사고한계상태설계(ALSD, Accidental Limit State Design)의 능동적 관점에서 의미는 인명적 손실 또는 환경적 재앙을 유발할 수 있는 사건 또는 사고를 대비한 안전항법장치 등의 사고 회피 수단의 구현 등을 의미하지만 수동적 관점에서 사고한계상태설계는 구조의 보강 및 배치 합리화를 통하여 인명과 재산의 손실 또는 환경 오염의 최소화를 위한 설계를 의미한다. 상선의 사고한계상태는 선박의 충돌 또는 좌초사고를 주로 의미하며 군함의 경우는 어뢰 또는 공습에 의한 피탄 이후 생존성(Survivablity) 등을 의미하기도 한다. 해양구조물의 사고한계상태는 해양구조물과 생산석유운반선(Shuttle tanker)과의 충돌 사고, 시설물의 낙하로 인한 충돌 사고, 생산 또는 저장중인 유류 또는 가스의 폭발 사고, 그리고 폭발로 인한 화재 사고 등을 의미한다. 안전사고 중에서 선박-선박 충돌, 선박-암초 좌초, FPSO-생산석유운반선 충돌 사고 등은 인명적/환경적 파급효과가 가장 큰 유형의 사고이다. 유류 운반선 또는 화학물 운반선의 사고에 따른 화물의 방출이 환경에 미치는 파급효과를 이미 Exxon-Valdez호와 같은 여러 사고사례로부터 짐작 할 수 있다. 또한 여객선의 충돌 및 좌초로 인한 인명의 손실도 종종 보고되어 오고 있다. 이러한 사고에 있어서 구조물에 발생하는 공통적인 현상은 압괴 (Crushing)와 찢김(Tearing)과 같은 대변형률을 동반하는 소성변형이다. 많은 연구자들이 찢김과 같은 구조물의 파단을 최소화하되 구조물의 소성변형을 극대화시켜 에너지 소산을 증가시키려는 구조 설계를 제안한 바 있으며 현재도 이에 대한 연구가 국내외적으로 활발히 진행 중이다. 그러나 소성변형 및 파단 특성은 구조물의 형상 및 배치와 같은 기하학적인 특성과 재료자체의 소성 재료특성에 의하여 지배받음에도 불구하고 현재까지의 국내외 연구는 주로 구조의 배치 또는 형상에 주로 관심을 가져왔기 때문에 조선 해양용 ...
사고한계상태설계(ALSD, Accidental Limit State Design)의 능동적 관점에서 의미는 인명적 손실 또는 환경적 재앙을 유발할 수 있는 사건 또는 사고를 대비한 안전항법장치 등의 사고 회피 수단의 구현 등을 의미하지만 수동적 관점에서 사고한계상태설계는 구조의 보강 및 배치 합리화를 통하여 인명과 재산의 손실 또는 환경 오염의 최소화를 위한 설계를 의미한다. 상선의 사고한계상태는 선박의 충돌 또는 좌초사고를 주로 의미하며 군함의 경우는 어뢰 또는 공습에 의한 피탄 이후 생존성(Survivablity) 등을 의미하기도 한다. 해양구조물의 사고한계상태는 해양구조물과 생산석유운반선(Shuttle tanker)과의 충돌 사고, 시설물의 낙하로 인한 충돌 사고, 생산 또는 저장중인 유류 또는 가스의 폭발 사고, 그리고 폭발로 인한 화재 사고 등을 의미한다. 안전사고 중에서 선박-선박 충돌, 선박-암초 좌초, FPSO-생산석유운반선 충돌 사고 등은 인명적/환경적 파급효과가 가장 큰 유형의 사고이다. 유류 운반선 또는 화학물 운반선의 사고에 따른 화물의 방출이 환경에 미치는 파급효과를 이미 Exxon-Valdez호와 같은 여러 사고사례로부터 짐작 할 수 있다. 또한 여객선의 충돌 및 좌초로 인한 인명의 손실도 종종 보고되어 오고 있다. 이러한 사고에 있어서 구조물에 발생하는 공통적인 현상은 압괴 (Crushing)와 찢김(Tearing)과 같은 대변형률을 동반하는 소성변형이다. 많은 연구자들이 찢김과 같은 구조물의 파단을 최소화하되 구조물의 소성변형을 극대화시켜 에너지 소산을 증가시키려는 구조 설계를 제안한 바 있으며 현재도 이에 대한 연구가 국내외적으로 활발히 진행 중이다. 그러나 소성변형 및 파단 특성은 구조물의 형상 및 배치와 같은 기하학적인 특성과 재료자체의 소성 재료특성에 의하여 지배받음에도 불구하고 현재까지의 국내외 연구는 주로 구조의 배치 또는 형상에 주로 관심을 가져왔기 때문에 조선 해양용 강재의 소성 및 파단 특성에 대한 기초적인 연구는 거의 수행되지 않았다. 따라서 본 논문의 첫번째 목적은 사고한계상태에 대비한 합리적 설계를 위하여 선박해양구조물용 강재의 소성 재료특성을 규명하는 것이다. 일차적으로 재료의 소성 경화특성을 규명하기 위하여 재료실험 데이터는 이미 주어졌다는 가정하에 재료실험 수치해석을 실시하였다. 이론적으로 재료실험 결과와 이에 대한 수치해석 결과는 확산네킹(Diffuse necking)의 발생전까지는 상당히 일치하였지만 확산네킹 이후에 두 결과 간에 많은 편차가 존재함을 확인할 수 있었다. 이는 확산네킹 이후 인장시편의 응력이 일축이 아닌 삼축상태로 접어들지만 재료실험으로부터 얻은 결과는 일축응력 데이터에 불과하기 때문이다. Bridgman(1952)은 이러한 문제를 해결하기 위하여 봉형시편(Round specimen)에 대한 응력수정식을 제안한바 있지만, 판형시편의 경우 축대칭 형상이 아니므로 Bridgman의 응력수정식이 적용되기 어렵다. 이러한 문제를 해결하기 위하여 본 논문에서는 판형시편에 대한 파라메트릭 수치해석을 실시하여 확산네킹 이후 응력수정식을 개발하여 제시하였으며, 이를 통하여 보다 정량적인 소성 경화특성을 재료데이터로서 사용할 수 있는 기반이 마련되었다. 또한 선박해양구조물에 사용되는 여러 강재에 대한 재료실험을 실시하여 항복응력, 인장진응력, 로그 진변형률, 평균 진응력-로그 진변형률 곡선을 제시하였으며 이들에 대한 통계처리를 실시하여 소성 경화 구성방정식의 기본 데이터 즉 소성변형률 경화지수(Plastic strain hardening exponent) 및 강도계수(Strength coefficient)를 제시하였다. 이러한 데이터는 사고한계상태의 정량적 예측에 많은 기여를 하리라 판단된다. 현재 거의 대부분의 연구자들이 사용하는 파단모델은 등가 소성변형률(Equivalent plastic strain) 기준으로 파단 여부를 결정하는 전단파단모델(또는 소성파단 모델)이다. 그러나 이 모델을 가지고는 구조물의 기하학적인 불연속성(Degree of geometric discontinuity)에 따른 응력장의 발달이 파단에 미치는 영향을 파악할 수 없다. 즉 기하학적 불연속성이 큰 구조부재의 경우 응력의 집중과 구배가 크지만, 전단파단 모델은 구조물에서 발생한 응력 집중과 구배에 상관없이 구조물에서 발생한 소성변형률을 파단기준으로 적용하는 문제점이 발생한다. 또한 재료실험에서 도출한 로그 진파단변형률(Logarithmic true fracture strain)이 비록 재료상수일지라도 평활재에 대한 결과이므로 연구자마다 서로 상이한 파단변형률을 적용하는 실정이다. 따라서 본 논문의 두번째 목적은 선박해양구조물용 강재에 가장 적합한 파단모델을 제시하는 것이다. 이를 위하여 고전적인 전단파단모델과 연속체 손상역학 모델(CDMmodel, Continuum Damage Mechanics model) 그리고 미시역학(Micromechanics)에 근거한 기공률소성 모델(Porous plasticity model or GTN model)의 이론적 배경을 설명하였다. 