Sewol ferry capsizing and flooding
글: 헹크 반 덴 붐
글: 헹크 반 덴 붐
H van den Boom, V Ferrari and R van Basten Batenburg, Maritime Research Institute Netherlands (MARIN), S T Seo, Sewol Investigation Commission (SIC), South Korea
SUMMARY
The capsizing and sinking of Sewol close to the South Korean coast in fair weather on April 16, 2014 caused the death of 304 people. In December 2017 the Sewol Investigation Commission of South Korea contracted MARIN to conduct an extensive investigation into the turning, capsizing, flooding and sinking of the vessel.
Systematic tests with a 1:25 model of the vessel were conducted for more than 340 turning and heeling scenarios in MARIN’s Seakeeping and Manoeuvring Basin. These cases consisted of variations in transverse stability, propulsion, steering and fin stabilisation. The effects of moving cargo and possible external forces were included during the free sailing model tests featuring five active control systems. The human factor in possible steering actions was investigated in a full mission wheelhouse simulator.
For the flooding tests a 1:30 carbon model was manufactured and equipped. The water tight compartments were modelled and relevant inflow openings, ventilation openings, ducts, hatches and doors were included in the scale model. Flooding tests were conducted in a controlled manner by using a captive model set-up utilising a hexapod actuator to force the vessel in the trajectory observed during the accident. The forces required to constrain the model were measured and showed the balance between the inflowing water and the instantaneous displacement of the vessel. The flooding tests were conducted in the Depressurised Wave Basin to reduce possible scale effects. With these captive tests the most likely scenario of flooding was determined. Finally, flooding and sinking tests were also performed with the model in free floating atmospheric condition.
The results of this investigation inspired additional research into the stability of passenger vessels leading to a submission to IMO MSC for improvement of the Intact Stability Code 2008.
1. INTRODUCTION
On the 16th of April 2014, on her way from Incheon to Jeju-island under calm weather conditions, the Korean ferry SEWOL (Figure 1) turned, capsized, flooded and sank one nautical mile off the coast of Donggeochado, Jindo County, South Korea. In total 304 people including 250 secondary school students, other passengers and several crew members, did not survive this national disaster. In December 2017, the Sewol Investigation Commission (SIC) of Korea contracted MARIN to investigate the turning, heeling, flooding and sinking of the vessel by means of computer simulations, model tests and nautical simulators.
The capsizing and sinking of Sewol close to the South Korean coast in fair weather on April 16, 2014 caused the death of 304 people. In December 2017 the Sewol Investigation Commission of South Korea contracted MARIN to conduct an extensive investigation into the turning, capsizing, flooding and sinking of the vessel.
Systematic tests with a 1:25 model of the vessel were conducted for more than 340 turning and heeling scenarios in MARIN’s Seakeeping and Manoeuvring Basin. These cases consisted of variations in transverse stability, propulsion, steering and fin stabilisation. The effects of moving cargo and possible external forces were included during the free sailing model tests featuring five active control systems. The human factor in possible steering actions was investigated in a full mission wheelhouse simulator.
For the flooding tests a 1:30 carbon model was manufactured and equipped. The water tight compartments were modelled and relevant inflow openings, ventilation openings, ducts, hatches and doors were included in the scale model. Flooding tests were conducted in a controlled manner by using a captive model set-up utilising a hexapod actuator to force the vessel in the trajectory observed during the accident. The forces required to constrain the model were measured and showed the balance between the inflowing water and the instantaneous displacement of the vessel. The flooding tests were conducted in the Depressurised Wave Basin to reduce possible scale effects. With these captive tests the most likely scenario of flooding was determined. Finally, flooding and sinking tests were also performed with the model in free floating atmospheric condition.
The results of this investigation inspired additional research into the stability of passenger vessels leading to a submission to IMO MSC for improvement of the Intact Stability Code 2008.
1. INTRODUCTION
On the 16th of April 2014, on her way from Incheon to Jeju-island under calm weather conditions, the Korean ferry SEWOL (Figure 1) turned, capsized, flooded and sank one nautical mile off the coast of Donggeochado, Jindo County, South Korea. In total 304 people including 250 secondary school students, other passengers and several crew members, did not survive this national disaster. In December 2017, the Sewol Investigation Commission (SIC) of Korea contracted MARIN to investigate the turning, heeling, flooding and sinking of the vessel by means of computer simulations, model tests and nautical simulators.
요약
세월호는 지난 2014년 4월 16일 대한민국 근해 상에서 맑은 날씨에 항해하던 중 전복되고 침몰해 304명의 사망자를 낳았다. 2017 년 12 월, 대한민국의 세월호 선체조사위원회는 마린과 세월호의 선회, 전복, 침수, 그리고 침몰에 대한 광범위한 조사를 실시하기로 계약했다. 340개가 넘는 선회와 경사 시나리오에 대해 1:25 축척의 세월호 모델을 사용한 체계적인 실험이 마린의 내항조종수조에서 시행되었다. 실험 사례들은 횡복원성, 추진, 조타, 그리고 핀 안정기에 대한 조건을 달리하여 만들어졌다. 다섯 개의 동적 컨트롤 시스템을 사용한 자유 항행 모델 시험을 수행할 때에는 화물의 움직임과 외력에 따른 효과도 포함되었다. 조타 시 가능한 인적 요소는 모의항해장치를 사용해 조사하였다. 침수 실험을 위해서는 1:30 축척의 탄소섬유 모델을 제작하였다. 수밀 구역과 이와 관련된 물이 들어오는 개구부, 환풍구, 덕트, 해치, 그리고 문이 스케일에 맞게 모델링 되었다. 침수 실험은 선박을 사고 당시 관찰된 경로대로 움직이도록 하기 위해 헥사포드 액추에이터를 활용한 구속모형을 사용해 통제된 방식으로 수행되었다. 모형을 구속하는데 필요한 힘을 측정하고 유입된 물의 양과 배수량이 균형이 맞는지 확인하였다. 척도 효과를 최소화하기 위해 침수 실험은 감압 수조에서 진행되었다. 이러한 구속 실험을 바탕으로 가장 있음직한 침수 시나리오를 결정하였다. 마지막으로, 같은 모델을 사용한 침수와 침몰 실험을 대기압 조건의 자유로운 상태에서도 수행하였다. 이 조사의 결과로 여객선의 복원성에 대한 추가 연구가 이루어졌으며, 이는 2008년 비손상 복원성 규정(Intact Stability Code 2008)을 개정하자는 제안서를 국제해사기구(IMO) 해사안전위원회(MSC)에 제출하는 것으로 이어진다.
1. 서론
대한민국의 여객선 세월호(그림 1)는 2014년 4월 16일 맑은 날씨에 인천에서 제주도로 항해하던 중 대한민국 진도군 동거차도에서 1 해리 떨어진 해상에서 선회, 전복, 침수, 침몰했다. 250 명의 고등학교 학생들을 포함한 총 304 명의 승객과 선원들이 이 국가적 재난에서 목숨을 잃었다. 2017 년 12 월, 대한민국의 세월호 선체조사위원회는 컴퓨터 모의 실험, 모형 시험, 그리고 모의항해장치를 사용한 세월호의 선회, 전복, 침수, 그리고 침몰에 대한 광범위한 조사를 실시하기로 마린과 계약을 체결했다.
세월호는 지난 2014년 4월 16일 대한민국 근해 상에서 맑은 날씨에 항해하던 중 전복되고 침몰해 304명의 사망자를 낳았다. 2017 년 12 월, 대한민국의 세월호 선체조사위원회는 마린과 세월호의 선회, 전복, 침수, 그리고 침몰에 대한 광범위한 조사를 실시하기로 계약했다. 340개가 넘는 선회와 경사 시나리오에 대해 1:25 축척의 세월호 모델을 사용한 체계적인 실험이 마린의 내항조종수조에서 시행되었다. 실험 사례들은 횡복원성, 추진, 조타, 그리고 핀 안정기에 대한 조건을 달리하여 만들어졌다. 다섯 개의 동적 컨트롤 시스템을 사용한 자유 항행 모델 시험을 수행할 때에는 화물의 움직임과 외력에 따른 효과도 포함되었다. 조타 시 가능한 인적 요소는 모의항해장치를 사용해 조사하였다. 침수 실험을 위해서는 1:30 축척의 탄소섬유 모델을 제작하였다. 수밀 구역과 이와 관련된 물이 들어오는 개구부, 환풍구, 덕트, 해치, 그리고 문이 스케일에 맞게 모델링 되었다. 침수 실험은 선박을 사고 당시 관찰된 경로대로 움직이도록 하기 위해 헥사포드 액추에이터를 활용한 구속모형을 사용해 통제된 방식으로 수행되었다. 모형을 구속하는데 필요한 힘을 측정하고 유입된 물의 양과 배수량이 균형이 맞는지 확인하였다. 척도 효과를 최소화하기 위해 침수 실험은 감압 수조에서 진행되었다. 이러한 구속 실험을 바탕으로 가장 있음직한 침수 시나리오를 결정하였다. 마지막으로, 같은 모델을 사용한 침수와 침몰 실험을 대기압 조건의 자유로운 상태에서도 수행하였다. 이 조사의 결과로 여객선의 복원성에 대한 추가 연구가 이루어졌으며, 이는 2008년 비손상 복원성 규정(Intact Stability Code 2008)을 개정하자는 제안서를 국제해사기구(IMO) 해사안전위원회(MSC)에 제출하는 것으로 이어진다.
1. 서론
대한민국의 여객선 세월호(그림 1)는 2014년 4월 16일 맑은 날씨에 인천에서 제주도로 항해하던 중 대한민국 진도군 동거차도에서 1 해리 떨어진 해상에서 선회, 전복, 침수, 침몰했다. 250 명의 고등학교 학생들을 포함한 총 304 명의 승객과 선원들이 이 국가적 재난에서 목숨을 잃었다. 2017 년 12 월, 대한민국의 세월호 선체조사위원회는 컴퓨터 모의 실험, 모형 시험, 그리고 모의항해장치를 사용한 세월호의 선회, 전복, 침수, 그리고 침몰에 대한 광범위한 조사를 실시하기로 마린과 계약을 체결했다.
요약
세월호는 지난 2014년 4월 16일 대한민국 근해 상에서 맑은 날씨에 항해하던 중 전복되고 침몰해 304명의 사망자를 낳았다. 2017 년 12 월, 대한민국의 세월호 선체조사위원회는 마린과 세월호의 선회, 전복, 침수, 그리고 침몰에 대한 광범위한 조사를 실시하기로 계약했다. 340개가 넘는 선회와 경사 시나리오에 대해 1:25 축척의 세월호 모델을 사용한 체계적인 실험이 마린의 내항조종수조에서 시행되었다. 실험 사례들은 횡복원성, 추진, 조타, 그리고 핀 안정기에 대한 조건을 달리하여 만들어졌다. 다섯 개의 동적 컨트롤 시스템을 사용한 자유 항행 모델 시험을 수행할 때에는 화물의 움직임과 외력에 따른 효과도 포함되었다. 조타 시 가능한 인적 요소는 모의항해장치를 사용해 조사하였다. 침수 실험을 위해서는 1:30 축척의 탄소섬유 모델을 제작하였다. 수밀 구역과 이와 관련된 물이 들어오는 개구부, 환풍구, 덕트, 해치, 그리고 문이 스케일에 맞게 모델링 되었다. 침수 실험은 선박을 사고 당시 관찰된 경로대로 움직이도록 하기 위해 헥사포드 액추에이터를 활용한 구속모형을 사용해 통제된 방식으로 수행되었다. 모형을 구속하는데 필요한 힘을 측정하고 유입된 물의 양과 배수량이 균형이 맞는지 확인하였다. 척도 효과를 최소화하기 위해 침수 실험은 감압 수조에서 진행되었다. 이러한 구속 실험을 바탕으로 가장 있음직한 침수 시나리오를 결정하였다. 마지막으로, 같은 모델을 사용한 침수와 침몰 실험을 대기압 조건의 자유로운 상태에서도 수행하였다. 이 조사의 결과로 여객선의 복원성에 대한 추가 연구가 이루어졌으며, 이는 2008년 비손상 복원성 규정(Intact Stability Code 2008)을 개정하자는 제안서를 국제해사기구(IMO) 해사안전위원회(MSC)에 제출하는 것으로 이어진다.
1. 서론
대한민국의 여객선 세월호(그림 1)는 2014년 4월 16일 맑은 날씨에 인천에서 제주도로 항해하던 중 대한민국 진도군 동거차도에서 1 해리 떨어진 해상에서 선회, 전복, 침수, 침몰했다. 250 명의 고등학교 학생들을 포함한 총 304 명의 승객과 선원들이 이 국가적 재난에서 목숨을 잃었다. 2017 년 12 월, 대한민국의 세월호 선체조사위원회는 컴퓨터 모의 실험, 모형 시험, 그리고 모의항해장치를 사용한 세월호의 선회, 전복, 침수, 그리고 침몰에 대한 광범위한 조사를 실시하기로 마린과 계약을 체결했다.
세월호는 지난 2014년 4월 16일 대한민국 근해 상에서 맑은 날씨에 항해하던 중 전복되고 침몰해 304명의 사망자를 낳았다. 2017 년 12 월, 대한민국의 세월호 선체조사위원회는 마린과 세월호의 선회, 전복, 침수, 그리고 침몰에 대한 광범위한 조사를 실시하기로 계약했다. 340개가 넘는 선회와 경사 시나리오에 대해 1:25 축척의 세월호 모델을 사용한 체계적인 실험이 마린의 내항조종수조에서 시행되었다. 실험 사례들은 횡복원성, 추진, 조타, 그리고 핀 안정기에 대한 조건을 달리하여 만들어졌다. 다섯 개의 동적 컨트롤 시스템을 사용한 자유 항행 모델 시험을 수행할 때에는 화물의 움직임과 외력에 따른 효과도 포함되었다. 조타 시 가능한 인적 요소는 모의항해장치를 사용해 조사하였다. 침수 실험을 위해서는 1:30 축척의 탄소섬유 모델을 제작하였다. 수밀 구역과 이와 관련된 물이 들어오는 개구부, 환풍구, 덕트, 해치, 그리고 문이 스케일에 맞게 모델링 되었다. 침수 실험은 선박을 사고 당시 관찰된 경로대로 움직이도록 하기 위해 헥사포드 액추에이터를 활용한 구속모형을 사용해 통제된 방식으로 수행되었다. 모형을 구속하는데 필요한 힘을 측정하고 유입된 물의 양과 배수량이 균형이 맞는지 확인하였다. 척도 효과를 최소화하기 위해 침수 실험은 감압 수조에서 진행되었다. 이러한 구속 실험을 바탕으로 가장 있음직한 침수 시나리오를 결정하였다. 마지막으로, 같은 모델을 사용한 침수와 침몰 실험을 대기압 조건의 자유로운 상태에서도 수행하였다. 이 조사의 결과로 여객선의 복원성에 대한 추가 연구가 이루어졌으며, 이는 2008년 비손상 복원성 규정(Intact Stability Code 2008)을 개정하자는 제안서를 국제해사기구(IMO) 해사안전위원회(MSC)에 제출하는 것으로 이어진다.
1. 서론
대한민국의 여객선 세월호(그림 1)는 2014년 4월 16일 맑은 날씨에 인천에서 제주도로 항해하던 중 대한민국 진도군 동거차도에서 1 해리 떨어진 해상에서 선회, 전복, 침수, 침몰했다. 250 명의 고등학교 학생들을 포함한 총 304 명의 승객과 선원들이 이 국가적 재난에서 목숨을 잃었다. 2017 년 12 월, 대한민국의 세월호 선체조사위원회는 컴퓨터 모의 실험, 모형 시험, 그리고 모의항해장치를 사용한 세월호의 선회, 전복, 침수, 그리고 침몰에 대한 광범위한 조사를 실시하기로 마린과 계약을 체결했다.
Figure 1: Picture of the port side of Sewol ferry
Figure 1: Picture of the port side of Sewol ferry
그림 1: 세월호의 좌현 사진
그림 1: 세월호의 좌현 사진
M/V SEWOL was a double screw-single rudder coastal ferry with a length of 146 m, designed and constructed by a Japanese shipyard. Launched in 1994 the vessel was in service in Japan for 18 years. In 2012 the ferry was purchased by a Korean owner, converted for the Incheon-Jeju service and registered under Korean flag as a coastal ferry. The main dimensions of the vessel and her loading condition during the accident as estimated by SIC are presented in Table 1.
SEWOL was not equipped with a loading computer nor with a Voyage Data Recorder. Output from a course/rudder recorder was not provided. Time step positions and headings of the vessel however, were transmitted by her Automatic Identification System (AIS). Furthermore SIC was able to derive the heel of the vessel from the data recorded by various dash cams mounted in the vehicles on board the vessel.
SEWOL was not equipped with a loading computer nor with a Voyage Data Recorder. Output from a course/rudder recorder was not provided. Time step positions and headings of the vessel however, were transmitted by her Automatic Identification System (AIS). Furthermore SIC was able to derive the heel of the vessel from the data recorded by various dash cams mounted in the vehicles on board the vessel.
세월호는 길이 146m 의 쌍축 추진-단독 타 연안여객선으로 일본 조선소에서 설계되고 건조되었다. 1994 년 진수된 세월호는 일본에서 18 년간 운항되었다. 2012년 세월호는 한국인 선주가 구매하여 인천과 제주를 오가는 한국 국적 연안 여객선으로 개조되었다. 세월호 선체조사위원회가 예측한 선박 주요 치수와 사고 당시의 재하 상태는 표1에 정리되어 있다.
세월호에는 로딩컴퓨터나 선박항해기록장치가 없었다. 항로/타의 기록장치의 정보도 사용 할 수 없었다. 다만 시간에 따른 위치와 선수 방위각은 세월호의 선박자동식별시스템(AIS)을 통해 전파되었다. 또한 세월호 선체조사위원회는 세월호의 횡경사를 선박에 실려있던 자동차들의 블랙박스 기록을 통해 유추해낼 수 있었다.
