1. 서 론
항로표지는 해상 교통안전을 확보하기 위한 필수 기반 시설로, 선박의 위치, 항로, 장애물 존재를 안내하는 중요한 역할을 수행한다. 항로표지 중에서도 등부표는 해저에 침추를 설치하여 해수면상에 부유하여 주요 항로에서 항행 안전을 보조하는 시설이다. 해상에 설치된 등부표의 움직임이 클 경우 등명기 발사각의 변화로 광원의 시인성이 감소할 수 있으며, 통신장비의 가시선의 변화로 안정적인 통신을 방해할 수 있어 항로표지의 기능을 수행하기 위하여 안정적인 복원력과 운동 거동 특성을 요구한다. (Park, 2013)
해양 4차 산업의 발달과 자율형선박 및 무인항만의 등장으로 기존의 항로표지 역할에 ICT 기술을 융합하여 다양한 해양정보를 수집·공유하고 안전항해 서비스를 제공하는 차세대 항로표지 개발이 요구되고 있다. 다양한 해양정보 수집 및 정보 서비스 제공을 위해서는 안정적인 통신환경 확보와 다양한 장비가 안정적으로 운영되어야 하며, 이를 위한 표체의 안정적인 운동 거동 특성이 더욱 강조된다. 표준형 등부표 중 LANBY는 외해와 항만 진입부에 설치되어 강한 파랑, 조류, 풍속, 선박이동에 의한 너울 등의 외력에 영향에 노출되어 있으며, 반복적인 외력과 부식, 충돌 등에 의한 구조 손상에 의한 침수 및 부력 저하가 발생할 수 있다. 또한 설치 및 유지보수 과정에서 작업자의 접근성이 떨어지고 무게로 인한 항로표지 교체·점검의 어려움 등 운용 효율성 측면에서도 개선이 요구된다. 따라서 해상 환경 변화에 능동적으로 대응하면서 구조적 안정성과 내구성을 향상시킬 수 있는 대형 등부표의 설계 기술 개발이 필요하다.
등부표의 복원력 및 안정도 평가는 해양수산부의 항로표지 업무편람에서 제공하는 (등)부표의 설치 및 안정계산을 통하여 평가한다. 그 외에도 SolidWorks, ANSYS 등 상용 프로그램을 이용하여 응력과 변형률 분포를 계산하거나, 유체-구조 연성 해석을 통해 파랑 조건에 따른 운동 응답을 평가하는 연구들을 수행하고 있다.(Jeong, 2017)
그러나 이러한 연구 대부분은 시뮬레이션 기반의 결과에 머물러, 실제 제작된 시제품의 물리적 검증이나 실해역 기반의 동적 안정성 평가는 충분히 이루어지지 않았다.(Kim, 2020) 또한 기존 등부표 설계는 내구성보다는 단기 운용 중심으로 구성되어 있어, 극한 환경에서의 구조 피로, 복원 특성의 장기 변화, 기울기 안정성에 대한 검증이 부족하였다. 따라서 실제 제작과 해상 설치, 그리고 실측 데이터를 활용한 실증 기반의 연구를 통해 이론적 해석과 실제 거동 간의 일치성을 평가할 필요가 있다. 특히 ICT 장비가 다수 탑재되는 스마트 항로표지의 경우, 장비 중량 증가와 상부 구조 변화로 인해 기존 설계 기준만으로는 장기 운용 안정성을 충분히 설명하기 어려운 한계가 존재한다.
본 연구에서는 이러한 한계를 보완하기 위해 스마트 대형 등부표를 직접 설계·제작하고, 구조 강도 해석과 수치 모형 시뮬레이션 및 실해역 검증을 수행하였다. 등부표는 이중 밀폐형 챔버 구조를 적용하여 외부 손상 시에도 부력을 유지하도록 하였으며, 하부 리브 보강 설계를 통해 충격 하중에 대한 내구성을 강화하였다. 또한 모듈화된 내부 구성을 통해 유지보수 및 작업 안전성을 향상시켰다. 해석 단계에서는 SolidWorks를 이용한 구조강도 해석을 통해 응력과 변형률 분포를 확인하였고, ANSYS-AQWA 기반 수치모형 해석을 통해 파랑 및 조류 조건에서의 복원 거동을 분석하였다. 더불어, 실해역에 설치된 시제품으로부터 수집된 기울기 데이터를 분석하여 실제 해상 환경에서의 안정성을 검증하였다.
