[논문]횡충돌 하중을 받는 비보강 강판의 구조거동에 대한 크기 효과

조상래; 박정열; 송승욱; 박상현

doi:10.3744/snak.2018.55.2.178

횡충돌 하중을 받는 비보강 강판의 구조거동에 대한 크기 효과
Scale Effects on the Structural Behavior of Steel Unstiffened Plates Subjected to Lateral Collisions 원문보기

大韓造船學會論文集 = Journal of the society of naval architects of korea, v.55 no.2, 2018년, pp.178 - 186

조상래 (울산대학교 조선해양공학부) , 박정열 (일본선급) , 송승욱 (울산대학교 조선해양공학부) , 박상현 (울산대학교 조선해양공학부)

Abstract ▼ AI-Helper

The scale effects on the permanent deformations and fractures of structures subjected to impact loadings have been aware by structural engineers for a long time. Experimental investigations have been performed with various structures to demonstrate the effects, but very few are directly related with marine structural elements. Furthermore, the causes of the scale effects have not clearly been answered yet. In this study, to quantify the scale effects on the permanent deflections, lateral collision tests were performed on steel unstiffened plates and the numerical analyses of the tested models were also conducted using a commercial package, Abaqus. After the substantiation of the numerical tool using the test results, a parametric study was carried out considering and neglecting the strain-rate hardening. Based upon the parametric study results, it may be concluded that the main cause of the scale effects on the permanent deflections of steel unstiffened plates subjected to lateral collision loads is the strain-rate effects.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

낙하충돌실험 모델에 대한 수치해석도 수행하였으며, 수치해석 결과와 실험 결과를 비교하여 수치해석에 사용된 상용프로그램의 정확도와 신뢰성을 검토하였다. 또한 Parametric study를 수행하여 변형률속도가 크기 효과에 미치는 영향을 수치적으로 규명해 보았다.
본 논문에서는 횡충돌 하중을 받는 비보강 강판의 구조거동에 미치는 크기효과의 영향을 규명하기 위해 수행한 실험 및 수치해석 연구의 결과를 보고하였다. 이를 통해 얻어진 결론을 아래와 같이 정리할 수 있다.
본 연구에서는 선박해양구조물에 많이 사용되는 비보강 강판을 대상으로 크기효과가 소성변형에 미치는 영향을 정량적으로 규명하고자 하였다. 낙하충돌실험 장치를 사용하여 자유낙하실험을 실시하고 유한요소해석을 통하여 이 충돌실험을 모사해 보았다.
따라서 본 연구에서도 유한 요소 해석에서 소성 경화와 변형률속도 경화를 모두 고려하여 수치해석을 수행하였다. 이를 통해 크기 효과에 영향을 미치는 인자가 무엇인지를 규명하고자 하였다. 또한 본 수치해석에 앞서 적절한 수준의 계산의 정확성과 효율성을 제공해 주는 요소의 크기를 결정하기 위한 수렴성 검증작업도 거쳤다.
크기비의 범위를 더 넓히기 위해 본 연구에서 개발된 해석기법을 사용하여 수치해석을 수행하였다. 수치해석 모델의 재료특성은 Table 8에 정리하였다.

가설 설정

이 연구에서 굽힘 변형이나 마찰에너지는 크기비를 따르지만 절단에너지는 크기비를 따르지 않음을 밝혔다. 또한 모델의 크기가 절단에너지에 영향을 미치지 않음도 확인하였다.
실험에 사용된 연강의 경우 보수적 관점에서 식 (1)에서의 소성 경화지수(n)의 값을 0.2로 가정하였다. Fig.
0 m/s이었다. 충돌체의 질량은 400 kg, 길이는 500 mm 그리고 충돌부의 끝단은 반경이 15 mm로 가정하였다. 요소의 크기를 판의 두께와 같은 5 mm에서부터 30 mm까지 변화시키면서 해석을 수행하였다.

