[논문]파이프 지지구조와 하부 보강의 설계와 강도 평가에 관한 연구

김을년

doi:10.3744/snak.2019.56.3.187

Abstract ▼ AI-Helper

In the case of gas carriers and oil tankers, pipes are installed on the upper deck as a moving passage to load LPG, LNG, crude oil, etc. Pipes used for loading or unloading liquid cargo in cargo holds are connected to the hull through support structures. However, many cases of hull damage have been ...

In the case of gas carriers and oil tankers, pipes are installed on the upper deck as a moving passage to load LPG, LNG, crude oil, etc. Pipes used for loading or unloading liquid cargo in cargo holds are connected to the hull through support structures. However, many cases of hull damage have been reported where the various equipment and support structures are installed on the upper deck. It is assumed that not only the structural discontinuity where the hull and the pipe support structure meet, but also action due to the pipe loads and the hull girder bending moment are simultaneously affected. This paper deals with the design and strength evaluation of the support structure of pipes and cables installed on the upper deck of commercial ships and offshore structures. For these supporting structures, design conditions and working loads were defined. The design procedure was established through the structure analysis on the method of determining the member dimensions. A series of finite element analysis was performed on the factors to be considered in the design and the effects were discussed. The accuracy and design periods of the strength evaluation was improved and reduced by application of the automation program in the finite element analysis. It is also expected that the design reliability of the shipyard is improved.

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AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 2.1절에서 열거한 어려움들을 극복하기 위한 하나의 방법을 제시한다. 즉, 설계자가 손쉽게 사용할 수 있는 유한 요소 모델링 자동화 프로그램을 개발하여 선주의 요구사항에 적극 대응하며 설계에 많은 영향을 미치는 구조부재들의 특성을 분석하여 초기 설계 단계에서 적용 가능한 가이드를 제공하고자 한다.
1절에서 열거한 어려움들을 극복하기 위한 하나의 방법을 제시한다. 즉, 설계자가 손쉽게 사용할 수 있는 유한 요소 모델링 자동화 프로그램을 개발하여 선주의 요구사항에 적극 대응하며 설계에 많은 영향을 미치는 구조부재들의 특성을 분석하여 초기 설계 단계에서 적용 가능한 가이드를 제공하고자 한다.
그러나 지지구조가 복잡하고 수행해야 할 경우의 수가 많기 때문에 유한요소법에 의한 선형/비선형 해석을 수행하는데 많은 시간이 소요된다. 이를 해결하기 위하여 본 연구에서는 유한요소 구조해석 모델 구성과 하중 생성을 쉽게 할 수 있는 유한요소 모델링 자동화 프로그램을 개발하였다.
본 논문은 파이프 지지구조와 선체하부 구조물의 설계와 강도 평가 대하여 현재 나타나는 문제점들을 열거하였으며 그 해결방법으로 보다 신속하고 정확하게 강도평가를 수행하기 위하여 유한요소 모델링 자동화 프로그램을 개발하였다. 이를 이용한 시리즈 구조 해석을 수행하고 이론적 계산 결과와 비교하여 중요 설계 인자들의 영향을 검토하였다.
본 논문은 상선과 해양구조물의 상갑판 상에 설치되는 파이프 지지구조와 그 하부의 선체보강을 위한 설계와 강도 평가에 관한 것이다. 지지구조의 설계 개념과 작용 하중들을 정의하였으며 부재치수를 결정하는 방법을 정립하기 위하여 유한요소 모델링 자동화 프로그램을 개발하여 시리즈 구조 해석을 수행하고 덧판(double plate), 카링(carling) 등 설계인자들의 영향을 이론적 계산 결과와 비교/검토 하였다.

가설 설정

상갑판을 고려하지 않고 순수하게 카링만으로 고려한 Fig. 20 (a)에서 양끝단을 단순지지로 계산한 이론적 계산 값은 단순 지지 또는 스닙한 형상으로 모델링한 유한요소해석 결과와 비교적 잘 일치한다. 그러나 양끝단을 완전 고정으로 계산한 이론적 값은 경계조건을 완전 고정으로 수행한 유한요소 결과(ideal 조건)와 잘 일치하나 카링과 보강재를 용접으로 연결한 조건(real) 보다는 처짐량이 적게 나타난다.

