[논문]폴리에틸렌 플레저 보트의 구조설계에 관한 연구

조석수

doi:10.3795/ksme-a.2012.36.12.1551

폴리에틸렌 플레저 보트의 구조설계에 관한 연구
Study of Structural Design of Polyethylene Pleasure Boat 원문보기

大韓機械學會論文集. Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers. A. A, v.36 no.12, 2012년, pp.1551 - 1561

초록
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플레저 선박은 주로 FRP(Fiber reinforced plastic)를 주재료로 제작되고 있으나 2000년대에 들어오면서 FRP 선체에 대한 환경오염 및 해양안전에 관한 법규 규제가 강화되고 있다. 즉, FRP는 재활용이 불가능하며 폐기시 자연에서 분해되는 데 100년이상 걸리는 매우 반환경적 특성을 가지고 있다. 일반 선체 재료로서는 강, 알루미늄, FRP를 제안하고 있으며 이에 따른 구조설계규격 및 재료설계강도를 제안하고 있다. 그러나 소형 선박에 적합한 염가 재료에 대한 연구는 전혀 진행되지 않고 있으며 단지 소형조선산 업계에서 카누나 카약 선체를 폴리에틸렌을 이용하여 제작하여 판매하고 있다. 따라서 본 연구에서는 고 밀도 폴리에틸렌을 이용하여 보트를 설계 및 제작하기 위하여 실적선을 기초로 선체의 선형을 완성한 뒤 ISO 12215-5의 소형 선체에 대한 구조설계기준을 적용하여 선체 치수를 결정하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

Boat or yacht hulls are mainly built using FRP composite materials. FRP boat hull manufacturing has been restricted since 2000 under international regulations on ocean environment safety. FRP composite materials cannot be recycled and require more than 100 years to biodegrade. Therefore, alternatives to FRP have been proposed by many boat builders. Steel, aluminum, and FRP are commonly used as boat hull materials. Their design specifications are proposed as Korean register of shipping. However, the design specifications for inexpensive materials for a small boat have not yet been studied. Small shipbuilders manufacture and sell HDPE canoes or HDPE kayaks. In this study, a hull form was designed based on actual boats. The thickness of an HDPE boat hull was determined based on ISO 12215-5 structural design specifications.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 본 연구에서는 고밀도 폴리에틸렌(HDPE : High-density polyethylene)을 이용하여 보트를 설계 및 제작하기 위하여 실적선을 기초로 선체 선형을 완성한 뒤 ISO 12215-5⁽⁸⁾의 소형 선체에 대한 구조설계기준을 적용하여 선체치수를 결정하였다.
본 연구는 플레저 보트로 가장 널리 사용되는 낚시 보트를 설계 및 제작하기 위한 것이다. 일반적 플레저 보트는 선수가 선미에 비해서 상부로 들려져 있는 활주형 선형을 가지고 있다.
⁽¹³⁾ 따라서 국내의 경우 플레저 보트 검사 지침에 의하면 보트 제조자가 어떠한 재료를 이용하여 선박을 제조하여도 플레저 선박 검사만 통과하면 선박으로 사용할 수 있다. 이상의 내용을 토대로 본 연구에서는 ISO 12215-5⁽⁸⁾에 의한 플레저 선박 구조 설계 기준을 이용하여 폴리에틸렌 선체를 제작하고자 한다. 이하는 ISO 12215-5에서 제안하고 있는 선박 구조설계 기준을 나타내었다.

가설 설정

17(a)에서 최대응력은 전방건현부에서 발생되나 Fig. 17(b)에서 최대응력 은 선측 보강재에서 발생된다. 따라서 응력 집중 장소의 이동으로 인하여 선체 두께가 두꺼워진다고 해서 응력이 감소되는 것이 아니라 오히려 증가하고 있다.

