최근, 레저활동 인구 및 산업의 비약적인 발전으로 인하여 소규모 부잔교 및 계류형 폰툰 플랫폼의 수요가 급증하고 있으며, 연안에서 주로 사용되는 구조물에 대한 설계 및 구조안전성 평가에 관련한 표준 규칙 및 상세 규칙에 대한 제정이 시급하다. 이러한 문제점들에 대한 기본적인 해결책으로 본 논문에서는 설계 시 참고할 수 있는 설계 기준을 제시하고, 설계안에 대한 구조안전성 평가 절차에 대해서도 소개한다. 본 연구논문에서는 전장 15 m 폰툰형 플랫폼의 구조설계 과정 및 유한요소해석을 통한 구조 안전성을 검토하였다. 일반적인 10 m 이하 플랫폼의 경우, 간략한 구조계산서만으로도 검토가 가능하나, 10 m 이상의 플랫폼의 경우 상세 구조강도 검토가 뒷받침되어야만 기준에서 제시하는 안전성 확보를 위한 지침에 부합할 수 있다. 유한요소해석을 통하여 설계안에 대한 구조강도 검토를 수행하였으며, 그 안전성을 확인하였다. 추후 연구로서는 다양한 하중조건을 동시에 검토할 수 있는 시스템개발이다.
최근, 레저활동 인구 및 산업의 비약적인 발전으로 인하여 소규모 부잔교 및 계류형 폰툰 플랫폼의 수요가 급증하고 있으며, 연안에서 주로 사용되는 구조물에 대한 설계 및 구조안전성 평가에 관련한 표준 규칙 및 상세 규칙에 대한 제정이 시급하다. 이러한 문제점들에 대한 기본적인 해결책으로 본 논문에서는 설계 시 참고할 수 있는 설계 기준을 제시하고, 설계안에 대한 구조안전성 평가 절차에 대해서도 소개한다. 본 연구논문에서는 전장 15 m 폰툰형 플랫폼의 구조설계 과정 및 유한요소해석을 통한 구조 안전성을 검토하였다. 일반적인 10 m 이하 플랫폼의 경우, 간략한 구조계산서만으로도 검토가 가능하나, 10 m 이상의 플랫폼의 경우 상세 구조강도 검토가 뒷받침되어야만 기준에서 제시하는 안전성 확보를 위한 지침에 부합할 수 있다. 유한요소해석을 통하여 설계안에 대한 구조강도 검토를 수행하였으며, 그 안전성을 확인하였다. 추후 연구로서는 다양한 하중조건을 동시에 검토할 수 있는 시스템개발이다.
Recently, due to the rapid growth of the leisure industry, demand for small-scale flotation and mooring pontoon platforms has been increasing rapidly. Standard rules for the design and structural safety of such structures have become necessary. This paper provides criteria that can be referenced whe...
Recently, due to the rapid growth of the leisure industry, demand for small-scale flotation and mooring pontoon platforms has been increasing rapidly. Standard rules for the design and structural safety of such structures have become necessary. This paper provides criteria that can be referenced when designing pontoon platforms, and also introduces structural safety evaluation procedures. In this study, the structural safety and stability of a 15-meter pontoon platform were investigated through structural design and finite element analysis. For platforms of less than 10 meters in length, a simple structural calculation can be used, but for platforms over 10 meters, a detailed structural strength review must be considered to meet safety guidelines defined in existing regulations. The structural strength of the initial design was examined and its structural safety was verified. For future research, it is an evaluative system was developed that can be used to examine the various loading conditions during design.
Recently, due to the rapid growth of the leisure industry, demand for small-scale flotation and mooring pontoon platforms has been increasing rapidly. Standard rules for the design and structural safety of such structures have become necessary. This paper provides criteria that can be referenced when designing pontoon platforms, and also introduces structural safety evaluation procedures. In this study, the structural safety and stability of a 15-meter pontoon platform were investigated through structural design and finite element analysis. For platforms of less than 10 meters in length, a simple structural calculation can be used, but for platforms over 10 meters, a detailed structural strength review must be considered to meet safety guidelines defined in existing regulations. The structural strength of the initial design was examined and its structural safety was verified. For future research, it is an evaluative system was developed that can be used to examine the various loading conditions during design.
* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.
문제 정의
본 연구논문에서는 전장 15 m 폰툰형 플랫폼의 구조설계과정 및 유한요소해석을 통한 구조 안전성을 검토하였다. 일반적인 10 m 이하 플랫폼의 경우, 간략한 구조계산서만으로도 검토가 가능하나, 10 m 이상의 플랫폼의 경우 상세 구조강도 검토가 뒷받침 되어야만 기준에서 제시하는 안전성확보를 위한 지침에 부합할 수 있다.
