[논문]낙하시험에 의한 폴리에틸렌 보트의 구조 안전성 평가

이성룡; 강경주; 조석수

doi:10.5762/kais.2017.18.5.531

낙하시험에 의한 폴리에틸렌 보트의 구조 안전성 평가
Evaluation of Structural Safety of Polyethylene Boats by Drop Test Method 원문보기

한국산학기술학회논문지 = Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, v.18 no.5, 2017년, pp.531 - 542

이성룡 (강원대학교 금속재료공학과) , 강경주 (강원대학교 기계설계공학과) , 조석수 (강원대학교 기계설계공학과)

초록
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강선이나 강화플라스틱선 등의 선박 재료는 선박안전법에 규정된 규격재료를 사용하는 경우로서 판두께 측정시험이나 종굽힘강도시험을 통하여 제작 선체의 구조 안전성을 쉽게 확인할 수 있다. 한편, 염가의 폴리에틸렌 등과 같은 비규격재료를 선체 전장이 짧은 플레저 보트의 선체로 사용하는 경우 역학적 특성을 파악하기 쉬워 선체 설계를 수행하기에 매우 유리하고, 대량 생산 시스템을 갖추는 경우 제작 비용이 낮아 해당 제품의 가격 경쟁력을 가질 수 있다. 그러나 폴리에틸렌 선체의 경우 비규격재료를 사용함에 따라 기존의 소형선체에 대한 종굽힘강도시험을 이용하여 선체의 구조 안전성을 평가할 수 없다. 이러한 문제점을 해결하기 위하여 본 연구에서는 플레저 보트의 낙하시험 표준절차인 플레저 보트 검사 기준과 ISO 12215-5를 기초로 폴리에틸렌 선체에 대한 낙하시험을 수행한 후 이것을 기초로 정적구조해석을 수행하여 비규격재료로 개발된 선체의 구조 안전성을 확인함으로서 플레저 보트 검사 기준과 ISO 12215-5의 낙하시험방법이 선체 구조설계에 이용될 수 있음을 보였다.

Abstract ▼ AI-Helper

The structural safety of small craft, such as steel ships and FRP ships, can be estimated using the measurement test of the hull plate thickness or the longitudinal bending strength test. A polyethylene boat is made using inexpensive HDPE and can be mass produced. The structural safety of a polyethylene boat cannot be guaranteed because a polyethylene boat hull is notspecified in the KR technical rules. The inspection procedure of sailing yachts and pleasure boats and drop test method of ISO standard 12215-5 propose the structural strength required for small crafts as the drop test height. Therefore, in this study, the drop test of a polyethylene boat hull was carried out based on the inspection procedure of a sailing yacht and pleasure boat and the drop test method of ISO standard 12215-5. The drop load was acquired by the drop acceleration ofa boat hull. Structural analysis and safety of a polyethylene boat were performed by the drop load and allowable stress criteria. The calculation results of the hull plate thickness by structural design specification of ISO standard 12215-5 showed that polyethylene boat hull was more than two times thicker than a steel ship hull and the boat hull determined by the inspection procedure of sailing yacht and pleasure boat and drop test method of ISO standard 12215-5 was more than 1.2 times thicker than the boat hull determined by structural design specification of ISO standard 12215-5. Therefore, inspection procedure of sailing yachts and pleasure boats and drop test method of ISO standard 12215-5 was much more conservative than the structural design specification of ISO standard 12215-5 and could be used as the structural design method of a polyethylene boat.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서 사용하는 선체재료인 고밀도폴리에틸렌의 경우 ISO 12215-5의 구조설계치수규격의 공식적인 선체재료는 아니므로 ISO 12215-5의 구조설계치수규격을 적용할 수 없다. 따라서 본 연구에서는 조[17]에 의하여 수행된 6m미만의 폴리에틸렌 보트에 대한 구조해석 결과와 ISO 12215-5의 구조설계치수규격[14]에서 제안하고 있는 선체설계응력개념을 결합하여 비규격선체재료인 고밀도 폴리에틸렌으로 제작된 선체의 두께를 결정하고자 한다. 즉, 고밀도폴리에틸렌 선체의 설계응력은 고밀도폴리에틸렌 재료의 최소 최종 인장강도의 60%인 16.
따라서 본 연구에서는 플레저 보트의 낙하시험 표준절차인 플레저 보트 검사 기준과 ISO 12215-5를 기초로 폴리에틸렌 선체에 대한 낙하시험을 수행한 후 이것을 기초로 낙하해석을 수행하여 비규격재료로 개발된 선체의 구조 안전성을 확인함으로서 플레저 보트 검사 기준과 ISO 12215-5의 낙하시험방법이 선체 구조설계에 이용될 수 있음을 보이고자 한다.
본 연구는 폴리에틸렌 보트선체에 대하여 낙하시험에 의한 폴리에틸렌 보트의 구조 안전성 평가를 수행한 것으로 다음과 같은 결론을 얻었다.
플레저 선박의 낙하시험 평가시스템은 모션 센서(Motion sensor)와 변형률 게이지 및 가속도 센서를 이용하여 자유 낙하 시 선체의 낙하자세와 수면접촉 시 선체에 걸리는 변형률 및 슬래밍 충격력을 측정한다. 본 연구에서는 제한된 장비로 인하여 낙하시험에 따른 가속도 측정 시험만 수행하기로 한다.
이러한 등가정하중을 정적구조해석에 적용하여 적절한 구속조건을 경험적으로 부여하여 구한 최대응력이 설계응력 아래에 있는지에 대한 검토를 통하여 해당 구조물의 안전성을 평가한다. 본 연구에서도 개발 보트 선체의 구조 신뢰성을 보수적으로 확보하기 위하여 상술의 구조설계규격에서 사용하는 방법과 동일하게 사용하기로 한다. 즉, 선체에 작용하는 충돌하중과 운동량을 계산하는 방법으로 다음 식 (4)와 식 (5)에 각각 그 방법을 나타내고 있다.