연속체 손상역학 모델은 비교적 적은 개수의 재료상수를 가지고 응력장의 효과를 고려할 수 있는 반면, 기공률소성 모델은 구조물의 기하학적인 형상에 따른 응력장이 파단에 미치는 영향을 비교적 정확히 반영할 수 있는 모델로 알려져 있다. 연속체 손상역학 모델의 유효성을 검증하기 위하여, 재료의 손상실험을 실시하여 연속체 손상역학에 근거한 선형손상 모델의 재료상수를 도출하고 연속체 손상역학 모델을 적용하여 인장시편에 대한 수치해석을 실시한 결과 연속체 손상역학 모델은 소성변형률과 손상도(Damage)가 선형적인 관계를 가진다는 가정으로 인하여 선박해양구조물용 강재에 적합하지 않은 것으로 판명되었다. 반면에 재료의 인장시험 결과와 파라메트릭 수치해석을 통하여 기공률소성 모델의 재료상수를 도출하고 이를 적용하여 평활재 및 노치재 시편에 대한 수치해석을 실시한 결과 선박해양구조물용 파단모델로서 적합하다는 결론을 얻을 수 있었다. 본 논문의 세번째 목적은 사고한계상태에 대한 정확한 수치해석을 위해서 수치해석의 불확실성을 최소화하는 것이다. 수치해석의 불확실성은 주로 요소의 크기에 따른 파단강도의 변동성을 의미한다. 이를 규명하기 위해서 준정적 천공실험(Punch test)을 실시하였다. 천공실험은 실험기기의 용량제한으로 인하여 재료실험 적용하였던 선박해양구조물용 후판강재를 사용하지 못하고 일반적인 연강박판을 사용하였다. 이로 인하여 천공실험 재료에 대한 재료실험을 별도로 수행하고 얻어진 재료데이터를 이용하여 천공실험 수치해석을 수행하였다. 요소의 크기에 따른 파라메트릭 수치해석 수행결과, 요소의 크기는 판재의 두께의 함수로 나타내어지지 않고 두 접촉체간의 상대곡률반지름(Relative radius of curvature)에 따른 함수임을 규명하였고, 상대곡률반지름으로 무차원화된 임계요소크기는 약 0.2정도임을 제시하였다. 본 논문의 네번째 목표는 변형률속도가 구조물의 소성변형 및 파단에 미치는 영향을 규명하는 것이다. 이를 위하여 우선적으로 변형률속도 구성방정식의 이론적배경에 대하여 기술하였다. 또한 여러 문헌을 조사하여, 자동차용 강판의 변형률속도에 따른 재료실험 데이터를 분석하였다. 자동차용 고장력 강판 또는 선박해양구조물용 고장력 후판의 경우 변형률속도에 많이 민감하지 않음을 확인하였다. 즉 연강에 통상적으로 적용되는 Cowper-Symonds 변형률속도 구성방정식의 재료상수는 고장력강에 대하여 변형률속도의 영향을 과대평가하는 것으로 판명되었다. 실제 파단문제에서 변형률속도의 영향도 분석을 위하여 Cho(2004)에 의하여 실시되었던 보강판의 횡 충돌실험 데이터를 사용하여 변형률속도의 영향을 분석하였다. 수치해석 결과는 파단선(Fracture line)을 따라 최대 1000/s정도의 변형률속도가 발생하였으며, 이는 중-고변형률속도에 해당하는 수치이지만, 변형률속도를 고려하지 않은 수치해석 결과가 실험결과와 잘 일치함을 확인할 수 있었다. 이는 실제 충돌 및 좌초문제에서, 국부적으로 상당히 큰 변형률속도가 발생할 수 있지만 고장력강의 경우 변형률속도로 인한 재료의 경화효과를 무시할 수 있음을 의미한다. 본 논문의 마지막 목표는 본 논문을 통하여 도출된 소성 재료상수, 기공률소성 모델의 재료상수 및 임계요소크기를 적용하여 실선의 충돌사고를 재현하므로서 본 논문의 종합적인 타당성을 검증하는 것이다. 이를 위하여 2004년 울산 근해에서 발생한 컨테이너선과 자동차운반선의 충돌사고를 대상으로 사고선의 도면, 충돌 당시의 손상범위, 충돌각도, 그리고 흘수정보 등에 대한 자료를 사용하여 수치 시뮬레이션을 실시한 결과 실선 사고와 거의 유사한 결과를 확인 할 수 있었다. 따라서 본 논문에서 제안한 각종 데이터와 방법론의 유효성을 최종적으로 입증할 수 있었다. 향후 연구과제로서 강재 생산자별 그리고 강재의 종류별 증분형 인장실험을 통하여 정량적인 재료물성치 데이터베이스를 구축하는 것이 반드시 필요하다. 또한 기공률소성 모델의 재료상수를 도출하기 위하여 수치해석적인 방법 뿐만 아니라 전자현미경 분석과 같은 미시적의 실험/계측연구도 병행되어야 할것이다. 비선형손상 모델은 비교적 적은 재료상수를 가지고 소성 및 파단을 추정할 수 있는 효율적인 모델이므로 LS-Dyna 또는 Abaqus/Explicit과 같은 상용코드에 이를 적용할 수 있는 사용자 커스터마이징(Customizing)이 필요하다고 판단된다. 용접부와 같은 열영향부는 연성과 취성의 중간적인 성질을 가지는 것으로 알려져 있으며, 용접선에 대한 파단을 정의하기 위한 연구가 향후 필요하다고 판단된다. 또한 다양한 선박해양구조물용 강재에 대한 체계적이고 정량적인 변형률속도 실험을 실시하여야 할 것이다.
사고한계상태설계(ALSD, Accidental Limit State Design)의 능동적 관점에서 의미는 인명적 손실 또는 환경적 재앙을 유발할 수 있는 사건 또는 사고를 대비한 안전항법장치 등의 사고 회피 수단의 구현 등을 의미하지만 수동적 관점에서 사고한계상태설계는 구조의 보강 및 배치 합리화를 통하여 인명과 재산의 손실 또는 환경 오염의 최소화를 위한 설계를 의미한다. 상선의 사고한계상태는 선박의 충돌 또는 좌초사고를 주로 의미하며 군함의 경우는 어뢰 또는 공습에 의한 피탄 이후 생존성(Survivablity) 등을 의미하기도 한다. 해양구조물의 사고한계상태는 해양구조물과 생산석유운반선(Shuttle tanker)과의 충돌 사고, 시설물의 낙하로 인한 충돌 사고, 생산 또는 저장중인 유류 또는 가스의 폭발 사고, 그리고 폭발로 인한 화재 사고 등을 의미한다. 안전사고 중에서 선박-선박 충돌, 선박-암초 좌초, FPSO-생산석유운반선 충돌 사고 등은 인명적/환경적 파급효과가 가장 큰 유형의 사고이다. 유류 운반선 또는 화학물 운반선의 사고에 따른 화물의 방출이 환경에 미치는 파급효과를 이미 Exxon-Valdez호와 같은 여러 사고사례로부터 짐작 할 수 있다. 또한 여객선의 충돌 및 좌초로 인한 인명의 손실도 종종 보고되어 오고 있다. 이러한 사고에 있어서 구조물에 발생하는 공통적인 현상은 압괴 (Crushing)와 찢김(Tearing)과 같은 대변형률을 동반하는 소성변형이다. 많은 연구자들이 찢김과 같은 구조물의 파단을 최소화하되 구조물의 소성변형을 극대화시켜 에너지 소산을 증가시키려는 구조 설계를 제안한 바 있으며 현재도 이에 대한 연구가 국내외적으로 활발히 진행 중이다. 그러나 소성변형 및 파단 특성은 구조물의 형상 및 배치와 같은 기하학적인 특성과 재료자체의 소성 재료특성에 의하여 지배받음에도 불구하고 현재까지의 국내외 연구는 주로 구조의 배치 또는 형상에 주로 관심을 가져왔기 때문에 조선 해양용 강재의 소성 및 파단 특성에 대한 기초적인 연구는 거의 수행되지 않았다. 따라서 본 논문의 첫번째 목적은 사고한계상태에 대비한 합리적 설계를 위하여 선박해양구조물용 강재의 소성 재료특성을 규명하는 것이다. 일차적으로 재료의 소성 경화특성을 규명하기 위하여 재료실험 데이터는 이미 주어졌다는 가정하에 재료실험 수치해석을 실시하였다. 이론적으로 재료실험 결과와 이에 대한 수치해석 결과는 확산네킹(Diffuse necking)의 발생전까지는 상당히 일치하였지만 확산네킹 이후에 두 결과 간에 많은 편차가 존재함을 확인할 수 있었다. 