제안 방법

유한요소 모델은 ANSYS Workbench R12의 Design Modeler를 이용하여 구축하였으며 메쉬는 보트선형의 복잡성으로 인하여 Triangle 메쉬를 주로 부여하였다. Mesh method는 Tetrahedrons로 설정하고 Mesh Sizing은 24mm로 설정하였다.
한편, ISO 12215-5에서는 플레저보트의 재료설계강도로 FRP를 기준으로 인장강도의 1/2로 설정하고 있다. 그러나 폴리에틸렌 보트의 경우 선체 재료가 고밀도 폴리에틸렌으로 고연성 재료이므로 재료설계강도를 항복응력의 90%로 설정 하여야 하나 재료의 불확실성을 더 고려하하여 변형률이 10%를 일으키는 응력으로 설정 하였다. 따라서 폴리에틸렌 보트의 설계응력은 항복응력의 27%인 7.
그러나 최대응력과 총변형이 발생되는 위치를 선체 단면 관점에서 보면 대부분 중앙 단면에서 가장 큰 응력과 총변형을 발생시킨다. 따라서 상술의 다양한 압력을 견디기 위하여 선체 중앙 단면 부근에 횡방향으로 늑골을, 종방향으로 거더(Girder)를 일정간격으로 설치하여 최대응력과 총변형을 효율적으로 제어하였다.
일반적 플레저 보트는 선수가 선미에 비해서 상부로 들려져 있는 활주형 선형을 가지고 있다. 보트 선형 설계에 필요한 주요 치수는 실적선에서 나온 치수를 기초로 하였다. 즉, 보트 전장, 보트 폭, 보트 전장에 대한 폭의 비, 보트 엔진 출력, 보트승선인원에 대하여 정리하였으며 그 평균값을 Table 2에 각각 나타내었다.
구조설계에서 사용한 유한요소해석프로그램은 상용해석프로그램인 ANSYS Workbench R12를 이용하였으며 선형 해석만 수행하였다. 유한요소 모델은 ANSYS Workbench R12의 Design Modeler를 이용하여 구축하였으며 메쉬는 보트선형의 복잡성으로 인하여 Triangle 메쉬를 주로 부여하였다. Mesh method는 Tetrahedrons로 설정하고 Mesh Sizing은 24mm로 설정하였다.
8명에서 6명으로 축소시켰다. 이상의 Table 3에서 나온 치수를 기초로 보트 선형설계프로그램인 Rhino 3D 4.0⁽¹⁰⁾를 이용하여 폴리에틸렌 플레저 보트 선체를 설계하였다. Fig.

대상 데이터

Fig. 1은 폴리에틸렌을 인장시험하기 위한 인장시험편을 나타낸 것으로 KS M 3022⁽⁹⁾에 규정된 형상과 치수를 이용하여 제작하였다. 인장시험편은 대림 산업(주)에서 생산하는 두께 12mm인 고밀도 폴리에틸렌 시트(Daelimpoly TR-418BL)에서 채취 채취하였으며 가공시 발생되는 잔류 변형을 최소화하기 위하여 워터젯 절단기(HAMMER HEAD 510 : 3048×1549×150)를 사용하여 가공하였다.
Fig. 5는 선저 압력을 선체에 부하하기 위한 선체 구조 해석모델의 메쉬를 나타낸 것으로 보트 선형의 복잡성으로 인하여 Triangle 메쉬를 부여하였으며 859,605개의 노드와 438,545개의 요소를 사용하였다.
Fig. 7은 선측 압력을 부하하기 위한 보트 구조 해석모델의 메쉬를 나타낸 것으로 보트선형의 복잡성으로 인하여 Triangle 메쉬를 부여하였으며 951,338개의 노드와 484,861개의 요소를 사용하였다.
즉, FRP 선체의 설계응력은 147MPa, 강선 선체의 설계응력은 212MPa, 알루미늄 선체의 설계응력은 186MPa로 설정하였다. 따라서 FRP와 강 및 알루미늄 선체 외판 두께는 각각 3.18mm, 2.24mm, 2.39mm이다. 이러한 결과를 Fig.
본 연구의 개발 대상인 폴리에틸렌 보트는 해상레저기구로서 강선이나 알루미늄선과 같이 한국선급규격과 같은 별도 규격의 적용을 받지 않고 개별제조회사규격의 적용을 받는다. 한편, ISO 12215-5에서는 플레저보트의 재료설계강도로 FRP를 기준으로 인장강도의 1/2로 설정하고 있다.
인장시험편은 대림 산업(주)에서 생산하는 두께 12mm인 고밀도 폴리에틸렌 시트(Daelimpoly TR-418BL)에서 채취 채취하였으며 가공시 발생되는 잔류 변형을 최소화하기 위하여 워터젯 절단기(HAMMER HEAD 510 : 3048×1549×150)를 사용하여 가공하였다.
Table 3은 Table 2의 보트 치수를 기준으로 제작하고자 하는 보트의 시제품 치수를 나타낸 것이다. 전장, 전폭, 전장에 대한 전폭비, 엔진등 실적선과 거의 동일한 값으로 셋팅하였으나 승객 수는 갑판 크기를 고려하여 7.8명에서 6명으로 축소시켰다. 이상의 Table 3에서 나온 치수를 기초로 보트 선형설계프로그램인 Rhino 3D 4.
폴리에틸렌 보트의 구조해석모델은 Fig. 4에서 보는 것처럼 보트 선체는 단일 선체이며 단일 선체를 보강하기 위하여 종방향 중심선에 종통용골을 설치하고 선측에 종방향 보강재인 거더를 구성하였다. 또한, 선체의 횡방향을 보강하기 위하여 갑판 하부에 늑골 및 격벽을 설치하였다.

