[논문]폴리에틸렌 보트의 구조강도 평가에 관한 연구

조석수; 곽원민; 함범식; 조영철

doi:10.5762/kais.2013.14.3.1045

폴리에틸렌 보트의 구조강도 평가에 관한 연구
A Study on Structural Strength Assessment of Polyethylene Boat 원문보기

한국산학기술학회논문지 = Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, v.14 no.3, 2013년, pp.1045 - 1053

조석수 (강원대학교 자동차공학과) , 곽원민 (강원대학교 대학원 자동차공학과) , 함범식 ((주) 누리텍 해양레저산업기술연구소) , 조영철 ((주) 누리텍 해양레저산업기술연구소)

초록
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플레저 보트나 요트는 FRP나 알루미늄으로 제작되고 있으나 FRP는 해양환경오염으로, 알루미늄은 낮은 가격 경쟁력으로 인하여 해당 제품의 시장 지배력이 약화되고 있다. 따라서 본 연구에서는 선체를 폴리에틸렌으로 제작하여 일본소형선박검사사무규정세칙에서 제안하고 있는 소형선체에 대한 구조 안전성 평가 방법을 통하여 폴리에틸렌 선체의 구조 안전성을 확인한 결과, 폴리에틸렌 보트가 FRP 보트보다 매우 높은 구조 안전성을 보였다.

Abstract ▼ AI-Helper

Boat or yacht hull has been built mainly by FRP composite materials. FRP boat hull manufacturing begins to be restricted after the year 2000 under international regulation on ocean environment safety. The alternative of FRP has been proposed by many boat builders and high strength aluminium is considered as its standard material. But high strength aluminium is very expensive as boat hull material. In this study, boat hull is considered to be built by high density polyethylene and its structural strength is estimated by longitudinal strength test method on small craft. Tensile strength of polyethylene boat hull material is higher than that of FRP boat hull material. But safety factor of polyethylene boat hull is more than that of FRP boat hull. These study results indicate structural integrity and quality control of polyethylene boat is better than those of FRP boat.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 고밀도폴리에틸렌을 이용하여 보트를 설계 및 제작하기 위하여 실적선을 기초로 선체의 선형을 완성한 뒤 ISO 12215-5[10]의 소형 선체에 대한 구조 설계기준을 적용하여 선체 치수를 결정하였다. 그리고 회전성형방법을 이용하여 폴리에틸렌 보트를 제작하였으며 이미 15년간 실제 근해에서 사용되고 있다.
본 연구에서는 일본소형선박검사사무규정세칙에서 제안하고 있는 소형선체에 대한 종강도굽힘시험을 이용하여 15년 이상 근해에서 사용되고 있는 폴리에틸렌 보트 선체의 안전성 평가에 이용될 수 있음을 보이고자 한다.

제안 방법

3과 같으며 주요 제원과 하중 조건은 Table 2와 같다. Table 3은 기존의 FRP 선체와 폴리에틸렌 선체에 대한 구조 강도를 비교 평가하기 위하여 FRP 선체에 대한 주요제원과 하중조건을 나타낸 것으로 권등[11]이 수행한 FRP 선체에 대한 종강도굽힘시험결과를 이용하였다.
계측방법은 선체 지점간에 지지대를 받치고 하중을 걸기 전에 무하중 시의 다이얼 게이지 값을 측정한 후, 하중이 지점간사이에 등분포하중이므로 적재된 상태에서 5분 후와 하중을 제거한 상태에서 3분 후에 계측한다. 변위는 선체에 하중을 가하기 전인 무하중시 계측한 다이얼 게이지 값과 선체에 균등한 하중을 걸고 5분 후에 계측한 다이얼 게이지 값에서 두 값의 변위 차이를 구하고, 이 값을 Table 4의 식에 의거하여 용골과 폭 및 깊이 변 위로 계산한 값이 선체 각 위치에서의 실측값의 수정값이며, 이 수정값이 선체구조강도의 최종 합격 판정에 사용되는 값이 된다.
본 연구에서는 종강도굽힘시험을 이용하여 15년 이상 근해에서 사용되고 있는 폴리에틸렌 보트 선체에 대한 시험 결과를 도출하고 이것을 토대로 폴리에틸렌 선체에 대한 안전성을 평가한 뒤 기존의 FRP 선체에 대한 구조 강도시험과 비교한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.
12에서 등분포하중에 의한 종강도굽힘시험결과를 분석하였다. 본 절에서는 폴리에틸렌과 FRP 선체에 대한 안전성을 정량적으로 평가하기 위하여 다음 식 (3)의 부분 안전계수 S_Partial 를 도입하였다 [12,13].

