Browse

수심 변화와 고주파 하중을 고려한 부유식 해양플랫폼의 비선형 운동 해석

Cited 0 time in Web of Science Cited 0 time in Scopus
Authors

김태영

Advisor
김용환
Major
공과대학 산업·조선공학부
Issue Date
2015-02
Publisher
서울대학교 대학원
Keywords
해양구조물천수역 비선형 파수심 변화스프링잉링잉비선형 운동 해석
Description
학위논문 (박사)-- 서울대학교 대학원 : 산업·조선공학부, 2015. 2. 김용환.
Abstract
선박 및 해양 구조물은 석유와 천연가스의 자원 개발 및 운반을 목적으로 그 수요가 꾸준히 증가하여 왔다. 이러한 부유식 구조물은 해양 환경 중에서 장기간 운항해야 하므로, 발생할 수 있는 다양한 환경 하중을 예측하고 운동 성능을 평가하는 기술이 필요하다. 특히 해양 구조물에 대한 최근의 수요는 특수한 환경 조건이나 거동에까지 해석이 가능한 기술을 요구하고 있다.
운동 성능 평가가 어려운 환경 조건의 하나로 연안에서의 부유체 거동을 들 수 있다. 연안에서는 수심이 깊지 않고 지형의 변화가 있는데, 이는 파가 전파되는 특성을 변화시킨다. 또한 얕은 수심이 야기하는 비선형성은 파에 대한 엄밀한 접근을 요구하고 있다. 설치 해역의 수심 변화에 맞도록 입사파를 구현하고, 이를 통하여 부유체의 운동 성능을 해석할 수 있는 기술이 필요한 이유이다.
얕은 수심에서는 파의 비선형성이 증가하는데, 이를 고려해야 하는 명확한 수심의 범위는 제시된 바가 없다. 이에 대한 기준을 명확히 확인하기 위하여, 비선형 Boussinesq 방정식을 이용하여 비선형 파와 하중을 계산하였다. 최근에 건조되는 부유식 구조물의 흘수 범위를 고려할 때, 해당하는 수심의 범위에서는 비선형 파의 영향이 제한적이었다. 이로부터 선형의 파 이론이 연안에서의 부유체 운동 평가에 적용 가능하다는 것을 확인하였다.
수심이 변화하는 지형에 입사파를 적합하게 적용하기 위하여 coupled-mode wave와 수치 조파 수조를 함께 이용하였다. 두 기법은 수심이 변화하는 지역에서 파의 전파 및 변화에 대한 특성을 유사하게 보여주었다. 입사파에 대한 두 기법을 이용하여, 시간 영역에서 부유체의 운동을 해석하였다. 해석에는 Rankine 패널법을 이용하였으며, 수심 변화 지형에서 운동 및 하중의 변화를 효과적으로 계산할 수 있었다.
운동 성능 평가가 어려운 다른 주제로 고주파의 비선형 거동을 뽑을 수 있다. 고주파의 비선형 거동은 주로 TLP에서 발생하는데, 텐돈에 의한 강한 장력으로 공진 주파수가 고주파에 위치하기 때문이다. 대표적인 고주파 비선형 거동으로 스프링잉(springing)과 링잉(ringing)을 들 수 있는데, 이들이 발생하는 원인 및 거동의 특성은 다르다. 따라서 이를 분리하여 각 운동의 특성에 맞는 해석 기법을 연구하였다.
스프링잉은 합주파수 기진에 의하여 지속적으로 발생하는 응답이다. 발생하는 고주파 운동은 구조물의 피로 수명을 단축시킬 수 있기 때문에 주의가 필요하다. 일반적으로 스프링잉으로 인한 운동 및 장력의 변화는 선형 운동에 비하여 크지 않은 것으로 알려져 있다. 그러나 안정적인 설계를 위해서는, 스프링잉으로 발생할 수 있는 극한의 장력을 예측할 수 있는 기술도 필요하다고 볼 수 있다. 이를 위하여 2차 합주파수 응답에 대한 확률밀도함수를 고유치 해석을 이용하여 구하였다. 스프링잉의 확률밀도함수로부터 큰 장력이 발생할 가능성은 정규 분포에 비하여 더 큰 것을 확인할 수 있었다. 확률밀도함수를 이용하여 장력의 최댓값을 예측할 수 있는 기법을 제안하였다. 제안된 방법은 실제 시계열과의 비교를 통하여 결과의 유용성을 확인할 수 있었다. 이 방법은 최대 장력을 빠르게 구해주기 때문에, 환경 조합의 다양한 조합 중에서 구조물에 위협이 될 수 있는 설계 조건을 찾는 과정에 이용될 것으로 기대할 수 있다.
링잉은 순간적으로 운동이 증폭하며 나타났다가 잦아드는 고주파 천이 거동이다. 이렇게 순간적으로 발생하는 큰 하중 및 운동은 구조물의 설계 범위를 벗어날 수 있다. 따라서 링잉에 대해서는 발생할 수 있는 최대의 응답을 파악하는 것을 목적으로 하였다.
FNV 이론과 Morison 방정식을 이용하여 링잉의 원인으로 생각되는 고주파 하중을 해석하였다. 링잉이 발생한 사례를 재현하였으며, 두 기법이 링잉의 발생을 예측할 수 있는 것을 확인하였다. 검증된 두 기법을 이용하여, 과도한 링잉이 발생할 수 있는 파랑 조건을 찾을 수 있는 방안을 제시하였다. 이 방법은 비선형 수치 계산 및 실험에 이용되는 파랑 조건을 찾는 용도로 활용될 것으로 기대할 수 있다.
Language
Korean
URI
https://hdl.handle.net/10371/118266
Files in This Item:
Appears in Collections:
College of Engineering/Engineering Practice School (공과대학/대학원)Dept. of Industrial Engineering (산업공학과)Theses (Ph.D. / Sc.D._산업공학과)
  • mendeley

Items in S-Space are protected by copyright, with all rights reserved, unless otherwise indicated.

Browse