앞서 언급한 메카플로트 분야는 초대형 프로젝트이므로, 설계 및 구조안전성 평가에 관련한 다양한 기준들이 확립되어 있다 최근 레저활동 인구 및 산업의 비약적인 발전으로 인하여 소규모 부잔교 및 계류형 폰툰 플랫폼의 수요가 급증하고 있으며, 관련 구조에 대한 설계 및 구조안전성 평가에 관련한 표준 규칙 및 상세 규칙에 대한 개발이 시급하다. 이러한 문제점들에 대한 기본적인 해결책으로 본 논문에서는 설계 시 참고할 수 있는 설계 기준을 제시하고, 설계안에 대한 구조안전성 평가 절차에 대해서도 소개한다.
향후 연구과제로서는 다양한 설계 조건을 종합적으로 반영할 수 있는 설계 시스템 개발이며 이러한 연구를 위하여 본 연구에서는 기초적인 검토 및 절차에 대해서 검토하였다.
가설 설정
구조적 안정성 검토는 폰툰의 한쪽 부분에만, 1인당 평균 100 kg의 체중을 가진 20명이 한쪽 부체에 집중적으로 놓여있는 경우를 산정하였다. 본 해석에서 가정한 하중조건은 이 부체구조물을 운용하면서 발생할 수는 없겠지만, 본 부체구조물의 주요치수 특성상, 길이에 비해 폭이 과대하게 넓은 구조물인 점을 반영하여 보수적인 가정을 하였다.
제안 방법
4의 구조해석은 부력을 받고 있는 상태의 부체구조물이 도교의 집중하중만을 받을 경우를 산정하여 구조응력과 처짐을 계산하였다. 도교의 폭을 대략적으로 1.5 m로 산정하여, 그 해당영역의 구조적 안정성을 확인하기 위하여 집중하중(9.289 ton)을 해당 면적에 분산하여 적용하였다. 본 구조물은 차후 여러 개의 부잔교로 연결되었을 경우, 연결부위를 어떻게 체결하느냐에 따라서 해석에서 고려할 조건이 변경되겠지만 현재의 조건은 부체 간 체결조건이 힌지(Hinge)구조로 하였을 경우를 산정하였다.
해안 및 해상에서의 접근성이 용이한 경우에는 폰툰과 바지선 형태가, 선박에 의한 접근의 경우에는 반잠수정 플랫폼으로 크게 분류하고 있다. 도쿄만의 메가플로트를 일례로 언급하면서, 중요한 설계 인자로서 유탄성응답에 대한 기술적 신뢰성 확보를 통하여 육상의 포화상태 시설들의 연안 해역으로의 이동을 제안하였다.
따라서 본 연구에서는 항만설계기준(MOF, 2005)을 바탕으로, 폰툰형 플랫폼의 구조설계를 수행하였으며, 유한요소해석을 통한 상세 구조강도 검토를 통하여, 개발모델의 구조안전성을 확인하였다. 본 연구를 통하여 도출된 주요 결과는 향후 폰툰형 플랫폼의 구조설계 및 구조강도 평가에 관련한 기초적인 자료로 유용하게 활용될 것으로 판단된다.
보통 FRP형태의 부잔교의 설계 시 전장을 12 m 이상을 넘지 않도록 하며, 본 연구에 사용된 전장은 15 m로 대형화에 따른 구조적인 문제가 발생할 수 있을 가능성이 존재한다. 따라서, 본 설계에서는 격벽부재를 주로 활용하여, 예상된 설계하중을 충분히 만족하며, 예상치 못한 충격력이나, 하중에 대해서도 안정성 확보가 필요하기 때문에, 폰툰형태의 구조 배열을 이용하였다. 이와 관련된 기존의 선행연구는 아래와 같이 요약하였다.
(2016)는 콘크리트 부잔교의 현장실험과 수치해석을 통해 구조물의 동적특성을 추출하고, 구조계 추정기법을 수행하여 대상구조물의 강성을 추정하였다. 또한 파랑하중에 의한 구조물 내의 응력분포를 구하고 DNV-code와 추정한 강성을 토대로 작성한 S-N curve를 이용하여 각 피로하중에 의한 피로손상도를 구하였으며, 누적손상법을 통해 잔존수명을 평가하였다.
