쌍동선의 경우 선미의 형상적인 특이성으로 인하여, 두 개의 선체를 연결하는 부위는 선박의 항해 시 발생되는 피칭운동에 의한 손상이 자주 발생하고 있으며, 이로 인하여 주변부에 대한 구조보강 설계가 필요하다. 이러한 국부 보강에 대한 구조설계 지침이 명확하지 않기 때문에, 엔지니어는 판 두께, 보강재 변경 및 프레임 간격을 줄이는 방법으로 대응을 하고 있다. 그러나 이러한 부위는 선박의 길이방향으로 약 85 % 이상 위치하고 있기 때문에, 최소 구조부재를 국부 보강하여 중량 증가를 최소화하고, 이에 따른 건조비 증가 및 건현확보의 문제를 해결해야 한다. 따라서 본 연구에서는 KR(한국선급)의 고속경구조선 규칙을 바탕으로, 쌍동형 카페리 구조설계 절차를 분석하고 추가가 필요한 항목을 발굴하여 쌍동형 구조설계 프로그램을 개발하였다. 좌굴강도 평가 절차서 및 프로그램에 대한 신뢰성을 확보하기 위하여, 타 선급의 기준과 비교 검토를 수행하여 6 %내 차이가 발생함을 확인하였다.
쌍동선의 경우 선미의 형상적인 특이성으로 인하여, 두 개의 선체를 연결하는 부위는 선박의 항해 시 발생되는 피칭운동에 의한 손상이 자주 발생하고 있으며, 이로 인하여 주변부에 대한 구조보강 설계가 필요하다. 이러한 국부 보강에 대한 구조설계 지침이 명확하지 않기 때문에, 엔지니어는 판 두께, 보강재 변경 및 프레임 간격을 줄이는 방법으로 대응을 하고 있다. 그러나 이러한 부위는 선박의 길이방향으로 약 85 % 이상 위치하고 있기 때문에, 최소 구조부재를 국부 보강하여 중량 증가를 최소화하고, 이에 따른 건조비 증가 및 건현확보의 문제를 해결해야 한다. 따라서 본 연구에서는 KR(한국선급)의 고속경구조선 규칙을 바탕으로, 쌍동형 카페리 구조설계 절차를 분석하고 추가가 필요한 항목을 발굴하여 쌍동형 구조설계 프로그램을 개발하였다. 좌굴강도 평가 절차서 및 프로그램에 대한 신뢰성을 확보하기 위하여, 타 선급의 기준과 비교 검토를 수행하여 6 %내 차이가 발생함을 확인하였다.
Twin-hulls frequently incur structural damage at connecting members between the hull and deck induced by pitching motions during voyages. so, reasonable reinforcement is necessary around vulnerable spots such as corner knuckle, the chine bottom and inner hull. Since guidelines for structural design ...
Twin-hulls frequently incur structural damage at connecting members between the hull and deck induced by pitching motions during voyages. so, reasonable reinforcement is necessary around vulnerable spots such as corner knuckle, the chine bottom and inner hull. Since guidelines for structural design are not clear, engineers often respond by reinforcing plate thickness, changing stiffener sizes and reducing frame spacing, etc. These members constitute about 85 % of the longitudinal dimensions of the ship, so it is necessary to locally reinforce certain points to minimize weight stress, and also solve construction cost problems while securing the freeboard margin. Therefore, we developed a new program by analyzing the structural design procedures for the twin car-ferries based on Korean Register of Shipping (KR) High Speed Craft Rules, identifying items that need to be added. In order to ensure the reliability of buckling estimations for procedures and design programs, we conducted a comparative study with other standards and confirmed that differences were minimal.
