07 년도한국해양과학기술협의회공동학술대회 빙수조시험용모형빙의재료특성에관한연구 김정현 * 최경식 * * 한국해양대학교해양개발공학부 On the Model Ice Properties for Tests in Ice Model Basins JUNG-HYUN KIM* AND KYUNGSIK CHOI* *Division of Ocean Development Engineering, Korea Maritime University, Busan, Korea KEY WORDS: Ice model basin 빙수조, Model ice 모형빙, Mechanical properties 재료특성, Similitude law 상사법칙, Flexural strength 굽힘강도, Elastic modulus 탄성계수 ABSTRACT: The attempts to solve the problems of navigation in ice-covered sea require proper tests in full-scale. The full-scale tests in ice-covered sea are usually very expensive and difficult, therefore, few data is available so far. These days the need for model testing in refrigerated tanks is increasing in the design of ice-going ships. Ice model basin is an essential part of the facilities for cold regions engineering. It is used for model-scale testing on ships and offshore structures in ice. The most important issue while performing model tests in the ice basin is to select a realistic model ice material which has a correct similitude with natural sea ice. In the near future(09) the first ice model basin will be constructed in the Maritime Ocean Engineering Research Institute, KORDI in Korea. As a pilot study, this paper presents a brief review of the development of model ice used for tests in ice model basins and summarizes the mechanical properties of various materials for making model ice used in major ice model basins worldwide. Model ice includes doped ice which contains saline, carbamide and EG/AD/S solution in water. Recommendation for the selection of model ice material which will be used in the new MOERI ice model basin is also discussed. 1. 서론쇄빙선박의빙저항이나해양구조물에작용하는빙하중을추정하는수단으로극지현장에서실규모의시험을수행하거나그보다는규모는작지만극지환경재현실험시설인빙수조에서모형시험 (Model test) 을수행하는방법이있다. 빙수조모형시험은모형의계측값으로부터실제구조물에작용하는크기를정확하게추정하는것이목적이기때문에, 빙 / 구조물상호작용에관련되는여러변수를정확하게파악하고, 역학적으로동일한모형시험을반복수행한뒤상사법칙 (Similitude law) 에따라실제빙해역에서의문제로확장하는과정을거치게된다. 빙수조를이용한모형시험에는빙- 선박, 빙-해양구조물의축척비에맞추어실선과닮은꼴의모형을만들고빙수조에서는이들모형을이용해저항및자항시험, 선회조종성능, 관입 (Indentation) 시험등을수행한다. 빙수조에서재현가능한빙상조건은평탄빙 (Level ice), 빙맥 (Ice ridge), 얼음조각층 (Rubble fields), 유빙 (Ice floe) 그리고개수로내의깨진빙편 (Brash ice) 이집적된빙해역현상등이다. 