선체는 기본적으로 판부재들의 조합으로 구성되어 있으며 상당수는 유공판(Perforated plate)으로 이루어져있다. 선체에 설치된 유공판으로서는 선체 상갑판 해치(하역시설로 사용), 선저부의 거더와 플로어(중량경감과 선박 건조 및 검사시 통로확보용), 다이어프램(중량경감 및 파이프 관통의 목적)등이 있다. 이들 유공판에 압축하중이 작용하면 좌굴과 극한강도 특성이 크게 변화할 뿐만 아니라 수반되는 면내응력도재 분포하게 되어 심각한 문제를 발생한다. 실적선에서는 유공주위에 스티프너 보강을 통하여 취약한 좌굴강도 보완하고 있으며, 유공을 고려한 실선에서 사용 중인 유공보강판 모델을 적용하여 좌굴강도 및 극한강도를 파악할 필요성이 있다. 이와 같은 측면에서 각 조선소에서는 각국 선급들이 제시하는 유공판의 좌굴설계식을 사용하여 강도계산을 하고 있으나 임의의 유공크기에 대한 좌굴강도 및 극한강도 평가법을 찾기란 매우 어려운 일이다. 본 연구에서는 실선에서 사용 중인 유공보강판의 모델을 조사하여 비선형 유한요소법(ANSYS)을 사용하여 면내 압축하중이 작용하는 경우에 대해서 유공비, 웹 치수, 두께 그리고 보강재 단면을 변화시켜가며, 극한강도 시리즈 해석을 수행하고 압축극한강도에 미치는 영향을 검토하였다.
선체는 기본적으로 판부재들의 조합으로 구성되어 있으며 상당수는 유공판(Perforated plate)으로 이루어져있다. 선체에 설치된 유공판으로서는 선체 상갑판 해치(하역시설로 사용), 선저부의 거더와 플로어(중량경감과 선박 건조 및 검사시 통로확보용), 다이어프램(중량경감 및 파이프 관통의 목적)등이 있다. 이들 유공판에 압축하중이 작용하면 좌굴과 극한강도 특성이 크게 변화할 뿐만 아니라 수반되는 면내응력도재 분포하게 되어 심각한 문제를 발생한다. 실적선에서는 유공주위에 스티프너 보강을 통하여 취약한 좌굴강도 보완하고 있으며, 유공을 고려한 실선에서 사용 중인 유공보강판 모델을 적용하여 좌굴강도 및 극한강도를 파악할 필요성이 있다. 이와 같은 측면에서 각 조선소에서는 각국 선급들이 제시하는 유공판의 좌굴설계식을 사용하여 강도계산을 하고 있으나 임의의 유공크기에 대한 좌굴강도 및 극한강도 평가법을 찾기란 매우 어려운 일이다. 본 연구에서는 실선에서 사용 중인 유공보강판의 모델을 조사하여 비선형 유한요소법(ANSYS)을 사용하여 면내 압축하중이 작용하는 경우에 대해서 유공비, 웹 치수, 두께 그리고 보강재 단면을 변화시켜가며, 극한강도 시리즈 해석을 수행하고 압축극한강도에 미치는 영향을 검토하였다.
In ship structures many of the structural plates have cutouts, for example, at inner bottom structure, girder, upper deck hatch, floor and dia-frame etc. In the case where a plate has a cutout it experiences reduced buckling and ultimate strength and at the same time the in-plane stress under compre...
In ship structures many of the structural plates have cutouts, for example, at inner bottom structure, girder, upper deck hatch, floor and dia-frame etc. In the case where a plate has a cutout it experiences reduced buckling and ultimate strength and at the same time the in-plane stress under compressive load produced by hull girder bending will be redistributed In general, actual ship structure adopted reinforcement of stiffener around the cutout in order to preventing from buckling so it need to examine a buckling and ultimate strength behaviour considering a cutout because In many ship yards used class rule for calculating buckling strength but it is difficult to evaluate perforate stiffened plate with random size. In the present paper, we investigated several kinds of perforated stiffened model from actual ship and then was performed finite element series analysis varying the cutout ratio, web height, thickness and type of cross-section using commercial FEA program(ANSYS) under compressive load.
