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A Comparative Study on Ice Load Characteristics between General and Ice-breaking Operations in Ice-covered Waters
A Comparative Study on Ice Load Characteristics between General and Ice-breaking Operations in Ice-covered Waters
Journal of Ocean Engineering and Technology. 2015. Feb, 29(1): 28-33
Copyright © 2015, Korean Society of Ocean Engineers
  • Received : July 21, 2014
  • Accepted : February 09, 2015
  • Published : February 28, 2015
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민우 이
용현 권
채환 임
탁기 이

Abstract
The icebreaking research vessel ARAON had her second ice trial in the Arctic Ocean from July 16 to August 12, 2010. In this study, the ice loads measured during the “general” operation and “ice breaking” operation in ice-covered waters were analyzed and compared. Whereas the “general” operation stands for the voyage in the water partially covered by ice, the “ice breaking” operation involved substantial ice floes for the ice breaking performance test. Based on the measured data, comparisons of the relationship between the ship speed and ice load, and between the locations of strain gauges and ice loads were investigated. Peak stresses higher than 20 MPa were found. The longitudinal and vertical correlations between the measurement location and ice load were analyzed, and the probability of peak stress was calculated. As a result, the probability function for higher ice loads during both operation modes was expressed in an exponential and power forms.
Keywords
1. 서 론
최근 전 세계적인 지구 온난화의 영향으로 북극의 얼음이 녹고 있으며, 이에 따라 우리나라를 포함한 동아시아에서 북극해를 경유하여 유럽으로 가는 북극 항로(Northern sea route, NSR) 상에 해빙이 거의 없는 상태도 생기고 있다. 자원개발을 포함한 북극 항로 개발 등은 해빙이 분포한 해역을 운항하는 쇄빙선이나 내빙선의 수요 증가로 이어질 것이다. 이러한 선박들은 해빙과의 접촉이나 충돌이 발생할 가능성이 높으며, 따라서 해빙과 접촉할 때 선체가 받게 되는 빙하중에 대한 연구가 필요하다
저자 등( Lee et al., 2014 )은 일반 운항 시 계측된 빙하중에 대한 분석을 시도하였는데 그것은 아라온호의 2010년 북극해 항해에서 국부 빙하중을 계측한 자료 중에서 쇄빙 성능시험이 아닌 다양한 조건을 가진 빙해역을 운항하는 과정에서 계측된 자료를 분석한 것이다.
본 연구에서는 일정 규모 이상의 빙판에 대한 쇄빙시험을 수행하면서 계측된 빙하중의 특성을 분석하고자 하였다. 우리나라 최초의 쇄빙연구선인 아라온호를 이용하여 2010년 8월초 북위 73도부터 78도 사이 알래스카의 북극해 안쪽의 Chukchi해와 Beaufort해 일대에서 4회의 빙판 쇄빙 운항을 통하여 해빙의 재료특성 계측( Choi et al., 2011 ; Jeong and Lee, 2012 )과 선수선측부의 국부 빙하중 계측 실선시험( Kim et al., 2011a ; Lee et al., 2013 )이 이루어졌다.
쇄빙 성능 시험을 위해서는 길이가 본선의 최소 2-3배 정도인 일정 규모 이상의 빙판을 쇄빙해야 하는데, 본 연구에서는 이를 빙판 쇄빙 운항이라 부르고( Fig. 1 참조), 이에 비해 해빙의 밀집도가 다양한 빙해역을 운항하는 것을 빙해역 일반 운항( Fig. 2 참조)으로 분류하였다.
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ARAON in Chukchi Sea (Kim et al., 2011b)
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Typical Arctic sea ice condition (Choi et al., 2011)
빙해역 일반 운항과 쇄빙 운항 시 비교를 위해 빙하중 계측 자료와 본선 운항 자료를 바탕으로 높은 응력 수준이 관심의 대상이므로 계측된 변형률로부터 환산한 응력 값이 20MPa 이상의 비교적 높은 피크 값을 추출하고 이에 대응하는 선속 데이터도 수집하였다. 추출된 피크 값을 중심으로 계측된 응력과 선속과의 관련성을 조사하였고, 선수미 방향과 선체 깊이 방향으로 부착된 변형률 게이지의 위치에 따른 응력의 상관성도 확인하였으며, 응력 수준을 범주화하여 그 발현 확률 특성도 살펴보았다.