빙수조에서모형시험을성공적으로수행하기위해서는실제극지빙해역의빙상조건과역학적으로상사인상태를재교신저자김정현 : 부산광역시영도구동삼동 1번지 051-410-4951 sy8296@bada.hhu.ac.kr 현해야하는데이때제일중요한것이상사법칙을만족하는모형빙의선택이다. 즉얼음의특성중빙판의두께, 굽힘강도 f, 탄성계수 E 등의특성치를상사법칙에맞추어축소하는것이필요한데, 이를순수얼음에화합물을첨가하여모형빙 (Model ice) 을만들게된다. 실선과모형선의기하학적인축척비를 라고하면실제빙판의탄성력과모형빙의탄성력의비가 Ð 가될때 Cauchy 상사법칙을만족시킨다. 이조건은모형실험에있어서모형빙의두께, 탄성계수, 모형빙의강도를실제빙판의 1/ 로줄이고, 얼음의마찰계수는실제와동일하게하며, 모형선의속 도 는실제의 1/ö (Froude 상사법칙만족 ) 로줄이고, 탄성계수와굽힘강도의비 E/ f 는실제와모형시험에서동일한값을유지해야한다는결론이다. 일반적으로선수각이작은쇄빙선박이나경사면을가진해양구조물에서는 E/ f 값을실제해빙의값인 2,000~5,000에가깝게유지하는것이빙수조시험용모형빙을선택하는기준이다. Table 1에빙수조실험에적용되는상사법칙에따른여러가지변수들의축척비를정리하였다 (Jones, 1993; ITTC, 02). 현재 09년준공예정으로쇄빙선박과해양구조물의빙해역모형시험을위한국내최초의빙수조가한국해양연구원 (KORDI) 해양안전시스템연구소 (MOERI) 에서계획되고있다.
빙수조에사용되는모형빙의종류와제조기술의확보가향후 MOERI 빙수조의활용에절대적으로중요하다고판단되며이러한배경으로모형빙의재료특성에관한본연구가착수되었다. 현재빙수조에사용되는모형빙제조기술은핀란드, 캐나다등극지공학이발달한몇몇선진국만이가지고있으며향후건설될 MOERI 빙수조의효율적인활용을위해, 본연구에서는각국의빙수조의운영현황을파악하고각빙수조에서사용되고있는모형빙의재료특성과제조기법에대해상세하게조사분석하였다. 이를통하여 MOERI 빙수조에사용될모형빙의선택과제조기술에관한개선방안을제시하고아울러차년도에계획하고있는 Cold Room에서의모형빙재료시험에대한준비자료로활용하고자한다. Table 1 Similitude law for ice model basin experiments (p: prototype, m: model) Length á Velocity á ö Ice strength á Ice thickness á Elastic modulus Friction coefficient Poisson's ratio Ice Density 2. 빙수조설비 ž á ž á á á 빙해역에서의여러가지빙상환경을모의적으로재현해서빙해용선박의쇄빙성능이나해양구조물에작용하는빙하중실험을가능하게하는시설이빙수조 (Ice towing tank or Ice model basin) 이다. 빙수조시설은 1,2차중동전쟁과원유가폭등에맞물려 1970년대및 80년대중반에걸쳐극지에서의자원개발과수송수단의확보라는차원에서선진국에경쟁적으로건설되었는데 60년대이전에건설된구소련의 AARI 수조에이어 2세대인빙수조 ( 대표적으로독일 (HSVA 소형수조 ), 미국 (CRREL, IIHR) 과일본 (SRI, NKK) 에건설된중소형빙수조들 ) 가있다. 당시의관심사는주로빙해선박의성능향상이었기에모두장수조형태로건설된바있다. 한편 70년대후반과 80년대에걸쳐캐나다북극해의개발과러시아사할린자원개발로극지용해양구조물을건조하게되면서 1987년핀란드의 HUT에서는최초로길이와폭의비가비슷한사각수조형태의빙수조를건설한바있다. 1980년대중반이후에건설된 3세대빙수조 ( 대표적으로독일 (HSVA 대형수조 ), 핀란드 (MARC, HUT), 캐나다 (IOT)) 는모형빙및제빙법과모형실험기법에있어서보다진보적이고각기독자적인방법을고안해사용하고있다. 06년핀란드의 MARC 빙해수조를대체해새로 AARC 빙해수조가건설되었 다. Table 2에는세계각국에건설된주요빙수조의제원과사용된모형빙의종류에대하여정리하였다. 빙수조시설의일반적형태를살펴보면, 먼저모형시험을직접수행하는수조 (Main tank) 는공기온도를 -30 전후까지냉각가능한건물속에설치되며모형선을준비하거나빙판의상태를고르는등실험준비에필요한보조수조 (Trimming tank), 부서진빙편을제거하는녹이는해빙수조 (Melting tank) 로구성된다. 빙수조의측면과밑면에는여러개의관측창이있으며 0.01~3 m/s 의범위에서속도를제어할수있는주예인전차가설치되며, 아울러빙판을시험조건에맞게준비하거나굽힘시험등모형빙의재료특성을검사하고시험후의부서진빙편을제거하기위해보조예인전차가설치된다. 경우에따라서수조의바닥에도모형선과함께움직이며시험과정을촬영하는비디오카메라가설치된소형예인전차도있다. 쇄빙선박의경우는예인전차에모형선을부착하여예인하지만해양구조물인경우는바닥에구조물을고정하고빙판전체를밀어서빙하중을계측하거나쇄빙현상을관측한다. 