온-섀시 방식의 고속 컨테이너 하역시스템 개발

Development of The High-Speed Container Handling System with On-Chassis Type

Abstract

Container ships are getting bigger due to the increase in global cargo volume. Therefore, it needs to increase the speed for loading and unloading of containers at the quayside. Traditionally, only one container is handled at once at the quayside due to it's heavy weight. In this paper, a method of handling multiple containers at once using chassis is proposed. Proposed system is consists of a container chassis that can hold three layer stacked containers, transport system that can handle the container chassis including rail-based or vehicle-based roll-on roll-off systems, and dedicated crane system. The conceptual design of crane and transport system that can handle three stacked containers is carried out and verified. The proposed system can be adopted for real quayside container handling system with high speed.

1. 서론

과학 기술의 발전은 지속적으로 빨라지고 있으며, 그로 인한 세계화는 급격하게 진행되고 있다. 이는 전 세계 물동량의 꾸준한 증가로 이어지고 있으며, 특히 한 번에 대량의 물자를 수송하는 해상 물동량은 그 증가량이 매우 크다. 2017년도 기준 세계 해상 물동량은 107억톤으로, 전년도 대비 4% 증가로 빠른 증가율을 보이고 있으며[1] 특히, 이 중에서 컨테이너 화물은 벌크 화물에 이어 두 번째로 큰 비중을 차지하고 있다. [2]

컨테이너 화물의 증가는 필연적으로 컨테이너선의 대형화를 가져왔으며, 1996년에 5,000TEU급 선박의 출현 이후 불과 20여 년 만에 20,000TEU급의 대형선박이 운행되고 있다. 컨테이너선의 대형화에 따라 안벽에서 컨테이너를 신속하게 상하역 처리하는 기술의 중요성이 커지고 있으며, 이러한 안벽에서의 컨테이너 처리를 위한 새로운 기술이나 자동화를 위한 연구들이 진행되어왔다. [3-5] 또한, 항만의 수심이 대형 컨테이너선이 정박할 만큼 깊지 않음에 따라, 해상에서 컨테이너를 처리하는 모바일하버에 대한 연구도 진행되었다. [6] 그러나 대부분의 연구가 한 번에 2TEU씩 처리하는 전통적인 방법은 유지한 채로 안벽 크레인의 속도 향상이나 자동화를 통한 처리 속도 향상 또는 안벽의 구조개선 등을 꾀하고 있다. [7] 이는 늘어나는 해상 물동량을 획기적으로 신속하게 처리하기 위한 기술로는 한계가 있음을 의미한다.

본 논문에서는 한 번에 2TEU씩 처리하는 기존 방식을 획기적으로 개선하여 한 번에 6TEU를 처리할 수 있는 On-Chassis 방식을 이용한 고속 안벽 하역시스템에 관한 기술을 제시하고자 한다. On-Chassis 방식을 적용하면 컨테이너가 3단으로 적재된 섀시를 한 번에 처리함으로써 기존보다 최대 3배의 처리 속도 향상을 가져올 수 있다. 이러한 On-Chassis 방식의 적용 가능성을 검토하기 위하여 개념 설계를 수행하고 구조해석 및 안정성 평가를 통해 실제 항만 적용 가능성을 제시하고자 한다.

2. On-Chassis 방식의 개념 설계

1950년대 말에 시작된 컨테이너를 활용한 화물 운송은 시간이 흐름에 따라 안벽 크레인을 비롯한 관련 장비들의 많은 기술 발전이 이루어졌다. 그러나 여전히 전통적으로 한 번에 2TEU(20ft 컨테이너 2개, 40ft 컨테이너 1개 기준)를 처리하고 있다. 이는 컨테이너의 상하부에 위치한 코너피팅을 활용하여 적재 시에는 라싱콘을 이용하여 컨테이너를 고정시키고, 안벽에서 상하역을 할 때는 스프레더의 트위스트 락이 위치하여 컨테이너를 걸어 올리는 방식을 고수하고 있기 때문이다. 만약, 이 방식을 유지하면서도 한 번에 6TEU를 처리할 수 있다면 최대 3배의 상하역 속도 향상이 가능하다.

