항만설계에 필요한 설계조건 : 대상선박, 접안에너지

안녕하세요~ 오늘은 항만설계 설계조건에 대해 알아보도록 하겠습니다.

 

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항만 및 어항시설의 설계조건은 시설의 성격 및 시설물에 주어진 상황에 따라 다음의 설계여건을 고려하여 선정하고, 자연조건, 이용 상황, 시공조건, 부재의 특성, 시설에 대한 사회적 요청, 자연환경에의 영향 등을 고려하여 시설이 안전하게 될 수 있도록 정합니다.

 

(1) 대상선박의 제원

(2) 선박으로 인해 발생하는 외력

(3) 바람과 풍압 등

(4) 파랑과 파력

(5) 조석과 이상조위(異常潮位)

(6) 흐름과 흐름의 힘

(7) 부체에 작용하는 외력과 동요

(8) 하구수리 및 표사

(9) 자중(自重) 및 재하하중

(10) 마찰계수

(11) 기타 필요한 설계조건

 

설계조건 편에서 중요한 용어들이 있습니다. 용어와 그에 대한 설명은 다음과 같습니다.

∙ 기왕고극조위(旣往高極潮位, Observed highest high water level) : 기존에 관측된 가장 높은 조위를 말한다.

∙ 배수톤수(Displacement tonnage) : 떠 있는 선체가 정지상태에서 배제하는 물의 중량을 톤 단위로 나타낸 수를 말한다.

∙ 부유사(浮遊砂, Suspended load) : 유수(流水) 또는 파랑에 의하여 저면으로부터 수중에서 이동되는 토사를 말한다.

∙ 소류사(掃流砂, Bed load) : 유수에 의해 운반되는 퇴적물 중에서 바닥을 따라 구르거나 약간 튀면서 이동하는 퇴적물을 말한다.

∙ 재화중량톤수(Dead weight tonnage) : 적재한 화물의 최대중량을 톤 단위로 나타낸 수를 말한다.

∙ 조위 편차 : 조위 실측치와 예보치의 차이를 말한다.

∙ 총톤수(Gross tonnage) : 선박의 총톤수 측정에 관한 법률에서 규정된 선박의 밀폐구획의 용적톤수. 주로 국제항해에 종사하는 선박에 대하여 그 크기를 나타내기 위한 지표로 사용되는 국제총톤수가 있다.

 

먼저, 선박은 항만 및 어항시설의 배치, 규모, 형식 등을 결정하는 기본적인 고려 대상이므로 대상선박의 결정은 신중히 이루어져야 합니다. 대상선박의 주요치수는 다음의 방법으로부터 설정하여야 합니다.

① 대상선박이 특정한 경우에 대하여는 특정선박의 주요치수

② 대상선박이 특정하지 않은 경우에 대하여는 통계자료 등에 의하여 정하여진 주요치수

대상선박 주요치수

대상선박이란 항만시설에 사용하는 것으로 예정되는 선박 중 그의 톤수가 최대인 것을 규정하고 있다. 따라서 대상선박이 특정한 경우에는 그의 주요치수를 사용합니다.

공공항만시설과 같이 대상선박을 사전에 특정할 수 없을 경우에는 다음 참고 표를 참고하여 대상선박의 주요치수를 정할 수 있습니다. 참고 표는 각 선종을 통용하는 톤수(총톤수 또는 재하중량톤수)를 대표로 나타냅니다.

 

주요치수 표

주요치수 표

주요치수 표

그리고, 접안 시나 계류 시 선박에 의한 계류시설에 작용하는 외력은 대상선박의 제원, 접안방법 및 접안속도, 계류시설의 구조, 계류방법, 계류시스템의 성질, 바람, 파도, 조류 등의 영향을 고려하여 정합니다. 접안 시나 계류 시 선박으로 인한 계류시설에 작용하는 하중으로는 선박의 접안 시 발생하는 하중과 계류선박의 동요에 의하여 발생하는 하중이 있습니다.

 

일반적으로 계류시설의 설계에서는 접안 시 선박의 접안력, 계류 시에는 선박에 작용하는 파력, 풍압력 및 조류에 의한 유압력을 받아 동요하는 선박으로 인해 계류시설에 작용하는 충격력 및 견인력을 고려합니다.

