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문제 정의
- FRP선박은 성형 을 제작하여 그 위에 유리섬유를 적층하여 건조하는 방법으로 강 선 설계시의 강판의 선정 및 부재의 조합에 의한 설계방식과는 달리 재료설계와 구조설계를 동시에 행하여야 하는 특징으로 FRP 선박의 관련 규칙은 강선에 비하여 설계자유도가 큰 반면 부재에 대한 구체적인 기준이 확정되지 못하고 잠정규정을 설정하여 사용하고 있다.(Koh[2002]) 이러한 강도를 가지는 FRP 선박이 충돌 시 나타내는 역학적인 거동을 살펴보고자 한다.
- 본 연구에서는 FRP 어선 간의 충돌을 여러가지 상황에 대하여 역학적인 분석을 시도하였다. FRP선박은 적당한 강도를 가지 면서도 배를 가볍게 건조할 수 있고 썩거나 부식하지 않으며 선 박의 수리 유지비가 저렴하다는 장점이 있어서 중 .
- 본 연구에서는 소형 FRP 어선의 충돌을 여러가지 상황에 대하여 역학적인 분석을 시도하고자 한다. FRP선박은 적당한 강도 를 가지면서도 배를 가볍게 건조할 수 있고 썩거나 부식하지 않 으며 강선 .
- 선박의 충돌에 대한 연구는 충돌의 역학적인 해석과 사고의 원 인 규명 및 사고의 재구성 등 다양하게 수행되어 왔지만, 대부분 은 유조선과 같은 대형선박을 대상으로 행하여졌으며, 어선 같은 소형선박에 대해서는 미비한 실정이다. 이에 본 연구에서는 소형 어선에 대한 연구를 수행하고자 한다. 충돌 사고의 원인 분석에 중점을 둔 연구로는 시스템 다이내믹스법을 이용하여 선박충돌사- 고 인적요인 모델을 구축하고, 선박충돌사고를 감소시키기 위한 가장 효과적인 대책을 수립하기 위한 정책요소를 제시한 경우 (Keum[2003])도 있고, 선박충돌사고의 발생과정과 각 계층에 속 한 요소가 사고에 미치는 영향력을 규명하고, 각 요소 간 상호관계를 파악하여 사고예방대책마련을 위한 우선순위를 결정할 수 있는 방안을 제시한 경우(Yang[2003])도 있으며, 다양한 충돌상황에서도 충돌선박 당사자들의 진술내용을 컴퓨터에 입력하여 충돌당사자 진 술의 진위여부를 판단할 수 있고 해양안전심판의 정확도도 높일 수 있는 충돌사고 분석시뮬레이터를 제안한 경우(Park[2002])도 있다.
제안 방법
- Gap이 생기는 부분은 Trias Mesh 를 사용하여 전체 모델에 10% 이내로 하였다. Engine Room에는 설계도면에 적용되어 있는 Engine mass를 적용함으로써 실제와 같이 구현하였으며, 충돌 시에 Engine의 흔들림을 방지하기 위해 Extra node 기능을 적용하였다. 또한 적재함에는 structure mass를 적용함으로써 실제 화물이 적재되어 있는 것과 효과를 낼 수 있게 하였다.
- 또한 적재함에는 structure mass를 적용함으로써 실제 화물이 적재되어 있는 것과 효과를 낼 수 있게 하였다. Shell의 두께는 8 mmt- 적용하였으며 ENGINE ROOMe 구조용강의 물성치를 적용하였고 ENGINE ROOM을 제외한 모든 부분은 FRP 물성치를 적용하였다. 물성치에 대한 내용은 Table 2에 요약되어 있다.
- WHEEL HOUSE 아래 부분에는 ENGINE ROOM을 설계하였 으며 선박의 선수 부분 적재함에는 유한요소 모델링인 HYPERMESH 에서 Structure mass를 적용함으로써 실제 화물이 적재되어 있는 효과를 내도록 하였다. Table 1에는 각 선체 각 부분의 질량을 계 산하여 나타내었다.
- 3은 충돌 각도를 135°로 구현한 것이다. 각 선체들의 속력을 변화 시키면서 충돌상황을 다양하게 구성하였다.