제안 방법

낙하충돌실험 모델에 대한 수치해석도 수행하였으며, 수치해석 결과와 실험 결과를 비교하여 수치해석에 사용된 상용프로그램의 정확도와 신뢰성을 검토하였다. 또한 Parametric study를 수행하여 변형률속도가 크기 효과에 미치는 영향을 수치적으로 규명해 보았다.
본 연구에서는 선박해양구조물에 많이 사용되는 비보강 강판을 대상으로 크기효과가 소성변형에 미치는 영향을 정량적으로 규명하고자 하였다. 낙하충돌실험 장치를 사용하여 자유낙하실험을 실시하고 유한요소해석을 통하여 이 충돌실험을 모사해 보았다. 낙하실험장치의 제한으로 비보강판의 상대 크기비가 1.
67인 모델을 각 3개씩 제작하여 충돌실험을 수행하였다. 다양한 속도에서의 크기효과를 알아보기 위해 낙하위치를 달리하여 실험을 수행하였다. 충돌체(sriker)의 질량은 크기비에 맞추어 86 kg, 206 kg 그리고 400 kg인 것을 사용하였다.
다양한 속도에서의 크기효과를 확인하기 위해 낙하 높이를 변화 시켜주었다. 각 모델별 충돌 실험의 낙하높이와 낙하높이를 사용하여 구한 충돌 속도를 Table 4에 정리하였다.
요소의 크기가 모델의 두께인 5 mm일 때 충분히 수렴된 결과를 얻을 수 있었다. 따라서 본 구조해석에서는 각 모델의 두께와 같은 크기의 요소를 사용하여 계산을 수행하였다
따라서 본 연구에서도 유한 요소 해석에서 소성 경화와 변형률속도 경화를 모두 고려하여 수치해석을 수행하였다. 이를 통해 크기 효과에 영향을 미치는 인자가 무엇인지를 규명하고자 하였다.
또한 모델의 재료가 변형률속도의 영향을 받는 경우와 변형률 속도의 영향을 무시한 경우에 대해 수치해석을 수행하였다.
충돌 실험을 위해 3가지 크기별로 각각 3개의 모델을 제작하였다. 모든 모델은 정사각형 비보강 강판으로 실험부의 치수는 각 모델의 크기비에 따라 제작하였다. 모델의 형상은 Fig.
이 연구의 수치해석에서는 4절점 쉘 요소를 사용하였다. 본 수치해석에 앞서 유한요소의 적절한 크기를 선정하기 위해 수렴성을 검증하였다. 수렴성 검증을 위한 수치해석에서 적용한 충돌조건은 Table 6에 정리하였다.
(2) 상용 수치해석 프로그램인 Abaqus를 사용하여 실험 모델에 대한 수치해석을 수행하였다. 수치해석에 의한 처짐의 추정값과 실험의 처짐값의 비(Xm)를 구하고 Xm의 평균과 COV를 계산하였다. 양끝 처짐의 경우는 평균이 1.
9에서 비교하여 보여주고 있다. 실험에서는 실험 전에 그어둔 격자점에서의 처짐을 레이저 거리측정기를 사용하여 계측하였다. Fig.
충돌체의 질량은 400 kg, 길이는 500 mm 그리고 충돌부의 끝단은 반경이 15 mm로 가정하였다. 요소의 크기를 판의 두께와 같은 5 mm에서부터 30 mm까지 변화시키면서 해석을 수행하였다. 수렴성 검증의 결과를 Fig.
을 곱한 것이다. 항복응력이 서로 다른 모델도 같이 비교할 수 있도록 하였다. d_E와 d_M을 무차원화 한 δ_E와 δ_M도 포함하였다.

