[논문]구조물의 선박충돌 해석

이성로; 배용귀; 이계희

구조물의 선박충돌 해석
Ship Collision Analysis of Structures 원문보기

구조물진단학회지 = Journal of the Korea Institute for Structural Maintenance Inspection, v.10 no.4 = no.38, 2006년, pp.87 - 96

이성로 (목포대학교 건설공학부) , 배용귀 (목포대학교) , 이계희 (목포해양대학교 해양시스템공학부)

초록
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선박충돌에 따른 동적특성을 분석하기 위하여 선박의 질량 및 속도에 따른 변화와 구조물의 재료 및 형상에 따른 유한요소 해석을 수행하였다. 해석을 통하여 선박과 구조물의 손상과 충돌하중-시간이력을 얻었다. 본 연구에서는 유한요소해석의 결과를 미국과 일본 및 유럽의 일부 국가에서 연구된 자료와 비교하였다. 동적특성들은 선박과 구조물의 상호작용에 따라 서로 달랐다. 선박-구조물 상호작용에 대해 많은 요소들이 영향을 미치는 것으로 보인다. 선박의 충격과 관련된 동적충격이 가해지는 동안의 재료와 구조물에 있어서의 비탄성거동에 대해서는 극히 미비한 정도의 정보만이 가용하기 때문에, 경험과 올바른 공학적 판단에 기반한 가정들을 사용하여야 한다. 따라서 선박과 구조물의 상호작용에 대한 보다 많은 연구가 필요하다.

Abstract ▼ AI-Helper

A ship collision analysis by finite element method is performed considering the effects of mass and speed of ship and material and shape of structures to analyze the dynamic characteristics by ship collision. From this analysis, collision load-time history and damage of ship and structures are obtained. In this study, results of finite element analysis are compared with previous studies in USA, Japan and some countries of Europe. Dynamic characteristics are different from each other according to interaction between ship and structures. It seems that there are lots of factor to have effects on the ship-structures interaction. Because little information is available on the behavior of the inelastic deformation of materials and structures during the type of dynamic impacts associated with vessel impact, assumptions based on experience and sound engineering practice should be substituted. Therefore more researches on the interaction between ship and structures are required.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

그런데 aashto(18)에서는 선박의 종류와 DWT 에 따른 일반적인 제원과 형태를 비교적 자세하게 설명하고 있으며, 일본 본주서국연락교공단의 복합재형 완충공 설계요령에서는 4, 000GT 이하의 선박에 대한 일반제원 및 선수부의 표준치수를 상세하게 설명하고 있다. 따라서 본 연구에서는 4, 000GT 선박에 대한 선수 모델링을 실시하였으며 선박제원이 비교적 비슷한 5, 000DWT 선박과 비교. 검토하였다.
크게 선박에 의한 요인과 대상구조물에 의한 요인으로 분류할 수 있다. 본 연구에서는 선박의 재하 상태 및 충돌속도에 따른 변화와 대상구조물의 형상 및 재료에 따른 하중 재하 형태, 하중 지속시간, 선수 손상 정도 등의 관계를 살펴보았다. 또한 미국과 일본 및 유럽에서 연구된 자료를 바탕으로 하여 유한요소 해석 결과와 함께 비교.
본 연구에서는 소형의 선박 충돌에 대한 방호구조물의 구조해석을 통하여 하중과 변위의 관계를 규명하고 방 현재의 물성에 따른 특성을 평가함으로써 소형 선박 충돌에 대한 방호구조물의 설계 기초자료로 활용하고자 한다_.이를 위해 abaqus(20)를 이용하여 비교적 작은 선박과 교각 방 현재와의 충돌 해석을 수행하였다.

가설 설정

따라서 전체 에너지와 비교하여 선박과 구조물에 의해 소산되는 에너지를 제외한 나머지를 기타손실로 가정하였다.
흡수된다. 예제모델에서는 방현재의 특성을 감안하여 5, 000 DWT 선박이 공선상태 (2, 600ton)일 때, 1m/s의 속도로 충돌하는 것으로 가정하였다.
현재 사용되는 방호구조물의 설계는 대부분 에너지 개념에 근거하고 있다. 이때 선박의 운동에너지 손실은 방호구조물이 흡수한 에너지와 같다는 연성 충돌을 기본가정으로 하고 있다. 충격에 관련된 운동에너지는 방호구조물의 휨, 전단, 비틈 및 변위에 의한 일에 의하여 흡수된다.