In ship structures many of the structural plates have cutouts, for example, at inner bottom structure, girder, upper deck hatch, floor and dia-frame etc. In the case where a plate has a cutout it experiences reduced buckling and ultimate strength and at the same time the in-plane stress under compressive load produced by hull girder bending will be redistributed In general, actual ship structure adopted reinforcement of stiffener around the cutout in order to preventing from buckling so it need to examine a buckling and ultimate strength behaviour considering a cutout because In many ship yards used class rule for calculating buckling strength but it is difficult to evaluate perforate stiffened plate with random size. In the present paper, we investigated several kinds of perforated stiffened model from actual ship and then was performed finite element series analysis varying the cutout ratio, web height, thickness and type of cross-section using commercial FEA program(ANSYS) under compressive load.
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제안 방법
본 논문에서는 중앙에 타원형 유공을 가진 유공 보강판을 대상으로 유공판의 유공의 크기(d c/b), 종횡비(a/b), 보강재치 수비(h w/t w)및 두께(t) 를 주요 변수로 하여 탄소성대변형 시리즈해석을 수행하여, 유공 보강판의 좌굴거동 및 극한강도 거동에 있어서 고려한 변수들의 영향과 가장 중요한 변수인 유공비의 영향을 고찰하였다. 해석에 사용된 주요치수 및 재 료 물성치는 다음과 같다.
유공이 존재하는 보강판 구조에서는 중량경감, 사람 및 화물의 이동, 배관 등 다양한 목적으로 선박에서 많이 사용 중이며, 유공주위의 좌굴강도를 보강하기 위하여 여러가지 단면속성 의 종방향 보강재가 사용되고 있다. 본 논문에서는 선박구조에서 실제 사용되어지는 유공 보강판 모델을 기준으로 세장비, 유공비의 크기, 보강재의 단면 형태 및 보강재의 치수비를 변 화한 탄소성대변형 시리즈해석을 수행하고, 각각의 변수에 대한 영향에 대해 고찰하여 다음과 같은 결론을 도출하였다.
이와 같은 측면에서 각 조선소에서는 각국 선급들이 제시하는 유공판의 좌굴설계식을 사용하여 강도계 산을 하고 있으나 보강판 구조에서 임의의 유공크기에 대한 좌굴강도 및 극한강도 평가법을 찾기란 매우 어려운 일이다 (박, 2006). 본 논문에서는 실선에서 사용중인 표준적인 유공 보강판의 모델을 조사하여 해석 기준 모델을 결정하였고 탄소 성대변형 유한요소 해석을 적용하여 면내 압축하중이 작용하는 조건에 대한 여러가지 변수들의 영향을 고려하면서 시리즈계 산을 수행하였다. 선체의 종 굽힘에 의해서 발생되는 압축하중 이 작용할 경우 선체 유공 보강판의 좌굴을 고려한 최종강도 거동을 분석하였으며, 이러한 결과들은 유공 보강판의 구조설계 시 기초적인 자료로 유용하게 사용되리라 사료된다.
본 논문의 탄소성대변형 시리즈해석은 기하학적 비선형성과 재료의 비선형성을 동시에 고려하고 있으며, 복잡한 비선형 거 동의 한가지인 2차좌굴(secondary buckling)거동의 경로추적 을 위하여, 수정된 뉴튼 방법과 아크렝스 방법을 혼용하여, 미리 설정된 부구간마다 수렴기준 평가를 하도록 설정 하였다. 특히, 탄소성대변형 거동 중 발생하게 되는 소성의 영향은 이 중선형성을 가진 등방성경화(Bilinear Isotropic Hardening)거 동을 고려하였고, 구조물의 항복평가는 본 미세스(von-Mises) 항복기준을 적용하여, 구조물의 극한강도 평가를 기준으로 하는 최종한계상태설계법을 기반으로 하고 있다.
0을 사용하여 종방향 압축하중이 작용하는 유공판에 대한 시리즈 해석을 수행하였다. 유공비의 크기비는 0.24~0.83에 대해서 고려하였으며, 판두께와 보강재의 두께를 12mm, 15mm를 각각 적용하였으며, 보강재의 웹높이는 150~300mm의 범위로 50mm씩 변화를 주었다.
특히, 탄소성대변형 거동 중 발생하게 되는 소성의 영향은 이 중선형성을 가진 등방성경화(Bilinear Isotropic Hardening)거 동을 고려하였고, 구조물의 항복평가는 본 미세스(von-Mises) 항복기준을 적용하여, 구조물의 극한강도 평가를 기준으로 하는 최종한계상태설계법을 기반으로 하고 있다. 이 설계법은 소 성붕괴 내지는 극한강도를 기준으로 하고 있으며, 과거 선박들 의 구조설계는 극한강도에 대한 고려 없이 단지 부재들의 탄 성좌굴강도나 이를 소성 수정한 임계좌굴강도 계산 값들만을 기준으로 설계하였으며, 부재들의 좌굴 후 거동에 대해서는 고 려하지 않은 안전율을 반영한 설계가 대부분이었다. 하지만, 이러한 설계는 정량적인 안전율을 결정하기 힘들며, 단지 경험 에 의해서 결정되는 경우가 많다(J.