이는 확산네킹 이후 인장시편의 응력이 일축이 아닌 삼축상태로 접어들지만 재료실험으로부터 얻은 결과는 일축응력 데이터에 불과하기 때문이다. Bridgman(1952)은 이러한 문제를 해결하기 위하여 봉형시편(Round specimen)에 대한 응력수정식을 제안한바 있지만, 판형시편의 경우 축대칭 형상이 아니므로 Bridgman의 응력수정식이 적용되기 어렵다. 이러한 문제를 해결하기 위하여 본 논문에서는 판형시편에 대한 파라메트릭 수치해석을 실시하여 확산네킹 이후 응력수정식을 개발하여 제시하였으며, 이를 통하여 보다 정량적인 소성 경화특성을 재료데이터로서 사용할 수 있는 기반이 마련되었다. 또한 선박해양구조물에 사용되는 여러 강재에 대한 재료실험을 실시하여 항복응력, 인장진응력, 로그 진변형률, 평균 진응력-로그 진변형률 곡선을 제시하였으며 이들에 대한 통계처리를 실시하여 소성 경화 구성방정식의 기본 데이터 즉 소성변형률 경화지수(Plastic strain hardening exponent) 및 강도계수(Strength coefficient)를 제시하였다. 이러한 데이터는 사고한계상태의 정량적 예측에 많은 기여를 하리라 판단된다. 현재 거의 대부분의 연구자들이 사용하는 파단모델은 등가 소성변형률(Equivalent plastic strain) 기준으로 파단 여부를 결정하는 전단파단모델(또는 소성파단 모델)이다. 그러나 이 모델을 가지고는 구조물의 기하학적인 불연속성(Degree of geometric discontinuity)에 따른 응력장의 발달이 파단에 미치는 영향을 파악할 수 없다. 즉 기하학적 불연속성이 큰 구조부재의 경우 응력의 집중과 구배가 크지만, 전단파단 모델은 구조물에서 발생한 응력 집중과 구배에 상관없이 구조물에서 발생한 소성변형률을 파단기준으로 적용하는 문제점이 발생한다. 또한 재료실험에서 도출한 로그 진파단변형률(Logarithmic true fracture strain)이 비록 재료상수일지라도 평활재에 대한 결과이므로 연구자마다 서로 상이한 파단변형률을 적용하는 실정이다. 따라서 본 논문의 두번째 목적은 선박해양구조물용 강재에 가장 적합한 파단모델을 제시하는 것이다. 이를 위하여 고전적인 전단파단모델과 연속체 손상역학 모델(CDM model, Continuum Damage Mechanics model) 그리고 미시역학(Micromechanics)에 근거한 기공률소성 모델(Porous plasticity model or GTN model)의 이론적 배경을 설명하였다. 연속체 손상역학 모델은 비교적 적은 개수의 재료상수를 가지고 응력장의 효과를 고려할 수 있는 반면, 기공률소성 모델은 구조물의 기하학적인 형상에 따른 응력장이 파단에 미치는 영향을 비교적 정확히 반영할 수 있는 모델로 알려져 있다. 연속체 손상역학 모델의 유효성을 검증하기 위하여, 재료의 손상실험을 실시하여 연속체 손상역학에 근거한 선형손상 모델의 재료상수를 도출하고 연속체 손상역학 모델을 적용하여 인장시편에 대한 수치해석을 실시한 결과 연속체 손상역학 모델은 소성변형률과 손상도(Damage)가 선형적인 관계를 가진다는 가정으로 인하여 선박해양구조물용 강재에 적합하지 않은 것으로 판명되었다. 반면에 재료의 인장시험 결과와 파라메트릭 수치해석을 통하여 기공률소성 모델의 재료상수를 도출하고 이를 적용하여 평활재 및 노치재 시편에 대한 수치해석을 실시한 결과 선박해양구조물용 파단모델로서 적합하다는 결론을 얻을 수 있었다. 본 논문의 세번째 목적은 사고한계상태에 대한 정확한 수치해석을 위해서 수치해석의 불확실성을 최소화하는 것이다. 수치해석의 불확실성은 주로 요소의 크기에 따른 파단강도의 변동성을 의미한다. 이를 규명하기 위해서 준정적 천공실험(Punch test)을 실시하였다. 천공실험은 실험기기의 용량제한으로 인하여 재료실험 적용하였던 선박해양구조물용 후판강재를 사용하지 못하고 일반적인 연강 박판을 사용하였다. 이로 인하여 천공실험 재료에 대한 재료실험을 별도로 수행하고 얻어진 재료데이터를 이용하여 천공실험 수치해석을 수행하였다. 요소의 크기에 따른 파라메트릭 수치해석 수행결과, 요소의 크기는 판재의 두께의 함수로 나타내어지지 않고 두 접촉체간의 상대곡률반지름(Relative radius of curvature)에 따른 함수임을 규명하였고, 상대곡률반지름으로 무차원화된 임계요소크기는 약 0.2정도임을 제시하였다. 본 논문의 네번째 목표는 변형률속도가 구조물의 소성변형 및 파단에 미치는 영향을 규명하는 것이다. 이를 위하여 우선적으로 변형률속도 구성방정식의 이론적배경에 대하여 기술하였다. 또한 여러 문헌을 조사하여, 자동차용 강판의 변형률속도에 따른 재료실험 데이터를 분석하였다. 자동차용 고장력 강판 또는 선박해양구조물용 고장력 후판의 경우 변형률속도에 많이 민감하지 않음을 확인하였다. 즉 연강에 통상적으로 적용되는 Cowper-Symonds 변형률속도 구성방정식의 재료상수는 고장력강에 대하여 변형률속도의 영향을 과대평가하는 것으로 판명되었다. 실제 파단문제에서 변형률속도의 영향도 분석을 위하여 Cho(2004)에 의하여 실시되었던 보강판의 횡 충돌실험 데이터를 사용하여 변형률속도의 영향을 분석하였다. 수치해석 결과는 파단선(Fracture line)을 따라 최대 1000/s정도의 변형률속도가 발생하였으며, 이는 중-고변형률속도에 해당하는 수치이지만, 변형률속도를 고려하지 않은 수치해석 결과가 실험결과와 잘 일치함을 확인할 수 있었다. 이는 실제 충돌 및 좌초문제에서, 국부적으로 상당히 큰 변형률속도가 발생할 수 있지만 고장력강의 경우 변형률속도로 인한 재료의 경화효과를 무시할 수 있음을 의미한다. 본 논문의 마지막 목표는 본 논문을 통하여 도출된 소성 재료상수, 기공률소성 모델의 재료상수 및 임계요소크기를 적용하여 실선의 충돌사고를 재현하므로서 본 논문의 종합적인 타당성을 검증하는 것이다. 이를 위하여 2004년 울산 근해에서 발생한 컨테이너선과 자동차운반선의 충돌사고를 대상으로 사고선의 도면, 충돌 당시의 손상범위, 충돌각도, 그리고 흘수정보 등에 대한 자료를 사용하여 수치 시뮬레이션을 실시한 결과 실선 사고와 거의 유사한 결과를 확인 할 수 있었다. 따라서 본 논문에서 제안한 각종 데이터와 방법론의 유효성을 최종적으로 입증할 수 있었다. 향후 연구과제로서 강재 생산자별 그리고 강재의 종류별 증분형 인장실험을 통하여 정량적인 재료물성치 데이터베이스를 구축하는 것이 반드시 필요하다. 또한 기공률소성 모델의 재료상수를 도출하기 위하여 수치해석적인 방법 뿐만 아니라 전자현미경 분석과 같은 미시적의 실험/계측연구도 병행되어야 할것이다. 비선형손상 모델은 비교적 적은 재료상수를 가지고 소성 및 파단을 추정할 수 있는 효율적인 모델이므로 LS-Dyna 또는 Abaqus/Explicit과 같은 상용코드에 이를 적용할 수 있는 사용자 커스터마이징(Customizing)이 필요하다고 판단된다. 용접부와 같은 열영향부는 연성과 취성의 중간적인 성질을 가지는 것으로 알려져 있으며, 용접선에 대한 파단을 정의하기 위한 연구가 향후 필요하다고 판단된다. 또한 다양한 선박해양구조물용 강재에 대한 체계적이고 정량적인 변형률속도 실험을 실시하여야 할 것이다.