세월호에는 로딩컴퓨터나 선박항해기록장치가 없었다. 항로/타의 기록장치의 정보도 사용 할 수 없었다. 다만 시간에 따른 위치와 선수 방위각은 세월호의 선박자동식별시스템(AIS)을 통해 전파되었다. 또한 세월호 선체조사위원회는 세월호의 횡경사를 선박에 실려있던 자동차들의 블랙박스 기록을 통해 유추해낼 수 있었다.
세월호는 길이 146m 의 쌍축 추진-단독 타 연안여객선으로 일본 조선소에서 설계되고 건조되었다. 1994 년 진수된 세월호는 일본에서 18 년간 운항되었다. 2012년 세월호는 한국인 선주가 구매하여 인천과 제주를 오가는 한국 국적 연안 여객선으로 개조되었다. 세월호 선체조사위원회가 예측한 선박 주요 치수와 사고 당시의 재하 상태는 표1에 정리되어 있다.
세월호에는 로딩컴퓨터나 선박항해기록장치가 없었다. 항로/타의 기록장치의 정보도 사용 할 수 없었다. 다만 시간에 따른 위치와 선수 방위각은 세월호의 선박자동식별시스템(AIS)을 통해 전파되었다. 또한 세월호 선체조사위원회는 세월호의 횡경사를 선박에 실려있던 자동차들의 블랙박스 기록을 통해 유추해낼 수 있었다.
세월호에는 로딩컴퓨터나 선박항해기록장치가 없었다. 항로/타의 기록장치의 정보도 사용 할 수 없었다. 다만 시간에 따른 위치와 선수 방위각은 세월호의 선박자동식별시스템(AIS)을 통해 전파되었다. 또한 세월호 선체조사위원회는 세월호의 횡경사를 선박에 실려있던 자동차들의 블랙박스 기록을 통해 유추해낼 수 있었다.
Table 1:Main particulars Sewol
Table 1:Main particulars Sewol
표 1: 세월호의 주요 제원
표 1: 세월호의 주요 제원
In addition SIC supplied MARIN with the following collected information on the observed events:
- On April 15 at 9 p.m., the ferry left the port of Incheon several hours delayed due to fog,
- On April 16 at 8 a.m., the vessel navigated in approximately 40 m water depth and calm weather at a speed of approximately 18 knots,
- The AIS-track data indicates a sharp turn of the vessel to starboard around 8:49 a.m. In this turn the vessel heeled strongly over her port side,
- Based on the sounds recorded by dash cams, cars and containers started to slide at a vessel heel of approximately 18 degrees,
- Based on the data recorded by dash cams, cargos on the C-deck started to shift at a vessel heel of 33 degrees,
- Approximately 56 seconds after the estimated start of the turn, the heel of the vessel amounted to 45 degrees,
- The main engines were stopped; the vessel continued to drift under excessive list,
- The vessel flooded progressively and sank.
이에 더하여, 세월호 선체조사위원회는 마린에게 다음과 같은 관찰된 사건에 대한 수집된 정보를 제공했다:
- 4 월 15 일 오후 9 시, 세월호는 안개로 인해 인천항에서 몇 시간의 지연 후 출항하였다.
- 4 월 16 일 오전 8 시, 세월호는 약 40m 의 수심과 평온한 날씨의 조건하에 약 18 노트의 속도로 항해하였다.
- 선박자동식별시스템의 데이터에 따르면, 세월호는 8 시 49 분경 우현으로 급격히 선회했다. 선회하는 도중 세월호는 좌현으로 강하게 기울었다.
- 블랙박스에 녹음된 소리에 의하면, 세월호의 횡경사각이 약 18 도가 되었을 때 적재된 차량과 화물이 미끌어지기 시작했다.
- 블랙박스에 녹화된 자료에 의하면, 횡경사각 33도에서 C갑판의 화물이 움직이기 시작했다.
- 선회가 시작했을 것으로 예상되는 시점부터 약 56초 후, 선박의 횡경사는 45도에 이르렀다.
- 주기관은 정지되었고 세월호는 여전히 과도한 경사를 이룬 채 표류했다.
- 세월호는 점진적으로 침수되었고 침몰했다.
이에 더하여, 세월호 선체조사위원회는 마린에게 다음과 같은 관찰된 사건에 대한 수집된 정보를 제공했다:
- 4 월 15 일 오후 9 시, 세월호는 안개로 인해 인천항에서 몇 시간의 지연 후 출항하였다.
- 4 월 16 일 오전 8 시, 세월호는 약 40m 의 수심과 평온한 날씨의 조건하에 약 18 노트의 속도로 항해하였다.
- 선박자동식별시스템의 데이터에 따르면, 세월호는 8 시 49 분경 우현으로 급격히 선회했다. 선회하는 도중 세월호는 좌현으로 강하게 기울었다.
- 블랙박스에 녹음된 소리에 의하면, 세월호의 횡경사각이 약 18 도가 되었을 때 적재된 차량과 화물이 미끌어지기 시작했다.
- 블랙박스에 녹화된 자료에 의하면, 횡경사각 33도에서 C갑판의 화물이 움직이기 시작했다.
- 선회가 시작했을 것으로 예상되는 시점부터 약 56초 후, 선박의 횡경사는 45도에 이르렀다.
- 주기관은 정지되었고 세월호는 여전히 과도한 경사를 이룬 채 표류했다.
- 세월호는 점진적으로 침수되었고 침몰했다.
Figure 2: Vessel position received from AIS
Figure 2: Vessel position received from AIS
그림 2: AIS로부터 전파된 선박의 위치
그림 2: AIS로부터 전파된 선박의 위치
The vessel position was transmitted by the AIS and received at irregular intervals (Figure 2). This track clearly shows the sudden turn of the vessel and, after capsizing, her drifting in northerly direction due to the current. The magnitude and direction of the current was derived from this drift path.
The heading of the vessel as received from AIS showed deviations from a smooth curve. The External Force Task Force within SIC derived extreme high rates of turn of the vessel (up to 15 degr/s) from this raw AIS heading signal. Based on these high rates, it was suggested that an external force could have been the cause of the accident although no other ships or objects in the area were reported and the local water depth was approximately 40 m.
The observations of SIC lead to the following questions to be answered by this investigation:
To answer these questions, a two stage investigation programme was conducted. In the first stage the vessel is propelled and steered and during the turning she heels up to 45 degrees. In the second stage the engines are stopped and the vessel starts to drift with the current at a heeling angle of 45 degrees when she progressively floods, capsizes and eventually sinks. The investigation into the turning and heeling is thus separated from the investigation into the flooding of the vessel.
2. TURNING AND HEELING
2.1 TEST PROGRAMME
The turning and heeling behaviour of Sewol has been investigated by numerical simulations, systematic model tests and real time manoeuvring on a nautical simulator. First RANS CFD analysis for the specific hull shape under drift and heeling angles up to 20 degrees were conducted to compute the hydrodynamic loads on the hull. These loads were used to enhance the general manoeuvring model specifically for the Sewol hull to simulate the effects of stability level variations and sequences of rudder commands. It was acknowledged that the CFD calculations for such large angles of heel and drift have not been validated and therefore the hydrodynamic loads derived for such conditions should be handled with care. Nevertheless the results clearly indicated the sensitivities of the vessel for initial stability and rudder angles. Based on these results a model test programme was developed to test the dominant parameters in further detail including the effects of shifting cargo.
For this purpose a carbon fibre 1:25 scale model was manufactured and equipped with five controlled active systems. The model was fully self-propelled with auto pilot steering and active stabilising fins. The shifting cargos were modelled by four lumped masses each on a transverse track, moved by linear motors and controlled by computer using the measured heel angle as input.
Effect of a possible external force was modelled by a thin wire connected from the stabiliser fin on port side to a controlled winch mounted on the basin carriage. The model was further equipped with sensors and data acquisition systems to measure the propulsion shaft torque and rpm, the rudder angle, the stabiliser fin angles, the excursions of the four moveable masses, the loads in the winch wire and the resulting vessel motions in all six degrees of freedom.
The heading of the vessel as received from AIS showed deviations from a smooth curve. The External Force Task Force within SIC derived extreme high rates of turn of the vessel (up to 15 degr/s) from this raw AIS heading signal. Based on these high rates, it was suggested that an external force could have been the cause of the accident although no other ships or objects in the area were reported and the local water depth was approximately 40 m.
The observations of SIC lead to the following questions to be answered by this investigation:
- How sensitive is the turning and heeling of the vessel to differences in initial transverse stability, initial heel, current gradients and possible external loads?
- Which ship condition could have resulted in the sharp turn and critical heel angle when cargo starts to shift?
- What is the effect of shifting cargo on the heel angle?
- What is the effect of possible rudder actions to PS and SB on the heel angle during the turn?
- What is the effect of current gradients on the turn and the heel?
- How does the progressive and fast flooding of the vessel materialize?
To answer these questions, a two stage investigation programme was conducted. In the first stage the vessel is propelled and steered and during the turning she heels up to 45 degrees. In the second stage the engines are stopped and the vessel starts to drift with the current at a heeling angle of 45 degrees when she progressively floods, capsizes and eventually sinks. The investigation into the turning and heeling is thus separated from the investigation into the flooding of the vessel.
2. TURNING AND HEELING
2.1 TEST PROGRAMME
The turning and heeling behaviour of Sewol has been investigated by numerical simulations, systematic model tests and real time manoeuvring on a nautical simulator. First RANS CFD analysis for the specific hull shape under drift and heeling angles up to 20 degrees were conducted to compute the hydrodynamic loads on the hull. These loads were used to enhance the general manoeuvring model specifically for the Sewol hull to simulate the effects of stability level variations and sequences of rudder commands. It was acknowledged that the CFD calculations for such large angles of heel and drift have not been validated and therefore the hydrodynamic loads derived for such conditions should be handled with care. Nevertheless the results clearly indicated the sensitivities of the vessel for initial stability and rudder angles. Based on these results a model test programme was developed to test the dominant parameters in further detail including the effects of shifting cargo.
For this purpose a carbon fibre 1:25 scale model was manufactured and equipped with five controlled active systems. The model was fully self-propelled with auto pilot steering and active stabilising fins. The shifting cargos were modelled by four lumped masses each on a transverse track, moved by linear motors and controlled by computer using the measured heel angle as input.
Effect of a possible external force was modelled by a thin wire connected from the stabiliser fin on port side to a controlled winch mounted on the basin carriage. The model was further equipped with sensors and data acquisition systems to measure the propulsion shaft torque and rpm, the rudder angle, the stabiliser fin angles, the excursions of the four moveable masses, the loads in the winch wire and the resulting vessel motions in all six degrees of freedom.
세월호의 위치는 AIS 를 통해 전파되었고 비규칙적 간격으로 수신되었다 (그림 2). 이러한 항로는 세월호가 급격하게 선회하였으며, 전복된 후에 해류를 따라 북쪽으로 표류하였다는 것을 명백히 보여준다. 조류의 세기와 방향은 이 표류 경로로부터 도출되었다.
AIS가 수신한 세월호의 선수방위각은 부드러운 곡선에서 벗어나 있는 것으로 나타났다. 세월호 선체조사위원회의 외력 검증 TF는 이러한 AIS의 선수방위각 원자료로부터 극단적으로 높은 선회율(최대 초당 15 도)을 도출했다. 사고 지역에 어떠한 다른 배나 물체도 보고되지 않았고 지역의 수심이 약 40m 에 달했음에도 불구하고, 이러한 높은 선회율을 바탕으로 어떠한 외력이 사고의 원인일 수도 있다는 의견이 제시되었다.
이번 조사는 선체조사위원회의 관찰을 통해 얻어진 다음과 같은 질문들에 대하여 대답을 얻고자 했다.
위와 같은 질문에 답하기 위하여 두 단계의 조사 프로그램이 수행되었다. 첫번째 단계에서 모형 선박은 추진되고 조타되며 선회하는 과정에서 45도까지 기운다. 두 번째 단계에서는 선박의 횡경사가 45 도인 상태에서 엔진이 꺼진 채 표류하다, 점진적으로 침수가 진행되고 전복된 뒤 결과적으로 침몰한다. 따라서 선회와 경사에 대한 조사는 침수에 대한 조사와 분리되었다.
2. 선회와 경사
2.1 실험 프로그램
세월호의 선회와 경사 행동은 수치 해석, 체계적인 모형 시험, 그리고 모의항해장치를 사용한 실시간 모의항해를 사용하여 조사되었다. 우선 선체에 가해지는 유체역학적 하중을 계산하기 위하여 최대 20 도의 횡경사각으로 표류하는 조건에서 세월호의 선체 모양에 대해 레이놀즈 평균 나비에-스톡스 모사를 사용한 전산유체역학분석(RANS CFD analysis)을 수행하였다. 이 하중은 특히 복원성 수준 변동과 타 조작 순서의 효과를 모사할 때 세월호 선체의 일반적 항행 모델을 향상시키기 위해 사용되었다. 이러한 큰 횡경사 각도와 표류 조건에 대한 CFD 계산은 검증되지 않았으므로 그러한 조건에 대해 도출된 유체 역학적 하중은 주의해서 다루어야 한다. 이러한 고려에도 불구하고, 계산 결과는 세월호의 초기 복원성과 타각에 대한 민감도를 명확하게 나타낸다. 이러한 결과를 바탕으로, 화물 이동의 영향을 포함하여 지배적인 매개 변수를 더욱 상세하게 테스트하기위한 모형 시험 프로그램이 개발되었다.
이러한 목적으로 다섯 가지 능동 컨트롤 시스템을 갖춘 1:25 축척의 모형이 탄소 섬유로 만들어졌다. 이 모형은 자력 추진이 가능하며 자동항해조타 기능과 능동 핀 안정기를 갖추었다. 움직이는 화물들은 네 개의 질량 덩어리들을 각각 횡방향 트랙에 올려놓은 뒤 이들을 입력된 횡경사각에 따라 컴퓨터로 조종해 선형 모터로 움직이는 방식으로 모사하였다.
AIS가 수신한 세월호의 선수방위각은 부드러운 곡선에서 벗어나 있는 것으로 나타났다. 세월호 선체조사위원회의 외력 검증 TF는 이러한 AIS의 선수방위각 원자료로부터 극단적으로 높은 선회율(최대 초당 15 도)을 도출했다. 사고 지역에 어떠한 다른 배나 물체도 보고되지 않았고 지역의 수심이 약 40m 에 달했음에도 불구하고, 이러한 높은 선회율을 바탕으로 어떠한 외력이 사고의 원인일 수도 있다는 의견이 제시되었다.
이번 조사는 선체조사위원회의 관찰을 통해 얻어진 다음과 같은 질문들에 대하여 대답을 얻고자 했다.
- 세월호의 선회와 횡경사는 초기 횡복원성, 최초의 횡경사, 조류의 세기와 방향, 가해질 수 있는 외부하중에 얼마나 민감하게 반응하는가?
- 세월호의 어떠한 조건(항해 또는 선체의 상황)이 급선회와 화물이 움직이기 시작하는 임계횡경사각을 만들 수 있었는가?
- 화물의 이동이 횡경사에 어떤 영향을 미쳤는가?
- 좌현과 우현방향으로의 타의 움직임은 선회 중 횡경사에 어떤 영향을 미쳤는가?
- 조류의 방향과 세기는 선회와 횡경사에 어떤 영향을 미쳤는가?
- 빠른 침수는 어떻게 진행되었는가?
위와 같은 질문에 답하기 위하여 두 단계의 조사 프로그램이 수행되었다. 첫번째 단계에서 모형 선박은 추진되고 조타되며 선회하는 과정에서 45도까지 기운다. 두 번째 단계에서는 선박의 횡경사가 45 도인 상태에서 엔진이 꺼진 채 표류하다, 점진적으로 침수가 진행되고 전복된 뒤 결과적으로 침몰한다. 따라서 선회와 경사에 대한 조사는 침수에 대한 조사와 분리되었다.
2. 선회와 경사
2.1 실험 프로그램
세월호의 선회와 경사 행동은 수치 해석, 체계적인 모형 시험, 그리고 모의항해장치를 사용한 실시간 모의항해를 사용하여 조사되었다. 우선 선체에 가해지는 유체역학적 하중을 계산하기 위하여 최대 20 도의 횡경사각으로 표류하는 조건에서 세월호의 선체 모양에 대해 레이놀즈 평균 나비에-스톡스 모사를 사용한 전산유체역학분석(RANS CFD analysis)을 수행하였다. 이 하중은 특히 복원성 수준 변동과 타 조작 순서의 효과를 모사할 때 세월호 선체의 일반적 항행 모델을 향상시키기 위해 사용되었다. 이러한 큰 횡경사 각도와 표류 조건에 대한 CFD 계산은 검증되지 않았으므로 그러한 조건에 대해 도출된 유체 역학적 하중은 주의해서 다루어야 한다. 이러한 고려에도 불구하고, 계산 결과는 세월호의 초기 복원성과 타각에 대한 민감도를 명확하게 나타낸다. 이러한 결과를 바탕으로, 화물 이동의 영향을 포함하여 지배적인 매개 변수를 더욱 상세하게 테스트하기위한 모형 시험 프로그램이 개발되었다.
이러한 목적으로 다섯 가지 능동 컨트롤 시스템을 갖춘 1:25 축척의 모형이 탄소 섬유로 만들어졌다. 이 모형은 자력 추진이 가능하며 자동항해조타 기능과 능동 핀 안정기를 갖추었다. 움직이는 화물들은 네 개의 질량 덩어리들을 각각 횡방향 트랙에 올려놓은 뒤 이들을 입력된 횡경사각에 따라 컴퓨터로 조종해 선형 모터로 움직이는 방식으로 모사하였다.