2. 스마트 대형 등부표 설계
2.1 기술분석 및 요구사항 도출
항로표지는 해상 교통의 안전을 확보하기 위해 설치되는 주요 시설로, 등명기·전원부·통신장치·부력체 등으로 구성된다. 그러나 기존 대형 등부표는 구조적·운영상 여러 한계점을 지니고 있다. 우선, 단일 챔버 구조로 인해 충돌이나 파손이 발생할 경우 내부가 침수되어 부력 손실이 발생하며, 심한 경우 침몰로 이어질 수 있다.(Moon, 2020) 또한, 축전지와 제어부가 정기 점검 및 교체 시 작업자 안전 문제를 초래한다. 이러한 문제를 해결하기 위해 본 연구에서는 기존 등부표의 구조적 한계를 분석하고, 이를 기반으로 스마트 대형 등부표의 핵심 요구사항을 다음과 같이 도출하였다. 첫째, 외부 충격이나 손상이 발생하더라도 침몰되지 않도록 다중 밀폐 챔버 구조를 적용하여 부력을 이중 확보한다. 둘째, 태양전지, 축전지, 통신모듈을 각각 독립된 모듈로 구성하여 유지보수가 용이하도록 설계한다. 셋째, 해상 작업자의 안전을 고려하여 상부 인양고리 및 안전 사다리를 보강하고, 높이를 개선한다. 이러한 요구사항은 ICT 융합형 항로표지의 기술적 방향성과 부합하며, 향후 실시간 해양데이터 수집·공유를 위한 기반 기술로서의 역할을 수행할 수 있다.
2.2. 스마트 대형 등부표 설계
제2.1장에서 도출된 요구사항을 반영하여, 본 연구에서는 밀폐형 이중 챔버 구조의 스마트 대형 등부표를 새롭게 설계하였다. 전체 구조는 상부 마스트부, 중간 제어·전원부, 하부 부력체로 구성된다.
Fig. 1은 설계된 스마트 대형 등부표의 3D 형상도이며, 등부표 외부의 형상 배치를 나타낸다. 상부에는 태양전지와 NB-IoT 안테나, 중간에는 배터리 및 제어부, 하부에는 부력체가 위치한다.
상부 마스트부 및 중간 제어·전원부는 작업자 안전 개선을 위하여 지방해양수산청의 대형 등부표 관리담당지의 의견을 수집하였다. 기존 LANBY 계열 등부표의 항로표지 기능을 유지하면서 작업 시 표체 롤링에 따른 안전성 저하를 최소화하기 위해 상부 마스트 높이에 대한 재검토를 수행하였다. 등명기 설치 높이는 지리학적 광달거리 산출식 d=2.083(H+h)를 적용하여 검토하였으며, 여기서 ℎ는 고시 기준에 따라 5m로 설정하였다. 계산 결과, 지리학적 광달거리 9NM 및 11NM에 대해 요구되는 등고는 각각 4.35m와 9.27m로 산정되었다. 본 설계에서는 LANBY-100 목표 규격을 기준으로 9 NM급 등명기 사용을 기본으로 하되, 최대 11 NM까지 대응 가능한 설치 높이를 반영하여 흘수 선 1m 위로 해서 10m로 적용하여 항로표지 기능과 작업 안전성을 동시에 만족하도록 하였다.
