해성 모래지반에서 Drag Embedment Type Anchor Model의 파지 운동 및 파지력에 대한 실험적 연구이재훈1,† ․서병천1 ․신현경1

울산대학교1

Experimental Study of Embedding Motion and Holding Power of Drag Embedment Type Anchor (DEA) on Sand SeafloorJae-hoon Lee1,† ․ Byoung-cheon Seo1 ․Hyunk-young Shin1University of Ulsan1

AbstractAs larger the commercial vessel is, and rougher the marine environment becomes nowadays, drag embedment type anchor (DEA) of

more stable performance and higher holding power is requested to be applied on the vessel. But, the performance of DEA has not

become well known to academy and industries so far, that the basic study of DEA performance and holding force for the development

of new DEA of higher performance is insufficient that required. In this paper, three types of same holding category DEA model (HALL,

AC-14, POOL-N, scale 1/10), which are generally applied on the commercial vessel nowadays, were tested by being horizontally

dragged on the test tank, on which sand was being floored with sufficient depth, and measured the holding force of each anchor

simultaneously using load cell and D/A converter. With the test results, the embedding motion was analyzed to have three different

stages and the holding force of each anchor was analyzed with respect to the anchor geometry, such as shape and weight of each

type of anchors, and final embedding depth.

Keywords : Anchor(앵커), DEA(Drag Embedment Anchor), Holding power(파지력), embedding motion(파지운동)

1. 서 언선박 및 해양 구조물의 계류를 위하여 사용되는 anchor 중

가장 효율적인 방식의 하나인 drag embedment type anchor는 wedge 형상의anchor fluke가 해저지반을 파지해 들어가는 파지운동을 통하여 fluke 위에 쌓인 토양의 무게를 이용하여 계류 시 필요한 장력을 얻는 방식이다.

근래에 들어 선박의 대형화와 함께 해상 환경의 변화에 따라 선박 계류 시 보다 큰 파지력과 안정적인 파지능력을 가진 anchor의 적용이 요구되고 있으나, anchor의 선택이 의장수에 따른 등급 결정과 같은 전통적인 방법에 의존하고 있으며, 최근에 이루어지고 있는 대부분의 anchor 관련 연구가 해양 구조물의 심해 계류에 국한되어 있어 선박용 drag embedment type anchor의 형상 및 해저 지질에 따른 파지 운동에 대한 기본적인 이해가 부족한 실정이다.

본 연구에서는 일반 상선에서 주로 사용되는 3가지 type의 anchor (HALL, AC-14, POOL-N)의 모형을 이용하여 해성 모래 지반과 동일한 조건에서 파지 운동을 실험해 봄으로써 각 anchor가 가진 형상 특성과 파지 운동의 상관관계를 분석하였다.

2. 실험 시설 및 방법2.1 모형 앵커

Fig. 1 HALL(JIS) type : 9350Kg (KS, 2006)

접수일 : 2010년 9월 20일 승인일 : 2011년 3월 8일 † 교신저자 : leejaehoon@hhi.co.kr, 052-202-3765

Vol. 48, No. 2, pp. 183-187, April 2011

DOI : 10.3744/SNAK.2011.48.2.183

대한조선학회논문집

Journal of the Society of Naval Architects of Korea

해성 모래지반에서 drag embedment type anchor model의 파지 운동 및 파지력에 대한 실험적 연구

184 대한조선학회논문집 제48 권 제2 호 2011년 4월

Fig. 2 AC-14 (H.H.P.) type : 6975Kg (KS, 2006)

Fig. 3 POOL-N (H.H.P) type : 6975Kg (SEC,2010)본 실험에는 국내 조선소에서 anchoring mock-up test 시

사용하는 길이 비 1:10의 모형 anchor 중 동급의 의장수에 적용되는 위의 세가지 type의 모형 anchor(HALL, AC-14, POOL-N type)를 이용하였다.

2.2 실험 장치

실험에 사용한 수조(2000x600x500mm, LxBxH)는 일반적으로 수족관에 사용하는 F.R.P. 재질의 frame 및 유리로 제작된 수조로 철재 앵글로 추가적인 보강을 하였으며, load cell (200kgf, output 2.0±0.005 mV/V)과 속도 조절이 가능한 전동 윈치(180kgf)를 wire rope를 사용하여 각 anchor 모형과 연결하여 실험하였다.

실험에 사용된 모래는 동해안에서 일반적으로 생성되는 해성 모래로서 USCS(Unified Soil Classification System) 기준 상 “SW (well graded sand)” 에 해당하는 석영질 모래 (calcareous sand) 를 사용하였고, 이 때 사용된 모래 입자 크기는 0.074mm ~ 2mm에 해당된다.

