[논문]선체 선각구조의 최종 종강도 평가에 관한 연구

이훈곤; 이주성

doi:10.3744/snak.2006.43.3.340

문제 정의

본 논문에서는 선체 선각 구조의 최종 종강도 평가를 위하여 이미 발표된 논문 및 말행 예정인 “ 유조선에 대한 공통 선각 규칙 (Common Structural Rule foTanker - 2nd Draft)" 을 조사하였다. 또한 최종강도 계산을 위해 상용 프로그램을 이용한 유한요소 해석 방법을 정립하였으며: 초기설계단계에서 활용할 수 있는 간이 추정 식을 제안하고 결과를 검증하였다.
또한 현재 개발 중인 유조선 공통 규칙에서 추천하고 있는 노르웨이 선급 프로그램의 신뢰도를 평가하기 위해 본 논문의 결과와 비교해 보았다.
비선형 구조해석 결과와 제안된 추정 식은 1/3 타igate 모델에 대한 실험결과와 비교하여 그 타당성을 검증하였고, 최근 개발 중에 있는 탱커의 공통규정에서 제안하는 최종 종강도 추정 방법과도 비교하였다. 본 연구를 통해 선각의 최종 종강도해석을 위한 비선형해석방법을 정립하였다. 본 논문에서 제안하는 최종 종강도에 대한 추정 식은 선박의 초기설계 단계에서 설계자가 유용하게 활용될 수 있을 것으로 보인다.
이와 관련하여, Masahiko Fujikubo(2005)는 비선형 유한요소 해석에서 국부적인 붕괴모드를 고려한 결과 실험결과와 잘 일치하는 결과를 얻었다고 주장하고 있다. 하지만, 본논문 목적은 최종강도 값을 얻고자 하는 것이므로붕괴거동 후의 하중제하현상에 대해 정확히 분석하지 않았다.

가설 설정

대부분의 해석 조건은 3 장에서 언급된 조건을이용하였으나, 일부 조건에 대해서는 계산 값과일관성 있는 비교를 위해서 아래와 같이 가정하였다.
응력과 변형도 관계는 탄성-완전소성(티asto- Perfect Plastic) 이라고 가정하며, 항복기준은 Von-Mises 의 항복조건을 적용하였다.
재료의 응력과 변형도 관계는 탄성-완전소성으로 가정하였고, 탄성계수는 207000 N/mm², 포아송비는 0.3, 항복응력은 245 N/mm² 값을 이용하였다.

제안 방법

또한 최종강도 계산을 위해 상용 프로그램을 이용한 유한요소 해석 방법을 정립하였으며: 초기설계단계에서 활용할 수 있는 간이 추정 식을 제안하고 결과를 검증하였다. 제안하는 추정 식을 실제로 운항중인 10 척의 유조선에 적하여 그 최종 종강도를 계산하였고 그 결과를 유조선 공통 규칙을 기준으로 최종강도에 대한 안정성을 평가해 보았다.
또한, 판 및 보강재의 좌굴에 대한 변형 형상을 가능한 정확히 구현하기 위하여 보강재를 포함하여 모든 판은 4 절점 판요소로 하며, 보강재 간격으로 최소 6 개 요소 이상, 횡부재 간격으로는 좌굴 모드의 반파 간격으로 최소 6 개 요소 이상이 되도록 하였다.
본 논문에서 이용한 최종 종강도 추정식은 Fa니kne「and Sadden(1979)0| 제안한 공식을 사용하였으며, 본 논문에서는 현재 건조되는 유조선의 형상이 거의 비슷하다는 점을 감안하여, Hard Corner 효과를 고려할 수 있는 시스템인자 (system parameter),는 상수 값으로 수정하여아래의 식(6)을 제안하였다.
본 논문에서는 선체선각구조 중앙 단면의 최종 종강도 평가법을 구축하기 위해 우선 3 척의 탱커 모델에 대해 상용 프로그램인 ABAQUS 를 이하여 비선형 구조해석을 수행하였고 그 결과를 참고하여 기존에 제안된 최종 종강도 추정식을 보완하여 제얀하였다. 비선형 구조해석 결과와 제안된 추정 식은 1/3 타igate 모델에 대한 실험결과와 비교하여 그 타당성을 검증하였고, 최근 개발 중에 있는 탱커의 공통규정에서 제안하는 최종 종강도 추정 방법과도 비교하였다.
또한 이 과정에서 최종 종강도에 대한 최적 설계를 위해서 많은 양의 비선형 유한 요소 해석을 수행하는 데에는 많은 시간이 필요하나, 최종 종강 도를 예측할 수 있는 추정식을 사용하면 초기설계단계에서 주요 치수들을 효과적으로 결정할 수 있다. 여기에서는 선각의 최종 종강도를 추정하는 기존에 제얀된 공식을 이용하였고 그 결과를 비선형구조해석 결과와 비교하여 타당성을 검증하였다. 또한 여기에서 제안된 공식을 이미 건조된 10 척의 유조선 모델에 적용하고 그 결과를 노르웨이선급에서 제시한 프로그램의 결과와 비교, 분석하였다.
여기에서는 전절에서 구한 최종 종강도 값을 상용프로그램(ABAQUS)의 한 결과와 비교하여 이용하여 검증하였고 이를 위해 3 척의 유조선 모델을 선택하여 비선형 구조해석을 수행하였다.
이 장에서는 현재 건조되어 운행 중인 유조선의최종강도가 최근 작성되고 있는 유조선 공통규칚에서의 요구치와 비교목적으로 계산하였다. 유조선 규정에서는 새깅굽힘모멘트에 대한 최종 종강도 계산을 요구하며 이는 식(1)을 이용하여계산한다.
또한 최종강도 계산을 위해 상용 프로그램을 이용한 유한요소 해석 방법을 정립하였으며: 초기설계단계에서 활용할 수 있는 간이 추정 식을 제안하고 결과를 검증하였다. 제안하는 추정 식을 실제로 운항중인 10 척의 유조선에 적하여 그 최종 종강도를 계산하였고 그 결과를 유조선 공통 규칙을 기준으로 최종강도에 대한 안정성을 평가해 보았다.
15는 세 유조선 모델에 대한 굽힘모멘트-곡률 사이의 관계를 나타내었다. 최종종강도로서 최종 굽힘모멘트 값을 비교하기 위하여 추정식⑹과 DnV 선급 프로그램의 결과를 표시하였다.