- 충돌 상황의 구성은 소형 어선 간의 충돌과 소형 어선과 대형 어선 간의 충돌로 구분이 되고, 어선들이 충돌 시에 일정 속 도로 운행 중인지 정지 상태인지로 구분된다. 또한, 충돌 속력도 5 knot, 10 knot, 15 knot로 구분하였다.
- 소형, 어선으 로 많이 사용되고 있다. 먼저 소형 어선의 기하학적인 모델링을 3-D CAD 시스템을 이용하여 수행한 후, 역학적인 해석 기법인 유 한 요소법 (Finite Element Method)을 이용하기 위한 모델인 유한 요소 모델을 구성하였다. 유한 요소 모델을 만들기 위하여 소프트 웨어인 HYPERMESH를 이용하였다.
- 먼저 소형 어선의 기하학적인 모델링을 3-D CAD 시스템을 이용하여 수행한 후, 역학적인 해석 기법인 유한 요소법 (Finite Element MethodX 이용하기 위한 모델인 유한요소 모델을 구성한다. 유 한요소 모델을 만들기 위하여 소프트웨어인 HYPERMESH를 이 용한다.
- 선체 간의 충돌해석을 위한 선박의 형상은 3차원 Program인 CATIA V5 R14를 이용하여 기하학적 모델링을 하였으며 HYPERMESH를 이용한 유한요소 모델링을 하였다. Fig.
- 소형 선박과 대형 선박의 충돌은 소형 선박이 정지해 있거나 일정한 속력으로 움직일 때 대형 선박이 설정된 충돌 각도로 충돌 하는 경우에 대하여 해석하였다. Fig.
- 충돌해석은 시간이 포함되는 동적해석 (Dynamic Analysis)인데 이 작업 또한 전용 소프트웨 어인 DYNA3D를 이용하여 수행하였다. 소형 어선과 대형 어선에 대하여 두 가지의 충돌각도(90°, 135°)와 세 가지의 충돌속력(5, 10, 15 knot)의 조건을 조합하여 해석을 수행하였으며 각각의 경우에 대하여 응력분포와 변형상태를 살펴보았는데 충돌 상황에 따라서 다음의 몇 가지 결과를 얻을 수 있었다.
- 선체의 모델링을 함에 있어서는 3차원 곡선의 형상들이 많기 때문에 Surface 부분에 좀 더 강력한 툴을 보이는 3차원 CAD Program인 CATIA V5 R14를 사용했다. 실제 선박과 거의 흡사한 3차원 곡선을 형성하기 위하여 OFF-SETS TABLE을 참조하여 선 박의 선수부에서 선미부까지 하나하나의 point를 3차원 공간상에 표시한 후 3차원 공간상에 point들을 spline을 이용하여 연결흐]였 다. spline으로 연결한 선분들을 조합하여 surfaces 형성시켰으며, 각각의 surface들을 join시켜 선박의 형체를 완성하였다.
- 유한요소 모델링을 하는데 있어서 선체를 구성하는 FRP 적층 판 부분은 Shell Mesh를 사용하였으며 , Auto mesh를 이용하여 대 부분을 Quads Mesh를 하였다. Gap이 생기는 부분은 Trias Mesh 를 사용하여 전체 모델에 10% 이내로 하였다.
-
2.1 정지된 선박에 충돌
충돌해석은 소형 선박 간의 충돌과 소형 선박과 대형 선박의 충 돌로 나누어서 수행하였다
. 해석은 충돌해석 전용 유한요소해석 프로그램인 DYNA3D를 이용하였는데, Time Integration의 기법 중에 Explicit 방법을 적용하여 짧은 시간 내에 일어나는 현상을 해석하는 경우 물성치나 요소의 크기에 따라 시간간격 (Time step size)의 제한이 있다.
대상 데이터
- 인장강도 또는 최대 인장강도(Tensile strength)는 재료가 견딜 수 있는 최대 응력을 의미하므로 파단이 일어나는 점에서의 응력이라고 할 수 있다. 본 논문에서 FRP의 인장강도는 165MPa이다.