하부 부력체의 밀폐형 구조는 내부 부력을 유지하는 핵심 요소로, Fig. 2의 단면도에서 확인할 수 있듯이 내부를 용접형 방수 챔버로 구성하여 외부 파손 시에도 침수되지 않고 안정적으로 부력을 유지한다. 기존 LANBY에서 시멘트 중추를 철중추로 중심을 유지하도록 한다.
설계된 등부표의 복원력은 해양수산부에서 제공하는 안정도 계산을 활용하여 검토하였다. 이를 식으로 나타내면, 부력 중심(B)과 중량 중심(G)의 상대적 위치 관계를 고려할 때 복원 높이(GM)는 다음 식(1)로 계산된다.(Kim, 2015;Kim, 2020)
여기서 KB는 부력 중심까지의 거리, BM= 1 V
본 설계에서의 복원 정수(GM)값은 6.087m로 산정되었으며, 경사각이 작은 작은 구간(θ ≤ 10°)에서는 GM이 거의 일정하게 유지되어 안정적인 복원 특성이 나타낸다. 이를 기반으로 복원모멘트 MR=W x GM x sinθ를 적용하여 스마트 대형 등부표와 기존 LANBY-100 표준형 등부표의 안정성을 비교하였다.
스마트 대형 등부표의 경우, 중량 W = 79,602.02 kgf, GM=6.087 m를 적용하고 θ=10°에서 계산된 복원모멘트는 식(2)와 같다.
반면, LANBY-100 표준형 등부표의 경우, 중량 W = 101,389.8 kgf W=101,389.8kgf, GM=4.407m를 적용하면 동일 조건에서의 복원모멘트는 식(3)와 같다.
3. 구조 강도 해석 및 안정성 검증
3.1 구조 강도 해석
본 연구의 구조 강도 해석은 고중량의 스마트 대형 등부표가 육상에서 장기간 거치될 때 표체 하판에 집중되는 하중으로 인해 발생할 수 있는 항복강도 저하, 국부 변위 및 변형 가능성을 평가하고 이를 설계 단계에서 검증하는 데 목적이 있다. 특히 미통부(철중추)는 등부표 전체 중량을 직접 지지하는 핵심 구조로서, 육상 보관 시 자체 하중을 안정적으로 견딜 수 있는지와 더불어 해상 운영 중 파랑·조류 등 외력에 의해 구조적 변형이 발생하지 않는지에 대한 검토가 필수적이다. 따라서 미통부와 하판 구조에 대한 정적 강도 해석을 수행하여 최대 응력, 변위, 변형률이 설계 허용 기준을 만족하는지 확인함으로써, 스마트 대형 등부표의 전 주기(육상-해상)에 걸친 구조적 안전성을 확보하고자 하였다. 스마트 대형 등부표의 구조적 안전성을 검증하기 위하여 SolidWorks Simulation을 이용한 정적 구조 해석을 수행하였다. 해석 대상은 등부표의 부력체, 보강 리브, 플랜지 등 주요 구조부이며, 재질은 SS275 강재를 적용하였다. 재질 물성치는 항복응력 275MPa, 인장강도 410MPa, 탄성계수 2.1×10¹¹ N/㎡, 포아송비 0.26으로 설정하였다.
부력체 상면에는 실제 해상 운용 중 등부표에 작용할 수 있는 최대 외력을 모사하기 위해 수직하중 80,000 kgf을 균등 분포하중으로 부여하였으며, 하부 플랜지면은 계류 반력을 고려하여 고정 조건(Fixed Geometry)으로 설정하였다. 해석 모델은 고품질 혼합 메시로 구성하였으며 총 절점수 2,542,844개, 요소수 1,270,753개로 구성되었다. Fig. 4는 해석에 사용된 스마트 대형 등부표의 모델 형상과 경계 조건을 나타낸 것이다.