5의 구조해석 결과는 다음과 같다. 먼저 하중조건 CASE 2의 경우를 산정하였으며, 플랫폼 구조물 자체자중과 부가중량 그리고 외력하중(풍하중 및 파력하중)을 고려하였다. 부가중량은 운용 중에 필요한 여러 가지 계류장비 및 장비 운용에 필요한 연료보관장치들을 반영하였다.
본 연구에서는 유한요소법(Finite Element Method)를 근간으로 하여 탄성스프링 거동을 고려하는 탄성해석을 상용프로그램인 ANSYS Mechanical solver(ANSYS, 2016)를 이용하여 구조강도 검토를 수행하였다. 모델링 시, 4절점을 갖는 shell 181 요소를 적용하였으며, 보강재는 Beam 3 요소를 적용하여, 설계 하중에 대해 구조적인 응답이 정확하게 구현하도록 반영하였다. 해석에 사용된 유한요소수는 약 12,000개이며, 처짐형상 및 응력결과 판단 시 충분할 조건이며, 연구에서 개발하고자 하는 플랫폼은 부력을 받는 상태에서 계류되어 있으며, 구조물의 응답 시 부력의 효과를 고려하기 위하여, 각 절점에 스프링요소를 체결하여, 구조응답에 부력의 효과를 나타내도록 경계조건을 설정하였으며, Fig.
289 ton)을 해당 면적에 분산하여 적용하였다. 본 구조물은 차후 여러 개의 부잔교로 연결되었을 경우, 연결부위를 어떻게 체결하느냐에 따라서 해석에서 고려할 조건이 변경되겠지만 현재의 조건은 부체 간 체결조건이 힌지(Hinge)구조로 하였을 경우를 산정하였다. 설계된 구조물에서는 도교의 집중하중으로 인하여, 약 13 mm의 처짐이 발생하게 된다.
부유체에 스프링이 부착된 노드의 경계조건은 고정으로 하였으며 지지면에 부착된 노드는 부유체의 상/하 방향에 대한 자유도를 고정하였다. 부력은 해수의 단위중량과 해수에 잠긴 부분의 부피에 대한 함수이며, 부력스프링의 탄성값은 하중과 변위의 함수로서 아래의 식(6)을 이용하였다.
(2005)는 500 m× 300 m 크기의 부유식마리나 리조트에 대한 구체적인 설계 과정에 대해서 소개하고, 유탄성 응답해석을 통하여 구해진 결과값을 활용하여, 각 구조부재들의 구조설계를 수행하였다. 상세 구조강도 평가를 위하여, ANSYS 소프트웨어를 활용하여 동적해석을 수행하여 구조설계의 유용성을 검토하였다.
6년간의 연구를 바탕으로 하여, 길이 1000m, 폭 60 m, 깊이 3 m의 상자형 대형 부유식 구조물을 제작하였다. 해상공항으로 활용할 가능성을 점검하기 위하여, 이 구조물 위에서 해안 관광 및 정찰용으로 주로 사용하는 경비행기의 이/착륙 실험을 250회나 수행하였다. 이 연구를 통하여, 대형 부유식 구조물에 관련한 기본 요소 기술은 대부분 개발되었다.
모델링 시, 4절점을 갖는 shell 181 요소를 적용하였으며, 보강재는 Beam 3 요소를 적용하여, 설계 하중에 대해 구조적인 응답이 정확하게 구현하도록 반영하였다. 해석에 사용된 유한요소수는 약 12,000개이며, 처짐형상 및 응력결과 판단 시 충분할 조건이며, 연구에서 개발하고자 하는 플랫폼은 부력을 받는 상태에서 계류되어 있으며, 구조물의 응답 시 부력의 효과를 고려하기 위하여, 각 절점에 스프링요소를 체결하여, 구조응답에 부력의 효과를 나타내도록 경계조건을 설정하였으며, Fig. 3에 나타내고 있다.
대상 데이터
6년간의 연구를 바탕으로 하여, 길이 1000m, 폭 60 m, 깊이 3 m의 상자형 대형 부유식 구조물을 제작하였다. 해상공항으로 활용할 가능성을 점검하기 위하여, 이 구조물 위에서 해안 관광 및 정찰용으로 주로 사용하는 경비행기의 이/착륙 실험을 250회나 수행하였다.
구조적 안정성 검토는 폰툰의 한쪽 부분에만, 1인당 평균 100 kg의 체중을 가진 20명이 한쪽 부체에 집중적으로 놓여있는 경우를 산정하였다. 본 해석에서 가정한 하중조건은 이 부체구조물을 운용하면서 발생할 수는 없겠지만, 본 부체구조물의 주요치수 특성상, 길이에 비해 폭이 과대하게 넓은 구조물인 점을 반영하여 보수적인 가정을 하였다.
