해양환경 및 선형 변화에 따른 계류선박의 안전성 평가에 관한 연구는 국 내·외에서 수조실험 및 계류안전성 평가 프로그램을 사용하여 지속적으로 이 루어지고 있으며, 대표적인 해양환경 변화는 장주기의 파랑, 쓰나미, 지진·해 일 등을 포함하고 있다.
조익순 등(2006)은 쓰나미의 항만 내 공진주기파를 고려한 계류선박의 영향 및 계류하중을 평가하였다. 수조실험을 통하여 공진현상이 계류선박의 선체동 요와 계류하중을 증가시키는 것을 확인하였으며, 쓰나미 성분파 추출을 이용한 수치 시뮬레이션을 통하여 공진주기파가 모든 계류삭의 사용하중을 초과하는 장력을 발생시키고, 방현재에 큰 압축 변형을 일으키는 것을 확인하였다. 또한 쓰나미에 의한 항내선박의 피해 예방을 위하여 선종 및 선형, 계류삭 및 방현 재, 쓰나미의 높이 및 파향 등의 영향을 검토한 계류선박의 운동제어 필요성을 제안하였다.
곽문수와 문용호(2014)는 장주기파 내습으로 인한 항만공진 시 하역가능 여부 를 판단하기 위해 선박의 크기, 계류 상태, 파랑의 주기 및 파향 등의 영향을 반영하여 계류선박의 동요량을 계산하였고, 그 결과를 이용하여 선석 전면에서 하역한계파고를 산정하는 방법을 제시하였다. 포항신항을 선정하여 산정한 하 역한계파고와 하역중단 시의 현지 파랑 관측 자료를 비교하여 그 타당성을 검 증하였다. 이를 토대로 장주기파가 탁월할 것으로 예상되는 항만에서는 항만설
계기준에 의한 하역한계파고와 장주기 성분의 항만공진현상이 고려된 계류선박 의 동요량으로 결정된 하역한계파고를 함께 검토하여 부두 계획을 수립하는 것 이 항만의 정온도를 높이고 항만가동률을 증진시킬 수 있을 것으로 평가하였 다.
이리나(2016)는 지진해일의 피해를 최소화하기 위한 대책 마련을 위해 동해안 의 삼척항을 대상항만으로 선정하여 해일 발생 시 환경외력 조건에 따른 정박 선박 및 접안시설의 계류안전성을 평가하였다. 먼저 선박의 선종, 선형, 계류삭 및 부두의 접안능력, 계선주, 방충재를 고려하여 대상부두를 모델링하였고, 삼 척항의 실제 데이터를 적용하여 풍력, 조류, 조위 및 파랑 등의 환경외력 조건 을 설정하였다. 이를 바탕으로 계류안전성 평가를 수행한 결과, 일반 환경조건 에서는 계류안전성이 확보되었으나, 지진·폭풍해일 조건에서는 계류안전성이 확보되지 않는 것을 확인하였다.
국외에서는 파랑에 의한 계류선박의 선체운동을 수치모델링 및 물리적 모델 테스트로 측정하고, 이를 경감하기 위한 대책으로 항구 배치 변경, 새로운 보호 구조물 건설, 추가적인 계선주, 방충재 및 계류 돌핀 건설 등을 제안하는 연구 가 주로 수행되었다.
Sakakibara and Kubo(2008)는 현장 관측 및 수치 시뮬레이션을 통한 계류 시 스템의 변경이 선박의 주파수를 제한하고 계류시스템 자체의 안전성을 향상시 키는 효과적인 대책임을 확인하여, 계류삭, 방충재의 강도를 변경하고 추가 계 류 돌핀 사용을 제안하는 연구를 수행하였다.
Molen and Wenneker(2008)는 파랑의 회절, 굴절, 반사에 상응하는 항내 계류 된 선박의 선체운동의 정확한 수치 모델링을 위해 항구의 특성과 수심 측정법 및 접안선박의 선형에 대한 연구를 수행하였다. 특히 Boussinesq 유형의 파랑 모델과 시계열 모델의 조합을 개발 및 적용하여, 2차 표류력을 포함하는 파랑 과 계류선박에 미치는 선체운동량을 측정·검증하였다.
Otto et al.(2009)은 LNG선의 안전한 계류를 위한 환경조건을 설정하기 위해 유체역학 스케일 모델 테스트와 컴퓨터시뮬레이션을 결합한 연구를 수행하였
다. 유체역학 스케일 모델 테스트에서 부두의 수심과 파랑조건을 모델링하고 일정한 풍력을 선박에 적용하여 계류선박의 움직임을 분석하였다. 또한, 계류삭 과 방현재의 하중을 평가하는 시뮬레이션을 사용하여 테스트 결과를 보정하였 고, 수치 모델을 이용하여 부두 유역에서 테스트한 모든 환경 조건과 전체 선 박에 대한 바람의 영향을 정량화하였다.