예인형빙수조 ( 장수조 ) 외에선박의선회시험이가능한사각형빙수조 ( 각수조 ), 하천결빙시험용회류수조나항구 항만의결빙현상을재현가능한천수용빙수조등이있다. 3. 모형빙의재료특성모형빙의재료는그사용목적과상사법칙을만족하는기준에따라구분할수있는데일반적으로빙저항 / 빙하중을측정하는모형시험에사용되는모형빙으로는대개깨지기쉬운빙판 (Breakable sheet) 과빙편 (Ice rubble) 을시뮬레이션할수있다. 여기서는합성모형빙 (Synthetic ice) 이아닌화학첨가물을사용한모형빙 (Doped ice) 에대해서만언급한다. 모형빙제조시특별히고려해야될사항은여러파괴모드중굽힘에의한파괴모드가지배적이라는가정하에실제해빙보다 1/ 로축소된굽힘강도와탄성계수를갖도록, 즉 E/ f 값이실제의해빙의값과비슷한 2,000~5,000 범위내에들도록하는것이다. 따라서 를모형빙축척수준까지낮추기위해순수한물을얼리지않고특정화학첨가물을넣어서결빙시키는데그첨가물로염분 (Sodium chloride) 이들어간염수빙 (Saline doped ice), 요소 (Carbamide or Urea) 가첨가된요소빙 (Urea doped ice), 그리고다중복합첨가물인 EG/AD/S 가있다. Table 2에는각국의수조에서사용되는이들모형빙의종류가정리되어있다. 3.1 염수빙 1950년중반소련의극지연구소 (AARI) 에서는 10~ 의진한식염수를결빙시켜모형실험에적합한낮은강도의얼음을제조하는방법을고안했다. 이방법에의하면결빙시에액체상태의진한염수 (Brine) 가얼음속에가두어져서염수
Table 2 Principal characteristics of major ice model basins Year Completed Country Facility Operator Model Ice Type Basin Size (m) 1955 Russia Arctic and Antarctic Research Institute(AARI) - Leningrad Saline Ice 13.5 1.9 1.7 1961 U.K. British Hovercraft Synthetic Ice 76 3.7 1.7 1969 Finland Wartsila Shipyard (WARC) Saline Ice 29 4.8 1.2 1972 Germany HSVA - Hamburg 1% Urea Doped Ice 37 6 1.2 1974 U.S.A. Arctec Inc. Saline/Synthetic Ice 30 3.7 1.5 1977 Canada Arctec Canada Saline/Synthetic/Urea Ice 30 4.9 1.5 1979 U.S.A. Cold Regions Research and Engineering Laboratory(CRREL) - New Hampshire 0.95% Urea-Doped Ice 37 9 2.4 1980 Canada National Research Council, Hydraulics Laboratory(CHC) - Ottawa Urea-Doped Ice 21 7 1.2 1980 Japan Ship Research Institute (NMRI) - Tokyo Saline/Urea-Doped Ice 35 6 1.8 1982 Japan Nippon Kokan (NKK) -Tsu Urea-Doped Ice 30 6 2 1982 U.S.A. Iowa Institute of Hydraulic Research (IIHR) - Iowa Urea-Doped Ice 5 1.2 1982 Norway Norwegian Hydrodynamic Lab. (NHL) Synthetic Ice 25 2.5 1 1983 Finland Kvaener Masa-Yards Arctic Research Center (MARC) - Helsinki Saline Ice 77.3 6.5 2.3 1984 Germany HSVA - Hamburg Saline Ice 78 10 2.5 1985 Canada C,Institute of Ocean Technology (IOT) - St. John's EG/AD/S- CD Ice 80 12 3 1986 Japan Mitsubishi Heavy Industries(MHI) - Nagasaki 0.7% Urea Doped Ice 9 2.3 1986 Russia Krylov Shipbuilding Research Institute (KSRI) - St. Petersburg Saline Ice 45 6 1.75 1987 Finland Arctic Offshore Research Center (HUT) - Helsinki Alcohol Doped Ice 40 40 2.8 1988 Finland Technical Research Center of Finland (VTT) - Espoo Saline Ice 15 3.2 1.5 06 Finland Aker Arctic Research Center (AARC) - Helsinki FGX Saline Ice 75 8 2.1 맥 (Brine pocket) 을형성하기때문에굽힘강도에대해서는상사법칙에맞도록낮은강도의얼음을비교적쉽게제조할수있어서당시의빙수조에서는이방법이주로사용되었다. 