대상 데이터

Fig 1은 대형 용기 및 연료탱크로 사용되는 고밀도폴 리에틸렌 (Daelimpoly 4670UV)을 인장시험하기 위한 인장시험편을 나타낸 것으로 KS M 3022[9]에 규정된 형상과 치수를 이용하여 제작하였다. Fig 2는 인장시험 후 파단된 인장시험편의 사진이다.

이론/모형

시험선 재료가 폴리에틸렌이기 때문에 판두께 계측시험 방법으로는 폴리에틸렌 선체에 대한 구조강도를 평가할 수 없다. 따라서 본 연구에서는 폴리에틸렌 보트에 대한 구조강도평가방법으로 등분포하중시험만 사용하기로 한다.
폴리에텔렌 보트의 구조강도시험은 일본소형선박검사사무규정세칙의 FRP선 강도시험방법을 기초로 수행한다. 구조강도시험은 크게 등분포하중시험과 로드셀에 의한 하중시험 및 판두께계측시험방법으로 나눌 수 있다.

성능/효과

1. 폴리에틸렌 선체의 수정 용골과 폭 및 깊이 변위는 용골과 폭 및 깊이의 허용 변위 아래에 있어 폴리에틸렌 선체가 수직 하방 하중에 대하여 용골과 폭 및 깊이 방향에 대한 충분한 구조강도를 가지고 있다.
2. 폴리에틸렌 선체의 경우 폭 방향 변위가 가장 크게 발생되며 용골과 깊이 방향 변위는 매우 적게 나타나고 있어 폴리에틸렌 선체가 수직 하중에 대한 변위를 잘 제어하고 있다.
3. FRP 선체의 경우 폴리에틸렌 선체와는 다르게 깊이 방향 변위가 용골 및 폭 방향 변위에 비하여 상대적으로 크게 발생되고 있으며 일부 선체의 깊이 변위는 일본소형선박검사사무규정세칙에서 제시하는 깊이 허용 범위를 벗어나고 있다.
5. 폴리에틸렌 선체는 FRP 선체에 비하여 재료 강도는 낮지만 구조적 우수성과 품질관리의 용이성으로 인하여 훨씬 더 우수한 선체로 제작될 수 있다.
따라서 시험 폴리에틸렌 보트의 선체구조강도시험 지점 거리는 선체 전장이 5,400mm이므로 본 연구에서는 선체 전장의 61%를 취하였으며 그 값은 3,300mm이다.
11은 등분포하중에 의한 종강도굽힘시험 결과에서 나온 A, B, C, D, E, F, G 변위를 Table 4의 수정 변위 식에 대입하여 구한 용골과 폭 및 깊이 변위와 Table 5에서 구한 용골과 폭 및 깊이의 허용 변위를 동시에 나타낸 것이다. 모든 하중 범위에서 폴리에틸렌 선체의 용골과 폭 및 깊이 변위는 용골과 폭 및 깊이의 허용 변위 아래에 있어 폴리에틸렌 선체가 수직 하방 하중에 대하여 용골과 폭 및 깊이 방향에 대한 충분한 구조강도를 가지고 있음을 알 수 있다.
이러한 결과는 선체 종강도굽힘시험이 3점굽힘시험을 그대로 모사한 것이기 때문이다. 즉, 3점 굽힘시험에서는 변위가 중앙단면에서는 많이 생기고 측면 위치에서의 변위는 매우 적게 발생해야 하나 본 시험선의 경우 다이얼 게이지 D 위치가 닫힌 단면이 아닌 일부 열린 단면이기 때문에 다이얼 게이지 D 위치 변위는 다이얼게이지 B 위치 변위의 대략 40%에 도달할 정도 크게 나타나고 있다.
4배 더 크다. 즉, 폴리에틸렌 선체는 FRP 선체에 비하여 재료 강도는 낮지만 구조적 우수성과 품질관리의 용이성으로 인하여 훨씬 더 우수한 선체로 제작됨을 알 수 있다. 현재 시험 폴리에틸렌 보트 선체가 15년 이상 구조 안전성을 확보한 선체라는 사실과 Fig.
즉, 폴리에틸렌 선체는 FRP 선체에 비하여 재료 강도는 낮지만 구조적 우수성과 품질관리의 용이성으로 인하여 훨씬 더 우수한 선체로 제작됨을 알 수 있다. 현재 시험 폴리에틸렌 보트 선체가 15년 이상 구조 안전성을 확보한 선체라는 사실과 Fig. 13과 Table 6의 결과를 종합적으로 분석해 보면 폴리에틸렌 보트의 구조시험규격으로 FRP 선박구조강도시험규격을 사용해도 폴리에틸렌 보트의 구조 안전성을 판단하는 데 전혀 문제가 되지 않는다. 단지 폴리에틸렌 보트 선체에 대한 적합한 구조기준을 만들기 위해서는 Table 5의 허용변위에 대한 기준 값을 Fig.