제안 방법

길이는 3, 000mm로 가정하였으며, Solid로 모델링된 180개의 FEM Element로 구성되어 있다. 강철 방 현재는 공칭 치수 100x100의 H-Beam과 Equal Angle 로보강된 얇은 Shell 요소를 사용하여 Fig. 7과 같이 모델링하였으며, 3078개의 FEM Element로 구성되어있다 또한 충돌 방향과 수직인 면의 보강형은 선형 Frame요소를 사용하였으며, 충돌방향의 보강형은 Shell 요소로 모델링하였다.
17의 탄성거동을 보이는 Solid요소로 설계하였다. 강철 방 현재는 선박과 동일한 소성거동을 가지는 Shell 요소와 탄성거동의 Frame 요소로 설계하였으며, 외판의 두께는 7mm로 하여 구조적인 형태를 선박보다 약하게 하였다.
방현재는 소형선박이나 저속상태에서의 충돌을 생각할 수 있으며, 그 종류에 따라 충돌 시 거동을 달리한다. 고무 방 현재는 Mooney-Rivlin Model의 변형에너지에 대한 계수로 G0 = 3.2x106Pa, Coi = 8x105Pa의 초탄성거동을 보이는 Solid요소로 설계하였으며, 콘크리트 방현재는 Damaged Concrete를 사용하여 재료비선형을 고려하였으며, 그밖의 선형거동은 탄성계수 Es = 3.1x1010Pa, 포아슨비 v=0.17의 탄성거동을 보이는 Solid요소로 설계하였다. 강철 방 현재는 선박과 동일한 소성거동을 가지는 Shell 요소와 탄성거동의 Frame 요소로 설계하였으며, 외판의 두께는 7mm로 하여 구조적인 형태를 선박보다 약하게 하였다.
집중된다. 따라서 본 연구에서는 선수부만 모델링하여 사용하였으며, 선체는 등가의 질량과 단면을 가지는 Frame요소로 선수 격벽과 일체로 거동하도록 모델링하였다. 선수와 선체는 운동학적으로 연결되어있다.
본 연구에서는 선박의 재하 상태 및 충돌속도에 따른 변화와 대상구조물의 형상 및 재료에 따른 하중 재하 형태, 하중 지속시간, 선수 손상 정도 등의 관계를 살펴보았다. 또한 미국과 일본 및 유럽에서 연구된 자료를 바탕으로 하여 유한요소 해석 결과와 함께 비교. 검토하였다.
유한요소로 모델링된 선수는 3879개의 FEM Element로 비교적 상세하게 구성되어 있으며, 선체는 10개로 단순하게 구성하였다. 또한 선박의 부력에 의한 영향은 등가의 스프링을 사용하여 실제와 유사한 거동을 보이도록 하였다. Fig.
AASHTO는 이러한 데이터에 기초하여 실험자료의 계속적인 분석을 통해 강성 물체에 대한 평균충돌하중식을 제안하였다. 또한 일반 운동에너지에 수리동적질량계수를 고려한 선박의 충돌 에너지 식과 충돌 하중 그리고 선수변형 길이를 간단히 추정할 수 있는 식을 제안하였다.
만재 상태인 5, 00ODWT 선박의 질량은 6, 80Oton 으로 운항속도를 1〜4Ws(1.9〜7.8knot)로 하여 속도에 따른 변화를 조사하였다. Fig.
대한 충돌을 생각할 수 있다. 먼저, 보호시설이 없는 상태는 무한 강성의 벽체에 대한 선수 충돌로써 1, 500mmx900mm 단면의 Discrete Rigid 요소를 사용하여 대부분의 에너지가 선수변형에 의해 소산되도록 하였다. 보호 구조물에 대한 충돌로써 고무 방 현재는 대형선박의 접안용으로 쓰이는 H사의 높이 2, 500mm, 길이 3, 000mm의 제품을 사용하였으며, Solid로 모델링된 780개의 FEM Element로 구성되어 있다_.
80Oton로 표현하고 있다. 본 연구에서는 해당 구간을 4등분하여 선박의 질량에 따른 동적특성의 변화를 조사하였다. 이때, 선박의 속도는 4Ws로 하였다.
설계자는 교량이 충격하중에 대해 탄성 적이 거나 비탄 성적인 거동을 하여 지지할 수 있도록 설계하는데, 충돌에 의한 거동이 비탄 성적이라면, 전체구조물의 파괴를 방지할 수 있도록 구조적 여유간격이나 다른 방법을 써서 설계하여야 한다. 또는 충격하중의 크기를 교각이나, 상부 구조물 부재의 강도보다 작게 감소시키거나, 이들을 개별적으로 방호할 수 있도록 방 현재, 파일로 지지된 구조물, 돌핀, 섬 등을 설치하는 것이다.
선수와 선체는 운동학적으로 연결되어있다. 실제 모델링 과정에서는 선수의 프레임 간격을 0.61m 에서 0.6m로, 종통재 간격을 1.83m 에서 2m 로 수정하였으며 수정된 간격은 계산과정에서 고려되었다. 프레임은 공칭 치수 125x125의 H형강을 사용하였으며 종통재 및 선수 격벽은 외판두께와 동일한 Shell의 형태로 사용하였다.
이러한 연구를 통해 밝혀진 동적 특성들로부터 등가 정적분석에 근거한 설계에서 사용하는 충돌 하중은 평균 충돌 하중보다는 최대 충돌하중을 사용해야 한다는 결론을 내렸다. 이러한 결과를 바탕으로 분석적 충돌 사례의 결과에 근거하여 500DWT- 300, 000DWT사이의 일반적인 상선에 대하여 최대선수 충돌하중과 선수 손상 길이, 하중재하 시간을 간편하게 추정할 수 있는 경험 식을 제안하였다. 여기서, 선박에 의한 충돌은 강성충돌로 고려되어야 하며 운동에너지는 선박 자체의 탄성 또는 소성변형에 의해 흡수되는 것으로 한다.
이를 위해 abaqus(20)를 이용하여 비교적 작은 선박과 교각 방 현재와의 충돌 해석을 수행하였다. 특히, 동일한 선박에 대하여 질량 및 속도에 의한 변화와 대상구조물의 형상 및 물성치의 변화에 따른 하중 재하 형태, 하중지속시간, 선박 손상 정도 등의 관계를 aashto(19)와 eurocode(21) 방법의 결과에 대해 비교.
이를 위해 abaqus(20)를 이용하여 비교적 작은 선박과 교각 방 현재와의 충돌 해석을 수행하였다. 특히, 동일한 선박에 대하여 질량 및 속도에 의한 변화와 대상구조물의 형상 및 물성치의 변화에 따른 하중 재하 형태, 하중지속시간, 선박 손상 정도 등의 관계를 aashto(19)와 eurocode(21) 방법의 결과에 대해 비교. 검토하였다.
1.2 공선상태 선박의 속도 변화
화물을 싣지 않은 5, 000DWT 선박의 질량은 2, 600ton 으로 운항속도를 4〜7mS(7.8〜13.6knot) 로 하여 속도에 따른 변화를 조사하였다. Fig.