대상 데이터

각 크기비의 판 크기는 Table 9에서 보여주고 있다. 기본인 크기비가 1.0일 때의 판은 가로, 세로 그리고 두께가 각각 500 mm, 225 mm 그리고 1.8 mm 이다. 크기비가 2.
낙하충돌실험 장치를 사용하여 자유낙하실험을 실시하고 유한요소해석을 통하여 이 충돌실험을 모사해 보았다. 낙하실험장치의 제한으로 비보강판의 상대 크기비가 1.0, 1.33 그리고 1.67인 모델을 각 3개씩 제작하여 충돌실험을 수행하였다. 다양한 속도에서의 크기효과를 알아보기 위해 낙하위치를 달리하여 실험을 수행하였다.
전체 모델의 크기(A1 × A1)와 시험부의 크기(A2 × A2)를 각 시리즈 별로 Table 1에 수록하였다. 모델의 공칭 두께가 3 mm인 SE-3 시리즈의 경우 A1은 800 mm이고 모델의 공칭 두께가 각각 4 mm와 5 mm인 SE-4와 SE-5 시리즈는 각각 1,000 mm와 1,150 mm이다. 시험부의 치수(A2)는 SE-3시리즈가 600 mm이고 SE-4 시리즈와 SE-5 시리즈는 각각 800 mm와 1,000 mm이다.
수렴성 검증을 위한 수치해석에서 적용한 충돌조건은 Table 6에 정리하였다. 모델의 크기는 가로, 세로가 모두 1,000 mm이고 두께는 5.0 mm이었으며, 충돌속도는 5.0 m/s이었다. 충돌체의 질량은 400 kg, 길이는 500 mm 그리고 충돌부의 끝단은 반경이 15 mm로 가정하였다.
모델의 공칭 두께가 3 mm인 SE-3 시리즈의 경우 A1은 800 mm이고 모델의 공칭 두께가 각각 4 mm와 5 mm인 SE-4와 SE-5 시리즈는 각각 1,000 mm와 1,150 mm이다. 시험부의 치수(A2)는 SE-3시리즈가 600 mm이고 SE-4 시리즈와 SE-5 시리즈는 각각 800 mm와 1,000 mm이다.
재료는 연강이었고, 다양한 경계조건을 부여하여 횡충격 압력 실험을 수행하였다. 실험 모델 양쪽에 동일한 압력을 가한 후 압력을 방출하는 시간을 조절하여 횡충격압력 실험을 수행할 수 있는 압력용기가 사용되었다. 모델의 경계조건에 따라 크기비의 영향이 다름을 보고하였다.
앞에서 언급하였듯이 본 실험에서는 모델의 크기비에 따라 3종류의 충돌체를 사용하였다. 사용한 충돌체는 모두 knife-edge형이었고, 충돌체의 질량과 길이를 Table 3에 정리하였다.
)과 탄성계수(E)를 얻기 위해 인장 시험을 수행하였다. 인장 시험 시편은 각 모재마다 5개씩 제작하였다. Table 2에 정리된 값은 각 모재 별로 5개 인장 시험결과의 평균값이다.
재료는 연강으로 가정하여 항복강도 (σY)는 235 MPa, 탄성계수 (E)는 206,000 MPa을 사용하였다.
0 m이고 두께가 2 mm인 모델을 제작하였다. 재료는 연강이었고, 다양한 경계조건을 부여하여 횡충격 압력 실험을 수행하였다. 실험 모델 양쪽에 동일한 압력을 가한 후 압력을 방출하는 시간을 조절하여 횡충격압력 실험을 수행할 수 있는 압력용기가 사용되었다.
충격은 압축가스를 이용하여 발사시킨 충돌체를 이용하였으며 속도의 범위는 38.6 m/s – 54.0 m/s이었다.
충돌 실험을 위해 3가지 크기별로 각각 3개의 모델을 제작하였다. 모든 모델은 정사각형 비보강 강판으로 실험부의 치수는 각 모델의 크기비에 따라 제작하였다.
다양한 속도에서의 크기효과를 알아보기 위해 낙하위치를 달리하여 실험을 수행하였다. 충돌체(sriker)의 질량은 크기비에 맞추어 86 kg, 206 kg 그리고 400 kg인 것을 사용하였다.
크기효과를 규명하기 위한 실험 연구에서는 실험 장비의 제한이 있어 크기비를 1.00, 1.33 그리고 1.67의 경우만 다루었다

데이터처리

(2) 상용 수치해석 프로그램인 Abaqus를 사용하여 실험 모델에 대한 수치해석을 수행하였다. 수치해석에 의한 처짐의 추정값과 실험의 처짐값의 비(Xm)를 구하고 Xm의 평균과 COV를 계산하였다.

이론/모형

)는 235 MPa, 탄성계수 (E)는 206,000 MPa을 사용하였다. 구조적 거동에 대한 변형률속도의 영향을 고려하기 위해 Cowper-Symonds의 소성 구성방정식, 식(3), 의 재료상수 D_cs와 q_cs는 각각 40.4 (s^-1)와 5를 사용하였다.
소성 경화 방정식에는 선형 소성경화 구성방정식과 비선형 소성경화 구성방정식이 있다. 본 연구에서는 Choung (2008)이 제시한 식(2)과 같은 비선형 소성경화 구성방정식을 사용하였다.
인장 시험용 시편을 KS (1998)에 따라 제작하고 시험 모델의 항복응력(σY)과 탄성계수(E)를 얻기 위해 인장 시험을 수행하였다.
충격 하중을 받는 구조물의 동적응답에 영향을 미치는 변형률 속도효과(strain-rate effect)를 고려하기 위해 Cowper-Symonds의 소성 구성방정식 (Cowper & Symonds, 1957), 식 (3), 을 사용하였다.

