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문제 정의
- 따라서 본 연구에서는 다양한 충돌시나리오 기반으로 구조물의 잔류강도가 최소화되는 조건과 정밀한 비선형해석을 통한 레그 소성붕괴 거동, 흡수에너지를 기반으로 기존 허용기준(DNV-GL, 2013)과 비교 분석하여 충돌 설계하중의 적절성을 분석하고자 한다.
- 본 연구에서는 압축 하중이 지배적인 하중 조건에 대해, 좌굴 해석의 결과와 오일러 좌굴 계산식에 따른 결과를 비교하였다. 일반적으로 좌굴 평가는 이상적인 탄성 구조의 이론식을 이용하여 계산한다.
- 본 연구에서는 최신 사양을 갖춘 WTIV의 레그에 접안 선박이 충돌하는 경우에 대한 좌굴 및 비선형 최종강도 해석을 통한 레그 구조 안전성 검토를 다루고 있다. 레그 브레이스 좌굴 강도를 추정하기 위하여, 고유치 좌굴 해석을 수행하였으며, 기존 오일러 좌굴식에 보정 계수를 도입하여 간략하게 좌굴하중을 예측할 수 있도록 제안하였다.
- 이에 관련한 기존의 선박 충돌과의 잭업리그 및 WTIV 관련 최근 연구 동향을 분석하였다.
가설 설정
- 두 번째로 Fig. 7에서 보이는 것과 같이 대표적인 발생 가능한 충돌시나리오를 가정하였다. WTIV에 자주 접안 하는 작업지원선(배수량 5,000톤)의 선수를 고려하였다.
제안 방법
- 2000 ~ 2020년까지 실적으로 등록된 설치 선박 분석을 수행하여 갑판에 적재할 수 있는 중량(Variable load) 변화와 설치 수심 변화(Koogle, 2015)에 대해서 다양한 문헌조사 및 실적선사향을 조사 분석하였다. Fig.
- Fig. 9와 같이 전선해석모델에 대하여 선형해석을 통해 충돌 조건(LC-01)에 대하여 해석 결과를 기반으로 충돌에 의한 횡 처짐이 발생하는 구간(7-bay)을 결정하였다. 1-bay는 Fig.
- WTIV 레그에 충돌 하중이 작용하는 조건에서의 주요 하중은 최대 승강 하중(헐 자중 + 화물 하중 + 잉여하중) 이 압축력으로 작용하는 조건 내에서 구현하였다. 헐 자중은 24,000톤이고, 잉여하중은 각종 의장 장비, 기름, 밸러스트를 포함하여 약 15 %인 3,600톤, 그리고 최대 적재할 수 있는 하중은 6,400톤으로 구성하였다.
- 국부 충돌해석용 상세모델은 최대 수심 조건인 70 m를 산정하였고, 이 부위를 포함한 총 7개의 bay로 구성된 모델을 사용하여 선형 좌굴 해석과 비선형 붕괴 거동 해석을 수행하였다. 이 분석을 통해 충돌 하중과 관련하여 각 부재의 붕괴 모드 및 위치를 파악하였다.
- 대상 모델은 WTIV 중 가장 높은 사양인 대형급에 해당하고 작업 수심은 최대 70 m까지 투입 가능한 수준이다. 기능적인 특징은 발전기 및 하부 고정지지 구조물까지 설치및 해체를 할 수 있도록, 초대형 20,000톤 용량 크레인을 Fig. 4에서 4번 레그 위치에 설치되고, 추진동력은 아즈머스 쓰러스터(Azimuth thruster) 6기를 사용한다. Fig.
- 대형 WTIV의 충돌 강도평가를 위하여 설계 모델은 최근 실적선을 기반으로 대표적인 WTIV를 결정하였다. 일반배치도(Fig.
- 또한, 충돌조건별로 비선형 최종강도 시리즈해석을 수행하여 PSA의 설계 요구치인 충돌에너지 35 MJ의 구조설계 기준의 타당성을 다음과 같이 분석하였다.
- 본 연구에서는 최신 사양을 갖춘 WTIV의 레그에 접안 선박이 충돌하는 경우에 대한 좌굴 및 비선형 최종강도 해석을 통한 레그 구조 안전성 검토를 다루고 있다. 레그 브레이스 좌굴 강도를 추정하기 위하여, 고유치 좌굴 해석을 수행하였으며, 기존 오일러 좌굴식에 보정 계수를 도입하여 간략하게 좌굴하중을 예측할 수 있도록 제안하였다.
- 먼저 초기설계 시 간이해석 법으로 널리 활용되는 기둥의 좌굴하중(Pcr) 계산식은 주요 단면정보(I = 21300 cm4, L = 4.0 m), 재료 물성값(E = 206.0 GPa), 유효길이 계수(K = Hinged (1.0), Clamped (0.7))를 이용하여 좌굴하중을 추정하였다.
