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강한 인장 상태에서의 계류 체인 링크의 휨 거동
Bending Behavior of the Mooring Chain Links Subjected to High Tensile Forces 원문보기

韓國鋼構造學會 論文集 = Journal of Korean Society of Steel Construction, v.29 no.2, 2017년, pp.99 - 110  

김승준 (대전대학교, 건설안전방재공학과) ,  원덕희 (한국해양과학기술원, 연안방재연구센터)

초록
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본 연구는 부유식 구조물의 위치 제어를 위한 계류 체인 링크의 휨 거동에 대해 다룬다. 일반적으로 체인 구조는 링크 간 연결조건에 따라 축력만 전달하는 구조체로 인식되었다. 그러나 체인에 강한 인장력이 작용할 때, 접촉하는 두 링크 간의 마찰력에 의해 휨 강성이 도입되게 된다. 특히, 부유식 플랫폼의 계류선은 강한 인장력이 유지되는데, 물리적으로는 긴장 상태에 있는 체인 링크 간 접촉면에 마찰특성에 의해 휨 강성이 도입되면 환경하중을 받는 플랫폼에 회전 운동이 발생할 때, 계류선에도 회전 변위를 일으키고 이는 결과적으로 설계 시 고려하지 못한 휨모멘트 및 휨응력이 체인에 작용하게 된다. 실제 2005년 Girrasol Buoy 플랫폼의 해상 설치 후 5개월 만에 파손된 계류 체인의 사고 조사 시 주요 원인으로 이러한 휨 거동에 의한 부가 피로손상 누적이 지적되었다. 본 연구에서는 비선형 유한요소해석을 통해 긴장상태에 있는 체인에 도입되는 휨 강성 및 휨 응력의 특성에 대해 분석한다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

This paper presents the study of the bending behavior of mooring chain links for keeping the position of the offshore floating structures. In general, chain links have been thought as the axial members due to the fundamental boundary condition. But, the flexural stiffness can be induced to the conta...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 본 연구에서는 비선형 유한요소 해석을 통해 인장력이 작용하는 체인 링크에서의 면내 및 면외 방향 휨 거동을 분석하였다. 접촉하고 있는 체인 링크를 솔리드 요소로 모델링하고 경계조건 및 접촉조건을 부여하여 인장력 및 강제 회전운동에 대한 비선형 해석을 수행하여 링크에 도입되는 휨강성과 휨모멘트 및 응력을 분석하였다.
  • 본 연구에서는 비선형 유한요소해석을 통해 강한 인장력을 받을 때 접촉하고 있는 계류 체인 링크 간의 휨거동에 대해 연구하였다. 본 해석을 통해 링크 간 사잇각이 발생할 때링크 접촉면에 도입되는 면내 및 면외방향 휨강성과 휨모멘트 그리고 이에 따라 유발되는 체인 링크에서의 응력을 분석 하였고, 체인 링크에 작용하는 인장력, 마찰면 마찰계수 그리고 체인 링크의 시험과정 효과 등을 분석하였다.
  • 20과 같이 각 거동 시 최대 주응력 발생 위치를 도출하였다. 사실 최대 응력은 링크간 직접 접촉 구간에서 최대 응력이 발생하나, 이는 근본적으로 지압에 의한 압축응력 성분이고 이는 피로 거동에 있어서 크게 영향을 미치는 성분은 아니므로 본 연구에서는 이 구간을 제외하고 최대 주응력이 발생하는 위치를 도출하였다. 특히 Fig.

가설 설정

  • 본 연구에서는 R3S 재질의 체인 링크를 가정하였고 이에 대한 재료 물성은 Table 1과 같다. 본 재료의 응력-변형률관계를 Ramgerg-Osgood 재료모델을 통해 정의하기 위한 상수 n (hardening exponent)과 α(yield offset) 역시 Table 1에 표기되었다.
  • 유한요소해석을 통해 축력 T가 작용하고 좌측 링크와 중앙부 링크 간의 사잇각 αint가 발생할 때 링크 마찰면에서 발생하는 휨모멘트 Mint를 유한요소해석기법을 통해 분석하기 위하여 Fig. 4와 같이 우측 링크의 중앙부에 기준점(reference point)를 가정하였는데, 이 기준점에 강제 회전을 주어 좌측 접촉면에 링크 사잇각 및 휨모멘트를 발생시켰다.
  • 먼저 시험 하중을 재하하고 이후 하중을 제거하여 체인 링크의 시험 후 발생하는 소성변형을 고려하였다. 이후 체인 링크에 장력을 도입하였는데, 이 연구에서는 계류선이 2,200kN~ 3,400kN의 장력을 받는다고 가정하여 총 7가지의 장력을 재하하였다. 실제 부유식 구조물이 환경 하중에 의해 지속적으로 운동하면 이 부유체를 지지하는 계류선의 장력 역시 그에 따라 변화한다.
  • 실제 부유식 구조물이 환경 하중에 의해 지속적으로 운동하면 이 부유체를 지지하는 계류선의 장력 역시 그에 따라 변화한다. 체인 링크에 작용하는 장력이 변화하면 링크 간 마찰면에 도입되는 마찰력 및 휨강성이 변화하는데, 본 연구에서는 장력의 크기에 따른 마찰면에서의 휨강성 및 휨모멘트 그리고 최대 주응력을 분석하고자 위와 같이 도입되는 장력의 범위를 가정하였다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
부유식 해상 구조물에서 체인 링크로 구성된 계류선을 사용하는 이유는? 부유식 해상 구조물은 지속적으로 변화하는 환경하중을 받기 때문에 구조물의 위치를 유지할 수 있는 장치가 필요하고, 이러한 목적에 있어서 일반적으로 체인 링크로 구성된 계류선이 사용된다. 체인으로 구성된 계류선(mooring lines) 은 바람, 파랑, 조류 등을 받는 부유식 해상구조물의 수직 및수평 운동에 대해 저항하는 역할을 한다.
계류선의 기본 선 형인 카테나리 형과 톳 형은 각각 어떤 방식으로 부유식 구조물의 운동에 저항하는가? 계류선의 기본 선 형(profile)에 대해서는 카테나리 형(catenary type), 톳 형 (taut type)으로 나눈다. 카테나리 형은 해저 지반에 안착된 체인의 무게로, 톳 형은 계류선의 길이방향 강성으로 부유식 구조물의 운동에 저항한다. 구조적 특성에 따라 일반적으로 천해 해역에서는 카테나리 타입이, 심해 해역에서는 세마이톳(semi taut) 또는 톳 방식이 주로 설계된다.
체인으로 구성된 계류선의 역할은 무엇인가? 부유식 해상 구조물은 지속적으로 변화하는 환경하중을 받기 때문에 구조물의 위치를 유지할 수 있는 장치가 필요하고, 이러한 목적에 있어서 일반적으로 체인 링크로 구성된 계류선이 사용된다. 체인으로 구성된 계류선(mooring lines) 은 바람, 파랑, 조류 등을 받는 부유식 해상구조물의 수직 및수평 운동에 대해 저항하는 역할을 한다. 계류선의 기본 선 형(profile)에 대해서는 카테나리 형(catenary type), 톳 형 (taut type)으로 나눈다.
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참고문헌 (14)

