Corresponding author: Insik Chun, +82-10-5348-7319, 1. 서 론
기 포설된 해저케이블은 각종 자연적 또는 인위적 위해인자에 의하여 훼손될 수 있다. 주로 선박통행과 어업활동이 빈번한 연안에서는 선박앵커와 어구사용 등에 의한 인위적 소인이 지배적이며 상대적으로 해상활동의 빈도가 낮은 대양에서는 파랑과 흐름 등의 자연적 소인이 지배적인 것으로 알려져 있다. 인위적 소인에 대해서는 해저케이블을 아무 보호 없이 해저에 설치하던 초기에는 주로 어구사용이 주요 위해인자로 인지되었으나 케이블을 매설한 이후에는 주로 선박앵커의 주묘가 주요 위해인자로 부각되고 있다(Table 1).
상기 해저케이블에 대한 선박주묘 피해를 저감하기 위한 보호공으로서는 바닥에 고랑을 파고 케이블을 묻는 매설공법이 주로 사용되고 있다 (DNVGL-RP-0360, 2016). 그러나 케이블 선로를 따라 다양한 환경조건을 갖는 바다현장에서 이와 같은 매설공법을 정확히 시행하는 것은 결코 쉬운 일이 아니며 최초 매설 및 사후 유지보수에 막대한 예산이 소요되게 된다. 따라서, 주어진 환경조건 하에서 적정 매설심도를 정확히 산정하여 설계에 반영하는 것은 케이블 매설의 안정성과 경제성을 달성하기 위한 매우 중요한 선결과제라고 볼 수 있다.
주묘 앵커의 지중침투는 앵커와 체인의 질량 및 형상, 그리고 토질조건에 따라 달라진다. 본 고에서는 토질조건의 적용에 앞서 우선 앵커 및 체인의 특성에 대하여 고찰하였다. 실제 선박에 사용되는 앵커는 매우 다양한 종류가 있으며 각각이 독특한 주묘 침투 특성을 갖는다 (NCEL-N-1688, 1984). 그러나, 해저케이블 매설의 설계에서는 이 다양한 앵커를 모두 수용할 수 없기 때문에 소수 개의 표준앵커 형상 및 제원을 설정하고 이들에 대한 매설 관련 설계기준을 마련할 필요가 있다. 본 고에서는 선박주묘에 따른 앵커침투 해석을 위한 전초 단계로서 선박 중량을 수개의 구간으로 구분하고 각각의 앵커 및 체인 제원의 정식화를 시도하였다. 특히 해저케이블이 포설되는 연근해에서 항해 빈도가 매우 높으나 현재 앵커관련 규정이 가용치 않은 어선 포함 소형선박들에 대한 포준 앵커 및 체인의 설정 방안을 제시하였다.
2. 선박앵커의 개괄
2.1 앵커의 정의
해양에 사용되는 앵커는 크게 자체 중량으로 지지력 (holding capacity)을 확보하는 중력형과 앵커의 지중 침투에 의하여 지지력을 확보하는 견인관입형 (Drag-embedment type)이 있다. 선박앵커는 선박이동에 의한 끌림에 의하여 앵커가 지중으로 침투하는 일종의 견인관입형으로 볼 수 있다. 브리태니카 사전은 선박앵커를 ‘체인 또는 케이블로 선박 또는 보트에 매달려 해저에 투하되며 플루크 (fluke) 또는 표족한 부위가 바닥에 침투함으로써 선체의 위치를 고정시키는 금속 물체’로 정의하고 있다.
대략적인 앵커부위 및 명칭은 Fig. 1과 같다. 앵커는 지중을 침투하는 플루크, 체인 (chain)과 플루크를 연결하는 생크 (shank), 그리고 선박과 앵커를 연결하는 체인 또는 로프로 구성되어 있다. 그리고 체인과 생크의 연결점을 샤클 (shackle)이라 하며, 플루크의 상부에 설치하는 스톡 (stock)은 침투과정 중 앵커의 위치를 바로 잡아주는 역할을 한다.