- 가능한 외력의 영향은 좌현의 핀 안정기를 수조 캐리지에 장착된 조종가능한 윈치에 가느다란 와이어로 연결함으로써 모사하였다. 이외에, 모형에는 추력(프로펠러 축의 회전력과 동력), 타각, 핀 안정기의 각, 네 개의 이동 가능한 중량물의 위치 변화, 윈치 와이어의 하중, 선박의 6 자유도 운동을 측정하기 위하여 센서와 데이터 수집 시스템이 장착되었다.
세월호의 위치는 AIS 를 통해 전파되었고 비규칙적 간격으로 수신되었다 (그림 2). 이러한 항로는 세월호가 급격하게 선회하였으며, 전복된 후에 해류를 따라 북쪽으로 표류하였다는 것을 명백히 보여준다. 조류의 세기와 방향은 이 표류 경로로부터 도출되었다.
AIS가 수신한 세월호의 선수방위각은 부드러운 곡선에서 벗어나 있는 것으로 나타났다. 세월호 선체조사위원회의 외력 검증 TF는 이러한 AIS의 선수방위각 원자료로부터 극단적으로 높은 선회율(최대 초당 15 도)을 도출했다. 사고 지역에 어떠한 다른 배나 물체도 보고되지 않았고 지역의 수심이 약 40m 에 달했음에도 불구하고, 이러한 높은 선회율을 바탕으로 어떠한 외력이 사고의 원인일 수도 있다는 의견이 제시되었다.
이번 조사는 선체조사위원회의 관찰을 통해 얻어진 다음과 같은 질문들에 대하여 대답을 얻고자 했다.
위와 같은 질문에 답하기 위하여 두 단계의 조사 프로그램이 수행되었다. 첫번째 단계에서 모형 선박은 추진되고 조타되며 선회하는 과정에서 45도까지 기운다. 두 번째 단계에서는 선박의 횡경사가 45 도인 상태에서 엔진이 꺼진 채 표류하다, 점진적으로 침수가 진행되고 전복된 뒤 결과적으로 침몰한다. 따라서 선회와 경사에 대한 조사는 침수에 대한 조사와 분리되었다.
2. 선회와 경사
2.1 실험 프로그램
세월호의 선회와 경사 행동은 수치 해석, 체계적인 모형 시험, 그리고 모의항해장치를 사용한 실시간 모의항해를 사용하여 조사되었다. 우선 선체에 가해지는 유체역학적 하중을 계산하기 위하여 최대 20 도의 횡경사각으로 표류하는 조건에서 세월호의 선체 모양에 대해 레이놀즈 평균 나비에-스톡스 모사를 사용한 전산유체역학분석(RANS CFD analysis)을 수행하였다. 이 하중은 특히 복원성 수준 변동과 타 조작 순서의 효과를 모사할 때 세월호 선체의 일반적 항행 모델을 향상시키기 위해 사용되었다. 이러한 큰 횡경사 각도와 표류 조건에 대한 CFD 계산은 검증되지 않았으므로 그러한 조건에 대해 도출된 유체 역학적 하중은 주의해서 다루어야 한다. 이러한 고려에도 불구하고, 계산 결과는 세월호의 초기 복원성과 타각에 대한 민감도를 명확하게 나타낸다. 이러한 결과를 바탕으로, 화물 이동의 영향을 포함하여 지배적인 매개 변수를 더욱 상세하게 테스트하기위한 모형 시험 프로그램이 개발되었다.
이러한 목적으로 다섯 가지 능동 컨트롤 시스템을 갖춘 1:25 축척의 모형이 탄소 섬유로 만들어졌다. 이 모형은 자력 추진이 가능하며 자동항해조타 기능과 능동 핀 안정기를 갖추었다. 움직이는 화물들은 네 개의 질량 덩어리들을 각각 횡방향 트랙에 올려놓은 뒤 이들을 입력된 횡경사각에 따라 컴퓨터로 조종해 선형 모터로 움직이는 방식으로 모사하였다.
가능한 외력의 영향은 좌현의 핀 안정기를 수조 캐리지에 장착된 조종가능한 윈치에 가느다란 와이어로 연결함으로써 모사하였다. 이외에, 모형에는 추력(프로펠러 축의 회전력과 동력), 타각, 핀 안정기의 각, 네 개의 이동 가능한 중량물의 위치 변화, 윈치 와이어의 하중, 선박의 6 자유도 운동을 측정하기 위하여 센서와 데이터 수집 시스템이 장착되었다.
AIS가 수신한 세월호의 선수방위각은 부드러운 곡선에서 벗어나 있는 것으로 나타났다. 세월호 선체조사위원회의 외력 검증 TF는 이러한 AIS의 선수방위각 원자료로부터 극단적으로 높은 선회율(최대 초당 15 도)을 도출했다. 사고 지역에 어떠한 다른 배나 물체도 보고되지 않았고 지역의 수심이 약 40m 에 달했음에도 불구하고, 이러한 높은 선회율을 바탕으로 어떠한 외력이 사고의 원인일 수도 있다는 의견이 제시되었다.
이번 조사는 선체조사위원회의 관찰을 통해 얻어진 다음과 같은 질문들에 대하여 대답을 얻고자 했다.
- 세월호의 선회와 횡경사는 초기 횡복원성, 최초의 횡경사, 조류의 세기와 방향, 가해질 수 있는 외부하중에 얼마나 민감하게 반응하는가?
- 세월호의 어떠한 조건(항해 또는 선체의 상황)이 급선회와 화물이 움직이기 시작하는 임계횡경사각을 만들 수 있었는가?
- 화물의 이동이 횡경사에 어떤 영향을 미쳤는가?
- 좌현과 우현방향으로의 타의 움직임은 선회 중 횡경사에 어떤 영향을 미쳤는가?
- 조류의 방향과 세기는 선회와 횡경사에 어떤 영향을 미쳤는가?
- 빠른 침수는 어떻게 진행되었는가?
위와 같은 질문에 답하기 위하여 두 단계의 조사 프로그램이 수행되었다. 첫번째 단계에서 모형 선박은 추진되고 조타되며 선회하는 과정에서 45도까지 기운다. 두 번째 단계에서는 선박의 횡경사가 45 도인 상태에서 엔진이 꺼진 채 표류하다, 점진적으로 침수가 진행되고 전복된 뒤 결과적으로 침몰한다. 따라서 선회와 경사에 대한 조사는 침수에 대한 조사와 분리되었다.
2. 선회와 경사
2.1 실험 프로그램
세월호의 선회와 경사 행동은 수치 해석, 체계적인 모형 시험, 그리고 모의항해장치를 사용한 실시간 모의항해를 사용하여 조사되었다. 우선 선체에 가해지는 유체역학적 하중을 계산하기 위하여 최대 20 도의 횡경사각으로 표류하는 조건에서 세월호의 선체 모양에 대해 레이놀즈 평균 나비에-스톡스 모사를 사용한 전산유체역학분석(RANS CFD analysis)을 수행하였다. 이 하중은 특히 복원성 수준 변동과 타 조작 순서의 효과를 모사할 때 세월호 선체의 일반적 항행 모델을 향상시키기 위해 사용되었다. 이러한 큰 횡경사 각도와 표류 조건에 대한 CFD 계산은 검증되지 않았으므로 그러한 조건에 대해 도출된 유체 역학적 하중은 주의해서 다루어야 한다. 이러한 고려에도 불구하고, 계산 결과는 세월호의 초기 복원성과 타각에 대한 민감도를 명확하게 나타낸다. 이러한 결과를 바탕으로, 화물 이동의 영향을 포함하여 지배적인 매개 변수를 더욱 상세하게 테스트하기위한 모형 시험 프로그램이 개발되었다.
이러한 목적으로 다섯 가지 능동 컨트롤 시스템을 갖춘 1:25 축척의 모형이 탄소 섬유로 만들어졌다. 이 모형은 자력 추진이 가능하며 자동항해조타 기능과 능동 핀 안정기를 갖추었다. 움직이는 화물들은 네 개의 질량 덩어리들을 각각 횡방향 트랙에 올려놓은 뒤 이들을 입력된 횡경사각에 따라 컴퓨터로 조종해 선형 모터로 움직이는 방식으로 모사하였다.
가능한 외력의 영향은 좌현의 핀 안정기를 수조 캐리지에 장착된 조종가능한 윈치에 가느다란 와이어로 연결함으로써 모사하였다. 이외에, 모형에는 추력(프로펠러 축의 회전력과 동력), 타각, 핀 안정기의 각, 네 개의 이동 가능한 중량물의 위치 변화, 윈치 와이어의 하중, 선박의 6 자유도 운동을 측정하기 위하여 센서와 데이터 수집 시스템이 장착되었다.
Figure 3: Effective arm of stability GZ compared with initial stability GM
Figure 3: Effective arm of stability GZ compared with initial stability GM
그림3: 초기 복원력 GM과 비교한 유효 복원암 GZ
그림3: 초기 복원력 GM과 비교한 유효 복원암 GZ
As the transverse stability of Sewol during the accident was unknown, six levels of initial stability GM were defined by SIC for the tests. These ranged from GM = 0.60 m to GM = 0.01 m.
During the inclination tests of the model, it was noted that when the heeling angle exceeded 10 degrees, the restoring stability moment did not increase proportionally. In Figure 3 the effective stability arm GZ as function of heeling angle is presented. Up to 40 degrees of heel this effective arm is significantly lower than the initial stability value GM indicates. This is due to the shift of metacentre M caused by the 3-D geometry of the submerged hull. The hull of Sewol is characterised by a slender bow section and a wide aft body featuring large recess areas for the external ramps. This recess is flooded at 10 degrees heel.
The turning and heeling tests were conducted in MARIN’s Seakeeping and Manoeuvring Basin (170 x 40 x 5 m). The model was self-propelled and steered by autopilot. The only connection to the basin sub-carriage was the flexible power and signal cabling. The sub-carriage is able to move in transverse direction whereas the main carriage moves in longitudinal direction of the basin. By using the vessel position from the optical tracking system, the sub-carriage automatically followed the model in arbitrary horizontal directions (Figure 4).
During the inclination tests of the model, it was noted that when the heeling angle exceeded 10 degrees, the restoring stability moment did not increase proportionally. In Figure 3 the effective stability arm GZ as function of heeling angle is presented. Up to 40 degrees of heel this effective arm is significantly lower than the initial stability value GM indicates. This is due to the shift of metacentre M caused by the 3-D geometry of the submerged hull. The hull of Sewol is characterised by a slender bow section and a wide aft body featuring large recess areas for the external ramps. This recess is flooded at 10 degrees heel.
The turning and heeling tests were conducted in MARIN’s Seakeeping and Manoeuvring Basin (170 x 40 x 5 m). The model was self-propelled and steered by autopilot. The only connection to the basin sub-carriage was the flexible power and signal cabling. The sub-carriage is able to move in transverse direction whereas the main carriage moves in longitudinal direction of the basin. By using the vessel position from the optical tracking system, the sub-carriage automatically followed the model in arbitrary horizontal directions (Figure 4).
사고 중 세월호의 횡복원력이 알려지지 않았기 때문에 선체조사위원회는 실험을 위해 메타센터높이(GM)를 6단계로 정의하였다. 정의된 값들은 GM = 0.60 m부터 GM = 0.01 m 까지의 범위였다. 모형의 경사 시험 과정에서, 횡경사가 10 도를 초과하는 경우 복원 모멘트가 비례적으로 증가하지 않는다는 사실이 주목받았다. 그림 3 은 횡경사 각도에 따른 유효 복원암 GZ 의 변화를 보여준다. 최대 40 도의 경사각까지 복원암은 GM이 나타내는 초기 복원력 값보다 훨씬 작다. 이것은 침수된 세월호 선체의 3 차원 기하 구조로 인한 메타 센터 M의 이동 때문이다. 세월호는 선수부가 좁고 외부 램프를 위해 움푹 들어간 넓은 공간(recess)이 특징인 넓은 선미를 가지고 있다. 이 공간은 배가 10 도 기울었을 때 침수된다.
선회 및 경사 실험은 MARIN의 내항조종수조(170 x 40 x 5m)에서 시행되었다. 모형은 자동조타장치에 의해 자체 추진되고 조타되었다. 수조 하위 캐리지와 유일하게 연결된 부분은 유연한 전원 및 신호 케이블이었다. 하위 캐리지는 횡 방향으로 이동할 수 있는 반면, 메인 캐리지는 수조의 종 방향으로 이동한다. 하위 캐리지는 광학 추적 시스템이 측정한 선박의 위치를 사용하여 모형을 횡방향으로 자동으로 따라가도록 설계했다 (그림 4).
선회 및 경사 실험은 MARIN의 내항조종수조(170 x 40 x 5m)에서 시행되었다. 모형은 자동조타장치에 의해 자체 추진되고 조타되었다. 수조 하위 캐리지와 유일하게 연결된 부분은 유연한 전원 및 신호 케이블이었다. 하위 캐리지는 횡 방향으로 이동할 수 있는 반면, 메인 캐리지는 수조의 종 방향으로 이동한다. 하위 캐리지는 광학 추적 시스템이 측정한 선박의 위치를 사용하여 모형을 횡방향으로 자동으로 따라가도록 설계했다 (그림 4).
사고 중 세월호의 횡복원력이 알려지지 않았기 때문에 선체조사위원회는 실험을 위해 메타센터높이(GM)를 6단계로 정의하였다. 정의된 값들은 GM = 0.60 m부터 GM = 0.01 m 까지의 범위였다. 모형의 경사 시험 과정에서, 횡경사가 10 도를 초과하는 경우 복원 모멘트가 비례적으로 증가하지 않는다는 사실이 주목받았다. 그림 3 은 횡경사 각도에 따른 유효 복원암 GZ 의 변화를 보여준다. 최대 40 도의 경사각까지 복원암은 GM이 나타내는 초기 복원력 값보다 훨씬 작다. 이것은 침수된 세월호 선체의 3 차원 기하 구조로 인한 메타 센터 M의 이동 때문이다. 세월호는 선수부가 좁고 외부 램프를 위해 움푹 들어간 넓은 공간(recess)이 특징인 넓은 선미를 가지고 있다. 이 공간은 배가 10 도 기울었을 때 침수된다.
선회 및 경사 실험은 MARIN의 내항조종수조(170 x 40 x 5m)에서 시행되었다. 모형은 자동조타장치에 의해 자체 추진되고 조타되었다. 수조 하위 캐리지와 유일하게 연결된 부분은 유연한 전원 및 신호 케이블이었다. 하위 캐리지는 횡 방향으로 이동할 수 있는 반면, 메인 캐리지는 수조의 종 방향으로 이동한다. 하위 캐리지는 광학 추적 시스템이 측정한 선박의 위치를 사용하여 모형을 횡방향으로 자동으로 따라가도록 설계했다 (그림 4).
선회 및 경사 실험은 MARIN의 내항조종수조(170 x 40 x 5m)에서 시행되었다. 모형은 자동조타장치에 의해 자체 추진되고 조타되었다. 수조 하위 캐리지와 유일하게 연결된 부분은 유연한 전원 및 신호 케이블이었다. 하위 캐리지는 횡 방향으로 이동할 수 있는 반면, 메인 캐리지는 수조의 종 방향으로 이동한다. 하위 캐리지는 광학 추적 시스템이 측정한 선박의 위치를 사용하여 모형을 횡방향으로 자동으로 따라가도록 설계했다 (그림 4).
Figure 4: Sewol Model during Turning and Heeling tests
Figure 4: Sewol Model during Turning and Heeling tests
그림 4: 선회와 경사 시험 중인 세월호 모형
그림 4: 선회와 경사 시험 중인 세월호 모형
The test programme comprised speed-power tests, roll decay tests and standard manoeuvres such as zig-zag and turning circles to derive the manoeuvring characteristics of the vessel. The majority of the testing concerned the actual turning and heeling tests. Once the model had obtained the specified speed on a straight course, a sequence of rudder commands was given to the autopilot. More than 250 systematic variations in stability level, moving cargo weights, rudder angle sequences, propulsion and stabilising fin settings have been tested.
After analysis of the data and reporting of the results, SIC requested an additional test programme comprising more than 90 turning and heeling tests to investigate in further detail the effects of possible external forces, trim, pre-heel and initial vessel speed. These tests were conducted with the same model, test-set up and instrumentation.
2.2 RESULTS
Both the fast time manoeuvring simulations and model tests showed that the Sewol turning and heeling are strongly coupled. The turning of the vessel initiated by a rudder angle, inevitably leads to vessel heeling. As expected the maximum heel angle increased with decreasing transverse stability and increasing rudder angle. Approach speed had a similar effect on the ship motions; the yaw, yaw velocity, heel amplitude and rate of heel all increased. Heeling in a turn is thus governed by ship speed, rudder angle and the transverse stability (Figure 5).
The sliding and shifting of cargo obviously played a dominant role in the heeling and capsizing of Sewol. The heel angle threshold values as derived from the dash cams in the vehicles on board the ferry, were applied in the model tests including variations in delays, shifting speed and offsets. It was found that at a GM-value of 0.60 m the threshold value of 18 degrees was not reached even at high rudder angles. At a GM level of 0.06 m, this threshold was already reached at 5 degrees of rudder.
The model tests also demonstrated that trimming by the bow by 0.5 m, while maintaining the same vertical centre of gravity, results in a significant decrease of transverse stability. As illustrated by Figure 5 such trim by the bow results for a GM equal to 0.60 m in a heel of 25 degrees thus exceeding the 18 degrees threshold for cargo sliding. For an initial GM of 0.45 m the bow trim reduced the stability value to 0.23 m.
For low stability cases, the results of the turning tests proved to be sensitive for the starting conditions. A initial heel of 2 degrees to PS resulted in a different turn and heel than the run starting with 2 degrees inclination to SB.
After analysis of the data and reporting of the results, SIC requested an additional test programme comprising more than 90 turning and heeling tests to investigate in further detail the effects of possible external forces, trim, pre-heel and initial vessel speed. These tests were conducted with the same model, test-set up and instrumentation.
