KR 웹진 171호

1. 서론

일반적으로 부유식 해양 구조물 계류 해석에 사용되는 하중 방향의 조합은 해당 해역의 Metocean data를 통해 그 특성을 반영 하거나, 이것이 불가능 할 경우 다양한 하중 방향의 조합에 따라 가장 좋지 않은 경우를 찾는 방법으로 수행되고 있으며(BV, 2015), 이와는 다르게 설치 해역 방향 데이터가 없는 경우 터렛 계류 시스템 해석 시 하중 방향 조합을 Collinear 및 Non-Collinear의 두 가지 케이스로 정의 적용을 권고하고 있기도 하다(DNVGL 2015). 이렇듯 각 표준 및 기준이 동일하지 않아 논쟁 발생 가능성이 있는 것이 현실이다.

본 연구에서는 터렛 계류 시스템의 해석 시 적용되는 하중 방향 조합에 대한 파라메트릭 연구를 통해 이러한 해석 수행 시 적용하는 하중별 방향의 절충된 적용범위를 확인 하고자 한다.

2. Mooring system analysis

계류 시스템 해석은 일반적으로 그림 1의 절차에 따라 수행한다.

그림 1. General procedure of mooring analysis

 

2.1 대상 모델

대상 모델은 삼성중공업에서 개발한 FPSO를 대상으로 하였으며, 상세 사항은 표 1과 같다.

표 1. Details of FPSO

Item	Unit	Max. Storage
LPP	m	244
B	m	50
TF	m	18.6
TA	m	18.6
V	m³	163,215
GM	m	4.43
XCG	m	117.7
YCG	m	0
VCG	m	18.5
kxx	m	15.2
kyy	m	59.3
kzz	m	60.0

 

그림 2. Analysis model

해석 모델은 그림 2와 같으며, 2,000개의 패널 및 노드로 구성하였다.

2.2 좌표계

계류 해석을 위해 사용된 프로그램은 ANSYS AQWA이며, 해당 프로그램에 적용되는 자표계는 그림 3과 같다. Head Sea는 ±180°로 정의한다.

 

그림 3. Coordinate convention

 

2.3 터렛 계류 시스템

터렛 계류 시스템은 그림 4와 같이 4개의 라인으로 구성된 4개의 그룹이 적용되었으며, 각각의 계류 라인은 Top chain, Steel wire 및 Bottom chain 의 3가지로 구성된다. 계류 라인의 상세 사항은 표 2와 같다.

 

그림 4. Mooring system

 

 

Item	Unit	Top chain	Steel wire	Bottom chain
Length	m	80m	100m	300m
Diameter	mm	171mm	153mm	171mm
Unit Weight in Water	kN/m	4.96 (505.6kg/m)	1.01(103.0kg/m)	4.96(505.6kg/m)
Unit weight in air	Kg/m	505.6+(1025*0.046)	103.0+(1025*0.018)
Elastic Modulus(AE)	kN	2.49E+06	2.11E+06	2.49E+06
MBL	kN	26,952	21,068	26,952

표 2. Details for mooring line

 

3. Parametric Study

3.1 1st Study: Directional combination between 180° and 0°

하중별 방향 조합에 따른 경향을 확인하기 위해 그림 5와 같이 파랑 하중의 방향은 180°로 고정한 상태에서 조류와 바람의 하중별로 180°에서 0° 사이에서 30° 간격으로 입사각을 설정하여 계류 해석을 수행 하였다.

 

그림 5. Cases for directional combinations (180~0°)

 

3.2 The results for the 1st Study

3.1의 조건에 따른 해석 결과 부유식 해양 구조물의 총 49개의 Case 중 최대 Offset 상위 10%(5개)에 해당하는 하중 조합을 선별하였으며, 그 결과 180~90°에 집중됨을 확인 할 수 있었다. 상위 10% 하중 방향 조합 결과는 표 3과 같다.

