[논문]재화중량 500톤 미만 유조선의 이중저구조기준 연구

이상갑; 윤여훈; 배준영

문제 정의

내좌초에 우수한 500톤 미만의 소형유조선의 이중저구조를 개발하고 그에 적합한 이중저구조기준을 확립하기 위해 수행한 본 연구의 결론은 다음과 같다.
다만, 해양수산부장관이 정하는 선박의 크기, 항행구역 및 선박의 구조 등에 관한 규정을 만족하는 경우 이중저 설치를 면제할 수 있도록 규정하고 있다. 본 연구개발의 목표는 내좌초에 우수한 500톤 미만의 소형유조선의 이중저구조를 개발하고 그에 적합한 이중저구조기준을 확립하는 것으로서 여기서는 그 결과들을 요약하고자 한다.
본 연구에서는 선박계산프로그램인 CASHIP을 이용하여 손상 시 복원성을 검토하였다. 손상범위는 MARPOL 73/78의 규정에 따라 선정하여 선정된 3척의 소형 유조선의 손상범위는 Table 4에, 각 선박의 손상 경우는 Table 5에 요약하였다.
Table 2에 내저판(inner bottom)에서의 암초의 진행거리(penetration), 파단발생 위치 및 파공 길이 등을 요약하였다. 예상과 달리 Small oil tanker와 CONV/PD328 선저모델이 ADH형의 이상화 선저모델에 비하여 내좌초에 우수하다는 것을 알 수 있었고, 실선 소형유조선의 내좌초 구조해석과 손상 시 복원성능 검토는 Small oil tanker 선저모델을 채택하고자 한다.

가설 설정

6은 내좌초 구조해석을 위한 이중저구조 유조선의 유한요소 모델을 보여주고 있다. 선저로부터 좌초손상의 영향을 받는 높이까지, 그리고 선수 선저부로 부터 기관실 선저부 앞까지는 상세 유한요소로 모델링하였고, 그 이외의 나머지 부분은 강체로 가정하였다. 재료 물성치는 변형률의존연강을, 파단변형률은 0.
각 시나리오의 case의 첫 영문자는 Ship C, B 및 A>, 두 번째 두 숫자는 이 중 저 높이를, 세 번째 영문자는 선박의 등흘수(Even keel)와 트림(Trim) 흘수상태를, 네 번째 영문자는 만재(Full loading)와 발라스트(Ballast) 하중 상태를, 다섯 번째 두 숫자 또는 영문자는 내저판을 기준으로 한 암초의 상대적인 높이나 암초의 선저좌초를, 여섯 번째 영문자는 암초의 선체 폭 방향으로의 위치를, 마지막 두 숫자는 좌초선속을 나타낸다. 선체는 암초와의 좌초로 인한 좌우 회전운동은 무시하고 전진하는 것으로 가정하였다.