제안 방법

12미터 미만 강화플라스틱(FRP, Fiber Reinforced Plastic) 재질의 소형 플레저 보트의 경우 판 두께 측정에 의한 강도시험 또는 낙하시험의 적용이 가능하며, 강화 플라스틱 이외의 선체 재료를 사용하는 6미터 미만의 소형 플레저 보트는 낙하시험에 의한 강도기준을 적용하고 있다. 낙하시험 후 시험결과를 포함하여 시험일시, 시험장소, 탑재(예정) 기관의 중량, 최대승선인원 등이 기재된 시험 방안서를 제출한다. 낙하시험을 위한 높이 계산은 Fig.
낙하시험의 높이는 Fig. 2의 선도를 통하여 산정하며, 자유낙하(Falls free into the water) 및 파랑 중(Running in wave) 선체에 작용하는 충격하중과 충격하중에 의한 선체의 크랙, 보강재의 박리/파손(Debonding & Failure)등을 확인하여 선체의 구조강도 기준 합격여부를 판단한다.
즉, 이 규격은 제작된 선체가 선체로서의 구조 안전성을 판단하는데 사용되는 기준으로서 적정한 선체 두께를 결정하기 위해서는 다양한 두께의 선체에 대한 낙하시험이 필요하다. 따라서 본 연구에서는 대표적 두께의 개발 선체에 대한 낙하시험을 실시한 후 각 축 방향의 가속도를 측정한 뒤 이 값에 선체만재하중을 곱하여 각 방향에 따른 선체 낙하 하중을 구한다.
낙하 시험에 사용된 가속도 센서는 스트레인게이지 타입이며 DATA RATE는 50 KHz/ch이다. 또한 낙하시험 시 급격한 자유수면 형상변화의 관찰, 가속도, 변위, 선체와 수면과의 접촉각을 확인하기 위하여 Redlake社의 Area scan type 카메라로 초당 500회 이상의 영상을 촬영하였다.
4는 선체의 가속도 측정 위치를 나타낸 것으로 가속도 센서를 선체의 무게 중심에 설치하였다. 또한, 낙하시험은 고속카메라(50Hz)를 이용하여 낙하 시에 선체와 수면과의 충격에 대한 가시화를 위해서 보트의 선측에서 10m 정도 떨어진 거리에 설치하여 촬영하였다.
다음 식 (6)은 단일 선체 외판의 최소 두께 t를 구하는 식이다. 여기서 선체설계응력 _는 FRP를 기준으로 최소 최종 휨 강도의 50%로 설정하고 연강과 알루미늄을 기준으로 최소 최종 인장강도의 60%로 설정하였다. 따라서 각 재료의 인장강도로 ISO 12215-5의 첨부자료 C와 F[19]에서 추천하고 있는 선체재료들의 인장강도 평균값을 이용하면 FRP와 연강 및 알루미늄의 인장강도는 각각 206 MPa, 453MPa, 268MPa이다.
즉, 각 구조물에서 발생되는 응답가속도스펙트럼을 측정하고 이중에서 가장 큰 최대가속도를 각 구조물의 정적 질량에 곱하여 해당 구조물에 작용하는 층격하중인 등가정하중을 구한다. 이러한 등가정하중을 정적구조해석에 적용하여 적절한 구속조건을 경험적으로 부여하여 구한 최대응력이 설계응력 아래에 있는지에 대한 검토를 통하여 해당 구조물의 안전성을 평가한다. 본 연구에서도 개발 보트 선체의 구조 신뢰성을 보수적으로 확보하기 위하여 상술의 구조설계규격에서 사용하는 방법과 동일하게 사용하기로 한다.
인장시험편은 대림산업㈜에서 생산하는 두께 12㎜인 고밀도 폴리에틸렌 시트(Daelimpoly TR-418BL)에서 취하였으며 가공시 발생되는 잔류 변형을 최소화하기 위하여 워터젯 절단기 (HAMMER HEAD 510 : 3048×1549×150)를 사용하여 가공하였다.