On-Chassis 방식은 Fig. 1과 같이 컨테이너를 3단으로 적재할 수 있으며, 상하부에 동일한 코너 피팅을 보유한 구조물 형태의 섀시를 활용하여 컨테이너를 처리하는 방식이다. 기존 안벽 크레인의 용량을 일정 수준 증가시키는 것만으로 쉽게 적용할 수 있으며, Fig. 2와 같이 다양한 주변 장치와 조합이 가능하다.

Fig. 1 Concept of On-Chassis

Fig. 2 Combination of On-Chassis and general facilities

On-Chassis 방식의 적용을 위한 전용 섀시는 Fig. 3과 같은 구조로 되어있다. 컨테이너를 3단으로 적재할 수 있는 구조물, 상하부에 기존 컨테이너에 부착된 것과 동일한 규격의 코너피팅, 해상 운송 시의 안정성 확보를 위한 인접 섀시와의 결속을 위한 힌지락 등으로 구성되어 있다.

Fig. 3 Conceptual design of the chassis

On-Chassis 방식으로 컨테이너를 적재하여 목적지 항구까지 이동한 컨테이너선이 안벽에 정박하게 되면 안벽 크레인을 이용하여 섀시 단위로 상하역을 진행하게 되며, 안벽에서 야드까지는 기존처럼 차량을 이용하게 되는데 이를 나타내면 Fig. 4와 같다.

Fig. 4 Operating of the On-Chassis type

3. On-Chassis 방식의 안전성 평가

On-Chassis 방식의 적용을 위해서는 3단으로 적재된 컨테이너의 중량에 대한 섀시의 안정성과 안벽 크레인의 용량과 구조적 안정성, 그리고 컨테이너 3단 높이의 적재물을 안전하게 운송할 수 있는 차량의 안정성 등에 대한 검토가 필요하다.

3.1 섀시의 구조해석

On-Chassis 방식 전용 섀시는 자체 중량을 포함하여 100톤의 무게를 견디면서도 최대한 경량화 되어야 한다. 따라서 Fig. 3과 같은 구조로 설계된 섀시에 대하여 구조해석을 수행하고 구조적인 안정성과 경량화 여부를 검토할 필요가 있는데, 이를 위해 ANSYS를 이용해 유한요소해석을 수행하여 안전율 및 중량을 계산하였다. 초기 모델 섀시는 표준 사각 스틸 파이프(400*200*9t)와 일반 스틸 철판을 이용하여 구성되었고, Table 1과 같은 모델링 데이터를 활용하여 Fig. 5와 같이 모델링 및 매쉬를 수행하였다.

Table 1. Modeling data for FEM of chassis

Fig. 5 Modeling and meshing of the chassis

구속조건으로는 Fig. 5와 같이 코너피팅이 부착되어 있는 섀시의 상부 부분을 모두 고정시켰고, 섀시의 하부에는 통상적인 컨테이너의 3단 적재 상태의 하중을 고려하여 Table 2와 같이 컨테이너의 무게를 배분하여 압력으로 환산하여 부가하였다.

Table 2. Boundary conditions for chassis

구조해석 수행 결과는 Fig. 6과 Fig. 7과 같다. 최대 응력은 섀시 하부의 코너 부분에서 379MPa이 발생하였으며, 최대 변위는 섀시 하부의 중앙 부분에서 23mm가 발생하였다.

Fig. 6 Maximum stress of chassis

Fig. 7 Maximum deformation of chassis

최대 발생 응력이 379MPa로 일반적인 스틸의 허용 인장강도인 400MPa에 근접하므로, 최대 응력 발생 부위인 섀시의 하부 구석 부위를 설계 변경하여 강도를 보강하였다. 그리고, 섀시의 주요 구성품인 사각 스틸 파이프의 두께를 변화시켜 추가적인 구조해석을 수행하였으며, 그 결과를 Table 3에 나타내었다.