제안 방법

- 대상 선박을 이중저구조 유조선으로 구조변경을 실시하였고, 또한 이중저 높이를 0.1m 간격으로 조정하여 보다 좋은 복원력을 갖는 구간도 검토하였다. 하지만 소형유조선의 경우 이중저 높이는 실제 복원력에 많은 영향을 미치지 않는 것으로 나타났다.
- 앞에서의 검토 결과를 이용하여 Fig. 9와 같이 복원성 검토에서 변수로 사용한 선폭을 길이와 높이로 무차원화 하였다. 선박의 폭이 가장 좁은 Case A-2, B-2, C-2의 선박들은 복원성 기준을 일부 항목에서 만족하지 못하거나 기준 선형(Case A-0, B-0, C-0) 의 선박보다 복원성이 상당히 좋지 않은 결과를 얻었다.
Table 1에서의 재화중량 500톤 미만 단저구조유조선 Ship A, B 및 C를 소형강선규정에 의해 이중저구조로 설계변경(scantling)하여 실선 이중저구조 유조선의 내좌초 구조해석을 수행하였다. Ship A인 경우 이중저 높이가 0.
1995, Rodd 1996)들을 이용하여 LS/DYNA3D code 및 좌초 수치해석 능력을 검증하고, 국내 소형 단저 및 이중저 구조 유조선과 유조선 좌초 모형 실험모델을 이용하여 내좌초에 우수하고 국내 소형유조선 이중저에 적합한 이중저구조 모델을 제안하여 톤급별 소형유조선 전선 내좌초 수치해석 시뮬레이션을 수행하였다. 그리고 톤수별 소형유조선 손상 시 복원성을 검토하기 위해 현재 국내 연근해에서 실제로 운항중인 재화중량톤수 500톤 미만의 단저구조 소형유조선 3척을 이중저구조로 변경시킨 후 선폭의 변화에 따른 선박의 손상 복원성을 검토하였다.
내좌초 구조해석을 위해서 미국 NSWC에서수행한 유조선 좌초모형 실험결과(Rodd et al. 1995, Rodd 1996)들을 이용하여 LS/DYNA3D code 및 좌초 수치해석 능력을 검증하고, 국내 소형 단저 및 이중저 구조 유조선과 유조선 좌초 모형 실험모델을 이용하여 내좌초에 우수하고 국내 소형유조선 이중저에 적합한 이중저구조 모델을 제안하여 톤급별 소형유조선 전선 내좌초 수치해석 시뮬레이션을 수행하였다. 그리고 톤수별 소형유조선 손상 시 복원성을 검토하기 위해 현재 국내 연근해에서 실제로 운항중인 재화중량톤수 500톤 미만의 단저구조 소형유조선 3척을 이중저구조로 변경시킨 후 선폭의 변화에 따른 선박의 손상 복원성을 검토하였다.
이중저 설치로 인하여 무게중심 위치가단저구조에 비해서 약간씩 상승함을 알 수 있었다. 또한 화물창 수와 복원성과의 상관관계를 검토하기 위하여 6개의 화물창을 가지고 있는 Ship C를 4개, 3개로 구조변경한 후 각 상태별로 공선상태의 중량 및 중심의 위치를 산출하였다. 화물창의 수가 줄어들면 무게중심 위치가 약간씩 상승함을 알 수 있었다.
본 연구를 위하여 LS/DYNA3D(LSTC 2004) code를 이용한 내좌초 구조해석을 수행하였으며, 유조선 규모에 따른 손상 시 복원성을 검토하였다. 내좌초 구조해석을 위해서 미국 NSWC에서수행한 유조선 좌초모형 실험결과(Rodd et al.
이러한 특성은 파단이 발생하는 부재의 두께(t)에 대한 유한요소 크기(L)의 비(L/t)와 재료의 파단변형률(failure strain) 등에 의해 영향을 받는다(Tornquist 2003). 본 연구에서는 NSWC의 5개 좌초실험 모델 Paul Buck, CONV/PD 328, ADH/PB, ADH/PD 328, ADH/PD 328V를 사용하여 상세 (fine) 유한요소 모델과 개략적(rough) 유한요소 모델과의 거동을 비교하였으며, 재료의 파단변형률과의 관계도 함께 검토하였다.
시나리오를 고려하였다. 선저모델은 연강을 사용하였고, 초기 좌초속도는 15노트로 수행하였다. Fig.
암초(rock)가 이상화 이중저구조 선저모델의 폭 방향의 중앙과 중앙에서 벗어난 위치에서 부딪치는 시나리오를 고려하였다. 선저모델은 연강을 사용하였고, 초기 좌초속도는 15노트로 수행하였다.
이와 같은 국내 소형유조선의 단저 및 이중저구조와 좌초실험 모델을 참조하여 재화중량 500톤급의 이상화한 이중저구조 소형유조선의 좌현 2개 화물창에 해당하는 Small oil tanker, Paul Buck, CONV/PD 328, ADH/PB, ADH/PD 328의 5가지 형태의 이중저구조 모델을 구축하였으며, 비슷한 중량을 갖도록 주요치수를 결정하였다.
이중저구조 유조선의 중량 및 중심의 위치는 단저구조 유조선의 공선상태(light ship condition) 의 값을 기초로 하여 0.65m, 0.75m, 0.85m 높이의 이중저의 중량 및 중심의 값을 합산하여 산출하였다. 이중저 설치로 인하여 무게중심 위치가단저구조에 비해서 약간씩 상승함을 알 수 있었다.
35의 4가지를 사용하였다. 자중을 고려하여 수직방향은 구속하지 않고 전진 방향으로만 직진하도록 구속하였다.
재화중량 500톤 미만의 소형 이중저구조 유조선의 손상 시 복원성능을 검토하기 위하여 Fig. 2 에서와 같이 현재 국내 운항중인 재화중량 500톤미만의 소형유조선의 자료를 기초로 하여 Table 1 의 단저구조 유조선인 Ship A, B 및 C를 4장에서와 같이 최소 이중저 높이 0.65m로부터 최적의 이 중저 높이를 검토하기 위하여 0.1m 씩 이 중저 높이를 증가시키면서 각 선박의 주요치수는 고정시키고 선박의 폭만을 변경하여 손상 시 복원성을 검토하였다.

대상 데이터

하였다. 선저모델의 재료는 ASTM 569로써 Cowper Symond 변형률의존(strain rate dependent) 재료를 사용하였으며, 파단 변형률은 0.20, 0.25, 0.30 및 0.35의 4가지를 사용하였다. 자중을 고려하여 수직방향은 구속하지 않고 전진 방향으로만 직진하도록 구속하였다.