R. Santos(2014)는 외부 해역에 노출된 항구의 터미널에서 접안선박의 선체운 동을 최소화하고 터미널 운영 및 보안 상태를 개선하기 위해 계류안전성 시뮬 레이션을 수행하였다. 그 결과 계류선박과 방충재 간 상호작용의 중요성을 확 인하고, 포르투갈의 모델항만 선정 및 수치실험으로 계류선박의 선체응답을 분 석하여, 방충재와 접안선박 사이의 마찰력은 계류된 선박의 동적시스템에 추가 감쇠를 제공하는 것으로 확인되었다.
이와 같이 국내·외에서 바람, 파랑, 장주기파, 쓰나미 등 다양한 환경외력에 따른 접안선박의 계류안전성, 선체동요량 및 하역한계파고 등을 산정하고, 계류 저감 요소를 분석하여 항만가동률을 향상시키고자 하는 연구가 지속적으로 수 행되고 있다. 그러나 부두시설 중 마루높이 변화와 지구온난화로 인한 해수면 상승 조건을 반영한 접안선박의 계류안전성 평가 연구는 아직 수행되지 않고 있다.
2) 부두 계류시설 개선 연구
부두 계류시설의 연구는 항만 및 부두 설계 관련 기초 연구를 토대로 국내·
외 정부기관에서 설정한 각국의 설계기준에서 자연환경 및 계류선박의 변화에 따른 개선안을 제안하는 방향으로 수행되고 있다. 특히 계류시설 중 선석 길이, 계선주, 방충재, 하역설비 등의 환경외력에 따른 적정성 분석에 관한 연구는 국 내·외에서 지속적으로 수행되고 있다.
강석진(2013)은 국내·외 돌핀부두의 설계기준 및 지침을 분석하고, 전 세계 에서 운항 중인 탱커의 선형특성을 분석하여 선박계류의 관점에서 국내 돌핀부 두의 실태를 조사하였다. 이를 특정 돌핀부두에서 설계에 적용한 사례를 중심
으로 설계기준에 대한 평가와 기존 시설물에 대한 합리적인 운영방안 및 설계 의 개선안을 제안하였다.
원승환 등(2015)은 선박이 대형화됨에 따라 부두 및 선석에 요구되는 수심의 확보, 선석 길이의 증가, 하역장비 사양의 변화, 하역 생산성의 향상 등의 문제 점을 도출하였다. 또한 최근 부산항에 입항하였던 선박 자료를 조사하여 부산 항의 대형 선박 입항 현황을 파악하고 미래의 상황을 추정하여, 부산항의 현재 선박 수용 환경을 토대로 선박 대형화가 보다 가속화될 미래에 대형선박의 수 용 가능 여부를 분석하였다. 이를 토대로 컨테이너선 대형화에 따른 부산항의 대응 방안으로 입출항 해협 및 안벽전면의 수심 확보를 통한 접안 조건의 개 선, 선박 길이의 증가에 따른 선석의 재배치, 선폭 증가에 따른 하역장비 사양 의 변화, 선박의 평균 처리량 증가에 대비한 생산성의 혁신 등을 제시하였다.
조익순(2017)은 외력에 의한 계류선박의 거동해석 및 계류시스템 제어를 위해 대학 내 전용부두에 계류 중인 실습선을 대상으로 계류안전성을 평가하였다.
계선주에 작용하는 최대견인력을 분석한 결과 해당 위치에 설치된 지 약 30년 이 넘은 노후화된 소형 계선주에 다수의 계류삭을 체결함으로써 모든 평가 케 이스에서 계선주 허용규격을 초과하는 것으로 분석되어 안전을 위해서는 계선 주의 용량을 상향 조정할 필요가 있는 것으로 분석되었다. 계류시스템 제어를 위한 판단기준이 되는 풍속, 파고 및 파주기 등의 주요 외력조건별 리스크 매 트릭스(Risk Matrix)를 작성하였으며, 이를 통해 본선의 대응매뉴얼 또는 위기관 리 데이터베이스로 활용 가능할 것으로 분석되었다.
이와 같이 접안선박의 계류안전성 향상을 위해 계류시설 개선 관련 연구는 지속적으로 수행되고 있으나, 부두 계류시설 중 마루높이를 선정하여 마루높이 상향에 따라 접안선박의 특성별로 계류삭, 계선주 등 계류시스템의 민감도를 분석하고, 마루높이 설계기준의 개선방안을 제안한 연구는 아직 수행되지 않고 있다.