즉, 보트 전장에서 발생되는 최대 소성 변형량을 측정하기 위하여 선체의 선미와 선수부 상부에 2개소, 폭 부분의 최대 소성 변형량을 측정하기 위하여 양현의 횡방향 2개소, 깊이의 최대 소성 변형량을 측정하기 위하여 블워크(Bulwark) 상부 1개소와 선저 최저 부분 1개소를 이용하였다. 즉, Fig.15에서 보트 전장 L은 a위치와 b 위치 사이의 거리, 보트 폭 B는 c위치와 d위치사이의 거리, 보트 깊이 D는 d위치와 e위치사이의 거리를 측정하여 구하였다. Table 7은 개발된 폴리에틸렌 보트의 낙하시험에서 구한 선체 치수의 소성 변형량을 구한 것이다.
따라서 해당 구조체 설계현장에서는 이러한 문제점을 해결하기 위하여 충격 하중에 대한 구조해석을 등가정하중을 이용한 정적구조 해석하는 것을 주로 이용하고 있다. 즉, 각 구조물에서 발생되는 응답가속도스펙트럼을 측정하고 이중에서 가장 큰 최대가속도를 각 구조물의 정적 질량에 곱하여 해당 구조물에 작용하는 층격하중인 등가정하중을 구한다. 이러한 등가정하중을 정적구조해석에 적용하여 적절한 구속조건을 경험적으로 부여하여 구한 최대응력이 설계응력 아래에 있는지에 대한 검토를 통하여 해당 구조물의 안전성을 평가한다.
낙하시험은 ISO 12215-5 및 국내 규정을 만족하는 플레저 선박 낙하시험 평가시스템을 구축한 중소조선연구원의 실내 실험실에서 수행하였다. 플레저 선박의 낙하시험 평가시스템은 모션 센서(Motion sensor)와 변형률 게이지 및 가속도 센서를 이용하여 자유 낙하 시 선체의 낙하자세와 수면접촉 시 선체에 걸리는 변형률 및 슬래밍 충격력을 측정한다. 본 연구에서는 제한된 장비로 인하여 낙하시험에 따른 가속도 측정 시험만 수행하기로 한다.

대상 데이터

경하중량이 차이가 나는 것은 선체 두께에 따른 선체 자중이 다르기 때문이다. 개발 선체 낙하시험은 선체 두께가 10mm인 것을 기준으로 수행하며 개발 선체의 만재하중은 1,338kg이다.
그러나 본 연구에서는 소형선체에서 발생되는 충격력을 보수적으로 구하기 위하여 Fig. 2와 식 (1)에서 제안하고 있는 최대 낙하높이 2.5m를 본 연구 대상인 폴리에틸렌 보트의 낙하높이로 선정하였다. Table 4는 낙하시험을 위한 선체의 만재 중량을 나타낸 것으로 선체 두께가 10mm인 경우 선체 무게만의 무게는 430kg이다.
낙하시험은 ISO 12215-5 및 국내 규정을 만족하는 플레저 선박 낙하시험 평가시스템을 구축한 중소조선연구원의 실내 실험실에서 수행하였다. 플레저 선박의 낙하시험 평가시스템은 모션 센서(Motion sensor)와 변형률 게이지 및 가속도 센서를 이용하여 자유 낙하 시 선체의 낙하자세와 수면접촉 시 선체에 걸리는 변형률 및 슬래밍 충격력을 측정한다.
따라서 FRP와 알루미늄, 강의 선체외판 두께는 각각 3.68mm, 2.94mm, 2.27mm이다.
또한 하중조건은 계획 흘수선 하부에 부여되며 선체 하부는 종방향과 횡방향으로 양 측면에서 선체를 압축하는 방향으로 그 힘을 가하며 선체 수직 상 방향으로 가장 큰 힘을 부여하였다. 유한요소모델은 절점이 253,907개이고 요소가 122,950이고 유한요소해석은 정적 구조 해석을 수행하였다.
15는 폴리에틸렌 보트의 낙하시험에서 발생되는 선체의 소성 변형량을 계측하기 측정 위치를 나타낸 것이다. 즉, 보트 전장에서 발생되는 최대 소성 변형량을 측정하기 위하여 선체의 선미와 선수부 상부에 2개소, 폭 부분의 최대 소성 변형량을 측정하기 위하여 양현의 횡방향 2개소, 깊이의 최대 소성 변형량을 측정하기 위하여 블워크(Bulwark) 상부 1개소와 선저 최저 부분 1개소를 이용하였다. 즉, Fig.