2.2 RESULTS
Both the fast time manoeuvring simulations and model tests showed that the Sewol turning and heeling are strongly coupled. The turning of the vessel initiated by a rudder angle, inevitably leads to vessel heeling. As expected the maximum heel angle increased with decreasing transverse stability and increasing rudder angle. Approach speed had a similar effect on the ship motions; the yaw, yaw velocity, heel amplitude and rate of heel all increased. Heeling in a turn is thus governed by ship speed, rudder angle and the transverse stability (Figure 5).
The sliding and shifting of cargo obviously played a dominant role in the heeling and capsizing of Sewol. The heel angle threshold values as derived from the dash cams in the vehicles on board the ferry, were applied in the model tests including variations in delays, shifting speed and offsets. It was found that at a GM-value of 0.60 m the threshold value of 18 degrees was not reached even at high rudder angles. At a GM level of 0.06 m, this threshold was already reached at 5 degrees of rudder.
The model tests also demonstrated that trimming by the bow by 0.5 m, while maintaining the same vertical centre of gravity, results in a significant decrease of transverse stability. As illustrated by Figure 5 such trim by the bow results for a GM equal to 0.60 m in a heel of 25 degrees thus exceeding the 18 degrees threshold for cargo sliding. For an initial GM of 0.45 m the bow trim reduced the stability value to 0.23 m.
For low stability cases, the results of the turning tests proved to be sensitive for the starting conditions. A initial heel of 2 degrees to PS resulted in a different turn and heel than the run starting with 2 degrees inclination to SB.
시험 프로그램은 속력-동력 시험, 횡경사 감쇄 시험, 그리고 선박의 기동 특성을 도출하기 위한 지그재그 및 원형 선회와 표준 조종 시험으로 구성되었다. 시험의 대부분은 실제 선회 및 경사 시험과 관련되어 있었다. 모형이 직선 코스에서 지정된 속도를 얻게 되면 일련의 방향타 명령이 자동 조타 장치에 전달되었다. 복원성 수준, 이동하는 화물 중량, 타각의 순서, 추진 및 핀 안정기의 설정에 있어 250 회 이상의 체계적 변화를 주어 실험하였다.
데이터 분석 및 결과보고 이후, 세월호 선체조사위원회는 가능한 외력의 영향, 트림, 초기 횡경사 및 초기 선박 속력의 영향을 보다 자세히 조사하기 위해 90 개 이상의 선회 및 경사 실험으로 구성된 추가 시험 프로그램을 요청했다. 이 시험들은 동일한 모형, 실험 설정, 기구로 수행되었다.
2.2 결과
고속 시간 모의실험과 모형 시험은 모두 세월호의 선회와 횡경사 사이에 강한 연관이 있음을 보여주었다. 타각에 의해 시작된 선회는 필연적으로 선박의 횡경사로 연결된다. 예상된 것과 같이 최대 횡경사각은 횡방향 복원력의 감소 및 타각의 증가와 함께 증가한다. 접근 속력 역시 선박의 움직임에 비슷한 효과를 보였다. 요(yaw), 요 속도, 경사 크기, 그리고 경사의 변화율이 모두 증가했다. 선회 중 경사는 따라서 배의 속도, 타각, 그리고 횡복원력에 의해 결정된다 (그림 5).
화물의 미끄러짐과 이동은 선박의 횡경사와 전복에 명백히 지배적인 역할을 하였다. 미끄러질 때의 횡경사 임계값은 선박에 실려있던 차량들의 블랙박스에서 추정하였고, 이 값에 지연, 미끄러짐 속도, 단차 변화를 주어 모형 실험에 사용하였다. GM값이 0.60m인 경우 큰 타각으로도 임계 횡경사값인 18 도에 도달하지 못했다. GM 값이 0.06m 인 경우 타각이 5 도만 되어도 모형은 임계값에 도달하였다.
모형 시험은 또한 같은 종방향 무게 중심을 유지할 때 0.5m 의 선수 트림이 상당한 횡복원성의 감소로 나타난다는 것을 입증하였다. 그림 5 에서 볼 수 있듯이, GM 값이 0.60m 인 상황에서 이러한 선수 트림은 화물 이동의 임계 횡경사각인 18 도를 넘는 횡경사 25 도의 결과값을 초래했다. 반면 본래의 선미 트림에서는 횡경사가 12 도만 생겼다. 초기 GM 값이 0.45m 인 경우 선수의 0.5m 트림은 복원성을 0.23m로 감소 시켰다.
복원성이 낮은 경우 선회 시험의 결과는 시작 조건에 민감한 것으로 판명되었다. 좌현 2 도의 초기 경사는 우현 2 도 경사 시작 조건과 상이한 선회 및 경사 결과를 보였다.
데이터 분석 및 결과보고 이후, 세월호 선체조사위원회는 가능한 외력의 영향, 트림, 초기 횡경사 및 초기 선박 속력의 영향을 보다 자세히 조사하기 위해 90 개 이상의 선회 및 경사 실험으로 구성된 추가 시험 프로그램을 요청했다. 이 시험들은 동일한 모형, 실험 설정, 기구로 수행되었다.
2.2 결과
고속 시간 모의실험과 모형 시험은 모두 세월호의 선회와 횡경사 사이에 강한 연관이 있음을 보여주었다. 타각에 의해 시작된 선회는 필연적으로 선박의 횡경사로 연결된다. 예상된 것과 같이 최대 횡경사각은 횡방향 복원력의 감소 및 타각의 증가와 함께 증가한다. 접근 속력 역시 선박의 움직임에 비슷한 효과를 보였다. 요(yaw), 요 속도, 경사 크기, 그리고 경사의 변화율이 모두 증가했다. 선회 중 경사는 따라서 배의 속도, 타각, 그리고 횡복원력에 의해 결정된다 (그림 5).
화물의 미끄러짐과 이동은 선박의 횡경사와 전복에 명백히 지배적인 역할을 하였다. 미끄러질 때의 횡경사 임계값은 선박에 실려있던 차량들의 블랙박스에서 추정하였고, 이 값에 지연, 미끄러짐 속도, 단차 변화를 주어 모형 실험에 사용하였다. GM값이 0.60m인 경우 큰 타각으로도 임계 횡경사값인 18 도에 도달하지 못했다. GM 값이 0.06m 인 경우 타각이 5 도만 되어도 모형은 임계값에 도달하였다.
모형 시험은 또한 같은 종방향 무게 중심을 유지할 때 0.5m 의 선수 트림이 상당한 횡복원성의 감소로 나타난다는 것을 입증하였다. 그림 5 에서 볼 수 있듯이, GM 값이 0.60m 인 상황에서 이러한 선수 트림은 화물 이동의 임계 횡경사각인 18 도를 넘는 횡경사 25 도의 결과값을 초래했다. 반면 본래의 선미 트림에서는 횡경사가 12 도만 생겼다. 초기 GM 값이 0.45m 인 경우 선수의 0.5m 트림은 복원성을 0.23m로 감소 시켰다.
복원성이 낮은 경우 선회 시험의 결과는 시작 조건에 민감한 것으로 판명되었다. 좌현 2 도의 초기 경사는 우현 2 도 경사 시작 조건과 상이한 선회 및 경사 결과를 보였다.
시험 프로그램은 속력-동력 시험, 횡경사 감쇄 시험, 그리고 선박의 기동 특성을 도출하기 위한 지그재그 및 원형 선회와 표준 조종 시험으로 구성되었다. 시험의 대부분은 실제 선회 및 경사 시험과 관련되어 있었다. 모형이 직선 코스에서 지정된 속도를 얻게 되면 일련의 방향타 명령이 자동 조타 장치에 전달되었다. 복원성 수준, 이동하는 화물 중량, 타각의 순서, 추진 및 핀 안정기의 설정에 있어 250 회 이상의 체계적 변화를 주어 실험하였다.
데이터 분석 및 결과보고 이후, 세월호 선체조사위원회는 가능한 외력의 영향, 트림, 초기 횡경사 및 초기 선박 속력의 영향을 보다 자세히 조사하기 위해 90 개 이상의 선회 및 경사 실험으로 구성된 추가 시험 프로그램을 요청했다. 이 시험들은 동일한 모형, 실험 설정, 기구로 수행되었다.
2.2 결과
고속 시간 모의실험과 모형 시험은 모두 세월호의 선회와 횡경사 사이에 강한 연관이 있음을 보여주었다. 타각에 의해 시작된 선회는 필연적으로 선박의 횡경사로 연결된다. 예상된 것과 같이 최대 횡경사각은 횡방향 복원력의 감소 및 타각의 증가와 함께 증가한다. 접근 속력 역시 선박의 움직임에 비슷한 효과를 보였다. 요(yaw), 요 속도, 경사 크기, 그리고 경사의 변화율이 모두 증가했다. 선회 중 경사는 따라서 배의 속도, 타각, 그리고 횡복원력에 의해 결정된다 (그림 5).
화물의 미끄러짐과 이동은 선박의 횡경사와 전복에 명백히 지배적인 역할을 하였다. 미끄러질 때의 횡경사 임계값은 선박에 실려있던 차량들의 블랙박스에서 추정하였고, 이 값에 지연, 미끄러짐 속도, 단차 변화를 주어 모형 실험에 사용하였다. GM값이 0.60m인 경우 큰 타각으로도 임계 횡경사값인 18 도에 도달하지 못했다. GM 값이 0.06m 인 경우 타각이 5 도만 되어도 모형은 임계값에 도달하였다.
모형 시험은 또한 같은 종방향 무게 중심을 유지할 때 0.5m 의 선수 트림이 상당한 횡복원성의 감소로 나타난다는 것을 입증하였다. 그림 5 에서 볼 수 있듯이, GM 값이 0.60m 인 상황에서 이러한 선수 트림은 화물 이동의 임계 횡경사각인 18 도를 넘는 횡경사 25 도의 결과값을 초래했다. 반면 본래의 선미 트림에서는 횡경사가 12 도만 생겼다. 초기 GM 값이 0.45m 인 경우 선수의 0.5m 트림은 복원성을 0.23m로 감소 시켰다.
복원성이 낮은 경우 선회 시험의 결과는 시작 조건에 민감한 것으로 판명되었다. 좌현 2 도의 초기 경사는 우현 2 도 경사 시작 조건과 상이한 선회 및 경사 결과를 보였다.
데이터 분석 및 결과보고 이후, 세월호 선체조사위원회는 가능한 외력의 영향, 트림, 초기 횡경사 및 초기 선박 속력의 영향을 보다 자세히 조사하기 위해 90 개 이상의 선회 및 경사 실험으로 구성된 추가 시험 프로그램을 요청했다. 이 시험들은 동일한 모형, 실험 설정, 기구로 수행되었다.
2.2 결과
고속 시간 모의실험과 모형 시험은 모두 세월호의 선회와 횡경사 사이에 강한 연관이 있음을 보여주었다. 타각에 의해 시작된 선회는 필연적으로 선박의 횡경사로 연결된다. 예상된 것과 같이 최대 횡경사각은 횡방향 복원력의 감소 및 타각의 증가와 함께 증가한다. 접근 속력 역시 선박의 움직임에 비슷한 효과를 보였다. 요(yaw), 요 속도, 경사 크기, 그리고 경사의 변화율이 모두 증가했다. 선회 중 경사는 따라서 배의 속도, 타각, 그리고 횡복원력에 의해 결정된다 (그림 5).
화물의 미끄러짐과 이동은 선박의 횡경사와 전복에 명백히 지배적인 역할을 하였다. 미끄러질 때의 횡경사 임계값은 선박에 실려있던 차량들의 블랙박스에서 추정하였고, 이 값에 지연, 미끄러짐 속도, 단차 변화를 주어 모형 실험에 사용하였다. GM값이 0.60m인 경우 큰 타각으로도 임계 횡경사값인 18 도에 도달하지 못했다. GM 값이 0.06m 인 경우 타각이 5 도만 되어도 모형은 임계값에 도달하였다.
모형 시험은 또한 같은 종방향 무게 중심을 유지할 때 0.5m 의 선수 트림이 상당한 횡복원성의 감소로 나타난다는 것을 입증하였다. 그림 5 에서 볼 수 있듯이, GM 값이 0.60m 인 상황에서 이러한 선수 트림은 화물 이동의 임계 횡경사각인 18 도를 넘는 횡경사 25 도의 결과값을 초래했다. 반면 본래의 선미 트림에서는 횡경사가 12 도만 생겼다. 초기 GM 값이 0.45m 인 경우 선수의 0.5m 트림은 복원성을 0.23m로 감소 시켰다.
복원성이 낮은 경우 선회 시험의 결과는 시작 조건에 민감한 것으로 판명되었다. 좌현 2 도의 초기 경사는 우현 2 도 경사 시작 조건과 상이한 선회 및 경사 결과를 보였다.
Figure 5: Influence of rudder and trim on heeling angle
Figure 5: Influence of rudder and trim on heeling angle
그림5: 타각과 트림이 횡경사에 미치는 영향
그림5: 타각과 트림이 횡경사에 미치는 영향
As illustrated by Figure 6, several combinations of low transverse stability (GM between 0.1 and 0.3) and rudder angles (10 to 25 degrees) can result in a track which resembles the recorded AIS track of the vessel.
그림 6에서 보이는 것과 같이, 낮은 횡복원성(0.1과 0.3 사이의 GM 값)과 타각(10 에서 25 도 사이)의 여러 조합들이 기록된 세월호의 AIS 항적과 유사한 항적을 보인다.
그림 6에서 보이는 것과 같이, 낮은 횡복원성(0.1과 0.3 사이의 GM 값)과 타각(10 에서 25 도 사이)의 여러 조합들이 기록된 세월호의 AIS 항적과 유사한 항적을 보인다.
Figure 6: Model test results for GM2C (Left) and GM4B (Right) compared with AIS-track (red)
Figure 6: Model test results for GM2C (Left) and GM4B (Right) compared with AIS-track (red)
그림 6: GM2C 에 대한 모형 시험 결과(왼쪽) 및 GM4B 결과(오른쪽)과 AIS 항적의 비교(적색)
그림 6: GM2C 에 대한 모형 시험 결과(왼쪽) 및 GM4B 결과(오른쪽)과 AIS 항적의 비교(적색)
2.3 EXTERNAL FORCE
On request of SIC specific analysis and tests were conducted to investigate the effect of possible external forces on the rate of turn and the heeling of the vessel. Some derivation of the Rate of Turn from the AIS heading samples by the External Force Task Force within SIC, suggested extreme RoT values up to 15 degr/sec. RANS CFD analysis were conducted to compute the hydrodynamic forces acting on the vessel for such high rates of turn. To induce a RoT of 15 degr/s the analysis showed that an external force should have a magnitude in the order of 26 000 tonf. As the shaft of the stabilising fin of Sewol did not sustain bending damage, it was agreed for the model tests to limit the magnitude of the external force to the yielding limit of the fin shaft which corresponds to a force of approx. 260 tonf.
In the turning and heeling tests this external force was applied by a carriage mounted winch via a thin wire connected to the port fin shaft. Extensive tests have been conducted for various combinations of winch force, direction and duration.
The maximum rate of turn achieved during those tests was 2.7 degr/s. This value was obtained using a winch force that increased the rate of turn but at the same time decreased the heel angle. None of the model tests resulted in the high rates of turn derived by The External Force Task Force within SIC from raw AIS heading data.
2.4 HUMAN FACTOR
To investigate the effect of human intervention in the turning and heeling of Sewol, a part of the investigation was conducted on MARIN’s nautical simulator. In this full mission simulator, with 360 degrees surrounding view, the manoeuvring model was used at real time and received input from the helm and power settings controlled by the helms man and captain in a full mock-up of the wheelhouse. Although the ship motions are only included in the outside view whereas the wheelhouse maintains a horizontal orientation, up to some 10 degrees of heel the simulator provides a realistic experience for the ship officers. The runs were conducted by experienced master mariners including members of SIC, assisted by a helmsman (Figure 7).
On the simulator various rudder commands were tested at the different levels of transverse stability. The resulting tracks were compared with the AIS positions received from Sewol. The simulator runs proved that even in the condition with extreme low initial stability (GM = 0.01 m), the vessel at 17 knots of speed was still controllable.
On request of SIC specific analysis and tests were conducted to investigate the effect of possible external forces on the rate of turn and the heeling of the vessel. Some derivation of the Rate of Turn from the AIS heading samples by the External Force Task Force within SIC, suggested extreme RoT values up to 15 degr/sec. RANS CFD analysis were conducted to compute the hydrodynamic forces acting on the vessel for such high rates of turn. To induce a RoT of 15 degr/s the analysis showed that an external force should have a magnitude in the order of 26 000 tonf. As the shaft of the stabilising fin of Sewol did not sustain bending damage, it was agreed for the model tests to limit the magnitude of the external force to the yielding limit of the fin shaft which corresponds to a force of approx. 260 tonf.
In the turning and heeling tests this external force was applied by a carriage mounted winch via a thin wire connected to the port fin shaft. Extensive tests have been conducted for various combinations of winch force, direction and duration.
The maximum rate of turn achieved during those tests was 2.7 degr/s. This value was obtained using a winch force that increased the rate of turn but at the same time decreased the heel angle. None of the model tests resulted in the high rates of turn derived by The External Force Task Force within SIC from raw AIS heading data.
2.4 HUMAN FACTOR
To investigate the effect of human intervention in the turning and heeling of Sewol, a part of the investigation was conducted on MARIN’s nautical simulator. In this full mission simulator, with 360 degrees surrounding view, the manoeuvring model was used at real time and received input from the helm and power settings controlled by the helms man and captain in a full mock-up of the wheelhouse. Although the ship motions are only included in the outside view whereas the wheelhouse maintains a horizontal orientation, up to some 10 degrees of heel the simulator provides a realistic experience for the ship officers. The runs were conducted by experienced master mariners including members of SIC, assisted by a helmsman (Figure 7).
