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문제 정의
- 본 연구에서는, 멤브레인형 LNG 운반선 방열시스템 동적강도 특성 분석을 위한 방열시스템 구성재료별 실험 및 충격시험을 수행하였다.
- 2006). 본 연구에서는, 멤브레인형 MARK Ⅲ LNG 운반선 방열시스템의 동적 강도 특성을 충격실험을 통하여 정리 분석하여, 화물창 안전성 및 수명평가에 활용할 수 있는 기초자료를 확보하고자 한다(노인식 등 1993a, 1993b, 이제명 등 2005).
- 인장과 압축 외에 펀치시험을 이용한 전단 성능평가 및 접착력 평가용 시험 등도 있으나 본 연구에서는 주요 성능지표인 인장 및 압축에 대하여 정리한다. Fig.
제안 방법
- . 방열시스템에 대하여, 정적 붕괴실험 및 Dry drop 시험기법을 이용한 충격시험을 수행하였으며 충격하중 하에서의 방열시스템 동적거동 특성에 대한 분석을 수행하였다.
- 동적인장 성능을 평가하기 위하여, MTS 장비를 이용한 시리즈시험을 수행하였다. ASTM 기준을 따라 압연방향(Lengthwise), 대각선방향 (Diagonalwise), 압연수직방향(Crosswise)으로 각각 시험편을 제작한 후 시리즈 실험을 수행하였다.
- Fig. 13에 나타내는 자유낙하 실험 장치를 기본으로, 본 연구에서는 충격하중 작용면에서의 압축 변위와 수직 가속도, Mastic 하부에서의 반력이 계측되었으며, 이들의 계측을 위하여 가속도 센서, 충격력 센서, 고속카메라가 이용되었다.
- 각각 설정된 하중 수준별로 반복 실험을 통해 반복 충격하중에 의해 발생하는 균열 특성 등을 분석하였다. Fig.
- 조절하였다. 강판 적층 결합구조로 만들어진 자유 낙하형 강체를 이용하여, 실험체 상면에 평면으로 등분포 형태의 충격을 가하였다.
- 특성의 정.동적 붕괴강도특성의 실험결과를 정리하였다. 시험체 제작에 있어, STS304L 멤브레인 판넬은 방열시스템의 구조강도에 대한 기여가 크지 않으므로 전체 시험체에서 제거시켰음을 밝혀둔다.
- 정. 동적인장 성능을 평가하기 위하여, MTS 장비를 이용한 시리즈시험을 수행하였다. ASTM 기준을 따라 압연방향(Lengthwise), 대각선방향 (Diagonalwise), 압연수직방향(Crosswise)으로 각각 시험편을 제작한 후 시리즈 실험을 수행하였다.
- 2006), 강도평가에 있어 변형률 속도 효과의 고려가 주요 논의사항이 되고 있다. 따라서 변형률 속도에 따른 주요 강도 특성 변화를 분석하기 위하여 5종류의 변형률 속도를 대상으로 인장 실험을 수행하여 재료강성, 항복응력, 인장응력, 파단변형률을 분석하였으며, Fig. 4에 각 속도별 실험결과를 비교하여 나타내고 있다.
- 따라서 본 연구에서는, 먼저 정적 압축 붕괴 실험을 수행하여 방열시스템의 압축 하중 하의 붕괴 거동에 관한 기본 정보를 파악한 후, 자유낙하 실험 장비를 이용하여 반복적인 충격하중 하에서의 파손, 변형 등의 관찰을 통한 동적 응답 거동의 정량적 특성을 파악하여 RPUF로 구성된 방열시스템의 구조강도 평가를 수행하였다.
- 높아질수록 재료강성 및 주요강도가 증가하고 있음이 확인되었다. 뚜렷한 항복응력과 강성을 측정하기가 쉽지 않았으므로 0.2% 몹셋(Offset) 항복응력 및 재료강성을 측정하였고, 결과를 Table 1에 정리하고 있다. 실험을 통해 얻어진 대표적인 변형률속도별 기계적 특성치를 Table 2에 정리한다.
