신조 방식의 제조업의 특성상 경기 사이클이 존재하기 때문에, 장기적으로 이를 대처할 동반 산업이 절실하게 필요로 하고 있다. 이러한 요구에 적합한 분야가 수리조선업 분야이다. 수리조선업을 운영하기 위해서는 플로팅도크가 필수적으로 필요로 하며, 대부분 노후화된 플로팅도크를 해외로부터 수입한 후, 개/보수를 통하여 운용하고 있다. 그러나, 사용연한이 최소 30년 이상이고, 운용 시 특정 선급에 입급을 시키지 않기 때문에, 안전성에 대한 정확한 지침은 전무한 상태이다. 본 연구에서는 노후화된 플로팅도크의 계측한 두께 정보를 활용하여, 구조강도 검토를 수행하고, 운용중인 플로팅도크의 잔류 구조강도를 분석하였다. 연구를 통하여 도출된 주요 결과들은 유사 설비의 구조 안전성 검토에 대한 가이드라인을 참조할 수 있으며, 개/보수 시 이러한 방법을 활용하면 빠른 시간 내에 최적 해를 찾을 수 있을 것으로 기대된다.
신조 방식의 제조업의 특성상 경기 사이클이 존재하기 때문에, 장기적으로 이를 대처할 동반 산업이 절실하게 필요로 하고 있다. 이러한 요구에 적합한 분야가 수리조선업 분야이다. 수리조선업을 운영하기 위해서는 플로팅도크가 필수적으로 필요로 하며, 대부분 노후화된 플로팅도크를 해외로부터 수입한 후, 개/보수를 통하여 운용하고 있다. 그러나, 사용연한이 최소 30년 이상이고, 운용 시 특정 선급에 입급을 시키지 않기 때문에, 안전성에 대한 정확한 지침은 전무한 상태이다. 본 연구에서는 노후화된 플로팅도크의 계측한 두께 정보를 활용하여, 구조강도 검토를 수행하고, 운용중인 플로팅도크의 잔류 구조강도를 분석하였다. 연구를 통하여 도출된 주요 결과들은 유사 설비의 구조 안전성 검토에 대한 가이드라인을 참조할 수 있으며, 개/보수 시 이러한 방법을 활용하면 빠른 시간 내에 최적 해를 찾을 수 있을 것으로 기대된다.
Due to its nature the manufacturing industry faces a cyclical economy, and therefore there is an urgent need for a companion industry to cope with this cyclic pattern in the long run. The sector suitable for meeting this demand is the repair and shipbuilding industry. In order to operate a shipbuild...
Due to its nature the manufacturing industry faces a cyclical economy, and therefore there is an urgent need for a companion industry to cope with this cyclic pattern in the long run. The sector suitable for meeting this demand is the repair and shipbuilding industry. In order to operate a shipbuilding repair business, a floating dock is indispensable, and most obsolete floating docks were imported from overseas and operated through repair/maintenance. However, there is no precise guideline for floating dock safety, and most models have been in use for at least 30 years without being required to enter classification at the time of operation. In this study, structural strength analysis was carried out using measured thickness information of aged floating docks, and the residual structural strength of floating docks in operation was analyzed. The main results derived from this study can be referred to as guidelines for the review of the structural safety of similar equipment, and it is expected that an optimal solution will be found within a short time using this method for repair/maintenance.
Due to its nature the manufacturing industry faces a cyclical economy, and therefore there is an urgent need for a companion industry to cope with this cyclic pattern in the long run. The sector suitable for meeting this demand is the repair and shipbuilding industry. In order to operate a shipbuilding repair business, a floating dock is indispensable, and most obsolete floating docks were imported from overseas and operated through repair/maintenance. However, there is no precise guideline for floating dock safety, and most models have been in use for at least 30 years without being required to enter classification at the time of operation. In this study, structural strength analysis was carried out using measured thickness information of aged floating docks, and the residual structural strength of floating docks in operation was analyzed. The main results derived from this study can be referred to as guidelines for the review of the structural safety of similar equipment, and it is expected that an optimal solution will be found within a short time using this method for repair/maintenance.
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문제 정의
본 연구논문에서는 전장 131 m 수리 조선사에서 운용하고 있는 노후화된 플로팅도크의 실 계측 두께 데이터를 활용하여, 안전하게 운용하기 위한 최대 적재하중 및 분포에 대해서 유한요소해석을 활용하여 분석 및 검증하였다. 본 연구를 통해서 얻은 결론은 다음과 같다.
본 연구에서는 30년 이상 사용된 케이슨 플로팅도크의 구조부재에 대한 실 계측 데이터를 기반으로 유한요소해석을 통한 상세 구조 강도 검토를 통하여, 잔류 구조 안전성을 확인하였다. 본 연구를 통하여 도출된 주요 결과는 노후화된 플로팅도크의 구조 안전성 평가에 관련한 기초적인 자료로 유용하게 활용될 것으로 판단된다.