On the simulator various rudder commands were tested at the different levels of transverse stability. The resulting tracks were compared with the AIS positions received from Sewol. The simulator runs proved that even in the condition with extreme low initial stability (GM = 0.01 m), the vessel at 17 knots of speed was still controllable.
2.3 외력
선체조사위원회의 요청에 따라 가능한 외력들이 선박의 선회율과 경사에 미치는 영향을 조사하기 위한 특정한 분석과 실험이 수행되었다. 선체조사위원회 내의 외력 검증 TF가 AIS 선수방위각 자료로부터 도출한 선회율은 최대 초당 15도에 달하는 선회율 값을 제시한다. 이러한 높은 선회율에서 선체에 작용하는 유체 역학적 힘을 계산하기 위해 RANS CFD 분석을 수행하였다. 이 분석에 따르면 초당 15 도의 선회율을 위해서 필요한 외력의 크기는 26,000 tonf 정도가 되어야 한다. 세월호의 핀
안정기 축에는 구부러진 손상이 없었으므로, 모형 시험에 적용할 외력의 크기를 핀 안정기의 항복 응력(yielding limit)인 260 tonf 정도로 제한하기로 하였다.
선회 및 경사 실험에서 이 외력은 좌현 핀 샤프트를 캐리지가 장착된 윈치에 가는 와이어를 사용해 연결하는 방식으로 가해졌다. 윈치 힘, 방향 및 지속 시간을 다양하게 조합하여 광범위한 실험을 수행하였다.
시험에서 달성된 최대 선회율은 초당 2.7 도였다. 이 값을 얻기 위해 사용된 윈치 힘은 선회율을 증가시키기는 했지만 동시에 횡경사각을 감소시켰다. 어떠한 모형 시험도 AIS 선수방위각 원자료로부터 선체조사위원회 외력 검증 TF가 도출한 높은 선회율을 보이지 않았다.
2.4 인적 요소
세월호의 선회와 경사에 인적 개입이 미치는 영향을 조사하기 위해 조사의 일부는 항해의 전 과정을 모사하며 360 도의 주변 시야를 제공하는 마린의 모의항해장치에서 수행되었다. 항해 모형은 모의 조타실에서 조타수와 선장이 제어하는 조타장치와 동력 설정을 실시간으로 입력받았다. 비록 선박의 움직임은 외부 경관에만 적용되어 조타실은 수평을 유지하였지만, 최대 10 도의 횡경사까지는 모의항해장치가 선원들에게 현실적인 경험을 제공할 수 있다. 모의 항해는 선체조사위원회 조사관을 포함한 숙련된 선장들이 조타수의 조력을 받아 수행했다 (그림 7).
모의항해장치에서 다양한 조타 명령이 여러 단계의 횡방향 복원성에서 시험되었다. 이 결과와 세월호의 AIS 항적이 비교되었고, 여기에 더해 선박의 선회율이 보정된 AIS 데이터에서 얻은 데이터와 비교되었다. 모의 항해는 GM 값이 0.01 인 극도로 낮은 초기 복원성 상태에서도 17 노트로 항해하는 선박이 여전히 조종 가능하다는 것을 증명했다.
선체조사위원회의 요청에 따라 가능한 외력들이 선박의 선회율과 경사에 미치는 영향을 조사하기 위한 특정한 분석과 실험이 수행되었다. 선체조사위원회 내의 외력 검증 TF가 AIS 선수방위각 자료로부터 도출한 선회율은 최대 초당 15도에 달하는 선회율 값을 제시한다. 이러한 높은 선회율에서 선체에 작용하는 유체 역학적 힘을 계산하기 위해 RANS CFD 분석을 수행하였다. 이 분석에 따르면 초당 15 도의 선회율을 위해서 필요한 외력의 크기는 26,000 tonf 정도가 되어야 한다. 세월호의 핀
안정기 축에는 구부러진 손상이 없었으므로, 모형 시험에 적용할 외력의 크기를 핀 안정기의 항복 응력(yielding limit)인 260 tonf 정도로 제한하기로 하였다.
선회 및 경사 실험에서 이 외력은 좌현 핀 샤프트를 캐리지가 장착된 윈치에 가는 와이어를 사용해 연결하는 방식으로 가해졌다. 윈치 힘, 방향 및 지속 시간을 다양하게 조합하여 광범위한 실험을 수행하였다.
시험에서 달성된 최대 선회율은 초당 2.7 도였다. 이 값을 얻기 위해 사용된 윈치 힘은 선회율을 증가시키기는 했지만 동시에 횡경사각을 감소시켰다. 어떠한 모형 시험도 AIS 선수방위각 원자료로부터 선체조사위원회 외력 검증 TF가 도출한 높은 선회율을 보이지 않았다.
2.4 인적 요소
세월호의 선회와 경사에 인적 개입이 미치는 영향을 조사하기 위해 조사의 일부는 항해의 전 과정을 모사하며 360 도의 주변 시야를 제공하는 마린의 모의항해장치에서 수행되었다. 항해 모형은 모의 조타실에서 조타수와 선장이 제어하는 조타장치와 동력 설정을 실시간으로 입력받았다. 비록 선박의 움직임은 외부 경관에만 적용되어 조타실은 수평을 유지하였지만, 최대 10 도의 횡경사까지는 모의항해장치가 선원들에게 현실적인 경험을 제공할 수 있다. 모의 항해는 선체조사위원회 조사관을 포함한 숙련된 선장들이 조타수의 조력을 받아 수행했다 (그림 7).
모의항해장치에서 다양한 조타 명령이 여러 단계의 횡방향 복원성에서 시험되었다. 이 결과와 세월호의 AIS 항적이 비교되었고, 여기에 더해 선박의 선회율이 보정된 AIS 데이터에서 얻은 데이터와 비교되었다. 모의 항해는 GM 값이 0.01 인 극도로 낮은 초기 복원성 상태에서도 17 노트로 항해하는 선박이 여전히 조종 가능하다는 것을 증명했다.
2.3 외력
선체조사위원회의 요청에 따라 가능한 외력들이 선박의 선회율과 경사에 미치는 영향을 조사하기 위한 특정한 분석과 실험이 수행되었다. 선체조사위원회 내의 외력 검증 TF가 AIS 선수방위각 자료로부터 도출한 선회율은 최대 초당 15도에 달하는 선회율 값을 제시한다. 이러한 높은 선회율에서 선체에 작용하는 유체 역학적 힘을 계산하기 위해 RANS CFD 분석을 수행하였다. 이 분석에 따르면 초당 15 도의 선회율을 위해서 필요한 외력의 크기는 26,000 tonf 정도가 되어야 한다. 세월호의 핀
안정기 축에는 구부러진 손상이 없었으므로, 모형 시험에 적용할 외력의 크기를 핀 안정기의 항복 응력(yielding limit)인 260 tonf 정도로 제한하기로 하였다.
선회 및 경사 실험에서 이 외력은 좌현 핀 샤프트를 캐리지가 장착된 윈치에 가는 와이어를 사용해 연결하는 방식으로 가해졌다. 윈치 힘, 방향 및 지속 시간을 다양하게 조합하여 광범위한 실험을 수행하였다.
시험에서 달성된 최대 선회율은 초당 2.7 도였다. 이 값을 얻기 위해 사용된 윈치 힘은 선회율을 증가시키기는 했지만 동시에 횡경사각을 감소시켰다. 어떠한 모형 시험도 AIS 선수방위각 원자료로부터 선체조사위원회 외력 검증 TF가 도출한 높은 선회율을 보이지 않았다.
2.4 인적 요소
세월호의 선회와 경사에 인적 개입이 미치는 영향을 조사하기 위해 조사의 일부는 항해의 전 과정을 모사하며 360 도의 주변 시야를 제공하는 마린의 모의항해장치에서 수행되었다. 항해 모형은 모의 조타실에서 조타수와 선장이 제어하는 조타장치와 동력 설정을 실시간으로 입력받았다. 비록 선박의 움직임은 외부 경관에만 적용되어 조타실은 수평을 유지하였지만, 최대 10 도의 횡경사까지는 모의항해장치가 선원들에게 현실적인 경험을 제공할 수 있다. 모의 항해는 선체조사위원회 조사관을 포함한 숙련된 선장들이 조타수의 조력을 받아 수행했다 (그림 7).
모의항해장치에서 다양한 조타 명령이 여러 단계의 횡방향 복원성에서 시험되었다. 이 결과와 세월호의 AIS 항적이 비교되었고, 여기에 더해 선박의 선회율이 보정된 AIS 데이터에서 얻은 데이터와 비교되었다. 모의 항해는 GM 값이 0.01 인 극도로 낮은 초기 복원성 상태에서도 17 노트로 항해하는 선박이 여전히 조종 가능하다는 것을 증명했다.
선체조사위원회의 요청에 따라 가능한 외력들이 선박의 선회율과 경사에 미치는 영향을 조사하기 위한 특정한 분석과 실험이 수행되었다. 선체조사위원회 내의 외력 검증 TF가 AIS 선수방위각 자료로부터 도출한 선회율은 최대 초당 15도에 달하는 선회율 값을 제시한다. 이러한 높은 선회율에서 선체에 작용하는 유체 역학적 힘을 계산하기 위해 RANS CFD 분석을 수행하였다. 이 분석에 따르면 초당 15 도의 선회율을 위해서 필요한 외력의 크기는 26,000 tonf 정도가 되어야 한다. 세월호의 핀
안정기 축에는 구부러진 손상이 없었으므로, 모형 시험에 적용할 외력의 크기를 핀 안정기의 항복 응력(yielding limit)인 260 tonf 정도로 제한하기로 하였다.
선회 및 경사 실험에서 이 외력은 좌현 핀 샤프트를 캐리지가 장착된 윈치에 가는 와이어를 사용해 연결하는 방식으로 가해졌다. 윈치 힘, 방향 및 지속 시간을 다양하게 조합하여 광범위한 실험을 수행하였다.
시험에서 달성된 최대 선회율은 초당 2.7 도였다. 이 값을 얻기 위해 사용된 윈치 힘은 선회율을 증가시키기는 했지만 동시에 횡경사각을 감소시켰다. 어떠한 모형 시험도 AIS 선수방위각 원자료로부터 선체조사위원회 외력 검증 TF가 도출한 높은 선회율을 보이지 않았다.
2.4 인적 요소
세월호의 선회와 경사에 인적 개입이 미치는 영향을 조사하기 위해 조사의 일부는 항해의 전 과정을 모사하며 360 도의 주변 시야를 제공하는 마린의 모의항해장치에서 수행되었다. 항해 모형은 모의 조타실에서 조타수와 선장이 제어하는 조타장치와 동력 설정을 실시간으로 입력받았다. 비록 선박의 움직임은 외부 경관에만 적용되어 조타실은 수평을 유지하였지만, 최대 10 도의 횡경사까지는 모의항해장치가 선원들에게 현실적인 경험을 제공할 수 있다. 모의 항해는 선체조사위원회 조사관을 포함한 숙련된 선장들이 조타수의 조력을 받아 수행했다 (그림 7).
모의항해장치에서 다양한 조타 명령이 여러 단계의 횡방향 복원성에서 시험되었다. 이 결과와 세월호의 AIS 항적이 비교되었고, 여기에 더해 선박의 선회율이 보정된 AIS 데이터에서 얻은 데이터와 비교되었다. 모의 항해는 GM 값이 0.01 인 극도로 낮은 초기 복원성 상태에서도 17 노트로 항해하는 선박이 여전히 조종 가능하다는 것을 증명했다.
Figure 7: Run on the nautical simulator
Figure 7: Run on the nautical simulator
그림 7: 모의항해장치를 사용한 시뮬레이션
그림 7: 모의항해장치를 사용한 시뮬레이션
3. FLOODING AND SINKING
3.1 TEST PROGRAMME
The second stage of the Sewol disaster concerned the time that the vessel listed 45 degrees with the engines stopped and seawater started to flood the vessel. This stage was investigated with model tests in both captive mode and in free floating mode. The flooding process was also simulated by means of a computer model.
To model the watertight compartments, tanks, interior volumes, permeability as well as the inflow opening, hatches, cases and watertight doors (Figure 8), a dedicated 1:30 model was manufactured. The model was built in carbon fibre to accommodate the interior volumes correctly, to provide sufficient strength and at the same time keep the mass to a minimum to allow for displacement and stability correcting weights (Figure 9).
3.1 TEST PROGRAMME
The second stage of the Sewol disaster concerned the time that the vessel listed 45 degrees with the engines stopped and seawater started to flood the vessel. This stage was investigated with model tests in both captive mode and in free floating mode. The flooding process was also simulated by means of a computer model.
To model the watertight compartments, tanks, interior volumes, permeability as well as the inflow opening, hatches, cases and watertight doors (Figure 8), a dedicated 1:30 model was manufactured. The model was built in carbon fibre to accommodate the interior volumes correctly, to provide sufficient strength and at the same time keep the mass to a minimum to allow for displacement and stability correcting weights (Figure 9).
3. 침수와 침몰
3.1 시험 프로그램
세월호 참사의 두번째 단계는 횡경사각이 45도에 도달한 뒤 엔진이 멈추고 침수가 시작된 시점과 관련되어 있다. 이 두번째 단계는 구속 모형과 자유 침수 모형을 모두 사용한 모형 시험으로 조사되었다. 침수 과정은 또한 컴퓨터 모델로도 모사되었다.
유입구, 해치, 통풍구, 수밀문과 함께 수밀 구역, 탱크, 내부 용적, 침수율을 모사하기 위해(그림 8) 30 분의 1 크기의 별도 모형이 만들어졌다. 이 모형은 내부 용적을 정확하게 표현하고 충분한 강성을 제공하면서도, 부력과 복원력이 무게를 보정하는 것을 감안하여 무게를 최소화하기 위해 탄소 섬유로 제작되었다.
3.1 시험 프로그램
세월호 참사의 두번째 단계는 횡경사각이 45도에 도달한 뒤 엔진이 멈추고 침수가 시작된 시점과 관련되어 있다. 이 두번째 단계는 구속 모형과 자유 침수 모형을 모두 사용한 모형 시험으로 조사되었다. 침수 과정은 또한 컴퓨터 모델로도 모사되었다.
유입구, 해치, 통풍구, 수밀문과 함께 수밀 구역, 탱크, 내부 용적, 침수율을 모사하기 위해(그림 8) 30 분의 1 크기의 별도 모형이 만들어졌다. 이 모형은 내부 용적을 정확하게 표현하고 충분한 강성을 제공하면서도, 부력과 복원력이 무게를 보정하는 것을 감안하여 무게를 최소화하기 위해 탄소 섬유로 제작되었다.
3. 침수와 침몰
3.1 시험 프로그램
세월호 참사의 두번째 단계는 횡경사각이 45도에 도달한 뒤 엔진이 멈추고 침수가 시작된 시점과 관련되어 있다. 이 두번째 단계는 구속 모형과 자유 침수 모형을 모두 사용한 모형 시험으로 조사되었다. 침수 과정은 또한 컴퓨터 모델로도 모사되었다.
유입구, 해치, 통풍구, 수밀문과 함께 수밀 구역, 탱크, 내부 용적, 침수율을 모사하기 위해(그림 8) 30 분의 1 크기의 별도 모형이 만들어졌다. 이 모형은 내부 용적을 정확하게 표현하고 충분한 강성을 제공하면서도, 부력과 복원력이 무게를 보정하는 것을 감안하여 무게를 최소화하기 위해 탄소 섬유로 제작되었다.
3.1 시험 프로그램
세월호 참사의 두번째 단계는 횡경사각이 45도에 도달한 뒤 엔진이 멈추고 침수가 시작된 시점과 관련되어 있다. 이 두번째 단계는 구속 모형과 자유 침수 모형을 모두 사용한 모형 시험으로 조사되었다. 침수 과정은 또한 컴퓨터 모델로도 모사되었다.
유입구, 해치, 통풍구, 수밀문과 함께 수밀 구역, 탱크, 내부 용적, 침수율을 모사하기 위해(그림 8) 30 분의 1 크기의 별도 모형이 만들어졌다. 이 모형은 내부 용적을 정확하게 표현하고 충분한 강성을 제공하면서도, 부력과 복원력이 무게를 보정하는 것을 감안하여 무게를 최소화하기 위해 탄소 섬유로 제작되었다.
Figure 8: Schematic overview of the watertight division
Figure 8: Schematic overview of the watertight division
그림8: 수밀구역의 개관적 도식
그림8: 수밀구역의 개관적 도식
Since sufficient time stamped images of the actual vessel during flooding and sinking were made from assisting boats and helicopters, the positions and orientations of the vessel during the flooding process were known. This information enabled the execution of captive model tests where the motions of the vessel were forced by means of a 6 degrees of freedom actuator arm called ‘hexapod’ as shown in Figure 9.
In nature there should be a balance between the water ingress and the position and orientation of the vessel. By measuring the forces imposed by the hexapod on the model to obtain the known track, a check on the volume and speed of water ingress could be made. In this way various flooding openings and progress could be tested. Once the flooding openings were sufficiently accurately established, the same model was used for flooding and sinking tests in free drifting condition.
In nature there should be a balance between the water ingress and the position and orientation of the vessel. By measuring the forces imposed by the hexapod on the model to obtain the known track, a check on the volume and speed of water ingress could be made. In this way various flooding openings and progress could be tested. Once the flooding openings were sufficiently accurately established, the same model was used for flooding and sinking tests in free drifting condition.
침수와 침몰이 일어나는 동안 주위의 선박과 헬리콥터들이 시간 정보가 담긴 사진을 많이 찍어두었기 때문에, 침수 과정에서 선박의 위치와 방위는 알려져 있었다. 정보는 선박의 움직임을 그림 3-9 와 같이 ‘헥사포드’라고 불리는 6 방향으로 자유롭게 움직이는 축을 사용하여 조종하는 구속 모형 시험의 수행을 가능하게 했다.