- 매우 복잡한 구조로 이루어져 있음에도 불구하고 이들 각 재료에 대한 실험적 근거자료의 확보가 쉽지 않은 이유로, 본 연구에서는 Fig. 1에 나타내는 대표적인 구성 재료들의 특성분석을 수행하였다.
- 방열시스템에 작용하는 위험하중은 슬로싱 하중으로 대변되는 유체 충격압력이며, 동적 충격압력 하에서의 구조적 건전성을 파악할 필요가 있으므로, 본 연구에서는 압축하중을 주요 고려대상으로 하되, 정적 및 동적 조건을 모두 고려한 실험을 수행하였다.
- 본 절에서는 LNG 방열시스템용 Plywood 제작사인 (주)화인텍에서 직접 입수한 Plywood 원판을 이용하여 표준시험편을 제작하였으며 각 방향에 따른 인장강도를 분석하였다.
- 따라서 충격 성능평가가 필수적이다. 본 충격실험에 사용된 장비는 보편적인 충격실험 설비인 낙하 충격시험 장비이며 , 방열시스템 충격성능평가에 적합하도록 구성하였다.
- 배치를 갖게 되며. 실제 현장에서의 Mastic 배치는 여러 종류가 있으나, 본 실험에서는 현장사용 조건 중 비교적 보수적인 조건인 Mastic 배치간격 80mm, Mastic 폭 20mm를 설정하여 실험을 수행하였다.
- 1 참조). 압축붕괴 강도를 평가하기 위한 하중은 Servo -controlled hydraulic experiment machine 200ton Actuator를 사용하여 제어하였으며, MTS 시스템과결합된 TDS 303 Data logger를 이용하여 계측하였다.
- 충격에 따른 방열시스템 하부에서의 반력변화는 PCB Piezotronics의 Force Sensor(200C50)를 이용하여 계측하였다. 시리즈 실험에 의한 계측 결과를 Table 4에 정리하였다.
대상 데이터
- MARK Ⅲ형 LNG 화물창 방열시스템에서 멤브레인과 접합되는 상부 Plywood는 두께 9mm이며, 선각과의 접합을 위해 Mastic과 연결되는 하부 Plywood는 두께 12mm이다. 두 종류 모두 적층 합판구조이며, 재료의 기본적인 구성은 각 층간의 각도가 0°와 90°인 직교 이방성을 가진 여러 겹의 층간구조이다.
- 이 규격에 따르면, 구조용 합판이나 일반 합판 등에서 합판의 층간각도가 0° 혹은 90°로 이루어진 경우, 두께가 6mm 초과 시에는 Type A, 이하인 경우는 Type B를 시편으로 채택하도록 되어있다. 본 연구에서는 Type A 시험편을 제작하였으며, 두께와 폭 등의 오차범위는 ±0.3% 이내였다. Fig.
- 본 연구에서는, STS304L 멤브레인의 정. 동적인장 성능을 평가하기 위하여, MTS 장비를 이용한 시리즈시험을 수행하였다.
- 시험체 대부분은 고밀도 Polyurethane 속에 유리섬유(Glass fiber)를 첨가하여 강성을 강화시킨 대표적인 복합재료 RPUF(Cotgreave and Shortall 1977)로 구성되어 있다(Fig. 1참조).
- 시험편 채취용 재료는 실제 LNG 화물창 방열시스템 제작업체인 한국 화이버(주)에서 직접 입수한 STS304L 원판을 이용하였다.
- 실험에 사용된 충격체의 무게는 133kgf, 212kgf이며, 충격속도를 조절하기 위하여 높이를 0~ 1m 범위에서 조절하였다. 강판 적층 결합구조로 만들어진 자유 낙하형 강체를 이용하여, 실험체 상면에 평면으로 등분포 형태의 충격을 가하였다.