그러나굽힘강성이상사법칙에서기대되는값보다상당히작아서 E/ f 값이 0~500 으로실제해빙의값 2,000~5,000 에비해매우낮고, 염분농도를높게하면굽힘강도를감소시키는것이가능하지만파괴이후의하중- 변위곡선은실제해빙과는달리되돌아가지않고잔류소성이라불리는부분이남는다. 1970년대부터는모형빙의탄성계수값 E 를낮추어실제해빙의 E/ f 에가깝게만드는방법이연구되었다. 독일함부르크선박연구소 (HSVA) 에서는저농도식염수를사용하는방법을개발했는데 0.67% 의저농도식염수를사용해서약간단단한얼음을만들어필요한얼음두께를유지한뒤실온을결빙온도보다약간높게올리는방법 (Warm-up method) 으로모형빙을제작하였다. 얼음의강도는제빙완료시점에는꽤큰값을가지고있지만승온효과에의해시간과함께급격히감소하여실제얼음과가까운값을갖는것을알수있었다 (Schwarz, 1975). 하지만이러한염수빙의가장큰문제점은축척비가클수록 ( >30) Froude 와 Cauchy 법칙을만족하기힘들고소성이발생하는영역에대한특별한보정이필요하 게되며또한부식성이강해이것을견딜수있는수조구조나특수장치가필요하다. 첨가물이들어있는대부분의 Doped ice는잔류소성과해빙의밀도범위인 0.84~0.94 에비해고밀도인 0.93~0.98 의값을갖는다 (Evers and Jochmann, 1993). 1990년대독일함부르크선박연구소 (HSVA) 에서는일반적인염수빙이가지고있는결점들을극복하기위해 0.7% 염화나트륨에, 모형빙의입자크기와구조적인측면에서향상된값을갖는 Air bubble 과 Ice scraper를이용하여결빙시키고있다. 또한미국의 ARCTEC 사에서는수조의공기를 -60 까지낮추고수조안에있는염수 (Saline water) 에질소수용액을표면에분사시켜 10mm/hr 의결빙률로모형빙을성장시키는데, 이런빠른결빙률은얼음안에염수가갇히게하며얼음의강도또한저하시킨다. 3.2 Carbamide 모형빙 1970년대후반부터 1980년전반에걸쳐서캐나다의 Timco (1980) 는여러가지무기물과유기물을얼음에첨가물로사용하여그성질을조사했는데그결과요소 ( Ï œ Ï ) 를첨가물로한모형빙이염수빙에비해강성이높아적합하다는것을발견했다. 이모형빙은요소수용액을결빙시킨후승온시켜만드는것으로요소빙 (Urea ice) 혹은 Carbamide
모형빙이라불리며동일한성장과정때문에구조적으로염수빙 (Saline ice) 과매우비슷하며무독성이어서여러빙수조에많이사용되었다. Carbamide 모형빙과 6% 의염수빙에대해탄성계수와굽힘강도사이의관계를살펴보면 Carbamide 모형빙에서는승온효과에따라굽힘강도가 70kPa ( =10.7) 에서 15kPa ( =50) 로감소하고있지만이동안 E/ f 는 2,000~3,000으로실제해빙에가까운값이유지되고있다. 한편, 염수빙의경우에는 를 kpa ( =37.5) 이하로내리면 E/ f 가 1,000 이하가되어해빙에비해현저히작은값을갖는다. Carbamide 모형빙의비중은 0.95으로염수빙의비중 0.89에비해높은값을갖고, 축척비가 >30 인경우두모형빙의압축강도값은예정된값보다 2~3배가량작은값을갖는다 (Hirayama, 1983). Carbamide 모형빙은염수빙에비해저강도에서높은 E/ f 가유지되지만모형시험에대한상사성에대해살펴보면 가크면 ( 즉, 가작다면 ), 파괴후의잔류응력이남지않고실제얼음과비슷한하중분포가얻어지지만 가작아지면잔류응력이크게생긴다. 모형시험에대응하는축적비가 =~40 (12.5~25kPa) 을주로사용하는경향이므로파괴에필요한에너지도상대적으로증가할것으로예상되며파괴직후의잔류응력과압축강도그리고밀도에관해서도개선될필요가있다. 3.3 복합첨가물을사용한모형빙 Timco(1986) 는 Carbamide 모형빙의결점을보충하고상사법칙을만족시키는모형빙으로 EG/AD/S 모형빙을개발하였다. 이것은에틸렌글리콜 (EG) 4.6, 지방산 (AD) 0.32, 설탕 (S) 0.49 용액을섞은물질을결빙시키고승온하여얻는다. EG/AD/S 모형빙의 E/ f 는거의 1,500~2,500 이고 가 kpa 로작은경우에서도 2,000 정도의값을유지하고있으나, 요소빙의 E/ f 는 1,000~2,000 정도이지만 가 50kPa 이상이되면 E/ f 가 1,000 이하로떨어지는경향이있다. 