In the active viewpoint, ALSD (Accidental Limit State Design) implys implementation of IT(Information Technology) like smart navigation instruments to avoid accidents which never accompany without catastrophic environmental pollution or large loss of human safety, whereas in the passive viewpoint, d...
In the active viewpoint, ALSD (Accidental Limit State Design) implys implementation of IT(Information Technology) like smart navigation instruments to avoid accidents which never accompany without catastrophic environmental pollution or large loss of human safety, whereas in the passive viewpoint, design to minimize pollution range and loss of human lives through reinforcements and rational arrangement of structural components. Accidental limit state for commercial vessels generally means ship-to-ship collisions or ship-to-rock groundings and for warships survivability under torpedo or air attacks. On the other hand, accidental limit state for offshore structures is commonly confined to platform-to-shuttle collisions, drop objects and fire/explosion by produced gas cloud. Among the typical accidents, ship-to-ship collision, ship-to-rock grounding and FPSO-to-shuttle collision are accepted as one of the most dangerous accidents with respect to human safety and environment. Cargo spills from liquid cargo ships into the sea water have caused the ecological disasters, for instance, as seen in grounding of Exxon-Valdez. Collision and grounding accidents of passenger ferries are also frequently reported. These kinds of accidents are necessarily followed by severe permanent deformations such as crushing and tearing of the structures. Even though, for better design against accidental conditions, technology for quantitative estimation of plastic damage extents is urgently required, many researches have been internationally and domestically focused on design optimizations and re-arrangements to reduce fractured area and to increase volume of crushed area. Considering the plastic process including fracture is governed by geometric shapes and material properties of the employed steels, it is still rare to find out researches associated with the material properties. Therefore global objective of this thesis will be concentrated on plastic and fracture characteristics of various steels for the quantitative simulation under accidental limit state of ship and offshore structures. First aim of the thesis is to establish correct plastic hardening characteristics from tensile tests. Plastic behavior of tensile specimen is investigated, focused on the point that the stress state is not uniaxial but triaxial after onset of diffuse necking which enevitably causes deviation between two results from tensile test and numerical simulation. Bridgman(1952) had proposed a necking correction formula utilized for the round specimen based on assumptions of proportional loading, axisymmetric condition and von Mises yield criterion. It is known that principal disadvantage for Bridgman formula comes from difficulties to measure incremental changes of diameter at the minimum cross section and of radius of curvature. Since flat specimen does not satisfy axisymmetric condition, a new formula is required and developed for the necking correction of flat specimens through parametric numerical analyses with which it is possible to define material hardening properties ultil fracture. Through tensile tests for five kinds of marine structural steels, a