[논문]컨테이너 크레인의 전산유동해석과 풍동실험에 의한 풍하중 분석

이수홍; 한동섭; 한근조

doi:10.5394/kinpr.2009.33.3.215

컨테이너 크레인의 전산유동해석과 풍동실험에 의한 풍하중 분석
Wind Load Analysis owing to the Computation Fluid Dynamics and Wind Tunnel Test of a Container Crane 원문보기

한국항해항만학회지 = Journal of navigation and port research, v.33 no.3 = no.139, 2009년, pp.215 - 220

이수홍 (동아대학교 대학원) , 한동섭 (동아대학교 BK21 총괄사업단) , 한근조 (동아대학교 기계공학부)

초록
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컨테이너 크레인은 강풍으로부터 보호를 받기 위한 차폐물이 없는 곳에 존재하기 때문에 이상 기후 조건에 취약성이 있는 구조물이다. 본 연구에서는 붐 각도의 변화에 따라 풍동실험과 전산유동 해석을 사용하여 컨테이너 크레인의 구조물에 대한 풍하중의 영향을 수행하였다. 그리고 75m/s의 풍속을 컨테이너 크레인에 적용하였다고 가정하였을 때 컨테이너 크레인의 풍력 내구성 설계에 사용되는 데이터를 컨테이너 크레인 설계자에게 제공하고자 한다. 본 연구에서는 건축물 하중기준의 풍하중 설계기준에 따라 풍하중을 적용하였으며 풍향에 따른 영향을 분석하기 위해서 유동장을 $10^{\circ}$ 간격으로 분할하였다. 이를 바탕으로 풍동실험과 전산 유동해석을 수행하였으며 얻어진 결과들을 비교 연구함으로써 컨테이너 크레인의 구조설계에 필요한 풍하중을 분석하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

Container cranes are vulnerable structure to difficult weather conditions bemuse there is no shielding facility to protect them from strong wind. This study was carried out to analyze the effect of wind load on the structure of a container crane according to the change of the boom shape using wind tunnel test and computation fluid dynamics. And we provide a container crane designer with data which am be used in a wind resistance design of a container crane assuming that a wind load 75m/s wind velocity is applied in a container crane. In this study, we applied mean wind load conformed to 'Design Criteria of Wind Load' in 'Load Criteria of Building Structures' and an external fluid field was divided as interval of 10 degrees to analyze the effect according to a wind direction. In this conditions, we carried out the wind tunnel test and the computation fluid dynamic analysis and than we analyzed the wind load which was needed to design the container crane.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 고도에 따라 75m/s의 풍속이 작용할 때를 고려하여 컨테이너 크레인의 각 부재에 대해서 가장 충분한 영향을 적용시킬 수 있도록 유동장을 원통형으로 모델링하였다. Fig.
크레인의 경우 붐이 항상 똑같은 위치를 유지하고 있는 것이 아니기 때문에 붐의 위치를 바꾸었을 때의 바람의 영향을 알아보고자 하였으며 컨테이너 크레인의 안정성에 미치는 영향을 분석하기 위하여 풍동실험과 전산유동해석을 수행하였고, 두 가지 방법을 비교 분석하였다. 실제 컨테이너 크레인을 가지고 실험을 하기에는 무리가 있기 때문에 시뮬레이션을 통한 구조 안정성을 알아보기 위한 전 단계로서 그에 맞는 조건들의 신뢰성을 추구하기 위하여 본 연구를 수행하였다. 향후 본 연구를 발전 시켜 풍압력을 구조 해석 분야에 접목함으로써 컨테이너 크레인의 구조 안정성 평가에 기여를 할 수 있으리라 기대되어 진다.

가설 설정

따라서, 이러한 격자망에 대한 오차가 발생할 것이라 판단된다. 세 번째로 조건에 따른 영향이 있을 것이라 생각된다. 풍동실험의 경우 바람의 방향을 고정시키고 축소시킨 모형을 회전시키면서 풍동실험을 하지만 전산 유동해석의 경우는 컨테이너 크레인 모델을 고정시켜 놓고 유 동장에서 입사각을 변화시키기 때문에 차이가 발생한 것으로 판단된다.

