선박의 접안속도, 편심계수, 가상질량계수

안녕하세요~ 이번에는 항만설계 설계조건 중 선박의 접안속도, 편심계수, 가상질량계수에 대해 알아보도록 하겠습니다.

 

작성될 내용을 좀 더 자세히 알아보고 싶으신 분들은 관련 설계기준을 다운 및 확인할 수 있는 아래 사이트를 확인하시기 바랍니다.!!

항만기술기준 정보시스템 (portcals.go.kr)

 

선박의 접안속도는 대상선박의 선형, 재화상태, 계류시설의 위치 및 구조, 기상 및 해상상황, 예인선의 유무, 크기 등을 고려하고 실측값 또는 기왕의 접안속도 실측자료에 근거하여 정하여야 합니다.

 

대형화물선과 초대형유조선(Tanker)의 접안상황을 보면, 계류시설에서 약간 떨어진 위치에 계류시설과 평행이 되도록 일단 정지한 후 수 척의 예인선으로 천천히 밀면서 접안하며, 이때에도 접안돌핀(시설)에 설치된 속도계(Docking sonar system)를 보면서 계류하기 때문에 10∼15㎝/s정도의 속도를 유지하도록 하며, 바람이 계류시설 방향 즉 접안방향으로 강하게 부는 경우, 예인선으로 역방향으로 당기면서 접안하기도 합니다. 페리, 컨테이너선(주로 RO/RO선) 등의 특수선, 혹은 소형화물선 등은 예인선을 사용하지 않고 자력으로 접안하거나 선수 또는 선미에 램프(Ramp)가 있는 경우, 접안시설 기준선에 평행으로 이동하는 등 이들의 접안방법에 따른 실측값을 근거하여 접안속도를 결정해야 합니다. 

아래 참고그림은 경험적인 데이터에 의한 조선조건과 선박의 접안속도와의 관계를 표시한 것이며, 계류시설이 외해에 있을 때나 소형선에 대해서는 보다 큰 접안속도를 사용해야 함을 나타낸 것이다.

화물선, 컨테이너선, 자동차 운반선 등 접안속도의 평균값은 조사통계에 의하면 아래 참고 표와 같습니다. 또 참고 그림은 재화중량톤수와 접안속도의 관계를 나타낸 것입니다.

소형화물선이나 어선 등의 소형 선박은 접안 시에 예인선을 사용하지 않고 자력으로 접안하기 때문에 대형선에 비하여 일반적으로 접안속도가 크고, 경우에 따라서는 30㎝/s 이상이 되기도 하므로 주의를 요한다. 이 때문에 특히 소형선박의 접안속도는 실측값 등을 근거로 하여 신중하게 결정하여야 합니다. 위와 같이 신중한 접안방법을 강구하지 않는 경우나 흐름이 작용하는 선석에서 중․소형 선박 등의 접안에 대해서는 표류속도를 고려하고 실측자료 등에 근거하여 접안속도를 정할 결정하여야 합니다. 어선 등이 사용할 가능성이 있는 계류시설의 설계에서는 어항에서의 설계기준 및 실적에 근거하여 설계합니다.

 

다음은 선박의 편심계수를 구하는 식입니다.

접안조선중의 선박은 선석기준선과는 평행하지 않고 선박은 계류시설(방충재)과 접촉한 후 회전(Yawing)을 시작하고 롤링을 한다. 그 결과 운동에너지의 일부가 소모됩니다. 그러나 롤링(Rolling)에 의한 에너지의 소모는 회전(Yawing)에 비해 적으므로 무시되며 위 식은 회전(Yawing)에 의한 에너지 소모를 고려하고 있습니다.

다음은 선박의 가상질량계수를 구하는 식입니다.

선박의 접안 시에는 선박의 질량(Ms)과 선박주변 수괴의 질량(Mw)이 동시에 감속된다. 따라서 수괴의 질량에 의한 관성력이 선박에 부가된다. 이로 인한 가상질량 계수는 다음 식으로 구한다.

다음으로 계류선박의 동요에 의하여 발생하는 외력은 선박에 작용하는 파력, 풍압력, 물의 흐름에 의한 유압력 등을 설정하고 동요계산을 합니다.

외해나 항입구 부근에 시설된 계류시설, 장주기파의 침입이 예상되는 항만의 계류시설에 계류된 선박 또는 악천후 시에 계류하는 선박에 대하여는 파도와 바람, 흐름 등에 의한 하중의 작용을 받아 선박이 동요하게 된다. 계류선박의 동요에 의한 운동에너지가 접안에너지를 초과하는 경우가 있기 때문에 계선주 또는 방충재의 설계 시 계류선박의 동요에 의한 견인력 또는 충격력을 고려하여야 합니다. 계류선박의 동요에 의하여 발생하는 외력은 선박에 작용하는 파력, 풍압력, 흐름에 의한 유압력, 계류시스템의 특성을 근거로 동요계산을 하고 있습니다.

 

다음으로 계류선박에 작용하는 파력은 선형이나 파의 제원을 고려하여 계산합니다. 계류선박에 작용하는 파력은 스트립법, 특이점분포법(特異點分布法), 경계요소법(境界要素法),유한요소법(有限要素法) 등을 사용하는데 선박에서는 스트립법을 가장 많이 사용합니다.

(1) 스트립법에 의한 파력

① 선체에 작용하는 규칙적인 파력
선체에 작용하는 파력은 프루드 크릴로프의 힘(Froude-kriloff force)과 선체에 의한 회절파력의 힘(Diffraction force)의 합으로 된다.

② 프루드 크릴로프의 힘

선체를 통과하는 파에 의한 힘으로 입사파의 힘과 접안시설에 의한 반사파에 의한 힘의 합으로 된다.

③ 반사파의 힘

선박에 의한 반사파의 힘은 입사파가 선체에 의해 분산될 때의 압력의 변화로 인해 발생하는 힘으로 이 압력의 변화를 상대적으로 선체를 운동하게 하여 라디에이션의 유체력(Radiation force), 정지유체 속을 선박이 어느 정도의 속도로 운동할 때의 조파저항력(造波抵抗力)으로 바꾸어 추정할 수 있다. 이때의 선박의 속도는 선체단면과 입사파의 물입자와의 상대속도가 같다고 가정하고 이 속도를 등가상대속도(等價相對速度)라 부른다.

④ 선체 전체에 작용하는 힘

선체단면에 작용하는 프루드 크릴로프의 힘과 반사파의 힘을 선박의 장축방향에 따라 x = Lpp/2 부터 x = Lpp/2 까지 적분하여 선체전체에 파력을 구할 수 있다.

(2) 회절파이론에 의한 파력

선박이 블록계수 Cb : 0.7∼0.8정도이고 배후에 반사구조물이 없고 선박의 동요가 작다고 보아질 때에는 선박을 타원주체로 가정하고 회절파 이론을 근거로 한 식에 의한 파력을 계산할 수 있다.

 

오늘은 선박의 접안 시 발생하는 외력에 대해 알아보았습니다. 선박의 접안 시 발생하는 외력을 계산할 수 있다니 역시 설계는 참 재밌습니다. 여러분도 흥미를 느낄지 궁금합니다. ^^