탄소섬유강화복합재료(CFRP) 레저선박 선체설계를 위한 ISO 12215와 국제선급규정 비교분석 Comparative Study of Rules of ISO 12215 and International Classification Society for Structural Design of CFRP Cruise Boat원문보기
Recently, CFRP composites have often been used as the materials for lightweight pleasure yacht hulls. Because CFRP composites not only make the hull light but also have good physical characteristics, in the leading countries of the marine industries, CFRP yachts are being sold at a higher price. The...
Recently, CFRP composites have often been used as the materials for lightweight pleasure yacht hulls. Because CFRP composites not only make the hull light but also have good physical characteristics, in the leading countries of the marine industries, CFRP yachts are being sold at a higher price. The design and construction of FRP composite yachts, including those made of CFRP, have to follow rules based on ISO 12215, such as the hull structure rules of the international classification societies. On the other hand, there are no rules related to CFRP composites in the Guidance for Recreational Crafts, which was newly revised by the Korean Register of Shipping. In this paper, ISO 12215-5 and Part B, RINA Pleasure Yacht (REGISTRO ITALIANO NAVALE) on the design pressure and scantling of CFRP hull structures are compared and analyzed. Through a comparative study and the application to a cruise yacht design, we try to understand how to design CFRP hull structures using the international standards, ISO 12215, and the rules of the international classification society, RINA.
Recently, CFRP composites have often been used as the materials for lightweight pleasure yacht hulls. Because CFRP composites not only make the hull light but also have good physical characteristics, in the leading countries of the marine industries, CFRP yachts are being sold at a higher price. The design and construction of FRP composite yachts, including those made of CFRP, have to follow rules based on ISO 12215, such as the hull structure rules of the international classification societies. On the other hand, there are no rules related to CFRP composites in the Guidance for Recreational Crafts, which was newly revised by the Korean Register of Shipping. In this paper, ISO 12215-5 and Part B, RINA Pleasure Yacht (REGISTRO ITALIANO NAVALE) on the design pressure and scantling of CFRP hull structures are compared and analyzed. Through a comparative study and the application to a cruise yacht design, we try to understand how to design CFRP hull structures using the international standards, ISO 12215, and the rules of the international classification society, RINA.
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문제 정의
본 연구에서는 CFRP 레저선박의 구조설계를 위한 국제규정을 비교 분석하고, 사례 연구를 통해 정의한 설계선의 구조에 대하여 각각의 규정을 적용, 비교분석함으로써 국제규정에 적합한 CFRP 레저선박의 구조설계 과정을 이해하고자 한다. 분석대상은 ISO 12215-5와 이탈리아선급의 레저선박 선체설계 규정(RINA, 2009)으로 하였으며, 각 규정의 선저부 충격압력과 판부재 두께 추정 규정을 중심으로 비교분석 하였다.
이에, 본 연구에서는 CFRP 레저선박의 구조설계를 위한 국제규정 분석 대상을 ISO 12215-5(ISO, 2008)와 이탈리아선급의 레저선박 선체설계 규정(RINA, 2009)으로 하여, 사례 설계선에 대한 선저부 충격압력 및 판부재 두께 추정 결과를 바탕으로 두가지 국제규정을 비교분석 하고자 한다. 국제선급 규정 중 이탈리아선급 규정을 대상으로 선택한 이유는 슈퍼요트를 포함하는 레저선박 인증의 40% 정도 점유율(RINA, 2011)을 보이고 있고, CFRP 소재 레저선박의 인증 사례를 보유하고 있기 때문에 국제선급규정 중 분석대상으로 선택하게 되었다.
가설 설정
두께 추정을 위한 적층판의 물성 정의는 ISO, RINA 규정에서 각각 제시하고 있는 추정식을 이용하였다. CFRP 적층판의 Gc(Content of reinforcement in laminate)는 RINA 규정에서 제시하고 있는 선체 제작 시 작업환경을 고려한 추천값을 참조하여 0.5로 가정하였고, 적층판 형태는 Woven roving으로, 선체는 Single-skin 라미네이트로 제작한다고 가정하였다.
제안 방법
12에 별도로 보이고 있다. 각각 설계면적 측정점에서 충격압력을 계산한 후 그에 따른 두께를 계산하여 큰 값을 선택하도록 하며, 이때 두께 추정결과가 각 규정의 최소요구사항보다 작은 경우는 최소요구사항 값을 선택하도록 한다.