Twin-hulls frequently incur structural damage at connecting members between the hull and deck induced by pitching motions during voyages. so, reasonable reinforcement is necessary around vulnerable spots such as corner knuckle, the chine bottom and inner hull. Since guidelines for structural design are not clear, engineers often respond by reinforcing plate thickness, changing stiffener sizes and reducing frame spacing, etc. These members constitute about 85 % of the longitudinal dimensions of the ship, so it is necessary to locally reinforce certain points to minimize weight stress, and also solve construction cost problems while securing the freeboard margin. Therefore, we developed a new program by analyzing the structural design procedures for the twin car-ferries based on Korean Register of Shipping (KR) High Speed Craft Rules, identifying items that need to be added. In order to ensure the reliability of buckling estimations for procedures and design programs, we conducted a comparative study with other standards and confirmed that differences were minimal.
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문제 정의
본 연구 논문에서는 쌍동형 카페리의 합리적이고 안전한 구조설계를 빠른 시간 내에 할 수 있도록, 기존 선급기준에 의한 구조설계를 수행하였으며, 판넬의 좌굴 및 용접강도 평가 모듈을 추가한 설계 프로그램을 개발하였다.
제안 방법
따라서 본 연구에서는 KR(한국선급)의 기준(2017a; 2017b)을 바탕으로, 쌍동형 카페리 구조설계 절차를 분석하고 추가로 필요한 항목을 발굴하여 프로그램을 개발하였다. KR (한국선급)의 규칙은 DNV-GL(노르웨이선급)의 구조기준을 바탕으로 제정되어 있으며, 절차서 및 프로그램에 대한 신뢰성을 확보하기 위하여, 타 선급의 기준과 비교 검토를 수행하였다.
개발된 프로그램은 KR(한국선급)의 “고속경구조선 규칙” 에 언급된 계산 절차를 근간으로 하여, 판넬의 좌굴강도 평가 및 모든 용접조인트에 대한 강도평가를 수행할 수 있도록 구조 설계 프로그램을 구성하였으며, Fig. 13와 같이 표현 할 수 있다.
그러나 선체 구조에 따라서 용접부에 작용하는 하중성분 및 크기는 아주 다양하게 존재하며, 이러한 영향을 무시한 채 일괄되게 적용하는 방법은 중량증가 및 입열량 과다로 인한 변형이 문제가 된다. 따라서 본 구조설계 프로그램에서는 DNV OS C201(2011) 기준을 도입하여 구조설계 단계에서 용접부 강도 평가 및 최소각장을 엔지니어가 결정할 수 있도록 개발하였다.
따라서 본 연구에서는 KR(한국선급)의 기준(2017a; 2017b)을 바탕으로, 쌍동형 카페리 구조설계 절차를 분석하고 추가로 필요한 항목을 발굴하여 프로그램을 개발하였다. KR (한국선급)의 규칙은 DNV-GL(노르웨이선급)의 구조기준을 바탕으로 제정되어 있으며, 절차서 및 프로그램에 대한 신뢰성을 확보하기 위하여, 타 선급의 기준과 비교 검토를 수행하였다.
본 연구에서 다루고 있는 쌍동형 카페리에 대한 구조강도 계산은 KR(한국선급)의 “고속경구조선 규칙” 기준을 바탕으로 사용자 편의 설계프로그램을 구성하여, 스텝별로 결과 값을 도출하도록 하였다. 구조설계 시에 상세 검토가 필요한 항목이지만, 평가 기준이 미흡한 좌굴강도 검토 및 용접 강도에 대해서 신규 개발하여 적용성을 검증하였다.
선급기준에서 상세 평가를 하고 있지 않는 유효 판넬에 대한 좌굴 검토를 효율적으로 수행하기 위해서, 본 연구에서는 노르웨이 선급 기준(DNV-RP-C201, 2010)을 이용하여 Fig. 7 같은 그래픽 인터페이스 창으로 구성된 모듈을 프로그램 내 추가하였다.
대상 데이터
따라서 본 연구에서 대상으로 하고 있는 쌍동형 카페리의 경우 경구조선에 해당된다.