2.2 앵커의 분류
금속 앵커의 초기에는 ‘C’자형 풀루크와 생크가 거의 같은 평면에 위치하고 있어 앵커의 초기 지중침투가 어려웠기 때문에 초기침투를 돕기 위하여 스톡을 부착하여 사용하는 것이 일반화되었다 (Fig. 2). 지금은 거의 스톡리스 (stockless) 앵커로 대체되었으나 스톡 (stock) 앵커는 제작이 비교적 쉽기 때문에 아직도 연근해 소형 어선들에서 많이 사용되고 있다. 전 세계적으로 스톡리스 앵커는 19세기초부터 사용되기 시작했으며 Fig. 2에서 보다시피 플루크가 생크의 횡 직각방향으로 전개되어 있어 별도의 스톡이 없어도 지중침투가 용이한 장점이 있으며 일명 플루크 앵커라고도 불리운다.
현재는 어선 및 소형 준설선 등을 제외한 대형 선박들에서는 거의 스톡리스 앵커를 사용하고 있으며 선급 (ship register) 등 선박 관련 기준에서도 거의 스톡리스 앵커에 대해서 규정하고 있다. 현재 전 세계적으로 사용되고 있는 스톡리스 앵커는 Fig. 3과 같다. 그림에서 보다시피 고기능 스톡리스 앵커는 스톡리스로 분류되어 있음에도 불구하고 여전히 스톡이 부착되어 있다. 따라서, 현재 통용되고 있는 앵커분류는 다분히 플루크 형상에 의존하고 있으며 플루크 형상이 평편한 앵커를 스톡 유무와 상관없이 관행적으로 스톡리스 앵커로 분류하고 있음을 알 수 있다.
3. 선박 앵커의 중량 및 체인제원의 표준화
선박주묘에 의한 앵커침투 해석의 수월성을 제공하기 위하여 여러 선급에서 표로 제공하고 있는 앵커 및 체인 제원의 정식화 (formulation) 방안을 검토하였다.
선박 중량이 주어지면 이로부터 앵커 및 체인 제원을 바로 구할 수 있을 것이란 일반적 기대와는 달리 이들 제원은 선박 의장수 (Equipment number)의 함수형태로 주어진다. 국내에서는 현재 한국선급 (Korea Register, 2022)과 선박설비기준 (Ship Equipment Standards, 2016)에서 의장수를 규정하고 있다. 이들 의장수 규정은 거의 동일하며, 소형선박에 대해서는 선박설비기준 (2016)에서 상세히 규정하고 있다. 한국선급의 의장수 산정식은 다음과 같다.
여기서,
EN = 의장수
A = fL + Σh′′l
Δ = 선박의 계획하기만재흘수선에 상응하는 선박의 배수톤수 (t)
B = 선박의 형폭 (m)
f = 선체 중앙의 선측에 있어서 만재흘수선으로부터 최상층 전통갑판보의 상면까지의 수직거리 (m)
L = 선박의 규정길이 (Rule length)
h' = 전통갑판부 상면으로부터 너비가 B/4를 넘는 선루 또는 갑판실들의 높이의 합 (m)
Σh′′l = 최상층 전통갑판보다 상방에 있는 너비가 B/4를 넘고 높이가 1.5 m 이상인 선루, 갑판실 또는 트렁크의 높이 h′′과 길이 l을 곱한것들의 합 (m2).
상기 식의 우측항에서 선박의 배수톤수 Δ 를 제외한 나머지 두 개항은 선체의 기하학적 형상과 상갑판위 구조체의 형상에 관련된 것으로서 선박마다 다른 값들을 보이게 된다. 이들 역시 선박중량과 모종의 상관관계가 있을 것으로 판단되나 현재로서는 이와 관련된 통계데이터가 가용치 않은 실정이다. 따라서, 본 연구에서는 선체의 중량만을 고려하여 의장수를 산출한 다음, 이 값의 80%를 더하여 최종 의장수를 정하는 것으로 하였다. 이 경우 최종 산출되는 앵커 질량은 Carbon Trust (2015)에서 제시한 값들과 유사한 것으로 나타났다.