데이터처리

구조설계에서 사용한 유한요소해석프로그램은 상용해석프로그램인 ANSYS Workbench R12를 이용하였으며 선형 해석만 수행하였다. 유한요소 모델은 ANSYS Workbench R12의 Design Modeler를 이용하여 구축하였으며 메쉬는 보트선형의 복잡성으로 인하여 Triangle 메쉬를 주로 부여하였다.

성능/효과

(1) 폴리에틸렌 보트의 경우 선체 재료가 고밀도 폴리에틸렌으로 고연성 재료이므로 재료설계 강도를 항복응력의 90%로 설정 하여야 하나 재료의 불확실성을 더 고려하여 항복응력의 27%로 설정한 결과 폴리에틸렌 보트의 설계응력은 7.3MPa이다.
(2) 보트 선형 설계에 필요한 주요 치수는 실적선에서 나온 치수를 기초로 하여 주형계수 Cp를 구한 결과 0.654로서 구축함과 비슷한 선형이어서 설계 보트가 배의 길이 방향에 대하여 횡단면의 변화가 크지 않았다.
(3) 재료 불확실성을 고려한 ISO 12215-5 플레저 보트 구조설계 및 제작에 관한 규격에 의하여 고속 플레저 보트를 구조 설계한 결과 선체 두께 12㎜가 가장 낮은 응력을 유지하고 있으며 12㎜이상에서는 선체 각 부품 사이의 접촉 응력에 의한 국부응력이 발생하여 선체 두께 12㎜를 폴리에틸렌 보트의 최적 선체 두께로 선정하였다.
(4) 최대응력과 총변형 발생 위치는 압력 유형에 따라 다른 위치에서 발생되고 있으며 선저 압력의 경우 선수 격벽과 건현에서, 선측압력의 경우 선체 외판과 건현에서, 갑판압력의 경우 갑판과 건현에서 각각 발생되고 있다.
따라서 폴리에틸렌 보트의 선체 환경 불확실성이 강선의 선체 환경 불확실성에 비하여 매우 낮다. 따라서 본 연구에서 제안하는 폴리에틸렌 보트 선체 두께는 재료 및 환경 불확실성을 동시에 고려하면 선급 규격에 비하여 정확하게 정의할 수는 없지만 1.8배의 몇배 이상으로 두껍게 설계되어져 있다는 것을 알 수 있다. 향후 과제에서 폴리에틸렌 보트 선체 두께가 강선에 비하여 몇배 정도 더 두꺼워 져야지만 레저 보트로서의 충분한 내구성을 가지는 지를 평가할 계획이다.
16은 보트에 부하되는 압력 유형에 따른 최대응력 및 총변형을 각 선체 hull 두께에 따라 각각 나타낸 것이다. 설계 응력은 폴리에틸렌 항복응력의 27%인 7.3MPa로 설정한 결과 폴리에틸렌 보트 선체의 설계유용영역은 hull 두께가 10.6mm 이상인 영역에 존재하고 있음을 알 수 있다. 따라서 폴리에틸렌 판의 제조 규격 선체 hull의 최적 두께로서 11mm로 설정하여야 하나 선측 압력의 경우 선체 두께에 따른 최대응력선도에서 특이점이 발생된다.
선체 갑판은 선박의 항해 범위에 따라 다른 압력을 받으며 항해 비율이 증가할수록 압력은 크게 증가된다. 즉, 본 연구에서 고려하는 보트의 경우 항해범위가 보호수역으로 고정되어 있으므로 설계 분류가 D급이며 이러한 보트의 갑판 압력은 원양까지 나갈 수 있는 설계 분류 A급 보트 갑판 압력의 50%정도의 압력만 받는 것으로 고려된다. Fig.
한편, 소형강선이 선체 전장이 24m이하인 것 및 설계항해범주가 연근해(유의파고:4m이하)인 것에 비하여 본 연구에서 제안하는 폴리에틸렌 보트는 선체 전장이 대략 6m이고 설계항해범주가 보호수역(유의파고:0.3m이하)으로 전자가 후자에 비하여 사용조건이 훨신 더 열악하다. 따라서 폴리에틸렌 보트의 선체 환경 불확실성이 강선의 선체 환경 불확실성에 비하여 매우 낮다.

