[논문]컨테이너선 Bottom Floor 두께 최적화에 대한 연구

이아미; 유영웅; 이준혁; 유영규

문제 정의

한편, 선수/선미 화물창 구간에서 Bottom Floor의 최적의 두께를 결정하기 위하여 전선모델을 사용하여 Plunging 해석을 수행하는 경우, 해석을 위한 모델 작성과 하중생성 및 평가에 상당한 시간과 노력이 소요되고 이들 해석의 관심 영역이 제한적으로 적용되므로, 과중한 업무량과 촉박한 설계 일정을 고려해 볼 때 이를 위해 전선해석을 매번 수행하는 것은 현실적으로 많은 어려움이 뒤따른다. 이에 본 연구에서는 빠르고 간단하게 선수/선미 화물창 내 Bottom Floor의 두께를 합리적으로 결정할 수 있도록,구조해석 결과와 상관관계가 높은 Direct Calculation 절차를 마련하여 선수/선미 화물창의 최적 구조를 설계하고자 하였다.

가설 설정

구조해석을 위한 하중조건은 Table 1에서와 같이 8개의 하중조건에 대해 구조해석을 각각 수행하였다. 선수부 선저의 경우, 엄밀한 관점에서는 Bottom Slamming에 의한 하중이 고려되어야 하나 컨테이너선의 특성상 One Bay Empty Condition이 Patch Load로 적용되는 Bottom Slamming 하중 조건보다 보수적으로 평가되므로 본 연구에서는 고려하지 않았다.

