탄성과 굽힘을 고려한 계류계 동적 거동 해석

Abstract

최근 해양 석유자원에 대한 개발은 수심 1,500m 이상의 극심해역으로 옮겨가고 있는 추세이다. 이에 따라 극심해역에 설치되는 유전개발용 해양구조물의 종류와 성능, 위치유지장치 그리고 생산된 원유 또는 가스의 저장 및 운송 등과 관련한 여러 가지 새로운 문제들이 대두되고 있다. 특히 수심이 깊어짐에 따라 해상환경이 악화되고, 이로 인해 수반되는 위험이 증가하기 때문에 해양구조물 및 계류계에 대한 안정성이 강조되고 있다. 즉, 계류계를 안전하게 설계하려면 계류삭의 비손상조건 뿐만 아니라 계류삭이 끊어진 후인 손상조건, 계류삭이 끊어지는 상황인 천이조건에서의 부유체 및 계류계 연성 거동에 대한 정밀한 해석이 요구되고 있다. 실제로 계류삭이 끊어지는 천이구간에서는 하나의 계류삭이 끊어지는 순간 이 계류삭에 작용했던 하중이 같은 클러스터 내의 다른 계류삭에 갑작스럽게 전달된다. 이로 인해, 주변 계류삭들은 순간적으로 전달받은 충격하중에 의해 장력이 급격하게 증가하고 최대극한하중을 초과할 경우 연속적으로 끊어질 수 있다. 일반적으로 계류계의 거동을 보다 쉽게 해석하기 위해 계류삭을 탄성과 굽힘을 무시한 현수선으로 가정한다. 그러나 실제로 많은 경우에 계류삭은 인장력에 의한 탄성변형을 갖고, 굽힙 강성 또한 무시할 수 없다. 그러므로 계류삭의 탄성과 굽힘에 의한 영향을 체계적으로 분석할 필요가 있다. 본 연구에서는 계류삭의 탄성과 굽힘을 포함하여 계류계 거동을 해석하였다. 특히 이와 연성된 부유체 거동은 물론 계류삭이 끊어지는 천이구간에서 계류계 거동을 해석하여 이들 인자에 의한 영향을 체계적으로 분석하였다. 계류계 거동을 해석하기 위한 수치해법으로 유한요소법을 택하고, 최소 에너지 원리를 이용하여 계류계 운동방정식을 구성하였다. 이때 탄성, 굽힘, 비틀림의 영향을 포함시켜 6자유도 운동을 기술하였다. 이에 바탕하여 작성한 프로그램을 이용하여 다양한 경우에 대하여 수치 해석을 하였다. 우선 현수선 방정식의 해석해 및 상용 프로그램의 결과와 비교하여 유효성을 검증하였다. 수치 해석 결과에 비추어 볼 때, 계류삭의 탄성과 굽힘은 부유체 및 계류계 거동에 전반적으로 큰 영향을 미치지 않았으나, 계류삭이 끊어지는 순간에는 이로 인한 영향이 나타난다. 즉, 계류된 부유체 연성 거동에서 탄성과 굽힘을 무시한 현수선을 이용한 계류계 해석은 실용적 관점에서 유용하게 활용할 수 있다. 그러나 탄성과 굽힘을 포함시키면 계류된 부유체 연성 거동, 특히 계류삭이 끊어지는 천이거동을 보다 사실적으로 예측할 수 있음을 확인하였다.

Recently, the development of offshore oil and gas has shifted to what is termed ultra-deep water exploration at depths that exceed 1500m. Given that such a situation inevitably involves a high level of risk, strong attention to safety must be paid in the design and operation of offshore structures, including mooring systems. Accordingly, the behavior of mooring systems in a line-broken condition as well as in the intact condition should be considered carefully during the design stage of the mooring system for the sake of safe operation. At the moment one mooring line is broken, the transient behavior of a moored floating structure is extremely critical to its safety, as the loads having acted on the broken line shall be transferred to the adjacent mooring lines as an impact. Catenaries are generally adopted for investigating the behavior of a mooring line due to the simplicity. In many cases, however, elastic deformation and bending stiffness of a mooring line cannot be simply neglected. Therefore, it is necessary to systematically investigate the effects of elasticity and bending on a mooring line. In the present study, the behavior of a moored floating structure in a line-broken condition as well as in the intact condition is investigated using a time simulation program based on the finite element method including the elastic and bending effects. In order to verify the program, the numerical results are compared with catenary solutions and with those of a widely used code. From the simulation results, it was found that the effects of elasticity and bending on a mooring line are not significant except the transient case. In other words, the catenary equation can be used practically to predict the behavior of a moored floating structure. Moreover, the behavior of a moored floating structure can be more realistically predicted by considering the elasticity and bending effects.