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문제 정의
- 본 연구를 통해 75,000 TDW 크기의 Chemical Tanker의 구조 강도 해석을 평가하고 구조 안정성을 확보 하였다. 해당 선박은 CI(Common Interpretation)-T7에 근거하여 CSR 기반으로 설계되었다.
- 본 연구에서는 이러한 Trend에 발 맞추어 제안된 75,000 TDW 크기의 화학제품운반선의 구조설계 및 구조적 안정성을 개발 검증하였다. 해당 선박은 원유운반선과 그 형상이 다른 화학제품운반선이긴 하나 CSR의 부속서로 발효된 CI(Common Interpretation)-T7에 의거, CSR에 근거하여 설계 되었다.
- 해당 선박은 원유운반선과 그 형상이 다른 화학제품운반선이긴 하나 CSR의 부속서로 발효된 CI(Common Interpretation)-T7에 의거, CSR에 근거하여 설계 되었다. 특히 본선의 경우, Cargo Tank의 개수 및 그 Volume을 극대화 하기 위해 2개의 Cargo Longitudinal Bulkhead를 시공하고 Upper Stool을 삭제한 신개념 배치를 제시하였는데 이러한 구조적 배치를 검증하기 위해 본 논문에서는 화학제품운반선 설계 시 고려해야 할 CSR 및 CI를 살펴보고 제시된 75,000 TDW 화학제품운반선의 구조적 검증을 실시하여 해당 구조에 대한 안정성을 제시하고자 한다.
제안 방법
- 2) CI-T6 : Deck Transverse가Upper Deck 상부에 위치하는 경우 기존의 CSR을 적용할 수 없으므로 이를 위해 해당 CI에서 Prescriptive Scantling 계산 지침을 제공한다.
- 2) Transverse Corrugated 및 Longitudinal Corrugated Bulkhead의 연결 구역과 Lower Stool 및 On Deck Transverse 및 On Deck Longitudinal Girder와의 연결 구조를 검토하였다. 해당 구역 역시 유한 요소 크기가 Longitudinal Spacing Size인 본 해석에서는 추가적인 보강이 필요 없음을 확인하였으나 국부적 단절 구조가 많아 추후 Local Fine Mesh 해석을 통해 검증할 필요가 있다.
- 3) Corrugated Bulkhead는 앞서 설명한 바와 같이 DNV PULS가 아닌 CI-T1에 의해 Uni-Axial Stress를 이용하여 Buckling Strength를 검토한다. 확인 결과 기존의 Prescriptive Requirement가 충분한 강성을 가짐을 확인하였다.
- 4) 경사진 Lower Stool 구조 및 Bottom Floor의 연결 구조를 고려하여 Double Bottom Floor의 최적 Scantling을 유도하였다.
- CSR에 의거 Cargo Tank 구조해석을 실시하였다. 사용된 해석 Tool은 Pre/Post Processor로 KR Holdan을, 해석 Solver로 Nastran을 이용하였다.
- Cargo Tank 구조해석은 크게 Yield Strength 및 Buckling Strength로 나누어 검토하였다.
- 해당 선박은 CI(Common Interpretation)-T7에 근거하여 CSR 기반으로 설계되었다. Cargo Tank 배치를 극대화 하기 위한 2개의 Cargo Longitudinal Bulkhead와 Upper Stool 삭제 구조에 대해 CSR 기반의 구조해석을 수행하였으며 특히, Corrugated Bulkhead에 의한 국부적인 단절 구조에 대해 추가적인 Local Fine Mesh 해석을 수행하여 구조적 검증을 수행하였다. 이는 향후 대형 화학제품운반선의 구조 설계 기반을 확보하는 계기가 될 것으로 확신한다.
- Local Fine Mesh 해석 구역을 선정하기 위한 Screening 해석은 CSR에서 제시한 방식을 따르되 Corrugated Bulkhead 연결 구조와 같이 따로 Screening 방식이 제시되지 않은 구역의 경우, 기본적으로 Local Fine Mesh 해석을 수행하였다. Deck Transverse의 경우, Manifold에 의해 Deck Transverse가 현저히 낮아진 구역에 대해 Typical Deck Transverse와 별도로 Local Fine Mesh를 따로 수행하여 구조적 안정성을 검증하였다. Fig.
- 기존의 CSR에서 요구하는 구역 외에 본선의 특이한 형상에 기인하는 일부 주요 연결 구조에 대해 추가로 Local Fine Mesh 해석을 수행하였다. Local Fine Mesh 해석 구역을 선정하기 위한 Screening 해석은 CSR에서 제시한 방식을 따르되 Corrugated Bulkhead 연결 구조와 같이 따로 Screening 방식이 제시되지 않은 구역의 경우, 기본적으로 Local Fine Mesh 해석을 수행하였다. Deck Transverse의 경우, Manifold에 의해 Deck Transverse가 현저히 낮아진 구역에 대해 Typical Deck Transverse와 별도로 Local Fine Mesh를 따로 수행하여 구조적 안정성을 검증하였다.
