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문제 정의
- 따라서 국부 Model에 Global Loading을 적용하여 중요부위에 Stress 변화가 어떻게 변화하는지 알아보았다.
- 연장선상으로 자동차운반선(Pure Car & Truck Carrier, 이하 PCTC)의 의장장비인 이동식갑판(Liftable Car Deck) Latch 보강 구조의 강도평가를 통하여 의장장비 업체의 요구사항을 검토하고 대안을 제시, 적정설계의 방안을 마련하고자 하였다.
제안 방법
- M사의 이동식 갑판의 경우는 Lower Working Position에 각각의 Latch 구조를 별도로 적용하지만, S사는 Side Transverse Web의 경우 중구조물의 Latch 구조를 설치하여 시공하고 S사에서 검토를 하기 때문에 본 연구에서는 Pillar에 적용된 Lower Working Position만을 검토하였음.
- 국부 Model에 Table 3과 같은 Loading과 Boundary Condition을 적용하면 Allowable Stress를 설정하는데 CSR (Common Structural Rule)과 같이 Mesh Size별 명확한 기준이 없기 때문에 결과의 판단을 위하여 Load Case 별 Stress 값의 비교만을 나타내었다.
- 국부 강도 해석을 위한 Vertical Loading은 Maker 도면에 나타난 각 이동식 갑판의 값 중 가장 큰 값을 Upper Working Position에 적용하였고, Stowed Position의 경우는 각 이동식 갑판의 무게 중 가장 큰 값을 적용하였다. 적절한 국부 강도 평가를 위하여 평가부위의 Mesh Size는 되도록 100mm×100mm를 유지 하였고 경계조건은 2 Pillar Space Model의 끝 부위에 Symmetric 조건을 적용하였으며 Loading Condition은 Table 1과 같이 정하였다.
- 더하여, 최종강도의 결과를 쉽게 파악하기 위하여 Abaqus Program에서 RIKS Method로 계산시 제공되는 LPF (Load Proportionality Factor)를 이용하여 최종강도 평가를 하였다.
- 또한 최종강도 해석을 통하여 어느 정도의 안정성을 가지고 있는지 알아보았다.
- 변경된 두께는 Maker Recommendation 20.0mm 대비 많게는 8mm～4mm까지 두께 개선이 가능하였고 또한, 결과에 의하면 더 많은 개선이 가능하나 인접구조의 강재 적용의 통일을 위하여 적정의 결과를 얻어서 실 호선에 적용하였다.
- 본 연구를 통하여 PCTC Liftable Car Deck의 Loading을 고려한 Latch 보강 Scantling을 평가하였으며, Liftable Car Deck Loading을 화물창 구조 해석에 적용 수행하여 지금까지 적용되어 온 구조해석의 문제점 유무를 판단하였다.
- 이상과 같은 조건으로 구조해석을 수행하였으며, Table 2와 같은 Stress Level을 보였다. 본 연구에서 사용한 Allowable Stress Level은 Mesh Size와 Maximum Loading의 적용을 고려하여 강재의 Minimum Yield Stress를 적용하였으며, 이 결과는 Latch 보강의 적정 Scantling 으로 조정하여 수행한 결과 값이다. 초기 Maker 도면에서는 Stowed, Lower and Upper Working Position의 Scantling을 같이 통일해서 적용하였으나 개선된 Scantling은 Stowed, Lower and Upper Working Position의 Scantling을 달리하여 적용하였다.
- 상기의 결과를 분석한 결과 Liftable Car Deck Loading에 Global Loading을 추가하더라고 Latch 보강부재의 Stress의 명확한 변화가 나타나지 않아 Latch 보강의 개선된 구조는 적합함을 알았으며, 중요부위 중에서 Fatigue Strength에 민감한 각 Pillar와 Main Car Deck Connection부위를 비교하고자 한다.
