5. 정적복원성 / 선박관련법과 관련기구

5.1.1 정적복원성(static stability)

1. 정적복원성

정수(still water) 중에서 수평상태(even keel)에 있는 배를 약간 횡경사시킨 경우, 배를 윈래의 직립위치로 복원시키려고 하는 모멘트, 즉 복원모멘트(restoring moment 또는 righting moment)가 발생하면, 배의 수평상태는 횡경사에 대해 안정하며(stable), 그 배는 횡동요에 대해 정적복원성을 가진다고 말한다. 이와 같은 복원성을 정적(static)이라고 하는 것은 운동하는 배와 유체의 속도, 가속도 등을 고려하여 배의 복원성을 논하는 것이 아니고, 변화된 상태(state)에서 배가 받는 수정압(hydrostatic pressure)에 기인하는 힘, 즉 정적인 힘만 고려하여 복원성을 논하기 때문이다.

선박의 횡경사에 대한 정적복원성을 평가하는 지표는 배의 중심(center of gravity)과 메타센터 사이의 거리, 즉 메타센터 높이(metacentric height) GM이다.

출처 : 네이버 블로그

물론 배의 종경사에 대해서는 종메타센터높이 GML이 그 지표가 된다. 위 그림에 보인 바와 같이 배가 오른쪽으로 Theta만큼 횡경사한 경우, 물에 잠긴 부분의 형상 변화에 따라 부심은 오른쪽으로 이동할 것이다. 이 때 배의 중량과 부력은 짝힘(크기는 같고 방향은 반대인 두 힘)을 이루며 모멘트를 발생시키는데, 이 모멘트의 방향은 중심 G가 메타센터 M보다 아래에 있느냐 또는 위에 있느냐에 따라 달라진다. G가 아래에 있는 경우, GM의 부호를 양으로 취하는데, 짝힘에 의해 생성되는 모멘트는 배를 원래의 상태로 되돌리려고 하는 복원모멘트가 되며, G가 위에 있는 경우는 그 반대가 된다. 복원모멘트의 크기는 배수량과 두 힘 사이의 거리

의 곱으로 주어지며, 이 때 GZ는 복원암(righting arm)이라고 부른다. 앞에서 보인 바와 같이 GM의 부호가 양일 때 정적복원성을 가지며, IMO는 선박의 안전을 위해 GM의 최소치에 대한 규정을 두고 있다. 한편, GM의 크기가 너무 커지면 횡동요의 주기가 짧아져 구조, 안락성 등의 다른 문제들을 야기할 수 있으므로 적절한 크기를 가지도록 해야 한다.

 

 

2. 경사시험(inclining test)

위에서 설명한 바와 같이 GM은 배의 정적복원성의 지표이며 배의 안전을 위해서 매우 중요한 값이므로 IMO는 길이 24m 이상의 배에 대해서는 건조 후, 경사시험을 수행하여 GM의 크기와 중심 G의 위치, 즉 KG를 확인하도록 정하고 있다. IMO는 경사시험의 절차 또한 통일된 방법으로 시행하도록 정하고 있으며, 아래에서는 경사시험과 관련된 원리에 대해 간단히 알아본다.

 

1) 시험방법과 원리

경사시험에서는 직립 상태의 배에서 무게 w를 알고 있는 물체를 배의 폭방향으로 일정한 거리 d만큼 이동시켜 그에 따라 발생하는 배의 횡경사 각도 세타를 계측한다. 배는 횡경사 시의 부심이 중심과 동일한 연직선 상에 올 때까지 경사할 것이므로, 새로운 중심의 위치 G'은 GG'=GMtan세타가 만족되도록 결정된다. 한편 물체의 이동에 의해 배에 가해진 모멘트는 wd이므로, 결국 다음 식이 만족됨을 알 수 있으며, 

따라서 GM에 대해 다음 결과를 얻는다.

한편 KM=KB+BM=KG+GM이므로 KG를 다음 식으로부터 얻는다.

 

 

해상 흘수에 대한 KB는 알고 있는 양으로 볼 수 있으므로, 결국 앞 절에서 메타센터와 관련하여 언급한 메타센터 반경 BM을 알면 KG를 구할 수 있다.

 

 

2) 메타센터반경

메타센터 반경을 구하기 위해서 배가 각도 세타만큼 횡경사한 경우에 대해 생각한다. 현측이 수직선에 가깝다고 하고 임의의 횡단면에 대해 생각하면, 횡경사에 따라 물에 잠긴 부분의 형상은 직립 상태에 비해서 삼각형 WOW'의 면적 a가 삼각형 U'OU로 이동한 것으로 볼 수 있다.