해저케이블 설계에 종종 참조되는 선박자동식별시스템 (AIS)에서는 통상 통항 선박의 총톤수 (GT)가 제공되기 때문에 총톤수를 상기 배수톤수로 환산해주어야 한다. 현재 국내의 항만 및 어항 설계기준 (Korea Port Design Standards, 2014)은 총톤수 (GT), 재화중량톤수 (DWT) 그리고 배수톤수 (DT)의 관계를 식 (2) - (4)와 같이 제시하였다. 변환계수 k1, k2, k3는 Table 2에 수록되어 있다.
상기 변환관계를 보면, 선박의 종류마다 변환 계수의 편차가 매우 심함을 볼 수 있다. 해저케이블 보호공 설계에 필요한 목적 선박을 설정하기 위해서 본 연구에서는 항해빈도가 비교적 큰 화물선의 DWT를 사용하는 것으로 하였다. 윗 변환관계에서 화물선의 만재배수톤수 Δ는
이며, 선형에 의한 80% 증가를 고려하면 의장수 EN은
가 된다. 앞으로 의장수 EN과 화물재화톤수 DWT간의 변환은 식 (6)을 이용하기로 한다.
한편, 어선의 톤수는 통상 총톤수 (GT) 또는 중량재화톤수 (DWT)로 표현됨을 참조하여 (MOMAF, 2013), 어선을 포함한 소형선박의 총톤수 (GT)와 중량재화톤수 (DWT)의 변환은 화물선에 대한 식
을 사용하기로 한다.
3.1 중대형 선박
한국선급 (Korea Register, 2022, p.81), 선박설계기준 (Ship Equipment Standards, 2016), DnV (2021) 등은 의장수 EN의 변화에 따른 스톡리스 앵커의 질량과 그리고 질량 별 체인의 직경 및 단위길이 당 질량 등을 표로 제시하고 있다. 다만, 한국선급과 선박설비기준은 의장수 70 미만에 대해서는 앵커질량을 일괄 0.18 톤으로 명시한 반면, DnV는 보다 세부적으로, 의장수 30-49에 대해서는 0.12 톤, 그리고 의장수 50-69에 대해서는 0.18 톤으로 명시하였다.
선박 주묘 해석에서 임의 톤수의 선박에 대하여 앵커 질량과 체인 제원을 용이하기 입력하기 위하여 이들 변수들 간의 회귀공식을 도출하였다. 이를 위해서 선박 DWT의 변화에 대하여 식 (6)에 의하여 EN을 구하고 이에 대한 스톡리스 앵커 질량과 요구되는 체인 직경 및 질량을 DNV (2021) 자료를 이용하여 구한 후 이들 간의 회귀 관계를 식 (8)과 같이 다항식으로 제시하였다. 단, DnV (2021)에서 표로 주어진 자료는 EN의 등급별로 주어져 있으며 선박이 대형화될수록 이들 등급의 격차가 크게 벌어지기 때문에 변수값들의 직접적인 회귀다항식을 적용할 경우 EN 등급이 비교적 조밀한 중소형 선박들에서 정확도가 많이 떨어지는 단점이 있다. 따라서, 전 구간에 걸쳐 균일한 정확도를 달성할 목적으로 본 연구에서는 변수값들의 자연대수값에 대한 회귀다항식을 다음과 같이 전개하였다.
