[논문]컨테이너 크레인 붐 구조물의 잔존수명 예측을 위한 컴퓨터 시뮬레이션

김상열; 배형섭; 이육형; 박명관

컨테이너 크레인 붐 구조물의 잔존수명 예측을 위한 컴퓨터 시뮬레이션
Computer Simulation for Residual Life Expectancy of a Container Crane Boom Structure 원문보기

한국정밀공학회지 = Journal of the Korean Society for Precision Engineering, v.24 no.9 = no.198, 2007년, pp.119 - 129

김상열 (한국선급엔지니어링) , 배형섭 (부산대학교 대학원 지능기계공학과) , 이육형 (부산정보대학) , 박명관 (부산대학교 기계공학부 및 기계기술연구소)

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The residual life expectancy of the container crane which has been operated more or less 39 years is examined carefully, especially on the boom structure. The basic load and load combination need to be considered for to analyse the boom structure. Various parts of container crane are modeled for to analyse stress, the deflection and the fatigue. Analysis results show that the boom is stable in the stress and deflection but the boom vertical member is over the fatigue life. The rail support beam and boom bottom chord are approximately near the fatigue life. Analysis results show that the residual life of rail support beam and the boom bottom chord would be 2.2 years and 6.8 years, respectively.

주제어

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문제 정의

강성해석은 크레인 붐 구조부의 변위량을 계산하여 규격에서 규정하고 있는 범위 이내로 설계하고자 행하여 진다. 강성해석 절차는 응력해석과 같은 방식으로 이루어지며 강성해석에 의하여 변위량의 결과치를 검토하여 부재 크기를 선정하게 된다.
그러나 현재까지의 대부분의 크레인에 관한 연구는 크레인의 움직임을 제어하는 제어기 설계 2 및 안정성에 목적을 둔 기구학 설계 3,4가 주를 이루는 실정으로 크레인 붐의 잔존 수명에 대한 체계적인 연구가 없었다. 따라서 본 연구에서는 컨테이너 크레인 붐의 잔존수명을 해석적으로 구하여 더욱 정확한 설계의 기초 자료를 마련하고 시스템의 안정성을 확보하고자 한다.
본 연구는 이 중에서 컨테이너 크레인 붐 (boom)의 잔존수명 예측에 관한 연구를 시행하였다. 컨테이너 크레인 붐의 잔존수명은 보수시점을 예측하고 원활한 물류의 흐름을 지속하고자 필수적인 고려 사항이다.

가설 설정

Palmgren-Miner 의 법칙은 식 (1)과 같으며 손상률은 임의의 응력 수준에서의 작용 사이클 수와 그 웅력 수준에서 파손에 이르는 총 사이클 수의 비에 선형적으로 비례한다고 가정하며 식 (2)와 같다. 누적 손상 이론에서 파괴는 손상률의 합이 1 이상일 때 일어 난다고 가정한다.

