[논문]선수부 선저 슬래밍 충격에 대비한 설계압력의 산출

김용직; 이승철; 하영록; 홍사영

doi:10.3744/snak.2018.55.3.187

선수부 선저 슬래밍 충격에 대비한 설계압력의 산출
Computation of Design Pressure against the Bow Bottom Slamming Impact 원문보기

大韓造船學會論文集 = Journal of the society of naval architects of korea, v.55 no.3, 2018년, pp.187 - 195

김용직 (부경대학교 조선해양시스템공학과) , 이승철 (부경대학교 조선해양시스템공학과) , 하영록 (거제대학교 조선해양공학과) , 홍사영 (선박해양플랜트연구소)

Abstract ▼ AI-Helper

Ship's bottom slamming has been studied by many researchers for a very long time. But still some ships suffer structure damages caused by the bottom slamming impacts. This paper presents a practical computation method of the design impact pressure due to ship's bow bottom slamming. Large heave and pitch motions of a rigid hull ship are simulated by the nonlinear strip method in time domain and the relative colliding velocity between the bow bottom and the water surface is calculated using the simulated ship motions. The bottom slamming impact pressure is calculated as a product of the relative colliding velocity squared and the bottom slamming pressure coefficient that is obtained by modification of the SNAME pressure coefficients based on Ochi's slamming experiments. Not only the bottom slamming pressures but also the required bottom plate thicknesses are calculated and compared with those of the classification society rules. The comparisons show good agreements and it is confirmed that the present method is practically very useful for the bottom structure design against ship's bow bottom slamming impacts.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

선저 슬래밍 충격은 오랫동안 연구되어 왔고 각국 선급협회들은 슬래밍 충격에 대비한 보강규정들을 가지고 있다. 이 선급협회 규정들은 그동안의 오랜 연구결과와 경험들을 반영하고 있으므로 본 논문에서는 선저 슬래밍 충격압력과 이를 반영한 선저외판 요구두께를 산출하여 선급규정들 (DNV, 2005; GL, 2002;LR, 2000; KR, 2008; IACS, 2006a; 2006b)에 의한 값들과 비교함으로써 본 계산방법의 실선적용 타당성을 검증하고자 한다.

가설 설정

(1)번∼(3)번 선박은 P1 패널로 가정되었고, (4)번 선박은 P2 패널, (5)번과 (6)번선박은 P3 패널, (7)번 선박은 P4 패널로 가정되었다.
슬래밍 충격에 대비하여 요구되는 선저 외판의 두께는 슬래밍압력 외에 외판패널의 형상과 크기, 재질에 따라서도 달라진다. 본 연구에서는 유사선박들의 선저외판 구조를 참고하여 Fig. 6의 4가지 패널 형태를 정하고, 각 선박에 적절하다고 생각되는 1가지 형태로 각 선박의 선저외판을 가정하였다. (1)번∼(3)번 선박은 P1 패널로 가정되었고, (4)번 선박은 P2 패널, (5)번과 (6)번선박은 P3 패널, (7)번 선박은 P4 패널로 가정되었다.
1에 보인다. 이 선박의 길이 L은 175m이며, 균일흘수5.5m의 경하상태(배수량 12,760 ton)로 가정하였다. Fig.
입사파는 선형 규칙파로 가정하였으며 선체는 강체로 가정하였다. 큰 파고의 파에 의해 발생하는 선박의 과대 종운동들(longitudinal motions)을 적절히 계산하기 위해서는 선체 운동방정식의 유체 정역학 및 동역학 계수들이 과대 운동에 의해 대폭적으로 변화하는 비선형 효과를 적절히 고려하는 시간영역 해법을 이용할 필요가 있다.