6에서 보는 바와 같이, 킬의 위치변화(x/LWL)에 따른 측정판부재의 설계면적(Design area)에 따라 계산하였다. 다만, 보다 면밀한 분석을 위하여 킬라인에 따른 계산(Table 4-CASE I)과 킬라인과 인접한 동일 설계면적 판부재에 대한 계산(Table 4-CASE II) 두 가지의 경우를 고려하여 충격압력과 두께추정을 수행하였다.
본 연구에서는 CFRP 레저선박의 선체구조 설계를 위한 ISO표준과 RINA 규정을 비교분석하였다.
본 연구에서는 CFRP 레저선박의 구조설계를 위한 국제규정을 비교 분석하고, 사례 연구를 통해 정의한 설계선의 구조에 대하여 각각의 규정을 적용, 비교분석함으로써 국제규정에 적합한 CFRP 레저선박의 구조설계 과정을 이해하고자 한다. 분석대상은 ISO 12215-5와 이탈리아선급의 레저선박 선체설계 규정(RINA, 2009)으로 하였으며, 각 규정의 선저부 충격압력과 판부재 두께 추정 규정을 중심으로 비교분석 하였다.
선저부의 충격압력과 판부재 요구두께 측정점(Load point)은 Fig. 6에서 보는 바와 같이, 킬의 위치변화(x/LWL)에 따른 측정판부재의 설계면적(Design area)에 따라 계산하였다. 다만, 보다 면밀한 분석을 위하여 킬라인에 따른 계산(Table 4-CASE I)과 킬라인과 인접한 동일 설계면적 판부재에 대한 계산(Table 4-CASE II) 두 가지의 경우를 고려하여 충격압력과 두께추정을 수행하였다.
대상 데이터
이에, 본 연구에서는 CFRP 레저선박의 구조설계를 위한 국제규정 분석 대상을 ISO 12215-5(ISO, 2008)와 이탈리아선급의 레저선박 선체설계 규정(RINA, 2009)으로 하여, 사례 설계선에 대한 선저부 충격압력 및 판부재 두께 추정 결과를 바탕으로 두가지 국제규정을 비교분석 하고자 한다. 국제선급 규정 중 이탈리아선급 규정을 대상으로 선택한 이유는 슈퍼요트를 포함하는 레저선박 인증의 40% 정도 점유율(RINA, 2011)을 보이고 있고, CFRP 소재 레저선박의 인증 사례를 보유하고 있기 때문에 국제선급규정 중 분석대상으로 선택하게 되었다.
선체구조의 경우 선저부, 선측부, 데크, 상부구조물 등 구조부재의 종류에 따라 별도의 규정을 두고 있다. 본 연구에서는 두 규정의 선저부 충격압력과 판부재에 대한 요구두께 추정 규정을 비교분석 대상으로 정의하였다.
설계선의 규모는 CFRP 레저선박 중 가장 많이 건조되고 있는 40~50 피트 급 크루즈 보트로 선정하였으며, 실적선을 참조하여 선형을 정의하였고 ISO와 RINA 규정에 적합한 구획 및 구조설계를 하였다. 사례연구 수행을 위한 설계선의 ISO 기준주요 제원은 Table 3과 같다.
이론/모형
두께 추정을 위한 적층판의 물성 정의는 ISO, RINA 규정에서 각각 제시하고 있는 추정식을 이용하였다. CFRP 적층판의 Gc(Content of reinforcement in laminate)는 RINA 규정에서 제시하고 있는 선체 제작 시 작업환경을 고려한 추천값을 참조하여 0.
성능/효과
CFRP 사례 설계선의 선체구조 설계를 통해 위와 같은 비교분석 결과의 경향을 다시 확인할 수 있었으며, 또한 국제규정을 적용한 CFRP 소재 레저선박의 선체구조 설계 과정을 이해할 수 있었다.
물성은 항목에 따라 미소하게 차이가 있지만 RINA 규정에 의한 CFRP 적층판의 물성이 약 25%정도 작게 추정되는 결과를 보였으며, 이 중 두께 추정에 쓰이는 CFRP 적층판의 휨강도는 ISO와 RINA 규정에 의해 각각 ISO σuf=386(N/mm2), RINA Rmf=293(N/mm2)로 추정되었다.