Tables 3 and 4는 변수 x를 선박 DWT (t) 또는 앵커 질량 (t)으로, 그리고 변수 y를 체인 직경 (mm), 단위길이 당 체인 질량 (kg/m)을 포함한 타 변수들로 취했을 때 각 회귀식의 계수들 a - f 를 제시한 것이다. 여기서 DWT의 최소값인 90은 식 (6)에 의하면 대략 의장수 구간 30-49의 중간값인 40에 상응하는 값이다. 그리고 DnV (2021)의 표 제시값들과 본 회귀식 계산결과들을 Figs. 4, 5에 비교하였다. 회귀식들의 계산결과가 원데이터와 잘 일치함을 볼 수 있다.
한편, 스톡 앵커에 대해서 한국선급 (Korea Register, 2022, p.84)은 상기 표에서 정하는 앵커 질량 MT 대신에 스톡을 제외한 질량을 표의 값의 0.8 배로 정하는 것으로 규정하고 있다. DnV (2021)에서도 스톡을 제외한 스톡 앵커의 질량을 표에서의 값의 80% 이상으로 할 것을 제시하였다. 보통 스톡 질량은 스톡을 제외한 나머지 질량의 25%를 점한다. 이 경우 스톡 질량은 전체 질량 Ma에 대하여 0.2Ma가 되므로 스톡을 제외한 나머지 중량은 0.8Ma가 된다. 따라서, 스톡 앵커의 질량은
가 된다. 이는 동일 의장수에 대하여 스톡앵커의 질량을 스톡리스 앵커보다 약간 무겁게 채택할 것을 요구하는 것이다. 본 정식화 문제에서는 일반적으로 스톡 앵커가 소형선박에 주로 사용되는 현실을 고려하여 상기 스톡리스 앵커에 대한 회귀식의 적용한계인 DWT 90 (약 GT 50에 해당) 미만의 소형선박에 국한하여 적용하는 것으로 하였다. 소형선박의 앵커 및 체인제원에 대해서는 뒤에 다시 기술하기로 한다.
한편, DnV (2021)는 어선에 대한 앵커 및 체인제원을 별도로 제공하였다. 의장수 30-150의 소형어선 앵커는 전반적으로 상기 일반 선박보다 다소 작게 설정되었으나 의장수 150 이상에서는 일반 선박과 동일하다. 또한, 한국선급 (Korea Register, 1993)은 준설선에 대한 앵커사용을 별도로 규정하였다. 그러나 앵커 중량은 상기 일반 선박 (어선 제외)과 거의 유사하다. 따라서, 본 정식화 문제에서는 어선과 준설선 등을 별도로 구분하지 않고 상기 스톡리스 앵커와 스톡앵커의 제원을 그대로 적용하는 것으로 하였다.
3.2 소형선박
3.2.1 20 ≦ DWT < 90의 구간
상기한 바와 같이 DnV (2021)의 앵커 및 체인제원에 대한 규정은 의장수 40 (구간 30-49의 중간값) 이상의 선박들을 대상으로 하고 있다. 의장수 40은 식 (6)에 의하면 약 90 DWT의 선박에 해당된다. 현재로서는 의장수 40 미만의 소형선박에 대한 앵커규정은 국내의 선박설비기준은 물론 전 세계적으로 가용치 않다. 다만, 국내 해양수산부 (MOMAF, 2021a)의 행정규칙인 ≷총 톤수 10톤 미만 소형어선의 구조 및 설비 기준≸에서 10톤 미만, 길이 14 m 미만의 소형어선에 대해서는 선박길이의 약 2.4-2.6배의 앵커중량을 사용할 것을 규정하고 있다 (Table 5). 닻줄은 중대형 선박의 금속 체인과는 달리 로프로 제시되어 있음을 볼 수 있다.