  1. American Petroleum Institute (2005) Design and Analysis of Stationkeeping Systems for Floating Structures (API RP 2SK), API Publishing services, Washington DC, USA. 

  2. Det Norske Veritas (2010) Position Mooring (DNV-OSE301), DNV, Norway. 

  3. Det Norske Veritas (2008) Offshore Mooring Chain (DNV-OS-E302), DNV, Norway. 

  4. Americal Bureau of Shipping (2009) Guide for Certification of Offshore Mooring Chain, ABS, Houston, USA. 

  5. Bureau Veritas (2012) Classification of Mooring Systems for Permanent Offshore Units, Bureau Veritas, France. 

  6. Jean, P., Goessens, K., and L'Hostis, D. (2005) Failure of Chains by Bending on Deepwater Mooring Systems, Proceedings of 2005 Offshore Technology Conference, OTC 17238. 

  7. Cerkovnik, M., Chang, S.S., and Criffin, C. (2012) Fatigue Analysis of Tether Chain in Hybrid Risers, Proceedings of the ASME 2012 31st International Conference on Ocean, Offshore and Arctic Engineering, pp.799-807. 

  8. Bureau Veritas (2014) Fatigue of Top Chain of Mooring Lines Due to In-plane and Out-of-plane Bendings, Bureau Veritas, France. 

  9. Bastid, P. and Smith, S. (2013) Numerical Analysis of Contact Stresses between Mooring Chain Links and Potential Consequences for Fatigue Damage, Proceedings of the ASME 2013 32nd International Conference on Ocean, Offshore and Arctic Engineering (OMAE2013-11360). 

  10. Pacheno, P.M.C.L., Kenedi, P.P., and Jorge, J.C.F. (2002) Elastoplastic Analysis of the Residual Stress in Chain Links, Proceedings of the ASME 2002 21st International Conference on Offshore Mechanics and Arctic Engineering, pp.39-46 (OMAE2002-28083). 

  11. Pacheno, P.M.C.L., Kenedi, P.P., Jorge, J.C.F., and Paiva, A.M.C (2003) Analysis of the Influence of Mechanical Properties on the Residual Stress in Offshore Chain Links Using the Finite Element Method, Proceedings of the ASME 2003 22nd International Conference on Offshore Mechanics and Arctic Engineering (OMAE2003-37205). 

  12. Pacheno, P.M.C.L., Kenedi, P.P., Jorge, J.C.F., Santos, H.G., Savi, M.A., and Paiva, A.M.C (2003) Modeling Residual Stresses in Offshore Chain Links Using Finite Element Method, Proceedings of 17th International Congress of Mechanical Engineering (COBEM2003-0320). 

  13. 임유창, 김경수, 정준모, 강찬회(2010) 부유식 해양플랜트 계류 체인의 면외굽힘 거동에 대한 연구, 대한조선학회논문집, 대한조선학회, 제47권, 제4호, pp.580-588. Lim, Y.C., Kim, K.S., Choung, J.M., and Kang, C.H. (2010) A Study on Out-of-plane Bending Mechanism of Mooring Chains for Floating Offshore Plants, Journal of the Society of Naval Architects of Korea, SNAK, Vol.47, No.4, pp.580-588. 

  14. 신태송(2006) STS 304 스체인리스강의 응력도-변형도 곡선에 관한 제안, 한국강구조학회 논문집, 한국강구조학회, 제18권, 제2호, pp. 271-278. Shin, T.S. (2006) A Proposal on the Stress-strain Curve of Stainless Steel STS304, Journal of Korean Society of Steel Construction, KSSC, Vol.28, No.4, pp.271-278. 

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