해저 강관은 석유나 가스 등, 고가의 유체를 수송하는 수단으로써 중요하게 사용되고 있다. 가스나 석유 등을 수송하기 위한 수단으로 선박이 이용되기도 하나 근거리 수송이나 열악한 환경 하에서 수송해야 할 경우에는 해저강관에 의한 수송이 훨씬 효율적이고 경제적이다. 우리나라와 같이 가스나 석유의 수입의존도가 높은 국가에서는 수입되는 가스나 석유를 효율적으로 수송하는 수단을 강구하는 것도 중요하다(Hur, et al., 2007).

심해 뿐 아니라 극지방에서도 자원이송을 위해 많은 장점을 갖는 강관을 사용한다. 극지방은 지구상에 남은 최후의 자원부존 지역으로써 석유와 천연가스를 비롯한 각종 자원이 풍부하게 매장되어 있는 것으로 알려져 있다. 북극해에 인접한 미국, 캐나다를 포함한 유럽의 선진국들은 고도의 기술과 자본을 이용하여 이들 자원에 대해 시추와 생산이 이루어지고 있다. 이렇듯 해양에서 강관은 라이저 시스템(riser system)과 해양 케이블, 해양자원이송 등 여러 가지 용도로 사용되고 있다. 이렇게 다양하게 해양에서 사용되는 강관은 제작 및 보관, 현장으로의 이동, 강관의 설치 등의 상황에서 강관에 발생하는 외부충격으로 인하여 작게는 흠집부터 크게는 강관의 변형까지 일으킬 수 있다. 손상형태는 부재의 직경−두께 비, 세장비, 경계조건 등에 따라 국부손상, 부재 휨 변형, 또는 이들의 복합 형태로 나타난다(Kim, 1995). 설치 이후에도 해저와 해양에서는 파랑, 조류력, 수압 등 육상의 환경보다 더욱 다양한 해양 하중이 작용하고 있기 때문에 강관은 다양한 하중을 경험하게 된다. 특히 극지 빙해역에서 사용되는 강관은 수심이 얕기 때문에 얼음덩어리가 해저면을 긁어내는 빙쇄굴 현상으로 인하여 강관에 큰 손상을 유발할 수 있다(Yoon, and Choi, 1997). 또한 Fig. 1과 같이 파이프라인의 좌굴현상은 구조물의 국부적인 파괴로 이어진다. 국부적인 파괴는 외부충격으로 인하여 생긴 흠집이나 손상에 발생하는 부식 또는 침식으로 인하여 발생하기도 한다. 완성도가 높은 파이프라인일수록 일부에 대한 손상이 더 치명적인 결과를 초래할 수 있으며, 외부의 압력에 의해 국부적인 파괴가 높은 속도로 파이프라인을 따라 발생할 수 있다(Kyriakides, and Edmundo, 2007). 이렇듯 부재의 손상은 부재내력을 감소시키고 국부적인 파괴를 발생 시킬 수 있기 때문에 구조물의 안정성 등을 알아보기 위해서는 부재의 손상을 고려한 구조물의 비선형 해석을 수행하여야 한다. 강관의 해석이나 설계는 보통 완벽한 원형 강관을 사용하는데 본 연구에서는 흠집이나 찌그러짐 등으로 인한 부재의 손상에 따라 강관의 거동에 미치는 영향과 응력 변화를 알아보기 위하여 손상의 위치와 손상정도를 변화시킴으로써 강관의 손상이 강관의 거동에 미치는 영향을 파악하였다.

해석에 사용된 강관의 규격은 노르웨이 선급협회(DNV- OS-F101)의 규정 범위에 속하는 강관을 사용하였다. 손상된 강관의 해석을 위하여 적용한 하중은 pipeline의 가설방법 중 하나인 J-lay방법으로 가설 시 강관에 발생하는 하중을 사용하였고, 손상방법은 강관에 집중하중을 재하 하여 손상을 발생시킨 후 손상된 강관의 모형만을 이용하여 J-lay가설방법의 하중을 적용하였다.

