콘크리트블록의수중중량을계류선의단위길이당수중중량으로나눈값인데, 이것은콘크리트블록중량이계류선의해당길이에상응하는중량을의미한다. 예를들어 20m은블록의중량이체인길이 20m에상응하는중량이라는의미이다. Fig. 3에의하면, 콘크리트블록을 40m 간격으로설치하게되면콘크리트블록의중량이증가함에따라안전율은대체적으로감소하는것으로나타난다. Fig. 3 (a) 와 (b) 의결과로는 100mm 체인의계류선을사용할경우에 의콘크리트블록을설치하면안전율이 2 이상확보된다는것을알수있다. 반면, 과 의콘크리트블록을사용하는경우에는안전율이 2보다낮게나타나서, 중량체의설치로인하여안전율이보다낮게나타난다는것을알수있다. 이것은체인중량에비하여콘크리트블록의중량이과다한경우이며, 콘크리트블록의과도한중량으로인하여체인에스냅핑효과로작용되어인장력이크게발생하였기때문이다. 3.2 설치되는중량체의제원에따른터치다운위치비교다음은중량체설치로인하여계류선절감효과를알아보기위하여, 계류선에설치되는중량체의제원에따른터치다운된계류선이해저면으로부터분리되는한계지점을비교하였다. 극

4 중량체적용을통한계류선의설계개선방안연구 25 한하중및부유체의거동에의해계류선이해저면으로부터분리되는데, 계류선의모든부분이해저면으로부터분리되는경우에는앵커에연직하중이작용하여앵커의안전성에문제가발생한다. 따라서, 극한하중에의한계류선의터치다운위치를파악함으로써, 중량체가계류선의안전성에어떻게영향을미치는지를알수있다. 또한, 초기설계된계류선의길이를어느정도줄일수있는지를결정할수있다. Fig. 4에서는중량체의설치를고려하지않을경우에최대장력이발생한계류선이바닥에서분리되어진위치를도시하였다. 중량체가없을경우부유체중심으로부터약 201m 지점에서계류선이해저면으로부터분리되었다. Fig. 5에서는각각의중량체가설치된경우에대해서계류선이해저면으로부터분리되는지점을나타내고있다. 즉, 괄호안의숫자는중량체의제원을나타내며, 괄호앞의숫자는각경우에대하여중량체가설치되는경우부유체의중심으로부터계류선이해저면으로부터분리되는지점까지의수평거리를나타낸다. 부유체중심으로부터안전율이가장높게나타났던 조건에서는중심으로부터약 166m 지점에서계류선이해저면으로부터분리되는것 으로파악되었다. 중량체의중량이증가할수록계류선이해저면으로부터분리되는거리는감소하지만, 과도한중량체의적용은스냅핑이발생하여효율적인설계가이루어지지않는다. 따라서, 의중량체를설치한다면안전율을높일수있거나, 혹은앵커의위치를부유체중심점으로이동시킬수있어서계류선의길이를감소시키는효과를얻을수있을것으로기대된다. 3.3 설치되는중량체의간격에따른안전율앞절에서는계류선의중량이계류선의안전율에어떤영향을미치는지살펴보았는데, 중량체의설치간격도중요한설계인자이기때문에이에대한분석이필요하다. 본절에서는계류선에설치되는중량체의간격이계류선에발생하는인장력에어떻게영향을미치는지를분석하였다. 앞절에서분석한바와같이중량이 되는중량체를계류선에설치하는경우, 가장효율적인계류선의설계가이루어졌다. 따라서, 계류선의중량은 으로동일하게유지하면서, 계류선에설치되는중량체의간격을조절하면서안전율을평가하였다. Fig. 6은계류선에설치되는중량체의설치간격에따른계류선의안전율을보여주고있다. 겨울조건에비하여여름조건에서전체적으로안전율이높게나타나는것을볼수있다. 여름조건에서는대부분의계류선이설치된중량체의효과로안전율이 4 이상매우높게나타났다. 여름조건에서는중량체의간격이 20m인경우안전율이약간낮게나타났다. 중량체의설치간격에따른안전율을살펴볼때, 안전율이낮게나타난겨울조건에서설치간격에따른안전율은크게변하지않았다. 이결 Fig. 4 Touch down area on mooring line (no block) (a) Winter Fig. 5 Touch down area on mooring line (with blocks) (b) Summer Fig. 6 Safety factor of each mooring line according to normalized block distances

26 송제하 신승호 정동호 김현주 과로볼때, 중량체의간격은 20m만하더라도충분한안전율을확보할수있다는것을알수있으며, 간격이 40m인조건에비하여계류선의길이를줄일수있어서매우효율적인설계가될것으로판단된다. 3.4 설치되는중량체의간격에따른터치다운위치비교앞서해석한바와같이체인계류선이터치다운된부분에중량체를설치한다면, 체인의길이를일부줄일수있다. Fig. 7에서는 Fig.