후속연구

8배의 몇배 이상으로 두껍게 설계되어져 있다는 것을 알 수 있다. 향후 과제에서 폴리에틸렌 보트 선체 두께가 강선에 비하여 몇배 정도 더 두꺼워 져야지만 레저 보트로서의 충분한 내구성을 가지는 지를 평가할 계획이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	플레저 보트 제작에 사용되는 FRP 재료에 관한 규제가 강화되는 이유는?	플레저 보트나 요트 제작업체는 2010년 현재까지 선체 재료로 부피에 비해 강도가 큰 FRP를 이용하고 있으나 2000년대에 들어오면서 FRP 선체에 대한 환경오염 및 해양안전에 관한 법규 규제가 강화되고 있다. 즉, FRP는 재활용이 불가능하며 폐기시 자연에서 분해되는 데 100년 이상 걸리는 매우 반환경적 특성을 가지고 있다. 또한, FRP 선체는 불완전하게 적층되면 수분이 코어에 쉽게 흡수되어져 일본의 경우 FRP 선체 사용 수명을 15년으로 제한하고 있다.
	플레저 선박을 제작하는 주 재료는?	플레저 선박은 주로 FRP(Fiber reinforced plastic)를 주재료로 제작되고 있으며 그 종류로는 세일링 보트(Sailing boat), 레저용 요트(Leisure yacht) 그리고 낚시 보트(Fishing boat)등이 있다. 플레저 보트나 요트 제작업체는 2010년 현재까지 선체 재료로 부피에 비해 강도가 큰 FRP를 이용하고 있으나 2000년대에 들어오면서 FRP 선체에 대한 환경오염 및 해양안전에 관한 법규 규제가 강화되고 있다.
	플레저 선박의 종류는?	플레저 선박은 주로 FRP(Fiber reinforced plastic)를 주재료로 제작되고 있으며 그 종류로는 세일링 보트(Sailing boat), 레저용 요트(Leisure yacht) 그리고 낚시 보트(Fishing boat)등이 있다. 플레저 보트나 요트 제작업체는 2010년 현재까지 선체 재료로 부피에 비해 강도가 큰 FRP를 이용하고 있으나 2000년대에 들어오면서 FRP 선체에 대한 환경오염 및 해양안전에 관한 법규 규제가 강화되고 있다.

참고문헌 (16)

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상세보기
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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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