Table 3. Results summary of FEM for chassis

사각 파이프의 두께가 6t인 경우에는 무게를 현저히 줄일 수가 있으나 최대 응력이 허용 인장강도를 초과하는 현상이 발생하므로 실제 적용은 어렵다. 두께가 9t인 경우와 12t인 경우에는 허용 인장강도 범위 안에 있지만 중량이 커지게 된다. 그러나 이 경우에도 안전율이 1.5보다 작으므로 실제 적용상 안전성을 확보하기 어렵다. 따라서 향후 On-Chassis 방식의 실제 항만에 적용하기 위한 실시 설계 단계에서는 최적설계 기법을[8] 이용하여 10톤을 초과하지 않으면서 안전율 2 이상을 확보하는 방안이 필요하다.

3.2 전용 안벽 크레인의 구조해석

안벽에서 컨테이너를 처리하는 크레인은 전통적으로 2TEU만을 처리하도록 설계 및 제작되어 On-Chassis 방식으로 컨테이너를 처리하기에는 부적합하다. 따라서 On-Chassis 방식으로 안벽에서 컨테이너를 처리하기 위해서는 별도의 전용 크레인을 고려해야 하는데, 크레인 자체의 가반 중량을 100톤 이상으로 증설하는 것은 구조물의 치수 보강과 윈치의 용량 증가만으로 어렵지 않게 가능하다. 그러나 스프레더의 경우 자체 프레임은 치수 보강을 통해 구조적 안정성을 확보하는 것이 용이하지만, 스프레더의 하부에 부착되어 컨테이너를 지탱하는 트위스트 락은 그 구조적 특성상 치수적으로 강성 보강을 하는 것이 불가능하다. 따라서 트위스트 락은 기존의 형태를 그대로 유지하면서 On-Chassis 방식의 적용에 따른 하중 증가를 견딜 수 있어야 한다. 이러한 트위스트 락의 구조적 안정성 평가를 위해 구조해석이 필요하다. 먼저 일반적으로 안벽에서 크레인으로 처리되는 컨테이너의 하중을 고려하면, 2TEU 기준으로 30톤이 되는데 트위스트 락은 총 4개로 구성되어 있으므로, 한 개의 트위스트 락에 걸리는 하중은 여유분을 고려하여 10톤으로 고려하였다. 트위스트 락의 구조해석을 위한 유한요소 모델링 데이터 및 물성치는 Table 4와 같고, 매쉬 결과는 Fig. 8과 같다. 구속조건으로는 스프레더에 조립되는 트위스트 락의 상부 단차 단면부를 고정시키고, 컨테이너의 상부 코너피팅에 직접 접촉되어 컨테이너를 들어 올리는 단면부에 10톤의 하중을 압력으로 환산하여 부가하였으며, 이를 Table 5와 Fig. 8에 나타내었다.

Table 4. Modeling data for FEM of twist lock

Fig. 8 Modeling and meshing of the twist lock.

Table 5. Boundary conditions for 10tons

정적 구조해석 수행 결과, 최대 응력은 Fig. 9에서 보이듯이 스프레더와 직접 조립되는 트위스트 락의 상부 단차부에 위치한 리세스 부분에서 발생하고 있으며 그 값은 339MPa이다. 최대 변위는 Fig. 10에서처럼 트위스트 락이 컨테이너의 코너피팅과 직접 접촉되는 부분에서 발생하고 있으며, 그 값은 0.11mm이다. 최대 응력은 트위스트 락의 허용 인장강도인 1,100MPa를 고려할 때 안전율이 3이상이므로 안전하다고 판단할 수 있으며, 최대 변위 또한 상하역 작업의 정밀도에 영향을 끼치지 못한다고 할 수 있다.