- 9톤과 39톤급 연안연승 어선으로 선체 의 대부분은 FRP로 구성되어 있으며 ENGINE ROOM의 엔진은 구조용 강으로 구성되어 있다. 본선은 FRP 선으로서 단판구조로 이루어져 있으며, FRP 적층판의 두께는 평균 8 mm로 하였다. 선 체부의 구조로는 외판과 갑판으로 이루어지고, 내부는 적재함과 어창으로 이루어진 공간을 격벽으로 칸막이를 하였으며 엔진.
- 선체의 모델링을 함에 있어서는 3차원 곡선의 형상들이 많기 때문에 Surface 부분에 좀 더 강력한 툴을 보이는 3차원 CAD Program인 CATIA V5 R14를 사용했다. 실제 선박과 거의 흡사한 3차원 곡선을 형성하기 위하여 OFF-SETS TABLE을 참조하여 선 박의 선수부에서 선미부까지 하나하나의 point를 3차원 공간상에 표시한 후 3차원 공간상에 point들을 spline을 이용하여 연결흐]였 다.
- 해석에 이용된 선박은 7.9톤과 39톤급 연안연승 어선으로 선체 의 대부분은 FRP로 구성되어 있으며 ENGINE ROOM의 엔진은 구조용 강으로 구성되어 있다. 본선은 FRP 선으로서 단판구조로 이루어져 있으며, FRP 적층판의 두께는 평균 8 mm로 하였다.
이론/모형
- 먼저 소형 어선의 기하학적인 모델링을 3-D CAD 시스템을 이용하여 수행한 후, 역학적인 해석 기법인 유 한 요소법 (Finite Element Method)을 이용하기 위한 모델인 유한 요소 모델을 구성하였다. 유한 요소 모델을 만들기 위하여 소프트 웨어인 HYPERMESH를 이용하였다. 충돌해석은 시간이 포함되는 동적해석 (Dynamic Analysis)인데 이 작업 또한 전용 소프트웨 어인 DYNA3D를 이용하여 수행하였다.
- 유한 요소 모델을 만들기 위하여 소프트 웨어인 HYPERMESH를 이용하였다. 충돌해석은 시간이 포함되는 동적해석 (Dynamic Analysis)인데 이 작업 또한 전용 소프트웨 어인 DYNA3D를 이용하여 수행하였다. 소형 어선과 대형 어선에 대하여 두 가지의 충돌각도(90°, 135°)와 세 가지의 충돌속력(5, 10, 15 knot)의 조건을 조합하여 해석을 수행하였으며 각각의 경우에 대하여 응력분포와 변형상태를 살펴보았는데 충돌 상황에 따라서 다음의 몇 가지 결과를 얻을 수 있었다.
- 유 한요소 모델을 만들기 위하여 소프트웨어인 HYPERMESH를 이 용한다. 충돌해석은 시간이 포함되는 동적해석(Dynamic Analysis) 인데 이 작업 또한 전용 소프트웨어인 DYNA3D를 이용하여 수 행한다. 충돌 상황의 구성은 소형 어선 간의 충돌과 소형 어선과 대형 어선 간의 충돌로 구분이 되고, 어선들이 충돌 시에 일정 속 도로 운행 중인지 정지 상태인지로 구분된다.
성능/효과
- 1) 전체적으로 90°의 충돌 각도에서 135°의 경우보다 응력이 컸 으며 충돌하는 선체의 선수부보다 충돌당하는 선체의 측면 부위 에서 큰 응력이 발생하였다.
- lOknot의 경우 100ms이 경과하면 서부터 충돌하는 선체의 선수부(충돌선)가 약간 들리면서 충돌 당 하는 선체의 측면부(피충돌선)를 올라타면서 WHEEL HOUSE까 지 충돌을 일으키고 있다. 135ms에 이르자 충돌하는 선체의 선수 부(충돌선) 윗부분 즉, 충돌 당하는 선체(피충돌선)의 WHEEL HOUSE와의 충돌부위에서 165MPa의 파단응력이 발생함으로써 충돌선과 피충돌선은 모두 파단응력이 나타났다. 15knot의 경우 100ms의 해석시간에 이르자 충돌하는 선체의 선수부(충돌선)가 휨 현상이 나타나며 파단응력인 165MPa의 응력이 나타났다.