제안 방법

파이프 지지구조는 해양구조물의 상부모듈(topside module)을 지지하는 대규모 지지구조도 있지만 본 연구에서는 소규모의 파이프/케이블 지지구조에 대한 설계와 강도 평가를 다룬다.
파이프로부터 지지구조에 전달되는 하중을 구하기 위하여 사용하는 프로그램으로는 CAESAR II(2018) 또는 MSC/NASTRAN (2015)과 같은 상용 유한요소 해석 등이 있다. 파이프로부터의 하중과 선체굽힘에 의한 하중을 설계하중으로 선정하고 지지구조와 선체 하부보강재의 치수를 결정한다.
지지구조의 형태와 재질 등 설계개념이 확립되면 각종 작용하중들을 계산하고 과거 경험적 자료로 초기 치수를 선정한다. 이후 유한요소해석 또는 이론적 설계식으로 계산과 해석 그리고 강도평가를 수행한다.
우선 파이프 지지구조의 치수와 형상이 결정되면 덧판의 설치유무와 치수를 결정한다. 다음으로 하부 카링의 치수와 개수를 결정하고 필요 시 보강재의 치수를 조절하며 설계를 수행한다. 이들 과정을 이론적 계산으로 강도 평가를 수행하는 것에 어려움이 있다.
유한요소 모델링 자동화 프로그램 개발은 MSC/PATRAN (2015) 환경에 구동하도록 구축하였다. 즉, PATRAN화면의 Command창에 Option으로 부착하여 필요 시 사용하도록 구축하였으며 부재치수와 크기, 하중 등을 입력하면 자동으로 비선형 해석을 위한 준비가 되도록 구성하였다. 용접비드와 덧판은 3차원 입체요소를 사용하였으며 일반 다른 부재들은 판부재로 모델링 하도록 하였다.
용접비드와 덧판은 3차원 입체요소를 사용하였으며 일반 다른 부재들은 판부재로 모델링 하도록 하였다. 하중 작용점과 지지구조 사이의 연결은 MPC요소를 사용하여 연결하도록 하였으며 덧판과 상갑판 사이는 갭요소를 사용하여 인장 또는 굽힘하중이 작용할 때 보다 현실적 거동을 잘 반영하도록 하였다.
통상 구조물 설계는 최종 한계상태(ultimate limit state, ULS), 피로 한계상태(fatigue limit state), 사고 한계상태(accidental limit state), 서비스 한계상태(serviceability limit state)로 수행한다. 이중, 최종 한계상태로 설계시 구조부재의 작용응력을 평가하기 위하여 허용응력을 선정하여야 하는데 Table 1은 유한요소의 크기에 따라 DNVGL AS(2015b)와 IACS(2015)를 기준으로 허용응력을 결정한 예이다.
본 논문은 파이프 지지구조와 선체하부 구조물의 설계와 강도 평가 대하여 현재 나타나는 문제점들을 열거하였으며 그 해결방법으로 보다 신속하고 정확하게 강도평가를 수행하기 위하여 유한요소 모델링 자동화 프로그램을 개발하였다. 이를 이용한 시리즈 구조 해석을 수행하고 이론적 계산 결과와 비교하여 중요 설계 인자들의 영향을 검토하였다.
본 논문은 상선과 해양구조물의 상갑판 상에 설치되는 파이프 지지구조와 그 하부의 선체보강을 위한 설계와 강도 평가에 관한 것이다. 지지구조의 설계 개념과 작용 하중들을 정의하였으며 부재치수를 결정하는 방법을 정립하기 위하여 유한요소 모델링 자동화 프로그램을 개발하여 시리즈 구조 해석을 수행하고 덧판(double plate), 카링(carling) 등 설계인자들의 영향을 이론적 계산 결과와 비교/검토 하였다.