제안 방법

선저 슬래밍 압력계수는 Ochi and Motter(1971,1973)의 실험에 바탕을 둔 미국조선학회 압력계수(SNAME, 1993)의 크기를 보정하여 사용한다. 기존의 슬래밍 연구들 (SNAWJ, 1974; 1987; Kim et al., 2003)을 참고하여 설계압력 산출을 위한 선박 운항조건과 설계파 조건을 정하며, 정립된 설계압력 계산법을 이용하여 다양한 여러 실선들의 선저 슬래밍 충격압력을 산출한다. 선저 슬래밍 설계압력뿐 아니라 선저외판의 요구두께도 산출하여 선급규칙들의 설계압력 및 요구두께와 비교하며, 실선적용의 타당성을 검토한다.
본 연구에서는 다른 낙하실험 압력계수들 (Stavovy & Chuang, 1976)을 감안하고 충격이클 때의 입수충격과 선저충격과의 상관관계 등을 고려하여SNAME의 압력계수를 약 2.4배하여 크기를 보정한 압력계수 KS를 사용하였다.
본 연구에서는 선체와 파면과의 상대운동은 시간영역에서의 비선형 시뮬레이션에 의해 계산하고, 산출된 상대속도와 SNAME압력계수 (SNAME, 1993)의 크기를 보정한 압력계수를 이용하여선저 슬래밍 설계압력을 산출하는 방법을 새로 정립하였다.
, 2003)을 참고하여 설계압력 산출을 위한 선박 운항조건과 설계파 조건을 정하며, 정립된 설계압력 계산법을 이용하여 다양한 여러 실선들의 선저 슬래밍 충격압력을 산출한다. 선저 슬래밍 설계압력뿐 아니라 선저외판의 요구두께도 산출하여 선급규칙들의 설계압력 및 요구두께와 비교하며, 실선적용의 타당성을 검토한다.
, 1985). 시간영역 계산과정을 반복하여 운동응답이 주기적인 준 정상상태에 이르게 한 후 한 주기 동안의 운동응답을 비선형 해로 한다. 이 계산법에서는 M_H와 N_H그리고 A를 각 순간의 변화하는 수면하 단면에 대한값들을 사용하므로 과대운동에 따른 이들의 비선형적 변화가 고려되며, 부가질량 M_H의 시간미분항 등에 의한 충격력들도 고려된다.
총 7척의 선박(콘테이너선 4척과 탱커 1척, 산적화물선 2척)에 대해 선저 슬래밍 계산이 수행되었다. 본 연구에서 정립된 방법에 의한 선저 슬래밍 충격압력은 각 선급규칙의 선저 슬래밍 설계압력과 유사한 크기의 압력을 주며, 본 연구의 방법으로 계산된 외판두께도 선급규칙들의 요구두께와 유사함을 보였다.

대상 데이터

선저 슬래밍 계산을 위한 대상선박으로 비교적 다양하게 4척의 콘테이너선과 1척의 탱커, 2척의 산적화물선을 택하였다. 콘테이너선은 선속이 빠르고 방형계수가 작은 비척선(fine ship)에속하며, 탱커와 산적화물선은 상대적으로 선속이 느리고 방형계수가 큰 비대선(full ship)에 속한다.