두경우모두승온을시작할때약 160kPa 이었던굽힘강도를 kpa 까지내리는데약 14시간이필요하였다. Fig. 1 에굽힘강도계측에서얻은하중- 시간이력을도식적으로나타내었다. 굽힘강도는 40kPa 인데 EG/AD/S 얼음은파괴직후하중이급격히감소하여거의원점으로되돌아가는반면요소빙은잔류응력이생겨서소성상태를나타내고있는데이것은 EG/AD/S 모형빙이실제해빙과같이취성적상태를가지고있는것을나타내는것이다 (Schwarz, 1975). EG/AD/S 모형빙은다른화학물질이첨가된얼음과비교해결이고운, 단층 (single layerd) 기둥형구조의독특한특징을지니고있다. 하중방향에의해파괴강도가달라지는것은얼음의두께방향결정구조가다르기때문인데, 요소빙의경우는표층부근이강도가높은입자형구조이고하층은대부분기둥형구조이기때문에하중방향에의한영향이매우커밀 어내려파괴하는것이더힘들게된다. 하지만단층형구조인 EG/AD/S 모형빙은요소빙에비해방향성의영향을덜받게된다. Fig. 2를보면 4cm 두께의모형빙을가지고외팔보를만든뒤, 끝부분을위로들어올리면서아랫면에서파괴가발생된경우의강도를나타내었는데 EG/AD/S 빙은 H( / f )=0.69, 요소빙에서는 H=0.39로하중방향에상관없이파 f 괴강도의값이균일한해빙의 H=1.0 과같지는않지만 EG/AD/S 모형빙에비해하중방향의영향이매우큰것을알수있다. 또한요소빙에비해약 75% 정도향상된값을갖는것을알수있다. EG/AD/S 모형빙의장점을보면, 1) 에틸렌글리콜 (EG) 이요소에비해훨씬비싸지만요소빙은 1년정도지나면재료특성이바뀌는반면 EG/AD/S 모형빙은캐나다 IOT에서오랫동안사용했어도재료특성이바뀌지않았다. 2) 단층형구조로요소빙에비해하중방향의영향을덜받는다. 3) žî 는모든 범위내에서 1,500~2,500 정도이고, 가 kpa로작은경우에도 2,000 정도의값을유지한다. 반면 EG/AD/S 모형빙의단점을보면, 1) 해빙에비해높은값을가지는밀도와마찰계수는개선될필요가있다. 2) CRREL의소형수조에서한때 EG/AD/S 모형빙을사용했었는데, 요소빙에비해초기변형이발생했고설탕으로인한박테리아번식때문에 Filter system 이필요하였다는문제가발생되었다. 이후에, Spencer and Timco(1990) 는다양한 EG/AD/S 모형빙에대해연구를하였는데, 해빙과같이공기방울을모형빙속에갇히게해서모형빙의밀도를감소시킬수있었다. EG/AD/S-CD (Controlling Density) 라불리는모형빙은일반적인 EG/AD/S 모형빙에비해 E/ f, 값이더높고, 마찰계수값은작고투명도도많이개선되었다. 현재캐나다의 IOT 빙수조에는 EG/AD/S 와 EG/AD/S-CD 모형빙을사용하고있으며최근대부분의빙수조에서는일반염수빙에비해부식성이감소되고좀더나은확장성을가지는요소빙이나 EG/AD/S 모형빙을사용하고있다. Carbamide 빙과 EG/AD/S 모형빙이후모형빙의강도특성을향상시키기위해개발된것이핀란드 MARC 에서사용되고있는 Fine-grained ice (FGX) 이다. FGX는균일한층과강도값을가질수있게결빙온도에가까운온도의물에계속적으로고운얼음의결정입자를분무시키며얼음을성장시키는방법이다. 최근에는저농도염수나요소를포함한물에고운결정입자를분무하는데이와같은화학제품은강도를낮추는역할을한다 (Wilkman et al., 1997). Table 3 에는앞의분석결과를바탕으로모형빙의재료에따른얼음의강도특성을정리한것이다.
4. 빙수조시험용모형빙의선택 09년준공예정인한국해양연구원해양안전시스템연구소 MOERI 빙수조는모형시험이수행되는주시험동과 Cold Room 및계측장비가구비된보조시험동으로구성되어있으며주시험동의크기는 57m 37m 14.2m 이고시험가용구역인빙수조의크기는 32m 32m 2.5m 의사각형으로 X-Y 방향으로 0.001~3.0m/s 속도로이동이가능한 50톤급의예인전차와모형시험준비를위한보조예인전차가설치될예정이다. MOERI 빙수조는많은국가에서선호해왔던예인형의장수조가아닌사각수조형식으로서핀란드의헬싱키대학 (HUT) 에건설된빙수조 (40m 40m 2.8m) 와같은형식이다. 하지만 HUT 빙수조가애초해양공학수조로계획된것을빙수조로전환시킨탓에모형시험을준비하는 Trimming tank가따로없고선박의예인시험도예인전차가설치된 X-방향으로만가능하다는불편함이있는것에비해 MOERI 빙수조는훨씬진전된설계라할수있다. 장수조형식보다 Y-방향으로길이는짧지만장수조에비해많은횟수의선박예인시험이가능하고장수조에서는하기어려운선박의선회조종성능시험도가능하다는장점이있다. 