Fig. 9 Maximum stress of twist lock for 10tons

Fig. 10 Maximum deformation of twist lock for 10tons

On-Chassis 방식의 경우, 2TEU 기준 30톤인 하중을 6TEU로 증가하여 90톤의 컨테이너 하중에 섀시 하중 10톤을 부가하여 총 100톤의 하중이 스프레더에 부가되는 것으로 고려하였다. 따라서, 트위스트 락 한 개에는 25톤의 하중이 부가되며, 이때의 구속조건은 Table 6과 같다.

Table 6. Boundary conditions for 10tons

On-Chassis 방식의 경우에 대한 정적 구조해석 수행 결과, 최대 응력과 최대 변위는 각각 Fig. 11과 Fig. 12에 나타낸 것처럼 10톤의 하중 부가의 경우와 같은 부위에 발생하고 있으며, 그 값을 Table 7에 정리하였다.

Fig. 11 Maximum stress of twist lock for 25tons

Fig. 12 Maximum deformation of twist lock for 25tons

Table 7. Results summary of FEM for twist lock

트위스트 락의 허용 인장강도는 1,100MPa로서, 일반적인 방식의 작업인 10톤의 하중 부가에서는 안전율이 3.2로 안전하다고 할 수 있다. 그러나 On-Chassis 방식을 적용한 25톤의 하중 부가에서는 안전율이 1.3으로서 일반적인 기계 구조물의 권장 안전율인 2보다도 작으므로 안전하다고 할 수 없다. 따라서 On-Chassis 방식을 이용한 3단 적재 섀시로 컨테이너를 처리하기 위해서는 실시 설계 단계에서 트위스트 락의 강성을 보강할 필요가 있다. 이를 위해서는 보다 강한 재질의 선정 및 열처리 등을 통한 다양한 방법이 있을 수 있다.

3.3 차량 운송의 안전성 평가

안벽 크레인은 컨테이너를 컨테이너선에 직접 상하역하는 역할만을 수행한다. 따라서, 컨테이너를 안벽 크레인의 작업 범위에 위치하기 위해서는 다른 운송 수단이 필요한데, 주로 컨테이너용 트레일러 차량을 활용하게 된다. 대부분의 항만에서는 안벽 크레인으로 컨테이너를 상하역하기 위해 버퍼 역할을 하는 야드를 두게 되는데, 이 야드와 안벽 크레인과의 이동을 야드 트레일러가 담당하고 있다. 항만 내 다른 작업자들의 안전과 중량물인 컨테이너의 보호를 위해 야드 트레일러는 항만 내에서 20∼40km/h의 저속으로 운행이 되고 있다. 그러나 On-Chassis 방식을 이용하게 되면 기존의 1단으로 적재된 컨테이너를 운송하는 것에 비해 무게 중심의 위치가 훨씬 높게 되므로 전복의 위험이 훨씬 높게 된다. 따라서 3단으로 컨테이너가 적재된 상태로 차량을 이용하여 운송할때의 안정성을 검토하고 안전 규정 속도를 계산할 필요가 있다.

특히, 차량이 회전부를 지날 때는 Fig. 13과 같이 원심력에 의한 전복의 위험이 크게 되므로 최소 회전 반경에 대한 안전속도를 계산할 필요가 있다. 이를 위해 먼저 컨테이너가 3단으로 적재된 섀시 전체의 무게 중심을 구해야 하는데, 식(1)을 이용해 Fig. 13과 같이 컨테이너가 배치된 상태의 무게 중심을 구하게 된다.