해석에서 고려하고 있는 경계조건은 유공판의 네변에서는 회전구속이 없는 단순지지 조건을 설정하였으며, 실제 판 구조물을 구성한 판 부재는 주변에서 주위의 다른 판 부재와 연결되어 있는 연속적인 구조물을 이루고 있기 때문에 네변에서는 면내방향으로의 변위를 구속하며, 극한강도에 도달할 때까지 네변 모두 직선을 유지시켰다. 이러한 이상화는 실제로 많이 사용되어지고 있으며, 다소 보수적이지만 충분히 합리적인 결과를 준다고 알려져 있다(Paik et al.
대상 데이터
해석에 사용된 모델을 Fig. 2에서 간략하게 나타내고 있으며, 해석대상 모델은 중앙에 타원형 유공과 유공주위 보강을 위한 2개의 종방향 보강재를 포함한 구조물로서, 시리즈해석 전에 메쉬 개수의 변화를 통한 검증을 통하여 웹의 메쉬는 8 개, 플랜지는 4개, 판폭은 14개씩 길이에 비례적으로 적용하 였고, 총 메쉬 개수가 5, 300개부터 일정한 최종강도 값을 나타내어, 시리즈해석에는 위의 메쉬 개수를 전체해석에 적용하였으며, 이러한 결과는 Fig. 3에 나타내고 있다.
데이터처리
종횡비, 유공의 크기, 세장비 및 보강재의 단면형태를 변화 시켜가며 범용유한요소 구조해석 프로그램인 ANSYS 9.0을 사용하여 종방향 압축하중이 작용하는 유공판에 대한 시리즈 해석을 수행하였다. 유공비의 크기비는 0.
이론/모형
해석에서 고려하고 있는 경계조건은 유공판의 네변에서는 회전구속이 없는 단순지지 조건을 설정하였으며, 실제 판 구조물을 구성한 판 부재는 주변에서 주위의 다른 판 부재와 연결되어 있는 연속적인 구조물을 이루고 있기 때문에 네변에서는 면내방향으로의 변위를 구속하며, 극한강도에 도달할 때까지 네변 모두 직선을 유지시켰다. 이러한 이상화는 실제로 많이 사용되어지고 있으며, 다소 보수적이지만 충분히 합리적인 결과를 준다고 알려져 있다(Paik et al., 1992) 비선형 좌굴해 석기법으로서는 특이점에서 발생하게 불완전한 비하중 거동 (Unloading path)을 수치적으로 정확하게 추적하기 위하여 비 선형 좌굴해석기 법 중 한가지 인 Arc-length method를 사용하였다. 이때 최소 해석구간의 수렴기준은 모멘트와 하중의 수 렴기준은 각각 0.
본 논문의 탄소성대변형 시리즈해석은 기하학적 비선형성과 재료의 비선형성을 동시에 고려하고 있으며, 복잡한 비선형 거 동의 한가지인 2차좌굴(secondary buckling)거동의 경로추적 을 위하여, 수정된 뉴튼 방법과 아크렝스 방법을 혼용하여, 미리 설정된 부구간마다 수렴기준 평가를 하도록 설정 하였다. 특히, 탄소성대변형 거동 중 발생하게 되는 소성의 영향은 이 중선형성을 가진 등방성경화(Bilinear Isotropic Hardening)거 동을 고려하였고, 구조물의 항복평가는 본 미세스(von-Mises) 항복기준을 적용하여, 구조물의 극한강도 평가를 기준으로 하는 최종한계상태설계법을 기반으로 하고 있다. 이 설계법은 소 성붕괴 내지는 극한강도를 기준으로 하고 있으며, 과거 선박들 의 구조설계는 극한강도에 대한 고려 없이 단지 부재들의 탄 성좌굴강도나 이를 소성 수정한 임계좌굴강도 계산 값들만을 기준으로 설계하였으며, 부재들의 좌굴 후 거동에 대해서는 고 려하지 않은 안전율을 반영한 설계가 대부분이었다.
