1. 서 론
국내에서 발생하고 있는 해양사고와 인명피해는 매년 증 가 추세이고 해양사고 대부분이 어선에서 발생하고 있으며 이러한 사고는 인적 요인, 교통 환경적인 요인, 선박 자체 적인 요인 등에 의해 발생하고 있다. 이와같은 여러 요인 중 선박 내항성능과 관련이 있는 전복, 침몰 사고 대부분도 30 톤 미만의 어선에서 발생(전복 93 %, 침몰 79 %)하였고 특히 10톤 미만 어선에서 가장 많이 발생(전복 89 %, 침몰 70 %)하 였으며 이러한 전복, 침몰 사고는 타 사고에 비해 인명 치사 율도 매우 높았다(KMST, 2021).
이에 따라 해양수산부에서는 어선안전조업법에 풍랑주의 보 발효 시 30톤 미만 출항금지 등을 주요내용으로 하는 어 선 출항통제기준을 정하여 어선의 운항을 제한하고 있다. 하지만 어선 출항통제기준은 30톤 미만의 어선에 대해 톤급 구분없이 동일하게 적용하고 있고 30톤 미만의 어선은 길이 24 m(50톤급) 미만으로 복원성 승인 및 검사가 제외되어 폐 선 시까지 선박 내항성능에 대한 검토가 이루어지지 않은 채 운항되고 있어 어선 해양사고의 위험은 줄어들지 않고 있는 것으로 판단된다.
어선은 대형선에 비해 파도와 바람의 영향을 많이 받고 열악한 운항환경으로 해양활동 중에 보다 강화된 안전대책 이 필요하다. 따라서 어선의 해양사고 예방과 관련하여 제 도적 연구와 어선 내항성능과 관련한 연구도 다양하게 이루 어져 왔다.
어선 내항성능과 관련한 많은 연구 중 일부 국내ㆍ외 연구 로는 Kim et al.(1994), Jung and Kong(2008), Kang et al.(2007), Gómez Rojas(2021), Tello et al.(2011) 등이 있으며 이와 같은 어선 내항성능과 관련한 국내ㆍ외 연구 내용들은 해양사고 를 감축하고 예방하기 위한 목적은 같으나 대상선박이 컨테 이너선형, 여객선형, 트롤어선 등 본 연구 대상의 어선 보다 큰 선박이 많았고 연구내용도 선박종류별 특성 파악 및 내 항성능 평가요소들의 영향 분석을 통한 평가방법 개발, 어 선의 횡동요 특성 파악을 통한 운항 조언, 내항성능 요소별 운항을 제한하는 항해 조건과 선박상태 식별 등이 많았으며 평가 및 분석한 내항성능을 기반으로 하여 10톤 미만 어선 에 대한 해양활동 기준 마련 연구는 없었다.
따라서 10톤 미만 어선의 해양사고를 감축 및 예방하고 안전한 해양활동을 위해 10톤급(G/T 9.77톤) 어선의 내항성 능을 평가 하였고 내항성능을 기반으로 하는 해양활동 기준 마련을 위한 기초 연구를 하였다.
2. 어선 해양사고 현황
중앙해양안전심판원에서 발표한 2016년부터 2020년까지 최근 5년간 해양사고 현황에 대해 살펴보았다(KMST, 2021). Table 1은 어선의 해양사고 현황으로 2016년에 1,794척에서 2020년에 2,331척으로 537척(+30 %)으로 매년 증가하고 있으 며 해양사고의 68 %, 인명피해 75 %가 어선에서 발생하였으며 Table 2는 10톤 미만 어선의 해양사고가 전체 사고의 72.4 % 로 많은 부분을 차지하고 있음을 보여주고 있다.
Table 3은 인명피해 현황으로 어선의 인명피해는 2016년 324명에서 2020년 451명으로 127명 증가(40%)하였고 전체 인 명피해의 76%를 차지하고 있으며 이는 비어선 인명피해 보 다 약 3배 이상 높았다.
Table 4는 어선의 해양사고 중 전복 및 침몰사고 현황으로 대부분 30톤 미만의 어선에서 발생(전복 93 %, 침몰 79 %)하 였고 특히 10톤 미만 어선에서 가장 많이 발생(전복 89 %, 침몰 70 %)하였다.
전복 및 침몰사고는 치사율(발생척수 대비 사망자 및 실 종자)도 타 사고보다 높게 나타났으며 특히 전복사고 치사 율은 좌초 사고에 비해 약 28.3배 높으며, 접촉사고에 비해 약 27.7배, 화재․폭발 사고에 비해 약 3.6배 높은 것으로 나 타났다(Yoo and Jung, 2018).