Fig. 4 Test device

3. 실험 결과각 모형 anchor의 파지력을 동일한 조건에서의 반복 실험을

통하여 측정한 결과를 평균값으로 표현한 결과는 Fig. 5와 같다.

Fig. 5 Test result실험 결과 값은 Figs. 6 ~ 8 같이 2차 다항식으로 추세선을

형성하여 근사값을 추정하였다.

Fig. 6 Test result (HALL, 9350Kg)

이재훈 ․서병천 ․신현경

JSNAK, Vol. 48, No. 2, April 2011 185

Fig. 7 Test result (AC-14, 6975Kg)

Fig. 8 Test result (POOL-N, 6975Kg)

4. 고찰4.1 Anchor의 파지 운동 분석

Fig. 5를 보면, 초기 fluke의 penetration 시 완만하게 파지력이 증가하다, fluke가 최대 각도에 이르는 시점에 급격히 파지력이 증가하게 되고, 이후 anchor의 embedment에 따라 최대 파지력에 수렴해 감을 측정된 파지력과 육안으로 확인되는 anchor의 파지운동을 통하여 확인할 수 있다.

이를 통하여 anchor의 파지 운동은 다음의 세 단계로 구분할 수 있다.

- 1단계 : 초기 파지 운동에서는 anchor crown head 끝단부의 tripping palm에 작용하는 모래에 의한 항력과 fluke의 자중에 의해 anchor fluke에 회전력이 작용하여 fluke가 hinge를 기준으로 회전하며 파지를 하게 된다.

- 2단계 : 회전하던 fluke가 최대 각도가 되면 fluke에 모래에 의한 항력이 작용함에 따라 anchor pin point를 기준으로 anchor 전체가 모래 속으로 회전하며 파지를 하게 된다.

- 3단계 : anchor의 파지가 깊어짐에 따라 anchor shank에 작용하는 상방향 항력이 증가하게 되고 fluke에 작용하는 하방향 항력과 서로 같아지는 힘 평형 상태에 이르게 됨에 따라 파지 깊이가 일정한 상태가 지속되며 이 단계에서 각 anchor는 최대의 파지력을 가지게 된다.

Fig. 9 Embedment of each type of anchors

Fig. 10 Simplified model of anchor embedment4.2 Anchor의 파지력 분석

기존의 선박용 anchor 파지력 계산은 anchor 중량x파지력 계수로 구했으나, 이 계산식에는 각 anchor의 형상 특성 및 지질 특성에 따른 파주 깊이 등에 대하여 고려하지 않고 있다.

해양 구조물의 계류용 anchor 파지력 계산식은 Carchedi(1984)의 실험에 따르면 아래와 같다.

F = AγdN (1)A : Fluke Aread : Fluke depthN : Bearing capacity factor

각 anchor의 파지력 실험 결과 및 위의 파지 운동 분석을 통해, 초기 1단계에서의 파지력은 기존 선박용 anchor 파지력 계산식과 같이 anchor의 중량에 비례함을 확인할 수 있으며, 2단계에서의 파지력은 해양 구조물 계류용 anchor 파지력 계산식과 같이 파지 깊이에 비례함을 알 수 있다.

해성 모래지반에서 drag embedment type anchor model의 파지 운동 및 파지력에 대한 실험적 연구

186 대한조선학회논문집 제48 권 제2 호 2011년 4월

아래 Fig. 11과 같은 해양구조물 계류용 anchor의 경우, 형상적으로 보았을 때 본 실험에 사용된 선박 계류용 anchor와 다음의 두 가지 상이한 점을 가지고 있다.

첫번째, fluke가 shank에 고정되어 있어 Tripping palm이 필요가 없으며 이에 따라 fluke의 파지 능력이 좋다.

두번째, shank의 두께를 줄여 모래와의 항력을 최소화시킴으로써 anchor의 파지 깊이가 선박용 anchor에 비해 크다.

Fig. 11 Example of offshore anchor (Stevpris Mk.6, Vryhof)또한, 아래 Fig. 12와 같이 선박용 anchor의 경우 해양구조물

계류용 anchor에 비해 파지 깊이가 적어 상대적으로 해저 지면 상부로 적층되는 모래의 높이가 큰 영향을 미친다. (Neubecker 1996, development of soil heave)

Fig. 12 Development of soil heave (Neubecker, 1996)Fig. 5의 파지력 실험 결과를 단순화하면 아래의 Fig. 13과

같이 나타낼 수 있다.

Fig. 13 Simplified curve of drag force

실험을 통하여 계측한 결과값은 Table 1과 같다.