해석 결과, Fig. 4에 나타난 Von Mises 응력 분포에서 최대 응력은 7.02×10⁷ N/㎡(=70.2 MPa)로 확인되었다. 이는 SS275 강재의 항복응력(2.75×10⁸ N/㎡) 대비 약 25.5% 수준으로, 구조 안전율은 3.9 이상으로 계산되었다. 응력은 주로 하부 플랜지와 리브 접합부에서 집중되었으며, 보강 리브 구조가 응력 분산에 효과적으로 작용하여 국부적인 응력 집중이 완화된 것으로 나타났다. 따라서 외력 작용 시에도 구조적 파손 가능성은 매우 낮은 것으로 평가되었다.
Fig. 5은 등부표의 변위 및 변형률 분포를 나타낸 결과로, 최대 변위는 0.1946 mm로 확이되었으며, 또한 상단 변형률은 1.828×10⁻⁴로 확인되었다. 이는 구조적 허용 기준(변형률 0.001 이하)을 충분히 만족하는 수준으로, 하중 작용 시 구조체가 탄성 범위 내에서 안정적인 거동을 유지함을 의미한다. 변형은 주로 외력 작용점 근처의 플랜지 상단부에서 미세하게 발생하였으나, 전체 구조의 변위는 0.2595mm 이하로 매우 작은 수준이었다. 이러한 결과는 외력이나 충돌에 의한 미세 변형이 발생하더라도 구조의 강체성을 유지하며 복원이 가능함을 보여준다.
이와 같은 구조 강도 해석 결과를 토대로, 등부표의 실제 해상 거동 안정성을 검토하기 위해 복원모멘트(Metacentric Moment, MR분석을 추가적으로 수행하였다.
복원모멘트는 등부표의 중량 중심과 부력 중심 간의 관계를 고려하여 식(4)와 같이 정의된다.
여기서 W는 등부표 중량(79,602.02kgf), GM(6.087,) 그리고 θ는 기울기 각도 10°를 대입하여 복원 모멘트 MR로 계산되었다. 이는 표준 등부표 LANBY-100의 복원모멘트(77,590kgf • m)보다 약 10% 향상된 수치로, 최대 기울기 10° 구간에서도 GZ(복원성)이 선형적으로 증가하는 특성을 나타냈다. 이러한 결과는 파랑이나 선박 통과 시 발생하는 일시적인 기울기 상황에서도 등부표가 즉시 복원력을 발휘하여 원위치로 복귀할 수 있음을 의미한다.
이상의 결과를 종합하면, 해석에서 계산된 최대 Von Mises 응력은 70.2 MPa로 SS275 강재의 항복응력(275 MPa)에 대해 약 25.5%에 불과하였다. 즉, 재료가 항복하기까지 충분한 여유 응력 범위를 확보하고 있으며, 안전율은 약 3.92 이상으로 구조적 안정성이 확보되었다. 또한 최대 변위 0.1946mm와 최대 변형률 1.828×10⁻⁴는 모두 허용 기준(변형률 0.001 이하)을 충족하여 하중 작용 시 구조체가 탄성 범위 내에서 안정적인 거동을 유지함을 확인하였다. 따라서 본 연구에서 설계된 스마트 대형 등부표는 구조 강도와 복원 안정성 측면에서 항로표지 설계 기준을 충분히 만족하며, 실제 해역 적용 시에도 신뢰성 있게 운용될 수 있을 것으로 판단된다.
2.3 수치모형 해석 및 검증
스마트 대형 등부표의 해상 운동 특성과 계류 안전성을 정량적으로 검증하기 위해 ANSYS-AQWA 기반의 주파수 영역(응답진폭함수, RAO) 및 시간영역 해석을 수행하였다. 해석 모델은 실제 등부표의 형상을 기반으로 하였으며, 상부와 하부 부력부로 구성된 이중 밀폐형 구조로 모델링되었다. 내부는 배터리실과 전자장비실로 분리되어 있으며, 계류삭 및 침추의 실제 설계 제원을 동일하게 반영하였다.(Keum, 2009)
RAO 해석 결과인, Fig 6, Fig 7에서 등부표의 Pitch와 Roll 응답은 유사한 거동을 보였으며, 단위파고 1m 기준으로 각진동수 1.37rad/s 부근에서 5.11°/m의 최대 응답이 나타났다. 이는 설계 파주기(10s) 영역과 공진 구간이 이격되어 있음을 의미하며, 실제 운용 조건에서 과도한 동요 발생 가능성이 낮음을 의미한다.