데이터처리
초기 설계안 대해서 좌굴강도를 만족하지 않는 경우에 대한 재평가 후 만족이 되면, 좌굴강도에 대한 구조 안전성은 충분히 검증되었다라고 확신할 수 있다. 개발된 모듈의 신뢰성을 확인하기 위하여, 타 선급에서 채용하고 있는 좌굴평가 프로그램의 결과와 비교를 수행하였다. 비교를 수행한 유효 판넬 정보는 아래와 같으며, Fig.
10과 같이 간략화 하였다. 계산모델의 경계부 주변으로는 다양한 하중성분(종/횡방 향 압축하중, 면내전단하중)이 존재하지만, 종방향 압축성분이 대부분을 차지하고 있으므로, 단일 압축하중 조건에 대해서 이상화하여, 타 기준과의 결과와 비교를 수행하였다.
6과 같은 단면계수 계산을 위한 단면정의가 필요하다. 본 개발 프로그램에는 이 기능까지 완성하지 못하여, 기존 상용프로그램인 Nauticus Hull(DNV-GL software, 2015)을 이용하여 단면계수 값을 산정하였다. 향후, 이 기능까지도 손쉽게 사용자가 정의하고 결과를 예측할 수 있도록 업데이트 할 예정이다.
이론/모형
이 과정은 수 계산을 통해서도 가능하지만 위치별로 부재의 두께, 보강재 치수, 하중 성분비가 다르기 때문에 결과의 정확도는 떨어진다. 이를 보완하기 위하여 본 연구에서는 KR(한국선급)에서 개발한 “Sea Trust Hull Scan V.1.1”(KR software, 2015)을 이용하여, 별도의 좌굴강도 평가 및 응력 성분을 추출하였다. 이 프로그램은 카페리 전용선박 기준 (KR, 2017b)에 제시된 하중 및 평가 기준에 따른다.
성능/효과
(3) 유효 판넬의 좌굴강도 평가 모듈을 추가 개발하였으며, 타 선급과의 검증을 통하여 유효성을 입증하였다. DNV PULS의 결과가 보수적인 이유는 좌굴강도 계산 시 초기 처짐의 영향을 고려하기 때문이다.
(5) 개발 프로그램을 이용하여, 초기 추정한 구조 설계안을 비교하여, 종강도를 구성하는 판부재의 두께를 감소하는 것으로 결정할 수 있었으며, 횡방향 벌크헤드 두께는 증가시켰다.
본 연구의 결과물은 조선공학적 검증을 통한 기본 자료로 활용할 수 있으며, 쌍동형 여객 및 차도선의 구조최적화를 통해 경량화 및 안전성 평가 기술을 확보할 수 있다. 중, 저속형 쌍동형 여객 및 차도선 개발을 통해 기존 단동형 여객 및 차도선 대비 복원성능을 향상시키고 중, 저속형 선체에 대한 최적 구조설계를 통해 쌍동형 여객 및 차도선의 경량화, 안전성을 확보하는 것이 가능할 것으로 예상된다.
주로 판 두께는 추정치에 비해서 작은 수치를 결정할 수 있었으며, 벌크헤드의 경우 추정치보다 보강을 해야 하는 결과를 도출하였다. 제안된 프로그램을 이용하여, 사용자는 빠른 시간 내에 안정된 해를 도출 할 수 있음을 확인 하였다.
후속연구
(6) 향후 연속부재단면을 자동으로 모델링 및 자동으로 구조강도 평가를 할 수 있는 모듈을 개발 할 예정이다.
개발 프로그램은 쌍동형 카페리 뿐만 아니라, 소형강구 조선에 해당되는 모든 선박에 적용 가능하도록 구성되어 있어서, 관련 분야에 종사하는 구조설계 엔지니어에게 빠른 솔루션을 제공해줄 것으로 사료된다.