2. 빙해지역 쇄빙 시 계측자료
2010년 북극해 항해 시에 선수선측에 작용하는 국부 빙하중을 계측할 목적으로 선수 Thruster room의 좌현 선체외판 내부에 Fig. 3 과 같은 위치를 정하여 스트레인 게이지를 부착하였다. 그림에서 알 수 있듯이, 부착된 스트레인 게이지는 6개의 1축 게이지와 8개의 로제트 게이지로 총 30개 채널로 구성되어 있다. 그러나 실제 계측 시에는 이용 가능한 앰프 채널의 제약으로 선수미 방향으로 설치된 R1, R7, R8의 경우 수평방향 채널만 계측하였다. 이때, 계측주파수는 100Hz로 설정하였고, 데이터 취득 장비인 HBM MGC플러스 내 선택기능으로 Bessel lowpass 필터(차단주파수 10Hz)를 적용하였다. R8이 선수에 가장 가까우며, 제2갑판의 수직 위치는 7,100mm A/B(Above baseline)이다. 참고로 아라온호의 설계흘수는 6,820mm A/B이고, 최대흘수는 7,620mm A/B이다. 그리고 게이지 부착 위치에 사용된 재료는 EH36(항복강도 355MPa)으로 그 두께는 34.5mm이다.
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Location of strain gauges in bow thruster room
빙해역 쇄빙 시에 계측한 자료 데이터들을 일자별로 Table 1 에 정리하였다. 계측 시간은 매 시험에서 약 15분 정도로 계측 시간을 고정시켰으며, 계측자료를 통한 확인 결과 총 2,711초였다. 표에는 쇄빙 운항 시의 평균 흘수와 빙판 상에서 직접 계측한 값으로부터 구한 평균 빙두께도 함께 정리하였다. 그리고 빙의 밀집도를 9~10으로 표기한 이유는 쇄빙 시험 대상 빙판과 인접한 다른 빙판과의 관계를 고려한 것이다. 예를 들어, 2, 3차 시험 빙판은 주변과 거의 분리되어 있었고, 4차 시험 빙판은 한쪽 면이 주변과 연결되어 있었다.
summary of measurements and ice conditions in ice-breaking performance tests
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summary of measurements and ice conditions in ice-breaking performance tests
빙해역 쇄빙 시에 계측한 자료 데이터에서 빙하중 응답에 대한 특정 시간대 별 피크응력을 Fig. 4 와 같이 나타내었다. Fig. 4 에서 빙하중 응답 채널을 보면 로제트 게이지 R8에서 8월 5일(3차 시험)과 8월 6일(4차 시험)에 최고 피크 값이 나왔으며 Local Time 8월 6일 15:08:11에 R8에서 최고 피크응력 106.34MPa이 계측되었다.
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Examples of stress measurement(Ice-breaking tests)
3. 쇄빙 운항 시 계측된 빙하중 분석
앞 장에서 보고한 빙해역 쇄빙 시 계측된 자료들을 분석하기 위해, 본 연구에서는 아라온호의 최초 항해인 남극항해 시에 쇄빙 성능 및 빙하중 분석을 수행한 러시아 Arctic and Antarctic Research Institute(AARI) 보고서( Likhomanov, 2010 )의 자료 분석 절차를 적용하였다. 이 절차에 의하면, 우선 게이지 위치에 따른 계측 값의 변화로부터 위치-계측 값의 상관관계를 파악한 후 특별한 상관관계가 없다고 판단되면, 전체 계측 값을 이용하여 발현 확률을 표현할 수 있는 확률밀도함수를 구하게 된다. 그리고 계측된 스트레인으로부터 변환한 응력과 선박의 운항 속도와의 관계를 추정하여 아라온호의 최대 운항 속도까지 외삽하고 있다.
본 장에서는 Table 1 데이터 중 가장 높은 빙하중이 계측된 8월 6일에 수행한 4차 쇄빙 운항 시 계측자료를 이용하여 계측 자료 분석 절차를 자세히 기술한다. Fig. 5 , 6 은 쇄빙 운항 시 각각 선수미 및 선체 깊이 방향으로 설치된 게이지 위치에 따른 계측 값의 변화를 그래프로 표현한 것이다. 이때, 두 방향의 교차점인 R3 위치를 기준(즉, 0.0 위치)으로 하였고, 선수 방향 및 상 방향을 양(+)의 값으로 취하였다.
