In general, huge caissons for breakwaters have been constructed on land or a floating dock. In the case of the construction on a floating dock, a 4 step installation procedure is involved: i) construction on a floating dock, ii) transportation by the floating dock to an area near the target sea, iii) launching from the floating dock, and iv) transference by tug-boats to the installation site. It is especially important to pay attention to the dynamic stability of the floating dock against the conditions in the sea during steps i) and iii). In this paper, the static and dynamic stabilities of a caisson on a floating dock are evaluated based on IMO rules during the construction and launching of the caisson on a floating dock by using independent commercial S/Ws such as NAPA, WAMIT, and CHARM3D.
1. 서 론
방파제용 케이슨(Caisson)을 제작하는 방법에는 장소에 따라, ①건식 독(Dry dock)에서 제작하는 방법, ②부양식 독(Floating dock) 위에서 제작하는 방법, ③모래사장에서 제작하는 방법, ④가체절 방식에 의한 제작, ⑤육상안벽에서 제작 하는 방법 등이 있다(Lee, 2000; Ryu, 1999; MMAF, 2005). 이 중 부양식 독 에서 케이슨을 제작할 시 제작부터 설치까지는 일반적으로 제작, 운반, 진수, 예인의 4단계 과정으로 구분 할 수 있다.
먼저 부양식 독에서 방파제형 케이슨의 제작 시 부양식 독은 해상, 기상에 영향을 많이 받게 되므로 제작이 용이한 지역에서 계류라인 등을 이용한 고정 등을 통해 안전하게 작업을 해야 한다(MLTMA, 2012). 그리고 케이슨을 제작함에 있어 제작과정에 맞춰 부양식 독의 평형수를 조절하여 평형을 유지하여야 한다.
운반 단계에서는 부양식 독에서 제작 완료된 방파제형 케이슨을 예인선을 이용하여 예인한다. 부양식 독을 이용해 케이슨을 운반 시 해상상태에 따른 불규칙한 6자유도 운동을 하게되므로 운반 시 외부환경의 고려가 중요하다(Seok et al., 2010).
진수 단계에서는 해상조건, 기상조건, 조위시각 등을 면밀히 검토하여 진수시기를 결정하여야 하며 부양식 독에서 케이슨을 진수할 시 요동, 기울어짐이나 인근에 제작된 케이슨과의 충돌을 방지할 수 있도록 로프 등으로 단단히 매어두어야 한다. 그리고 케이슨을 진수시킬 장소는 계산상 수심보다 0.5m 이상의 여유가 있는 곳이어야 하고, 정온한 해면으로서 충분한 작업공간을 확보할 수 있어야 하며, 다른 항해선박에 지장을 주지 않는 곳이어야 한다(MLTMA, 2012). 부양식 독을 이용한 진수 방법에는 부양식 독의 평형수를 이용하여 부양식 독을 수직으로 서서히 잠수시켜 선체를 가라앉히는 완전 잠수식 방법과 부양식 독의 한쪽 부분에 물을 채워 경사를 일으켜 자연 슬라이딩으로 해상에 진수시키는 슬라이딩 진수 방법이 있다(Park and Kim, 2006; Zung and Kim, 2005).
케이슨의 진수단계가 끝난 뒤 예인 단계에서는 예인선을 이용해 케이슨을 설치 지역까지 운반한다. 이 때 예인선의 선단배치는 조류의 변화가 심할 때에는 V형으로 배치하며 예인속도를 높이기 위해서는 일열 선단배치를 한다(Lee, 2000). 단, 운반 속도는 케이슨이 안정성을 유지할 수 있는 속도이어야 하며 케이슨을 대각선 방향으로 예인해서는 안 된다(MLTMA, 2012).
교각 케이슨의 크레인바지 및 부양식 독을 이용한 운송 시 동적 안정성 고찰에 대해서는 Jo et al.(2009)에, 방파제용 대형 케이슨 운반 및 예인에 대한 동적 안정성 평가에 대해서는 Seok et al.(2010)에 각각 소개되어 있다.
본 논문에서는 방파제용 케이슨을 부양식 독에서 제작할 경우, 전술한 총 4단계의 과정 중
Construction for caisson on a floating dock