- Yielding Strength 평가로 보강된 구조해석모델을 바탕으로 Buckling Strength를 검토하였다. Buckling 해석은 DNV PULS를 이용하여 수행하였고 주요 검토 사항은 내용은 다음과 같다.
- 2 lbdg_dt (단, lbdg_dt＝Deck Transverse Span)이어야 한다. 그러나 이 경우 Deck Transverse 의 Web Depth가 너무 커져 Deck Transverse 상부로 배치되는 Pipe 및 장비와의 간섭 등이 우려되므로 Web Depth를 적절히 낮추고 대신 CI-T5에 따라 Deck Transverse Scantling을 결정하였다. 또한 Fig.
- 기존의 CSR에서 요구하는 구역 외에 본선의 특이한 형상에 기인하는 일부 주요 연결 구조에 대해 추가로 Local Fine Mesh 해석을 수행하였다. Local Fine Mesh 해석 구역을 선정하기 위한 Screening 해석은 CSR에서 제시한 방식을 따르되 Corrugated Bulkhead 연결 구조와 같이 따로 Screening 방식이 제시되지 않은 구역의 경우, 기본적으로 Local Fine Mesh 해석을 수행하였다.
- 그러나 이 경우 Deck Transverse 의 Web Depth가 너무 커져 Deck Transverse 상부로 배치되는 Pipe 및 장비와의 간섭 등이 우려되므로 Web Depth를 적절히 낮추고 대신 CI-T5에 따라 Deck Transverse Scantling을 결정하였다. 또한 Fig. 1과 같이 Deck Transverse 양단이 Side Web Floor와 충분히 연결 될 수 있도록 Inner Skin의 상부에 Upper Chamfer 구조를 적용하였다. 이는 Upper Deck 상부의 Passageway공간을 충분히 확보하는 역할을 하기도 한다.
- 일반적으로 Stool의 구조는 Corrugated Bulkhead를 지지해 주는 구조이긴 하나 Cargo Tank의 Volume을 감소시키는 요인이기도 하다. 본 연구에서는 Fig. 6과 같이 Upper Stool 구조를 삭제하는 대신 Corrugated Bulkhead와 Main Deck와의 연결성을 위해 해당 위치에 Deck Transverse와 Scarfing 구조를 시공하여 구조적 안정성을 꾀하였다.
- 본선과 같이 Corrugated Bulkhead가 시공된 화학제품운반선의 경우 특히 Corrugated Bulkhead 및 주위 연결 구조의 Local Fine Mesh해석을 통한 구조 검증이 무엇보다 중요하므로 Fig. 16와 같은 연결 구조에 대해 Local Fine Mesh 해석을 수행하였다. 해석 결과, Upper Deck 상부의 Deck Transverse나 Deck Girder 와의 연결 구조 (Fig.
- 2) Double Bottom Floor의 두께 역시 Buckling 해석에 의해 증가되었다. 최적의 Scantling을 구현하고자 Transverse Bulkhead 근처와 Mid Hold 근처의 Floor 두께를 달리하였다.
- 해당 구역의 경우 Longitudinal 및 Transverse Lower Stool Top의 연결 구역 Scarfing Bracket에서도 상당한 Stress가 확인 되어 Scarfing Bracket을 일부 증가 시키는 등의 구조 보강이 필요함을 확인 하였다. 특히 Corrugated Bulkhead의 Knuckle 부위의 응력 구배를 현실적으로 구현하기 위해 Knuckle Radius를 가능한 구현하였다.
- 본 연구에서는 이러한 Trend에 발 맞추어 제안된 75,000 TDW 크기의 화학제품운반선의 구조설계 및 구조적 안정성을 개발 검증하였다. 해당 선박은 원유운반선과 그 형상이 다른 화학제품운반선이긴 하나 CSR의 부속서로 발효된 CI(Common Interpretation)-T7에 의거, CSR에 근거하여 설계 되었다. 특히 본선의 경우, Cargo Tank의 개수 및 그 Volume을 극대화 하기 위해 2개의 Cargo Longitudinal Bulkhead를 시공하고 Upper Stool을 삭제한 신개념 배치를 제시하였는데 이러한 구조적 배치를 검증하기 위해 본 논문에서는 화학제품운반선 설계 시 고려해야 할 CSR 및 CI를 살펴보고 제시된 75,000 TDW 화학제품운반선의 구조적 검증을 실시하여 해당 구조에 대한 안정성을 제시하고자 한다.
대상 데이터
- 그리고 3개의 Longitudinal Stringer를 Ballast Tank 내에 배치하였다. Cargo Tank F.E Model은 CSR에 의거, Fig. 7과 같이 3개의 Cargo Tank로 구성하였다. Fig.
