[논문]폰툰식 VLFS의 초기구조설계에 관한 연구

박성환; 이탁기; 홍사영

doi:10.3744/snak.2005.42.6.644

폰툰식 VLFS의 초기구조설계에 관한 연구
A Study on Preliminary Structural Design of Pontoon Type VLFS 원문보기

大韓造船學會論文集 = Journal of the society of naval architects of korea, v.42 no.6, 2005년, pp.644 - 653

박성환 (한국기계연구원 시스템엔지니어링연구본부) , 이탁기 (한국기계연구원 시스템엔지니어링연구본부) , 홍사영 (해양안전시스템연구소 해양시스템개발부)

Abstract ▼ AI-Helper

In general the loads due to ocean wave are considered as main design parameters governing the global structural safety of VLFS (Very Large Floating Structure). In order to predict design wave loads accurately, hydro-elastic analysis must be conducted considering the initial global flexural rigidity of VLFS. However, in order to determine the structural scantling of major members (deck, bottom, side panels and longitudinal / transverse BHD etc.), static load and design wave loads must be given as explicit form generally. Therefore in order to determine a proper structural arrangement and scantlings of VLFS at initial design stage, both calculations of structural scantling and hydro-elastic analysis for wave conditions must be conducted iteratively and the convergence of their results must be checked. On this paper, based on the case design of a 500×300 m size's floating marina resort, the details of structural design technique using hydro-elastic analysis are explained and discussed. At first, the environmental conditions and the system requirements of the design of marina resort are described. The scantling formulas for the major members of pontoon type VLFS are proposed from the local and global design points of view. Considering the design wave loads as well as static design loads, the structural safety is checked iteratively.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 본 논문에서는 500x300 m 부유식 마리나 리조트에 대한 구체적인 설계과정을 통하여, 전술한 두 해석과정에 관한 반복계산의 필요성과 중요성을 명확히 제시하고자 한다.
본 논문에서는 VLFS 의 구조설계과정에서 기본계획, 초기 전체강성의 추정, 주요 구조부재의 치수 결정, 구조 안전성의 판단 등의 기술적 항목들이 어떻게 구체적으로 연관되고 또한, 유탄성 해석이 어떻게 활용되는가에 대하여 상세히 밝혔다. 특히, Fig.

가설 설정

를 의미한다. 이때 초기에는 탄성좌굴응력 값을 적절히 가정할 필요가 있는데 본 연구에서는 0.75 αy로 계산한다.

제안 방법

STEP 3: 전체 구조물에 대한 굽힘강성이 주어지면 유탄성 해석 모델을 이용하여 정/동하중 조건에 대한 유탄성해석이 수행된다. 먼저 정하중에 있어서는 구조물 갑판, 혹은 구조물내부의 적재하중 상태를 고려한 해석이 수행되며, 필요한 경 우발라스트 적재상태를 찾는 해석이 필요할 수도 있다.
이들 주요 부재의 치수는 국부작용 하중과 구조물의 전체 거동으로부터 기인하는 면 내 하중을 고려하여 결정하여야 한다. 본 논문에서는 한국 선급에서 제시하는 최소 판 두께 설계식, 수두하중에 대한 항복강도를 고려한 판 두께 및 보강재 설계식, 면내하중에 대한 좌굴강도 (한국선급 2003a 2003b, DNV 2003)를 고려한 판 두께 및 보강재 설계식 등을 활용하였으며, Table 9 는 그 설계 결과를 보이고 있다.
설계파의 주기는 13 sec 이고, 8 steps 의 time intend 로 나누어 계산하고 있으며, 파고는 유의파 조건을 고려하여 2 m 로 설정하였다. 본 동적 구조해석 또한 ANSYS 프로그램의 판 모델(등가의 유효판 모델)로 모델링 되었으며, 강제변위를 부여하는 방법으로 유탄성 해석으로 계산된 각 시각에서의 동적 변형을 부여하였다. 최대 조합응력은 45 도 입사파, t=9.
본 해석에서는 유효판 모델링을 수행하였으며 ANSYS 프로그램을 활용하였고, 단지 중량과 부력이 고려되었다. 처짐 변형에 따른 부력의 효과를 고려하기 위하여 판부재의 바닥 면에 부력 스프링을 부가하는 방법을 사용하였다.
3 에서 보이는 바와 같이 10개의 unit 구조로 분할하였다. 여기서 나M No. 4와 7 은 호텔부에 대응하는 위치로서 다른 시설부에 비해 과대한 중량을 보완하기 위하여 구조물의 깊이를 5 m 로 설계하였다.
고려되었다. 처짐 변형에 따른 부력의 효과를 고려하기 위하여 판부재의 바닥 면에 부력 스프링을 부가하는 방법을 사용하였다.
개가 고려되었다. 항복과 좌굴에 대한 안전율을 고려하여 허용응력은 각각 75%의 항복 응력으로 계산하였다.

대상 데이터

설계를 수행한 것이다. 갑판부와 선저부에는 HY32 고장력강을 사용하였으며, 나머지 부분에는 강선용 연강을 사용하였다. 최종 설계 결과로부터 계산된 전체 구조 중량은 120,000 ton 이며 중앙부의 굽힘 강성 (group 2, 3, 4의 합)은 78.
국내 조선소의 건조 도크 크기를 고려하여 전체 구조물은 Table 1과 Fig. 3 에서 보이는 바와 같이 10개의 unit 구조로 분할하였다. 여기서 나M No.