- 8은 유한요소해석모델로 충돌 영역에 대한 두 가지 종류의 요소로 사용하여 모델링 수행하였다. 선각(Hull) 등의 판형 구조부재 및 세부적인 거동이 필요한 국부 레그 구조는 3차원 쉘(shell) 요소와 1차원 형태 구조부재인 레그 구조는 1차원 보(beam) 요소를 적용하여 효율적인 전선해석 및 국부 상세 해석모델을 구현하였다.
- (2014)는 해양구조물의 손상특성 분석을 위하여 7,500톤의 보급 선박을 대상으로 해양구조물과의 상호 작용 효과를 분석하였다. 선박으로부터의 충돌력은 NORSOK(2004) 코드에서 제안된 힘-변형 곡선과 화물창 탱크 구역의 구조 변형, 레그의 브레이스(Brace)의 소성 및 국부적인 덴트(Dent)에 대하여 면밀한 구조 응답 특성과 충돌 선박의 선수와 선미 모서리의 변형에 대한 압력-면적 관계식을 도출하여 보강판의 설계기준을 제시하였다.
- (2017)은 근해 풍력발전단지는 상선과 여객선의 왕래가 빈번하여 충돌 가능성을 기반으로 항행 선박과 단일파일(Mono-pile)형 해양 풍력발전기(OWT: Offshore Wind Turbine)의 충돌 구조적 거동특성에 대하여 분석하였다. 선박의 충돌속도와 위치, 풍향, 설치 해역의 토양 성분 및 충돌 선박의 변형 가능성과 같은 다양한 매개 변수의 영향을 조사하였다.
- 세 번째로 기하학적, 재료적인 비선형성을 고려한 충돌하중에 의한 레그의 최종강도 해석을 수행한다. 이 단계에서도 사전에 7-bay 유한요소 모델링을 활용하며, 하중증가에 따른 변위 결과를 이용하여 전달된 충돌에너지를 계산한다.
- 이 단계에서도 사전에 7-bay 유한요소 모델링을 활용하며, 하중증가에 따른 변위 결과를 이용하여 전달된 충돌에너지를 계산한다. 이 값과 선급(DNV-GL, 2013)에서 제시하고 있는 35 MJ과의 상관관계를 비교하는 절차로 수행하였다.
- 국부 충돌해석용 상세모델은 최대 수심 조건인 70 m를 산정하였고, 이 부위를 포함한 총 7개의 bay로 구성된 모델을 사용하여 선형 좌굴 해석과 비선형 붕괴 거동 해석을 수행하였다. 이 분석을 통해 충돌 하중과 관련하여 각 부재의 붕괴 모드 및 위치를 파악하였다.
- 첫 번째로, 충돌에 의한 WTIV의 전체거동을 확인하는 과정으로 WTIV 전선 모델을 활용하며, 충돌구조 응답이 발생 하는 영역을 정의하고, 정의된 영역을 상세 구조 모델링 한다. 전체 WTIV 구조물 입장에서는 충돌에 의한 구조 거동 영향은 국부적인 문제로 가정하여 비선형해석 시 소요되는 계산시간의 효율과 국부 응답 거동의 정확도를 항상 할 수 있다.
- WTIV에 자주 접안 하는 작업지원선(배수량 5,000톤)의 선수를 고려하였다. 충돌에 의한 압축 좌굴 강도 검토 시에는 압축력이 지배적인 충돌 하중(LC: Load case)와 높이방향 충돌위치(GR: Group) 대해서 각각 조합된 LC-01, 02, 03 (GR-01), 07, 08, 09 (GR-02) 조건에 대해서 검토하였다(Fig. 7). 충돌의 높이 방향 위치를 두가지(GR-01, GR-02)로 구성하고, 각 충돌은 충돌각도 6가지를 구성하여 GR-01은 LC-01부터 LC-06까지 관여되며, GR-02는 LC-07부터 LC-12까지 조합되는 시나리오를 결정하였다.
- 7). 충돌의 높이 방향 위치를 두가지(GR-01, GR-02)로 구성하고, 각 충돌은 충돌각도 6가지를 구성하여 GR-01은 LC-01부터 LC-06까지 관여되며, GR-02는 LC-07부터 LC-12까지 조합되는 시나리오를 결정하였다.
- 충돌조건에 따른 Leg 구조 부재의 소성을 동반한 붕괴 거동을 예측하기 위해 전체 조합된 12개의 하중 조건에 대해 비선형 시리즈해석을 수행하였다.
- Hao and Liu(2017)은 배수량 6,273톤 산적화물선과 해상풍력발전기 하부 구조 3가지(Monopile, Tripod, Jacket)에 대해서 선수충돌 시, 하부구조형상에 따른 충돌 거동특성을 분석하였다. 특히, 하부의 토양 강성조건을 반영의 필요성으로 제안하였다.