small database is established where various physical quantaties related to plasticity such as initial yield stress, plastic strain hardening exponent, strength coefficient and true fracture strain is provided in terms of raw data and probabilistic data. These plasticity data will be the cornerstone for the exact accidental design. Most of international and domestic researches have believed shear fracture model, also called J2 plasticity model, where structural failure occurs when accumulated equivalent plastic strain reaches predefined failure strain. Shear fracture model does not well estimate structural failures considering the degree of geometric discontinuity. In other words, while stress concentration and gradient will be increased in the structures with high geometric discontinuities and consequently structural failure will be accelerated in the elevated and concentrated stressed zone, shear fracture model does not include effect of stress increase and concentration. Many researchers who employed shear fracture model have used different fracture strains to tune with structural experiments. Second aim of the thesis is to suggest reliable fracture model. Looking around popular fracture models, LEFM(Linear Elastic Fracture Mechanics) model is known to be valid for the structures with local plastic deformation where flow stress is only concerned in very small zone. CDM(Continuum Damage Mechanics) model is known to be relatively easy to use in spite of diluted meaning in micromechanical evolution stages. With material constants which are obtained from elaborated damage tests in this thesis, numerical analyses results shows that linear CDM model does not well forecast the plastic behavior of marine structural steels since linear CDM model assumes linear relationship between damage and plastic strain and it may bring about mal-estimation. It is known that porous plasticity model, also called GTN(Gurson Tvergaard and Needleman) model based on michromechanical damage evolution, successfully incoroporate the effect of hydrostatic stress which micromechanically contributes to nucleation and growth of micro voids. Three criteria of shear fracture model, linear CDM model and GTN model are qualified by comparative validity verification. In other words, after comparison of tensile tests and tensile test simulation for smooth and notched specimens using each fracture model, as a new fracture criterion, GTN model has been proposed to be proper for marine structural steels. Third aim of the thesis is to demonstrate applicability of proposed plasticity/fracture model to quasistatic fracture problem. Effectiveness of GTN model is particularly verified by punch tests and simulations. After obtaining average true stress-logarithmic true plastic strain from tensile tests for the punch test steels, material constants for GTN model are identified through parametric numerical analyses. Punch simulations based on the identified material constants show good agreement with punch test resuts. In order to minimize uncertainties in punch simulations, a study concerning element size sensitivity gives critical element size introducing a new concept of nondimentional element size based on relative radius of curvatures between interacting structures, instead of element thickness concept. A new formula regarding porosity of nucleated voids is proposed for the better dependency on contribution of hydrostatic stress in the structural components. Fourth aim of this thesis is to