성능/효과

(3) 변형률속도의 효과를 고려하여 수치해석을 수행한 결과, 크기비가 증가하면 무차원 영구변형값도 증가함을 알 수 있다. 하지만 변형률 속도 효과를 무시하고 수치해석을 하면 무차원 영구변형값이 크기비에 상관없이 거의 일정함을 알 수 있다.
이에 대해서는 추후 실험연구를 더 수행할 필요가 있겠다. 본 연구에서 수행된 충돌실험을 통해 횡충돌 하중을 받는 비보강 강판의 크기 효과를 확인할 수 있었다.
Paik and Lee (1996)는 찢김 응답에 대한 치수(판 두께) 및 동적 효과를 고려하기 위해 비보강판과 보강판에 대해 판 두께를 변화 시켜 찢김 시리즈 실험을 수행하였다. 연구 결과로부터 판 두께에 대해서 일정한 기하학적 상사법칙이 성립함을 밝혔다. 다만 판 두께가 2 mm이하인 극히 박판의 경우 판 두께가 3 mm이상의 상대적으로 두꺼운 판은 서로 다른 기하학적 상사법칙을 보였다.
6에서 보여주고 있다. 요소의 크기가 모델의 두께인 5 mm일 때 충분히 수렴된 결과를 얻을 수 있었다. 따라서 본 구조해석에서는 각 모델의 두께와 같은 크기의 요소를 사용하여 계산을 수행하였다
71 m/s의 세 종류이었다. 이 실험연구를 통해 크기비가 커지면 무차원 영구처짐 값도 커짐을 확인하였다.
에너지평형상태를 비교하는 것은 이것이 충돌문제와 같은 비선형 손상해석에서 해석의 신뢰도를 평가하는 기준이기 때문이다. 최대 처짐 상태에서는 충돌체의 운동에너지가 모두 피충돌체의 내부 변형에너지로 모두 변환됨을 확인 할 수 있다. 최대 처짐 이후에는 탄성회복(elastic spring-back)에 의한 처짐의 감소가 있고 탄성진동이 그 뒤를 따르고 있다.

후속연구

(4) 향후 소성변형에 대한 연구도 더 수행되어야 하고 파단이 동반되는 충격하중에 대한 연구도 수행할 필요가 있다. 또한 비보강판뿐만 아니라 선박이나 해양구조물에 많이 사용되는 보강판에 대한 크기 효과 연구도 필요하다.
개선의 여지는 있으나, 이 논문에서 채택한 소성경화, 변형률 속도 경화를 비롯한 수치해석 기법을 사용하여 parametric study를 수행할 수 있다고 판단된다
하지만 제한된 경우에 대한 수치해석의 결과로부터 얻은 경향을 섣불리 일반화하는 것은 바람직하지 못하다. 따라서 일반화 시킬 수 있는 결론을 얻기 위해서는 더 많은 실험과 수치해석 연구가 필요하다고 판단된다.
(4) 향후 소성변형에 대한 연구도 더 수행되어야 하고 파단이 동반되는 충격하중에 대한 연구도 수행할 필요가 있다. 또한 비보강판뿐만 아니라 선박이나 해양구조물에 많이 사용되는 보강판에 대한 크기 효과 연구도 필요하다.
1에서 보여 주듯이 볼트로 고정하였다. 볼트로고정하면 실험 과정에서는 고정과 같이 가정할 수 있겠으나 실험 후 볼트를 풀게 되면 탄성회복 현상으로 인해 경계부의 추가 변형이 생겨 모델의 변두리가 뒤틀려 있음을 알 수 있다, 이에 관해서는 추후 더 많은 수치해석 연구가 필요하다고 판단된다.
26 m/s이고 모델의 공칭 두께가 4 mm인 모델 SE-4-3의 경우는 이 경향을 따르고 있지 않다. 이에 대해서는 추후 실험연구를 더 수행할 필요가 있겠다. 본 연구에서 수행된 충돌실험을 통해 횡충돌 하중을 받는 비보강 강판의 크기 효과를 확인할 수 있었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	선박과 해양구조물의 안전사고는 어떤 결과를 야기하는가?	선박과 해양구조물의 안전사고 중에서 충돌, 좌초나 접촉은 재산, 인명 피해뿐만 아니라 심각한 환경오염을 야기할 수 있다. 이와 같은 사고가 발생하면 구조물은 대변형률을 동반하는 소성변형이 발생하고 경우에 따라서는 파단이 일어날 수도 있다.
	해양구조물의 구조설계를 위해 무엇이 수행되어지는가?	이러한 충격하중을 고려한 선박이나 해양구조물의 구조설계를 위해 대부분의 설계에서는 상용 프로그램을 사용한 동적 비선형 수치해석을 수행하고 있다. 정적하중을 받는 경우도 마찬가지지만 특히 충격하중을 받는 경우는 반드시 실험결과와 비교하여 사용하는 수치해석법의 검증이 반드시 필요하다.
	해양구조물의 환경과 인명의 피해를 최소화하는 설계가 필수적인 이유는 무엇인가?	따라서 사고 회피를 위한 능동적 설계에 대한 노력과 더불어 사고의 발생 시 환경과 인명의 피해를 최소화하는 설계가 필요하다. 자항 능력이 있는 선박의 경우도 그렇지만 해양구조물과 같이 해상에서 오랫동안 한 자리에 머무는 구조물의 경우는 보수가 어려워 사고로 인해 구조물에 발생하는 손상에 대해 초기 설계 단계에서부터 고려하여야 한다.

참고문헌 (19)

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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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