성능/효과

- 내좌초에 보다 우수한 이중저구조로서는 손상 시 복원성능에 문제가 없는 범위 내에서 화물창의 개수를 줄이는 것이 바람직할 것으로 사료된다. 재화중량 500톤 미만의 국내 소형유조선의 이중저 높이는 h=B/7.
- 대상 선박 중에서 화물창의 수가 가장 많은 Ship C를 이용하여 화물창의 수의 변화에 따른 복원성을 검토하였지만 대상 선박군인 유조선은 복원성이 대체로 우수한 선박이어서 화물창의 수를 작게 하여 손상범위를 넓게 하여도 복원성에 영향을 거의 미치지 않는 것으로 나타났다.
- 이중저 높이가 높을수록 내저판의 파단이 크게 발생한다는 것을 확인할 수 있었다. 본 내좌초 구조해석을 통하여 이중저구조가 예상보다 내좌초 성능에 훨씬 더 우수하다는 것을 확인할 수 있었다.
. Small oil tanker과 CONV/PD328 선저모델이 내좌초에 우수하였고, 이중저구조는 내좌초 성능에 크게 기여하고 있다.
. 재화중량 500톤 미만 국내 소형유조선의 이중저 높이는 h=B/7.5 이상이 되어야 하고, 최소 0.65m 이상 되는 것이 타당하다고 사료된다. .
.소형유조선의 이중저구조로의 구조변경으로 인하여 재화중량톤수가 작아지면 화물창의 용적률 감소율과 이중저구조 개조비 비율이 더 커지는 것을 확인할 수 있었다. 이러한 소형유조선으로서의 경제적인 문제점 이외에, 실선 이중저구조 소형유조선의 내좌초 구조해석 결과에 의하면 재화중량 약 150톤 미만의 유조선은 이중저구조의 설치를 면제하는 것이 타당할 것으로 사료된다.
발생한다는 것을 확인할 수 있었다. 본 내좌초 구조해석을 통하여 이중저구조가 예상보다 내좌초 성능에 훨씬 더 우수하다는 것을 확인할 수 있었다. 이중저 높이가 크면 클수록 내좌초에 우수하지만, Ship A, B 및 C의 이 중저 높이로서 각각 0.
9와 같이 복원성 검토에서 변수로 사용한 선폭을 길이와 높이로 무차원화 하였다. 선박의 폭이 가장 좁은 Case A-2, B-2, C-2의 선박들은 복원성 기준을 일부 항목에서 만족하지 못하거나 기준 선형(Case A-0, B-0, C-0) 의 선박보다 복원성이 상당히 좋지 않은 결과를 얻었다.
소형유조선의 이중저구조로의 구조변경으로 인하여 재화중량톤수가 작아지면 화물창의 용적률 감소율과 이중저구조 개조비 비율이 더 커지는 것을 확인할 수 있었다. 이러한 소형유조선으로서의 경제적인 문제점 이외에, 실선 이중저구조 소형유조선의 내좌초 구조해석 결과에 의하면 재화중량 약 150톤 미만의 유조선은 이중저구조의 설치를 면제하는 것이 타당할 것으로 사료된다.
이상과 같이 2010년 1월 1일 이후 인도되는 재화 중량 500톤 미만의 소형 유조선에 적용할 이중저 구조기준 및 이중저 설치를 면제할 수 있는 선박의 범위을 제시하며, 이 연구는 해양수산부의 2006년도 선박안전기술개발사업으로 수행된 과제임을 밝힌다.
1은 ADH/PD328V 모델의 좌초속도, 수평 및 수직 충격력응답에 대한 실험과 상세 및 개략적 모델 시뮬레이션 결과를 비교하여 보여주고 있다. 이상의 결과들의 비교 검토를 통하여 본 연구에서 사용한 LS/DYNA3D code는 충분한 정도로서 손상을 추정할 수 있고 본 연구진들도 연구를 수행하기에 충분한 해석능력을 갖추었다고 생각된다. 내좌초 구조해석을 위해 가능한 한 상세 유한요소 모델과 파단변형률 0.
85m 높이의 이중저의 중량 및 중심의 값을 합산하여 산출하였다. 이중저 설치로 인하여 무게중심 위치가단저구조에 비해서 약간씩 상승함을 알 수 있었다. 또한 화물창 수와 복원성과의 상관관계를 검토하기 위하여 6개의 화물창을 가지고 있는 Ship C를 4개, 3개로 구조변경한 후 각 상태별로 공선상태의 중량 및 중심의 위치를 산출하였다.
달라졌다. 전반적인 좌초응답 이외에 각 부재의 내좌초기여 내부에너지 흡수 능력을 분석함으로써 내좌초에 우수한 이중저구조를 도출할 할 수 있다는 것을 확인할 수 있었다.
또한 화물창 수와 복원성과의 상관관계를 검토하기 위하여 6개의 화물창을 가지고 있는 Ship C를 4개, 3개로 구조변경한 후 각 상태별로 공선상태의 중량 및 중심의 위치를 산출하였다. 화물창의 수가 줄어들면 무게중심 위치가 약간씩 상승함을 알 수 있었다.

후속연구

암초와 이중저구조의 내저판과의 위치, 선체의 종 방향 기울기, 하중상태, 선체의 좌초속도 등이 소형유조선 내좌초 구조해석 시나리오의 중요한 인자가 될 것이다. Fig.

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