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ISSN : 1229-3431(Print)
ISSN : 2287-3341(Online)
Journal of the Korean Society of Marine Environment and Safety Vol.24 No.2 pp.157-162
DOI : https://doi.org/10.7837/kosomes.2018.24.2.157

A Study on the Proper Crown Height of GT 100,000Ton Cruise ship and DWT 100,000Ton Container ship

Seungyeon Kim*, Yunsok Lee**
*Graduate school of Korea Maritime and Ocean University, Busan, Republic of Korea
**Division of Ship Navigation, Korea Maritime and Ocean University, Busan, Republic of Korea
*

First Author : sykim7@kmou.ac.kr, 051-410-4474


Corresponding Author : lys@kmou.ac.kr, 051-410-5098
2018.04.04 2018.04.25 2018.04.27

Abstract


The increase of risk in port due to the increase in ship size and sea level rises, the standard crown height will increase. In this study, cruise and container ships will need to raise their crown height due to the projected wind pressure areas becoming larger due to the ships’ size increase. The mooring assessment was evaluated with the rise of the crown height. The cruise ship of GT 100,000 tons exceeded the permissible breaking force of the mooring line under the crown height conditions of wind speed of 30 kts when the wind direction was 45° to the direction of the bow. Also, the elevation angle of the pier and mooring line was analyzed and exceeded the crown height, and it was determined that it is necessary to adjust the crown height. Container ships of DWT 100,000 tons were analyzed to exceed the limit of sway motion at the crown height and it was determined that they need to be adjusted to the minimum crown height standard.



10만톤급 크루즈선과 컨테이너선의 적정 마루높이에 관한 연구

김 승연*, 이 윤석**
*한국해양대학교 대학원
**한국해양대학교 선박운항과

초록


지속적인 선박 대형화와 지구온난화로 인한 해수면 상승으로 항만 내 위험이 증가함에 따라 부두의 마루높이 기준은 상향되는 것이 미래지향적이다. 본 연구에서는 선박 대형화로 인해 풍압면적이 커지므로 마루높이 상향이 필요할 것으로 판단되는 크루즈선과 컨테이 너선을 선정하고, 마루높이 상승에 따른 대상부두를 모델링하여 계류 및 동요 안전성을 평가하였다. GT 10만톤급 크루즈선은 풍향이 접안 현 선수방향 45°일 때 풍속 30 kts, H1조건에서 계류삭 허용파단력이 초과하였다. 또한 부두와 계류삭의 앙각은 마루높이 H2에서 권고값을 초과하는 것으로 분석되어 최저 마루높이 기준을 H3로 조정할 필요가 있는 것으로 분석되었다. DWT 10만톤급 컨테이너선은 풍향이 접안 현 정횡일 때 마루높이 H1에서 Sway 운동의 한계값을 초과하는 것으로 분석되어 최저 마루높이 기준을 H2로 조정할 필요가 있는 것으로 분석되었다. 본 연구 결과는 선박 특성을 반영한 부두 마루높이 기준을 제안하기 위한 기초 자료로 활용될 수 있을 것으로 기대된다.



    1. 서 론

    해상 운송량이 증가하고 선박 건조기술이 발전함에 따라 대 량운송에 따른 운항비용 절감, 선박 건조단가 축소 등을 이유 로 2006년 13,000 TEU, 2013년 18,000 TEU급 선박이 운항되기 시작하였다. 또한 2015년 국내 중공업에서 21,000 TEU급 초대 형 컨테이너선을 수주하여 건조 중에 있다.

    선박이 대형화됨에 따라 부두 시스템 또한 대형화 추세에 대비해야 한다. 먼저 전장이 늘어남에 따라 충분한 길이의 선 석이 확보되어야 하고 선박의 깊이가 증가함에 따라 부두의 마루높이가 높아져야 하며, 방충설비와 계선주 역시 허용한계 를 상향하여 건설해야 한다.

