1. 서 론

근래에 들어서 연안 해상공간은 생존을 위한 어업의 장소 에서 여가를 즐기는 레저형 해양공간으로 발전되고 있다. 또한, 연안 해상공간은 해상교통 수출입의 물류 역할과 함 께 다양한 산업 공간 및 문화공간을 제공하고 있어 선진국 의 경우 해상공간을 해상문화복합공간으로 개발하고 있다.

가까운 일본의 경우 1995년부터 메가플로트 공법을 연구 하여 초대형 부유식구조물(VLFSs/Very Large Floating Structure) 을 활용 해상공항뿐만 아니라 석유비축기지, 해상물류기지, 테마파크 등 다양하게 활용하고 있다(Naver, 2011).

메가플로트 공법에 관한 연구는 활발하게 진행되어 설계 및 부유체의 안정성 확보에 대한 다양한 기술들이 연구개발 되고 있다. 국내에도 이러한 메가플로트 공법을 적용한 사 례로 2011년 서울반포 한강공원에 설치된 대형 수상 컨벤션 시설인 ‘세빛둥둥섬’과 ‘여주 수상레저 센터’ 등이 있다.

또한, 최근 해양레저인구 및 산업의 발달뿐만 아니라 어 업의 규모가 커짐으로 연안의 부유체에 관한 관심이 높아져 연구개발이 활발하게 진행되고 있어 해양수산부에서는 2015 년에 ^「국가 어항 부잔교 시설 설계 지침 및 표준모델 사례, 2015, 해양수산부_」를 발간하기도 하였다.

초대형부유식구조물(VLFSs)은 고중량으로 주로 강재와 콘 크리트로 제작 및 설치되어 외력과 사용하중에 대하여 저항 력이 높아 부유체 안정성 확보가 유리하나 연안에서 사용되 는 부유체는 플라스틱, 알루미늄 등과 같이 경량 구조체로서 외력에 대한 안정성이 상대적으로 낮다는 단점이 있다.

연안에서 주로 사용하는 부유체는 앞에서도 언급한 바와 같이 대부분 경량재를 사용하기 때문에 중량재를 사용하는 부유체보다 파랑에 의한 운동량이 많고 사용하중에 의한 편 경사 발생량이 크기 때문에 경량 부유체는 안정성 평가에서 중량 부유체보다 상대적으로 낮게 평가되고 있다. 또한, 공 공기관 또는 사용자의 관점에서 비교적 적은 예산이 소요되 는 시설을 선호하고 있어 이러한 경량 부유체는 일반적으로 소모성 시설로 인식하기 때문에 안정성이 낮다고 알고 있지 만, 복원성을 높이는 방법에 관한 연구는 선박과 초대형 부 유식 구조물보다 상대적으로 진행되지 않고 있는 실정이다.

그래서 본 연구에서는 경량부유체의 운동저감효과를 높 일 수 있는 장치를 국내외적으로 처음 연구개발하고 운동저 감효과를 장치를 구비하지 않은 상태와 비교 연구하였다.

일반적으로 경량 부유체를 사용하는 부잔교 시설은 길이 가 강성이 큰 부잔교보다 작은 크기로 설치하고 있어 12m 이상을 넘지 않도록 계획하고 있으며, 시설의 폭은 1.5m에서 10m 이하까지 다양하게 사용되고 있다. 따라서 금번에 연구 한 부유체의 규모는 경량 철골구조에 부력재를 갖춘 부유체 로 실험을 시행하였다. 이러한 부유체 안정성과 관련 기존 의 연구는 많이 있으나, 그중 관련 연구를 다음과 같이 요약 해보았다.

Seo et al.(2018)은 길이 15.0m 폭 10.0m의 폰툰형 플랫폼의 설계과정을 연구하고 각 구조부재의 구조설계를 수행하였 다. 구조 강도 해석은 유한요소법(Finite Element Method)을 기 반으로 탄성 스프링 거동을 고려한 상용 해석 프로그램인 ANSYS Mechanical solver(ANSYS, 2016)를 활용하여 정적 및 동적해석을 수행하여 설계 검토 및 절차에 대해 검토하였다.

