[논문]관통구를 갖는 판구조물의 강도평가 방법에 관한 연구

김을년; 장준태

doi:10.3744/snak.2017.54.6.476

Abstract ▼ AI-Helper

The purpose of this paper is to verify the structural integrity of a region with numerous penetration-holes in offshore structures such as semi-submersible rig and FPSO. In order to effectively check the yielding and buckling strength of plate members with penetration-holes, a screening analysis pro...

The purpose of this paper is to verify the structural integrity of a region with numerous penetration-holes in offshore structures such as semi-submersible rig and FPSO. In order to effectively check the yielding and buckling strength of plate members with penetration-holes, a screening analysis program was developed with the FE analysis tool to generate fine meshed model using the theoretical and analysis methods. When a hole is appeared in the plate structure members, the flow of stress is altered such that concentrations of stress form near the hole. Stress concentrations are of concern during both preliminary and detail design and need to be addressed from the perspectives of strength. To configure the geometrical shape, very fine meshed FE analysis is needed as the most accurate method. However, this method is practically impossible to apply for the strength verifications for all perforated plates. In this paper, screening analysis method was introduced to reduce analysis tasks prior to detailed FE analysis. This method is applied to not only the peak stress calculation combined stress concentration factor with nominal stress but also nominal equivalent stress calculation considering cutout effects. The areas investigated by very fine meshed analysis were to be chosen through screening analysis without any reinforcements for penetration-holes. If screening analysis results did not satisfy the acceptance criteria, direct FE analysis method as the 2nd step approach were applied with one of the coarse meshed model considering hole or with the very fine meshed model considering the hole shape and size. In order to effectively perform the local fine meshed analysis, automatic model generating program was developed based on the MSC/PATRAN which is pre-post FE analysis program. Buckling strength was also evaluated by Common Structure Rule (CSR) adopted by IACS as the stress obtained from very fine meshed FE analysis. Due to development of the screening analysis program and automatic FE modeling program, it was able to reduce the design periods and structural analysis costs.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문은 수많은 관통구를 갖는 조선/해양 구조물의 항복강도와 좌굴강도를 신속하게 처리하기 위하여 개발한 선별검사 해석과 미세격자 모델 국부해석을 위한 자동화 시스템 구축에 관한 것이다.

제안 방법

본 논문은 수많은 관통구를 갖는 선박 및 해양 구조물의 국부 강도평가를 효율적으로 수행할 수 있는 절차와 프로그램 개발에 관한 것이다. 신속한 강도평가 업무를 수행하기 위하여 선별검사 해석 프로그램을 개발하였으며 관통구를 고려한 미세격자 모델 국부해석(fine meshed local analysis)을 손쉽게 수행할 수 있도록 유한요소 구조해석 범용 프로그램인 MSC/PATRAN (2013)에 해석 자동화 시스템도 구축하였다.

대상 데이터

본 논문에서는 주변이 보강되지 않은 구멍과 보강한 구멍을 통칭하여 관통구(penetration-hole)로 칭한다. 이들 중 직경이 50 mm 이하인 관통구는 IACS (2015)에 따라 유한요소 구조해석 모델에 반영하지 않고 해석을 수행하여도 되고 대형 관통구는 초기설계 단계부터 전체모델 해석에 반영되어 있어 본 논문에서는 직경이 50~1500 mm인 중소형 관통구를 대상으로 선별검사 해석을 수행하였다.

데이터처리

관통구에 대한 강도평가 자동화 시스템은 MSC/PATRAN 환경에 구동하도록 구축하였다. 즉, PATRAN 화면의 명령어(command) 창에 옵션(option)으로 부착하여 필요 시 사용하도록 하였다.