- Yu and Amdahl(2018)은 비선형 유한요소해석을 이용하여 선박의 선수 및 선미 충격에 의한 파이프구조의 구조 응답을 분석하였다. 파이프의 길이, 지름 및 두께를 변수로 기존 연구를 비교 분석하였으며, 파이프 크기가 서로 다른 모양의 변형 패턴에 대해서 전이압괴비율(Transient indentation ratio)법을 이용하여 선급 지침(DNV-GL RP C204, 2013)의 파이프구조의 하중 적용에 대한 이론적 근거를 설명하였다.
- WTIV 레그에 충돌 하중이 작용하는 조건에서의 주요 하중은 최대 승강 하중(헐 자중 + 화물 하중 + 잉여하중) 이 압축력으로 작용하는 조건 내에서 구현하였다. 헐 자중은 24,000톤이고, 잉여하중은 각종 의장 장비, 기름, 밸러스트를 포함하여 약 15 %인 3,600톤, 그리고 최대 적재할 수 있는 하중은 6,400톤으로 구성하였다.
대상 데이터
- 7에서 보이는 것과 같이 대표적인 발생 가능한 충돌시나리오를 가정하였다. WTIV에 자주 접안 하는 작업지원선(배수량 5,000톤)의 선수를 고려하였다. 충돌에 의한 압축 좌굴 강도 검토 시에는 압축력이 지배적인 충돌 하중(LC: Load case)와 높이방향 충돌위치(GR: Group) 대해서 각각 조합된 LC-01, 02, 03 (GR-01), 07, 08, 09 (GR-02) 조건에 대해서 검토하였다(Fig.
- 대상 모델은 WTIV 중 가장 높은 사양인 대형급에 해당하고 작업 수심은 최대 70 m까지 투입 가능한 수준이다. 기능적인 특징은 발전기 및 하부 고정지지 구조물까지 설치및 해체를 할 수 있도록, 초대형 20,000톤 용량 크레인을 Fig.
- 레그 구조에 충돌에 의한 압축 하중 작용 시, 좌굴에 대한 안전성 검토는 필수적이다. 사용된 레그 모델은 세장비가 100 이상인 파이프 연속구조의 특성이 있다.
- 도출된 시나리오에 따라 레그 구조 강도를 검증하기 위해 상용 유한요소해석 코드(ANSYS, 2016; MSC Nastran, 2012)를 이용하여 해석을 수행하였다. 해석에 사용된 유한요소 개수는 크기에 따른 수렴도 평가를 통하여 약 243,384개로 결정하였다.
데이터처리
- 도출된 시나리오에 따라 레그 구조 강도를 검증하기 위해 상용 유한요소해석 코드(ANSYS, 2016; MSC Nastran, 2012)를 이용하여 해석을 수행하였다. 해석에 사용된 유한요소 개수는 크기에 따른 수렴도 평가를 통하여 약 243,384개로 결정하였다.
- 따라서 해석 결과와 비교분석을 통하여 적합한 경계조건 계수인 K값을 클램프 조건에 대하여 1.2의 보정 계수를 도출하였다. 따라서 삼각형 형태의 레그에 대한 좌굴하중은 다음과 같은 경험식(2)와 같이 표현할 수 있다.
이론/모형
- 기하학적 및 재료 비선형성을 고려하고, 해석제어 기법으로는 복잡한 비선형 경로를 정확하게 추적하기 위하여 뉴튼 랍슨법(Newton-raphson)을 이용한 근삿값을 구하는 반복해법에 해의 탐색은 호장증분법(Arc-length method)를 적용하였다. 호장증분법은 하중과 변위를 동시에 조절하는 변위법에 기초한 하중증분법으로 최근 비선형해석에서 해의 수렴률이 우수성으로 관련된 수치해석법으로 널리 사용되고 있다.
- 해석에 사용된 비선형 모델은 재료의 비선형은 완전탄소성체 가정하여, 등방성 경화(Bilinear isotropic hardening) 모델을 사용하였다. 해석모델은 탄성 해석 결과를 기반으로 충돌 하중으로 인해 전체거동 영향이 충분히 적었기 때문에 국부적인 7-bay 모델만을 사용하였다.
- 해석에 사용된 비선형 모델은 재료의 비선형은 완전탄소성체 가정하여, 등방성 경화(Bilinear isotropic hardening) 모델을 사용하였다. 해석모델은 탄성 해석 결과를 기반으로 충돌 하중으로 인해 전체거동 영향이 충분히 적었기 때문에 국부적인 7-bay 모델만을 사용하였다.
성능/효과
- 1) 브레이스 단면계수를 증가시키기 위해서는 지름의 크기와 두께를 조정해야 하며, 지름이 변경되면, 코드 지름도 커져야 하는 문제가 발생되어진다.