간영역 해석은 두 가지 조건에서 수행하였다. 첫 번째로, Fig 8인 Extreme 조건(유의파고 5m, 파주기 10s)의 경우, heave 변위는 -2.7m에서 2.9m 범위로, Surge 변위는 약 11.0~15.0m 범위에서 안정적인 거동을 보였다. pitch 회전각은−6.1°~5.7°(최대 5.9°)로 나타나, 설계 기준값인 9.06° 이하를 충분히 만족하는 것으로 확인되었다. 동일 조건에서 계류삭은 최대 수평력은 약 145kN, 최대 수직력은 약 103kN으로 산정되었으며, 이는 체인의 절단하중(4,827kN)과 내력(3,380kN)의 약 3% 수준에 불과하다. 따라서 본 해석 결과 Extreme 해상 조건에서도 등부표의 자세 안정성과 계류계의 구조적 안전성이 충분히 확보된 것으로 판단된다.
두 번째로, Fig 9인 Normal 조건(유의파고 2.98m, 주기 10s)의 경우, Pitch 회전각의 최대값은 3.75°로 분석되었으며, 이는 설계 기준값인 9.06°의 약 41% 수준으로, 매우 안정적인 동적 응답 특성을 보였다. 동일 조건에서 계류삭의 최대 수평력은 17.5kN, 최대 수직력은 0.6kN으로 나타났으며, 이는 설계 허용치 대비 충분한 구조적 여유를 확보하고 있음을 확인하였다.
이상의 해석 결과를 종합하면, 설계된 스마트 대형 등부표는 유의파고 5 m, 주기 10 s의 극한 해상 조건에서도 최대 Pitch 회전각이 5.9°로 나타나, 설계 기준값인 9.06° 이하를 충분히 만족하였다. 아울러, 침추 요구 중량은 약 62ton으로 산정되어 계획 침추 중량(65ton) 대비 충분한 여유를 확보한 것으로 평가되었다. 따라서, 본 연구에서 제안된 스마트 대형 등 부표는 파랑, 풍속, 조류 등이 복합적으로 작용하는 실제 해상 환경에서도 우수한 구조적 안전성과 복원 안정성을 동시에 확보하고 있는 것으로 판단된다.
2.4 실해역 검증
본 절에서는 설계된 스마트 대형 등부표의 실제 해상 환경에서의 동적 안정성을 검증하였다.(Jeong, 2021; Kim, 2021) 실험은 전라남도 여수해만 중앙 A호 유도 등부표에 설치된 시제품을 대상으로 수행하였으며, 사용된 IMU 센서는 ±2 g(또는 ±10 g) 측정 범위를 갖는 MEMS 기반 3축 가속도 센서로, 16-bit ADC 및 DC-800 Hz의 주파수 응답 특성을 가지며, 등부표의 전체 운동을 대표할 수 있도록 상부 본체 내부의 구조 중심부에 고정 설치되었다. 수집된 데이터는 시계열 노이즈 제거를 위해 시계열 이상치 필터링 등을 적용하였다. 외부 환경조건(풍속, 기온, 수온, 파고)은 기상청 및 인근 해양관측소의 실측 데이터를 동일 시간대 기준으로 정렬·동기화하여 비교하였다.
분석 결과, 외부 환경 요인과 기울기 데이터 간의 상관계수는 전반적으로 낮게 나타났으며, 이는 기상 조건 변화에도 등부표가 안정적인 자세를 유지하고 있음을 의미한다. 특히 Spearman 상관분석 결과, 풍속과 기울기의 상관계수는 0.68, 기온 및 수온과의 상관계수는 각각 -0.36 및 -0.34로 나타나, 기울기 변화가 단기 외란(파랑·조류 등)에 국한되어 발생함을 확인하였다.