- 그러나 150ms의 해석시간인 경우 90° 충돌각도에서는 lOknot, 15knot 모두 충돌하는 선체나 충돌 당하는 선체에서 파단이 발생하는 것으로 나타났다. 135°의 충돌 각도에서는 lOknot의 경우에는 인장강도보다 훨씬 작은 응력을 나 타내었으나 15knot의 충돌속력에서는 충돌하는 선체나 충돌 당하는 선체에서 모두 파단이 발생하는 것으로 나타났다.
- 그러나 150ms의 해석시간인 경우 90° 충돌각도에서는 lOknot, 15knot 모두 충돌하는 선체나 충돌 당하는 선체에서 파단이 발생하는 것으로 나타났다. 135°의 충돌 각도에서는 lOknot의 경우에는 인장강도보다 훨씬 작은 응력을 나 타내었으나 15knot의 충돌속력에서는 충돌하는 선체나 충돌 당하는 선체에서 모두 파단이 발생하는 것으로 나타났다.
- 2) 두 선박이 모두 운항 중에 충돌하는 경우에 발생하는 응력이 정지된 선박에 충돌하여 발생하는 응력보다 크게 나타났다.
- 3) 15knot의 충돌속력, 90°의 충돌상황에서는 해석시간이 75ms 인 시점에 이미 파단에 이르는 것으로 나타났다.
- 4) 충돌속력 5knot 인 경우에는 충돌각도나 부위에 상관없이 모두 인장강도보다 작은 응력 값을 나타내었다.
- 5) 150ms의 해석시간인 경우 90°충돌각도에서는 lOknot, 15knot 모두 충돌하는 선체나 충돌 당하는 선체에서 파단이 발생하는 것으로 나타났다.
- 6) 발생응력은 90° 충돌 각도에서는 소형 어선 간의 충돌 경우와 유사한 경향을 나타내지만, 135°의 충돌각도에서는 충돌하는 대형선박의 응력이 크게 나와 반대의 경향을 나타내었다.
- 7) 135°의 충돌각도에서 소형 선박과 충돌하는 대형 선박의 접 촉부가 상대적으로 취약한 것으로 예측된다.
- 8) 해석 시간 75ms에서 90°각도에서 충돌의 경우 소형 선박 간의 충돌 응력보다 먼저 파단응력에 도달함을 알 수 있으며, 135° 의 충돌각도에서는 대형 선박에서의 응력이 훨씬 크게 나타나서 15knot로 충돌하는 경우에는 파단이 일어났다.
- 9) 150ms의 해석 시간에서는 소형 어선 간의 충돌과 유사하게 90°의 중돌 각도에서는 lOknot, 15knot에서 파단이 발생하였고 135°의 충돌각도에서는 lOknot 에서는 충돌하는 대형 어선에서만 파단이 일어나고 I5kno1에서는 두 어선 모두에서 파단이 일어났다.
- 97MPa의 응력이 집중되었다. lOknot의 경우 충돌하는 선체의 선수부(충돌선)의 우측 부위가 피 충돌선의 WHEEL HOUSE와 충돌하면서 휨 현상이 크게 나타나 파단응력인 165MPa의 응력이 집중되었으며, 충돌 당하는 선체의 측면부(피충돌선)가 약간 기울어지며 측면부에 휨 현상이 나타났 고 107.73MPa의 응력이 집중되었고 WHEEL HOUSE에도 응력 이 집중되었다. 15knot의 경우 해석시간 30ms에 충돌 당하는 선 체의 측면부 맨 윗부분에서 파단응력인 165MPa의 응력이 집중되 었으며, 45ms에 이르자 충돌하는 선체의 선수부 약간 우측부위에 도 휨 현상이 크게 나타나며 파단응력인 165MPa의 응력이 집중 되었다.