특히, 외해에서 발생한 장주기파가 직접 내습하는 항만의 계류시설이나 시버스 등의 외해부나 항 입구부에 시설된 계류시설 또는 항내에서 대피하는 선박이 이용하는 계류시설 등에서는 선박에 작용하는 파력의 영향이 크므로 그의 영향을 충분히 고려하여야 합니다. 선박으로 인해 계류시설에 작용하는 접안력은 선박의 접안에너지에 근거하여 방충공의 변위복원력 특성을 사용하여 계산합니다. 계류 중 선박의 동요에 의하여 생기는 견인력이나 충격력은 선박에 작용하는 파력, 풍압력, 조류에 의한 유압력, 계류시스템의 특성 등을 근거로 하여 동요계산을 합니다.

 

선박의 접안시 발생하는 외력

선박의 접안에너지는 운동역학적 방법에 의해서 계산하여야 하며 다음 식에 의하여 계산합니다.

선박의 접안에너지를 구하는 방법은 운동역학적방법외에 통계적 방법, 수리모형실험에 의한 방법, 유체역학적 모델 등이 있으나 이들에 대해서는 설계에 필요한 데이터가 부족하거나 계산을 위한 여러 가지 정수가 충분히 밝혀지지 않았기 때문에 운동역학적인 방법을 일반적으로 사용합니다.

 

(1) 선박의 운동에너지 Es(단위 : kN·m)는 선박이 횡접안으로 이동한다고 보면 (MsV^2)/2과 같다.
선박이 돌핀, 방충재가 부착된 안벽 또는 방충판 등에 접안하는 경우, 방충재에 의하여 흡수되는 에너지를 고려한 값, 즉 선박의 접안에너지 Ef = f X Ex 가 된다.
여기서, Ef = Ce X Cm X Cs X Cc 이다.

(2) 선박의 재화중량톤수(DWT), 또는 총톤수(GT)와 만재시의 배수량(DT)과의 관계식으로 다음 식을 사용하여도 좋다.

화물선 DT = 1.174DWT

컨테이너선 DT = 1.385DWT

탱 커 DT = 1.235DWT

롤온․롤오프선 DT = 1.022GT

자동차전용선 DT = 0.751GT

LPG선 DT = 1.400GT

LNG선 DT = 1.118GT

여객선 DT = 0.573GT

페리선(장거리) DT = 1.240GT

페리선(중․단거리) DT = 1.279GT

여기서, DT : 선박의 만재 시 배수톤(t)

GT : 선박의 총톤수(GT)

DWT : 선박의 재화중량톤수(DWT)

 

(3) 선박의 유연성계수(Cs)

선박의 유연성계수는 선박의 접안에너지에 대한 선박외판의 변형에 의해서 흡수되는 접안에너지의 비율이며 일반적으로 선박외판의 변형에 의해서 흡수되는 에너지는 적으므로 Cs값은 1.0을 취한다.

(4) 선석의 형상계수(Cc)

선석의 형상계수는 선박 접안 시 선박과 계류시설과의 사이에 있는 수괴(水塊)가 압축되는 완충작용이 방충재에 의해서 흡수되는 에너지를 감소시키는 효과를 고려하여야 하나 이 현상은 접안각도, 선박외판의 형상, 언더 킬 클리어런스(Under keel clearance) 및 접안속도 등에 관계되는 것으로 아직 해명되지 않는 부분이 많다.
Cc 값은 1.0을 표준으로 하고 있다.

(5) 안전계수(Fs)

해외 기준인 BS 6349-4와 PIANC의 “Guideline for the design of fenders systems:2002”에서는 선박의 접안에너지 산정 시 비정상적인 충격력을 고려하여 안전계수(Fs)를 적용하도록 하고 있다. 비정상적인 충격력은 선박 조종자의 실수, 오작동, 바람이나 조류의 급변 등 예상치 못한 여건변화에 의해 발생할 수 있으며, 설계자는 현장여건에 따라 안전계수를 적용하여 선박의 접안에너지를 산정할 수 있다. [신설, 2018.09.27.개정]

 

오늘은 항만설계 설계조건의 일반사항과 대상선박의 주요치수 및 선박의 접안 시 발생하는 외력에 대해 알아보았습니다. 항만에서 선박은 매우 중요한 부분이니 대상선박의 조건을 확실히 알고 설계에 임하여야 하겠습니다.