보통 FRP형태의 부잔교의 설계 시 전장을 12 m 이상을 넘지 않도록 하며, 본 연구에 사용된 전장은 15 m로 대형화에 따른 구조적인 문제가 발생할 수 있을 가능성이 존재한다. 따라서, 본 설계에서는 격벽부재를 주로 활용하여, 예상된 설계하중을 충분히 만족하며, 예상치 못한 충격력이나, 하중에 대해서도 안정성 확보가 필요하기 때문에, 폰툰형태의 구조 배열을 이용하였다.
Table 1에서는 개발 대상물의 주요치수를 나타내고 있다. 본 연구에서 개발하고자 하는 플랫폼은 길이방향 및 폭방향에 3개의 격벽을 포함하고 있으며, 종/횡 방향으로 복수개의 보강재로 구성된다.
접안이 가능한 대상선박 제원은 총톤수 20톤급의 FRP 재질을 이용한 어선으로 선정하였다.
이론/모형
본 연구에서는 유한요소법(Finite Element Method)를 근간으로 하여 탄성스프링 거동을 고려하는 탄성해석을 상용프로그램인 ANSYS Mechanical solver(ANSYS, 2016)를 이용하여 구조강도 검토를 수행하였다. 모델링 시, 4절점을 갖는 shell 181 요소를 적용하였으며, 보강재는 Beam 3 요소를 적용하여, 설계 하중에 대해 구조적인 응답이 정확하게 구현하도록 반영하였다.
이 재료는 조선소별 적층방법에 차이가 있기 때문에, 정확한 수치는 재료시험을 통하여 추정할 수 있다. 본 연구에서는 참고문헌(MOF, 2013)에서 규정하고 있는 기준의 값을 적용하였다.
성능/효과
(1) 초기 개발제원 선정 시 구조설계 상 종/횡 격벽배치를 중심으로 구조설계를 진행하였으며, 하중을 적용한 결과, 격벽이 수직하중을 충분히 지지하고 있음을 확인하였다.
(2) 낚시어선의 충돌 시 플랫폼의 선측에서 최대응력이 발생하지만, 허용응력 대비 약 72 % 구조강도 여유를 확인하였다. 장기간 사용에 의한 구조 누적손상 위험률을 예방하기 위해서는 충분한 안전율을 반영한 설계가 필요하며, 현재의 구조설계는 이를 충분히 반영하였다고 판단된다.
본 연구에서 적용한 탄성해석 기법은 하중 횟수에 의한 누적 손상에 대해서는 고려하지 않기 때문에, 장기간 사용에 의한 구조 누적손상 위험률을 예방하기 위해서는 충분한 안전율을 반영한 설계가 필요하며, 현재의 구조설계는 이를 충분히 반영하였다고 판단된다.
(2006)는 폰툰형의 대형 부유식 구조물의 데크부에 적재되는 하중종류 및 방법에 따른 처짐을 효과적으로 제어하기 위하여, 선저부분에 유체의 흐름이 가능하도록 아가미세포 구조를 적용하였다. 이 구조를 활용하여, 구조강성을 유지하면서 적재하중 편향에 따른 처짐 및 굽힘응력을 현저하게 감소시키는 것을 확인하였다. 본 연구에서 도출된 주요 결론은 컨테이너 터미널의 폰툰형 대형 플랫폼에 적용가능할 것으로 예상된다.
7MPa이 발생하였다. 주변 구조부재의 응력수준은 상당히 낮으며, 이 값은 허용응력의 약 25%에 해당되며, 충분한 구조강도 여유를 확인하였다.
(2016)는 부잔교의 제작 시 사용되는 여러 가지 재료 중, 고성능 콘크리트를 활용하여 부잔교 1-cell에 해당하는 부분의 실험체를 제작하고, 부잔교 바닥판의 성능을 파악하기 위하여 압축강도 실험을 수행하고 그 결과를 분석하였다. 주요 결론으로서 고성능 콘크리트를 활용한 부잔교는 구조적 측면에서 가능함을 실험을 통하여 증빙하였다.
주요부재에 대한 구조설계를 수행하기 위하여, 한국선급 FRP 규칙(KR, 2009)을 활용하여 설계한 결과를 Table 4에 나타내고 있다. 판 및 보강재에 대해서 모두 적용 기준을 만족해야 하며, 개발모델의 경우, 허용 하한치를 모두 상회하였으며, 현장 제작성을 감안하여 부재 크기를 결정하였다.