후속연구

분포하중을 받는 폴리에틸렌 선체의 종강도굽힘시험에 의하면 폭 방향 변위가 가장 크게 발생되며 용골과 깊이 방향 변위는 매우 적게 나타나고 있어 폴리에틸렌 선체가 용골과 깊이 방향 변위를 잘 제어하고 있으나 폭 방향 변위는 일본소형선박검사사무규정세칙에는 만족되나 용골과 깊이 방향에 비하여 상대적으로 많은 변위를 발생시키고 있어 추후 폴리에틸렌 설계 및 제작에서는 이에 대한 약간의 구조적 보강이 필요할 것으로 생각된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	FRP의 단점은 무엇인가?	플레저 보트나 요트 제작업체는 2012년 현재까지 선체 재료로 부피에 비해 강도가 큰 FRP를 이용하고 있으나 2000년대에 들어오면서 FRP 선체에 대한 환경오염 및 해양안전에 관한 법적 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 15년 이하로 제한하고 있다. 따라서 세계 각국에서는 FRP 선체의 대체 재료로서 다양한 재료를 제안하고 있다.
	본 연구에서 폴리에틸렌 보트에 대한 구조강도평가방법으로 등분포하중시험만 사용하기로 한 이유는 무엇인가?	폴리에텔렌 보트의 구조강도시험은 일본소형선박검사 사무규정세칙의 FRP선 강도시험방법을 기초로 수행한다. 구조강도시험은 크게 등분포하중시험과 로드셀에 의한 하중시험 및 판두께계측시험방법으로 나눌 수 있다. 시험선 재료가 폴리에틸렌이기 때문에 판두께 계측시험 방법으로는 폴리에틸렌 선체에 대한 구조강도를 평가할 수 없다. 따라서 본 연구에서는 폴리에틸렌 보트에 대한 구조강도평가방법으로 등분포하중시험만 사용하기로 한다.
	일본소형선박검사사무규정세칙에서는 플레저 보트의 선체 강도를 어떻게 평가하고 있는가?	일본소형선박검사사무규정세칙[7]에서는 플레저 보트의 선체 강도를 외판두께측정에 의한 선체구조강도시험, 등분포하중에 의한 종강도굽힘시험, 로드셀에 의한 종강 도굽힘시험, 낙하시험등과 같은 다양한 방법으로 평가하고 있다. 국내의 경우 섬유강화플라스틱 선체의 구조기준[8]에서 선체 외판 두께 측정에 의한 선체구조강도시험과 낙하시험에 의한 구조강도시험을 제안하고 있다.

참고문헌 (13)

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상세보기
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원문보기 상세보기
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