Fig. 6은 국내의 항만 및 어항 설계기준 (Korea Port Design Standards, 2014)에 수록된 일반 어선의 총톤수 (GT)별 선박 길이를 도시한 것이다. 그림에서 Table 5에서의 최장 선박 14 m는 GT 10임을 알 수 있다 (해양수산부의 또 다른 행정규칙 (해양수산부, 2021b)인 ≷소형선박의 구조 및 설비 기준≸ 은 소형선박을 길이 12 m 이하의 선박으로 규정하고 있으나 별도의 앵커 및 체인 제원에 대한 규정은 발견되지 않는다). 화물선과 동일하게 식 (7)을 GT 10에 적용하면 DWT 18.9와 같다. 따라서, 현재로서는 대략 DWT 20과 90 사이 (또는 GT 10과 50 사이)에 해당되는 소형선박들의 앵커 규정은 국내⋅외적으로 존재하지 않는 것으로 볼 수 있다. 이와 같은 소형 선박 앵커에 대한 기준의 부재는 해역사용빈도에서 압도적 우세를 보이는 어선 포함 소형선박들에 대하여 주묘 침투깊이의 산정을 매우 어렵게 만드는 주요 소인이 될 수 있다.
본 정식화 연구에서는 DWT 20-90의 소형선박들에 대한 앵커 및 체인 제원 산출을 위한 방법을 제시하였다. 우선, Tables 4 and 5의 회귀식 관계를 외삽 적용하는 것은 정확도가 떨어지는 것으로 나타났다. 대신 본 연구에서는 기준 선박을 DWT 90로 설정하고 그 이하 임의 DWT에 대해서는 식 (10) - (12)에서 보이는 바와 같이 앵커 질량은 DWT 90의 M90과 DWT 20의 M20 사이를 선형보간하여 구하며, 체인 직경 및 질량은 앵커 질량 비를 이용하여 구하였다. 여기서 M20은 Table 6에서 구한 선박길이 14 m (DWT 20, GT 10)의 앵커 질량 0.038 ton이다.
Anchor mass (ton) : 20t ≦ DWT < 90t, M90 = 120 kg,
Chain diameter (mm) : 20t ≦ DWT < 90t, D90 = 12.5 mm
Chain mass per unit length (kg/m) : 20t ≦ DWT < 90t
3.2.2 DWT < 20의 구간
DWT 20 (GT 10) 미만의 초소형 선박에 대해서 소형어선에 대한 현행 해양수산부 행정규칙 (MOMAF, 2021a)과 그리고 항만 및 어항 설계기준 (Korea Port Design Standards, 2014)을 참조하여 선박 GT-선박길이 La의 관계와 그리고 선박길이 La-앵커질량 Ma 및 로프직경 Da의 관계를 각각 도시하면 Figs. 7, 8과 같다. 여기서, 본 초소형 선박의 로프에 대해서는 기준 소재를 Table 5에서의 폴리에틸렌 (비중 0.94)으로 설정하였다. 그림에서의 곡선에 대한 회귀식은 다음과 같다. 임의 GT 또는 선박길이가 주어지면 앵커질량 및 로프직경을 본 회귀식들을 이용하여 쉽게 산정할 수 있다.
3.3 적용
상기의 방법들과 적용범위를 정리하면 Table 6과 같다. 그리고 DWT≦2,000의 범위내에서 본 방법들을 적용하여그 결과를 Fig. 9에 제시하였다. 그림에서 DWT 90에서 방법이 달라지면서 미세한 변곡점들이 나타나 있음을 볼 수 있다. 그리고 체인 직경의 변화를 보면 DWT 20에서의 불연속적인 변화가 발견되는 바, 이는 체인에서 로프로 바뀌기 때문이다. 본 로프의 소재를 폴리에틸렌 (비중 0.94)으로 간주할 경우 수중 질량이 거의 영이므로 DWT < 20의 초소형 구간에서는 로프의 단위길이 당 체인질량은 영으로 처리하였다.
