일반적으로 CFRP 레저선박의 상부구조물은 동급전장 타 선박보다 매우 작은 경향을 보이고 있는데, 이는 풍압면적에 의한 횡요저항력과 밀접한 관련이 있는 것으로 알려져 있다. 본 연구에서는 CFRP 레저선박의 이러한 상부구조물 형상 특성을 풍압면적 변화에 따른 복원안정성 분석을 통해 파악하고자 한다. GFRP 레저선박과 CFRP 레저선박의 선체 및 상부구조물 형상 특성을 상호 비교하고, CFRP 레저선박의 상부구조물 형상변화를 통해 그 변화가 복원안정성에 미치는 영향에 대해 분석하였다. 이를 위해 GFRP, CFRP 레저선박 총 10척의 형상을 비교, 분석하여 선체와 상부구조물 간의 형상 추세를 파악하였고, ISO 12217에 따른 횡요저항력 추정 및 복원안정성 평가 프로그램 개발을 통해 상부구조물의 형상 변화와 복원안정성 간의 관계를 분석하였다. 연구결과, CFRP 레저선박의 풍압면적 분포경향은 GFRP 레저선박과 비슷하였으나, 상대적으로 상부구조물 형상 비율은 절반정도 크기에 그치는 경향을 보였다. 또한 CFRP 레저선박의 상부구조물 크기를 동급전장의 GFRP 선박 상부구조물 면적 비율 이상(10%) 증가시키는 경우 횡요저항력에 의한 복원성능에 문제가 발생하는 것을 확인할 수 있었다.
일반적으로 CFRP 레저선박의 상부구조물은 동급전장 타 선박보다 매우 작은 경향을 보이고 있는데, 이는 풍압면적에 의한 횡요저항력과 밀접한 관련이 있는 것으로 알려져 있다. 본 연구에서는 CFRP 레저선박의 이러한 상부구조물 형상 특성을 풍압면적 변화에 따른 복원안정성 분석을 통해 파악하고자 한다. GFRP 레저선박과 CFRP 레저선박의 선체 및 상부구조물 형상 특성을 상호 비교하고, CFRP 레저선박의 상부구조물 형상변화를 통해 그 변화가 복원안정성에 미치는 영향에 대해 분석하였다. 이를 위해 GFRP, CFRP 레저선박 총 10척의 형상을 비교, 분석하여 선체와 상부구조물 간의 형상 추세를 파악하였고, ISO 12217에 따른 횡요저항력 추정 및 복원안정성 평가 프로그램 개발을 통해 상부구조물의 형상 변화와 복원안정성 간의 관계를 분석하였다. 연구결과, CFRP 레저선박의 풍압면적 분포경향은 GFRP 레저선박과 비슷하였으나, 상대적으로 상부구조물 형상 비율은 절반정도 크기에 그치는 경향을 보였다. 또한 CFRP 레저선박의 상부구조물 크기를 동급전장의 GFRP 선박 상부구조물 면적 비율 이상(10%) 증가시키는 경우 횡요저항력에 의한 복원성능에 문제가 발생하는 것을 확인할 수 있었다.
This research aims to investigate the superstructure characteristics of the CFRP-yachts whose hulls are made of the light-weight material CFRP. CFRP-yachts, which belong to light-weight yachts, have a tendency of having very small superstructures compared to other vessels of the same length, and suc...
This research aims to investigate the superstructure characteristics of the CFRP-yachts whose hulls are made of the light-weight material CFRP. CFRP-yachts, which belong to light-weight yachts, have a tendency of having very small superstructures compared to other vessels of the same length, and such a tendency is closely related to stability. In this research, a comparison of shape characteristics was made between common composite-plastic yachts and CFRP-yachts to find out the shape characteristics of CFRP-yacht. In the meantime, a case study was conducted concerning shape changes in superstructure to understand the effect of such changes on stability. For this purpose the shapes of a total of 10 GFRP-yachts and CFRP-yachts were comparatively analyzed, and the result showed the tendency of their hulls and superstructures. Whereas the case study on stability assessment involved various superstructure shapes of CFRP yachts, for assessment by superstructure size. Stability assessment was according to ISO 12217 (Small craft Stability and buoyancy assessment and categorization). A program was also developed based on stability assessment process due to rolling in beam waves and wind, and it was applied to the case study. The result of the case study showed that the windage area distribution tendency of the yachts whose hulls were made of the light-weight material CFRP was similar to that of the GFRP-yachts, but that the superstructure shapes of the CFRP-yachts were about 50% smaller than those of the GFRP-yachts. In addition, the stability assessment involving various superstructure areas of the CFRP-yachts showed that problems with stability occurred when their superstructure sizes were similar to, or larger by about 10% than, those of the GFRP-yachts.