- 2) 코드 지름이 변경되면, 랙 크기 및 두께도 변경되어야 한다. 현존하는 기술로는 랙 두께가 210 mm가 최대이지만, 그 이상의 두께를 갖는 강재 개발단계로 적용에 어려움이 있다.
- 3) 레그 크기가 변경되면, 헐에 위치한 레그 웰(well) 크기도 변경해야 하며, 이는 WTIV 주요 제원(L, B, D)까지 변경해야 한다.
- 4) 레그 치수변경에 따른 중량증가로 인하여, 기존 설계된 잭킹 시스템(jacking system)의 과부하가 발생하며, 충분한 제원을 갖는 장비로 교체가 필요하다. 이는 선가 상승을 불러일으키는 핵심 인자가 된다.
- Chord 중심에 충돌에 의한 압축 하중이 작용하는 LC-01조건에서는 수평 Brace가 하중을 대칭적으로 분산해주고 있으며, 측면 30도에서 압축 하중이 전달될 경우 하중 방향과 일치되는 부재에서 대부분의 압축 하중을 받고 있다. 따라서 좌굴 모드만 보더라도 LC-01조건이 보다 큰 좌굴 강도를 나타낼 수 있음을 확인할 수 있다.
- 지지점에 직접 충돌하는 경우, 이면 구조에서 좌굴에 의한 면내 강성 감소가 먼저 발생하기 때문이다. 분석된 해석 결과를 바탕으로 충돌 강도 설계 시 충돌조건의 변화에 따라 흡수에너지는 크게 변화하며, 선급(DNV-GL, 2013)의 요구 기준이 과다한 설계를 요구하고 있는 것을 확인할 수 있다.
- 브레이스(Brace)의 구조설계 시 충돌조건을 기준으로 내 충돌 설계기준인 선급(DNV-GL, 2013)에서 언급하는 35 MJ을 만족할 수 없는 결과가 확인되었다. 따라서 레그 구조 보강을 통한 잔류 충돌에너지 증가 방안에 대해서 설계와 생산 단계 대응은 크게 4가지로 분석할 수 있다.
- 앞서 유한요소해석 결과와 식(1) 좌굴식과의 결과를 분석한 결과, 향후 삼각형 형태의 Leg 설계 시에서 Leg의 좌굴하중을 산정할 때는, 보수적인 힌지 조건보다 20% 정도의 안전도를 포함한 클램프 조건으로 가정하여, 유효길이 계수 값인 “K = 0.7”을 사용하는 것이 유한요소 해석 결과 유사함을 확인할 수 있었다.
- 0 MJ에서의 등가 응력과 변형 형상이다. 최종강도까지의 흡수에너지는 13.1 MJ이고, 최대변위(1,100 mm)까지는 흡수에너지는 23.7 MJ로 계산됐다.
- 3에서와 같이 2010년 전용 설치 선박이 발주가 활발해지면서 7,000톤 이상으로 증가하고 있으며, 최대 9,800톤까지 되었다. 투입 해역의 수심은 40 m에서 60 m까지 점진적인 증가세를 보이다가 최근 북해 수요 증가로 최대 70 m 운용 수심으로 대형화가 이루어짐을 알 수 있다.
후속연구
- 2(c)-(d))에 검토가 필요하다. 따라서 제안된 충돌에너지에 대한 명확한 분석 및 충돌 강도평가에 대한 레그구조 검토가 필요할 것이다.
- 관련 유사 연구에서는 충돌 에너지양 기준으로 잭업리그 혹은 원형 파일에 대한 내용으로 WTIV 레그 설계에 대한 충돌구조 거동특성은 매우 부족한 현실이다. 레그와 접근 선박이 충돌할 경우, 좌굴 및 소성 거동을 포함한 구조붕괴에 관한 검토가 필요할 것이다.
- 충돌 되는 브레이스 이면에는 스팬 브레이커(span breaker)가 지지가 되어 있으며, 이 부재의 단면계수는 브레이스 보다 작아서, 스팬 브레이커에서 가장 먼저 붕괴한다. 이는 향후 구조 설계 시 단면계수 증가가 반영되어야 하는 중요한 사항으로 판단되어야 할 것이다.
- 향후 연구과제로서는 부재별로 소성을 고려한 붕괴 거동 평가식을 정식화하고, 이를 프로그래밍하여, 별도의 전문적인 유한요소해석을 수행하지 않고도 설계안에 대한 구조 강도 검토가 가능한 사용자 편의 프로그램을 개발하는 것이며, 따라서 향후 연구에 본연구의 결과는 기초자료로 활용이 될 것이다.
- 향후 초기설계 시 삼각형 형태의 Leg의 좌굴 강도(Pcr,Trianlge) 계산에 활용 가능할 것으로 판단된다.
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