8MPa 이다. 하중성분은 선체 거더의 종 굽힘에 의해서 발생되는 압축 하중을 판 길이방향으로 작용시켰으며, 용접이나 절단 등의 열 가공에 의해서 필연적으로 발생하게 되는 초기결함은 스미 스식의 중간 값(Smith's initial deflection formula, Average level-0.1 X/Fxt)을 적용하였다. 여기서, 세장비를 나타내는 B는 #로 표현된다.
성능/효과
(1) 실적선의 타원형 유공 보강판 모델은 종방향 보강재의 역활로 인하여 유공비가 증가하더라도 극한강도 감소비율은 크지 않다.
(2) 플랜지의 역할로 인하여 트리핑거동이 상당히 제어가 되며, 극한강도 또한 높게 평가된다.
(3) 티 (tee-bar) 단면속성을 가진 유공 보강판은 보강재의 단 면계수가 증가하면 비례적으로 극한강도를 높게 평가한다.
(4) 유공의 비가 0.7이상에서는 유공주위의 최소단면이 조기 항복하여 전단면 항복으로 전개되며 극한강도 감소가 크게 나타난다.
본 연구논문에서는 실제 대형상선에서 사용하고 있는 유공의 크기에 대하여 조사를 한 결과 각 조선소 마다 회사 실정에 맞 게 표준적인 유공모델을 주로 사용하고 있음을 알 수가 있었다 특히 유공의 크기는 유공의 용도에 따라 크게 3가지로 분류 되 었으며 같은 선종이라도 선박의 재화중량별로 차이를 부여하여 조사한 결과를 Table 1 ~ Table 3에 나타내고 있다
10 에서와 같이 극한강도가 급격히 감소하는 거동을 보이고 있다. 티바(Tee-bar) 보강재의 적용 시 웹의 높이가 증가할수록 극한강도 또한 비례적으로 증가하였으며, 유공비가 증가할수록 선형적으로 감소하는 분포를 나타낸다. 또한 유공비가 0.
7에서 극한강도 상태에서의 응력분포와 보강재의 처짐형태를 비교하고 있다. 플랫 형태의 보강재를 가진 유공 보강판에서는 웹에서 발생한 국부좌굴의 영향으로 인하여 보 강재 길이방향에 걸쳐서 항복이 진행되며, 플랜지가 약한 비 틀림 강성을 보완하고 있는 앵글(angle), 티(Tee)형태의 단면 보강재에서는 유공주위에서 발생한 항복영역에서만 처짐과 항복이 진행되었고, 점선을 기준으로 바같쪽 단면의 보강재의 처짐형태가 플랫 형태의 결과와 큰 차이를 보이고 있으며, 유 효단면이 상대적으로 (a)경우보다 많이 존재하면서 극한강도 또한 높게 평가되고 있다. 판넬 구조에 유공의 설계 시 가장 고려해야할 부분은 웹 국부좌굴과 트리핑 붕괴를견딜 수 있는 보강재 치수 비 설계이다.
후속연구
본 논문에서는 실선에서 사용중인 표준적인 유공 보강판의 모델을 조사하여 해석 기준 모델을 결정하였고 탄소 성대변형 유한요소 해석을 적용하여 면내 압축하중이 작용하는 조건에 대한 여러가지 변수들의 영향을 고려하면서 시리즈계 산을 수행하였다. 선체의 종 굽힘에 의해서 발생되는 압축하중 이 작용할 경우 선체 유공 보강판의 좌굴을 고려한 최종강도 거동을 분석하였으며, 이러한 결과들은 유공 보강판의 구조설계 시 기초적인 자료로 유용하게 사용되리라 사료된다.
참고문헌 (7)
박주신(2004), '선체판의 2차좌굴을 고려한 비선형거동에 관한 연구', 공학석사학위논문
박주신, 고재용, 이준교(2005), '종방향 압축력을 받는 선체판부재의 횡압력 영향에 관한 연구', 항해항만학회지, 제29권 6호, pp. 515-522
ANSYS Inc.(2000), 'ANSYS theory manual - Nonlinear buckling problem, Chapter 3, Part 4, 2000. pp. 120-132
Paik, J. K., Ham, J. H. and Kim, E. N.(1992), 'A new plate buckling design formula', J. of the Society of Naval Architects of Japan, VoI.171, pp.559-556
Paik, J. K., Ham, J. H. and Ko, J. H.(1992), 'A new plate buckling design formula(2nd Report) - On the plasticity correction' - J. of the society of naval architects of Japan, Vol. 172
Yao, T. and Chikahisa Murakami (2001), 'Buckling / Ultimate Strength of Perporated Rectangular Plate under Thrust', J. of the Society of Naval Architects of Japan, Vol.171, pp.731-737
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