제안 방법

Bottom Floor의 두께는 중앙부 구간은 화물창 구조해석에 의해 결정되고 선수/선미 구간은 중앙부 구간의 특성치에 대해 상대적인 관계를 갖고 있으므로 아래와 같이 중앙부 구간의 Bottom Floor 두께에 중앙부 구간과 선수/선미 구간에서의 전단응력의 비,재료의 항복 응력의 비, Bottom Floor 끝 단에서의 Neck Height의 비, 그리고 허용응력 대비 실제 응력의 비를 곱하여 선수/선미 구간의 Floor의 두께를 계산하는 간이식을 제안하였다
Grillage 해석을 이용하여 컨테이너 운반선의 선수/선미 화물창 내 Bottom Floor의 최적 두께를 결정하는 방법을 마련하기 위해, Double Bottom 구조에 대한 중앙부 구간의 화물창 구조해석 결과와 Spring 등을 이용하여 Grillage 해석 결과의 Vertical(Z)방향의 변위 값을 일치시키고, 각 해석 결과로 나온 전단응력의 비를 보정계수로 정의하였다. 그리고 이를 반영한 선수/선미 화물창 구간의 Grillage 해석으로부터 선수/선미 화물창 내 Floor End 부의 전단응력을 계산하였고 최종적으로 Bottom Floor의 두께를 결정할 수 있는 간이식을 도출하였다.
구조해석을 위한 유한요소 모델은 상용 프로그램인 MSC. PATRAN(2005r2)을 이용하여 Fig. 2에서와 같이 평가대상이 되는 중앙부 화물창과 전/후 화물창의 중간부까지 구현하였다. 유한요소의 크기는 Longl.
그리고 단면계수 등의 특성치를 구하기 위해, Girder와 Floor의 유효 판 폭은 GL 선급의 계산식을 이용하여 계산한 후, 입력하였다(Table 2).
Grillage 해석을 이용하여 컨테이너 운반선의 선수/선미 화물창 내 Bottom Floor의 최적 두께를 결정하는 방법을 마련하기 위해, Double Bottom 구조에 대한 중앙부 구간의 화물창 구조해석 결과와 Spring 등을 이용하여 Grillage 해석 결과의 Vertical(Z)방향의 변위 값을 일치시키고, 각 해석 결과로 나온 전단응력의 비를 보정계수로 정의하였다. 그리고 이를 반영한 선수/선미 화물창 구간의 Grillage 해석으로부터 선수/선미 화물창 내 Floor End 부의 전단응력을 계산하였고 최종적으로 Bottom Floor의 두께를 결정할 수 있는 간이식을 도출하였다.
전체 하중 조건 중 Load Case 3일 때 Empty Bay의 Bottom Floor에서 가장 큰 전단응력이 발생함을 확인할 수 있었다. 따라서 Load Case 3은 Bottom Floor의 두께를 결정하는데 가장 지배적인 하중조건이므로 Load Case 3의 하중조건을 Grillage 해석에 적용하여, 구조해석과 Grillage 해석 결과의 상관관계를 파악하였다.
따라서 구조해석 결과와 Grillage 해석 결과를 등가 기준으로 평가하기 위해, 각 위치에서의 전단응력의 비로 보정계수를 정의하였고, 이를 선수/선미 화물창 구간의 Grillage 해석 결과에 반영하여 Bottom Floor의 두께를 결정하는데 이용하였다.
이는 Hopper 구조의 강성이 Bottom Floor의 끝 단을 Simple Support 조건과 Fixed Support 조건의 사이에서 구속하고 있음을 의미한다. 따라서 이를 반영하기 위해 Fig. 6의 (a)와 같이 Bottom Floor의 끝 단에 Simple 조건을 정의하고 Bottom Floor의 길이를 Hopper Girder의 외부로 추가 연장하여, Bottom Floor 끝 단에서 Hopper 구조의 Boundary Effect를 보다 현실적으로 구현하고자 하였다.
또한 상대적으로 큰 강성을 갖고 있는 Transverse Bulkhead와 Structural Bulkhead가 Double Bottom 구조에 미치는 구속 효과를 표현하기 위해 각 Bulkhead의 위치에 Fig. 6의 (b)와 같이 Vertical 방향의 변위 발생을 제어하는 스프링 요소를 적용하였고,스프링 상수는 Case Study를 수행하여 구조해석 결과와 비교함으로써 결정하였다.
본 연구에서는 10,100 TEU급 초대형 컨테이너 운반선의 중앙부 구간에 대해 화물창 구조해석과 Grillage 해석을 수행하고 해석결과를 비교하여 상관관계를 도출한 후, 이를 반영한 선수/선미 구간의 Double Bottom 구조의 Grillage 해석을 통해 선수/선미 화물창 내의 Bottom Floor의 최적 두께를 결정하는 방법을 제안하였다.
본 연구에서는 10,100TEU급 대형 컨테이너 운반선의 중앙부 구간에 대해 화물창 구조해석과 Grillage 해석을 수행하고 해석 결과를 비교하여 상관관계를 도출한 후, 이를 반영한 선수/선미 구간의 Double Bottom 구조의 Grillage 해석을 통해 선수/선미 화물창 내의 Bottom Floor의 최적 두께를 결정하는 간이식을 제안하였다.
선급 규정에 준하는 경계조건을 이용하여 유한요소 모델의 양 끝 단에 대칭 조건을 적용하였고 Transverse Bulkhead와 Side Shell이 만나는 위치에 Vertical(Z) 방향의 변위를, Transverse Bulkhead와 Bottom Shell이 만나는 위치에는 Horizontal(Y) 방향의 변위를 구속하였다(Fig. 3). 구조해석을 위한 하중조건은 Table 1에서와 같이 8개의 하중조건에 대해 구조해석을 각각 수행하였다.
앞에서 제시한 Grillage 모델 작성법 및 보정계수를 이용하여 선수/선미 화물창 내 Bottom Floor의 두께를 결정하기 위해 Fig. 9와 같이 선수/선미 화물창 구간의 Double Bottom 구조에 대해 Grillage 모델을 작성하고 해석을 수행하였다.
Hopper 구조는 Grillage 해석을 위해 모델링 되지 않으므로 Hopper로 연결되는 Bottom Floor 끝 단의 Boundary Effect를 적절히 고려해야 한다. 이를 파악하기 위하여, 모델 내 Bottom Floor 끝 단에 Simple Support 조건과 Fixed Support 조건을 가정하여 Grillage 해석을 각각 수행하고 그 결과를 구조해석 결과와 비교하였다.
컨테이너 운반선의 Bottom Floor는 전단응력의 영향을 크게 받으므로 중앙부 구간의 화물창 구조해석을 수행하여 나온 전단응력 값을 각 하중조건에 대하여 검토하였다. Fig.

데이터처리

5와 같이 One Bay에 대한 Grillage 모델을 작성하였다. Grillage 해석을 위해 DNV선급의 NAUTICUS 3D-BEAM 프로그램을 사용하여 모델을 작성하였고 해석을 수행하였다.

이론/모형

Spacing을 기준으로 생성하였고, MSC. NASTRAN(2005)를 이용하여 구조해석을 수행하였다.
앞서 언급한대로 컨테이너 운반선의 Double Bottom 구조는 격자구조 형식을 취하고 있으므로, 주요 부재인 Girder와 Floor를 빔 요소로 치환하여 Fig. 5와 같이 One Bay에 대한 Grillage 모델을 작성하였다. Grillage 해석을 위해 DNV선급의 NAUTICUS 3D-BEAM 프로그램을 사용하여 모델을 작성하였고 해석을 수행하였다.