이와 같은 해양사고 대부분은 원인과 대책이 명백한 것들 로 반복적으로 발생하고 있고 인적과실이 약 83 %로 조사되 었다(KMST, 2021). 특히 내항성능과 관련이 많은 전복,침몰 사고가 소형어선 일수록 많이 발생하였고 인명 치사율도 타 사고에 비해 높은 것을 알 수 있었다.
내항성능에 맞지 않는 무리한 해양활동은 지속적인 선박 의 동요에 의해 인간의 활동 능력과 장비의 성능은 떨어지 게 되고 동작유도 중단 등으로 인해 항해 및 장비조작 미숙 등 승조원의 임무수행능력이 떨어지게 되며 이는 해양사고 의 많은 부분을 차지하는 인적과실의 주요 원인으로 이어질 수 있다. 또한 어선은 일반적으로 어획물이 상부 갑판상에 적재되어 무게 중심이 높아 선체가 불안전한 상태로 높은 파고로 인한 횡경사로 인해 어획물이 한쪽으로 치우쳐 전 복, 침몰될 가능성이 높다.
따라서 어선의 해양사고를 줄이고 예방하기 위해서는 톤 급(크기)에 따른 내항성능과 기준에 맞게 해양활동하는 것 이 무엇보다 중요하다고 판단된다.
3. 내항성능과 인간의 활동 능력
내항성능이란 “어떤 사명을 부여받은 선박이 예정된 취항 항로 혹은 해역을 항해함에 있어, 해상 조건에 관계없이 승 무원의 안전은 물론이고 선체에 탑재된 장비, 설비 등의 기 능 및 성능의 저하 없이, 그 사명을 수행하는데 요구되는 성 능”을 말한다(Vessel terminology dictionary, 2022). 이는 선박의 파랑 중 성능뿐만 아니라 인간과 선체/장비와의 시스템적인 기능과 성능을 포함하는 것으로 볼 수 있다.
따라서 국내․외 선박의 운용기준을 살펴보고 내항성능 해석요소별 선박과 승조원에 미치는 영향이 해양사고와 어 떻게 연관되어지는지를 알아보고자 한다.
3.1 내항성능 국내ㆍ외 기준 검토
국외 내항성능 기준은 NORDFORSK(북유럽응용협력기구) 1987과 NATO STANAG(표준화협정) 4154가 많이 인용된다. Table 5는 NORDFORSK 1987 기준으로 선박을 Merchant ships, Naval vessels, Fast small craft 3종으로 구분하여 기준이 설정 되어 있다.
Table 6은 NATO STANG 4154 기준으로 4가지 조건(Roll, Pitch, Vertical acceleration, Lateral acceleration)에 대해 기준이 설정 되어있다.
이와 같은 국외 기준은 군함 및 대형선 위주로 설정되어 있어 어선에 적용하기에는 무리가 있을 것으로 판단된다.
국내 내항성능 기준은 Seakeeping criteria of naval ship (Kim et al., 2019)과 대한민국 해군 내항성능 설계기준 지침 (Naval-ship design&construction criteria : Guideline for seakeeping) (ROKN, 2004)이 있으며 국내 내항성능 기준도 NORDFORSK (북유럽응용협력기구) 1987과 NATO STANAG(표준화협정) 4154를 참고하여 작성된 것이다. Table 7은 Seakeeping criteria of naval ship으로 우리나라 해양경찰에서 현재 운용중인 14M급 RIB 타입의 연안구조정을 대상으로 소형 고속정의 운항한계에 대한 연구(Bae, 2015)와 하이브리드 방법을 사용 한 고속 활주정의 내항성능평가 절차 개발(Kim et al., 2019) 에 적용하여 평가 되었다.
하지만 대한민국 해군 내항성능 설계기준 지침은 해군 함 정 임무와 함정 특성에 맞게 기준이 설정되어 있어 어선에 적용하기에는 무리가 있으며 참고용으로 활용은 가능하다.
따라서 14M급 RIB 타입의 연안구조정과 어선의 선체유형 및 재질 등의 차이는 있을 수 있으나 현재까지 10톤 미만의 어선에 적용할 수 있는 적합한 기준이다.
3.2 내항성능과 인간의 활동능력 기준 검토
Table 8은 대한민국 해군 내항성능 설계기준 지침의 내항 성능 해석요소들이 선박과 인간에 미치는 영향(ROKN, 2004) 을 설명한 것으로 선박의 지속적인 동요는 인간의 활동 능 력을 제한하고 상해를 입힐 수도 있으며 각종 장비의 성능 을 떨어뜨리는 요인이 될 수도 있음을 알 수 있다.