    또한, 최근 28년간(1989~2016년) 우리나라 연안의 해수면 변동을 분석한 결과, 우리나라의 해수면 높이의 평균 상승률 은 2.96 mm/yr로, 기후 변화에 관한 정부간 패널(Intergovern -mental Panel on Climate Change, IPCC)에서 발표한 전 세계 평 균값인 2.0 mm/yr보다 높은 수준인 것으로 나타났다. 지역별 해수면 평균 상승률은 Fig. 1과 같다(KHOA, 2017).

    기후변화에 따른 해수면 상승은 항만시설에도 많은 영향을 미치게 되며 대표적으로 , 설계파고 증가에 따른 외곽시설 구 조물 안전성 저하, 월파에 의한 항내 정온도 불량, 잔류수위 상승으로 인한 접안시설 안전성 저하 등이 있다(Park, 2016). 이에 따라 부두 설계 기준은 기존보다 상향되는 것이 미래지 향적이며, 실제로 정부에서는 해수면 상승 및 해일의 내습에 대비하여 방파제 보강과 부두 정비 공사를 추진 중에 있다.

    특히 부두의 마루높이는 접안선박의 계류라인 각도, 풍압면 적, 선체동요량에 밀접한 영향을 주는 요소이나, 국내 항만 및 어항설계기준에서 마루높이 건설 기준은 환경적 특성인 수심 및 조차만을 반영하고 있을 뿐 선종 및 크기 등의 선박의 특성 은 포함되지 않고 있다.

    이에 따라 본 연구는 선박대형화, 지구온난화에 따른 해수 면 상승 등을 고려하여 환경적 특성과 선종별 특징을 반영한 마루높이 기준을 제안하기 위하여 대상선박을 선정하였다. 또 한 마루높이 상승에 따른 시뮬레이션 평가를 수행하여 선종별 마루높이 건설기준의 개선안을 제안하였다.

    2. 선행 연구

    선박동요해석과 계류안전성에 관한 연구 성과들을 살펴보 면, Kubo et al.(1993)은 계류시스템의 특성과 선박 동요량을 반 영하여 하역가동률을 산정할 수 있는 개략식을 제안하였고, Cho et al.(2006)은 쓰나미의 내습으로 인한 선박의 동요량을 수치계산하고 지진해일이 선박과 계류시스템에 작용하는 하중을 계산하였다. 또한 Kwak et al.(2014)은 파랑 주기에 따 른 선박 동요량을 해석하고 하역한계파고를 산정하는 방법을 제 시하였고, Lee(2016)는 국내해안 중 삼척항을 선정하여 해일 발 생시 선박에 미치는 외력의 영향에 따른 계류안전성 평가를 수행하였으며, Cho(2017)은 전용 부두에 계류중인 실습선을 대 상으로 계류선박의 거동해석을 수행하였다.

    해수면 상승에 따른 항만 및 해안의 영향평가에 관한 연구 를 살펴보면 한국환경정책평가연구원(KEI, 2016)은 해수면 상 승 및 100년 빈도 태풍 시나리오에 따른 우리나라 연안시스템의 잠재적 리스크를 평가하였고, Park(2016)은 해수면 상승 시나리 오를 국내 항만에 대입하여 해수면 상승시 기존 시설물의 마루 높이 적정성을 검토하였다. 미국 샌프란시스코시의 해수면상승 기술위원회는 샌프란시스코항의 해수면 상승 시나리오를 예측 하고 이에 대비하여 부두 정비 계획을 제안하였다(The City and County of San Francisco, Sea Level Rise Technical Committee, 2015).

    3. 국내외 마루높이 기준 분석

    계류시설의 마루높이는 기본수준면에서 부두끝단까지 수 직높이를 나타내며, 접안선박의 계류라인 앙각, 풍압면적, 선 체동요량에 밀접한 영향을 주는 요소이므로 선종, 선박 크기, 주요치수를 고려하여 결정하여야 한다. 마루높이는 낮을수록 공사비가 적게 드나 그 항만의 조차, 폭풍해일, 파랑 등을 고려 한다면 일반적으로 높은 것이 좋으며 하역에 지장이 없고 부두 시설물이 침수되지 않게 신중히 결정해야 한다.