후속연구
따라서 본 연구에서는 항만설계기준(MOF, 2005)을 바탕으로, 폰툰형 플랫폼의 구조설계를 수행하였으며, 유한요소해석을 통한 상세 구조강도 검토를 통하여, 개발모델의 구조안전성을 확인하였다. 본 연구를 통하여 도출된 주요 결과는 향후 폰툰형 플랫폼의 구조설계 및 구조강도 평가에 관련한 기초적인 자료로 유용하게 활용될 것으로 판단된다.
이 구조를 활용하여, 구조강성을 유지하면서 적재하중 편향에 따른 처짐 및 굽힘응력을 현저하게 감소시키는 것을 확인하였다. 본 연구에서 도출된 주요 결론은 컨테이너 터미널의 폰툰형 대형 플랫폼에 적용가능할 것으로 예상된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
해상 및 해양공간은 어떤 역할을 해왔는가?
해상 및 해양공간은 오래 전부터 교통 및 물류 수송의 역할과 함께, 어업의 장소로서도 중요한 역할을 해왔었다. 특히 국토가 좁고 임해지대에 공업이 집중된 우리나라의 특성상 해양공간의 활용이 절실히 요구되어지고 있다.
보통 FRP형태의 부잔교의 설계 시 사용하는 전장의 크기는?
보통 FRP형태의 부잔교의 설계 시 전장을 12 m 이상을 넘지 않도록 하며, 본 연구에 사용된 전장은 15 m로 대형화에 따른 구조적인 문제가 발생할 수 있을 가능성이 존재한다. 따라서, 본 설계에서는 격벽부재를 주로 활용하여, 예상된 설계하중을 충분히 만족하며, 예상치 못한 충격력이나, 하중에 대해서도 안정성 확보가 필요하기 때문에, 폰툰형태의 구조 배열을 이용하였다.
부잔교의 제작 시 사용되는 여러 가지 재료 중 Choi et al.(2016)의 연구에서 주목한 것은?
(2016)는 부잔교의 제작 시 사용되는 여러 가지 재료 중, 고성능 콘크리트를 활용하여 부잔교 1-cell에 해당하는 부분의 실험체를 제작하고, 부잔교 바닥판의 성능을 파악하기 위하여 압축강도 실험을 수행하고 그 결과를 분석하였다. 주요 결론으로서 고성능 콘크리트를 활용한 부잔교는 구조적 측면에서 가능함을 실험을 통하여 증빙하였다.
참고문헌 (12)
ANSYS Multiphysics User's manual(2016), Introduction of nonlinear analysis and it's application of plate buckling and ultimate strength, Vol. 3, pp. 85-110.
Choi, E. S., J. W. Lee, S. J. Kim and W. J. Kwark(2016), Performance Evaluation of Floating Bridge using the High Performance Concrete, Proceedings of Korean Society of Civil Engineering, pp. 65-66.
Cheo, S. Y., S. Y. Park and S. H. Choi(2016), Residual life assessment of a concrete floating pier, Journal of Korean Society Hazard Mitigation, Vol. 16, No. 5, pp. 31-39.
Dean, R. G. and R. A. Dalrymple(1991), Water wave mechanics for engineers and scientists, World Scientific Publishing, Singapore.
KFRA(2005), Design of fishing port facility, Chapter 13.2, pp. 157-158.
KR(2009), Guidelines of FRP rules and application Chapter 7, pp. 1-57.
Miguel, L. P., L. Gregorio and C. Luis(2005), A review of very large floating structures (VLFS) for coastal and offshore uses, Ocean engineering, Vol. 109, pp. 677-690.
Ministry of Oceans and Fisheries(2013), Structural design of FRP boat, Note of Ministry of Oceans and Fisheries No. 2013-227, pp. 7-22.
NORSOK N-001(2001), Integrity of offshore structures-Serviceability limit states, Chapter 7, pp. 19-21.
Park, S. W., T. K. Lee and S. Y. Hong(2005), A Study on Preliminary Structural Design of Pontoon Type VLFS, Journal of the Society of Naval Architects of Korea, Vol. 42, No. 6, pp. 644-653.
Wang, C. M., T. Y. Wu, Y. S. Choo, K. K. Ang, A. C. Toh, W. Y. Mao and A. M. Hee(2006), Minimizing differential deflection in a pontoon-type, very large floating structure via gill cells, Marine Structures, Vol. 19, Issue 1, pp. 70-82.
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.