5 26 송제하 신승호 정동호 김현주 과로볼때, 중량체의간격은 20m만하더라도충분한안전율을확보할수있다는것을알수있으며, 간격이 40m인조건에비하여계류선의길이를줄일수있어서매우효율적인설계가될것으로판단된다. 3.4 설치되는중량체의간격에따른터치다운위치비교앞서해석한바와같이체인계류선이터치다운된부분에중량체를설치한다면, 체인의길이를일부줄일수있다. Fig. 7에서는 Fig. 6의해석결과와같이중량체의중량과설치간격으로중량체를설치할경우, 계류선 1기당소요되는계류선길이를보여주고있다. 본연구에서다루는부유식파력발전장치의계류선에서는초기설계된계류선에최적화된중량체를설치한다면계류선 1기당약 100m의길이를줄일수있다는결과를얻었으며, 총 8기의계류선에서는 800m의계류선을줄일수있을것으로기대된다. 중량체설치를통하여직접적인경제적효과외에도계류선이점용하고있는공유수면적이획기적으로줄어들게된다. Fig. 6의계산결과에기초하여중량체를설치한다면초기공유수면적의약 2/3을줄이는효과를얻을수있다는것을알수있었다. 4. 결론본논문에서는부유식파력발전장치의계류시스템설계를개선시키기위한방법으로, 계류선에중량체를추가하는방안을고안하였다. 계류선에설치되는중량체의중량과중량체사이의거리를설계인자로고려하여최적의설계가이루어지도록하였다. 계류선의거동특성과안전성을평가하기위하여올카플렉스를이용하여수치해석적연구를수행하였다. 해석결과일정간격으로중량체를설치하는경우계류선의안전율은초기설계치와유사하게유지하면서계류선이해저면으로부터분리되는지점이초기앵커지점에서멀어지는것을알수있었다. 이결과는계류선의길이를줄일수있는효과를가져올수있기때문에, 설계측면에서매우유리할것으로판단된다. 중량체의중량이클수록계류선길이감소효과가높게나타나지만, Fig. 7 Comparison of anchor point and area occupied by mooring system for W/WO block. 과도한중량체의무게는계류선에스냅핑현상을유발하여과도한인장력이발생하기때문에설계측면에서불리하다는것을알수있었다. 본연구에서제안되는중량체를계류선에설치하는방안은설치되는계류선의길이를줄여경제성을확보할수있으며, 계류선설치면적을초기설계치의 2/3 만큼줄일수있을것으로기대된다. 단, 중량체와계류선을안전하게연결할수있도록중량체의형상및연결방법에관하여보다구체적인설계가요구되는바이다. 후기본연구는 부유식진자형파력발전시스템개발 및 해양심층수의에너지이용기술개발 과제의연구결과중일부임을밝히는바입니다. References IMO Res. A.749(18), Code on Intact Stability for All Types of Ships Covered by IMO Instruments. American Petroleum Institute (API), Recommended Practice for Design and Analysis of Stationkeeping Systems for Floating Structures. API Recommend Practice 2SK, 2nd Edition. Berteaux, H.O., Buoy Engineering (Ocean Engineering, a Wiley Series). Umi Research Pr Chen, X., Zhang, J., Ma, W., On Dynamic Coupling Effects between a Spar and Its Mooring Lines, Ocean Engineering, 28(7), Det Norske Veritas, Offshore Standard DNV_OS_E301, Position Mooring, Det Norske Veritas Jung, D.H., Nam, B.W., Shin, S.H., Kim, H.J., Lee, H.S., Moon, D.S., Song, J.H., Investigation of Safety and Design of Mooring Line for Floating Wave Energy Conversion. Journal of Ocean Engineering and Technology, 26(4), Kim, Y.B., Motion Response and Mooring Analysis of Mobile Harbors Moored in Side-by-Side. Journal of Ocean Engineering and Technology, 23(6), Korea Institute of Ocean Science and Technology (KIOST), 2011a. Proposal Report on Technology for Wave/Wind Hybrid Development. Korea Institute of Ocean Science and Technology (KIOST), 2011b. Detail Design Report on Wave Energy Conversion in 500kW Class. Nam, B.W., Hong, S.Y. Shin S.H., Hong S.W., Kim K.B.,, Prediction of the Hydrodynamic Performance of the Floating Pendulum Wave Energy Converter in Regular and Irregular Waves. International Conference of ISOPE2012, Rhode, Greece,

THE JOURNAL OF KOREAN INSTITUTE OF ELECTROMAGNETIC ENGINEERING AND SCIENCE Dec.; 27(12),

THE JOURNAL OF KOREAN INSTITUTE OF ELECTROMAGNETIC ENGINEERING AND SCIENCE. 2016 Dec.; 27(12), 1036 1043. http://dx.doi.org/10.5515/kjkiees.2016.27.12.1036 ISSN 1226-3133 (Print) ISSN 2288-226X (Online)