    3.1. 국내 마루높이 기준 분석

    국내 마루높이 기준은 Table 1과 같이 접안시설의 수심이 4.5 m 이상이면 대형접안시설, 4.5 m 미만이면 소형접안시설로 분류하고, 조차 3.0 m 이상인 지역과 3.0m 미만인 지역으로 구 분하여 대상 해역의 약최고고조위(A.H.H.W)에 일정 높이를 더 하여 설정한다. 대형접안시설의 경우 조차가 3.0 m 이상일 때 0.5~1.5m, 3.0m 이하일 때 1.0~2.0 m를 약최고고조위에 더한 높이가 마루높이 기준이 된다. 소형접안시설은 조차가 3.0 m 이상일 때 0.3~1.0 m, 3.0 m 이하일 때 0.5~1.5 m를 약최고고 조위에 더한 높이가 마루높이 기준이 된다.

    현재의 마루높이 기준은 2005년과 개정된 2017년 기준이 동일하여 해수면 상승과 선박 대형화 추세를 반영하지 못하 고 있는 실정이다. 또한, 기후 변화에 관한 정부간 패널(IPCC) 에서 설정한 RCP(Representative Concentration Pathways) 8.5 시 나리오에 따르면 2100년경에는 남해안, 서해안이 현재보다 약 85 cm, 동해안이 약 130 cm 상승할 것으로 전망되어 전국 무역항, 연안항의 접안시설 중 다수가 해수면에 잠기게 되 어 사용이 불가할 것으로 예측된다(Park, 2016).

    3.2. 국외 마루높이 기준 분석

    미국 부두높이 기준은 접안선박의 안전성을 위해서 가능 한 높이 설계하여야 하며, 적절한 부두높이를 위해서는 접 안선박의 특성을 파악하여 설계하도록 규정한다. 또한, 접안 선박의 건현과 승하선 장비 및 하역 장비의 설치와 작동을 고려해야 하고, 부두에 설치된 컨베이어, 크레인, 로딩암 등 의 하역장비가 파도에 의해 젖지 않아야 하며, 계류삭의 수 직각이 적절히 유지되도록 부두높이를 설정하여야 한다.

    PIANC 권고기준의 지침서인 Port Designer’s Handbook에 따르면 부두높이는 인근 자연환경과 접안 선박의 종류, 항만 시설 및 화물작업을 고려하여 결정되어야 하며, 마루높이는 약최고고조위보다 최소 1.5 m 이상 높아야 한다고 권고한다 (Thoresen, 2003).

    4. 마루높이 적정성 시뮬레이션 평가

    선박 대형화와 선종별 특성을 반영한 마루높이 기준을 제 안하기 위해 대상선박을 선정하여 마루높이 적정성 시뮬레 이션을 수행하였다. 본 시뮬레이션은 TTI(Tension Technology International)사의 OPTI-MOOR SW(Ver. 6.4.1)를 이용하여 수행 하였다. OPTI-MOOR는 선형 해석으로 타 계류안전성 해석프 로그램에 비하여 단순하나 정확한 모델링 적용이 가능하고 활용도가 높아 국내 해상교통안전진단의 계류안전성평가에 대표적으로 사용되고 있는 해석프로그램이다.

    4.1. 대상선박 선정

    대상선박은 선박 대형화로 인해 풍압면적이 커지므로 마 루높이 상향이 필요할 것으로 판단되는 크루즈선과 컨테이 너선을 선정하였다. 크루즈선은 풍압면적이 비교적 고정적 이고 큰 편이므로 풍력에 따른 선체운동량이 타선종에 비해 크다. 또한 승객의 승하선을 위해 갱웨이나 육상터미널과의 통로가 필수적으로 설치되어야 하므로 선박과 부두의 연계 성이 중요하다.

    컨테이너선은 갑판에 컨테이너 선적을 하므로 화물 적재 량에 따라 풍압면적과 흘수가 유동적이나, 타선종에 비해 비교적 풍압면적이 큰 특성이 있다. 또한 하역 작업시 육상 에 설치된 크레인을 이용하므로 마루높이에 따라 육상 크레 인의 수직높이 또한 영향을 받게 되는 선종이다.