표 3. Top 10% of directional combinations

Wave	Wind	Current
180	180	150
180	180	180
180	150	120
180	150	90
180	150	180

3.3 2nd Study: 180~90° 범위 방향 조합

3.2의 결과에 따라 상위 10%에 해당하는 최대 Offset이 180~90° 범위에 집중됨을 확인 하였다. 이를 근거로 그림 6과 같이 180~90° 범위 내에서 방향 조합의 각도 간격을 15°로 세분화 하여 방향 조합별 특성을 확인하고자 해석을 수행 하였다.

 

그림 6. Cases for Directional combinations (180~90°)

3.3의 조건에 따라 파랑의 방향은 180°로 고정한 상태에서 조류와 바람의 방향을 180°에서 90°까지 15° 간격으로 방향을 조합하여 총 49개의 케이스에 대한 해석을 수행하여 각 조건별 오프셋 결과를 도출하였다.
이를 바탕으로 하중 방향별 경향 분석을 수행 하였으며, 그 결과는 그림 7 및 그림 8과 같다.

7개의 조류 방향에서 7개의 바람의 방향을 변화시키며 Offset 결과를 확인 한 결과, 그림 7과 같이 135°에서 90°사이에서 최대 값을 나타내는 경향을 보였다.

동일한 분석 형태로 기준 하중을 바람으로 설정한 경우 그림 8과 같이 180°에서 120°사이에서 최대 값을 나타내는 경향을 보였다.

 

그림 7. 조류 방향에 따른 바람 방향별 오프셋 결과

 

그림 8. 바람 방향에 따른 조류 방향별 오프셋 결과

 

4. Sensitivity Analysis of Loads

터렛 계류 시스템은 주요 지배 하중의 방향에 따라 선수각이 변화되며 이를 통해 하중의 감소를 유도할 수 있다.
80°에서 90°도 사이의 범위에서 15° 간격으로 방향을 설정한 바람과 조류의 하중 조합에 따른 총 49개의 Case의 해석 결과에 대하여 Weather vaning으로 발생한 선수각의 변화를 확인하였다.
바람과 조류가 각각 Weather Vaning에 미치는 영향을 확인하기 위해 바람의 방향을 180°에 고정한 경우와 조류의 방향을 180°에 고정한 두 가지 조건에서 Weather vaning 영향을 확인하였으며, 그 결과는 그림 9와 같다.

 

그림 9. 풍향 및 조류 방향에 따른 선수 각 경향 비교

바람의 방향이 고정된 경우 조류의 방향이 180°에서 90°까지 변화되는 구간에서 선수각의 변화는 180°에서 170°로 약 10°의 변화만 발생하는 것을 확인 하였으며, 반대로 조류의 방향이 고정된 경우 바람으로 인해 발생하는 선수각의 변화는 180°에서 90°까지 약 90°정도 발생하며 바람의 유입 방향과 유사한 거동을 하는 것을 확인하였다.
이를 통해 본 연구의 해석결과는 바람의 영향에 지배를 받고 있는 것으로 확인되었다.

 

5. 결론

터렛 계류 해양 구조물 계류해석 시 적용되는 하중 방향의 조합이 해양구조물 오프셋에 미치는 경향을 파악하고자 다양한 하중의 방향 조합의 해석을 수행하여 그 결과를 통해 그 경향을 파악하였으며 결론은 다음과 같다.

조류의 경우 180°에서 135°사이에서 최대 오프셋이 발생하는 경향을 보였으며, 바람의 경우 135°에서 90°사이에서 최대 오프셋이 발생하는 경향을 보였다.

하중별 방향에 따른 Weather vaning 민감도 분석결과 바람의 방향이 지배적인 것으로 확인 되었으며, 이는 본 해석 결과가 풍하중과 그 방향에 영향을 받았음을 의미한다.

이러한 결과를 종합해 봤을 때 하중 방향의 조합의 범위를 좁게 특정하기에는 그 결과를 변화시킬 수 있는 다양한 변수가 존재하기 때문에 어려울 것으로 판단되며, 계류 해석 시 180°~90°사이에서의 방향 조합을 통해 최대 오프셋을 도출해 내는 것이 바람직 할 것으로 판단된다.

또한, 향후 각 하중 요소별 영향, 계류 시스템의 형태의 변화 등 다양한 변수에 대한 추가적인 연구가 필요할 것으로 판단된다.