This research aims to investigate the superstructure characteristics of the CFRP-yachts whose hulls are made of the light-weight material CFRP. CFRP-yachts, which belong to light-weight yachts, have a tendency of having very small superstructures compared to other vessels of the same length, and such a tendency is closely related to stability. In this research, a comparison of shape characteristics was made between common composite-plastic yachts and CFRP-yachts to find out the shape characteristics of CFRP-yacht. In the meantime, a case study was conducted concerning shape changes in superstructure to understand the effect of such changes on stability. For this purpose the shapes of a total of 10 GFRP-yachts and CFRP-yachts were comparatively analyzed, and the result showed the tendency of their hulls and superstructures. Whereas the case study on stability assessment involved various superstructure shapes of CFRP yachts, for assessment by superstructure size. Stability assessment was according to ISO 12217 (Small craft Stability and buoyancy assessment and categorization). A program was also developed based on stability assessment process due to rolling in beam waves and wind, and it was applied to the case study. The result of the case study showed that the windage area distribution tendency of the yachts whose hulls were made of the light-weight material CFRP was similar to that of the GFRP-yachts, but that the superstructure shapes of the CFRP-yachts were about 50% smaller than those of the GFRP-yachts. In addition, the stability assessment involving various superstructure areas of the CFRP-yachts showed that problems with stability occurred when their superstructure sizes were similar to, or larger by about 10% than, those of the GFRP-yachts.
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문제 정의
본 연구에서는 CFRP 크루저 실적선의 상부구조물 단면적에 변화를 주고 이에 따른 횡요저항력을 평가함으로써 상부구조물의 형상 특성을 분석하고자 한다. 또한 일반적으로 널리 사용되고 있는 복합재료 선체소재인 GFRP 소재 레저선박과의 형상 특성을 상호 비교함으로써 경량소재인 CFRP가 선체와 상부구조물 형상 결정에 미치는 영향을 파악하고자 한다.
본 연구에서는 CFRP 레저선박의 상부구조물 형상 변화가 복원안정성에 미치는 영향을 분석함으로써 CFRP 크루저의 상부구조물 형상특성을 파악하고자 한다. 이를 위해 40~60ft 급 CFRP 크루저 5척과 동급 전장 GFRP 크루저 5척의 실적선 형상분석을 실시하였으며, 이를 기반으로 하는 가상의 CFRP 선체 및 상부구조물의 형상조건 변화에 따른 복원안정성 평가결과를 비교분석하였다.
본 연구에서는 CFRP 레저선박의 상부구조물 형상특성을 파악하기 위하여 풍압면적의 변화에 따른 횡요저항력을 평가하였으며, 이를 통해 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
본 연구에서는 CFRP 크루저 실적선의 상부구조물 단면적에 변화를 주고 이에 따른 횡요저항력을 평가함으로써 상부구조물의 형상 특성을 분석하고자 한다. 또한 일반적으로 널리 사용되고 있는 복합재료 선체소재인 GFRP 소재 레저선박과의 형상 특성을 상호 비교함으로써 경량소재인 CFRP가 선체와 상부구조물 형상 결정에 미치는 영향을 파악하고자 한다.
상부구조물의 형상변화에 따라 횡요저항력을 고려한 복원성을 평가하고 이를 GFRP 크루저의 평가결과와 비교하고자 한다. ISO 12217에서는 해상상태에 따른 횡요저항력에 영향을 받는 선체의 형상 조건을 풍압면적 이라고 하며 그 정의와 평가 과정은 다음과 같다.
가설 설정
2. The definition of windage area affecting rolling resistance.
설계범주는 사례연구에 적용한 선박이 Ocean-going이 가능한 A 상태로 정의하였으며, 이때의 해상풍속 및 파도에 의한 횡요각(Roll angle)은 ISO 12217 규정에 따라 vW=28 m/s, ϕR=25+20/VD (VD : Displacement volume, m3)로 가정하였다. 해수 유입각(ϕD)은 현측형상에 따른 결과변화를 고려하여 최소값인 50˚로 가정하였다.
)로 가정하였다. 해수 유입각(ϕD)은 현측형상에 따른 결과변화를 고려하여 최소값인 50˚로 가정하였다. 풍압면적의 경우 규정에서는 선체 길이와 폭에 따른 최소값이 적용되도록 하고 있으나, 통상적으로 CFRP 크루저의 상부구조물이 매우 작기 때문에 규정에 의한 최소값이 아닌 실제 측정값 또는 종단면적 분포 추세(Fig.
제안 방법
8과 같다. 3.2절에서 도출한 종단면적 분포 추정식에 따라 상부구조물의 형상(A-Fig. 8)을 변화시킴으로써 이에 따른 횡요저항력에 의한 안정성을 평가하였다.