결과적으로 시뮬레이션과 실해역 데이터가 일관된 응답 경향을 보임으로써, 제안된 스마트 대형 등부표는 파랑, 조류, 풍속 등 복합 외란 조건에서도 안정된 운동 응답을 확보하였으며, 이는 실제 해역 운용 시에도 신뢰성 있는 구조적 안정성과 동적 응답 성능을 보장함을 의미한다.
또한, Fig. 11는 풍속 변화가 등부표 기울기 응답에 미치는 영향을 분석하기 위해 실측 풍속 데이터를 0~2 m/s,에서 10~15 m/s 등 구간으로 분류하고, 각 구간에서의 평균 기울기 분포를 박스플롯으로 비교하였다. 분석 결과, 대부분의 구간에서 평균 기울기는 약 2~3° 범위에 분포하였으며, 풍속이 증가하더라도 기울기 변화폭은 제한적으로 나타났다. 특히 풍속 10~15 m/s의 상대적으로 강한 조건에서도 평균 기울기는 3.0~4.2° 수준으로 유지되어, 바람 영향이 크지 않은 안정적인 응답 특성을 확인할 수 있었다. 이는 등부표의 복원모멘트가 외란 조건 변화에도 안정적으로 작용하고 있음을 보여주며, 수치모형 결과와도 일관된 경향을 나타낸다.
4. 결 론
본 연구에서는 기존 대형 등부표의 구조적 취약성과 운용상의 한계를 개선하기 위해 스마트 대형 등부표를 직접 설계·제작하고, 구조 강도 해석, 수치모형 시뮬레이션 및 실해역 검증을 단계적으로 수행하였다. 설계된 등부표는 이중 밀폐형 챔버 구조를 적용하여 외부 손상 발생 시에도 침몰되지 않도록 부력을 확보하였으며, 하부 리브 보강 및 모듈화된 내부 구성을 통해 내구성과 유지보수성을 향상시켰다. 구조강도 해석과 복원모멘트 분석 결과, 모든 조건에서 설계 기준을 충분히 만족하였고, Extreme 조건의 수치모형 시뮬레이션과 실해역 검증에서도 안정적인 복원 거동이 확인되었다. 특히 실해역 IMU 센서 데이터를 통해 복합 외란 조건에서도 등부표의 기울기 응답이 유지됨을 확인함으로써, 시뮬레이션 결과와 실제 해상 거동 간의 일치성을 실증적으로 검증하였다.
본 연구를 통해 스마트 장비 탑재로 인한 중량 증가 및 상부 구조 변화가 복원 안정성에 미치는 영향을 구조 해석-수치모형-실해역 검증의 단계적 접근을 통해 정량적으로 평가할 수 있음을 확인하였다는 점에서 기존 연구와 차별성을 가진다. 이는 기존 시뮬레이션 중심 연구에서 부족하였던 실제 제작 및 운용 단계에서의 안정성 검증 가능성을 제시한다는 점에서 의미가 있다. 또한 제안한 설계 및 검증 절차는 향후 스마트 항로표지의 표준 설계, 대형 등부표 교체 및 신규 설치 시 기술적 판단 근거로 활용될 수 있으며, 장기적으로는 데이터를 활용한 상태 진단 및 유지관리 기술로 확장 적용이 가능할 것으로 기대된다.
한편, 본 연구는 제한된 해역 및 관측 기간을 기반으로 실해역 검증을 수행하였다는 점에서 장기 피로 누적 효과나 극한 기상 조건의 반복 작용에 대한 분석에는 한계가 존재한다. 또한 계절별 해상 환경 변화와 장기간 운용에 따른 구조 응답 변화에 대한 추가 검증이 필요하다. 향후에는 장기 계측 데이터 확보와 피로 수명(fatigue life) 분석을 병행함으로써, 국가 표준형 대형 항로표지 설계 및 운영 기준으로 발전시킬 수 있을 것으로 기대된다.
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