- 17에는 응력)분포를 나타내었다. lOknot의 속력 으로 충돌선이 전진 시에 충돌선의 선수부와 피충돌선의 측면에 약간의 변형이 나타났으며, 충돌각도 보다는 작은 최대 응력이 나타났다. 충돌하는 선체의 선수부(충돌선) 약간 우측부위가 피충돌 선의 WHEEL HOUSE와 충돌하며 100.
- 7에는 응력(Von Mises stress)분포를 나타내었다. lOknot의 속력으 로 충돌선이 전진 시에 충돌선의 선수부와 피충돌선의 측면부에서 다른 부분에 비해 큰 변형이 일어났다. 충돌 당하는 선체의 측 면 부위에서 최대응력이 발생하였는데 크기는 161.
- Table 10에서는 두 선박이 같은 크기의 속력으로 진행하는 중에 두 종류의 각도로 충돌하는 경우에 대하여 해석하여 75ms 경 과 후의 결과를 나타내었다. 각각 5knot의 속력에서 90°로 충돌하는 경우 충돌하는 선체의 선수부(충돌선)의 우측부위 윗부분에서63.61MPa의 최대응력이 집중되었으며, 충돌 당하는 선체의 측면 부(피충돌선) 맨 윗부분에서 103.97MPa의 응력이 집중되었다. lOknot의 경우 충돌하는 선체의 선수부(충돌선)의 우측 부위가 피 충돌선의 WHEEL HOUSE와 충돌하면서 휨 현상이 크게 나타나 파단응력인 165MPa의 응력이 집중되었으며, 충돌 당하는 선체의 측면부(피충돌선)가 약간 기울어지며 측면부에 휨 현상이 나타났 고 107.
- Engine Room에는 설계도면에 적용되어 있는 Engine mass를 적용함으로써 실제와 같이 구현하였으며, 충돌 시에 Engine의 흔들림을 방지하기 위해 Extra node 기능을 적용하였다. 또한 적재함에는 structure mass를 적용함으로써 실제 화물이 적재되어 있는 것과 효과를 낼 수 있게 하였다. Shell의 두께는 8 mmt- 적용하였으며 ENGINE ROOMe 구조용강의 물성치를 적용하였고 ENGINE ROOM을 제외한 모든 부분은 FRP 물성치를 적용하였다.
- 전체적 으로 90°의 충돌 각도에서 135°의 경우보다 응력이 컸으며 충돌하는 선체의 선수부보다 충돌당하는 선체의 측면 부위에서 큰 응력 이 발생하였다. 사용된 선체 재질의 인장응력이 165MPa인데 15knot 의 충돌속력, 90°의 충돌상황에서는 해석시간이 75ms 인 시점에이미 충돌 부위에서 파단이 일어나는 것으로 나타났다. 충돌속력 5knot인 경우에는 충돌각도나 부위에 상관없이 모두 인장강도보다 작은 응력 값을 나타내었다.
- 전체적으로 90°의 충돌 각도에서 135°의 경우보다 응력이 컸으며 충돌하는 선체의 선수부보다 충돌당하는 선체의 측면 부위에서 큰 응력이 발생하였다. 사용된 재질의 인장응력이 165MPa인데 15knot의 충돌속력, 90°의 충돌상황에서는 해석시간이 75ms 인 시점에 이미 파단에 이 르는 것으로 나타났다. 충돌속력 5knot 인 경우에는 충돌각도나 부위에 상관없이 모두 인장강도보다 작은 응력 값을 나타내었다.
- Table 4와 Table 5에는 정지된 소형 선박에 여러 가지의 충돌각 도로 다른 소형선박이 충돌하는 충돌상황에서의 최대응력을 75 ms 경과 시와 150ms 경과 시에 대하여 각각 나타내었다. 전체적 으로 90°의 충돌 각도에서 135°의 경우보다 응력이 컸으며 충돌하는 선체의 선수부보다 충돌당하는 선체의 측면 부위에서 큰 응력 이 발생하였다. 사용된 선체 재질의 인장응력이 165MPa인데 15knot 의 충돌속력, 90°의 충돌상황에서는 해석시간이 75ms 인 시점에이미 충돌 부위에서 파단이 일어나는 것으로 나타났다.
