자유낙하실험을 통한 슬래밍 하중 특성이 구조물의 형상 및 두께 변화에 미치는 영향에 관한 연구

Abstract

극한의 환경에서 운용되는 해양 구조물에 발생하는 슬래밍 현상은 고려돼야 할 매우 중요한 요소이다. 슬래밍 현상은 고정식과 부유식 해양구조물 그리고 운항하는 선박뿐만 아니라 해상의 파랑 조건에서 운용되는 모든 구조물에 영향을 미칠 수 있다. 슬래밍 현상에 대한 연구는 오랜 시간 지속되어 왔지만, 현재도 슬래밍 현상에 의한 구조의 손상이 꾸준히 보고되고 있다. 지금까지의 슬래밍 현상에 대한 실험은 구조물이 강체라는 가정 하에 수행 되었다. 따라서, 슬래밍 하중에 대한 구조물의 탄성 영향에 대한 연구가 필요하며 유체와 구조물이 충격 시 발생하는 하중에 대해 이해하고 설계 단계에서 충분히 고려되어야 한다. 그러기 위해서는 양질의 실험 결과가 제공 되어야 하며, 구조물의 탄성 영향과 단일 하중이 아닌 반복 하중이 구조물에 미치는 영향에 대한 실험적인 연구가 필요하다. 슬래밍 현상은 매우 짧은 시간에 발생하며, 구조물에 슬래밍 하중이 가해질 때 발행하는 영향에 대해 알기 위해서는 양질의 실험 결과가 요구된다. 이러한 양질의 실험 결과를 얻기 위해서는 반복 적인 실험을 통해 실험의 불확실성을 낮추어 신뢰성을 확보해야 한다. 실험의 불확실성을 낮추기 위해서는 실험의 세팅이 매우 중요한 요소이다. 슬래밍 현상은 매우 짧은 시간에 반복적으로 발행하기 때문에 실험의 세팅은 매우 중요한 변수이다. 구조물을 자유 수면과 수평하게 자유낙하를 시키기 위한 실험 장치와, 단 시간에 발생하는 슬래밍 하중을 계측하기 위한 적절한 센서의 선택 그리고 데이터의 저장 능력 등 수많은 실험의 변수들이 신중히 고려되어야 한다. 통상적으로 슬래밍 하중은 최대 압력(Peak pressure), 압력의 폭(Peak width) 그리고 압력의 지속시간(Duration)으로 표현이 가능하며, 최대 압력과 폭을 이상화한 압력 값(Impulse)등이 구조물에 영향을 미치는 것으로 알려져 있다. 이러한 슬래밍 압력은 구조물의 Dead-rise angle 및 고유 주기에 영향을 받으며 자유 수면과 이루는 각인 Dead-rise angle이 3°~10°일 때 가장 큰 압력 값을 나타낸다. 본 논문에서는 실험적인 접근을 통하여 슬래밍 하중 특성을 이해하고 구조물의 재질을 나무와 철로 제작사여 강체와 탄성체에 대한 비교 실험을 수행하였다. 또한, Dead-rise angle과 두께를 변화함으로써 슬래밍 하중이 구조물에 미치는 영향을 연구하였다. 실험값을 활용하여 구조물에 미치는 상관관계를 분석함으로써 두께 추정식에 반영이 가능하다. 상용 소프트웨어인 ABAQUS를 사용하여 실험에서 얻은 구조물의 거동특성과 비교함으로써 실험에 대한 신뢰성을 확보하고 누적 반복 손상에 대한 검증 및 예측이 가능하다. 실험은 울산대학교 해양공학수조 Trimming tank 및 특수 제작 된 슬래밍 실험 장비에서 수행됐으며, 자유 수면으로 구조물이 자유 낙하할 수 있도록 슬래밍 실험 장치를 구축하여 실험하였다. 구조물의 두께와 자유 수면과 이루는 각(Dead-rise angle), 낙하 높이를 다르게 하여 실험을 진행 하였으며, 구조물의 밑면에 압력센서를 설치하여 최대 압력, 압력의 폭 그리고 지속 시간을 계측 하였다. 스트레인 게이지를 부착하여 압력 센서에서 계측된 슬래밍 하중과 구조물의 거동 특성을 확인 하였다.