이론/모형

Fig. 13은 조[21]에 의하여 수행된 6m미만의 폴리에틸렌 보트에 대한 구조해석결과를 나타낸 것으로 선체하중을 소형선체의 구조설계규격인 ISO 12215-5의 설계압력을 사용하였다. 그림에서 고밀도 폴리에틸렌 선체의 설계응력 16.
국제표준규격 ISO 12215-5의 경우 선체 재료에 대한 제한이 없으나 해양수산부에서 제안하는 플레저 보트(Pleasure boat) 검사지침의 경우 FRP, 알루미늄, 폴리프로필렌에 한정되어져 있다. 따라서 본 연구에서 대상으로 하는 전장 길이 6m 미만의 폴리에틸렌 실적선 선체에 대한 구조 강도를 확인하기 위해서는 플레저 보트(Pleasure boat) 검사지침보다는 ISO 12215-5의 표준규격을 적용하여야 한다.
ISO 12215-5의 낙하시험은 선체 전장과 속장비 및 선체 중량에 대한 규정에 따라 결정되므로 일반적으로한 척에 대하여 낙하시험을 수행한다. 이하에 조등[8]이 개발한 폴리에틸렌 보트 선체에 대한 구조 안전성을 평가하기 위한 평가 절차를 나타내었다.