제안 방법

따라서 본 연구에서는 건축물 및 교량의 내풍 설계에 적용되는 건축물 하중기준에 의거하여 75m/s의 풍속을 풍동실험과 전산 유동해석에 동일하게 적용하여 풍하중을 비교하여 신뢰성을 점검하였다.
또한 원통의 외부 벽면 彳도를 컨테이너 크레인을 기준으로 회전될 수 있도록 적용하였으며, 풍향변화에 따른 유동해석 격자망이 동일하게 됨으로써 격자의 형상 및 수의 차이로 인한 오차를 줄일 수 있으므로 결과의 신뢰성을 향상시켰다.
이에 따른 해석의 경계조건으로는 난류모델로서 k-t. 모델을 사용하였고, 바닥과 크레인의 표면은 슬립이 발생하지 않도록 노슬립 (no-slip) 조건을 부여하였으며, 윗면은 개방 (Opening)조건을 사용하여 유동장 내부와 외부와의 조건이 동일하도록 하였다.
본 연구에서는 붐 각도가 45°인 컨테이너 크레인의 풍향에 따른 풍압분포를 통하여 풍하중을 산출할 수 있었다.
45。일 때의 풍하중을 분석하기 위하여 붐 위치를 변경하였다’ 요소망 생성을 고려하였을 때 하중에 크게 영향을 주지 않고 바람에 대하여 전체적인 컨테이너 크레인에 비해 매우 적은 영향을 미칠 것으로 고려되는 미세한 구조물인 케이블 릴(Cable reel)과 인너/아웃터 포 스테이 (Inner/Outter fore stay), 백 스테이(Back stay), 엘리베이터(elevator)등을 생략하였다.
주변 유동장을 컨테이너 크레인에 대비하여 경계면 간섭으로 인해 발생할 수 있는 오차를 줄일 수 있도록 크기를 설정함으로써 컨테이너 크레인의 부재의 정확도를 향상시키도록 노력 하였다.
현재 항만에서 사용하고 있는 모델이다. 크레인의 경우 붐이 항상 똑같은 위치를 유지하고 있는 것이 아니기 때문에 붐의 위치를 바꾸었을 때의 바람의 영향을 알아보고자 하였으며 컨테이너 크레인의 안정성에 미치는 영향을 분석하기 위하여 풍동실험과 전산유동해석을 수행하였고, 두 가지 방법을 비교 분석하였다. 실제 컨테이너 크레인을 가지고 실험을 하기에는 무리가 있기 때문에 시뮬레이션을 통한 구조 안정성을 알아보기 위한 전 단계로서 그에 맞는 조건들의 신뢰성을 추구하기 위하여 본 연구를 수행하였다.
풍력의 측정조건으로는 각 모델을 풍동 측정부의 폐쇄효과 (blockage effectX 고려하여 모형 스케 일(scale)은 1/200로 축소 제작하였으며, 공진현상을 최소화시키기 위하여 난관 및 스테이 일부를 제외한 대부분의 구조물을 발사나무(balsa wood) 로 제작함으로써 가볍고 강성이 큰 모형이 되도록 하였다. 풍속 스케일은 1/13.
풍속 스케일은 1/13.3, 설계풍속은 75m/s, 풍동풍속은 5.6m/s, 시간 스케일은 1/15, 측정시간은 40초로 실제시간을 600초로 두었고 샘플링 주파수(sampling frequency)는 120Hz, 계측 횟수는 10회, 풍속의 범위는 0.3 ~ 17.5m/s, 난류강도는 0.7% 이하로 설정하여 풍동실험을 수행하였다.
풍향에 따른 영향을 분석하기 위하여 풍력실험을 통해 얻어진 풍향계수를 추가로 고려하였으며, 이를 통하여 풍압력인 qz 를 산출함으로써 컨테이너 크레인의 풍압력을 제시하고자 한다(건설교통부, 2000).