대상 데이터

본 논문에서 이할 추정식을 검증하기 위하여 Table 2에 보인 실제 건조된 10 척의 유조선을 선정하였다. 선정된 유조선은 모두 이중선체 구조이며 적재하중톤수(dead weigit tonnage)가 7 만 ~30 만톤 사이의 다양한 크기로 선정하였다.
선정된 유조선은 모두 이중선체 구조이며 적재하중톤수(dead weigit tonnage)가 7 만 ~30 만톤 사이의 다양한 크기로 선정하였다. Table 2에 각 유조선 모델의 상세 정보를 열거하였다.

데이터처리

여기에서는 선각의 최종 종강도를 추정하는 기존에 제얀된 공식을 이용하였고 그 결과를 비선형구조해석 결과와 비교하여 타당성을 검증하였다. 또한 여기에서 제안된 공식을 이미 건조된 10 척의 유조선 모델에 적용하고 그 결과를 노르웨이선급에서 제시한 프로그램의 결과와 비교, 분석하였다.
제얀하였다. 비선형 구조해석 결과와 제안된 추정 식은 1/3 타igate 모델에 대한 실험결과와 비교하여 그 타당성을 검증하였고, 최근 개발 중에 있는 탱커의 공통규정에서 제안하는 최종 종강도 추정 방법과도 비교하였다. 본 연구를 통해 선각의 최종 종강도해석을 위한 비선형해석방법을 정립하였다.
상용 프로그램(ABAQUS)을 이용한 최종 종강도해석의 타당성을 입증하기 위해서 Dow(1991)가수행한 함정구조의 1/3 축소 모형의 실험결과와비교하였다.

이론/모형

위하여 Smith et al.(1988)01 제안한 세가지 초기 변형량을 고려하여 각각 해석을 수행하였다.
이 식에서 압축강도 매개변수, (c)는 Lee(1989)가 제안한 식을 사용하였으며, 본 논문에서는 면외하중의 효과는 고려하지 않았다.