대상 데이터

콘크리트 방 현재는 aashto(18)의 1, 830mmx1, 580mm 단면을 사용하였다. 길이는 3, 000mm로 가정하였으며, Solid로 모델링된 180개의 FEM Element로 구성되어 있다. 강철 방 현재는 공칭 치수 100x100의 H-Beam과 Equal Angle 로보강된 얇은 Shell 요소를 사용하여 Fig.
먼저, 보호시설이 없는 상태는 무한 강성의 벽체에 대한 선수 충돌로써 1, 500mmx900mm 단면의 Discrete Rigid 요소를 사용하여 대부분의 에너지가 선수변형에 의해 소산되도록 하였다. 보호 구조물에 대한 충돌로써 고무 방 현재는 대형선박의 접안용으로 쓰이는 H사의 높이 2, 500mm, 길이 3, 000mm의 제품을 사용하였으며, Solid로 모델링된 780개의 FEM Element로 구성되어 있다_.콘크리트 방 현재는 aashto(18)의 1, 830mmx1, 580mm 단면을 사용하였다.
프레임은 공칭 치수 125x125의 H형강을 사용하였으며 종통재 및 선수 격벽은 외판두께와 동일한 Shell의 형태로 사용하였다. 유한요소로 모델링된 선수는 3879개의 FEM Element로 비교적 상세하게 구성되어 있으며, 선체는 10개로 단순하게 구성하였다. 또한 선박의 부력에 의한 영향은 등가의 스프링을 사용하여 실제와 유사한 거동을 보이도록 하였다.
보호 구조물에 대한 충돌로써 고무 방 현재는 대형선박의 접안용으로 쓰이는 H사의 높이 2, 500mm, 길이 3, 000mm의 제품을 사용하였으며, Solid로 모델링된 780개의 FEM Element로 구성되어 있다_.콘크리트 방 현재는 aashto(18)의 1, 830mmx1, 580mm 단면을 사용하였다. 길이는 3, 000mm로 가정하였으며, Solid로 모델링된 180개의 FEM Element로 구성되어 있다.
83m 에서 2m 로 수정하였으며 수정된 간격은 계산과정에서 고려되었다. 프레임은 공칭 치수 125x125의 H형강을 사용하였으며 종통재 및 선수 격벽은 외판두께와 동일한 Shell의 형태로 사용하였다. 유한요소로 모델링된 선수는 3879개의 FEM Element로 비교적 상세하게 구성되어 있으며, 선체는 10개로 단순하게 구성하였다.
해석에 사용된 선박의 강재는 표 2와 같이 소성 거동을 하는 재료로 모델링 되었다. 그 밖의 선형 거동은 일반적인 구조용 강재와 같이 포아슨비 v = 0.