Table 1 Measured dataTYPE F1 (Kg) F2 (Kg) θ2

HALL 9350 15.4 43.7 8°AC-14 6975 11.8 49.6 12°

POOL-N 6975 14.2 46.5 4° 각 anchor의 형상과 실험 결과를 비교해 보기 위한 anchor의

형상값은 Table 2와 같다.

Table 2 Dimension of anchorTYPE W Lf Af Ls θ1

HALL 9350 10.7 179 229 339 42°AC-14 6975 8.6 188 283 305 35°

POOL-N 6975 7.0 176 391 284 42°

W : Weight of anchor (Kg)Lf : Length of fluke (mm)Af : Area of fluke (mm2)Ls : Length of shank (mm)θ1 : Max. angle of fluke

Fig. 14 anchor geometry

실험한 결과 anchor fluke 상부로 적층되는 모래의 높이 (development of soil heave)는 아래와 같이 파지된 anchor fluke면과 평행하게 수렴됨을 확인하였다.

Fig. 15 Development of soil heave

이재훈 ․서병천 ․신현경

JSNAK, Vol. 48, No. 2, April 2011 187

신 현 경 이 재 훈 서 병 천

따라서, 실험결과는 식 (2)와 (3)으로 유도할 수 있다.

F1 = N1W (2)F1 : holding force (1st stage)N1 : coefficient of holding force (1st stage)W : anchor weight

F2 = AfγdN2 (3)F2 : holding force (2nd stage)Af : Area of fluked : depth + soil heave = 2 Lf sin(θ1- θ2) + Ls sin θ2N2 : coefficient of holding force (2nd stage)γ = ρ g = 19.81ρ = e x ρwater + (1-e) ρsand (e=0.4, ρ sand=2.7)

Table 3 Coefficient of holding powerTYPE N1 N2

HALL 9350 1.44 0.037AC-14 6975 1.37 0.039

POOL-N 6975 2.03 0.024

4.3 실험 결과 비교본 실험 결과를 미국 NCEL(Naval Civil Engineering Laboratory)

의 자료와 비교한 결과 Fig. 16과 같이 Stockless 35° fluke anchor의 파지력에 유사한 값을 갖는 것을 확인할 수 있으며, 이를 통하여 모형 anchor의 실험 결과와 실제 anchor의 파지력 값에는 동일한 scale을 적용할 수 있음을 확인할 수 있다.

Fig. 16 anchor holding capacity (NCEL, 1987)

5. 결언본 실험을 통하여 아래와 같은 결론을 얻었다.- 초기 파지력(F1)은 anchor의 무게에 비례하며 형상적인

관점에서 tripping palm 및 fluke의 면적이 넓은 POOL-N type 에서 큰 파지력 계수를 갖는다.

- 최대 파지력(F2)은 anchor fluke의 파지 깊이와 fluke area 에 비례하며, 형상적인 관점에서 fluke의 파지 깊이 및 모래의 적층 높이는 fluke angle과 상관관계를 갖는다.

- Conventional type인 HALL type의 경우, 중량 대비하여 fluke area가 상대적으로 작음으로 인하여 파지 후 fluke위에 적층된 모래에 의한 파지력이 작다.

- 고파지력(high holding power) type인 AC-14 type과 POOL-N type의 경우 초기 마찰력은 거의 동일하나 fluke angle 이 상대적으로 작은 AC-14 type이 깊게 파지함으로 인하여 더 큰 파지력을 갖는다.

위와 같은 결론은 기존 DEA보다 높은 파지력을 가진 anchor의 형상을 고려함에 있어 중요한 단초를 제공해 줄 것으로 기대된다.

또한, Anchor의 파지력과 관련하여 기존 여러 가지 방식으로 실험 및 해석 등의 연구가 있었으나, 실제 anchor를 이용한 파지력 실험은 기간과 비용이 과다하게 요구되는 반면 이와 같은 모형실험을 통하여 새로운 고파지력 anchor를 개발함에 있어 기존 anchor와 파지 운동 및 파지력을 용이하게 비교 검증할 수 있는 토대가 마련되었다는 것이 본 실험의 가장 큰 의의라 할 수 있다.

참 고 문 헌

S. R. Neubecker and M. F. Randolph, 1996. The kinematic

behavior of drag anchors in sand Can. Geotech. J. 33 : 584-594.

S. R. Neubecker and M. F. Randolph, 1996. The static equilibrium of drag anchors in sand Can. Geotech. J. 33 : 574-583.

Vryhof Anchors, 2010, Vryhof anchor manual. http://www.vryhof.com/anchor_manual.pdf.Naval Civil Engineering Laboratory (NCEL), 1987. Drag

embedment anchors for navy moorings. Techdata Sheet Rep. No. 83-08R.

KS V 3311, 2006, “앵커”, 한국표준협회.