Launching for caisson on a floating dock

2. 케이슨 제작시에 관한 수치 시뮬레이션
2.1 정적 안정성 평가
Location of caisson for building (A) and launching (B)

Caisson model with total weight of 10,700ton

Schematic view of floating dock

Floating dock specification with total weight of 15,000ton

Caisson specification with total weight of 10,700ton

부양식 독과 케이슨의 정적 안정성 평가를 위해 부양식 독에서 케이슨을 완성 하였을 경우에 대한 해석을 수행하였으며 이때 계산 조건은
Floating body's general condition

상용프로그램 NAPA를 이용하여 얻어진 수치 시뮬레이션 결과를
Criteria for Stability by IMO rule A.749(18)

수치 시뮬레이션에 사용된 상용소프트웨어 NAPA는 부유체의 복원성과 안정성 해석에 사용되는 프로그램이며, 선박 초기와 기본 설계에 이용되는 프로그램으로 선주 및 해당 국가들의 요구사항을 기술적으로 확인시켜 주는 목적의 프로그램이다.
2.2 동적 안정성 평가
제작 단계에서 동적 안정성 평가를 위한 해상환경은
WMO sea-state code

Environmental condition (SS-4)

정적 안정성 평가와 마찬가지로 케이슨이 완성되었을 때를 가정하였으며, 케이슨과 부양식 독의 제원은 앞서 전절에서 언급한 조건과 동일하다. 단 부양식 독은 방파제와 계류라인으로 연결되어 있으며 부양식 독과 방파제의 사이의 간격은 약 1m이다. 이 때 부양식독과 방파제 사이에는 펜더가 위치해 충돌을 방지해 준다.
Modeling of (a) a floating body and breakwater, and (b) definition of wave direction

케이슨과 부양식 독의 동적 안정성 평가를 위해 WAMIT을 이용하여 주파수 영역 해석을 수행하였다. WAMIT은 미국 MIT(Massachusetts institute of technology)의 Newmann 교수팀에 의해 개발된 파랑-다물체의 상호유체력에 관한 주파수 영역 계산 프로그램으로 그 정확도가 잘 알려진 프로그램이다. 단, 주파수 영역에서의 동적 안정성 평가 시 부양식 독과 케이슨에 고려되어야 할 풍력의 영향은 상대적으로 작다고 가정하여 무시하였다. 또한, 제작 해역의 수심이 7m로 WAMIT으로 계산하기에는 천수효과가 매우 큰 영역이므로 특히 장주기 파에 대한 해석 오차가 포함될 가능성이 높다.
3. 케이슨 진수에 관한 수치 뮬레이션
3.1 정적 안정성 평가
부양식 독 상에서 제작된 케이슨을 예인선을 이용해 진수 가능한 지역까지 예인한다. 이 때 케이슨을 진수하는 울산 용연동 전면 해상은 수심이 20~30m 정도로 파고가 높지 않고 비교적 잔잔한 해상상태이며 예인된 부양식 독과 케이슨은 부양식 독의 평형수를 이용하여 수직으로 완전 잠수하는 완전 잠수식 진수방법을 이용해 진수된다. 이 때, 진수 시 케이슨의 상부와 부양식 독은 고정 줄을 이용하여 고정되어 있다.
General condition of a floating body for launching

세 가지 경우에 대한 해석결과를 케이슨의 제작 단계와 동일하게
3.2 동적 안정성 평가
케이슨의 진수 단계에서 동적 안정성 평가를 위한 해상환경은
Environmental condition (SS-4)

Modeling of floating body(floating dock and caisson) and definition of wave direction

Modeling of a caisson over floating dock with two different gap size

4. 해석 결과 및 토론
4.1 케이슨의 제작 단계
Static stability results of construction step

Results of static stability for construction step, obtained from NAPA analysis

Response amplitude operator as a function of frequency for a caisson on a floating dock

4.2 케이슨의 진수 단계
케이슨의 진수 단계에서 각각의 흘수에 대한 3가지 경우의 정적 안정성 평가를 수행한 결과는
Static stability results of launching step

Static stability for launching steps

다음으로, 케이슨의 진수 단계에 대한 주파수 영역에서의 동적 안정성 평가 수행 결과는
Response amplitude operator as a function of frequency for floating dock in case of gap size 0.278m