요구두께 산출을 위한 물성 추정에 있어서는 두 규정 모두 섬유의 종류, 직조방식, 구조부재의 종류, 작업형태 등을 고려한 다양한 추정방식을 제공하고 있으며, CFRP에 대한 고려 또한 유리섬유와 함께 잘 정의되어 있었다. 물성정의 결과는 탄성계수와 강도에 있어서 ISO 12215-5의 추정결과가 다소 높게 산출되는 경향을 보였다. 이에 따라 요구두께 추정의 경우 전반적으로 RINA Part B의 추정결과가 ISO 12215-5보다 크게 요구되는 경향이 있으며, 구조부재별 최소 요구두께의 경우도 RINA Part B가 다소 크게 요구되는 경향이 있었다.
후속연구
유럽공동체 EU 및 해양레저산업 선진국에 레저선박의 제작 및 수출을 위해서는 이와 같은 국제규정에 적합한 설계 및 인증은 필수이다. 이에, 국제규정을 기반으로 한 레저선박 설계기술의 저변확대 및 경쟁력 강화를 위해 본 연구를 수행하였으며, 연구결과는 향후 CFRP 소재의 레저선박 개발에 유용한 자료로써 활용될 수 있을 것으로 기대한다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
탄소섬유강화복합재료는 무엇인가?
탄소섬유강화복합재료(CFRP, Carbon fiber reinforced plastics)는 경량선체 제작이 가능하며, 동시에 뛰어난 물성을 가지고 있어 고부가가치 레저선박의 경량선체 소재로서 널리 사용되고 있다. 실제로 유럽에서는 화려한 외관 디자인의 CFRP 크루즈 보트(Fig.
ISO 12215는 무엇을 정의하고 있는가?
해양레저산업 선진국들이 모여 있는 유럽공동체 등에 레저선박의 제작 및 수출을 위해서는 소형선박 ISO 표준에 따라 설계 및 건조해야 하며, 이에 기반을 둔 설계·건조 인증인 CE 마크를 획득해야 한다. ISO 12215는 소형선박의 선체구조와 치수설계에 대한 표준을 정의하고 있으며, 선체 소재 및 구조에 따른 충격압력, 치수설계 등 구조설계에 대한 정의는 ISO 12215-5에서 다루고 있고 CFRP에 대한 구조설계 또한 이 규정에 따른다. 프랑스선급, 이탈리아선급, 영국선급 등 레저선박의 인증을 주도 하는 국제선급에서도 이에 기반 한 규정들을 두고 있으며 CERCD(Recreational craft directive-94/24/EC) 인증과 관련된 입급업무도 수행하고 있다.
ISO12215-5와 RINA Part B의 공통점은 무엇인가?
충격압력 추정은 선체에 작용하는 설계압력의 추정과 이를 보정하기 위한 부분으로 구분 지어 정리할 수 있으며, ISO12215-5와 RINA Part B의 충격압력 추정식을 비교 정리하면 Table 1과 같다. 두 규정 모두 배수량과 LWL 그리고 선폭에 따른 기본압력을 산출하며, 설계면적(Design area)의 선체길이 방향 위치, 형상 및 설계조건에 따라 이를 보정하고 있다.
참고문헌 (7)
ISO (International Organization for Standardization), 2008. ISO 12215-5 : Small Craft-Hull Construction and Scantlings-Part 5: Design Pressures for Monohulls, Design Stresses, Scantlings Determination. ISO, Switzerland.
Kim, B.J., Kwon, S.Y., Kim, S.C., Lee, J.H., 2011. Comparison Study and Structural Analysis to Investigate the Design Rule and Criteria of Catamaran. Journal of the Society of Naval Architects of Korea, 48(6), 479-489.
KR (Korean Register of Shipping). 2011. Guidance for Recreational Crafts. Korean Register, Korea.
Lee, C.J., Lee, H.J., 2010. A Study on the Comparison of Domestic Pleasure Boat Inspection Guideline with International Standards(ISO). Journal of Korea Ship Safety Technology Authority, 28, 64-77.
Lee, J., 2011. On the Design Impact Pressure in the Rules and Regulations of ISO and Classification Societies. Journal of Korea Ship Safety Technology Authority, 31, 60-70.
RINA (Registro Italiano Navale), 2009. Rules for the Classification of Pleasure Yacht Part B Hull and Stability. Imago Media, Italy.
RINA (Registro Italiano Navale), 2011. RINA for Yacht. RINA, Italy.
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