- 일반적으로 PCTC 설계시 수행하는 2개 기둥(Two Pillar Space) 간격의 화물창 구조해석에서는 이동식 갑판(Liftable Car Deck)에 가해진 운송 차량의 하중이 고려된 조건은 생략하고 수행, 중앙 기둥(Pillar) 및 외판 횡 웨브(Side Transverse Web)의 부재치수(Scantling)를 검증하고 있어, 이를 고려한 구조해석으로 주요 부재의 응력상태 변화를 비교하고, 마지막으로 일부 구조의 최종강도해석을 통하여 안전성 평가를 수행하였다.
- 일반적으로 PCTC는 중요부위의 Fatigue Stress가 민감한 설계 인자이기 때문에 Global Model에 Liftable Car Deck Loading을 적용하여 Fatigue Stress에 취약한 부위의 Stress 변화를 통해 Liftable Car Deck Loading이 미치는 영향을 알아보고자, 국부 Model에 Global Loading을 적용한 경우와 Global Loading에 Liftable Car Deck Loading을 더한 경우를 비교하여 Stress의 증감을 알아보았다.
- 적절한 국부 강도 평가를 위하여 평가부위의 Mesh Size는 되도록 100mm×100mm를 유지 하였고 경계조건은 2 Pillar Space Model의 끝 부위에 Symmetric 조건을 적용하였으며 Loading Condition은 Table 1과 같이 정하였다.
- 본 연구에서 사용한 Allowable Stress Level은 Mesh Size와 Maximum Loading의 적용을 고려하여 강재의 Minimum Yield Stress를 적용하였으며, 이 결과는 Latch 보강의 적정 Scantling 으로 조정하여 수행한 결과 값이다. 초기 Maker 도면에서는 Stowed, Lower and Upper Working Position의 Scantling을 같이 통일해서 적용하였으나 개선된 Scantling은 Stowed, Lower and Upper Working Position의 Scantling을 달리하여 적용하였다.
- 현재 Latch 보강구조의 구조적 안정성을 평가하기 위하여 Pillar 한 구역을 설정하여 Pillar 상부에 Global Loading에서 가장 큰 값의 Applied Load를 갖는 L/C 4 (Compression Force)와 L/C 7 (Tension force)의 경우에 한하여 최종강도 평가를 해보았다.
대상 데이터
- 국부 강도 해석에 적용된 총 국부해석 부위는 8곳 이며, 각각 4개의 Side Latch와 4개의 Pillar Latch로 구분된다.
- 본 연구에서는 국부 강도 해석, Global 강도 해석, 최종 강도 해석 순으로 진행을 하였으며, 각각의 해석에 사용된 상용 Program은 KR SeaTrust, MSC Patran/Nastran, Abaqus이다.
이론/모형
- Global Loading은 당사 호선 설계 당시 KR 선급과 협의한 사항대로 적용하여 발표한 “자동차운반선의 구조안정성 평가(1)”(al. 최종일)을 참조 적용하였으며, Model의 Boundary 조건과 Loading Condition은 Table 3과 같다.
- 이번 연구에 적용된 최종강도 평가 방법은 “초대형 유조선 화물창 횡늑골 구조의 최종 강도 해석”(al. 나용문)에 따라 평가하였다.
- 적절한 요소 크기를 결정하기 위해 수렴성 조사 (Convergence test)를 수행해야 하나, 보강 곡판의 최종강도 해석(al.박형준, 2007) 논문을 참조하여 Mesh Size를 100×100mm의 4 절점 쉘 요소로 하고 물성치는 Perfectly Plastic 적용하고, 하중 증분과 호장법(Arc Length Method)을 적용하였다.
성능/효과
- 물론 Pillar 부위의 최종강도 평가만으로 Latch 보강구조의 안정성 여부를 판단하는 것이 무리일수도 있으나 Latch 주위의 Stress 분포가 Pillar 부위에서 가장 높게 나타나므로 본 연구의 가치로는 타당하다 할 수 있다.
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