아울러원유가의상승으로과거어느때보다극지자원개발이상승추세에있는현상황에서해양구조물모형시험도다양한형태로가능하다는장점을가진것으로볼수있다. MOERI 빙수조에서재현할빙상조건은평탄빙모형시험은평탄빙 (Level ice), 빙맥 (Ice ridge), 얼음조각층 (Rubble fields), 유빙 (Ice floe) 그리고개수로내의깨진빙편 (Brash ice) 이집적된빙해역시험등이다. MOERI 빙수조에사용될모형빙의재료는국외의모든빙수조에서건설과함께수행해왔듯이다양한성분의첨가물에대하여체계적인재료시험이필요한데현재까지발표된여러연구결과에따르면캐나다의 EG/AD/S 모형빙이다른재질에비해탄성계수 / 굽힘강도비율및빙판파괴이후의잔류소성특성에있어서가장효과적인모형빙특성을보이고있기때문에 EG/AD/S 모형빙을 1차적인선택으로고려해볼만하다. 하지만 EG/AD/S 모형빙의경우낮은분자량첨가물인 EG( 에틸렌글리콜 ) 은표면활성제역할을하는 AD( 지방산 ) 와함께얼음속에갇혀모형빙의강도를저하시켜물리적인상사성은만족시켜주지만빙판의얼음결정들이수평방향으로성장시키는것을억제하여비교적고른결정구조를갖게하는 S( 설탕 ) 의존재로박테리아를번식시켜충분히효율적인 Filter system이없다면빙수조의유지보수에많은어려움이있으리라예상된다. 균일한층과결정구조를형성하기위해결빙온도에가까운온도의물에계속적으로고운얼음입자를분사시키며얼음을성장시키는방법 (Wet-seeding) 을이용하면굳이설탕성분을넣지않아도적절한모형빙을제작할수도있다고보이는데이러한예가동일한사각수조형태인 HUT 빙수조에서사용하는 0.5% 의에탄올이첨가된모형빙이다. 하지만에탄올모형빙은고가의재료이기때문에초기시설비가많이들고 휘발성냄새로인해모형시험시많은불편함이있다는것을생각하면에탄올모형빙의선택은쉽지않은결정이될것이다. 따라서지금까지의여러문헌조사를통해결론지을수잇는것은 여년간의많은자료가축적되어있고캐나다로부터기술전수가충분히가능하다는장점을생각해서 EG/AD/S-CD 모형빙체계로나가되설탕 (S) 의첨가는가능한억제하는방법을택하는것이다. 새로운모형빙을가지고독자적인모형시험법을확립하기위해서는모형빙의재료특성에관한실험이절대적으로필요한데이를위하여빙수조의건설과병행하여모형빙재료의성분에대한계통적인시험을수행할계획이세워져있다. 이실험은국내에있는 Cold Room을이용해 EG/AD 모형빙및에탄올모형빙등성분을변화시켜가면서재료의굽힘강도및압축강도, 탄성계수등기본적인재료실험을시행하는것이다. 5. 결론 본논문에서는국내빙수조건설의필요성과함께향후건설될 MOERI 빙수조의효율적인활용을위해국외의빙수조에서사용되고있는모형빙의재료특성과제조기법에대해조사분석하였다. 이를통하여 MOERI 빙수조에사용될모형빙의선택과제조기술에관한개선방안을제시하였고아울러차년도에계획하고있는 Cold Room에서의모형빙재료시험에대한준비자료로활용하고자하였다. Table 3 Strength properties of various model ice material (Zufelt and Ettema, 1996) Material Sea ice Freshwaterice Saline-doped Urea-doped WARC-FG FGX Urea- (fine-grain) EG/AD/S CD ice GE ice Flexural Strength (kpa) 700 ~800 500 ~1500 ~80 ~1 ~75 15 ~90 15 ~45 ~100 15 ~90 Elastic Modulus/ Flex.Strn. (žî ) 2500 ~4500 1500 ~1600 ~1700 ~2500 ~00 700 ~8000 0 ~310 1500 ~2500 20 ~3400 ~00 Compressive Strength (kpa) Specific Gravity Static coeff.of friction (ice-ice) 8k~12k(v) 0.91 0.45~0.5 10k(v) 1.5~3k(v) 100~275(v) 75~180(h) 1~250(v) 75~160(h) 0.92 0.5~0.7 0.89 0.45 0.93 ~0.94 0.35 50~400(v) 0.89 0.45 15~180 0.88 ~0.91 10~45 0.92 150~370(v) 80~280(h) 0.93 0.83 ~0.93 15~55