이론/모형

(2010)이 제시한 식을 수행할 수 있다. 본 논문에서는 IACS에서 제시하는 유조선과 살물선에 적용하는 선박 공통 규칙인 IACS (2015)을 사용하였다.
본 논문에서는 허용응력 기준을 선박과 해양 구조물 설계에 많이 활용하는 IACS의 선박 공통 규칙 (IACS, 2015)과 노르웨이선급의 해양 구조물 규정 (DNV, 2012a)으로 선정하였다. 통상해양 구조물을 설계하기 위하여 입급한 선급의 규정과 발주처의 시방서 그리고 합리적인 산업 표준을 기준으로 협의하여 선정하는 것이 바람직하다.

성능/효과

관통구에 대한 강도평가 프로그램과 절차서는 발주처/선급의 사전 승인을 받아 반잠수식 시추선과 FPSO 공사에 적용하여 설계 공기를 4~8개월 단축할 수 있었으며 해당 구조강도 해석 수행 비용도 수억 원을 절감하였다.

후속연구

향후 연구로는 많은 관통구가 서로 인접하여 배치된 영역에서 선각 거어더의 강도 저하와 응력집중 현상을 규명하여 적합한 관통구 배치와 보강 안에 대하여 연구를 수행하고 실용적으로 사용할 수 있는 설계 지침서를 작성하는 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	해양 구조물은 어떤 기준으로 설계되고 있는가?	Floating Production Storage and Offloading unit(FPSO), 반잠수식 시추선(semi-submergible rig) 등 해양 구조물의 경우, 유지 보수를 위하여 주기적으로 재입거(re-docking)하지 않고 극심한 해상 상태에서도 피항하지 않는 조건으로 설계하기에 설계 하중을 선박(20~25년)보다 긴 100년 주기의 바람과 파도 환경조건에 견디도록 설계하고 있다. 이에 따라 보다 안전한 해양 구조물을 건조하기 위하여 구조 부재의 안전성에 대한 발주처의 시방서요구 사항이 강화되고 있는 추세이다.
	판 구조물에서 급격한 형상 변화가 일어나는 관통구가 야기하는 문제는 무엇인가?	판 구조물에서 급격한 형상 변화가 일어나는 관통구가 출현하면 외력에 저항하는 내력의 흐름이 불균일 하게 되어 응력집중 현상이 나타난다. 이를 우려한 발주처에서는 수많은 관통구 주변에 대하여 과도한 구조 보강을 하거나 미세격자 모델을 사용하여유한요소 해석을 수행하고 구조 안전성 검토를 요청하고 있다.
	구조강도 해석에 많은 시간이 소요되는 이유는 무엇인가?	이에 대응하기 위하여 각 조선소에서는 설계 표준 또는 해당 선급규정으로 계산을 시도하고 있으나 국부 응력집중을 고려한 정확한 계산에 많은 어려움 있어 관통구 형상을 고려한 유한요소해석을 수행하고 있는 것이 현실이다. 따라서 구조강도 해석에 많은 시간이 소요되어 공기지연이 발생하고 있다.

참고문헌 (7)

Det Norske Veritas (DNV), 2012a. Structural design of offshore. DNV-OS-C102, Norway Oslo: DNV
Det Norske Veritas (DNV), 2012b. Fatigue design of offshore steel structures. DNV-RP-C203, Norway Oslo: DNV
International Association of Classification Societies (IACS), 2015. Common structural rules for bulk carriers and oil tankers. [Online] (Update January 2015) Available at : http://www.iacs.org.uk/ [Accessed May 2016].
Kim, U. N. Choe, I. H. Kwon, J. C. & Paik, J. K., 2010. A study on the buckling strength of plate panels with opening. Journal of the Society of Naval Architects of Korea, 47(2), pp.210-224.

원문보기 상세보기
MSC/NASTRAN, 2005. Quick reference guide. Tokyo, Japan: MSC Software Simulating Reality.
MSC/PATRAN, 2013. User's guides, Santa Ana, CA, USA: Macneal-Schwendler Corporation(MSC).
Okumoto, Y. Takeda, Y. Mano, M. & Okada, T., 2009. Design of ship hull structures, a practical guide for engineers. Springer: Verlag Berlin Heidelberg.

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