자연상태에서는 해수의 침투와 선박의 위치 및 방위 사이에 균형이 이루어져야 한다. 알려진 경로를 얻기 위해 헥사포드가 모형에 가해야 하는 힘을 측정함으로써 침수 규모와 속도의 확인이 가능하다. 이와 같은 방법으로 다양한 침수 개구부와 침수 진행 상황을 확인 할 수 있었다. 침수 개구부들을 충분히 정확하게 결정한 다음에는 같은 모형을 사용해 자유 표류 조건에서 침수와 침몰 시험을 수행하였다.
자연상태에서는 해수의 침투와 선박의 위치 및 방위 사이에 균형이 이루어져야 한다. 알려진 경로를 얻기 위해 헥사포드가 모형에 가해야 하는 힘을 측정함으로써 침수 규모와 속도의 확인이 가능하다. 이와 같은 방법으로 다양한 침수 개구부와 침수 진행 상황을 확인 할 수 있었다. 침수 개구부들을 충분히 정확하게 결정한 다음에는 같은 모형을 사용해 자유 표류 조건에서 침수와 침몰 시험을 수행하였다.
침수와 침몰이 일어나는 동안 주위의 선박과 헬리콥터들이 시간 정보가 담긴 사진을 많이 찍어두었기 때문에, 침수 과정에서 선박의 위치와 방위는 알려져 있었다. 정보는 선박의 움직임을 그림 3-9 와 같이 ‘헥사포드’라고 불리는 6 방향으로 자유롭게 움직이는 축을 사용하여 조종하는 구속 모형 시험의 수행을 가능하게 했다.
자연상태에서는 해수의 침투와 선박의 위치 및 방위 사이에 균형이 이루어져야 한다. 알려진 경로를 얻기 위해 헥사포드가 모형에 가해야 하는 힘을 측정함으로써 침수 규모와 속도의 확인이 가능하다. 이와 같은 방법으로 다양한 침수 개구부와 침수 진행 상황을 확인 할 수 있었다. 침수 개구부들을 충분히 정확하게 결정한 다음에는 같은 모형을 사용해 자유 표류 조건에서 침수와 침몰 시험을 수행하였다.
자연상태에서는 해수의 침투와 선박의 위치 및 방위 사이에 균형이 이루어져야 한다. 알려진 경로를 얻기 위해 헥사포드가 모형에 가해야 하는 힘을 측정함으로써 침수 규모와 속도의 확인이 가능하다. 이와 같은 방법으로 다양한 침수 개구부와 침수 진행 상황을 확인 할 수 있었다. 침수 개구부들을 충분히 정확하게 결정한 다음에는 같은 모형을 사용해 자유 표류 조건에서 침수와 침몰 시험을 수행하였다.
Figure 9: Model and test set up for the captive flooding
Figure 9: Model and test set up for the captive flooding
그림9: 구속침수를 위한 모형과 시험 구성
그림9: 구속침수를 위한 모형과 시험 구성
To avoid scale effects due to the compression of air inside the model, the tests were conducted the Depressurised Wave Basin where the air pressure was lowered to 1/30 atmosphere. Free drifting flooding and sinking tests were also conducted in the harbour of the basin as well as in the Shallow Water Basin under atmospheric conditions (Figure 10). In this way the effect of the depressurised environment could be investigated.
모형 안의 공기 압축으로 인한 척도 효과를 피하기 위해, 시험은 공기압을 대기압의 30 분의 1 로 줄일 수 있는 감압수조(그림 10)에서 진행되었다. 또한 몇번의 자유 침수 및 침몰 시험이 이 감압수조의 항구와 천해 수조에서 대기압 조건으로 이루어졌다. 이 방법으로 감압 환경의 영향이 조사될 수 있었다.
모형 안의 공기 압축으로 인한 척도 효과를 피하기 위해, 시험은 공기압을 대기압의 30 분의 1 로 줄일 수 있는 감압수조(그림 10)에서 진행되었다. 또한 몇번의 자유 침수 및 침몰 시험이 이 감압수조의 항구와 천해 수조에서 대기압 조건으로 이루어졌다. 이 방법으로 감압 환경의 영향이 조사될 수 있었다.
Figure 10: Flooding tests in free drifting condition
Figure 10: Flooding tests in free drifting condition
그림10: 자유 표류 조건에서의 침몰 시험
그림10: 자유 표류 조건에서의 침몰 시험
The model tests were accompanied by numerical flooding simulations. For this purpose a 3-D geometry model of Sewol was developed and implemented in a numerical flooding simulation model. This computer code was validated against the results of the model tests and then applied to check additional flooding scenarios (Figure 11).
3.2 RESULTS
The flooding investigation focussed on two scenarios: in the ‘C-deck’-scenario, at 45 degrees of heel, water ingresses through the louver vent opening at the C-deck (indicated in Figure 1) and starts to flood this deck. At 48 degrees of heel, the open window at the C-deck increases the inflow of water. Subsequently also the other decks are flooded and the vessel further capsizes and sinks.
In the second scenario, the water flowing in through the C-deck louver vent opening follows the vent casing to the stabiliser room. Subsequently this water flows into the engine room through the watertight door which was not closed at the time. This ‘stabiliser room’- scenario proofed less sensitive for small changes in the loading condition and its longitudinal centre of gravity is closer to the specified value.
Therefore it was concluded that the ‘stabiliser room’ scenario is more likely than the ‘C-deck’ scenario.
In contrast with expectations, it was found that the speed of heeling in depressurised environment was slower than in atmospheric condition. The measurements however indicated that the water ingress in the first stage in depressurised condition was faster resulting in a lower centre of gravity and thus less heel.
3.2 RESULTS
The flooding investigation focussed on two scenarios: in the ‘C-deck’-scenario, at 45 degrees of heel, water ingresses through the louver vent opening at the C-deck (indicated in Figure 1) and starts to flood this deck. At 48 degrees of heel, the open window at the C-deck increases the inflow of water. Subsequently also the other decks are flooded and the vessel further capsizes and sinks.
In the second scenario, the water flowing in through the C-deck louver vent opening follows the vent casing to the stabiliser room. Subsequently this water flows into the engine room through the watertight door which was not closed at the time. This ‘stabiliser room’- scenario proofed less sensitive for small changes in the loading condition and its longitudinal centre of gravity is closer to the specified value.
Therefore it was concluded that the ‘stabiliser room’ scenario is more likely than the ‘C-deck’ scenario.
In contrast with expectations, it was found that the speed of heeling in depressurised environment was slower than in atmospheric condition. The measurements however indicated that the water ingress in the first stage in depressurised condition was faster resulting in a lower centre of gravity and thus less heel.
모형 시험은 수치해석 침수 시험과 함께 이뤄졌다. 이를 위해 세월호의 3D 컴퓨터 모델이 개발되고 모의침수실험에 적용되었다. 이 컴퓨터 모의침수실험은 모형 시험의 결과와 함께 검증된 후 추가 침수 시나리오에 적용되었다(그림 11).
3.2 결과
침수 조사는 두 가지 시나리오를 고려했다. C-갑판 시나리오에서는 횡경사 45 도에서 해수는 (그림 1 에 나타나 있는) C-갑판의 루버 벤트(미늘문) 개구부를 통해 유입되고 C-갑판을 침수시키기 시작한다. 횡경사 48 도에서 C-갑판의 열린 창문을 통해 물의 유입이 증가되었다. 그 이후 다른 갑판들 또한 침수되고 선박은 더 많이 전복되고 가라앉는다.
두 번째 시나리오에서 C-갑판의 루버-벤트(미늘문) 개구부를 통해 유입된 해수는 핀 안정기실로 통하는 환풍 통로를 따라 들어간다. 그 후 이 물은 당시에 닫혀있지 않았던 수밀문을 통해 기계실로 유입된다. 이 ‘핀 안정기실’ 시나리오는 하중 조건의 작은 변화에 덜 민감하고 선박의 종방향 무게 중심이 선조위로부터 전달된 조건에 더 가깝다는 것을 증명하였다.
그러므로 ‘핀 안정기실’ 시나리오가 ‘C-갑판’ 시나리오 보다 더 가능성 있는 시나리오로 결론지어졌다.
예상과는 반대로 감압 환경에서 선박의 기우는 속도는 대기압 환경에서보다 느린 것으로 밝혀졌다. 그러나 측정된 값들은 감압 환경의 초기 침수 단계에서 물의 유입은 더 빨랐고 이는 더 낮은 무게 중심을 초래하였기 때문에 덜 기울었을 것이란 점을 암시한다.
3.2 결과
침수 조사는 두 가지 시나리오를 고려했다. C-갑판 시나리오에서는 횡경사 45 도에서 해수는 (그림 1 에 나타나 있는) C-갑판의 루버 벤트(미늘문) 개구부를 통해 유입되고 C-갑판을 침수시키기 시작한다. 횡경사 48 도에서 C-갑판의 열린 창문을 통해 물의 유입이 증가되었다. 그 이후 다른 갑판들 또한 침수되고 선박은 더 많이 전복되고 가라앉는다.
두 번째 시나리오에서 C-갑판의 루버-벤트(미늘문) 개구부를 통해 유입된 해수는 핀 안정기실로 통하는 환풍 통로를 따라 들어간다. 그 후 이 물은 당시에 닫혀있지 않았던 수밀문을 통해 기계실로 유입된다. 이 ‘핀 안정기실’ 시나리오는 하중 조건의 작은 변화에 덜 민감하고 선박의 종방향 무게 중심이 선조위로부터 전달된 조건에 더 가깝다는 것을 증명하였다.
그러므로 ‘핀 안정기실’ 시나리오가 ‘C-갑판’ 시나리오 보다 더 가능성 있는 시나리오로 결론지어졌다.
예상과는 반대로 감압 환경에서 선박의 기우는 속도는 대기압 환경에서보다 느린 것으로 밝혀졌다. 그러나 측정된 값들은 감압 환경의 초기 침수 단계에서 물의 유입은 더 빨랐고 이는 더 낮은 무게 중심을 초래하였기 때문에 덜 기울었을 것이란 점을 암시한다.
모형 시험은 수치해석 침수 시험과 함께 이뤄졌다. 이를 위해 세월호의 3D 컴퓨터 모델이 개발되고 모의침수실험에 적용되었다. 이 컴퓨터 모의침수실험은 모형 시험의 결과와 함께 검증된 후 추가 침수 시나리오에 적용되었다(그림 11).
3.2 결과
침수 조사는 두 가지 시나리오를 고려했다. C-갑판 시나리오에서는 횡경사 45 도에서 해수는 (그림 1 에 나타나 있는) C-갑판의 루버 벤트(미늘문) 개구부를 통해 유입되고 C-갑판을 침수시키기 시작한다. 횡경사 48 도에서 C-갑판의 열린 창문을 통해 물의 유입이 증가되었다. 그 이후 다른 갑판들 또한 침수되고 선박은 더 많이 전복되고 가라앉는다.
두 번째 시나리오에서 C-갑판의 루버-벤트(미늘문) 개구부를 통해 유입된 해수는 핀 안정기실로 통하는 환풍 통로를 따라 들어간다. 그 후 이 물은 당시에 닫혀있지 않았던 수밀문을 통해 기계실로 유입된다. 이 ‘핀 안정기실’ 시나리오는 하중 조건의 작은 변화에 덜 민감하고 선박의 종방향 무게 중심이 선조위로부터 전달된 조건에 더 가깝다는 것을 증명하였다.
그러므로 ‘핀 안정기실’ 시나리오가 ‘C-갑판’ 시나리오 보다 더 가능성 있는 시나리오로 결론지어졌다.
예상과는 반대로 감압 환경에서 선박의 기우는 속도는 대기압 환경에서보다 느린 것으로 밝혀졌다. 그러나 측정된 값들은 감압 환경의 초기 침수 단계에서 물의 유입은 더 빨랐고 이는 더 낮은 무게 중심을 초래하였기 때문에 덜 기울었을 것이란 점을 암시한다.
3.2 결과
침수 조사는 두 가지 시나리오를 고려했다. C-갑판 시나리오에서는 횡경사 45 도에서 해수는 (그림 1 에 나타나 있는) C-갑판의 루버 벤트(미늘문) 개구부를 통해 유입되고 C-갑판을 침수시키기 시작한다. 횡경사 48 도에서 C-갑판의 열린 창문을 통해 물의 유입이 증가되었다. 그 이후 다른 갑판들 또한 침수되고 선박은 더 많이 전복되고 가라앉는다.
두 번째 시나리오에서 C-갑판의 루버-벤트(미늘문) 개구부를 통해 유입된 해수는 핀 안정기실로 통하는 환풍 통로를 따라 들어간다. 그 후 이 물은 당시에 닫혀있지 않았던 수밀문을 통해 기계실로 유입된다. 이 ‘핀 안정기실’ 시나리오는 하중 조건의 작은 변화에 덜 민감하고 선박의 종방향 무게 중심이 선조위로부터 전달된 조건에 더 가깝다는 것을 증명하였다.
그러므로 ‘핀 안정기실’ 시나리오가 ‘C-갑판’ 시나리오 보다 더 가능성 있는 시나리오로 결론지어졌다.
예상과는 반대로 감압 환경에서 선박의 기우는 속도는 대기압 환경에서보다 느린 것으로 밝혀졌다. 그러나 측정된 값들은 감압 환경의 초기 침수 단계에서 물의 유입은 더 빨랐고 이는 더 낮은 무게 중심을 초래하였기 때문에 덜 기울었을 것이란 점을 암시한다.
Figure 11: Time traces of heel from simulation compared with model tests and with the stills from video of actual flooding.
Figure 11: Time traces of heel from simulation compared with model tests and with the stills from video of actual flooding.
그림 11: 모의침수실험과 모형 시험의 시간에 따른 횡경사와 실제 침수 영상과의 비교
그림 11: 모의침수실험과 모형 시험의 시간에 따른 횡경사와 실제 침수 영상과의 비교
4. CONCLUSIONS
Based on the results of the numerical simulations, model tests and nautical simulator runs conducted, the following conclusions have been drawn from this investigation:
Due to the lack of data recorded by SEWOL, the position data received from the AIS transmitter was the main reference for conducting this investigation. AIS is a system for monitoring the steady state condition of a vessel. Due to limitations of sensors, data acquisition, sampling and transmission, it can not be considered accurate to describe the dynamic behaviour of a vessel during fast turning and large heeling such as in the subject case.
Therefore in this investigation the AIS data is mainly used as a reference for the ship’s position track. The vessel rate of turn derived from the raw AIS heading data is not considered reliable. A number of parameters and uncertainties involved, such as the current flow, implicate that a perfect correlation between model tests and AIS data cannot be expected.
Since no realistic combination of winch force, direction and duration attained the high rate of turn as derived by the External Force Task Force of SIC from the raw AIS heading, the hypothesis of an external force that caused such high values of rate of turn was rejected.
The investigation results show that a low initial transverse stability of the vessel, in combination with a moderate rudder angle, results in a turn with a track which resembles the AIS track and a heeling that reached the threshold value of 18 degrees at which vehicles at cargo started to shift.
It is noted that in the stability conditions investigated, with GM ranging from 0.60 m to 0.06 m, Sewol did not comply with international regulations IMO MSC Intact Stability Code 2008.
Although no part of this investigation, it is noted that the low level of initial transverse stability of Sewol may have originated from a combination of the following:
Specific data on the vessel stability, such as the results of the inclination tests after the conversion of the vessel in 2012, have not been provided.
The MARIN Reports describing this investigation and the results in full detail (ref. [1] to [5]), have been released by SIC for public use.
5. FOLLOW UP
This investigation shows that ferries exhibiting large heeling angles in a turn in combination with vehicles and cargos that are not properly secured , can lead to disasters even in calm water conditions. This is especially relevant for ferries and roro-vessels that apply so called ‘weather dependent lashing’. The results of this investigation have inspired additional research into the heeling of passenger vessels that do comply with IMO stability regulations during turning. A proposal to improve the international requirements on heeling during turning (Intact Stability Code 2008) is submitted to IMO MSC [6].
6. REFERENCES
AUTHORS BIOGRAPHY
Henk van den Boom is a naval architect (MSc Delft, 1980) with more than 40 years experience in model testing, numerical simulation, ship trials and offshore monitoring campaigns. For 27 years he was in charge of MARIN’s Trials & Monitoring department. As a senior project manager he was leading the SEWOL investigation at MARIN.
Victor Ferrari obtained his Master of Science in Naval Architecture and Marine Engineering at the University of Genoa in 2009. He holds the current position of Senior Project Manager at MARIN’s Ships department. He is in charge of manoeuvring studies for passenger ships, managing experimental model tests and numerical simulations.
Rinnert van Basten Batenburg (Naval Architect HTS Haarlem in 1998). After 8 years of experience in heavy lift and ship salvage, he is currently working as Senior Project Manager at MARIN’s Ships department and conducting seakeeping tests and simulations.
Seo, Seung Taek was in charge of the investigation "Structure and compartment of watertight integrity, verifying flooding simulation and model test" to SEWOL Investigation Commission(SIC). He carries 18 years of balanced job experiences in maritime industries as a classification senior surveyor, design approval engineer, shipyard production manager and investigation officer.
Based on the results of the numerical simulations, model tests and nautical simulator runs conducted, the following conclusions have been drawn from this investigation:
- In the investigated loading conditions, the vessel’s turning and heeling are strongly coupled (no heeling without turning, no turning without heeling) and sensitive to stability-level, trim, pre-heeling, forward speed and steering.
- The 3-D geometry of the hull, in particular the slender bow section and the wide aft body as well as the large recess areas for the car ramps at the stern of the vessel, resulted in a degradation of transverse stability of the vessel at heeling angles between 10 and 40 degrees.
- In the tested stability levels (GM = 0.60 m to 0.06 m) the vessel did not comply with the international regulations for passenger vessels (Article 3.1 of the IMO MSC Intact Stability Code 2008).