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Stress–SG location curve in longi. direction
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Stress–SG location curve in vertical direction
Fig. 5 에서 Longi. stress는 선수미 방향의 응력상태를 보여주며 Equivalent stress는 로제트 게이지인 R3에서 계측된 3개 채널의 값을 이용하여 계산된 등가응력이다. 그림을 살펴보면, 우선 R7 위치(1,200mm 지점)에서는 20MPa을 넘는 피크 응력이 전혀 계측되지 않았으며, R1 위치(−1,200mm 지점)에서 부터 R8 위치(2,400mm 지점)까지 선수 쪽으로 갈수록 대체적으로 증가하는 추세를 보이고 있음을 알 수 있다. 그러나 R1 위치에서부터 R8 위치 구간의 데이터 전체에 대한 상관계수(Correlation coefficient)를 계산하면 0.272 정도의 값이 구해지는데, 이는 상관성이 약함을 의미하는 수준이다. 상관계수 값이 1 또는 −1이 되면 완전한 양 또는 음의 상관성을 의미하며 일반적으로 0.4 이상이면 비교적 높은 상관성, 0.7 이상이면 높은 상관성, 0.9 이상일 때 매우 높은 상관성을 가진다고 할 수 있다( Yang, 2012 ).
선체 깊이 방향의 게이지 위치에 따른 피크 응력을 나타낸 Fig. 6 에서는 5개 게이지 위치 모두에서 피크 값이 계측되었는데, R4 위치(−500mm 지점)에서 튀는 값을 고려하면 R6(−1,500mm 지점)과 R4(−500mm 지점)까지 양의 상관성이 있고 R4(−500mm) 부터 R2 (500mm 지점)까지 음의 상관성이 있는 것으로 보인다. 이 방향들의 상관계수를 구해 보면 각각 0.629와 −0.479 정도로 상당한 상관성이 있음을 알 수 있다.
이는 비교적 일정한 빙두께를 가진 빙판과 계속해서 접촉할 경우 빙-선체 상호작용 과정에서 깨진 빙편들은 선수 및 선측을 따라 회전(Rotation) 및 침수(Submersion)되면서 이동하게 되며 이러한 현상들에 의해 특정 위치에서 상대적으로 높은 빙하중이 계측될 가능성이 높은 것으로 해석할 수 있다. 그러나 이 값도 높은 상관성이라고 볼 수 있는 ±0.7 수준에는 못 미치고 있다
따라서 본 연구에서는 계측된 피크 응력들을 개별적인 자료로 취급하여 응력 수준을 10MPa씩 범주를 나누어 그 발현 확률을 구하였으며 Fig. 7 에 그 결과를 나타내고 있다. 그림으로부터 피크 응력의 발현 확률은 지수 함수보다는 음의 거듭 제곱 함수에 의해 더욱 잘 표현되고 있음을 알 수 있다.
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Histogram and probability density approxi.(p.d.a) of stress
한편, 계측 시각에 대한 동기화 과정을 거쳐 위에서 정리된 계측 자료에서 각각의 피크 응력이 계측되었을 때의 선속을 본선 자료로부터 추출한 후 선속에 따른 피크 응력의 변화를 살펴보고자 하였다. 8월 6일 계측자료에 대해서는 Fig. 8 과 같은 결과를 얻었는데, 이때 AARI에서 거의 동일한 계측 위치에서 수행한 남극 계측자료를 함께 나타내었다.
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Stress – speed curve including AARI data
AARI 보고서( Likhomanov, 2010 )에 의하면, 선체와 해빙이 서로 부딪히는 상황 중에서 매우 위험한 시나리오 가운데 하나가 비교적 빠른 속도에서 빙판의 모서리(Ice edge)와 접촉하거나 빙맥(Ice ridge)을 뚫고 지나가는 빙-선체 충돌 상황이며, 이와 관련된 자료를 모아 Fig. 8 에 나타낸 것과 같은 외삽 곡선을 유도하였다. 여기서 AARI는 4.01m/s(7.8kt)에서 97.87MPa로 계측된 값(그림에서 사각형 ■으로 표시)은 본선이 곡선운동을 할 때 얻어진 것이라 하여 배제하고 나머지 자료들을 이용하여 극대 값을 외삽한 결과를 제시하고 있다.