성능/효과

(1) 선박의 최종 종강도 평가를 위해서 상용 프로그램(ABAQUS)을 적용할 수 있음을 확인하였으며, 붕괴거동을 단계별로 확인할 수 있었다.
(2) 상용프로그램 적용 방법을 검증하기 위해 1/3 축소 함정모형에 대한 실험결과와 비교한 결과, 최종상태 전까지는 좋은 일치를 보였으나 붕괴 이후 제하상태에서는 실험결과와 차이를 보였다.
(3) 초기 변형량의 영향에 대해서는, 초기 변형량이 커짐에 따라 강성과 최종강도는 낮아지지만, 보강판의 보강재가 충분히 역할을 하기때문에 최종강도에는 그리 민감하지 않음믈알 수 있었다.
(4) 여기에서 제안하는 최종 종강도에 대한 추정 식을 이용한 결과와 상용프로그램을 이용한 결과를 비교한 결과 최종강도 측면에서 좋은 일치를 보였다. 따라서 본 추정식은 초기 설계단계에서 최적설계를 위해 충분히 적할수 있음을 확인하였다.
(5) 본 논문의 추정식의 결과와 노르웨이 선급 프로그램 결과와 비교한 결과, 새깅상태에서는비교적 일치하였으나, 호깅상태에서는 선급프로그램 결과가 10~20% 낮게 평가되었다.
있다는 것을 알 수 있다. 노르웨이 선급 프로그램을 이용한 계산 결과는 새깅상태에서는 비교적 일치하였으나, 호깅상태에서는 10% 정도 낮게 평가되고 있는 것을 알 수 있다.
보였다. 따라서 본 추정식은 초기 설계단계에서 최적설계를 위해 충분히 적할수 있음을 확인하였다.
이 그림은 상갑판의 좌굴 및 붕괴가 진행되면서 응력이 0 Mpa 인 위치가 점차 밑으로 바뀌고 있음을 보여준다. 따라서 최종강도값에 영향을 줄 수 있는 중요한 요인인 중립축의 변화가 재료의 소성화 및 기하학적인 변형에 따라서 적절히 반영되고 있음을 확인할 수 있었다.
본 논문에서 제안한 추정식을 이용하면 초기설계 단계에서 최종 종강도에 대한 최적설계가 가능할 것으로 보이며, 또한 상용프로그램을 이용한해석방법을 정립함으로써 최종 설계 단계에서 정확하며, 객관적인 최종 종강도 평가를 가능하게하였다. 또한 현재 개발 중인 유조선 공통 규칙에서 추천하고 있는 노르웨이 선급 프로그램의 신뢰도를 평가하기 위해 본 논문의 결과와 비교해 보았다.
비교에서 볼 수 있듯이, 본 논문에서 제안하고 있는 추정식을 사용하여 계산한 결과값은 유한요소해석 결과와 호깅 및 새깅상태 모두 거의 일치하고 있다는 것을 알 수 있다. 노르웨이 선급 프로그램을 이용한 계산 결과는 새깅상태에서는 비교적 일치하였으나, 호깅상태에서는 10% 정도 낮게 평가되고 있는 것을 알 수 있다.
6 에서각각 점선, 일점쇄선 그리고 이점쇄선으로 나타내었다. 세가지로 초기 변형량의 차이를 두어 계산한 결과, 초기 변형량이 커질수록 강성과 최종강도의 값은 감소하지만, 그들이 최종상태에 주는영향은 미미하다고 볼 수 있다. 이는 보강판의 거동에서는 보강재가 충분히 역할을 하므로 초기처짐의 크기에 대해 민감하지 않다고 판단된다.
위와 같이 상용프로그램을 이용하여 최종 종강도 해석을 수행한 결과, 실험결과와 비교적 잘 일치함을 보여줌으로써 이 해석방법으로 최종강도를 평가할 수 있음을 확인할 수 있었다.
이 때, 즉 최종상태에서는 선저 구조가 항복응력에 도달한 상태임을 확인할 수 있다. 이후 제하상태에서는 굽힘모멘트가 감소하지만 상갑판 및 선저부의 항복 범위가 확대되면서 변위각이 계속해서 증가되는 현상이 나타났다.
표에서 볼 수 있듯이, 유조선 공통 선각 규칙에 따라 평가하였을 때 대부분의 선박은 규정 요구치에 약 10% 적다는 것을 알 수 있었다. 그러나, 깊이 대비 선폭(B/D)의 비율이 적은(약 1.

후속연구

본 연구를 통해 선각의 최종 종강도해석을 위한 비선형해석방법을 정립하였다. 본 논문에서 제안하는 최종 종강도에 대한 추정 식은 선박의 초기설계 단계에서 설계자가 유용하게 활용될 수 있을 것으로 보인다.
향후 과제로서 본 논문에서 제안된 추정식에 대하여 유조선 외에 타 선종에 적용 가능성에 대한검토가 이루어져야 할 것이며, 또한 본 논문에서고려되지 않은 잔류응력, 전단력, 면외하중 등에대한 영향 분석이 추가적으로 연구되어야 할 것이다.

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