explain strain rate effects on plastic process including fracture stage. Before mentioning the validity of GTN model in dynamic impact problem, therefore, physical meanings for strain rate constitutive equations, especially Cowper-Symonds and Johnson-Cook models, are introduced in detail. From the selected reference reviews, many researches reveal that high strength steels even used for the vehicle bodies and the ship/offshore structures are not much sensitive to strain rate. It implies that material constants used for mild steel should not be applied in high strength steels. For the verification of GTN model and experimental examination of strain rate effects in impact problem, numerical analyses for impact tests on stiffened plates by Cho(2004) are carried out. The numerical analyses show that maximum strain rates over 1000.0/s are observed along the fracture lines. However, in case of neglecting rate dependency, deformed configuration after end of impact well matched for test results. It is concluded that while local strain rates can locally reach high strain rate category rate dependency cannot be remarkable for high strength steels. The final aim of this thesis is to prove the applicability of GTN model in actual accidents. For the actual ship-to-ship collision accidents occurred in Ulsan offshore area on January 2004, numerical analyses are carried using the data relevant to accident such as drawings, extents of damages, collision angle, draft condition and cargo status for both ships. The material constants for GTN model, critical element size and rate depency are totally implemented to the numerical simulation. It is confirmed that the estimated damage extent by numerical analyses is in good agreement with actual damages. Therefore it is concluded that plasticity/fracture model and methodologies for accidental limit state simulation in this thesis are fully verified.
In the active viewpoint, ALSD (Accidental Limit State Design) implys implementation of IT(Information Technology) like smart navigation instruments to avoid accidents which never accompany without catastrophic environmental pollution or large loss of human safety, whereas in the passive viewpoint, design to minimize pollution range and loss of human lives through reinforcements and rational arrangement of structural components. Accidental limit state for commercial vessels generally means ship-to-ship collisions or ship-to-rock groundings and for warships survivability under torpedo or air attacks. On the other hand, accidental limit state for offshore structures is commonly confined to platform-to-shuttle collisions, drop objects and fire/explosion by produced gas cloud. Among the typical accidents, ship-to-ship collision, ship-to-rock grounding and FPSO-to-shuttle collision are accepted as one of the most dangerous accidents with respect to human safety and environment. Cargo spills from liquid cargo ships into the sea water have caused the ecological disasters, for instance, as seen in grounding of Exxon-Valdez. Collision and grounding accidents of passenger ferries are also frequently reported. These kinds of accidents are necessarily followed by severe permanent deformations such as crushing and tearing of the structures. Even though, for better design against accidental conditions, technology for quantitative estimation of plastic damage extents is urgently required, many researches have been internationally and domestically focused on design optimizations and re-arrangements