Park et al.(2005)는 길이 500m 폭 300m 규모의 부유식 리조 트에 대한 상세한 설계절차에 대해 소개하고, 유탄성 응답 해석으로 산출된 결과치를 활용, 각 부재의 구조를 설계하 였다. 구조평가를 위해 ANSYS프로그램을 사용하여 동적해 석을 수행, 구조설계에 대한 유용성을 검토하였다.

Koh et al.(2013)는 부유식 구조물의 상하동요 안정성을 향 상시키는 방법에는 수직운동 감쇠를 위한 감쇠판 또는 Heave Plate 등을 부착하는 여러 방법을 연구하였다.

2. 운동저감장치의 작동원리 설명

본 연구에서 사용하는 장치명은 “기압차를 이용한 운동저 감장치”라고 칭하였다. 장치의 구조는 하부가 열려있고 상 부는 열고 닫히는 뚜껑형식의 개폐로 구성된 뒤집은 용기와 같은 형상이며, 부유체의 측부에 설치되어 운동 저감 역할 을 하게 된다.

작동원리는 Fig. 1과 같이 부유체가 파랑(Wave)와 같은 외 력에 의해 수면에서 횡동요(Roll), 종동요(Pitch), 상하운동 (Heave) 등 운동을 할 경우 상승하려는 측부에 설치된 장치 의 내부에 물기둥을 형성하여 측부의 무게를 증가시켜 상승 높이를 줄이는 작용으로 운동을 저감하는 원리이다.

이때 장치의 상부에 부착된 개폐기는 용기내의 압에 의해 자동으로 개폐작용을 반복하게 된다. 즉 부유체의 측부가 상승할 때 용기내의 물은 아래로 빠지지 못하고 용기내의 기압은 저기압 상태가 되어 주사기 입구를 막고 손잡이를 잡아당길 때 발생하는 내부기압이 형성된다. 반대로 부유체 의 측부가 하강할 때는 상대적으로 물의 압력이 상부로 향 하게 되어 내부의 공기를 개폐기를 통해 밖으로 밀어내는 역할을 하면서 내부의 기압은 대기압과 같은 상태가되어 내 부의 물기둥이 해제되어 물의 중량에 의한 가속도를 줄이게 된다.

파랑(Wave)에 의해 부유체의 기울기가 발생한 경우뿐만 아니라 Fig. 2와 같이 부유체 상부의 편 하중이 발생할 때도 같은 작용을 하고, 편 하중이 시간의 변화에 따라 지속될 경 우에도 장치의 작동은 지속되므로 편 하중 발생시 안정성 확 보 효과는 수리 저항 방식보다 매우 개선되었다고 판단된다.

3. 부유체 모델링

3.1 개발모델선정

Fig. 3은 본 연구논문의 대상인 경량 알루미늄 부유체의 구조를 보여주고 있으며, Table 1에서는 연구 대상의 주요치 수를 설명하고 있다. 경량 부유체의 구조체인 알루미늄 프 레임은 외부틀 주 구조재와 내부 종횡 방향으로 보강하는 보조 구조재로 구분되며, 상부는 목재데크로 포설되고, 하부 부력재는 EPS 경량 단열재를 콘크리트와 철망으로 피복하 여 주/부 구조재에 취부되는 구조체로 구성된다. 그리고 가 장 핵심 연구 장치인 외력에 의하여 부유체의 운동량을 감 소하는 운동저감장치를 구비한 부유체이다. 운동저감장치는 진공 유동방지장치라고도 명칭 하나 본 논문에서는 운동저 감장치로 정리하였다.

Table 1에서 설명한 부유체의 규모는 Fig. 4 평면도와 측면 도로 표현할 수 있다.

운동저감장치는 수면 및 부유체 상승 시 상단에 개폐가 가능한 공기통로가 닫힘으로 장치 내부에 물을 담고 있는 상태가 되어 무게추 역할을 수행한다. 반대로, 수면 및 부유 체 하강 시 장치도 같이 하강할 때에 공기개폐기가 열림으 로 진공상태가 해제된다. 즉, 상승 시에는 무게추 역할을 하 여 상승 가속도를 줄이지만 하강 시에는 운동저감장치 내부 기압이 대기압과 같아져 내부 수압이 부유체 하강을 가속도 에는 영향을 끼치지 않는다. 이러한 반복적인 운동을 수행 하며 부유체의 동요를 저감시키는 원리이다. 해당 운동저감 장치의 모형과 구성은 Fig. 5로 설명하였다.