\(\begin{align}\begin{aligned} \text { CoM } M_{\_} & =\frac{m_{c} d x_{c}+m_{1} d x_{1}+m_{2} d x_{2}+m_{3} d x_{3}}{m_{c}+m_{1}+m_{2}+m_{3}} \\ & =\text { Container center } \\ \text { CoM } M_{-} y & =\frac{m_{c} d y_{c}+m_{1} d y_{1}+m_{2} d y_{2}+m_{3} d y_{3}}{m_{c}+m_{1}+m_{2}+m_{3}}\end{aligned}\end{align}\)       (1)

Fig. 13 Roll over of yard trailer

Fig. 14 Center of gravity of the chassis with containers

Fig. 15 Safety of the chassis for roll over

이때 무게 중심의 x축은 섀시의 중심과 일치하고, y축은 지면으로부터 4,493mm의 높이에 위치하고 있다.

섀시의 무게 중심에 발생하는 회전속도에 따른 원심력(F)과 섀시의 중량(W), 그리고 바퀴의 외측지점에 발생하는 각각의 반력(F_N, W_N)을 이용하여 식(2)와 식(3) 그리고 식(4)를 통해 차량이 전복되는 시점의 속도를 계산하면 Table 8과 같다.

\(\begin{align}\begin{array}{l}F=F_{N}=\frac{m v^{2}}{r} \\ W=W_{N}=m g\end{array}\end{align}\)       (2) 

\(\begin{align}\begin{array}{l}W_{N} \cdot\left(\frac{T w}{2}\right)-F_{N} \cdot C o M_{-} y=0 \\ m g \cdot\left(\frac{T w}{2}\right)-\frac{m v^{2}}{r} \cdot C o M_{-} y=0\end{array}\end{align}\)       (3)

\(\begin{align}v=\sqrt{\frac{r \cdot g \cdot T w}{2 \cdot C o M \_y}}\end{align}\)       (4)

Table 8. Safe speed for chassis

빈 섀시만을 운송하는 Empty의 경우가 37.46km/h이며, 모두 빈 컨테이너만을 실은 Best case의 경우에 19.28km/h, 두 개의 빈 컨테이너 위에 30톤의 컨테이너가 적재된 Worst case의 경우에 15.22km/h의 전복 시점 속도를 보이고 있다. 이는 빈 섀시를 운송할 때를 제외하고는 기존의 야드 트레일러 운행 속도인 20∼40km/h보다 일정 부분 감속해서 회전부를 운행할 필요가 있음을 의미한다. 그러나 일반적으로 안벽에서 야드까지의 구간에 위치한 회전부는 전체의 5%를 넘지 않으므로 전체적인 처리 시간에는 큰 영향을 미치지 않을 것으로 판단된다.

4. 결론 및 향후 계획

본 논문에서는 해상 물동량의 증가에 따른 안벽에서의 컨테이너 처리 속도 향상을 위해 On-Chassis 방식의 개념 설계 및 실제 항만에서의 적용 가능성을 검토하였다. 기존의 전통적인 1단 2TEU 처리 방식으로는 늘어나는 물동량을 처리하는 데에 한계를 보이고 있다. 본 논문에서 제시한 On-Chassis 방식은 전용 섀시를 이용해 한번에 3단 6TEU를 처리함으로써 최대 3배 이상의 컨테이너 처리 속도를 가져올 수 있다. 3단으로 컨테이너를 적재할 수 있는 섀시를 설계하고 구조 해석을 통해 안정성을 검증하고, 전용 크레인의 개발 가능성을 구조해석을 통해 확인하였다. 또한, 기존의 야드 트레일러를 이용한 3단 적재 섀시의 운송 가능 여부를 검토하여 실제 항만에 적용 가능성을 확인하였다. 전용 섀시의 적재를 위한 컨테이너선의 구조적 변경, 전용 안벽 크레인의 적용 등의 부가적인 비용이 발생하는 문제가 있겠으나, 지속적인 해상 물동량의 증가에 신속하고 적절하게 대처가 가능한 새로운 컨테이너 처리기술로 적용이 가능할 것으로 판단된다. 향후에는 전용 섀시의 최적설계를 통한 경량화, 스프레더의 트위스트 락의 강성 보강 등을 통해 실제 적용 가능성을 높일 수 있을 것으로 판단된다.