to reduce fractured area and to increase volume of crushed area. Considering the plastic process including fracture is governed by geometric shapes and material properties of the employed steels, it is still rare to find out researches associated with the material properties. Therefore global objective of this thesis will be concentrated on plastic and fracture characteristics of various steels for the quantitative simulation under accidental limit state of ship and offshore structures. First aim of the thesis is to establish correct plastic hardening characteristics from tensile tests. Plastic behavior of tensile specimen is investigated, focused on the point that the stress state is not uniaxial but triaxial after onset of diffuse necking which enevitably causes deviation between two results from tensile test and numerical simulation. Bridgman(1952) had proposed a necking correction formula utilized for the round specimen based on assumptions of proportional loading, axisymmetric condition and von Mises yield criterion. It is known that principal disadvantage for Bridgman formula comes from difficulties to measure incremental changes of diameter at the minimum cross section and of radius of curvature. Since flat specimen does not satisfy axisymmetric condition, a new formula is required and developed for the necking correction of flat specimens through parametric numerical analyses with which it is possible to define material hardening properties ultil fracture. Through tensile tests for five kinds of marine structural steels, a small database is established where various physical quantaties related to plasticity such as initial yield stress, plastic strain hardening exponent, strength coefficient and true fracture strain is provided in terms of raw data and probabilistic data. These plasticity data will be the cornerstone for the exact accidental design. Most of international and domestic researches have believed shear fracture model, also called J2 plasticity model, where structural failure occurs when accumulated equivalent plastic strain reaches predefined failure strain. Shear fracture model does not well estimate structural failures considering the degree of geometric discontinuity. In other words, while stress concentration and gradient will be increased in the structures with high geometric discontinuities and consequently structural failure will be accelerated in the elevated and concentrated stressed zone, shear fracture model does not include effect of stress increase and concentration. Many researchers who employed shear fracture model have used different fracture strains to tune with structural experiments. Second aim of the thesis is to suggest reliable fracture model. Looking around popular fracture models, LEFM(Linear Elastic Fracture Mechanics) model is known to be valid for the structures with local plastic deformation where flow stress is only concerned in very small zone. CDM(Continuum Damage Mechanics) model is known to be relatively easy to use in spite of diluted meaning in micromechanical evolution stages. With material constants which are obtained from elaborated damage tests in this thesis, numerical analyses results shows that linear CDM model does not well forecast the plastic behavior of marine structural steels since linear CDM model assumes linear relationship between damage and plastic strain and it may bring about mal-estimation. It is known that porous plasticity model, also called GTN(Gurson Tvergaard and