Fig. 8 을 고찰하면, 8월 6일 4차 계측자료의 피크 응력 - 속도 관계는 AARI의 남극 계측자료보다 대체적으로 운항 속도가 낮지만 상당히 큰 응력 수준을 보이고 있는데 AARI에서 4.01m/s (7.8kt) 이하 선속에서 쇄빙 시 빙판의 두께는 1m이내의 빙판을 쇄빙하였으며 본 연구에서 쇄빙 시 계측한 빙판의 두께는 1.88~2.46m로 비교 시 두께에 대한 차이가 감안되어야 한다. 특히, 2.55m/s(4.96kt) 근처에서 계측된 피크 응력(106MPa)은 AARI의 외삽곡선에 비해 약 11.5배 이상 높은 수준이다. 빙해역 일반 운항과 쇄빙 운항 시 계측자료를 모두 이용한 전체적 비교는 다음 장에 정리하였다
4. 쇄빙 및 일반 운항 시 빙하중 비교
앞서 3장에서 기술한 자료 분석 절차에 의거 정리된 내용을 일반 운항 시 전체 자료( Lee et al., 2014 )와 비교하였다. 우선 Fig. 9 10 은 각각 일반 항해 시 선수미 방향과 쇄빙 항해 시 선수미 방향, Fig. 11 12 는 각각 일반 항해 시 선체 깊이 방향과 쇄빙 항해 시 선체 깊이 방향으로 설치된 각 변형률 게이지 위치에서 계측된 피크 응력을 보여주고 있다. 각 게이지 위치에서 가장 높은 응력에만 주목하면 경향성을 갖는 것 같지만 같은 시기에 계측된 데이터를 이용하여 전반적인 상관계수를 조사해 보면 위치별 응력 그래프에서는 상관계수가 쇄빙시에는 선수미 방향이 −0.15 ~ 0.232, 선체 깊이 방향이 −0.335 ~ 0.272이며, 일반 운항 시에는 선수미 방향이 −0.591 ~ 0.420, 선체 깊이 방향이 −0.439~0.420으로 개별 계측데이터의 상관계수에 비해 상당히 변한 것을 알 수 있다.
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Stress-SG location curve(General operation)
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Stress-SG location curve(Ice-breaking operation)
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Stress - SG location curve(General operation)
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Stress-SG location curve(Ice-breaking operation)
각 운항 시 상관계수의 변화는 특정 운항 조건 및 해빙의 상태로 인해 개별 계측 데이터에서 게이지 위치와 계측된 응력 값에 대한 상관계수가 높은 경향도 있지만 전체적으로는 계측위치와 피크 응력 간에는 밀접한 상관관계가 약하다고 할 수 있으며 이는 특정 위치에 빙하중이 항상 높게 작용하지 않는다는 것을 의미한다. 이와 같이 계측된 피크 응력들의 상관관계가 약하게 나오면 각 케이스가 아닌 그 전체를 개별적인 자료로 취급할 수 있다.
다음으로 Fig. 13 14 는 일반 항해 시와 쇄빙 운항 시 선속에 따른 최대응력을 정리한 그래프이다. 선속-응력 그래프를 보면 일반 항해 시 계측된 응력의 최대값은 선속 3.39m/s(6.59kt)일 때 155.52MPa이며 쇄빙 운항 시 응력의 최대값은 선속 2.55m/s (4.96kt)일 때 106.35MPa으로 계측되었다. 그리고 전체적인 선속의 변화 범위는 일반 운항 시 0.75 ~ 5.32m/s (1.46 ~ 10.34kt)인데 반해 쇄빙 운항 시에는 1.16 ~ 3.53m/s (2.26 ~6.87kt)로 조사되었다. 참고로 아라온호의 최대 선속은 약 8.23m/s(16.0kt) 수준이다. 여기서, 쇄빙 운항 시보다 일반 운항 시에 더 큰 응력이 계측되었는데 이는 빠른 선속이 중요한 요인일 것으로 생각된다. 또한, 빙에 의한 비교적 높은 충격압은 유빙 및 빙의 모서리에 선체가 충돌할 때 나타날 가능성이 높은데, 이러한 경우는 큰 빙판을 대상으로 시험을 수행한 쇄빙 운항 시보다 일반 운항 시에 발생될 가능성이 높을 것이므로 본 계측에서와 같이 일반 운항 시에 보다 높은 값이 계측될 수 있을 것이다.
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Stress-speed curve(General operation)
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Stress-speed curve(Ice-breaking operation)
한편, 실선시험과 관련해서는 St. John et al.(1995) 이 정리한 바와 같이 응력과 선속과의 상관관계는 거의 없다는 점이 본실선시험 결과에서도 확인되었으며 본 실선시험의 특징인 계측된 응력의 선속에 따른 변화의 경향은 최대 응력이 계측된 지점을 중심으로 삼각형 모양을 유지하고 있는데 이는 운항 모드에 상관없이 유사하다. 즉, 쇄빙 운항 시에도 선속이 2.55m/s (4.96kt)에 도달하기까지는 선속에 따라 응력이 증가하다가 이 속도를 지나면 감소하고 있다.