메타센터의 개념

따라서 이 횡단면에서의 형상 변화에 따라 부심은 두 삼각형의 도심을 연결하는 직선과 평행한 방향으로 도심 사이의 거리 delta만큼 이동할 것이며, 배 전체에 대해서는 이와 같은 각 단면에서의 영향을 길이방향으로 적분하면 되므로 결국 부심은 다음 식으로 주어지는 거리 beta만큼 이동할 것이다.

여기서 V는 배수체적이고, x축은 선수미 방향으로 잡으며, L은 수선간길이이다. b를 각 횡단면에서의 반복이라고 하면, 경사각 세타가 작은 경우, " WW'=UU'≒b세타 "로 볼 수 있으므로 주어진 횡단면에서의 삼각형의 면적 a=b^2 세타/2이고, 또 부심이 이동한 거리에 대해서는 BMsin세타 = beta = BM세타의 관계를 얻고, 두 삼각형의 도심 사이의 거리 delta = 4b/3로 근사할 수 있으므로 이들을 식에 대입하여 다음 결과를 얻는다.

 

 

여기서 I는 다음과 같이 정의되며

따라서 BM에 대해 다음 결과를 얻는다.

위의 식으로 정의된 I는 Aw를 수선면이라고 하면 다음과 같이 바꾸어 쓸 수 있다.

여기서 y는 폭 방향의 좌표이며, 이 식의 우변은 중앙종단면에 대한 수선면의 2차 모멘트의 정의이므로, BM=1/V식에 따르면, 현측이 수직에 가깝고 경사각이 작을 경우, 메타센터반경은 수선면의 중앙종단면에 대한 2차 모멘트 I를 배수체적 V로 나누어 얻을 수 있다.

 

 

3. 정적복원성 곡선(static stability curve)

앞에서 설명헌 바와 같이 선박의 횡경사 시 정적복원모멘트의 크기는 배수량과 복원암 GZ=GMsin세타의 곱으로 주어지며, 횡경사각의 변화에 따른 복원람의 변화를 나타낸 곡선을 정적복원성 곡선이라고 한다. 정적복원성 곡선의 경사각 0º에서의 기울기는 GM이며, 복원암 GZ는 경사각이 증가함에 따라 서서히 증가하여 최대치에 달하고, 경사각이 더욱 증가하면 비교적 급격히 감소하여 영이 된다. 복원암이 영이 되는 경사각을 복원암 소멸각이라고 하는데, IMO는 정적복워넝 곡선 아래의 면적의 크기, 복원암 소멸각에 대한 하한 등을 정하여 선박의 안전을 도모하고 있다.

 

 

4. 복원성 교차 곡선(cross curves of stability)

복원성 교차 곡선은 일정한 경사각도에서의 복원암을 배수량의 함수로 나타낸 곡선으로 6~7가지의 경사각도에 대한 곡선들을 포함한다. 복원성 교차 곡선을 얻기 위한 계산을 수행할 때, 배의 무게중심의 위치, 즉 KG는 일정한 값으로 가정되며, 이 값은 반드시 표시해 주어야 한다.

 

 

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5.2 선박 관련법과 관련 기구

5.2.1 선박 관련법

선박은 육상의 수송체와는 달리 물 위에서 외부의 직접적인 도움 없이 항해해야 하므로, 여러 가지 어려운 상황이 발생할 수 있는 가능성이 상존한다. 따라서 여객, 승무원, 화물과 선박 자체의 안전을 위해 적절한 여유를 가지는 법적인 기준을 정하여 선박의 설계, 생산에 반영하고 있다. 다음 표에 이와 같은 법규에 대해 간단히 정리하였다.

	법규명	중요한 내용
선박법	선박법	우리나라 선박의 특권 및 의무에 대한 법
	선박적량측도법	용적 측정의 방법을 정한 법
안전법	선박안전법	선체, 기관, 설비의 일반적 안전에 대한 법
	동 시행령규칙	선박안전법의 구체적 시행규칙
	선박복원성규칙	선박이 갖추어야 할 복원성의 기준에 대한 규칙
	선박만재흘수선규정	만재흘수선의 표시를 필요로 하는 선박의 구조 및 설비와 그 결정에 대한  규정
	선박구획규정	구획의 설치와 관련된 선박의 구조 및 설비에 대한 규정
	선박방화구조규정	선박의 방화구조 및 설비에 관한 기준을 정한 규정
	어선특수규정	어선의 설비, 구조를 규정

