콘테이너 운반선의 선미 슬래밍 하중 추정에 대한 실험적 연구

Abstract

선박의 슬래밍에 대한 연구는 과거 매우 많은 연구가 진행되었지만 그 현상의 복잡함으로 인하여 아직까지 물리적인 이해가 완벽하게 되어 있지 않으며 현상을 설명할 수 있는 이론에도 한계가 있다. 따라서 슬래밍을 설계 단계에서 적절하게 고려할 수 있는 방법이 충분하지 않은 것이 현실이다. 한편, 과거 슬래밍 현상에 관한 대부분의 연구는 선박의 선수부 슬래밍에 집중되었는데 이것은 선수부에서 슬래밍 현상이 가장 크고 잘 일어나기 때문일 것이다. 그러나 최근 급격하게 커지고 있는 콘테이너 운반선들의 선미 형상은 과거에 비해 상대적으로 선미 슬래밍에 취약한 것으로 보이며, 선박의 대형화와 함께 쌍축선의 개발도 증가하고 있어서 선미 슬래밍에 대한 평가의 요구는 점차 증가하고 있다. 본 연구에서는 콘테이너 운반선의 선미부 바닥에 작용하는 슬래밍 하중을 평가하기 위하여 정수 중 자유 낙하시험과 파랑 중 예인시험을 실시하였다. 정수 중 자유 낙하시험은 경사각 0 도, 5 도, 10 도의 단순 쐐기 모형과 단축 콘테이너 운반선의 선미 벌브 단면 모형 및 쌍축 콘테이너 운반선의 선미 벌브 단면에 대한 모형에 대하여 실시하였다. 파랑 중 예인시험은 단축의 5,500 TEU 급 콘테이너 운반선과 쌍축의 13,000 TEU 급 콘테이너 운반선에 대하여 분할모형으로 제작하여 규칙파 및 불규칙파 중에서 실시하였다. 이를 통하여 선미 슬래밍으로 인한 충격 압력의 특성을 파악하고, 선미 슬래밍이 선체의 파랑 하중에 미치는 영향도 살펴보았다. 선미 벌브가 있는 단축선의 선미부 단면과 쌍축선의 선미부 단면 형상에 대한 정수 중 자유 낙하시험을 수행하여 추정한 충격압 계수 (CP)는 Stavovy & Chuang의 추정식 및 Wagner의 이론식으로 추정한 충격압 계수에 비해서 훨씬 작은 값을 나타내는 것을 확인하였다. 따라서 변화가 심한 선박의 선미부 단면에 대하여 단순하게 일반적인 슬래밍 압력 추정식을 적용하여 선미 슬래밍 하중을 평가할 경우 과도한 하중을 고려하게 된다는 것을 확인하였다. 파랑 중 예인시험을 통하여 추정한 피크 충격압 계수 (CPa)는 Stavovy & Chuang의 추정식에 의한 결과보다 작은 것을 확인하였고, 정확한 비교는 어려웠으나 정수 중 낙하시험 결과와 비교했을 때 ballast 조건의 경우 파랑 중 예인시험 결과가 약 절반 정도의 수준으로 작게 나타났다. 선미 슬래밍 현상은 전진 속력이 있는 경우 보다는 정지한 경우에, 선수파를 만나는 것 보다는 선미파를 만나는 경우에 더 잘 발생하는 것을 확인하였다. 적재 조건 (ballast 및 scantling)에 따른 선미 슬래밍 압력의 차이는 크지 않았으나 ballast 조건에서 다소 큰 것을 확인하였다. 그러나 콘테이너 운반선의 경우 ballast 조건으로 운항하는 경우는 특별한 경우를 제외하고는 없기 때문에 이 조건을 설계에 반영해야 하는지에 대해서는 논란의 여지가 있으며 운항 조건에 대한 적절한 확률을 고려할 경우 상대적으로 중요도가 낮아질 것으로 추정할 수 있다. 따라서 선미 슬래밍에 대한 설계 조건은 화물을 적재한 상태에서 정지 중 선미파를 만나는 상황으로 가정하는 것이 타당하다. 슬래밍 발생의 기준으로 많이 사용하는 Ochi & Motter의 임계 속력 보다 다소 낮은 속력에서 선미 슬래밍이 주로 발생하였으며, 불규칙파 시험에서는 규칙파 시험에 비해서 더 낮은 상대 속력 조건에서 선미 슬래밍이 발생하는 것으로 측정되어 불규칙파 중에서 상대적으로 선미 슬래밍이 더 잘 발생하는 것을 알 수 있었다. 피크 충격압 계수로 비교해 보면, 불규칙파 중에서의 결과가 규칙파 중에서의 결과에 비해서 더 큰 것을 확인할 수 있었다. 이러한 결과들은 선미 슬래밍 하중을 추정하는 데에 있어서 설계 해상상태 개념을 적용하는 경우가 설계파 개념을 적용하는 경우에 비하여 더 보수적인 결과를 줄 수 있음을 나타낸다. 선미 슬래밍이 발생한 경우 선체에 휘핑 진동을 유발할 수 있으며 이에 따라 선체 중앙부의 수직 굽힘 모멘트가 증가하게 된다. 선미 슬래밍에 의한 파랑 하중의 크기는 선수 슬래밍에 의한 파랑 하중 크기에 비해서 작은 것으로 확인되었다. 따라서 설계 단계에서 종강도 측면에서는 선수 슬래밍에 의한 휘핑 영향을 적절히 고려하는 것으로 충분하다고 할 수 있으며, 선미 슬래밍 하중은 국부 강도 평가에만 적용하는 것이 타당하다고 하겠다.