제안 방법

STAAD.Pro 2004 의 구조해석 전용 소프트웨어를 이용하여 컴퓨터 모델링을 작성하고 기본하중과 하중조합을 입력하여 부위별 최대응력을 계산하였다. 계산된 응력 값은 허용응력과 비교하여 계산결과를 검토하였다.
STAAD.Pro 2004 의 구조해석 전용 소프트웨어를 이용하여 컴퓨터 모델링을 작성하고 기본하중과 하중조합을 입력하여 하중조합 DL+TL+LS 에 대한 붐 위치 1에서 3 까지의 변형량을 계산하였다. 강성해석의 결과는 상기에서 수행한 각각의 위치에 대한 X, Y, Z 방향에 대한 변형량을 아래의 Table 6에서 볼 수 있다.
행하여 진다. 강성해석 절차는 응력해석과 같은 방식으로 이루어지며 강성해석에 의하여 변위량의 결과치를 검토하여 부재 크기를 선정하게 된다.
Pro 2004 의 구조해석 전용 소프트웨어를 이용하여 컴퓨터 모델링을 작성하고 기본하중과 하중조합을 입력하여 부위별 최대응력을 계산하였다. 계산된 응력 값은 허용응력과 비교하여 계산결과를 검토하였다. 크레인의 구조부재가 모두 대칭 단면으로 형성되어 있으므로 인장 부(-)와 압축 부(+)의 응력이 같을 경우 허용응력 값이 더 낮은 압축 부를 기준으로 하였다.
본 피로해석에서는 약 39년간 사용한 H 사 부산항 컨테이너 크레인의 붐구조물을 대상으로 피로해석 13-15 의 기본이론인 Palmgren-Miner 법칙을 검토하고 사용 이력의 기록을 근거로 피로해석의 기준을 설정한다. 그리고 피로 사이클 스펙트럼을 작성하여 피로 누적 손상을 계산하여 피로해석에 의한 크레인의 잔존수명을 계산하고자 한다.
따라서, 상기에 의거 각각의 누적손상을 계산하여 BS5400 Part 10 에서 분류하는 각 부재의 상세 조인트 둥급에 따라 허용 누적 손상 값과 비교하여 그 비율에 따른 파괴 정도의 신뢰성을 판정한다. 피로하중 조합은 BS5400 Part 10 에서 강 교를 중심으로 명확히 규정되어 있으나 여기서는 컨테이너 크레인의 특성에 맞는 하중조합을 하도록 한다.
, 붐 기복 5min.를 적용하였고 붐 구조물은 모든 종류의 형강(H-beam, pipe, SQ. tube 등)을 사용하여 설계되었다. 본 연구에서는 구조 강재 중 최저 항복 강도의 재질인 SS400 또는 ASTM A36 을 기준으로 계산하여 최악 조건에서 강도계산을 수행하였다.
tube 등)을 사용하여 설계되었다. 본 연구에서는 구조 강재 중 최저 항복 강도의 재질인 SS400 또는 ASTM A36 을 기준으로 계산하여 최악 조건에서 강도계산을 수행하였다.
풍 하중 계산방식은 풍속 16m/s, 49m/s 시와 계류장치 검 토를 위한 65m/s 의 풍속으로 JISB8821의 규격(code)에 따라 풍압을 산정하고 여기에 크레인의 표면의 면적을 고려한 풍 하중을 적용하였다. 이 풍 하중을 조합하여 입력하고 크레인의 강도해석과 강성해석을 수행하였으며 강도해석에서 추출한 응력(stress)으로 피로해석을 수행하였다.
컨테이너 크레인 작업 시 붐 위에서 활주하는 트롤리가 우측으로부터 이동하는 각각의 위치에 대한 모델링을 통하여 트롤리가 붐의 각 위치에서의 구조해석을 수행하였다. 그뿐만 아니라 컨테이너 시스템이 지리적으로 바다 근처에서 많이 사용되기 때문에 자연적 조건에 대해서도 많은 영향을 받는다.
크레인의 운전 중 발생하는 모든 하중들을 경우의 수에 맞도록 설정하여 붐의 모델링 (modeling)을 수행하였으며 구조물의 정확한 모델링을 통해 해석 결과의 신뢰성과 크레인의 피로수명 및 잔존수명 예측에 적용하기 위한 모든 경우에 따른 조건들을 검토하였다. 붐은 트롤리의 위치에 따라 구조적 하중 형태가 변하기 때문에 트롤리의 위치에 따른 붐의 해석이 중요하다.
피로하중 조합은 BS5400 Part 10 에서 강 교를 중심으로 명확히 규정되어 있으나 여기서는 컨테이너 크레인의 특성에 맞는 하중조합을 하도록 한다. 피로 해석을 위한 하중조합은 Table 7 과 같다.
해석 모델링에 적용된 기계적인 성질 값으로 재질은 JIS SS400 이나 ASTM A36 이고, 항복응력(Fy: Yield stress)은 2.4ton/cm², 종탄성계수(modulus of longitudinal elasticity)는 2038.9ton/cm² 그리고 포아송 비(poisson ratio)는 0.3 을 적용하였다. 또한, 하중조합(load combination)에 따라 적용된 허용응력은 Table 3 과 같으며 하중조합에 대한 각 부재의 허용응력을 나타낸다.

대상 데이터

본 연구에 사용된 크레인은 1966 년 미국의 PACECO 사가 설계 제작하여 베트남에 설치되어 사용 후 H 사 부산항 부두에 인도하여 크레인의 스팬(span)을 8.5m 에서 16m 로 개조 후 사용되고 있는 크레인이다. 용량은 27.
3ton 을 적용하였다. 사용 연수는 약 39 년이며 사용 이력에 따른 전체 하역 회수는 4, 380, 000 사이클(cycle)을 적용하였다. 이것은 컨테이너 크레인의 사용 길이에 대한 사용 회수 즉, 트롤리가 컨테이너를 들고 왕복한 거리를 몇 사이클 반복했는지를 나타내고 있다.
8GHz CPU, 1GB RAM 및 2GB 용량의 가상메모리로 구성되어 있다. 유한요소 해석 모델은 STAAD.Pro 2004 의 3차원 보요소로 모델링되었으며, 104개의 절점과 190 개의 보요소로 구성되었다. 해석에 소요된 시간은 해석 모델링 작성에 10일, 해석에 20 일이 소요되었다.