Fig. 15 16 은 일반 운항 시 및 쇄빙 운항 시 피크응력의 발현빈도를 보여주는 막대그래프이다. 그림에서 각 운항 시 최대응력은 일반 운항 시 155MPa, 쇄빙 운항 시 106MPa로 계측되었다. 두 운항 모드에서 최대응력이 발생할 확률을 비교해 보면 일반 운항 시에는 지수 함수의 경우 그 확률 값은 136.139×10 −30 , 거듭제곱 함수의 경우 287.97×10 −5 이었다. 한편, 쇄빙 운항 시에는 그 확률 값이 지수 함수의 경우 111.069×10 −22 , 거듭제곱 함수의 경우 149.99×10 −4 정도로 계산 가능하다. 또한, 총 계측시간과 100Hz인 계측 주파수를 고려한 발생확률은 일반 운항 시 427.4×10 −9 , 쇄빙 운항 시 368.9×10 −6 정도이다.
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Histogram and p.d.a of stress(General operation)
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Histogram and p.d.a of stress(Ice-breaking operation)
이로부터 일반 운항 시보다 쇄빙 운항 시 최대응력이 발현될 확률이 높으며, 운항 모드에 상관없이 거듭제곱 함수의 경우가 높은 확률을 주고 있다. 또한, 거듭제곱 함수에 의한 값은 계측 데이터를 고려한 것과도 유사한 수준이다. 일반적으로 안전성을 고려해 설계하중을 다소 높게 책정하는 것을 감안하면 거듭제곱 형태의 확률 밀도 함수가 지수 함수에 의한 것보다 합리적인 것으로 생각된다. 또한, 일반 운항 시의 빙 밀집도가 4에서 9 사이인 것을 고려하면, 일정 수준 이상의 피크응력 발현빈도가 빙의 밀집도와 어느 정도 관계가 있을 수 있음을 의미한다고 볼 수 있다. 그러나 이 부분도 관련 데이터에 대한 추가적인 분석이 필요하다고 생각된다.
5. 결 론
본 연구는 2010년 아라온호의 북극항해 시 국부 빙하중을 계측한 자료 중에서 쇄빙 성능 시험과 빙해역을 일반 운항하는 과정에서 계측된 자료를 분석한 것이다. 분석 결과, 다음과 같은 결론을 도출하였다.
(1) 게이지 위치에 따른 피크 응력을 조사한 결과, 수직 방향으로는 다소 높은 상관성을 가진 것으로 파악되었으나, 매우 높은 상관 수준은 아니었다. 그리고 선수미 방향으로는 일반 운항 시와 같이 쇄빙 운항 시 게이지 위치와 계측된 응력 사이의 상관관계가 약한 수준으로 파악되었다. 이는 일반 운항 및 쇄빙 운항 시 특정 위치에 항상 높은 응력 값이 계측되지 않는 것을 의미한다.
(2) 선속에 따른 빙하중을 분석한 결과, 쇄빙 시 최대 빙하중이 계측되는 선속은 일반 운항 시에 비해 다소 낮아졌고 전체적으로는 선속의 변화 범위도 많이 좁아져 있음을 알 수 있다. 쇄빙 운항 시에 일반 운항 시보다 엔진 출력을 다소 높였을 가능성을 고려하면 빙판 쇄빙 시 상당한 저항이 발생하였고 이것이 선속을 저하시켰을 것으로 보인다.
(3) 빙하중의 최대 피크응력 발현 확률이 일반 운항 시보다 쇄빙 운항 시 확률이 높은 것으로 보아 빙의 밀집도와 상관성이 있을 것으로 추측된다. 하지만, 이에 대해서는 추가적인 분석이 필요한 것으로 판단된다.
(4) 일반 운항 시와 마찬가지로 쇄빙 운항 시 빙하중의 발생확률은 거듭제곱 함수를 이용하는 것이 안전 측면에서 보다 합리적인 결과를 주는 것으로 파악되었다.
Acknowledgements
본 연구는 산업통상자원부 산업원천기술과제(Grant No. 10033640)와 교육부와 한국연구재단의 BK21플러스 프로그램 (No. 31Z20130012972)의 후원으로 수행되었음.
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