4. 앵커의 기학학적 제원
앵커의 형상은 Fig. 3에서 보듯이 동일 질량이라 할지라도 여러가지가 있으며 선박의 유형마다 다를 수 있다. 그러나, 현재 전 세계적으로 사용되는 앵커의 종류에 대한 통계적인 자료는 가용치 않다. 다만 어선을 포함한 소형 선박의 경우에는 스톡 앵커를 사용하는 경향이 있으며 화물선을 포함한 중대형 선박은 스톡리스 앵커를 주로 사용하고 있다. 본 케이블 매설관련 연구에서는 표준앵커로서 한국산업규격 (KS, 2018)의 스톡 앵커와 스톡리스 앵커를 사용하는 것으로 하였다 (Figs. 10, 11). 한국산업규격은 앵커 질량별로 스톡 앵커 (0.025-2.16톤)와 스톡리스 앵커 (0.180-46톤)의 상세제원을 표로 제시하였다. 이중 대표적으로 0.525 톤의 스톡 앵커와 2.1 톤의 스톡리스 앵커의 제원을 각각 Tables 7 and 8에 제시하였다.
기하학적 제원에 대한 한국산업규격 (KS, 2018)의 표를 살펴보면, 각 질량별 앵커들은 비록 질량은 달라도 그들의 기하학적 형상은 닮은꼴임을 알 수 있다. 질량을 달리하는 임의 두 개의 앵커는 식 (16)과 같은 기하학적 상사를 잘 만족시키는 것으로 나타났다.
5. 결 론
해저케이블의 적정매설심도를 결정하기 위해서는 선박 주묘에 의한 앵커 침투깊이를 정확히 산정해야 한다. 이를 위해서는 케이블 구간에서 주 항해 선박의 앵커 및 체인의 제원을 파악하는 것이 선결 과제이다. 본 연구에서는 침투깊이 산정을 위한 입력자료 제공의 수월성을 제공하기 위하여 앵커 및 체인 제원에 대한 정식화를 시도하였다. 현행 선급 자료들은 주로 중대형 선박들에 대하여 규정하고 있으며 정작 항해 빈도의 다수를 점하는 대략 의장수 40 미만의 소형 선박들에 대한 규정은 가용치 않은 실정이다. 이와 같은 점에 착안하여 앵커에 대한 중소형 선박까지를 포괄하는 앵커 및 체인 제원의 회귀식들을 도출하였으며, 세부 결론은 다음과 같다.
- 의장수 40 이상의 선급자료 (앵커질량 0.42 - 18 톤)에 대해서는 전 구간의 예측 해상도를 확보하기 위하여 자연대수함수를 이용한 DWT - 앵커 및 체인 제원 간 회귀식을 도출하였다.
- 관련 규정이 가용치 않은 의장수 40 미만의 소형선박에 대해서는 선급자료와 그리고 선박길이 14m 미만 (총톤수 10 미만)의 소형 어선에 대하여 규정한 해양수산부 행정규칙에서의 제원을 이용하여 앵커 및 제인 제원을 산정하기 위한 보간 식을 제시하였다. 그리고 총충톤수 10 톤 미만의 초소형 선박에 대해서는 선박길이 별 선박 및 앵커질량의 회귀식을 도출하였다.
- 향후 주묘앵커의 침투깊이 산정을 위해서 선박의 유형 (화물선, 어선, 준설선 등)에 무관하게 도출된 회귀식을 적용하며, 대략 DWT 90 이상에서는 스톡리스 앵커를, 그리고 그 이하에서는 스톡앵커를 사용할 것을 제안하였다.
- 대표적인 스톡 앵커와 스톡리스 앵커로서 한국산업규격(2018)의 제원을 소개하였으며 상이한 질량 간 앵커제원을 환산하기 위한 기하학적 상사공식을 제안하였다.
현재 연근해에서의 항행 빈도가 높은 소형선박들은 해저 케이블에 주묘 피해를 초래할 가능성 역시 높기 때문에 장기적인 관점에서는 해저케이블 보호 뿐만 아니라 해당 범주 선박들의 안전관리 차원에서도 이들 소형선박의 앵커 의장에 대한 보다 자세한 현황파악 및 관리가 이루어져야 될 것으로 판단된다.
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