특히, 횡동요가 8°를 넘게 되면 승조원들의 임무수행능력 이 급격히 떨어지게 되며, 인간이 서서 버틸 수 있는 최대 횡 동요각은 14° 정도 이고 종동요가 4.8°를 넘으면 승조원 작 업능률은 60 % 이하로 감소하는 것으로 알려져 있다(ROKN, 2004).
선박에서의 인간의 활동 능력과 관련한 기준을 살펴보면 국외 기준은 군함 및 대형선 기준으로 설정 되어 있으며 Table 9는 NORDFORSK 1987에서 제시한 내항성능에 따른 작 업수준을 구분하여 주고 있다.
Table 10은 NATO STANAG 4154에서 제시한 MII(Motion Induced Interruption,동작유도중단) 수준으로 분당 동작유도 횟수에 따른 위험정도를 나타내고 있다.
동작유도중단은 선박 작업 중 또는 단순히 서 있을 때 부 상위험을 최소화하기 위한 적절한 행동으로 발생률이 높을 수록 임무수행능력이 떨어지며 움직이는 환경에서 작업하 는 개인의 능력에 가장 심각한 영향을 미친다(Crossland et al., 2007).
국내 기준으로 대한민국 해군 내항성능 설계기준 지침이 있으나 함정 임무와 함정 특성을 고려하여 임무효율성을 중 점으로 설정되어 있어 어선 특성에 맞게 기준 설정이 필요 하며 동작유도중단에 대해서는 추가적인 연구가 필요하다.
이와 같이 지속적인 선박의 동요에 의해 인간의 활동 능 력과 장비의 성능은 떨어지게 되고 동작유도 중단 등으로 인해 항해 및 장비조작 미숙 등 승조원의 임무수행능력이 떨어지게 되며 이는 해양사고의 대부분을 차지하는 인적과 실의 주요 원인으로 이어질 수 있음을 알 수 있었다.
4. 내항성능 평가
4.1 대상 선박 제원
본 연구에서는 대표적인 연안어선 G/T 9.77톤급을 선정하 였다. Table 11은 대상 선박의 제원이며, Fig. 1은 대상 선박 의 측면 배치도를 나타낸다.
4.2 운동해석 조건
본 어선의 경우 불규칙파 중 선체운동응답은 규칙파 중 선체응답으로부터, St.Denis와 Pierson의 선형중첩이론에 의해 추정되며, 운동응답함수(Response Amplitude Operator, RAO)에 의해 특정 해상상태에 해당하는 파랑 스펙트럼을 곱하여 운 동 스펙트럼을 구하고 운동 스펙트럼으로부터, Rayleigh 분 포 가정 하에 유의값을 계산한다.
응답의 정도는 파고에 선형적으로 비례한다고 가정한다. 선형역학시스템의 특성은 가진 크기보다 가진 주파수에 의 해 큰 영향을 받기 때문에 본 해석에서 사용한 방법은 응답 이 강한 비선형성을 나타내지 않는다면 신뢰성을 가진다. 규칙파 중에 선체운동응답의 유기진폭 함수와 파랑스펙트 럼의 관계를 이용하여 선체응답 에너지 스펙트럼을 구하여 적용한다.
Table 12는 선체 내항성능해석을 위한 무게중심(Center of Gravity), 종동요 회전반경(Pitch Gyradius), 횡동요 회전반경 (Roll Gyradius)과 스트립 이론(Strip Theory)에 사용된 정보 (Number of mapped sections, Maximum number of mapping)를 나타낸 것이다.
Table 13은 어선이 운용될 해상의 상태를 나타낸 것으로 대한민국 해군 내항성능 설계기준 지침을 참고하였다.
내항성능 해석조건으로 해석요소는 횡동요(Roll)와 종동요 (Pitch)를 적용 하였고 파고는 유의파고 0.1 m에서 3.0 m까지 0.1 m 단위로 30개 구간으로 설정하였으며 속력은 5 kts에서 30 kts까지 5 kts 간격으로 6개 구간으로 설정하였고 파랑의 방 향은 180°(Head sea), 090°(Beam sea) 2개 방향으로 설정하였다.
1978 ITTC 불규칙 파랑 스펙트럼에 제한된 해상상태에 대 한 내항성능해석을 수행하였으며, 1978 ITTC 불규칙 파랑 스 펙트럼의 이론은 불규칙한 해상상태를 해석하기 위하여 일 반적으로 일정한 주기로 측정된 파면의 분포는 정규분포를 따르며, 불규칙파의 파형은 서로 다른 파장과 파고를 가진 여러 규칙파의 중첩으로 가정하였다.
어선의 내항성능해석에서 이러한 불규칙 파랑에 대한 유 의파고 함수로 표시하는 파랑에너지 스펙트럼 1978 ITTC 스 펙트럼은 아래와 같은 식으로 정의되어진다.