CFRP 크루저의 종단면적 비율 특성을 파악하기 위하여 동급 전장 GFRP 크루저의 종단면적과 비교분석하였다. 40~60ft 급 GFRP, CFRP 실적선 각 5척의 종단면적 분포를 분석하였으며, 인터넷에 공개된 대표적인 요트 메이커의 선박 주요제원과 일반배치도 등을 분석 대상으로 하였다.
CFRP 크루저의 종단면적 비율 특성을 파악하기 위하여 동급 전장 GFRP 크루저의 종단면적과 비교분석하였다. 40~60ft 급 GFRP, CFRP 실적선 각 5척의 종단면적 분포를 분석하였으며, 인터넷에 공개된 대표적인 요트 메이커의 선박 주요제원과 일반배치도 등을 분석 대상으로 하였다.
본 연구에서는 CFRP 레저선박의 상부구조물 형상 변화가 복원안정성에 미치는 영향을 분석함으로써 CFRP 크루저의 상부구조물 형상특성을 파악하고자 한다. 이를 위해 40~60ft 급 CFRP 크루저 5척과 동급 전장 GFRP 크루저 5척의 실적선 형상분석을 실시하였으며, 이를 기반으로 하는 가상의 CFRP 선체 및 상부구조물의 형상조건 변화에 따른 복원안정성 평가결과를 비교분석하였다. 이때 형상조건 변화에 따른 횡요저항력의 추정 및 복원안정성 평가는 소형선박의 복원성과 부력 평가 국제표준 규정인 ISO 12217(ISO, 2008)을 적용하였다.
해수 유입각(ϕD)은 현측형상에 따른 결과변화를 고려하여 최소값인 50˚로 가정하였다. 풍압면적의 경우 규정에서는 선체 길이와 폭에 따른 최소값이 적용되도록 하고 있으나, 통상적으로 CFRP 크루저의 상부구조물이 매우 작기 때문에 규정에 의한 최소값이 아닌 실제 측정값 또는 종단면적 분포 추세(Fig. 7)에 따른 추정치를 적용하였다.
)과 풍압면적 정보를 필요로 한다. 형상조건과 설계범주에 따른 풍속(vW) 및 유의 파고에 의한 횡요각(ϕR) 추정을 통해 예비 동적 복원에너지(Reserved dynamic stability energy : A2-A1)(Fig. 3)를 평가함으로써 횡요저항력에 의한 복원성을 판단하며, Fig. 3은 풍압면적과 바람에 의한 횡경사모멘트(MW) 그리고 이에 따른 횡요저항력을 고려한 복원성 평가 과정을 정리하여 보이고 있다.
횡요저항력에 의한 안정성 평가는 ISO 12217에 따라 평가 프로그램(Fig. 4)을 개발하였으며, 앞서 기술한 가정 사항을 적용하여 사례연구를 수행하였다.
이론/모형
이를 위해 40~60ft 급 CFRP 크루저 5척과 동급 전장 GFRP 크루저 5척의 실적선 형상분석을 실시하였으며, 이를 기반으로 하는 가상의 CFRP 선체 및 상부구조물의 형상조건 변화에 따른 복원안정성 평가결과를 비교분석하였다. 이때 형상조건 변화에 따른 횡요저항력의 추정 및 복원안정성 평가는 소형선박의 복원성과 부력 평가 국제표준 규정인 ISO 12217(ISO, 2008)을 적용하였다.
성능/효과
(1) CFRP 크루저의 상부구조물과 선체의 종단면적 비율은 약 15 % : 85 %로 분포되어 있으며, 동급 전장 GFRP 선박 대비 상부구조물 단면적은 선체면적 대비 약 절반 정도에 그친다.
(2) 풍압면적의 분포는 동급 전장 대비 두 소재 선박 모두 약 80%로 유사한 경향을 나타내고 있다.
(3) 하지만 풍압면적 분포가 유사한 경우라도 CFRP 크루저가 상대적으로 더 횡요저항에 안정하다고 판단할 수 있다. 이는 배수용적이 상대적으로 작아 횡요각이 조금 증가될 수는 있으나, 상부구조물 보다 선체의 풍압면적 분포가 크기 때문이다.
A+B는 풍압면적을 B+C는 선체 종단면적을 의미하며, A+B : C의 분포를 통해 풍압면적의 분포 특성을 파악할 수 있다. CFRP 크루저의 상부구조물 단면적은 GFRP 크루저의 선체단면적 대비 절반정도의 크기이며, 풍압면적은 GFRP 크루저와 비슷한 면적 비율 분포를 보이고 있음을 알 수 있다.
사례연구결과 종단면적 분포 추세에서 얻을 수 있었던 범위 내에서는 안정성에 문제가 없었다(CASE 1, 2). GFRP 크루저의 상부구조물 추정치에 해당되는 형상을 적용하였을 경우도 큰 문제가 없었으나(CASE 3, A=29.28 %), 이보다 상부구조물의 비율이 선체 대비 약 10 % 정도 더 증가된다면(CASE 4, A=40 %) 횡요저항력에 의해 복원성에 문제가 발생하는 것으로 알 수 있었다.