Response amplitude operator as a function of frequency for caisson in case of gap size 0.278m

Response amplitude operator as a function of frequency for floating dock in case of gap size 5.43m

Response amplitude operator as a function of frequency for caisson in case of gap size 5.43m

마지막으로, 부양식 독과 케이슨의 두 부유체에 관한 충돌 등의 안정성에 대하여 불규칙파랑 중에서의 시간영역 상호작용을 시뮬레이션 하였으며, 부양식 독과 케이슨의 상하동요(Heave) 및 횡동요(Roll) 결과를
Dynamic behavior of floating dock in time domain

Dynamic analysis of caisson in time domain for heave motion

5. 결 론
본 논문에서는 부양식 독 상에서 방파제용 케이슨을 제작할 경우와 이를 설치 해상에서 진수할 경우의 정적 및 동적 안정성 평가를 수행하였다. 정적 안정성 평가를 위해 상용프로그램인 NAPA를 이용하였으며 그 결과를 IMO rule과 비교·검토하였다. 또한 동적 안정성 해석에는 상용프로그램인 WAMIT을 이용하여 주파수영역에서의 해석을 수행하고 안정성을 평가하였다. 특히, 파랑환경이 선형적이지 않은 해역에서의 보다 정확한 안정성 평가를 위해서는 정적 및 동적 안정성 해석의 상호 적절한 배합이 중요하며, 특히 진수 시 다물체 효과를 고려한 케이슨과 부양식 독의 안정성 평가가 중요할 것으로 판단된다. 또한 Seok et al.(2010)에서 언급했던 것처럼 해상상태가 거칠어질수록 시간영역해석의 신뢰성이 더욱 커질 것으로 보인다.
It is noted that this paper is revised edition based on proceedings of KAOST 2010 in Jeju.
본 연구는 (주)삼성물산의 “케이슨 운송시 안정성 검토” 과제의 지원으로 수행되었으며, 지원에 감사드립니다.
IMO, 2002. Code on Intact Stability for All Types of Ships Covered by IMO Instruments: Resolution A.749(18) as Amended by Resolution MSC 75(69). IMO Publication.
Jo, C.-H., Kim, S.-J., Cheong, H., 2009. Dynamic Stability during Transportation of Bridge Caisson. J. of Ocean Engineering and Technology, 23(1), 104-108. (Korean)
Kang, H.-Y., Kim, M.-H., Seok, J., Park, J.-C., Kang, Y.-K. 2011. Safety of Caisson Transport on a Floating Dock, Proceedings of 2011 International Offshore and Polar Engineering Conference, Maui, USA.
Lee, J.-H., 2000. Study on the Execution and Salvage Method of the Caisson for a Breakwater. Master thesis of Pusan National University. (Korean)
MLTMA, 2012. Harbor and Fisheries Construction Standards Specification. The Ministry of Land, Transport and Maritime Affairs, Korea, 11-1611000-002639-14. (Korean)
MMAF, 2005. Harbor and Fisheries Design Standards. The Ministry of Maritime Affairs and Fisheries, Korea, 11-1520000-000842-14. (Korean)
NAPA. Solution for Design and Operation of Ships. [Online] Available at: <http://www.napa.fi> [Accessed October 2013].
Park, J.-M., Kim H.-B., 2006. New Caisson Fabrication Method in Pusan New Port Project. Korean Society of Civil Engineers Magazine, 54(9), 83-86. (Korean)
Ryu, J.-B. (1999). Introduction to civil engineering works. Yeamoonsa. (Korean)
Seok, J., Park, J.-C., Heo, J.-K., Kang, H.-Y., Bae, Y.-H., Kim, M.-H., Kang, Y.-K., 2010. Stability Evaluation during Transportation of Caisson for Breaker. J. of Ocean Engineering and Technology, 24(4), 13-22. (Korean)
WAMIT, The State of the Art in Wave Interaction Analysis. [Online] Available at: <http://www.wamit.com> [Accessed October 2013].
Zung, Z.-M., Kim, H., 2005. Manufacture of Concrete Caisson by Using Soffit Form and its Conveyance by Jacking System, and Launching Method by DCL. Korean Society of Civil Engineers Magazine, 53(5), 57-63. (Korean)