성능/효과

1) 전장 6m급 폴리에틸렌 보트에 대한 높이 2.5m에서의 낙하시험 후에 특별한 파손 흔적이 없으므로 보트가 낙하할 시에 구조 안전성이 확보되었다.
2) 폴리에틸렌 보트 선체 두께를 10mm로 설정하는 경우 실선낙하시험과 구조설계규격을 모두 통과하고 있어 선체 두께 10mm인 폴리에틸렌 보트의 구조 안전성은 매우 높다.
3) ISO 12215-5의 낙하시험규격에 의해 결정된 폴리에틸렌선체 설계두께는 ISO 12215-5의 구조설계 압력규격에 의하여 결정된 폴리에틸렌선체 설계두께에 비하여 1.3배정도 더 크게 결정되므로 ISO 12215-5의 낙하시험규격이 ISO 12215-5의 구조설계규격과 구조설계압력규격에 비하여 더 보수적이다.
4) 비선체재료로 제작되는 플레저 보트의 경우 구조설계단계부터 ISO 12215-5의 낙하시험규격을 이용하여 설계해야 한다.
5) 선체 두께 10mm의 폴리에틸렌 보트에 대한 ISO 12215-5의 낙하시험 결과 선체 전장과 폭 및 깊이 방향의 소성변형율이 0.2%가 되어져 낙하시험 후에도 낙하전의 상태로 탄성회복 되었다.
즉, 선체에 작용하는 충돌하중과 운동량을 계산하는 방법으로 다음 식 (4)와 식 (5)에 각각 그 방법을 나타내고 있다. 따라서 선체 충돌하중은 뉴톤의 운동 제2법칙인 가속도 법칙을 이용하여 선체만재질량과 각 방향에 따른 가속도를 곱하면 되며 선체에 부하되는 충격 운동량은 선체만재질량과 선체에 부하되는 속도 변화량으로 계산되고 본 연구의 경우 낙하시험이기 때문에 속도 변화량을 낙하 높이 h로 나타낼 수 있다. 따라서 낙하하중에 의한 충격하중 F_i 는 각각 선체만재질량과 Table 5의 각 방향에 따른 최대가속도를 곱하여 구하였으며 낙하하중에 의한 충격량 I는 선체만재질량과 낙하 높이 h로 구하였다.
3배 정도 더 두껍다. 이러한 결과는 ISO 12215-5의 낙하시험규격에 의한 선체 하중이 ISO 12215-5의 구조설계압력규격에 의한 선체 하중에 비하여 더 크다는 것을 의미하며 ISO 12215-5의 낙하시험규격이 ISO 12215-5의 구조설계압력규격에 비하여 더 보수적이라는 것을 나타내고 있다.
따라서 본 연구에서는 조[17]에 의하여 수행된 6m미만의 폴리에틸렌 보트에 대한 구조해석 결과와 ISO 12215-5의 구조설계치수규격[14]에서 제안하고 있는 선체설계응력개념을 결합하여 비규격선체재료인 고밀도 폴리에틸렌으로 제작된 선체의 두께를 결정하고자 한다. 즉, 고밀도폴리에틸렌 선체의 설계응력은 고밀도폴리에틸렌 재료의 최소 최종 인장강도의 60%인 16.2MPa이다.
폴리에틸렌 보트 선체에 과도한 충격하중이 입력되었음에도 선체에서 발생되는 최대 소성 변형량은 선체 깊이가 3mm, 선체 전장이 2mm, 선체 폭이 1mm이다. 즉, 선체 깊이의 최대소성변형률은 0.2%, 선체 전장의 최대소성변형률은 0.03%, 선체 폭의 최대소성변형률은 0.05%로 선체 깊이가 가장 큰 소성 변형량을 보이고 있으나 재료의 항복응력기준이 소성변형율 0.2%가 발생되는 응력으로 정의하는 것을 이용하면[22] 선체 깊이도 거의 탄성 상태에 있는 것으로 파악되어져 전체 선체가 낙하시험 후에도 낙하전의 상태로 탄성회복 되었음을 알 수 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	선체의 구조 안전성을 확인하는 시험은 어떤 것이 있는가?	강선이나 강화플라스틱선 등의 선박 재료는 선박안전법에 규정된 규격재료를 사용하는 경우로서 판두께 측정시험이나 종굽힘강도시험을 통하여 제작 선체의 구조 안전성을 쉽게 확인할 수 있다. 한편, 염가의 폴리에틸렌 등과 같은 비규격재료를 선체 전장이 짧은 플레저 보트의 선체로 사용하는 경우 역학적 특성을 파악하기 쉬워 선체 설계를 수행하기에 매우 유리하고, 대량 생산 시스템을 갖추는 경우 제작 비용이 낮아 해당 제품의 가격 경쟁력을 가질 수 있다.
	폴리에틸렌 실적선의 구조 강도 확인을 위해 플레저 보트 검사지침을 적용할 수 없는 이유는?	Table 2는 낙하시험을 위한 국제표준규격 ISO 12215-5와 해양수산부에서 제안하고 있는 플레저 보트 검사지침의 구조 기준을 나타낸 것이다. 국제표준규격 ISO 12215-5의 경우 선체 재료에 대한 제한이 없으나 해양수산부에서 제안하는 플레저 보트(Pleasure boat) 검사지침의 경우 FRP, 알루미늄, 폴리프로필렌에 한정되어져 있다. 따라서 본 연구에서 대상으로 하는 전장 길이 6m 미만의 폴리에틸렌 실적선 선체에 대한 구조 강도를 확인하기 위해서는 플레저 보트(Pleasure boat) 검사지침보다는 ISO 12215-5의 표준규격을 적용하여야 한다.
	폴리에틸렌을 재료로 하는 경우의 장점은?	한편, 염가 재료에 대한 연구는 전혀 진행되지 않고 있으며 단지 소형조선산업계에서 카누나 카약 선체를 폴리에틸렌을 이용하여 제작하여 판매하고 있다[4-5]. 폴리에틸렌은 선체전장이 짧은 플레저 보트의 경우 역학적 특성이 설계하기에 매우 유리하며[6], 선체 폐선시 오히려 높은 수익이 발생되어져 초기 구입 비용을 회수할 수 있을 뿐만아니라 해양환경오염방지에 크게 이바지 할 수 있는 장점이 있다[7]. 조등[8]은 종굽힘강도시험을 이용하여 강화플라스틱선과 폴리에틸렌 보트에 대한 구조 안전성을 평가하여 강화플라스틱선에 비하여 폴리에틸렌 보트가 과도한 안전율을 가지고 있다고 주장하여 선박 안전법에 규정된 재료로 제작된 선체에 대하여 적용하는 종굽힘강 도시험규격의 개정이 필요함을 제시하고 있다.

참고문헌 (22)

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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