(2013)은 선거 반목해석시스템 개발의 경험을 바탕으로 Pre-erection 블록의 격자구조모델을 이용한 간이해석(Grillage analysis)방법과 그 시스템의 개발에 관하여 연구를 수행하였다. 본 연구에서는 구조 강도해석을 전문적으로 다루지 않는 실무자가 간단한 작업을 통하여 PE 블록 반목의 배치를 유연하게 수행하면서 강도평가를 수행할 수 있도록 전용 해석시스템을 개발하였다. 컨테이너선의 PE 블록에 대한 3차원 유한요소해석 결과와 비교 검토를 통하여 해석시스템의 유용성을 확인하였고, 격자구조 모델을 이용한 간이해석이 반목의 반력을 계산하는 데 유용하게 활용될 수 있음을 확인하였다.
작업조건과 태풍 조건에 대한 계류 해석을 통하여, 각 해석조건에서의 계류 체인들의 최대 계류력과 이치스 탑재 플로팅도크의 최대 오프셋, 계류 체인 간의 간섭 여부를 검토하고자 하였다. 아울러 이치스 탑재 플로팅도크의 계류 안전성 확인작업의 목적으로 수중조사를 수행하였다. 조사 결과 계류 체인들이 잘 설치되어 안전한 상태를 유지하고 있음을 확인하였다.
(2015)는 이치스 프로젝트의 건조에 사용된 플로팅도크의 계류 안전성을 수치적 접근을 통하여 확인하였다. 작업조건과 태풍 조건에 대한 계류 해석을 통하여, 각 해석조건에서의 계류 체인들의 최대 계류력과 이치스 탑재 플로팅도크의 최대 오프셋, 계류 체인 간의 간섭 여부를 검토하고자 하였다. 아울러 이치스 탑재 플로팅도크의 계류 안전성 확인작업의 목적으로 수중조사를 수행하였다.
향후 연구과제로서는 다양한 설계 조건을 종합적으로 반영할 수 있는 반목 안전하중 계산 시스템이며 이러한 연구를 위하여 본 연구에서는 기초적인 검토 및 절차에 대해서 검토하였다.
제안 방법
5에서 나타내고 있다. Caisson dock 신조 시 도면정보에 계측된 결과를 업데이트하여 두께 변화를 분석하였다. 계측을 위해서, 플로팅도크의 밸러스트를 비운 상태로 유지하였으며, 종강도를 담당하는 부재들 위주로 계측하였다.
계측된 부재 두께 정보가 반영된 구조 강도해석용 모델을 만들었으며, 종/횡강도에 이바지하는 모든 부재를 반영하였다. 해석은 초기 케이슨플로팅도크 당시의 조건과 선령이 지난 지금의 두께가 반영된 정보가 반영되었다.
Caisson dock 신조 시 도면정보에 계측된 결과를 업데이트하여 두께 변화를 분석하였다. 계측을 위해서, 플로팅도크의 밸러스트를 비운 상태로 유지하였으며, 종강도를 담당하는 부재들 위주로 계측하였다. 주요 계측 부재들에 대한 사진을 Fig.
(2010)는 플로팅도크에 블록을 탑재할 선체의 강도와 구조 안정성을 분석 및 평가하기 위해 13,000 TEU 컨테이너선의 탑재 상황을 load-out별 총 5 스텝으로 나누고, 3차원 전선모델링을 이용하여 전선 도킹 해석을 수행하였다. 도킹 해석은 플로팅도크의 전체 길이를 대상으로 하여 구조체 주요부재의 종강도 및 횡강도에 대하여 중점적으로 검토함으로써 구조 안전성을 검증하였다.
해석은 초기 케이슨플로팅도크 당시의 조건과 선령이 지난 지금의 두께가 반영된 정보가 반영되었다. 두 개의 케이슨도크를 개조 및 수리를 하면서 반영된 두께보강 및 구조 변경안도 반영되었다.
본 연구에서는 유한요소법(Finite Element Method)을 근간으로 하여 공학용 해석이 가능한 상용프로그램인 ANSYS Mechanical solver(ANSYS, 2016)을 이용하였다. 모델링은 4절 점을 갖는 shell 181요소를 적용하였으며, 보강재는 Beam 183요소를 적용하여, 설계하중에 대해 구조적인 응답이 정확하게 구현하도록 반영하였다. 해석에 사용된 유한요소 수는 약 260,000개이며, 전체적인 처짐형상 및 응력 결과 판단 시 충분한 자유도 조건이며, 연구에서 구조 강도 검증하고자 하는 플로팅도크는 외력 및 자중, 그리고 선거가 되는 선박의 중량을 길이 플로팅도크의 길이 및 폭 방향으로 적용하였으며, Fig.