즉, 횡요저항에 영향을 주는 풍압면적 분포 비율은 두 종류 선박 모두 매우 유사하나, 상대적으로 CFRP 크루저의 상부구조물이 매우 작은 것을 확인할 수 있었다. 이는 경량선체 특성으로 인해 흘수가 낮은 반면 선체 깊이가 높아져 나타나는 현상으로 이해할 수 있다.
캐노피(Canopy), 데크 하우스 등 상부구조물을 갖고 있는 크루저 급 CFRP 선체 레저선박 10여종을 분석한 결과 동급 전장 GFRP(Glass Fiber Reinforced Plastics) 레저선박 보다 선체 중량이 30 % ~ 40 % 정도 경량화 된 것으로 확인할 수 있었다(Oh et al., 2013). 다만 선체의 경량화로 인해 선박의 무게중심이 높아져 상대적으로 상부구조물의 공간 확보에 제약이 있으며, 선체의 깊이는 선실 내 공간 확보를 위해 경량화 특성과 반대로 깊어지는 경향을 보이고 있다(Oh et al.
후속연구
(5) 동일 풍압면적 분포인 두 소재 선박의 경우 CFRP 크루저의 상부구조물 비율이 절반정도로 훨씬 작기 때문에 횡요저항 또한 작아질 것으로 예상할 수 있으나, 이는 풍압면적 중 상부구조물 면적과 바람에 의한 횡요저항과의 관계에 대한 추후 연구가 필요하다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
횡요저항은 무엇인가?
레저선박의 상부구조물 형상이 복원안정성에 미치는 영향은 무게중심의 상승도 있지만, 상부구조물의 종단면적 증가에 따른 횡요저항 증가도 큰 영향을 준다. 횡요저항은 풍속, 유의파고 등의 해상상태 조건에 따라 선박에 작용하는 횡방향 부가 저항력으로써 흘수 상부 선체의 종단면적이 이에 영향을 받는 중요한 설계 인자이다(Lee et al., 2013).
본 연구에서 CFRP 레저선박의 상부구조물 형상 변화가 복원안정성에 미치는 영향을 분석함으로써 CFRP 크루저의 상부구조물 형상특성을 파악하기 위해 무엇을 실시하였는가?
본 연구에서는 CFRP 레저선박의 상부구조물 형상 변화가 복원안정성에 미치는 영향을 분석함으로써 CFRP 크루저의 상부구조물 형상특성을 파악하고자 한다. 이를 위해 40~60ft 급 CFRP 크루저 5척과 동급 전장 GFRP 크루저 5척의 실적선 형상분석을 실시하였으며, 이를 기반으로 하는 가상의 CFRP 선체 및 상부구조물의 형상조건 변화에 따른 복원안정성 평가결과를 비교분석하였다. 이때 형상조건 변화에 따른 횡요저항력의 추정 및 복원안정성 평가는 소형선박의 복원성과 부력 평가 국제표준 규정인 ISO 12217(ISO, 2008)을 적용하였다.
탄소섬유강화 복합재료가 고부가가치 레저선박의 경량선체 소재로서 사용되는 이유는 무엇인가?
탄소섬유강화 복합재료(CFRP : Carbon Fiber Reinforced Plastics) 는 경량선체 제작이 가능하며, 동시에 뛰어난 물성을 가지고 있어 고부가가치 레저선박의 경량선체 소재로써 적용되고 있다(Oh et al., 2014).
참고문헌 (6)
Azimut Yachts(2014), Official Luxury Yacht Azimut 45, http://www.azimutyachts.com/azimut45.html.
ISO(2008), International Organization for Standardization, ISO 12217 Small craft Stability and buoyancy assessment and categorization.
Lee, C. W., D. J. Yum and D. K. Oh(2013), A Study on Design Variables for Automated Design Review according to ISO 12217 on Early Design Stage of Pleasure Yachts, Proceedings of KAOST, pp. 1895-1898.
Oh, D. K., C. W. Lee, W. C. Jeong and C. H. Ryu(2013), A Study on the Basic Design and its Characteristics of 50ft-class CFRP Cruise Boat, Journal of the Korean Society of Marine Environment & Safety, Vol. 19, No. 6, pp. 674-680.
Oh, D. K., D. K. Lee, G. M. Kang, C. H. Ryu and J. K. Noh(2014), Comparative Study on Rules of ISO 12215 and International Classification Society for Structural Design of CFRP Cruise Boat, Journal of Ocean Engineering and Technology, Vol. 28, No. 1, pp. 77-84.
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