본 연구의 결과물은 조선공학적 검증을 통한 기본 자료로 활용할 수 있으며, 쌍동형 여객 및 차도선의 구조최적화를 통해 경량화 및 안전성 평가 기술을 확보할 수 있다. 중, 저속형 쌍동형 여객 및 차도선 개발을 통해 기존 단동형 여객 및 차도선 대비 복원성능을 향상시키고 중, 저속형 선체에 대한 최적 구조설계를 통해 쌍동형 여객 및 차도선의 경량화, 안전성을 확보하는 것이 가능할 것으로 예상된다.
본 개발 프로그램에는 이 기능까지 완성하지 못하여, 기존 상용프로그램인 Nauticus Hull(DNV-GL software, 2015)을 이용하여 단면계수 값을 산정하였다. 향후, 이 기능까지도 손쉽게 사용자가 정의하고 결과를 예측할 수 있도록 업데이트 할 예정이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
쌍동형 선형이란 무엇인가?
쌍동형 선형은 두 개의 선체를 가진 선박을 말하며, 물에 잠기는 선체를 서로 연결하는 갑판을 두고 이 위에 구조물을 설치한 선형을 말한다. 두 개의 선체는 일부 혹은 전부가 수면아래 잠수하거나(Swath), 수면 상에 부양하거나(Planing), 파도를 뚫으며(Wave-piercing) 항해한다.
쌍동선의 단점은?
, 2011). 쌍동선의 경우 선미의 형상적인 특이성으로 인하여, 두 개의 선체를 연결하는 부위에 선박의 항해 시 발생되는 종동요(Pitching) 운동으로 잦은 응력 집중이 발생되며, 구조 강도가 취약하다(Park et al., 2009).
쌍동선 주변부의 구조보강 설계 방법은 무엇인가?
쌍동선의 경우 선미의 형상적인 특이성으로 인하여, 두 개의 선체를 연결하는 부위는 선박의 항해 시 발생되는 피칭운동에 의한 손상이 자주 발생하고 있으며, 이로 인하여 주변부에 대한 구조보강 설계가 필요하다. 이러한 국부 보강에 대한 구조설계 지침이 명확하지 않기 때문에, 엔지니어는 판 두께, 보강재 변경 및 프레임 간격을 줄이는 방법으로 대응을 하고 있다. 그러나 이러한 부위는 선박의 길이방향으로 약 85 % 이상 위치하고 있기 때문에, 최소 구조부재를 국부 보강하여 중량 증가를 최소화하고, 이에 따른 건조비 증가 및 건현확보의 문제를 해결해야 한다.
참고문헌 (11)
Kim, B. J., S. Y. Kwon, S. C. Kim and J. H. Lee(2011), Comparison study and structure analysis to investigate the design rule and criteria of catamaran, Journal of the Society of Naval Architectures of Korea. Vol. 48, No. 6, pp. 479-489.
Park, J. S., J. Y. Ko, K. W. Lee and W. J. Oh(2009), Structural analysis of an 38 feet diffusion style for high-speed catamaran yacht, Journal of Navigation and Port Research, Vol. 33, No. 3, pp. 167-174.
Park, J. S. and J. Y. Ko(2005), Estimation about Local Strength using FE-Analysis for Steel Yacht, Journal of the Korean Society of Marine Environment & Safety, Vol. 11, No. 2, pp. 77-82.
KR(2017a), Rules for the Classification of High Speed and Light Craft, Vol. 3, pp. 9-47.
DNV-GL software(2015), Rule strength analysis of hull structures, Section scantlings.
DNV OS C201(2011), Structural Design of Offshore Units (WSD Method) Sec 9 : Weld connections, pp. 53-59.
DNV RP C201(2010), Buckling Strength of Plated Structures, pp. 1-33.
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Ship Right-Lloyd's Register(2004), Structural design assessment, primary structures of tankers, Chapter 2 : Primary Structure of Tankers, Section 6 : Buckling acceptance criteria, pp. 40-42.
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