- 정적 압축 붕괴 실험에 사용하는 시험체는 MARK Ⅲ 방열시스템의 최소 유닛이다(Fig. 1 참조). 압축붕괴 강도를 평가하기 위한 하중은 Servo -controlled hydraulic experiment machine 200ton Actuator를 사용하여 제어하였으며, MTS 시스템과결합된 TDS 303 Data logger를 이용하여 계측하였다.
- 표준 시험편 치수는 50x50x50(mm) 정방형 시험체이며, 이하에 시험조건 및 최소 시험편 개수 등을 정리한다.
데이터처리
- 고속카메라를 이용한 변형 이력 분석 결과 (Fig. 14 참조)를 이용하여 정량적 하중 지속 시간을 계측하였으며 동일한 하중 수준에서의 반복 계측을 통한 반복횟수별 반력과 가속도의 평균치를 얻을 수 있었다.
- 2에 ASTM 시험편 규격 및 각 방향멸 시험편을 보인다. 방향성에 따른 시리즈 실험의 결과는, 각 방향에 따라 10회씩 실험한 후 최대값과최소값을 제외한 평균값을 이용하여 정리하였다.
이론/모형
- 적층형 목재의 성능평가에 대한 표준 실험규격 ASTM(D3500-90:2003)을 따라 시험편을 제작하였다. 이 규격에 따르면, 구조용 합판이나 일반 합판 등에서 합판의 층간각도가 0° 혹은 90°로 이루어진 경우, 두께가 6mm 초과 시에는 Type A, 이하인 경우는 Type B를 시편으로 채택하도록 되어있다.
성능/효과
- . Plywood, RPUF, STS304 membrane 등 LNG 화물창 방열시스템 주요 구성부재에 대한 재료실험을 수행하고 관련 자료를 조사 분석하여 MARK Ⅲ 형 화물창에 대한 기본 물성치 특성을 분석하였으며, 선급에서 규정하는 최소 강도 기준에 만족하는 것을 확인하였다.
- Mastic 배치 조건, 배치 개수 및 치수 등에 따라 편차가 존재하겠으나, 본 실험은 비교적 보수적인 경우를 대상으로 하였으므로 설계 목적상 참고로 활용할 수 있는 MARK Ⅲ 형 방열시스템의 정적 붕괴강도는 12bar수준임을 추정할 수 있다.
- 반대방향을 의미한다. 기계적 특성에 대한 거시적인 분석 결과, 선형 탄성 구간의 지속 이후에 탄소성 거동 없이 파단에 이르는 전형적인 취성 재료 특성을 나타내고 있음을 알 수 있으며, 특별하게 이방성 효과를 고려해야 할 만큼 하중 방향별 차이는 나타나지 않음을 확인할 수 있었다. Table 3에 실제의 사용재료 성능과 선급 규정 비교 결과를 나타낸다.
- 분석 결과, 초저온용 사용 재료에 대한 KS D3698 규격과 비교해 볼 때 성능상의 무리가 없는 것으로 판명되었다.
- 실험결과, 일반적으로 알려져 있듯이 변형률 속도가 높아질수록 재료강성 및 주요강도가 증가하고 있음이 확인되었다. 뚜렷한 항복응력과 강성을 측정하기가 쉽지 않았으므로 0.
- 실험을 통하여 파악된 방열 재료의 정적 붕괴 임계 강도는 약 123 kN이며 압력으로 환산할 경우 약 12bar에 상당함을 알 수 있었다.
후속연구
- . 재질의 이방성 문제에 대해서는 뚜렷한 특성을 파악할 수 없었으나, 충격하중 하에서의 RPUF 변형문제에 대해서는 점성 효과가 매우 크다는 것을 확인하였으며, 점성효과에 관련된 상세 결과는 향후 이어질 발표에 소개할 예정이다.
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