- Table 4와 Table 5에는 정지된 소형 선박에 여러 가지의 충돌각 도로 다른 소형선박이 충돌하는 충돌상황에서의 최대응력을 75 ms 경과 시와 150ms 경과 시에 대하여 각각 나타내었다. 전체적 으로 90°의 충돌 각도에서 135°의 경우보다 응력이 컸으며 충돌하는 선체의 선수부보다 충돌당하는 선체의 측면 부위에서 큰 응력 이 발생하였다. 사용된 선체 재질의 인장응력이 165MPa인데 15knot 의 충돌속력, 90°의 충돌상황에서는 해석시간이 75ms 인 시점에이미 충돌 부위에서 파단이 일어나는 것으로 나타났다.
- lOknot의 속력으 로 충돌선이 전진 시에 충돌선의 선수부와 피충돌선의 측면부에서 다른 부분에 비해 큰 변형이 일어났다. 충돌 당하는 선체의 측 면 부위에서 최대응력이 발생하였는데 크기는 161.76MPa 이며, 반면에 충돌하는 선체의 선수부 부위에서는 최대응력 41.30MPa 으로 나타났다.
- 피충돌선의 측면에서 가장 큰 변형이 나타났으나 충돌각 도 90°보다는 작은 값을 나타내었으며, 최대 응력도 충돌각도 90° 보다는 작게 나타났다. 충돌 당하는 선체의 측면 부위에서 최대응 력이 발생하였는데 크기는 43.88MPa 이며, 반면에 충돌하는 선체 의 선수부 부위에서는 최대응력 19.86MPa 로 나타났다.
- 15에는 응력분포를 나타내었다. 충돌하는 선체의 선수부(충돌 선)가 충돌 당하는 선체의 측면부(피충돌선)의 측면과 WHEEL HOUSE까지 충돌을 일으키고 있으며, 충돌하는 선체의 선수부에82.90MPa의 응력이 발생되었고 충돌당하는 선체의 측면부 맨 윗 부분에 113.23MPa의 응력이 발생되었고 WHEEL HOUSE에도 약한 응력이 발생되었다. 소형 어선 간의 충돌과 다른 점은 충돌하는 선체의 높이가 높아서 소형선박의 WHEEL HOUSE 부분에서 접촉이 일어난다는 것이다.
- 9에는 응력 분포를 나타내었다. 피충돌선의 측면에서 가장 큰 변형이 나타났으나 충돌각 도 90°보다는 작은 값을 나타내었으며, 최대 응력도 충돌각도 90° 보다는 작게 나타났다. 충돌 당하는 선체의 측면 부위에서 최대응 력이 발생하였는데 크기는 43.
- 15knot의 경우 120ms에 이르자 이미 충돌 당하는 선체(피충돌선)의 즉면부 중간부위에서 파단응력인 165MPa의 응력이 집중되었다. 해석시간 150ms에 이 르자 충돌선과 피충돌선 모두 파단응력인 165MPa로 나타났다.
후속연구
- 여러 가지의 충돌 상황에 대하여 충돌 모델을 바꾸어 가면서 해 석을 수행하였는데 해석 결과는 추후에 부분별 강도를 고려한 선 체의 설계에 필요한 기초 데이터로 사용될 수 있다. 또한, 선박 간의 충돌 사고 발생 시 사고 선체의 변형된 형상을 이용하여 충돌 전 상황을 역으로 유추할 수 있는 선체 간의 충돌 사고 재구성 (Collision Accident Reconstruction)의 데이터베이스를 구성하는데 정보를 제공할 수도 있다.
- 여러 가지의 충돌 상황에 대하여 충돌 모델을 바꾸어 가면서 해 석을 수행하였는데 해석 결과는 추후에 부분별 강도를 고려한 선 체의 설계에 필요한 기초 데이터로 사용될 수 있다. 또한, 선박 간의 충돌 사고 발생 시 사고 선체의 변형된 형상을 이용하여 충돌 전 상황을 역으로 유추할 수 있는 선체 간의 충돌 사고 재구성 (Collision Accident Reconstruction)의 데이터베이스를 구성하는데 정보를 제공할 수도 있다.
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