- At initial stability level GM (0.45 m) in some tests the vessel heeled with more than 18 degrees at a rudder angle of 12 to 15 degrees. Such a heeling angle is in excess of the heeling angle that can be expected based on international rules.
- Changing the trim from 0.5 m by the stern to 0.5 m by the bow by moving weight horizontally forward, the stability GM = 0.45 m changed to GM = 0.23 m.
- With the first cargo starting to shift at the threshold angle of 18 degrees, the heel angle increased to 33 degrees, at which other cargo shifted, resulting in a heel angle of 45 degrees. The excursion of the cargo and the speed of the shifting have effects on the turning and heeling rate but not on the final heel angle achieved.
- In their lashing requirements for roll-on roll-off passenger ferries, international regulations only account for weather and size of the vessel. The present study shows that also in calm seas, the hydrodynamic properties of the vessel can lead to dangerous situations.
- Model tests, simulations and runs on the simulator showed that a combination of low initial transverse stability of the vessel (GM= 0.1 to 0.3 m) in combination with 10 degrees SB rudder followed by 25 degrees SB rudder, results in SB turn with a track which resembles the AIS track and a heeling that reached the threshold value of 18 degrees.
- The model tests showed that autopilot steering in combination with active stabilising fins was capable to steer the vessel even with a GM value of only 0.06 m. In the simulator the helmsman was also capable to steer the vessel in this tender condition.
- The application of an external force on the port side stabilizer fin did not significantly affect the turn of the vessel. The highest rate of turn achieved during all model tests (different combinations of winch force, direction and duration) was 2.7 °/s. This maximum value was obtained using a winch force that increased the rate of turn, but decreased the heel angle. So during the model tests no runs resulted in the larger rates of turn provided by the External Force Task Force within SIC based on their analysis of the raw AIS heading data, even when applying a winch force equal to the fin yielding limit.
- The flooding scenario that resembled the actual observed and recorded ship sinking behaviour best, started with water ingress through a louver vent opening just above the C-deck at a vessel heel of approximately 45 degrees. The ventilation casing led the water to the stabilising room. From there through a watertight door, which was not closed, the water flooded the engine room. The draught and heel increased and the C-deck flooded through an open window at 48 degrees heel and through scupper pipes. This resulted in progressive flooding of the C and D-decks and the final stage of capsizing. Finally the vessel sank stern first.
- Flooding model tests and computer simulations have demonstrated that closing all watertight doors and hatches would have resulted in a longer period of floating of the vessel in capsized condition.
Due to the lack of data recorded by SEWOL, the position data received from the AIS transmitter was the main reference for conducting this investigation. AIS is a system for monitoring the steady state condition of a vessel. Due to limitations of sensors, data acquisition, sampling and transmission, it can not be considered accurate to describe the dynamic behaviour of a vessel during fast turning and large heeling such as in the subject case.
Therefore in this investigation the AIS data is mainly used as a reference for the ship’s position track. The vessel rate of turn derived from the raw AIS heading data is not considered reliable. A number of parameters and uncertainties involved, such as the current flow, implicate that a perfect correlation between model tests and AIS data cannot be expected.
Since no realistic combination of winch force, direction and duration attained the high rate of turn as derived by the External Force Task Force of SIC from the raw AIS heading, the hypothesis of an external force that caused such high values of rate of turn was rejected.
The investigation results show that a low initial transverse stability of the vessel, in combination with a moderate rudder angle, results in a turn with a track which resembles the AIS track and a heeling that reached the threshold value of 18 degrees at which vehicles at cargo started to shift.
It is noted that in the stability conditions investigated, with GM ranging from 0.60 m to 0.06 m, Sewol did not comply with international regulations IMO MSC Intact Stability Code 2008.
Although no part of this investigation, it is noted that the low level of initial transverse stability of Sewol may have originated from a combination of the following:
- High centre of gravity of the ship in empty condition (light weight ship).
- Cargo weight and location upon departure.
- Lack of ballast water upon departure.
- Consumption of fuel and freshwater, de-ballasting, partially filled tanks (free surfaces) during the first 12 hours of the voyage.
- Trimming the vessel by the bow.
Specific data on the vessel stability, such as the results of the inclination tests after the conversion of the vessel in 2012, have not been provided.
The MARIN Reports describing this investigation and the results in full detail (ref. [1] to [5]), have been released by SIC for public use.
5. FOLLOW UP
This investigation shows that ferries exhibiting large heeling angles in a turn in combination with vehicles and cargos that are not properly secured , can lead to disasters even in calm water conditions. This is especially relevant for ferries and roro-vessels that apply so called ‘weather dependent lashing’. The results of this investigation have inspired additional research into the heeling of passenger vessels that do comply with IMO stability regulations during turning. A proposal to improve the international requirements on heeling during turning (Intact Stability Code 2008) is submitted to IMO MSC [6].
6. REFERENCES
- SEWOL Flooding and Sinking Tests & Simulations, MARIN report 30561-1-DWB, April 2018
- SEWOL Simulator Study, MARIN report 30561-2-MSCN, April 2018
- SEWOL Turning and Heeling Fast-time Simulations and Model Tests, MARIN report 30561-3-SMB, April 2018
- SEWOL Model Tests and Simulations, Summary Report, MARIN report 30561-4-DIR, April 2018
- SEWOL Additional Turning and Heeling Model Tests, MARIN report 30561-5-SMB, July 2018.
- FERRARI, V., BOOM, H. van den, KISJES, A. and QUADVLIEG, F.H.H.A., ‘Heel Angles in Turn and Passenger Safety’, RINA HIMT Conference on Sustainable and Safe Passenger Ships, Athens, March 2020.
AUTHORS BIOGRAPHY
Henk van den Boom is a naval architect (MSc Delft, 1980) with more than 40 years experience in model testing, numerical simulation, ship trials and offshore monitoring campaigns. For 27 years he was in charge of MARIN’s Trials & Monitoring department. As a senior project manager he was leading the SEWOL investigation at MARIN.
Victor Ferrari obtained his Master of Science in Naval Architecture and Marine Engineering at the University of Genoa in 2009. He holds the current position of Senior Project Manager at MARIN’s Ships department. He is in charge of manoeuvring studies for passenger ships, managing experimental model tests and numerical simulations.
Rinnert van Basten Batenburg (Naval Architect HTS Haarlem in 1998). After 8 years of experience in heavy lift and ship salvage, he is currently working as Senior Project Manager at MARIN’s Ships department and conducting seakeeping tests and simulations.
Seo, Seung Taek was in charge of the investigation "Structure and compartment of watertight integrity, verifying flooding simulation and model test" to SEWOL Investigation Commission(SIC). He carries 18 years of balanced job experiences in maritime industries as a classification senior surveyor, design approval engineer, shipyard production manager and investigation officer.
4. 결론
수치해석, 모형 시험, 그리고 모의항해장치의 결과를 바탕으로 다음과 같은 결론이 조사로부터 도출되었다.
세월호가 자체적으로 기록한 데이터의 부족 때문에, AIS 전송기로부터 수신된 위치 데이터가 이 조사를 수행하는 데에 주요한 참고 자료로 사용되었다. AIS 는 선박의 안정적 상태의 조건을 모니터링하기 위한 시스템이다. 센서, 데이터 수집, 샘플링 및 전송의 한계 때문에, 이번 사건과 같이 빠른 선회와 큰 횡경사가 일어나는 동안의 선박의 역동적 움직임을 정확하게 묘사한다고 생각할 수 없다.
이러한 이유로 본 조사에서 AIS 데이터는 주로 선박의 위치 추적을 위해 참고되었다. 보정된 AIS 데이터를 통해 도출된 선회율은 신뢰할 수 없는 값으로 고려되었다. 조류처럼 여러 변수와 불확실성이 연관되어 있으므로, 모형 시험과 AIS 데이터 사이의 완벽한 연관성은 기대할 수 없을 것으로 보인다.
윈치에 가해지는 힘의 크기, 방향, 지속시간을 어떻게 조합해도 선체조사위원회의 외력 검증 TF 가 선박 자동식별장치(AIS)의 선수 방위각 원자료에서 도출한 높은 선회율을 얻을 수 없었으므로, 그처럼 높은 선회율을 유발한 외력이 있었다는 가설은 기각되었다.
조사 결과는 세월호의 낮은 초기 횡복원성과 적정한 타각이 조합되었을 때 AIS 항적과 비슷한 항적을 만들었고, 차량과 화물이 이동하기 시작하는 임계 횡경사각 18도를 만들어 낼 수 있다는 것을 보여주었다.
GM 이 0.60m 에서 0.06m 사이에서 시험한 복원력 조건들에서 세월호가 여객선을 위한 국제 규정(IMO MSC Intact Stability Code 2008)을 따르지 않았다는 점을 알 수 있었다.
비록 이번 조사에 포함된 것은 아니지만, 세월호의 낮은 초기 횡복원력은 다음과 같은 조건의 조합에서 기원했을 것이라는 점을 알 수 있다:
2012 년 세월호의 개조 이후 경사 시험 결과와 같이 선박의 복원성을 알 수 있는 특정한 자료들은 제공되지 않았다.
이 조사와 결과를 상세히 설명하는 마린의 보고서(참고문헌 [1]부터 [5]까지)는 선체조사위원회에 의해 공개 배포되었다.
5. 후속 연구
이 조사를 통해 차량과 화물이 제대로 고정되지 않은 페리가 선회 중 큰 횡경사를 보일 경우 잔잔한 조류 조건에서도 참사를 초래할 수 있다는 것이 밝혀졌다. 이러한 결과는 소위 '날씨 의존적 고박'을 적용하는 페리 및 로로 선박에 특히 관련이 있다. 이 조사의 결과는 국제해사기구의 선회 중 복원성 규정을 준수하는 여객선의 횡경사에 대한 추가 연구를 진행하도록 영감을 주었다. 선회 중 횡경사에 대한 국제 안전 규정(Intact Stability Code 2008)을 개선하자는 제안서가 국제해사기구(IMO) 해사안전위원회(MSC)에 제출된다 [6].
6. 참고문헌
저자 약력
헹크 반 덴 봄(델프트 대학 이학석사)은 조선공학자로 모형 시험, 수치 해석, 선박 시험, 연안 감시 활동에 40 년 이상의 경력을 보유하고 있다. 그는 27년간 마린의 시험 및 관찰 부서를 담당해왔다. 그는 선임 프로젝트 매니저로서 마린의 세월호 조사를 주도했다.
빅터 페라리는 2009년 제노아 대학교의 조선공학 및 해양공학과에서 석사학위를 취득했다. 그는 현재 마린의 선박 부서에서 선임 프로젝트 매니저 역할을 맡고 있다. 그는 여객선의 조종 연구, 실험적 모형 시험의 관리, 그리고 수치 해석을 담당하고 있다.
리너트 반 바스텐 바텐부르흐는 1998년 HTS Haarlem을 졸업한 조선공학자다. 중공업과 인양 분야에서 8년의 경력을 쌓은 그는 현재 마린의 선박 부서 선임 프로젝트 매니저로서 내항시험과 시뮬레이션을 수행하고 있다.
서승택은 세월호 선체조사위원회에서 “수밀구역의 구조와 안전성” 조사의 책임을 맡았다. 그는 선임 검사관, 설계허가 엔지니어, 조선소 생산 책임자 및 조사관으로서 해양산업 분야에서 18 년 간 다양한 직책을 담당했다.
수치해석, 모형 시험, 그리고 모의항해장치의 결과를 바탕으로 다음과 같은 결론이 조사로부터 도출되었다.
- 조사된 하중조건에서 선박의 회전과 횡경사는 강한 연관이 있었고(회전 없이 횡경사 없고, 횡경사 없이 회전 없음) 복원성 수준, 트림, 초기 횡경사, 조타에 민감하였다.
- 3D 형태의 선체, 특히 선미의 자동차 진입을 위해 움푹 들어간 부분과 함께 앞이 좁고 뒤가 넓은 선체의 모양이 10도에서 40도 사이의 횡경사에서 선박의 횡복원성을 저하시키는 결과로 나타났다.
- 시험된 복원성 값들은 (GM = 0.60m에서 0.06m까지) 선박은 여객선을 위한 국제 규정(IMO MSC Intact Stability Code 2008 of IMO의 3.1항)을 따르지 않았다.
- 초기 복원성 GM(0.45m)에서의 몇몇 시험은 타각 12도에서 15도 사이에서 선박이 18도 이상 기울어졌다. 이러한 횡경사각은 국제규정에 따라 예상할 수 있는 횡경사각을 초과한다.
- 무게를 수평적으로 앞쪽으로 이동시키면서 0.5m 선미 트림을 0.5m 선수 트림으로 바꾸자 복원력 GM=0.45는 GM=0.23으로 바뀌었다.
- 임계 횡경사각 18도에서 처음으로 화물들이 움직이기 시작할 때 횡경사는 33도로 증가하였고, 이는 다른 화물들을 움직이게 했으며, 횡경사를 45도까지 이르게 만들었다. 이 화물의 위치 변화와 움직이는 속도는 선회율과 횡경사율에 영향을 주었으나 최종 횡경사각을 얻는 데는 영향을 주지 못했다.
- 로로 여객선의 화물 고박 규정에서 국제 규정은 오직 날씨와 선박의 크기만 고려한다. 본 조사는 잔잔한 바다에서도 선박의 유체동역학적 특성이 위험한 상황을 초래할 수 있는 것을 보여주었다.
- 모형 시험, 모의 실험 그리고 모의 항해는 선박의 낮은 횡복원성(GM 0.1m ~ 0.3m)과 우현 10도, 그 다음 우현 25도의 조타 조합이 AIS항적과 비슷한 우현 방향 선회 항적을 만들었고, 임계 횡경사각 18도를 만들어 낼 수 있다는 것을 보여주었다.
- 모형 시험에 따르면 핀 안정기가 작동할 때 자동 조종 장치는 GM값이 0.06m인 경우에도 선박의 조종이 가능하다는 것을 보여 주었다. 모의항해장치에서 조타수도 이렇게 낮은 복원력 조건에서도 선박을 조종할 수 있었다.
- 우현의 핀 안정기에 작용된 외력은 선회에 큰 영향을 미치지 못했다. 윈치 힘, 방향, 지속시간을 상이하게 조합하여 실시한 모든 모형 시험에서 도달된 최고 선회율은 초당 2.7도였다. 이 최대값을 얻을 때 사용된 윈치 힘은 선회율을 증가시켰으나 횡경사각은 감소시켰다. 심지어 핀의 항복 응력에 상응하는 윈치 힘을 가했음에도 불구하고 모형 시험 중 어떤 시도도 선체조사위원회의 외력 검증 TF가 AIS의 선수방위각 원자료를 분석하여 제공한 큰 선회율을 도출하지 않았다.
- 실제 관측되고 기록된 선박의 침몰 양상과 가장 비슷한 침수 시나리오는 선박의 횡경사 약 45도에서 C-갑판 바로 위에 있는 루버-벤트(미늘문) 개구부를 통한 물의 유입으로부터 시작되었다. 이 환기구가 물을 안정기실로 흐르게 했다. 여기로부터 물은 닫혀있지 않았던 수밀문을 통해 기관실을 침수 시켰다. 흘수와 횡경사가 증가하고 횡경사 48도에서 C-갑판은 열린 창문과 갑판 배수구 배관을 통해 침수되었다. 이는 점진적으로 C-갑판과 D-갑판을 침수시켰고, 마지막으로 선박은 선미부터 침몰했다.
- 침수 모형 시험과 컴퓨터 모의 실험은 수밀문과 해치를 모두 닫았다면 선박이 전복된 상태에서 더 오랜 시간 떠 있었을 것이라는 점을 입증하였다.
세월호가 자체적으로 기록한 데이터의 부족 때문에, AIS 전송기로부터 수신된 위치 데이터가 이 조사를 수행하는 데에 주요한 참고 자료로 사용되었다. AIS 는 선박의 안정적 상태의 조건을 모니터링하기 위한 시스템이다. 센서, 데이터 수집, 샘플링 및 전송의 한계 때문에, 이번 사건과 같이 빠른 선회와 큰 횡경사가 일어나는 동안의 선박의 역동적 움직임을 정확하게 묘사한다고 생각할 수 없다.
이러한 이유로 본 조사에서 AIS 데이터는 주로 선박의 위치 추적을 위해 참고되었다. 보정된 AIS 데이터를 통해 도출된 선회율은 신뢰할 수 없는 값으로 고려되었다. 조류처럼 여러 변수와 불확실성이 연관되어 있으므로, 모형 시험과 AIS 데이터 사이의 완벽한 연관성은 기대할 수 없을 것으로 보인다.
윈치에 가해지는 힘의 크기, 방향, 지속시간을 어떻게 조합해도 선체조사위원회의 외력 검증 TF 가 선박 자동식별장치(AIS)의 선수 방위각 원자료에서 도출한 높은 선회율을 얻을 수 없었으므로, 그처럼 높은 선회율을 유발한 외력이 있었다는 가설은 기각되었다.
조사 결과는 세월호의 낮은 초기 횡복원성과 적정한 타각이 조합되었을 때 AIS 항적과 비슷한 항적을 만들었고, 차량과 화물이 이동하기 시작하는 임계 횡경사각 18도를 만들어 낼 수 있다는 것을 보여주었다.
GM 이 0.60m 에서 0.06m 사이에서 시험한 복원력 조건들에서 세월호가 여객선을 위한 국제 규정(IMO MSC Intact Stability Code 2008)을 따르지 않았다는 점을 알 수 있었다.
비록 이번 조사에 포함된 것은 아니지만, 세월호의 낮은 초기 횡복원력은 다음과 같은 조건의 조합에서 기원했을 것이라는 점을 알 수 있다:
- 선박이 비었을 때의 높은 무게중심 (가벼운 선박)
- 출발 시 화물 무게와 위치
- 출발 시 평형수 부족
- 출발 후 첫 12시간 동안의 연료 및 청수의 소비, 평형수 배출, 부분적으로 채워진 탱크(자유표면)
- 선수 트림
2012 년 세월호의 개조 이후 경사 시험 결과와 같이 선박의 복원성을 알 수 있는 특정한 자료들은 제공되지 않았다.