    이에 따라 대상선박은 선박대형화와 크기별 분포도를 고 려하여 GT 10만톤급 크루즈선을 A선박, DWT 10만톤급 컨테 이너선을 B선박으로 설정하였으며, Table 2와 같이 항만 및 어항설계기준에서 규정하는 선박의 제원을 기준으로 풍압 면적이 가장 큰 상태를 설정하여 시뮬레이션을 수행하였다.

    4.2. 계류상황 모델링

    대상부두의 치수와 계선주, 방충재 등 계류시스템의 배치 는 항만 및 어항설계기준 8장 계류시설의 톤수별 배치 규정 에 따라 Table 3 및 Fig. 2와 같이 모델링하였고, 계류삭의 종 류, 직경 및 배치는 대상선박에서 일반적으로 사용하는 종 류 및 방식으로 설정하였다.

    시뮬레이션을 위한 마루높이는 총 4가지로 분류하였고, 약최고고조위에서 1 m를 더한 높이를 H1, 2 m를 더한 높이 H2, 3 m를 더한 높이 H3 , 4 m를 더한 높이를 H4로 설정하였 고, H2는 현 항설기준에서 제시하는 마루높이 기준 중 최고 수준이다.

    4.3. 환경외력 모델링

    적정 마루높이 설정을 위한 시뮬레이션을 위해 풍속은 20 kts, 풍랑주의보 14 m/s 수준인 30 kts, 풍랑경보 21 m/s 수준 인 40 kts로 설정하였고, 풍향은 Fig. 2와 같이 마루높이에 따 른 풍압면적의 변화량이 가장 큰 방향을 고려하여 접안현 정횡(WD1), 접안현에서 선수방향 45°(WD2), 접안현에서 선 미방향 45°(WD3)로 모델링하였다. 마루높이와 풍압면적 변 화에 따른 민감도가 적은 파랑과 조류 조건은 제외하였다.

    4.4. 시뮬레이션 평가요소

    선체동요는 선체 및 계류장치로 구성되는 진동계에 파랑, 바람 및 조류 등의 외력이 작용하는 경우 발생한다. 적정 마 루높이 선정을 위한 시뮬레이션 평가는 계류삭에 작용하는 최대장력, 부두와 계류라인의 앙각 그리고 계선주에 작용하 는 견인력의 계류안전성 평가요소와 외력에 의한 선체동요 에 의해 선박의 통상적인 하역작업이 가능한 범위 내에 있 는지 평가하는 하역안전성 평가로 크게 구분된다. 또한, 일 반적으로 계류시스템은 안전여유를 고려해 선박의 계류한 계를 고려하게 된다(Cho, 2017).

    5. 시뮬레이션 평가 결과 분석

    5.1. A선박 시뮬레이션 평가 결과 분석

    마루높이에 상승에 따른 평가요소의 변화가 뚜렷한 풍향 WD1 및 WD2 일 때의 풍속별 결과값을 분석하면, 풍향이 접 안현 정횡(WD1)일 때 Fig. 3과 같이 모든 풍속 조건에서 계 류삭의 장력은 선미 브레스트 12번 라인이 가장 큰 것으로 나타났고, 풍향이 접안현 선수방향 45°(WD2)일 때 Fig. 4와 같이 모든 풍속 조건에서 계류삭의 장력은 선수 브레스트 5 번 라인이 가장 큰 것으로 나타났다. Fig. 3과 Fig. 4의 그래 프상에는 풍속별로 최대값인 H1와 최소값인 H4의 장력값만 나타내었고, H2H3의 장력값은 생략하였다.

    풍속 30kts, 풍향 WD1 조건에서 계류삭의 장력은 Fig. 3과 같이 마루높이 H1조건에서 19.1~52.0 t, H2조건에서 18.0~51.6 t, H3조건에서 16.8~51.0 t, H4조건에서 15.6~50.5 t으로 분포하는 것으로 나타났으며, 마루높이 변화에 따른 장력 감소율이 가장 큰 계류삭은 선미라인 16번으로 H1조건에서 33.7 t, H2조건에서 31.5 t, H3조건에서 29.1t, H4조건에서 26.9 t 으로 장력 감소율은 각각 6.5 %, 7.6 %, 7.5 %로 나타났다.