성능/효과

AASHTO LRFD에서는 교각에 대한 등가 정적 충돌 하중과 강성한 물체에 대한 선수변형 길이를 정의하고 있으며, EUROCODE에서도 강성충돌을 고려하여 정의되었다. 따라서, 선박의 질량과 속도에 의한 구조해석은 AASHTO LRFD 및 EUROCODE와 비교하기 위하여 강성충돌로 정의하였다.
22, 23은 선수변형에 의한 에너지와 대상구조물에 의한 에너지를 나타낸 것이다. 방현재는 재료의 성질에 따라 다른 특성을 가지는데, 강철방현재와 고무 방 현재는 충돌에너지의 흡수율이 좋고, 콘크리트 방 현재는 흡수율이 다소 떨어지는 것으로 나타났다. Table 3은 충돌 에너지와 구조물 종류별 선수변형 및 구조물 변형에너지를 백분율로 나타낸 것이다.
(Larsen, (끼)의 수치자료를 근거로 한 세부적이고 포괄적인 선박의 충돌하중을 규정하였다. 이러한 연구를 통해 밝혀진 동적 특성들로부터 등가 정적분석에 근거한 설계에서 사용하는 충돌 하중은 평균 충돌 하중보다는 최대 충돌하중을 사용해야 한다는 결론을 내렸다. 이러한 결과를 바탕으로 분석적 충돌 사례의 결과에 근거하여 500DWT- 300, 000DWT사이의 일반적인 상선에 대하여 최대선수 충돌하중과 선수 손상 길이, 하중재하 시간을 간편하게 추정할 수 있는 경험 식을 제안하였다.
12는 시간에 따른 하중의 형상을 나타낸 것으로 4〜6mS 는 Haversine곡선과 유사한 형상을 가지며, 7m/s는 사다리꼴과 유사한 형상을 가지고 있다. 해석 결과를13~15 는 해석결과를 AASHTO LRFD 및 EUROCODE와비교한 것으로, 최대충격력은 배수톤수에 따른 결과와 같이 AASHTO LRFD에서는 질량의 상태를 정확하게 표현하지 못하고 있으며, EUROCODE에서는 과대평가된 경향이 있다. 최대변위 및 재하시간도 배수톤수에 따른 결과와 유사한 경향을 가지고 있다.

후속연구

EUROCODE에서는 충격력을 선박의 제원, 질량 그리고 속도에 의한 함수로 표현하고 있어 AASHTO LRFD보다 합리적이라 할 수 있다. 그러나 Pedersen의 경험식은 최대충돌 하중을 사용한 것으로 해석 결과에 비하여 다소 과대평가되는 경향이 있다 본 연구는 선박 충돌에 대한 방호 공을 설계하기 위한 기본연구이며, 이를 바탕으로 에너지 흡수개념의 방호공설계를 하기 위해서는 선박충돌시 동적 특성들의 변화를 상세하게 조사하기 위한 확장연구가 요구되고 추가의 연구에서는 선수 형태나 보호 공의 종류를 포함하는 다양한 조건에 의한 분석이 필요하다
경향이 있다. 최대변위와 재하시간은 AASHTO LRFD 및 EUROCODE에 비하여 다소 크게 나왔는데, 이는 선박의 모델링 과정에서 구형선수를 고려하지 않은 것이 주요인이 될 수 있으며 향후 이에 대한 검토가 필요하다.

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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