Fig. 1 Load-time histories for actual sea ice, urea ice and EG/AD/S model ice Fig. 2 Flexural strength for urea ice and EG/AD/S model ice (redrawn from Timco, 1986) 후기본논문은한국과학재단지정첨단조선공학연구센터 (ASERC R11-02-008-01002-0) 와한국해양연구원해양안전시스템연구소 (MOERI) 의연구비지원으로수행된연구결과임. 참고문헌 Enkvist, E. (1984). "Experience with a New Type of Model Ice", Ice Tech '84 - International Conference on Ships and Marine Systems in Cold Regions, SNAME Arctic Section, Calgary, Canada, pp.j1-j15. Evers, K. and Jochmann, P. (1993). "An Advanced Technique to Improve the Mechanical Properties of Model Ice Developed at the HSVA Ice Tank", Proceedings of POAC Symposium, Hamburg, Germany, Vol.2, pp.877-888. Hirayama, K. (1983). "Experience with Urea Doped Ice in the CRREL Test Basin", Proceedings of POAC Symposium, Helsinki, Finland, pp.788-801. ITTC, (02). Testing and Extrapolation Methods - Ice Testing General Guidelines, ITTC Recommended Procedures, Ice Specialist Committee of 23rd ITTC. Jones, S.J. (1993). Ice Tank Test Procedures at the Institute for Marine Dynamics, Institute for Marine Dynamics, C Report LM-AVR-. Schwarz, J. (1975). "On the Flexural Strength and Elastic of Saline Ice", Proceedings of 3rd IAHR Symposium, Hanover, N.H., USA, pp.373-386. Schwarz, J. et al. (1981). "Standardized Testing Methods for Measuring Mechanical Properties of Ice", Cold Regions Science and Technology, Vol.4, pp.245-253. Spencer, D.S. and Timco, G.W. (1990), "CD Model Ice: A Process to Produce Correct Density(CD) Model Ice", Proceedings of 10th IAHR Symposium on Ice, Vol.2, pp.744-755. Timco, G.W. (1979). "The Mechanical and Morphological Properties of Doped Ice: A Search for a Better Structurally Simulated Ice for Model Test Basins", Proceedings of POAC Symposium, Trondheim, Norway, pp.719-739. Timco, G.W. (1980). "The Mechanical Properties of Saline -Doped and Carbamide(Urea)-Doped Model Ice", Cold Regions Science and Technology, Vol.3, pp.45-56. Timco, G.W. (1986). "ED/AD/S: A New Type of Model Ice for Refrigerated Towing Tanks", Cold Regions Science and Technology, Vol.12, pp.175-195. Wilkman, G., Mattsson, T., Ponomarev, A.V. and Beliashov, V.A. (1997). "Experience of a New Model Ice (MARC FG) Material at the Krylov Shipbuilding Research Institute (KSRI) Ice Basin", Proceedings of OMAE Symposium, Vol.4, pp.289-295. Zufelt, J.E. and Ettema, R. (1996). Model Ice Properties, Cold Regions Research and Engineering Laboratory, Hanover, N.H. USA, Report 96-1.