성능/효과

이로써 지지구조의 수가 많아서 발생하는 유한요소 모델 생성 시간을 절감하며 덧판 설치로 나타나는 인장과 굽힘하중에서의 접촉(gap)부의 거동, 지지부재 하부보강을 위한 카링 개수와 치수 결정, 하중 작용점에서의 힘의 전달, 선체 종굽힘모멘트에 의하여 유발된 응력 등을 정확히 묘사하는 것이 가능하다. 또한 구조해석 모델을 자동으로 구성하고 재료의 물성치, 경계와 하중조건 등 일련의 작업들을 자동화하여 신속하고 정확하게 구조 부재 치수를 결정하는 것이 가능하다.
12는 상갑판부에 지지구조를 덧판 없이 설치하고 파이프로부터 전달된 수직하중과 선체 종굽힘모멘트를 작용하였을 때 나타난 von-Mises 등가응력 분포를 나타낸 것이다. (a) 경우는 파이프로부터 전달된 수직하중(P)만 작용하였을 때로 지지구조 하부의 중앙부에서 최대 인장응력이 발생하는 것으로 나타났다. (b) 경우는 파이프로부터 전달된 수직하중(P)과 선체의 호깅 (hogging, H) 굽힘모멘트를 동시에 작용하는 경우로, 최대 인장응력이 굽힘모멘트의 영향으로 지지구조 좌우에서 나타나지만 최소 응력은 지지구조 직하방 테두리에서 나타났다.
21과 동일한 계산 결과에 대하여 굽힘응력 (σ_act)을 재료의 항복응력(σ_yield)으로 나누어 무차원한 것을 나타내었다. 상갑판 없이 순수하게 카링만으로 계산한 결과에 의하면 이론적 계산 값이 유한요소 해석 결과보다 큰 응력 값을 나타내고 있다. 데크판의 유효폭 개념을 도입하여 계산하면 카링만으로 계산한 응력보다 약 절반 정도로 된다.
25는 지지구조를 카링과 종보강재가 교차하는 곳에 설치하고 카링의 끝단과 종보강재는 용접으로 연결하고 카링을 연속 배치한 구조물에 대한 유한요소 구조해석 결과이다. 나타난 von-Mises 등가응력 분포를 보면 카링보다 강성이 큰 종보강재로 주 하중이 분배됨을 알 수 있다.
처짐의 경우, 상갑판 없이 순수하게 종보강재와 카링만으로된 구조에서는 이론적 계산 값은 실제 경계조건을 고려한 유한 요소 해석보다 대체로 안전측에서 나타났다. 여기서 ideal은 카링과 보강재에 대한 계산시 양끝단을 완전히 고정한 것이고 real 은 유한요소 구조해석에서 인접부재와의 연결상에 실제 경계조건을 부여한 것이다.
27은 카링의 개수 변화와 덧판의 설치 유무에 따른 응력 변화를 나타낸 것이다. 카링 개수가 증가함에 따라 나타나는 응력은 감소하는 것으로 나타났으며 덧판이 없는 경우가 있는 경우보다 크게 나타났다.
ⅲ) 지지구조 하부에 카링을 설치하는 경우에 대하여 유한요소법으로 설계영향 인자들을 변화시키면서 강도 변화를 검토하였으며 이론적 계산 결과는 설계 목적으로 사용할수 있음을 확인하였다.
ⅳ) 지지구조 하부에 카링과 종보강재를 동시에 설치하는 경우에 대하여 이론적 계산식을 제시하였으며 유한요소 해석 결과와 비교하여 설계에 적용 가능하다는 것을 확인 하였다.

후속연구

ⅴ) 유한요소 모델링 자동화 프로그램을 개발하여 구조해석을 정확하고 신속히 수행할 수 있도록 하였으며 설계업무의 능률향상이 기대된다.
ⅵ) 본 연구의 수행으로 파이프 지지구조와 하부구조 보강에 대한 강도 평가에 소요되는 공기의 단축과 계산 정확도의 향상이 기대된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	가스선과 유조선에 설치된 파이프의 역할은 무엇인가?	1은 선박의 상갑판상에 설치된 파이프 지지구조와 그 하부 선체 보강을 나타낸 것이다. 가스선과 유조선에 설치된 파이프는 LPG, LNG, 원유 등을 선체내부의 화물창에 적재하거나 외부로 하역 위하여 이동 통로로 사용하며 지지구조를 통하여 선체에 연결되고 지지구조 하부는 통상 카링, 덧판 그리고 브랏켓 등으로 보강한다.
	덧판의 두께 변화에 따른 처짐량의 변화가 미미한 이유는 무엇인가?	덧판의 두께 변화에 따른 처짐량의 변화는 거의 나타나지 않는 것으로 나타났다. 이는 지지구조 하부의 국부적 처짐량이 카링을 포함한 전체 처짐량에 비하여 적게 나타나기 때문이다.
	선체와 파이프 지지구조가 만나는 곳의 특징은 무엇인가?	TSCF IP 001(2011)에 따르면 선체 상갑판상에 설치되는 각종 의장품들 주변에서 선체 파손사례가 다수 보고되고 있다. 선체와 파이프 지지구조가 만나는 곳은 구조적 불연속부일 뿐 아니라 파이프로부터의 하중과 선체의 굽힘 모멘트에 의한 영향을 동시에 받기에 손상사례가 다수 보고 되는 것으로 나타났다.

참고문헌 (7)

CAESAR II, 2018. Industry Standard for Pipe Stress Analysis, HEXAGON PPM.
DNVGL AS, 2015a. Design of offshore steel structures, general -LRFD. DNVGL-OS-C101, [Online] (Update July 2015) Available at : http://www.dnvgl.com/ [Accessed March 2018].
DNVGL AS, 2015b. Structural design of offshore ships. DNVGL-OS-C102, [Online] (Update July 2015) Available at : http://www.dnvgl.com/ [Accessed March 2018].
International Association of Classification Societies (IACS), 2015. Common structural rules for bulk carriers and oil tankers. [Online] (Update January 2015) Available at : http://www.iacs.org.uk/ [Accessed May 2016].
MSC/NASTRAN, 2015. Quick reference guide. Tokyo, Japan: MSC software Simulating Reality.
MSC/PATRAN, 2015. User's guides, Santa Ana, CA, USA: Macneal-Schwendler Corporation(MSC).
TSCF IP 001, 2004. Outfitting Related Structural Defects, Tanker Structure Co-operative Forum.

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