3.2 전산 해석 프로그램 소개

본 연구의 실험은 미국 ANSYS, Inc.사에서 개발한 해양 시뮬레이션 프로그램 ANSYS-AQWA를 사용하였으며, 이 프 로그램은 주로 부유체의 유체동력학적 거동을 평가하는 해 양 시뮬레이션 프로그램이다.

3.3 실험모델(Model) 구분

본 연구에서 실험모델은 운동저감장치의 유무 및 고정방 식에 따라 A, B, C로 분류하였으며 별도의 운동저감장치를 고려하지 않은 실험모델 A와 운동저감장치를 구비한 실험 모델 B, C는 운동저감장치의 고정방식에 따라 Table 2와 같 이 구분하였다.

실험모델 B는 부유체 하단에 용접 등을 통해 완전히 고정 된 모델을 나타내며, 실험모델 C의 경우 운동저감장치가 부 유체 하단에 체인을 통해 고정된(Semi-Fixed) 형태이다. 체인 의 경우 압축력에 영향을 받지 않기 때문에 3D 모델링 상 운동저감장치와의 인장력만을 전달하는 스프링을 이용하여 부유체와 연결하였다.

실험모델 C의 운동저감장치는 다음 Fig. 6과 같이 모델링 하였으며, 실험모델 B, C의 경우 장치로 인해 상하동요 (Heave), 횡동요(Roll), 종동요(Pitch)의 부유체 주요 운동을 제 한하였다.

실험모델에 사용되는 운동저감장치의 효과를 구현하기 위해 실제로 장치에 대한 수조실험을 수행하여 힘과 변위와 의 관계를 도출한 후 이를 개별모델에 스프링으로 적용했 다. 이때 수조시험의 모습은 Fig. 7과 같다. 운동저감장치의 원리는 비어 있는 용기 내의 기압 차에 의한 물기둥을 형성 후 부유체 상승시 용기 내 물기둥이 상승하려는 부유체의 중량으로 작용해 운동 저감 스프링으로 작용하는 원리이다.

이때 실험모델 B의 경우 운동저감장치가 고정되어있기 때문에 시뮬레이션 상 상방향(Pulling)과 하방향(Press) 스프링 을 적용하였고, 실험모델 C의 경우 인장력만을 전달하는 체 인으로 연결되어 있으므로 상방향(Pulling) 스프링을 적용하 였다. 이를 통해 상방향(Pulling) 하중에 대한 힘-변위 관계는 5.0kN/m이 도출되었으며, 하방향(Press) 하중에 대한 힘-변위 관계는 14.7kN/m의 값이 도출되었다. 운동저감장치의 수조 시험 결과로 상방향(Pulling) 하중과 하방향(Press) 하중에 대 한 힘-변위 관계는 아래 그래프 Fig. 8과 Fig. 9로 확인할 수 있다.

해석 프로그램에서 실험모델 A와 실험모델 B, C의 3D모 델링은 다음 Fig. 10과 Fig. 11 같이 모델링 하였다.

3.4 실험의 범위

실험범위는 Table 3과 같이 실시하였다.

4. 경량 부유체의 실험조건

4.1 환경조건 검토

모델별 부유체의 운동성능 검토는 순수 파랑에 대한 부유 체의 운동 응답을 평가하기 위해 평상시 파고 0.3m를 적용 하였고, 부유체 안정성 검토는 평상시 및 이상시 파랑, 조류 와 바람 등 부유체에 작용할 수 있는 모든 해상환경조건을 고려하였으며 각 조건에 군집하중을 적용하여 경하시와 만 재시로 구분 후 최종 해석 조건을 설정하였다.