여기서,
-
H ⅓ : Significant wave height(m)
-
T₀ : Average Zero-upcrossing Period(sec)
-
T₁ : Average Period(sec)
-
Tₘ : Modal Period(sec) = 1.408T ₀
-
mₙ : Moment of Degree
-
w : Wave Frequency(rad/sec)
4.3 내항성능 평가결과
내항성능 해석 기준은 Table 7 “Seakeeping criteria of naval ship” 의 Operation과 Survival 기준을 적용하였고, 대한민국 해 군함정 내항성능 설계기준 지침에 있는 내항성능 요소별 선 박과 인간에 미치는 영향을 바탕으로 해석하였다.
Fig 2에서부터 Fig 7까지는 선속 5 kts부터 30 kts까지 해석 결과를 보여주고 있으며 횡동요(Roll)는 파랑방향이 정횡, 종 동요(Pitch)는 파랑방향이 선수인 상태에서 평가된 최대값을 의미한다. 횡동요는 선속 5 kts에서 30 kts까지 모든 구간에서 동일하게 유의파고 0.4 m부터 Operation 기준인 8°를 초과하 였고 유의파고 2.2 m부터 Survival 기준인 30°를 초과하는 것 으로 나타났다.
종동요는 선속 5 kts 유의파고 1.7 m에서 Operation 기준인 4.8°를 초과하였고 선속이 증가함에 따라 최대 2.9 m까지 초 과지점도 높아졌다. 종동요가 유의파고 3 m까지 Survival 기 준인 8.0°를 초과하지는 않았으나 작업능률이 60 % 이하로 감소하는 상태이고 유의파고 0.8 m부터는 인간이 서서 버틸 수 있는 최대 횡동요각인 14°를 넘어섰으며 유의파고 2.2 m 부터 횡동요 Survival 기준인 30°를 초과한 상태로 안전하다 고 볼 수 없다.
따라서 10톤 미만의 어선은 풍랑주의보 발효 전까지 어선 안전조업법의 어선출항 통제 기준에 따라 출항은 가능하나 해석결과를 비추어 볼 때 해양활동 관련 내항성능 평가 기 준에는 충족하지 못하였다.
또한 유의파고와 최대파고와의 관계(Harbour and Fishery Design Criteria, 2017)를 비추어볼 때 유의파고의 1.6 ~ 2배 이 상의 높은 파고와 조우할 수 있기 때문에 해석한 결과보다 더 위험한 상황에 직면할 수 있다.
5. 결 론
본 연구는 내항성능을 기반으로하여 10톤 미만 어선의 해 양활동 기준 마련을 위한 기초 연구로서 국내 연안어선 10톤 급(G/T 9.77톤)을 대상으로 내항성능을 평가하였고 “Seakeeping criteria of naval ship” 내항성능 평가 기준의 Operation(활동가 능)과 Survival(생존) 기준을 적용하여 해양활동 충족 정도를 해석하였다.
해석결과 횡동요는 속력 5 kts에서 30 kts까지 모든 구간에 서 동일하게 유의파고 0.4 m부터 Operation 기준(8.0°)을 초과 하였고 유의파고 2.2 m부터 Survival 기준(30°)을 초과하는 것 을 알 수 있었으며 종동요는 속력 5 kts에서 유의파고 1.7 m부 터 Operation 기준인 4.8°를 초과하였으나 30 kts까지 Survival 기준인 8.0°를 넘지는 않았다. 하지만 횡동요가 2.2 m부터 Survival 기준(30°)을 초과하였고 인간이 서서 버틸 수 있는 최대 횡동요각인 14°를 유의파고 0.8 m부터 넘어섰으며 종동 요가 4.8°를 넘으면 승조원 작업능률은 60 % 이하로 감소하 는 상태로서 해양활동관련 내항성능 평가 기준에는 충족하 지 못한다고 볼 수 있다.
따라서 10톤 미만의 어선은 풍랑주의보 발효 전까지 어선 안전조업법의 어선출항 통제 기준에 따라 출항은 가능하나 해양활동에 많은 제한이 발생할 수 있고 유의파고의 1.6 ~ 2배 이상의 높은 파고와 조우할 수 있기 때문에 해석한 결과보 다 더 위험한 상황에 직면할 수도 있으므로 안전한 해양활 동을 위해 톤급(크기)에 따른 내항성능 평가와 기준 마련이 필요할 것으로 판단된다.
본 연구는 기초 연구로써 10톤급 어선에 대해서만 극히 제한적으로 평가 및 해석 되었다. 추후 표준어선형을 포함 하여 어선의 다양한 선종 및 톤급(크기)에 대한 전문적인 평 가를 통한 해양활동 기준 마련 검토가 필요할 것으로 사료 된다.