성능/효과

Simple Support 조건에서는 Grillage 해석의 Vertical(Z) 방향의 변위 값이 구조해석 결과 값 보다 더 크고 Fixed Support 조건에서는 구조해석의 Vertical(Z) 방향의 처짐량이 Grillage 해석 결과 값 보다 더 큰 것을 확인할 수 있었다. 이는 Hopper 구조의 강성이 Bottom Floor의 끝 단을 Simple Support 조건과 Fixed Support 조건의 사이에서 구속하고 있음을 의미한다.
그 결과, Fig. 7에서와 같이 Grillage 해석에서 나온 Bottom Floor 횡 방향 위치에 따른 Vertical(Z) 방향의 처짐량과 경향이 구조해석 결과와 잘 일치함을 확인할 수 있었다.
선체 구조에 대한 Grillage 해석 법은 새로운 해석기법은 아니지만, 본 연구에서 제시한 모델링 기법과 보정계수를 통해 중앙부 화물창의 구조해석 결과와 정량적, 정성적으로 모두 일치시킬 수 있는 방법을 마련함으로써 제한된 설계 기간 내 신속하고 합리적으로 선수/선미 화물창 내 Bottom Floor의 두께를 계산할 수 있음을 확인하였다. 또한 이를 추가로 Floor End 부의 용접 각장 증가량 결정 및 Collar Plate 적용 여부를 결정하는 판단 기준으로 활용한다면, 대형 컨테이너 운반선의 Double Bottom 구조의 최적 설계를 하는데 유용하게 적용될 수 있을 것이라 사료된다.
10에 요약하였다. 이를 따라 선수 화물창 구간의 Bottom Floor의 두께를 계산한 결과, 선수 화물창 내의 모든 Bottom Floor에 대해 간단하고 빠르게 두께를 결정할 수 있었다.
4는 Load Case 3에서의 Bottom Floor의 전단응력을 나타낸 것이다. 전체 하중 조건 중 Load Case 3일 때 Empty Bay의 Bottom Floor에서 가장 큰 전단응력이 발생함을 확인할 수 있었다. 따라서 Load Case 3은 Bottom Floor의 두께를 결정하는데 가장 지배적인 하중조건이므로 Load Case 3의 하중조건을 Grillage 해석에 적용하여, 구조해석과 Grillage 해석 결과의 상관관계를 파악하였다.

후속연구

선체 구조에 대한 Grillage 해석 법은 새로운 해석기법은 아니지만, 본 연구에서 제시한 모델링 기법과 보정계수를 통해 중앙부 화물창의 구조해석 결과와 정량적, 정성적으로 모두 일치시킬 수 있는 방법을 마련함으로써 제한된 설계 기간 내 신속하고 합리적으로 선수/선미 화물창 내 Bottom Floor의 두께를 계산할 수 있음을 확인하였다. 또한 이를 추가로 Floor End 부의 용접 각장 증가량 결정 및 Collar Plate 적용 여부를 결정하는 판단 기준으로 활용한다면, 대형 컨테이너 운반선의 Double Bottom 구조의 최적 설계를 하는데 유용하게 적용될 수 있을 것이라 사료된다.
추후, 전선해석 결과와의 비교를 통하여 합리성을 확보하고 선수/선미 구간의 주요 하중인 Bottom Slamming과 Pitching에 대한 추가 수두를 고려하여 제안된 Grillage 해석법에 대한 추가 검증을 수행할 예정이다.

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	전세계 해상 물동량이 증가함에 따라 무엇이 이루어지고 있나?	최근 전세계 해상 물동량이 증가하는 추세에 따라 컨테이너 운반선의 발주와 건조가 증가하고, 선형의 대형화가 급속히 이루어지고 있다. 이에 국내외 조선소에서는 선형, Frame Spacing,Deckhouse 위치 및 Tank Arrangement 등을 변경하여 경제적이면서 최적의 구조를 갖춘 효율적인 선박을 설계하기 위해 부단히 노력하고 있다.
	대형 컨테이너 운반선의 등장으로 어떠한 실정에 처해졌는가?	대형 컨테이너 운반선의 등장으로 주어진 설계기간 내 설계해야 할 선수/선미 화물창 길이는 과거에 비해 늘었으나 선급 규정에는 선수/선미 화물창 구간의 구조 설계에 대해 명확히 기술되어있지 않아 현재는 각 Yard의 내부 규정에 의존하고 있는 실정이다.
	Grillage 해석 법을 어떻게 활용한다면 대형 컨테이너 운반선의 Double Bottom 구조의 최적 설계를 하는데 유용하게 적용될 수 있을 것이라 사료되는가?	선체 구조에 대한 Grillage 해석 법은 새로운 해석기법은 아니지만, 본 연구에서 제시한 모델링 기법과 보정계수를 통해 중앙부 화물창의 구조해석 결과와 정량적, 정성적으로 모두 일치시킬 수 있는 방법을 마련함으로써 제한된 설계 기간 내 신속하고 합리적으로 선수/선미 화물창 내 Bottom Floor의 두께를 계산할 수 있음을 확인하였다. 또한 이를 추가로 Floor End 부의 용접 각장 증가량 결정 및 Collar Plate 적용 여부를 결정하는 판단 기준으로 활용한다면, 대형 컨테이너 운반선의 Double Bottom 구조의 최적 설계를 하는데 유용하게 적용될 수 있을 것이라 사료된다.

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