이론/모형

이 경우 적절한 Web spacing 간격과 종통 보강재의 간격을 가정하거나 loop 계산을 통하여 최적의 값을 찾을 필요가 있다. 각 부재에 대한 치수 산정식은 VLFS 한국선급 규정 초안(홍사영 2004)에서 주어진 구조부재 치수 (Hullscantlings) 식이 활용된다. 주요 부재로는 선저외판, 선측 외판, 강 갑판, 수밀격벽, 디프탱크 (Deep tank) 등이 있고 판 두께, 종늑골의 크기 등이 좌굴강도와 함께 검토된다.
Table 4 에서는 3 가지 경우의 굽힘 강성에 대한 계산 결과를 나타내고 있는데, 굽힘 강성이 무한대에 해당하는 강체 조건의 경우 다른 2개의 탄성조건에 비해 최대 굽힘 모멘트의 위치가 달리 나타나며 또한, 굽힘 모멘트 값이 매우 큼을 알 수 있다. 본 연구에서는 정적 하중에 대한 탄성 변형의 효과를 고려하기 위하여 판 구조물의 바닥에 부력 스프링을 부가하는 방법으로 모델링을 수행하였으며, 구조해석 도구로서는 범용 구조해석 프로그램인 ANSYS (2004)를 사용하였다.

성능/효과

다른 해양구조물에 비교해서, VLFS 의 유탄성 해석 결과는 전체 구조 안전 및 국부구조 안전성의 관점에서 매우 큰 영향을 미침을 확인하였다. 500x300 m 급 마리나 리조트의 시 설계 과정을 자세히 보임으로써, 본 논문에서 제안된 설계기법의 적절함을 확인하였으며, 또한 본 연구를 통하여 개발된 설계 및 해석 프로그램의 유용성을 확인할 수 있었다.
8 MPa 로서 허용응력 236 MPa 을 만족한다. 결론적으로 전 절에서 설계 결과는 도출된 전체강도 관점에서도 적절한 안전성을 가지는 합리적인 것임을 확인할 수 있다.
. 다른 해양구조물에 비교해서, VLFS 의 유탄성 해석 결과는 전체 구조 안전 및 국부구조 안전성의 관점에서 매우 큰 영향을 미침을 확인하였다. 500x300 m 급 마리나 리조트의 시 설계 과정을 자세히 보임으로써, 본 논문에서 제안된 설계기법의 적절함을 확인하였으며, 또한 본 연구를 통하여 개발된 설계 및 해석 프로그램의 유용성을 확인할 수 있었다.
갑판부와 선저부에는 HY32 고장력강을 사용하였으며, 나머지 부분에는 강선용 연강을 사용하였다. 최종 설계 결과로부터 계산된 전체 구조 중량은 120,000 ton 이며 중앙부의 굽힘 강성 (group 2, 3, 4의 합)은 78.9 m⁴ 로 최소 요구 값으로 추정된 80 m⁴ 에 거의 근접함을 얄 수 있다.

후속연구

그러나, 일반적으로 주요 구조부재의 배치 및 치수의 결정은 설계하중이 주어진 경우 적절한 구조 안전율을 고려하여 계산하는데, 이때 설계하중 가운데 가장 지배적인 인자에 해당하는 파랑 굽힘하중은 유탄성 해석을 기초로 한 파랑 응답해석을 통해서만 정확히 계산될 수 있다는 문제점이 있다. 결론적으로 VLFS 구조물에 대하여 합리적이고 정확한 구조설계를 위해서는 주요부재 치수 결정 과정과 유탄성 해석을 반복적으로 수행하는 방법이 필요하다.
먼저, 유탄성 해석의 결과가 허용응력을 상회하는 경우에는 STEP 2너 에서 가정한 탄성좌굴 응력 값을 키우거나, depth 를 키우거나, 재료의 항복강도를 키우는 방법으로 재설계되어야 할 것이다.
한편, step 4-2 에서 설명하고 있는 modeling factor 의 설정이 구체적으로는 매우 중요한 변수로 남는데 등가판 모델과 실제 3차원 판 모델의 모델링의 상이성에 기인하는 이 영향을 어느 정도로 볼 것인가에 대해서는 보다 심층적인 연구가 필요한 것으로 판단된다.
필요가 있다. 한편, 이 계산의 설계 결과가 매우 불합리한 경우에는 depth를 줄이거나 혹은 항복 강도가 낮은 다른 재료를 선택하는 방법으로 재설계되어야 할 것이다.

참고문헌 (8)

한국선급, 2003a, 선급 및 강선 규칙
한국선급, 2003b, 선급 및 강선규칙 적용지침
홍사영, 2003, 초대형 부유식 해상구조물 기술 개발 (5 차년도 보고서), 해양수산부 연구개발사업 최종보고서, UCM00370-2408
홍사영, 2004, 초대형 부유식 해상구조물 기술 개발 (6 차년도 보고서), 해양수산부 연구개발사업 최종보고서, UCM00690-04099
ANSYS, 2004, IncANSYS Release 7.1
DNV, 2003, Rules for Ships: Section 13 Buckling Control
Shigeru Tozawa, Akinobu Kawamura and Hiroshi Shirakihara, 1996, 'Technical outline of structural design for Mega-Float,' Inter. Workshop on VLFS, Hayama, Japan, pp17-1-8
Technological Research Association of Mega-Float, 1996-2000, The study report of Mega-Float in FY 1995-1999, (in Japanese)

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