만재시는 75kg의 성인 20명이 대상 부유체에 탑승하고 있 는 상태를 가정하여 군집하중 1.5Ton을 고려한 흘수를 적용 해 편 하중 재하시 갑판경사를 검토하기 위해 만재 편하중 을 적용한 정적해석을 수행하였다. 이때 요구되는 기준각도 는 5.71°이다. 이 값은 항만 및 어항 설계기준·해설(2017, 해 양수산부) 중 갑판 경사가 tanα=1/10 이하인 값에 해당한다.

부유체의 운동은 주로 입사파에 기인하나, 본 연구에서는 부유체의 최대 운동 응답을 유도하기 위하여 조류와 바람을 파랑과 동일한 방향으로 적용하였고, 수심은 5.0m로 평상시 와 이상시의 파고 및 바람의 세기는 Table 4와 같다.

해상의 불규칙 파랑을 정의하는 파랑 스펙트럼은 JONSWAP 스펙트럼(첨두 상승계수 r = 2.14)을 적용하였다. JONSWAP 스 펙트럼은 풍파로 발달한 천해역에 가장 적합한 스펙트럼으 로 알려져 있으며 한반도 연안에 대한 연구(Suh, 2010) 에서 한반도 연안의 JONSWAP 스펙트럼에 대한 첨두 상승계수 값을 2.41로 제시한 바 있다.

바람의 세기는 건축구조기준 2009(국토해양부 고시, KBC2009)에서 제안한 지역별 기본 풍속 중 전라북도 군산의 풍속을 적용하였다.

4.2 계류시스템 구성

계류방식은 구조체의 상부 프레임 모서리 4개소에 계류로 프를 해저 앵커까지 고정시키는 4점 계류방식으로 가정하고 방향은 구조체의 각 모서리 45° 대각방향으로 향하도록 Fig. 12와 같이 설정하고, 파랑의 방향을 Fig. 13과 같이 다각 방 향에서 발생하도록 구성하였다.

4.3 각 상태 및 모델별 실험조건

각 상태 및 모델별 실험조건은 다음 표와 같다. Table 2의 실험모델을 각각 단독상태, 계류상태로 구분하였고, 단독상 태의 경우 파랑, 바람 및 조류의 방향을 0˚~180˚ 사이에서 5 개로 나누어 적용하였기 때문에 평상시와 이상시를 고려하 여 모델별 10개의 조건을 Table 5~Table 10과 같이 구성하였 고, 이때 실험조건별 모델별 명칭은 A1~A10, B1~B10, C1~C10으로 구분하였다.

계류상태의 경우 해석시간을 고려하여 파랑, 바람 및 조 류의 방향을 0˚~90˚ 사이에서 3개로 나누어 적용하였다. 또 한, 평상시와 이상시를 고려하여 각 모델별 6개의 실험조건 으로 구성하였으며, 단독상태와의 구분을 위해 실험조건 명 칭 앞에 M(Mooring)을 추가하였다.

5. 실험결과

5.1 복원성 실험결과

부유체의 복원성 검토는 ‘국토해양부고시 제2009-590호 선박복원성기준, 제7장 부유식 해상구조물의 복원성 기준’ 에 따라 검토하였다. 수조 실험결과 및 동적동요량 시뮬레 이션 결과, 실험모델 B와 C의 운동저감장치에 의한 동요량 감소가 분명히 나타나므로 가장 악조건이라 판단되는 운동 저감장치를 구비하지 않은 실험모델 A만 검토하였다. 그 결 과 실험모델 A의 해수유입각은 14°로 계산되었고, 경사 우 력정(Wind Heeling Arm) 산정을 위한 적용풍속은 36m/s로 결 정했다. 계산에 사용된 흘수는 0.3m, 건현은 0.386m이며 GM 은 1.7m로 계산되어 0보다 커야 하는 기준을 충족한 값을 산 출했다.

실험모델 A 부유체 실험결과는 Fig. 14와 Table 11과 같다.

5.2 모델별 경사도 실험결과

모델별 경사도 실험을 위해 하중조건은 만재시 정위치와 편현위치 구분하였으며, “알기쉬운 항만설계기준 핸드북, 2011”에 의하면 정적 안정성 검토 기준의 경우 GM은 0 이 상, 갑판경사각은 5.71° 미만이어야 한다.