수리 조선사에서 운용하고 있는 플로팅도크의 구조 안전성을 평가하기 위하여, 한국선급 규칙(KR, 2015)에서 규정하고 있는 최소두께와 허용응력을 인용하였다. 허용응력 평가 시, 국부적인 요소 형상의 특이성과 요소 크기에 따른 응력집중 요소는 평가에서 제외하였으며, 균일한 연속 부재에 대해서 기준을 적용하였다.
493 ton-m)를 만족하는 중량분포를 플로팅도크의 길이 방향 휨모멘트와 전단 하중 분포를 나타내고 있다. 중량분포는 최대 6,700톤을 폰툰 데크위에 배치하였으며, 플로팅도크의 중앙에 최대 호깅모멘트가 발생하도록 선수와 선미부가 중앙부보다 큰 하중을 설정하였다. 이는 일반적인 선박의 중량분포 특징을 고려하기 위해서이다.
7에 나타내고 있다. 해석의 경계조건은 양단 단순 지지 조건을 구현하여, 실제의 구조 거동이 나타나도록 하였으며, Table 5 및 Fig. 8과 같다.
대상 데이터
4는 플로팅도크에서 반목이 놓일 수 있는 위치를 중심으로 계측된 위치 정보를 나타내고 있다. 계측된 위치는 총 180개소이며, 같은 부재에서도 반복 점검한 때도 있기 때문에, 총 계측 개소는 약 300포인트다.
Table 2에서는 개발 대상물의 주요치수를 나타내고 있다. 본 연구에서 개발하고자 하는 플랫폼은 길이 방향 및 폭 방향에 3개의 격벽을 포함하고 있으며, 종/횡 방향으로 복수개의 보강재로 구성된다.
측면 윙 탱크구조는 Safety deck 와 Upper deck로 구성되어 있다. 플로팅도크를 구성하고 있는 모든 구조부재의 재료는 SS400 Carbon Steel이 적용되었으며, 주요 정보는 Table 3과 같다.
모델링은 4절 점을 갖는 shell 181요소를 적용하였으며, 보강재는 Beam 183요소를 적용하여, 설계하중에 대해 구조적인 응답이 정확하게 구현하도록 반영하였다. 해석에 사용된 유한요소 수는 약 260,000개이며, 전체적인 처짐형상 및 응력 결과 판단 시 충분한 자유도 조건이며, 연구에서 구조 강도 검증하고자 하는 플로팅도크는 외력 및 자중, 그리고 선거가 되는 선박의 중량을 길이 플로팅도크의 길이 및 폭 방향으로 적용하였으며, Fig. 7에 나타내고 있다. 해석의 경계조건은 양단 단순 지지 조건을 구현하여, 실제의 구조 거동이 나타나도록 하였으며, Table 5 및 Fig.
이론/모형
도크 내 설치되어 있는 센서들은 실시간으로 계측 데이터를 무선통신을 이용하여 중앙모듈에 전송한다. 계측지점이 아닌곳에 대한 예측을 위하여 라그랑쥐 보간법 방법을 적용하였으며, 실험 결과와의 비교에서 95 %의 정확도를 확인하였다.
본 연구에서는 유한요소법(Finite Element Method)을 근간으로 하여 공학용 해석이 가능한 상용프로그램인 ANSYS Mechanical solver(ANSYS, 2016)을 이용하였다. 모델링은 4절 점을 갖는 shell 181요소를 적용하였으며, 보강재는 Beam 183요소를 적용하여, 설계하중에 대해 구조적인 응답이 정확하게 구현하도록 반영하였다.
성능/효과
(1) 선령에 따른 플로팅도크의 부재별 두께 계측을 수행하였으며, 선체 외판에서 두께 감소량이 1.8 mm로 가장 크게 발생하였다. 플로팅도크는 주로 연안의 고정된 위치에서 운용되고 있으므로 두께 감소량이 작은 것으로 판단된다.
(2) KR 선급에서 허용하는 최대 응력을 이용하여, 최대휨모멘트를 계산하였으며, 이를 기준으로 하였을 경우 현재 플로팅도크의 구조 특성을 반영한 최대 하중 분포도를 작성하였다. 유사한 플로팅도크를 운용하고 있는 조선사에서는 본 논문의 접근방법을 통하여, 검토를 진행할 수 있을 것으로 기대된다.
모든 구조 강도 부재는 허용기준 이내에 모두 만족하며, 현재의 최대하중 분포를 기준으로 플로팅도크를 운용해야 함을 확인하였다.
초기 프레임 설계안은 적절한 구조 안전성을 확보하지 못하여, 추가적인 구조 보강을 하였다. 실물 제작을 통한 선박의 출입 시험을 위하여 길이 9 m급 연안 복합어선을 이용하며, 설계안의 추정값과 잘 일치함을 확인하였다.