안전법	선박설비규정	선박이 갖추어야 할 구명, 소방, 거주, 위생, 항해, 특수화물, 전기 등의 제반설비, 부속에 대한 규정
	강선구조규정	강선의 선체구조에 대한 규정
	목선구조규정	목선의 선체구조에 대한 규정
	소형선박 및 안전규칙	소형선의 내항성 및 안전을 위한 제반 설비 규칙
	선박기관 규칙	선박의 기관에 대한 규칙
선원, 직원법	선원법	선박의 승무원 조업기준을 정한 법
	선박직원법	선박에 승선할 수 있는 자격에 대한 법
	해난심판법	해난의 원인을 밝히기 위한 심판에 대한 법
항해	해상충돌예방법
	항로표지법

항해	수난구조법
	수로안내법
	해상오염방지법	해상오염방지를 위한 기름 배출 기준과 관련 조치에 대한 법
항만	항만법	항내에서 선박 교통안전과 정돈에 대한 법
	관세법	관세의 부과 및 징수 또는 화물의 수출입 수속, 출입항 수속에 필요한 사항에 대한 법
	톤세법	국제무역에 조아하는 선박의 입항 시 부과, 징수하는 톤세에 대한 법
	검역법	전염병, 병원체의 국내 침입을 방지하기 위한 조치에 대한 법

 

 

5.2.2 선급(classification society)

고대 로마 그리스 시대부터 선박 관련 보험이 있었으나 근대적인 의미의 보험 및 선박의 등급을 정하기 위한 제도는 17세기 이후 해운업 및 보험업자들을 중심으로 영국에서 발달하였다. 영국선급인 LR(Lloyd's Register)은 1760년 런던에서 설립되었으며, 현재까지도 고유의 업무, 즉 자국선과 타국선의 검사 및 감독 업무를 수행하고 있다.

한국선급(KR, Korean Register of Shipping)은 1960년 설립되었으며, 선박안전 시행규칙에 따라 인가된 재단법인이다. 한국선급은 선박의 등급을 정하고 관리하는 전문기술 용역단체라고 말할 수 있으나 정부의 업무를 일부 위임받아 대행하고 건조 과정의 감리 역할과 연구개발 등을 수행하고 있다.

 

 

 

5.2.3 국제해사기구(International Maritime Organization, IMO)

1. 성립과 기능

국제연합(UN)의 경제 사회 이사회(Economic and Social Council) 내 전문 자치기구(WTO, WHO, UNESCO 등) 중의 하나로서 해운, 조선 등 국제해사 문제를 취급하며 각국의 정부만이 회원이 될 수 있는 정부 간 기구이다. 1948년 국제연합 해사 회의에서 정부 간 해사 자문기구(Inter-governmental Maritime Consultative Organization, IMCO) 설립을 위한 협약이 채택되었으며, 1959년 런던에서 첫 번째 회의를 가졌다. 1982년 국제적 업무의 추세에 부응하여, 기존의 자문적인 기능에서 강행적인 기능으로 전환하여 국제해사기구(IMO)로 개칭하였다.

IMO는 '깨끗한 해상에서 안전하고 효율적인 해운(safe, secure and efficient shipping on clean ocean)'이라는 기치 아래 해운에 영향을 미치는 정부 규칙 및 실무분야에 있어서의 제반 기술사항에 대한 정부 간 협력을 도모하고, 해사안전 및 해양오염방지를 위한 국제기준을 채택, 시행하며, 협약에서 언급된 범주의 법률 사항을 다룬다. 해운에 의한 국제무역을 촉진하고, 해운 서비스의 이용도를 향상할 수 있도록 해운업의 차별 조치와 불필요한 제한을 철폐토록 권장하고, 국제해사 업무의 모든 문제를 심의하며 관련 사항에 대한 정보를 상호 교환하도록 하고 있다.

 

 

2. 주요 IMO 협약

IMO는 2010년까지 대략 60여 개의 법적 구속력을 가진 협약을 체결, 시행하고 있다. 이들 중 주요한 것을 정리하면 다음과 같다.

국제해상안전협약(International convention for the Safety of Life At Sea, SOLAS, 1960, 1974)
국제만재흘수선협약(International convention on Load Lines, ICLL, 1966, 1988)
국제해상충돌방지협약(Convention on the International REGulations for Preventing COLlisions at Sea, COLREGS, 1972)
국제선박해양오염방지협약(International convention for the Prevention of Pollution from Ships, 1973; 의정서(protocol) 1978에 의해 개정, MARPOL 73/78)