실험결과, 실험모델 A의 경우 Fig. 15와 Table 12 같이 편 현위치에서 갑판경사가 5.71°를 넘어 기준을 만족하지 못하 였고, 실험모델 B, C는 Fig. 15와 Table 13 그리고 Table 14 같 이 구비된 운동저감장치의 효과로 인해 정적 안정성이 증가 한 것으로 확인되었다.

5.3 단독상태 동적동요량 실험결과

단독상태 대상 부유체의 평상시(파고 0.3m) 및 이상시(파 고 0.5m) 실험조건에 대하여 6자 유도 최대 동적동요량 결과 는 아래 Table 15에 정리하였으며, 실험결과 실험모델 B, C의 경우 모든 기준을 만족하였으나 실험모델 A의 경우 이상시 90° 조건에서 횡 요동량(Roll)이 5.71°를 초과해 기준을 만족 하지 못하였다.

5.4 계류상태 동적동요량 실험결과

계류상태 부유체의 평상시와 이상시 실험조건 관련 Heave, Roll, Pitch에 대한 동적동요량의 결과는 Table 16과 같 으며, 단독상태와는 달리 모든 실험모델이 동요량 기준치를 만족하였고 실험모델 A에서 최대 5.793kN의 동적계류장력이 개선되었음을 확인할 수 있다.

5.5 실증시험

기압차를 이용한 운동저감장치를 구비한 경량부유체의 실제적용성을 판단하기 위해 해상에서 Fig. 16과 같이 실제 부유식 구조물에 실증해보았다.

실제 설치된 부유체의 초기복원성을 검측결과 Table 17과 같이 초기복원효과가 6.23으로 특수선(다동선)의 GoM기준 0.15보다 40배 이상 높게 분석되어 효과가 향상된 것으로 판 단된다.

6. 결 론

경량 부유체에 운동저감장치를 구비 하도록 하여 정적, 동적 안정성에 대하여 장치를 구비 하지 않은 부유체와 비 교 실험으로 안정성 증대 방법을 검토해 보았다. 본 연구에 서 소개한 운동저감장치는 기압차에 의해 발생한 물기둥을 이용한 운동저감장치로, 그 효과가 다음과 같이 상당히 우 수한 것으로 실험을 통해 확인되었다.

실험결과를 살펴보면 부유체의 기본적인 복원성은 모든 경우 해당 기준을 만족하였으나, 경사도 검토결과 장치를 미구비한 실험모델 A는 편현 위치에서 갑판경사가 5.71° 이 상으로 기준을 만족하지 못하고 장치를 구비한 실험모델 B, C는 기준을 만족하였다.

이는 실험모델 B, C에 구비된 운동저감장치의 스프링 효 과로 횡요동(Roll)를 감소시켜 부유체의 갑판경사가 5.71°이 하로 기준을 만족하게 하였다. 부유체에 대한 유체동역학적 해석 결과 운동저감장치를 구비한 부유체의 경우 그렇지 않 은 부유체에 비해 단독상태에서는 25.0%에서 최대 36.2%, 계 류상태에서는 20.2%에서 최대 37.6%의 운동성능 개선 효과 가 확인되었다.

또한, 정적 안정성 검토에서 편위치 재하시 갑판의 경사가 장치를 구비한 부유체가 미구비 부유체보다 2배 이상 줄어 든 것으로 확인된다. 이것은 부유체를 이용하는 사용자의 안 전성을 더욱 확보하여 해양 안전사고 발생률을 줄일 수 있을 것으로 기대된다. 실제 부유식 구조물에서 장치를 구비한 부 유체의 초기복원성을 검토 결과 특수선박 다동선의 기준인 GoM 0.15보다 훨씬 높은 복원성능을 확인할 수 있었다.

앞으로 기압 차를 이용한 운동저감장치의 응용 분야는 매 우 많을 것으로 판단되고, 특히 해양탐사선이나 시추선과 같 은 반잠수선에 효과적으로 응용이 가능할 것으로 판단된다.

본 연구를 기반으로 부유체의 운동량 저감을 통해 파의 투과율을 최소화하여 파의 투과율을 현저하게 저감 할 수 있는 부유식 방파제에 대한 연구를 계속 이어갈 계획이다.