    풍속 30 kts, 풍향 WD2 조건에서 계류삭의 장력은 Fig. 4와 같이 마루높이 H1조건에서 11.6~44.5 t, H2조건에서 11.1~43.7 t, H3조건에서 10.6~43.1 t, H4조건에서 10.0~42.2 t으로 분포하는 것으로 나타났다. 마루높이 변화에 따른 장력 감 소율이 가장 큰 계류삭은 선미라인 16번으로 H1조건에서 24.8 t, H2조건에서 23.3 t, H3조건에서 21.6 t, H4조건에서 20.2 t 으로 장력 감소율은 각각 6.0 %, 7.3 %, 6.5 %로 나타났다.

    Fig. 5는 풍속 20 kts, 풍향 WD1일 때, 마루높이에 따른 부 두와 계류라인의 앙각을 나타낸 것으로, 항만 및 어항설계 기준에 의하면 계류라인과 부두의 앙각은 30°를 초과하지 않도록 권고하고 있다. 크루즈선 특성상 라인시작점이 높은 점을 감안하더라도, y축 병진운동인 Sway값에 직접적인 영 향이 있는 선수 브레스트라인 3, 4번의 앙각은 H1에서 31°, 32°, H2에서 30°로 권고값을 초과하는 것으로 분석되었다.

    Table 4는 풍향 WD1 조건에서 풍속과 마루높이에 따른 각 계선주의 견인력으로, 마루높이가 증가할수록 모든 계선주 의 견인력이 감소하며, 풍속 40 kts일 때 마루높이에 따른 견 인력의 감소율은 각각 6.2 %, 7.0 %, 7.2 %로 나타났다.

    5.2. B선박 시뮬레이션 평가 결과 분석

    마루높이에 상승에 따른 평가요소의 변화가 뚜렷한 풍향 WD1 및 WD2 일 때의 풍속별 결과값을 분석하면, 풍향 WD1 일 때 Fig. 6과 같이 모든 풍속 조건에서 계류삭의 장력은 선 미 스턴라인 12번이 가장 큰 것으로 나타났고, 풍향 WD2 일 때 Fig. 7과 같이 모든 풍속 조건에서 계류삭의 장력은 선수 헤드라인 2번이 가장 큰 것으로 나타났다. Fig. 6과 Fig. 7의 그래프상에는 풍속별로 최대값인 H1와 최소값인 H4의 장력 값만 나타내었고, H2H3의 장력값은 생략하였다.

    풍속 30 kts, 풍향 WD1 조건에서 계류삭의 장력은 Fig. 6과 같이 마루높이 H1조건에서 22.2~37.6 t, H2조건에서 21.8~36.4 t, H3조건에서 21.3~35.3 t, H4조건에서 20.8~34.1 t으로 분포하는 것으로 나타났다. 마루높이 변화에 따른 장력 감 소율이 가장 큰 계류삭은 선수라인 1번으로 H1조건에서 35.3 t, H2조건에서 34.1 t, H3조건에서 32.8 t, H4조건에서 31.6 t 으로 감소율은 각각 3.4 %, 3.8 %, 3.7%로 나타났다.

    풍속 30 kts, 풍향 WD2 조건에서 계류삭의 장력은 Fig. 7 과 같이 마루높이 H1조건에서 20.5.~34.5 t, H2조건에서 20.2 33.3 t, H3조건에서 19.9~32.1 t, H4조건에서 19.7~30.9 t으 로 분포하는 것으로 나타났다. 마루높이 변화에 따른 장력 감소율이 가장 큰 계류삭은 선수라인 1번으로 H1조건에서 34.4 t, H2조건에서 33.2 t, H3조건에서 32.0 t, H4조건에서 30.8 t 으로 감소율은 각각 3.5 %, 3.6 %, 3.8 %로 나타났다.