대상 데이터

Fig. 3은 본 연구의 모델로 사용된 컨테이너 크레인으로 권상용량이 61ton이며, 전체 자중이 1177.5ton, 아웃리치(Out reach)가 63m, 백리치(Back reach)가 최소 20m 이상, 포탈 빔 하부통과 높이가 16.3m, 레일 스팬(Rail span, 해측과 육측 레그간의 거리)이 30.5m, 지상에서 붐(Boom) 및 거더 (Girder) 까지의 높이가 46m, 계류시 지상에서 붐 끝단까지의 높이가 약 120m에 달하며 기계적 처리능력이 시간당 40 ~ 45개에 해당하는 대형 구조물이다. (한진중공업, 2004)
모델링하였다. Fig. 4은 원통의 지름과 높이가 50)m X 200m으로 모델링 된 유동장으로서 본 연구에 사용된 모델이다.
본 연구에서 사용된 풍동은 현대건설기술연구소의 대형 경 계층 풍동(Boundary layer wind tunnel)으로 전체 길이 53m, 측정부의 크기는 폭 4.5m, 높이 2.5m, 길이 25m의 개방형 풍동으로 Fig. 1에 나타나 있다.
본 연구에서는 사용된 컨테이너 크레인은 권상용량 61ton급으로 현재 항만에서 사용하고 있는 모델이다. 크레인의 경우 붐이 항상 똑같은 위치를 유지하고 있는 것이 아니기 때문에 붐의 위치를 바꾸었을 때의 바람의 영향을 알아보고자 하였으며 컨테이너 크레인의 안정성에 미치는 영향을 분석하기 위하여 풍동실험과 전산유동해석을 수행하였고, 두 가지 방법을 비교 분석하였다.

성능/효과

또한 풍동실험과 전산유동해석을 비교하여 본 결과 전체적인 경향은 근사한 형태를 나타내고 있지만 최대 지점인 110°에서 풍동실험과 전산유동해석의 값이 각각 528ton, 358ton으로 약 약 32%의 오차가 발생하는 것을 알 수 있었다. 이는 풍동실험에서 컨테이너 크레인의 붐의 박리점 뒤에서 발생하는 난류의 영향이 큰 것으로 생각된다.
또한 풍동실험과 전산유동해석을 비교하여 본 결과 전체적인 경향은 근사한 형태를 나타내고 있지만 최대 지점인 20°에서 풍동실험과 전산유동해석의 값이 각각 306ton, 273ton으로 약 33ton의 차이가 발생하였다.
전체적으로 풍력실험과 전산유동해석은 비슷한 경향의 결과를 얻어낼 수 있었지만 약간의 오차가 발생하는 것을 알 수 있었다.

후속연구

이는 풍동실험에서 컨테이너 크레인의 붐의 박리점 뒤에서 발생하는 난류의 영향이 큰 것으로 생각된다. 이 오차의 원인에 대해서 현재 연구를 진행 중이며, 추후에 이에 대한 논문을 발표할 예정이다.
실제 컨테이너 크레인을 가지고 실험을 하기에는 무리가 있기 때문에 시뮬레이션을 통한 구조 안정성을 알아보기 위한 전 단계로서 그에 맞는 조건들의 신뢰성을 추구하기 위하여 본 연구를 수행하였다. 향후 본 연구를 발전 시켜 풍압력을 구조 해석 분야에 접목함으로써 컨테이너 크레인의 구조 안정성 평가에 기여를 할 수 있으리라 기대되어 진다.

참고문헌 (6)

건설교통부(2000), 건축물하중기준
김경한, 이영진, 이진우, 이권순(2000), "고효율 갠트리 크레인 설계 및 성능 분석", 한국항만학회지, 제14권, pp. 395-406

원문보기 상세보기
양창호, 김창곤, 최종희, 최상희, 최용석, 이주호(2002), "초대형 컨테이너선 운항에 대비한 차세대 항만 하역시스템 기술개발 전략 연구", 한국해양수산개발원
이성욱, 심재준, 한동섭, 박종서, 한근조, 이권순, 김태형 (2005), "풍하중이 컨테이너 크페인의 안정성에 미치는 영향 분석", 한국정밀공학회지 제 22권 제 2호, pp. 148-155
이수홍, 이성욱, 한동섭, 김태형, 한근조(2008), "61ton 컨테이너 크페인의 전산유동해석을 통한 풍하중 분석", 한국항해항만학회지 제 32권 제 3호, pp. 251-255

원문보기 상세보기
한진중공업(2004), 광양항 61ton 컨테이너 크레인 구조 및 기계부문 계산서

저자의 다른 논문 :

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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