데이터처리

해석 대상 크레인의 강도와 강성해석은 구조해석 범용 프로그램인 STAAD.Pro 2004 를 사용하여 해석하였다. 해석 시 사용된 하드웨어 사양은 Intel 코어 2 듀오 1.

이론/모형

Palmgren-Miner 가 고안한 선형 손상법을 근거로, 작용한 피로 누적 손상을 Miner's rule 인 식(8)에 따라 구한다.
정보를 제공해준다. 본 피로해석에서는 약 39년간 사용한 H 사 부산항 컨테이너 크레인의 붐구조물을 대상으로 피로해석 13-15 의 기본이론인 Palmgren-Miner 법칙을 검토하고 사용 이력의 기록을 근거로 피로해석의 기준을 설정한다. 그리고 피로 사이클 스펙트럼을 작성하여 피로 누적 손상을 계산하여 피로해석에 의한 크레인의 잔존수명을 계산하고자 한다.
나타낸다. 하중조합은 강도계산이나 강성계산 사양 에서 요구하는 조건들에 맞도록 각 하중을 조합 하였으며 하중조합 기준은 BS2573 Part 1에 준거 하며 Table 2 와 같다. Fig.

성능/효과

강성적인 해석 결과 이론적인 처짐량은 붐 위치 3 에서 Y 방향으로 -46.9mm 이며, 광파 측정한 결과는 붐 위치 3 에서 Y 방향으로 +46.6mm 로서 붐이 상부로 올라간 상태로 판단되나, 허용처짐의 범위에 있으므로 결과를 종합해 볼 때 붐 강성에는 큰 문제가 없는 것으로 판단된다.
14 는 위에서부터 차례로 포스테이 연결부분인 위치 1 에서와 붐의 최대 도달거리인 위치 2 에서와 붐의 최끝단부인 위치 3 에서의 변형량을 나타내고 있다. 강성해석 결과 이론적인 변형량은 붐 위치 3 에서 Y 방향으로 -46.9mm 이며, 광파 측정한 결과는 붐 위치 3 에서 Y 방향으로 +46.6mm 로 판단되며, 이러한 결과를 종합해 볼 때 붐 강성에 큰 문제가 없는 것으로 판단된다.

후속연구

이 실제 측정된 변위량과 컴퓨터 모델링에서 계산된 이론적인 변위량과 비교하여 정확한 수치적 판단을 내리기에는 비논리적인 점이 있다. 그러나 가장 이론적인 계산 값과 제작 오차를 감안한 현물의 측정값을 단순 상대 비교하는 이와 같은 방법은 구조물 전체의 변위 추이를 진단하고자 하는 데는 도움이 될 것이다. 또한, 과다한 비정상적인 이상변위 차이가 발생하는 부위를 발견하는데도 유익 할 것이다.
그러나 가장 이론적인 계산 값과 제작 오차를 감안한 현물의 측정값을 단순 상대 비교하는 이와 같은 방법은 구조물 전체의 변위 추이를 진단하고자 하는 데는 도움이 될 것이다. 또한, 과다한 비정상적인 이상변위 차이가 발생하는 부위를 발견하는데도 유익 할 것이다. Fig.
앞으로 연구 과제로는 컨테이너 크레인에 대한 동적 해석의 수행과 전도를 일으키는 풍속의 거동 및 풍동 실험에 대하여 연구하고자 한다.

참고문헌 (15)

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Lee, S. W., Shim, J. J., Han, D. S., Park, J. S., Han, G. J., Lee, K. S. and Kim, T. H., 'The Effect of Wind Load on the Stability of a Container Crane,' Journal of the Korean Society for Precision Engineering, Vol. 22, No.2, pp. 148-155,2005
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Kim, J. H., Im, S. W., Chang, I. H. and Shinga, A., 'Experimental Study on Fatigue Crack in Welded crane Runway Girders(2)-Repair Methods of Fatigue Crack,' Journal of Korean Society of Steel Construction, Vol. 10, No.2, pp. 303-315,1998

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Jeong, D. G. and Yoon, K. B., 'A Study on Fatigue Life Assessment Procedure for a Container Crane,' Journal of The Korean Institute for Industrial Safety, Vol. 14, No. 2, pp. 11-18, 1999

저자의 다른 논문 :

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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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