    Table 5는 항만 및 어항설계기준에서 제시하는 컨테이너 선의 안전 하역을 위한 선체 동요 권고 기준이며, Fig. 8은 선체 6자유도 운동 중 본 시뮬레이션에서 설정한 풍향 조건 에서 가장 변화량이 큰 Sway 동요량을 나타내었다. 마루높 이 증가에 따라 Sway 값은 모두 감소하며, 풍향 WD1, 풍속 20 kts 조건에서 H1은 1.22 m, H2는 1.08 m, H3는 0.95 m, H4는 0.83 m로 H1조건에서 Sway 한계값인 1.2 m를 초과하는 것으 로 분석되었다.

    6. 결 론

    선박 대형화와 지구온난화로 인한 해수면 상승으로 항만 내 위험이 증가하고 있다. 따라서 부두의 마루높이 기준은 기존 의 기준보다 상향되는 것이 미래지향적이며, 실제로 정부에서 는 해수면 상승 및 해일의 항만내습에 대비하여 방파제 보강 과 침수취약지구 정비 공사를 추진 중에 있다.

    본 연구에서는 선박특성을 반영한 적정 마루높이를 도출하 기 위해 대상선박을 선정하여 시뮬레이션을 수행하였으며, 다 음과 같은 결론을 도출하였다.

    • (1) 부두의 마루높이는 접안선박의 풍압면적, 선체동요량 등에 밀접한 영향이 있으나, 국내 항만설계기준의 마루높이 기 준에 선종 및 크기 등의 선박 특성은 포함되지 않고 있다. 이에 따라 선박 대형화와 해수면 상승을 고려한 마루높이 기준 개선이 필요한 것으로 분석되었다.

    • (2) GT 10만톤급 크루즈선의 마루높이 상승에 따른 계류삭 장 력값은 풍속 30 kts에서 풍향이 접안현 정횡일 때 최대 7.6 %, 풍향이 접안현 선수방향 45°일 때 최대 7.3% 감소하는 것으로 분석되었다. 또한, 풍속 30 kts, H1조건에서 5번 라 인의 장력값은 44.5 t으로 허용파단력을 초과하였고, 부두 와 계류삭의 앙각은 풍속 20 kts 조건에서 선수 3, 4번 라 인이 마루높이 H1H2에서 권고값을 초과하는 것으로 분 석되었다. 이에 따라 최저 마루높이 기준을 H3로 상향 조 정할 필요가 있는 것으로 분석되었다.

    • (3) DWT 10만톤급 컨테이너선의 마루높이 상승에 따른 계류 삭 장력값은 풍속 30 kts에서 풍향이 접안현 정횡일 때와 선수방향 45°일 때 최대 3.8% 감소하는 것으로 분석되었 다. 또한, 선체동요 및 하역안전성 평가결과 풍속 20 kts일 때 마루높이 H1에서는 Sway 운동의 한계값인 1.2 m를 초과 하는 것으로 분석되어 최저 마루높이 기준을 H2로 상향 조 정할 필요가 있는 것으로 분석되었다.

    본 연구 결과는 접안 선박의 특성을 반영한 부두 마루높 이 기준을 제안하기 위한 기초 자료로 활용될 수 있으며, 항 내 계류선박의 각종 사고 예방을 위해서는 환경 특성 및 선박 의 특성을 보다 상세히 검토하여 부두 및 계류시스템 건설에 반영해야 할 것으로 판단된다.

    Figure

    KOSOMES-24-157_F1.gif

    Sea level rise in domestic major port (1989~2016).

    KOSOMES-24-157_F2.gif

    Mooring Arrangement of each vessel.

    KOSOMES-24-157_F3.gif

    Evaluation of mooring line tension by crown height (WD1).

    KOSOMES-24-157_F4.gif

    Evaluation of mooring line tension by crown height (WD2).

    KOSOMES-24-157_F5.gif

    Mooring line angle by crown height (20 kts, WD1).

    KOSOMES-24-157_F6.gif

    Evaluation of mooring line tension by crown height (WD1).

    KOSOMES-24-157_F7.gif

    Evaluation of mooring line tension by crown height (WD2).

    KOSOMES-24-157_F8.gif

    Evaluation of sway motion by crown height.

    Table

    Standard crown heights of wharves

    Specifications of each vessel

    Specifications of mooring condition

    Bollard force by crown height

    Recommended motion criteria for safe working conditions

    Reference

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