이론/모형

구조설계 등에 사용할 선저 슬래밍 설계압력의 계산시 계산조건은 슬래밍에 대한 다른 연구들 (SNAWJ, 1974; 1987; Kim etal., 2003)을 참고하여 선속(U)은 설계속도의 70%, 파 방향은선수파, 파고(H_W)는 파장(L_W)에 따라 식 (5)의 Zimmerman의파고식에 의한 값으로 주었다. Fig.
큰 파고의 파에 의해 발생하는 선박의 과대 종운동들(longitudinal motions)을 적절히 계산하기 위해서는 선체 운동방정식의 유체 정역학 및 동역학 계수들이 과대 운동에 의해 대폭적으로 변화하는 비선형 효과를 적절히 고려하는 시간영역 해법을 이용할 필요가 있다. 본 논문에서는 과대 종운동의 계산에 Hwang et al. (1985)의 비선형 스트립법을 사용하였다.
본 논문에서는 큰 파도 중에서의 과대 선체운동을 Hwang et al. (1985)의 비선형 스트립법을 사용하여 시간영역에서 비선형 시뮬레이션 하며, 이 운동 계산결과를 이용하여 선체와 파면과의 상대속도를 산출한다. 선저 슬래밍 압력계수는 Ochi and Motter(1971,1973)의 실험에 바탕을 둔 미국조선학회 압력계수(SNAME, 1993)의 크기를 보정하여 사용한다.
(1985)의 비선형 스트립법을 사용하여 시간영역에서 비선형 시뮬레이션 하며, 이 운동 계산결과를 이용하여 선체와 파면과의 상대속도를 산출한다. 선저 슬래밍 압력계수는 Ochi and Motter(1971,1973)의 실험에 바탕을 둔 미국조선학회 압력계수(SNAME, 1993)의 크기를 보정하여 사용한다. 기존의 슬래밍 연구들 (SNAWJ, 1974; 1987; Kim et al.
이 운동방정식들의 시간영역에서의 해는 초기조건(효율적인 계산을 위해 선형해의 한 순간 상태를 초기상태로 함)으로부터 시작하여 시간의 진행에 따라 운동들을 시간적분 하여 구해 가는데, 시간적분 방법으로는 선형해에서 무조건 안정성이 증명되어 있는 Newmark-β법을 이용한다 (Hwang et al., 1985).

성능/효과

13에 보인다(선급규칙에 의한 외판두께에서 부식여유는 제외하였음). 대체로 선속이 빠른 (1)번～(4)번의 콘테이너선들에서 상대적으로 선저 슬래밍 설계압력이 높아 900 kN/m²～1400 kN/m² 정도의최대압력이 나타나고, 선속이 느린 (5)번～(7)번의 비대선들에서는 이보다 낮은 700 kN/m²～1100 kN/m² 정도의 최대압력이 나타남을 볼 수 있다. 또한 상대적으로 고속인 콘테이너선들에서는 선저 폭이 비교적 후방에서 넓어지므로 최대압력 지점이 상대적으로 후방에서 나타나고 저속인 비대선들에서는 선수쪽에서의선저 폭이 큰 관계로 최대압력 지점이 더 앞쪽에서 나타남도 볼 수 있다.
총 7척의 선박(콘테이너선 4척과 탱커 1척, 산적화물선 2척)에 대해 선저 슬래밍 계산이 수행되었다. 본 연구에서 정립된 방법에 의한 선저 슬래밍 충격압력은 각 선급규칙의 선저 슬래밍 설계압력과 유사한 크기의 압력을 주며, 본 연구의 방법으로 계산된 외판두께도 선급규칙들의 요구두께와 유사함을 보였다.
2에 본 논문의 선저 슬래밍 압력계수 KS를 보인다. 이 압력계수 KS를 사용하여 계산된 4장의 선저 슬래밍 설계압력과 선저 외판 계산결과에서 이 압력계수의 유용성을 확인할 수 있다.
선형해의 한 상태를 초기조건으로 하여 시작된 계산이 비교적 빠르게 과도효과가 소멸되고 준 정상상태(주기적인 반복상태)인 비선형 해에 도달하는 것을 볼 수 있다. 함께 표시한 선형해와 비교하여 본 비선형 계산의 운동들이 다소 작음을 확인할 수 있고, 특히 종동요에서 감소효과가 비교적 큼을 알 수 있다. 본 연구의 운동계산 전산코드에 대한 신뢰성 검증 등은 선행연구들 (Hwang et al.

