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21세기의 석유와 가스 생산의 주력 지역이 수심 500 m 이상의 심해에서 이루어지고 있는데,심해의 석유자원의 시추 및 생산을 위한 구조물 중 대표적인 것이 거친 해상 환경에서도 우수한 작업 성능을 가지는 인장계류식 해양구조물(TLP; Tension Leg Platform)이다. 따라서 TLP는 극심한 해상상황에서 작업을 수행하므로, 구조물의 안정성과 더불어 연속적인 가동성 확보를 위해 정확한 운동해석과 구조해석이 필요하다. 실해역에서의 TLP의 운동을 정확하게 평가하기 위해서는 실해역 파를 잘 표현하는 5개의 선형파의 중첩으로 이루어진 5차 Stokes 파^1,2) 중에서의 운동을 평가할 필요가 있다.

국내외적으로 TLP의 실용화 기술개발을 위한 많은 연구와 해양실험이 진행되었으며, 특히, Goo 등^3,4)은 탄성응답 해석법을 개발하였으며, 이 해석법을 기초로 항력과 조류력이 작용하는 상태에서의 동적구조응답연구도 진행되었으며,^5,6) Lee 등⁷⁾은 구조물의 굽힘강성이 구조응답에 미치는 영향을 평가하였고, Ha 등⁸⁾은 TLP의 유탄성응답에 관한 연구도 진행된 바가 있지만, 이는 선형 규칙파 중에서의 연구였다.

본 연구에서는 실해역에서의 운동응답을 평가하기 위해 Stokes 파 중에서의 응답을 평가하였다. 선형 규칙파와 Stokes 파 중에서의 고주파수대의 고유주파수를 갖는 TLP의 운동응답 및 인장각의 변동장력을 비교ㆍ검토함으로써, 실해역에 설치될 해양구조물의 초기설계에 주요 수치해석 자료를 제공할 수 있을 것으로 판단된다.

Table 1은 수치계산을 위한 모델의 주요사항을 나타내고 있다. 구조물에 작용하는 유체력 및 파강제력을 계산하기 위해 Fig. 1에 보인 바와 같이 TLP 계산 모델의 침수표면을 4864개의 평면 panel로 분할하였다.

Fig. 4-5는 입사각 β = 0.0^o일 때 Heave 운동과 Pitch 운동응답을 보이고 있다. 실선은 Stokes 파 중에서의 응답을 나타내고, 점선은 선형 규칙파 중에서의 응답을 나타내고 있다. Heave 운동의 경우 stokes 파의 영향이 크게 나타나고 있지 않지만, Pitch 운동의 경우는 파주파수 ω = 10 rad/sec에서 stokes 파의 영향이 크게 나타나고 있다. 이는 TLP 특성상 고주파수대의 Pitch 고유진동수를 가지므로 인해 모델의 Pitch 고유진동수와 stokes 파의 고주파수 성분파와의 공진에 의한 것으로 사료된다.

Fig. 4 
Heave Motion of the TLP at β = 0.0^o

Fig. 5 
Pitch Motion of the TLP at β = 0.0^o

Fig. 6-7은 입사각 β = 90.0^o일 때 Heave 운동과 Roll 운동응답을 보이고 있다. 실선은 Stokes 파 중에서의 응답을 나타내고, 점선은 선형 규칙파 중에서의 응답을 나타내고 있다. Heave 운동의 경우 stokes 파의 영향이 크게 나타나고 있지 않지만, Roll 운동의 경우는 파주파수 ω = 9 rad/sec부근에서 stokes 파의 영향이 크게 나타나고 있다. 이는 TLP 특성상 고주파수대의 Roll 고유진동수를 가지므로 인해 모델의 Roll 고유진동수와 stokes 파의 고주파수 성분파와의 공진에 의한 것으로 사료된다.

Fig. 6 
Heave Motion of the TLP at β = 90.0^o

Fig. 7 
Roll Motion of the TLP at β = 90.0^o

Fig. 8-9는 입사각 β = 0.0^o일 때 파상측과 파하측의 변동장력을 각각 보이고 있다. 실선은 Stokes 파 중에서의 응답을 나타내고, 점선은 선형 규칙파 중에서의 응답을 나타내고 있다. 파상측(Weather Side) 계류삭들과 파하측(Lee Side) 계류삭들은 유사한 변동장력 응답을 보이고 있음을 알 수 있다. 특히, 파주파수 ω = 10 rad/sec 부근에서 stokes 파의 영향이 크게 나타나고 있으며, 파하측의 응답이 파상측보다 크게 나타나고 있다.

Fig. 8 
Tension response variations on weather side at β = 0.0^o

Fig. 9 
Tension response variations on lee side at β = 0.0^o

Fig. 10-11은 입사각 β = 90.0^o일 때 파상측과 파하측의 변동장력을 각각 보이고 있다. 실선은 Stokes 파 중에서의 응답을 나타내고, 점선은 선형 규칙파 중에서의 응답을 나타내고 있다. 파상측 계류삭들과 파하측 계류삭들은 유사한 변동장력 응답을 보이고 있음을 알 수 있다. 특히, 주파수 ω = 9 rad/sec 부근에서 stokes 파의 영향이 크게 나타나고 있다.

Fig. 10 
Tension response variations on weather side at β = 90.0^o

Fig. 11 
Tension response variations on lee side at β = 90.0^o

Stokes 파 중에서의 인장계류식 해양구조물의 운동응답을 계산해 본 결과는 다음과 같다.

1) 인장계류식 해양구조물은 고주파수대의 고유진동수를 가지므로 선형파에서는 나타나지 않는 고주파수 파의 영향이 Stokes 파에서 크게 나타남을 알 수 있다. 따라서, 고주파수대의 고유진동수를 가지는 해양구조물의 응답은 stokes 파를 고려하여 해석할 필요가 있다.

2) 파주파수 9-11 rad/sec에서 수직방향의 상대변위를 유발하는 Pitch 응답 및 Roll 응답에서 stokes 파의 영향이 크게 나타났는데, 이러한 운동의 상대변위 증가는 인장각의 장력의 변화에 영향을 주어, 장력의 증가를 유발하였다.

3) 운동응답의 증가 및 장력의 증가는 구조물의 안전성뿐만 아니라, 작업자의 안전성 및 작업환경에도 큰 영향을 미치기 때문에 선형파 해석보다 stokes 파를 고려한 본 해석법이 더욱 유효함을 알 수 있다.

4) 본 연구결과는 실해역에 설치될 해양구조물의 초기설계단계에서부터 해상 상황, 구조물의 가동수심 및 인장각의 제원 등에 따른 주요 수치계산자료를 제공할 수 있을 것으로 판단된다.