아울러 이치스 탑재 플로팅도크의 계류 안전성 확인작업의 목적으로 수중조사를 수행하였다. 조사 결과 계류 체인들이 잘 설치되어 안전한 상태를 유지하고 있음을 확인하였다.
본 연구에서는 구조 강도해석을 전문적으로 다루지 않는 실무자가 간단한 작업을 통하여 PE 블록 반목의 배치를 유연하게 수행하면서 강도평가를 수행할 수 있도록 전용 해석시스템을 개발하였다. 컨테이너선의 PE 블록에 대한 3차원 유한요소해석 결과와 비교 검토를 통하여 해석시스템의 유용성을 확인하였고, 격자구조 모델을 이용한 간이해석이 반목의 반력을 계산하는 데 유용하게 활용될 수 있음을 확인하였다.
후속연구
본 연구에서는 30년 이상 사용된 케이슨 플로팅도크의 구조부재에 대한 실 계측 데이터를 기반으로 유한요소해석을 통한 상세 구조 강도 검토를 통하여, 잔류 구조 안전성을 확인하였다. 본 연구를 통하여 도출된 주요 결과는 노후화된 플로팅도크의 구조 안전성 평가에 관련한 기초적인 자료로 유용하게 활용될 것으로 판단된다.
(2) KR 선급에서 허용하는 최대 응력을 이용하여, 최대휨모멘트를 계산하였으며, 이를 기준으로 하였을 경우 현재 플로팅도크의 구조 특성을 반영한 최대 하중 분포도를 작성하였다. 유사한 플로팅도크를 운용하고 있는 조선사에서는 본 논문의 접근방법을 통하여, 검토를 진행할 수 있을 것으로 기대된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
케이슨 플로팅도크란 무엇인가?
1에서는 본 논문의 주요대상인 케이슨 플로팅도크에대해서 나타내고 있다. 기존에 케이슨 도크로 활용되던 도크 2개를 수리조선업을 하기 위하여, 중앙부 보강공사를 한 모델이다. 일반적인 신조 형태의 플로팅도크는 종부재의 연속 구조인데 대비하여, 중앙부 구조의 불연속이 발생하며,이를 적절한 보강공사를 통하여 구조 변경하였다.
수리 조선사에서 운용하고 있는 플로팅도크의 구조 안전성을 평가하기 위하여 최소 두께와 허용응력 측정 결과는 무엇인가?
Table 6에서는 KR에서 요구하고 있는 주요 종강도 부재별 최소두께 기준과 계측된 부재 두께와 비교한 결과이다. 모든 부재에서 최소두께보다 큰 수치를 나타내고 있다. 만약 계측된 두께가 KR 요구치보다 작으면 구조 안전성에 문제가 있으므로, 적절한 보강조치를 수행해야만 한다. 구조 안전성 평가 기준인 허용응력은 142 MPa이며, 이 조건이 발생할 수 있는 하중 조건을 종합적으로 고려해야 한다.
수리조선 산업시장 특성은 무엇인가?
수리조선업을 운영하기 위해서는 플로팅도크가 필수적으로 필요로 하며, 대부분 노후화된 플로팅도크를 해외로부터 수입한 후, 개/보수를 통하여 운용하고 있다. 수리조선 산업시장은 신조선 시장과 유사한 구조로 글로벌 물동량, 교역량의 증대가 곧 선박 수리 수요 증가로 이어지는 특성이 있으며, 선령이 길어질수록 선박수리비용은 점진적으로 증가하는 추세를 갖고 있어, 검사 기간은 선박 운항이 어려우므로 4년 마다 검사를 하는 것으로 수요를 추정하고 있다(Kim andYoon, 2018). 그러나, 사용연한이 30년 이상이고, 운용 시 특정 선급에 입급을 시키지 않기 때문에, 노후 설비에 대한 운용절차 및 기준 확보를 통한 관리가 절실하게 필요하다.
참고문헌 (9)
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10.1016/j.oceaneng.2016.03.012 Korotaev, V., A. Pantiushin, M. Serikova and A. Anisimov (2016), Deflection measuring system for floating dry docks, Ocean engineering, Vol. 117, pp. 39-44.
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Park, M. J., J. H. Heo, S. B. Lee and M. K. Park(2010), Structural safety assessment for floating dock erected 13,000TEU container vessel, 2010 Spring Society of Naval Architects of Korea conference, pp. 1759-1765.
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10.3744/SNAK.2015.52.6.509 Yang, S. H., J. W. Cho, H. J. Kim and B. K. Kim(2015), Study on the mooring stability of floating dock with ultra large offshore structure, Journal of the Society of Naval Architects of Korea, Vol. 52, No. 6, pp. 509-516.
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