Needleman) model based on michromechanical damage evolution, successfully incoroporate the effect of hydrostatic stress which micromechanically contributes to nucleation and growth of micro voids. Three criteria of shear fracture model, linear CDM model and GTN model are qualified by comparative validity verification. In other words, after comparison of tensile tests and tensile test simulation for smooth and notched specimens using each fracture model, as a new fracture criterion, GTN model has been proposed to be proper for marine structural steels. Third aim of the thesis is to demonstrate applicability of proposed plasticity/fracture model to quasistatic fracture problem. Effectiveness of GTN model is particularly verified by punch tests and simulations. After obtaining average true stress-logarithmic true plastic strain from tensile tests for the punch test steels, material constants for GTN model are identified through parametric numerical analyses. Punch simulations based on the identified material constants show good agreement with punch test resuts. In order to minimize uncertainties in punch simulations, a study concerning element size sensitivity gives critical element size introducing a new concept of nondimentional element size based on relative radius of curvatures between interacting structures, instead of element thickness concept. A new formula regarding porosity of nucleated voids is proposed for the better dependency on contribution of hydrostatic stress in the structural components. Fourth aim of this thesis is to explain strain rate effects on plastic process including fracture stage. Before mentioning the validity of GTN model in dynamic impact problem, therefore, physical meanings for strain rate constitutive equations, especially Cowper-Symonds and Johnson-Cook models, are introduced in detail. From the selected reference reviews, many researches reveal that high strength steels even used for the vehicle bodies and the ship/offshore structures are not much sensitive to strain rate. It implies that material constants used for mild steel should not be applied in high strength steels. For the verification of GTN model and experimental examination of strain rate effects in impact problem, numerical analyses for impact tests on stiffened plates by Cho(2004) are carried out. The numerical analyses show that maximum strain rates over 1000.0/s are observed along the fracture lines. However, in case of neglecting rate dependency, deformed configuration after end of impact well matched for test results. It is concluded that while local strain rates can locally reach high strain rate category rate dependency cannot be remarkable for high strength steels. The final aim of this thesis is to prove the applicability of GTN model in actual accidents. For the actual ship-to-ship collision accidents occurred in Ulsan offshore area on January 2004, numerical analyses are carried using the data relevant to accident such as drawings, extents of damages, collision angle, draft condition and cargo status for both ships. The material constants for GTN model, critical element size and rate depency are totally implemented to the numerical simulation. It is confirmed that the estimated damage extent by numerical analyses is in good agreement with actual damages. Therefore it is concluded that plasticity/fracture model and methodologies for accidental limit state simulation in this thesis are fully verified.
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