강관의 손상이 강관의 거동에 미치는 영향을 알아보기 위하여 강관의 압축부에 발생하는 손상의 정도에 따른 강관의 거동을 비교 분석하였다. 각 해석 모델의 손상정도와 항복모멘트를 Table 4에 나타내었다.

Table 4에서 알 수 있듯이 손상이 증가할수록 항복모멘트는 감소하는 결과를 나타내었다. 손상정도가 2%까지 증가하는 경우에는 손상의 증가할수록 항복모멘트는 선형으로 감소하여 반비례하는 결과를 나타내었다. 손상이 2%를 초과하는 경우에는 항복모멘트의 감소폭이 줄어드는 것을 확인할 수 있었다(Fig. 9).

Fig. 10에는 항복모멘트의 감소폭에 대하여 나타내었다. 손상이 발생하지 않은 0% 부터 손상정도가 0.3% 일 때 까지는 항복모멘트의 감소폭이 증가하였다. 손상정도가 0.3% 부터 0.6% 일 때 까지는 항복모멘트의 감소폭이 41 ~ 45kN·m로 소폭 증가하는 것을 알 수 있었다. 손상정도가 0.6% 부터 1% 일 때 까지는 감소폭이 45kN·m ~41kN·m로 소폭 감소하는 것으로 나타났다. 손상정도가 0.6%일 때가 감소폭이 가장 큰 것으로 나타났으며, 손상정도가 0.6% 이하인 경우에는 손상이 증가함에 따라 항복모멘트의 감소폭 또한 증가하여 비례적인 결과를 나타내었다. 0.6% 이상인 경우에는 손상이 증가함에 따라 감소폭은 줄어드는 반비례적인 결과가 나타났다. 그러나 항복모멘트의 감소폭에 대한 변화가 크지 않았으며, 그 비율로 보았을 때는 1% 정도의 비교적 일정한 모습을 보였다. 손상정도가 2%인 경우에도 감소폭은 372kN·m로 나타났으나, 앞서 비교한 case와 동일하게 손상정도의 증가량을 0.1%로 할 경우 항복모멘트의 대략적인 감소폭은 37.2kN·m로 1% 이하인 경우보다는 감소폭이 줄었으며, 비율로는 0.99%로 나타나 손상정도가 2% 일 때까지는 항복모멘트가 선형으로 감소하고 있다는 것을 알 수 있었다.

손상정도가 3%인 경우에는 항복모멘트가 급격하게 줄어드는 것으로 나타났다. 0.1%당 감소폭은 16.8kN·m로 나타나, 1%에서 2% 사이의 감소폭보다 약 4배 큰 감소폭을 보였다. 손상정도가 4%인 경우의 감소폭 또한 1%와 2%의 감소폭보다 약 3배 크게 나타났다. 손상정도가 5%인 경우에는 손상정도 증가 0.1%당 감소폭이 3.6kN·m로 손상정도가 2% 이하인 경우보다도 작게 나타나 손상정도가 3% 이상인 경우 항복모멘트의 감소폭이 급격하게 변하는 것을 알 수 있었다.

해양자원이송용 강관에 손상은 휨모멘트로 인한 압축부가 위를 향하고 있기 때문에 수중에서 떨어지는 물체 등에 의하여 인장부보다 손상이 발생하기 쉬운 위치에 있다. 따라서 본 연구에서는 압축부에 발생하는 손상이 강관의 거동에 미치는 영향을 비교⋅분석하기 위해 강관의 손상정도를 매개변수로 해석을 실시하였다.

본 연구에서는 해양자원이송용 강관에 발생하는 손상이 강관에 미치는 영향을 알아보기 위하여 손상정도에 따른 강관의 항복모멘트를 비교⋅분석 하였다. 향후 연구에서는 부재의 파괴거동까지 포함할 수 있는 보다 정확한 재료의 특성은 물론 반복적인 하중효과를 반영할 수 있는 동적해석 등을 수행하고 다양한 손상위치와 다중손상에 대한 해양강관의 거동특성을 분석하고자 한다.