후속연구

각 선급규칙의 선저 슬래밍 규칙들은 오랫동안 축적된 많은 실선자료에 기초하여 제정 및 개정되어 왔고 본 연구의 계산법이 이 규칙들과 유사한 결과를 주므로, 본 논문의 계산법은 선저 슬래밍에 대비한 실선의 강도설계에 무난히 적용될 수 있을 것으로 판단된다.
13에 보인 비교를 통하여 대체로 본 연구의 방법이 각 선급규칙의 선저 슬래밍 설계압력과 유사한 크기의 압력을 주며, 요구하는 외판두께도 선급규칙들의 요구두께와 유사하다고 할 수 있다. 각 선급의 선저 슬래밍 규칙은 오랜 연구결과와 실선적용의 경험들을 반영하고 있고 본 연구의 방법이 이 규칙들과 유사한 결과를 주므로, 본 연구의 방법은 선저 슬래밍에 대비한 실선의 구조 강도설계에 무난히 적용할 수 있을 것으로 생각된다.
따라서 슬래밍 충격에 따른 실선 문제들을 해결하기 위해서는 관련 유동의 엄밀한 해석보다는 선체운동의 수치 계산과 슬래밍 실험계수 등을 융합하여 필요한 설계압력 등을 산출하는 계산법이 적절하다고 할 수 있다. 또한 실제 충격압력의 복잡한 변화를 자세하게 고려하기 보다는 국부강도 검토에 편리하게 이용할 수 있는 등가정수압(충격압력을 같은 크기의 구조변형을 유발 할 수 있는 등가의 정수압으로 대체한 압력)의 추정과 이를 이용한 설계법의 개발이 실용적이라고 할 수 있다. 그동안의 파랑충격에 대한 실용적 연구들도 주로 이 등가정수압 개념의 충격압력 산출에 중점을 두고 수행되어 왔고 선급규칙들의 설계압력도 이 압력을 반영하고 있다고 할 수 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	선저 슬래밍은 어떤 과정에서 발생하는가?	선저 슬래밍은 선수부 선저의 비교적 평탄한 선체 부분이 수면 밖으로 노출되었다가 수면에 재돌입하는 과정에서 발생하며,선수부 선저에 국부적으로 큰 충격압력과 충격력을 발생시키는대표적인 충격현상이다. 이 선저 슬래밍은 풍력을 이용하는 범선시대를 지나 기관이 선박에 장착되고 배가 거친 해상에서 바람과 파도를 거스르며 항해가 가능해지면서부터 발생하였다고 할 수 있고, 현재까지 비교적 오랫동안 연구되어 왔다 (Wagner, 1932;Ochi & Motter, 1971; 1973; Stavovy & Chuang, 1976; Hwanget al.
	선저슬래밍 등의 충격현상의 공학적 대처가 충분하지 못한 이유는?	, 2013). 그러나 오랜 연구에도 불구하고 선저슬래밍 등의 충격현상은 본질적으로 매우 격렬하고 복합적인 현상이기 때문에 관련 충격현상에 대한 유체역학적 해석이나 공학적 대처가 아직 충분하다고 할 수 없으며, 이에 의한 선체손상사고들도 발생하고 있어 충격크기의 적절한 산출과 이를 반영한 구조 설계의 개선이 계속 요구되고 있다.
	실선의 슬래밍 충격시 유동현상을 직접 시뮬레이션 하는 것이 어렵기 때문에 사용해야 하는 다른 적절한 방법은?	실선의 슬래밍 충격시 유동현상을 실제 설계에 적용할 수 있는 수준으로 적절하게 직접 시뮬레이션 하여 충격압력 등을 산출하는 것은 현재로서는 어려운 실정이고 앞으로도 상당기간 실현되기 어려울 것이다. 따라서 슬래밍 충격에 따른 실선 문제들을 해결하기 위해서는 관련 유동의 엄밀한 해석보다는 선체운동의 수치 계산과 슬래밍 실험계수 등을 융합하여 필요한 설계압력 등을 산출하는 계산법이 적절하다고 할 수 있다. 또한 실제 충격압력의 복잡한 변화를 자세하게 고려하기 보다는 국부강도 검토에 편리하게 이용할 수 있는 등가정수압(충격압력을 같은 크기의 구조변형을 유발 할 수 있는 등가의 정수압으로 대체한 압력)의 추정과 이를 이용한 설계법의 개발이 실용적이라고 할 수 있다.

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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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