이 조사와 결과를 상세히 설명하는 마린의 보고서(참고문헌 [1]부터 [5]까지)는 선체조사위원회에 의해 공개 배포되었다.
5. 후속 연구
이 조사를 통해 차량과 화물이 제대로 고정되지 않은 페리가 선회 중 큰 횡경사를 보일 경우 잔잔한 조류 조건에서도 참사를 초래할 수 있다는 것이 밝혀졌다. 이러한 결과는 소위 '날씨 의존적 고박'을 적용하는 페리 및 로로 선박에 특히 관련이 있다. 이 조사의 결과는 국제해사기구의 선회 중 복원성 규정을 준수하는 여객선의 횡경사에 대한 추가 연구를 진행하도록 영감을 주었다. 선회 중 횡경사에 대한 국제 안전 규정(Intact Stability Code 2008)을 개선하자는 제안서가 국제해사기구(IMO) 해사안전위원회(MSC)에 제출된다 [6].
6. 참고문헌
- SEWOL Flooding and Sinking Tests & Simulations, MARIN report 30561-1-DWB, April 2018
- SEWOL Simulator Study, MARIN report 30561-2-MSCN, April 2018
- SEWOL Turning and Heeling Fast-time Simulations and Model Tests, MARIN report 30561-3-SMB, April 2018
- SEWOL Model Tests and Simulations, Summary Report, MARIN report 30561-4-DIR, April 2018
- SEWOL Additional Turning and Heeling Model Tests, MARIN report 30561-5-SMB, July 2018.
- FERRARI, V., BOOM, H. van den, KISJES, A. and QUADVLIEG, F.H.H.A., ‘Heel Angles in Turn and Passenger Safety’, RINA HIMT Conference on Sustainable and Safe Passenger Ships, Athens, March 2020.
저자 약력
헹크 반 덴 봄(델프트 대학 이학석사)은 조선공학자로 모형 시험, 수치 해석, 선박 시험, 연안 감시 활동에 40 년 이상의 경력을 보유하고 있다. 그는 27년간 마린의 시험 및 관찰 부서를 담당해왔다. 그는 선임 프로젝트 매니저로서 마린의 세월호 조사를 주도했다.
빅터 페라리는 2009년 제노아 대학교의 조선공학 및 해양공학과에서 석사학위를 취득했다. 그는 현재 마린의 선박 부서에서 선임 프로젝트 매니저 역할을 맡고 있다. 그는 여객선의 조종 연구, 실험적 모형 시험의 관리, 그리고 수치 해석을 담당하고 있다.
리너트 반 바스텐 바텐부르흐는 1998년 HTS Haarlem을 졸업한 조선공학자다. 중공업과 인양 분야에서 8년의 경력을 쌓은 그는 현재 마린의 선박 부서 선임 프로젝트 매니저로서 내항시험과 시뮬레이션을 수행하고 있다.
서승택은 세월호 선체조사위원회에서 “수밀구역의 구조와 안전성” 조사의 책임을 맡았다. 그는 선임 검사관, 설계허가 엔지니어, 조선소 생산 책임자 및 조사관으로서 해양산업 분야에서 18 년 간 다양한 직책을 담당했다.
4. 결론
수치해석, 모형 시험, 그리고 모의항해장치의 결과를 바탕으로 다음과 같은 결론이 조사로부터 도출되었다.
세월호가 자체적으로 기록한 데이터의 부족 때문에, AIS 전송기로부터 수신된 위치 데이터가 이 조사를 수행하는 데에 주요한 참고 자료로 사용되었다. AIS 는 선박의 안정적 상태의 조건을 모니터링하기 위한 시스템이다. 센서, 데이터 수집, 샘플링 및 전송의 한계 때문에, 이번 사건과 같이 빠른 선회와 큰 횡경사가 일어나는 동안의 선박의 역동적 움직임을 정확하게 묘사한다고 생각할 수 없다.
이러한 이유로 본 조사에서 AIS 데이터는 주로 선박의 위치 추적을 위해 참고되었다. 보정된 AIS 데이터를 통해 도출된 선회율은 신뢰할 수 없는 값으로 고려되었다. 조류처럼 여러 변수와 불확실성이 연관되어 있으므로, 모형 시험과 AIS 데이터 사이의 완벽한 연관성은 기대할 수 없을 것으로 보인다.
윈치에 가해지는 힘의 크기, 방향, 지속시간을 어떻게 조합해도 선체조사위원회의 외력 검증 TF 가 선박 자동식별장치(AIS)의 선수 방위각 원자료에서 도출한 높은 선회율을 얻을 수 없었으므로, 그처럼 높은 선회율을 유발한 외력이 있었다는 가설은 기각되었다.
조사 결과는 세월호의 낮은 초기 횡복원성과 적정한 타각이 조합되었을 때 AIS 항적과 비슷한 항적을 만들었고, 차량과 화물이 이동하기 시작하는 임계 횡경사각 18도를 만들어 낼 수 있다는 것을 보여주었다.
GM 이 0.60m 에서 0.06m 사이에서 시험한 복원력 조건들에서 세월호가 여객선을 위한 국제 규정(IMO MSC Intact Stability Code 2008)을 따르지 않았다는 점을 알 수 있었다.
비록 이번 조사에 포함된 것은 아니지만, 세월호의 낮은 초기 횡복원력은 다음과 같은 조건의 조합에서 기원했을 것이라는 점을 알 수 있다:
2012 년 세월호의 개조 이후 경사 시험 결과와 같이 선박의 복원성을 알 수 있는 특정한 자료들은 제공되지 않았다.
이 조사와 결과를 상세히 설명하는 마린의 보고서(참고문헌 [1]부터 [5]까지)는 선체조사위원회에 의해 공개 배포되었다.
5. 후속 연구
이 조사를 통해 차량과 화물이 제대로 고정되지 않은 페리가 선회 중 큰 횡경사를 보일 경우 잔잔한 조류 조건에서도 참사를 초래할 수 있다는 것이 밝혀졌다. 이러한 결과는 소위 '날씨 의존적 고박'을 적용하는 페리 및 로로 선박에 특히 관련이 있다. 이 조사의 결과는 국제해사기구의 선회 중 복원성 규정을 준수하는 여객선의 횡경사에 대한 추가 연구를 진행하도록 영감을 주었다. 선회 중 횡경사에 대한 국제 안전 규정(Intact Stability Code 2008)을 개선하자는 제안서가 국제해사기구(IMO) 해사안전위원회(MSC)에 제출된다 [6].
6. 참고문헌
저자 약력
헹크 반 덴 봄(델프트 대학 이학석사)은 조선공학자로 모형 시험, 수치 해석, 선박 시험, 연안 감시 활동에 40 년 이상의 경력을 보유하고 있다. 그는 27년간 마린의 시험 및 관찰 부서를 담당해왔다. 그는 선임 프로젝트 매니저로서 마린의 세월호 조사를 주도했다.
빅터 페라리는 2009년 제노아 대학교의 조선공학 및 해양공학과에서 석사학위를 취득했다. 그는 현재 마린의 선박 부서에서 선임 프로젝트 매니저 역할을 맡고 있다. 그는 여객선의 조종 연구, 실험적 모형 시험의 관리, 그리고 수치 해석을 담당하고 있다.
리너트 반 바스텐 바텐부르흐는 1998년 HTS Haarlem을 졸업한 조선공학자다. 중공업과 인양 분야에서 8년의 경력을 쌓은 그는 현재 마린의 선박 부서 선임 프로젝트 매니저로서 내항시험과 시뮬레이션을 수행하고 있다.
서승택은 세월호 선체조사위원회에서 “수밀구역의 구조와 안전성” 조사의 책임을 맡았다. 그는 선임 검사관, 설계허가 엔지니어, 조선소 생산 책임자 및 조사관으로서 해양산업 분야에서 18 년 간 다양한 직책을 담당했다.
수치해석, 모형 시험, 그리고 모의항해장치의 결과를 바탕으로 다음과 같은 결론이 조사로부터 도출되었다.
- 조사된 하중조건에서 선박의 회전과 횡경사는 강한 연관이 있었고(회전 없이 횡경사 없고, 횡경사 없이 회전 없음) 복원성 수준, 트림, 초기 횡경사, 조타에 민감하였다.
- 3D 형태의 선체, 특히 선미의 자동차 진입을 위해 움푹 들어간 부분과 함께 앞이 좁고 뒤가 넓은 선체의 모양이 10도에서 40도 사이의 횡경사에서 선박의 횡복원성을 저하시키는 결과로 나타났다.
- 시험된 복원성 값들은 (GM = 0.60m에서 0.06m까지) 선박은 여객선을 위한 국제 규정(IMO MSC Intact Stability Code 2008 of IMO의 3.1항)을 따르지 않았다.
- 초기 복원성 GM(0.45m)에서의 몇몇 시험은 타각 12도에서 15도 사이에서 선박이 18도 이상 기울어졌다. 이러한 횡경사각은 국제규정에 따라 예상할 수 있는 횡경사각을 초과한다.
- 무게를 수평적으로 앞쪽으로 이동시키면서 0.5m 선미 트림을 0.5m 선수 트림으로 바꾸자 복원력 GM=0.45는 GM=0.23으로 바뀌었다.
- 임계 횡경사각 18도에서 처음으로 화물들이 움직이기 시작할 때 횡경사는 33도로 증가하였고, 이는 다른 화물들을 움직이게 했으며, 횡경사를 45도까지 이르게 만들었다. 이 화물의 위치 변화와 움직이는 속도는 선회율과 횡경사율에 영향을 주었으나 최종 횡경사각을 얻는 데는 영향을 주지 못했다.
- 로로 여객선의 화물 고박 규정에서 국제 규정은 오직 날씨와 선박의 크기만 고려한다. 본 조사는 잔잔한 바다에서도 선박의 유체동역학적 특성이 위험한 상황을 초래할 수 있는 것을 보여주었다.
- 모형 시험, 모의 실험 그리고 모의 항해는 선박의 낮은 횡복원성(GM 0.1m ~ 0.3m)과 우현 10도, 그 다음 우현 25도의 조타 조합이 AIS항적과 비슷한 우현 방향 선회 항적을 만들었고, 임계 횡경사각 18도를 만들어 낼 수 있다는 것을 보여주었다.
- 모형 시험에 따르면 핀 안정기가 작동할 때 자동 조종 장치는 GM값이 0.06m인 경우에도 선박의 조종이 가능하다는 것을 보여 주었다. 모의항해장치에서 조타수도 이렇게 낮은 복원력 조건에서도 선박을 조종할 수 있었다.
- 우현의 핀 안정기에 작용된 외력은 선회에 큰 영향을 미치지 못했다. 윈치 힘, 방향, 지속시간을 상이하게 조합하여 실시한 모든 모형 시험에서 도달된 최고 선회율은 초당 2.7도였다. 이 최대값을 얻을 때 사용된 윈치 힘은 선회율을 증가시켰으나 횡경사각은 감소시켰다. 심지어 핀의 항복 응력에 상응하는 윈치 힘을 가했음에도 불구하고 모형 시험 중 어떤 시도도 선체조사위원회의 외력 검증 TF가 AIS의 선수방위각 원자료를 분석하여 제공한 큰 선회율을 도출하지 않았다.
- 실제 관측되고 기록된 선박의 침몰 양상과 가장 비슷한 침수 시나리오는 선박의 횡경사 약 45도에서 C-갑판 바로 위에 있는 루버-벤트(미늘문) 개구부를 통한 물의 유입으로부터 시작되었다. 이 환기구가 물을 안정기실로 흐르게 했다. 여기로부터 물은 닫혀있지 않았던 수밀문을 통해 기관실을 침수 시켰다. 흘수와 횡경사가 증가하고 횡경사 48도에서 C-갑판은 열린 창문과 갑판 배수구 배관을 통해 침수되었다. 이는 점진적으로 C-갑판과 D-갑판을 침수시켰고, 마지막으로 선박은 선미부터 침몰했다.
- 침수 모형 시험과 컴퓨터 모의 실험은 수밀문과 해치를 모두 닫았다면 선박이 전복된 상태에서 더 오랜 시간 떠 있었을 것이라는 점을 입증하였다.
세월호가 자체적으로 기록한 데이터의 부족 때문에, AIS 전송기로부터 수신된 위치 데이터가 이 조사를 수행하는 데에 주요한 참고 자료로 사용되었다. AIS 는 선박의 안정적 상태의 조건을 모니터링하기 위한 시스템이다. 센서, 데이터 수집, 샘플링 및 전송의 한계 때문에, 이번 사건과 같이 빠른 선회와 큰 횡경사가 일어나는 동안의 선박의 역동적 움직임을 정확하게 묘사한다고 생각할 수 없다.
이러한 이유로 본 조사에서 AIS 데이터는 주로 선박의 위치 추적을 위해 참고되었다. 보정된 AIS 데이터를 통해 도출된 선회율은 신뢰할 수 없는 값으로 고려되었다. 조류처럼 여러 변수와 불확실성이 연관되어 있으므로, 모형 시험과 AIS 데이터 사이의 완벽한 연관성은 기대할 수 없을 것으로 보인다.
윈치에 가해지는 힘의 크기, 방향, 지속시간을 어떻게 조합해도 선체조사위원회의 외력 검증 TF 가 선박 자동식별장치(AIS)의 선수 방위각 원자료에서 도출한 높은 선회율을 얻을 수 없었으므로, 그처럼 높은 선회율을 유발한 외력이 있었다는 가설은 기각되었다.
조사 결과는 세월호의 낮은 초기 횡복원성과 적정한 타각이 조합되었을 때 AIS 항적과 비슷한 항적을 만들었고, 차량과 화물이 이동하기 시작하는 임계 횡경사각 18도를 만들어 낼 수 있다는 것을 보여주었다.
GM 이 0.60m 에서 0.06m 사이에서 시험한 복원력 조건들에서 세월호가 여객선을 위한 국제 규정(IMO MSC Intact Stability Code 2008)을 따르지 않았다는 점을 알 수 있었다.
비록 이번 조사에 포함된 것은 아니지만, 세월호의 낮은 초기 횡복원력은 다음과 같은 조건의 조합에서 기원했을 것이라는 점을 알 수 있다:
- 선박이 비었을 때의 높은 무게중심 (가벼운 선박)
- 출발 시 화물 무게와 위치
- 출발 시 평형수 부족
- 출발 후 첫 12시간 동안의 연료 및 청수의 소비, 평형수 배출, 부분적으로 채워진 탱크(자유표면)
- 선수 트림
2012 년 세월호의 개조 이후 경사 시험 결과와 같이 선박의 복원성을 알 수 있는 특정한 자료들은 제공되지 않았다.
이 조사와 결과를 상세히 설명하는 마린의 보고서(참고문헌 [1]부터 [5]까지)는 선체조사위원회에 의해 공개 배포되었다.
5. 후속 연구
이 조사를 통해 차량과 화물이 제대로 고정되지 않은 페리가 선회 중 큰 횡경사를 보일 경우 잔잔한 조류 조건에서도 참사를 초래할 수 있다는 것이 밝혀졌다. 이러한 결과는 소위 '날씨 의존적 고박'을 적용하는 페리 및 로로 선박에 특히 관련이 있다. 이 조사의 결과는 국제해사기구의 선회 중 복원성 규정을 준수하는 여객선의 횡경사에 대한 추가 연구를 진행하도록 영감을 주었다. 선회 중 횡경사에 대한 국제 안전 규정(Intact Stability Code 2008)을 개선하자는 제안서가 국제해사기구(IMO) 해사안전위원회(MSC)에 제출된다 [6].
6. 참고문헌
- SEWOL Flooding and Sinking Tests & Simulations, MARIN report 30561-1-DWB, April 2018
- SEWOL Simulator Study, MARIN report 30561-2-MSCN, April 2018
- SEWOL Turning and Heeling Fast-time Simulations and Model Tests, MARIN report 30561-3-SMB, April 2018
- SEWOL Model Tests and Simulations, Summary Report, MARIN report 30561-4-DIR, April 2018
- SEWOL Additional Turning and Heeling Model Tests, MARIN report 30561-5-SMB, July 2018.
- FERRARI, V., BOOM, H. van den, KISJES, A. and QUADVLIEG, F.H.H.A., ‘Heel Angles in Turn and Passenger Safety’, RINA HIMT Conference on Sustainable and Safe Passenger Ships, Athens, March 2020.
저자 약력
헹크 반 덴 봄(델프트 대학 이학석사)은 조선공학자로 모형 시험, 수치 해석, 선박 시험, 연안 감시 활동에 40 년 이상의 경력을 보유하고 있다. 그는 27년간 마린의 시험 및 관찰 부서를 담당해왔다. 그는 선임 프로젝트 매니저로서 마린의 세월호 조사를 주도했다.
빅터 페라리는 2009년 제노아 대학교의 조선공학 및 해양공학과에서 석사학위를 취득했다. 그는 현재 마린의 선박 부서에서 선임 프로젝트 매니저 역할을 맡고 있다. 그는 여객선의 조종 연구, 실험적 모형 시험의 관리, 그리고 수치 해석을 담당하고 있다.
리너트 반 바스텐 바텐부르흐는 1998년 HTS Haarlem을 졸업한 조선공학자다. 중공업과 인양 분야에서 8년의 경력을 쌓은 그는 현재 마린의 선박 부서 선임 프로젝트 매니저로서 내항시험과 시뮬레이션을 수행하고 있다.
서승택은 세월호 선체조사위원회에서 “수밀구역의 구조와 안전성” 조사의 책임을 맡았다. 그는 선임 검사관, 설계허가 엔지니어, 조선소 생산 책임자 및 조사관으로서 해양산업 분야에서 18 년 간 다양한 직책을 담당했다.
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