- Cargo Tank 배치는, 전형적인 Double Bottom과 Double Skin으로 이루어진 Double Hull 구조이며, 2개의 Longitudinal Corrugated Bulkhead와 Transverse Corrugated Bulkhead로 구성된다. 그리고 3개의 Longitudinal Stringer를 Ballast Tank 내에 배치하였다.
이론/모형
- Yielding Strength 평가로 보강된 구조해석모델을 바탕으로 Buckling Strength를 검토하였다. Buckling 해석은 DNV PULS를 이용하여 수행하였고 주요 검토 사항은 내용은 다음과 같다.
- CSR에서 정의한 Loading Condition에 따라 구조해석을 수행하였다. 두 개 Longitudinal Bulkhead 있는 경우, Table 1과 같은 Loading Condition이 적용 될 수 있으며 이때 VLCC와 달리 Cross-tie가 없는 구조이므로 기존의 A7, A12 Loading Condition 은 제외한다.
- CSR에 의거 Cargo Tank 구조해석을 실시하였다. 사용된 해석 Tool은 Pre/Post Processor로 KR Holdan을, 해석 Solver로 Nastran을 이용하였다.
- 본 연구를 통해 75,000 TDW 크기의 Chemical Tanker의 구조 강도 해석을 평가하고 구조 안정성을 확보 하였다. 해당 선박은 CI(Common Interpretation)-T7에 근거하여 CSR 기반으로 설계되었다. Cargo Tank 배치를 극대화 하기 위한 2개의 Cargo Longitudinal Bulkhead와 Upper Stool 삭제 구조에 대해 CSR 기반의 구조해석을 수행하였으며 특히, Corrugated Bulkhead에 의한 국부적인 단절 구조에 대해 추가적인 Local Fine Mesh 해석을 수행하여 구조적 검증을 수행하였다.
성능/효과
- 1) CI-T7 : CSR의 적용 범위를 기술한 사항으로 해당 CI에 의해 화학제품운반선에 대해 CSR 적용이 가능하다.
- 1) Deck Transverse 강도 및 Side Web Floor와의 연결 구조를 검토하였고 해당 Loading Condition에 대해 충분한 강성을 가짐을 확인하였다. 그러나 본 구역은 추후 Local Fine Mesh 해석을 수행하여 필요 시 국부적 보강을 수행할 필요가 있다.
- 1) Fig. 12와 같이 Side Cargo Tank에 화물이 채워지거나, Fig. 13처럼 Center Cargo Tank에 화물이 채워질 경우, Longitudinal Lower Stool 및 Double Bottom Girder에 큰 압축응력이 발생되며 이에 의해 Stool 및 Girder의 보강이 필요하였다.
- 3) CI-T5 : Deck Transverse Scantling 결정 시 CSR은 Minimum Web Depth를 규정하고 있다. 그러나 Deck Transverse주변 배치에 의해 Minimum Depth의 적용이 불가한 경우, 동일한 강성을 가진다는 조건으로 Web Depth를 낮출 수 있는 조항이다.
- 3) Deck Longitudinal Girder는 Prescript Rule 대비Scantling이 증가되었다. 이는, Longitudinal Corrugated Bulkhead와 연결된 Scarfing Bracket이 일부 구역에서는 오히려 Girder의 구속 역할을 하게 되어 상대변위 증가에 따른 응력집중에 의한 원인으로 확인 된다.
- 특히 Upper Hopper 및 No.3 Stringer Plan 근처의 Side Web Floor에 시공된 Access Opening 주위의 판 두께가 증가된 것을 확인 하였다.
- 그러나 비교적 높은 하중이 작용하는 Lower Stool과 Corrugated Bulkhead 연결 구조의 경우 (Fig. 19), Corrugated Bulkhead 뿐만 아니라 Lower Stool Plate 및 내부 Scarfing Bracket의 추가적인 구조 보강이 필요함을 확인 하였다. 해당 구역의 경우 Longitudinal 및 Transverse Lower Stool Top의 연결 구역 Scarfing Bracket에서도 상당한 Stress가 확인 되어 Scarfing Bracket을 일부 증가 시키는 등의 구조 보강이 필요함을 확인 하였다.
- 먼저 CSR Prescriptive Requirement의 85% 수준으로 저감된 Property 기반으로 Yielding Strength 평가 결과, 전반적으로 구조 Scantling의 많은 증가는 보이지 않았다. 이는 상대적으로 Frame Space가 큰 원유운반선 대비 횡강도 측면에서 유리한 것도 하나의 원인으로 지목된다.
- 19), Corrugated Bulkhead 뿐만 아니라 Lower Stool Plate 및 내부 Scarfing Bracket의 추가적인 구조 보강이 필요함을 확인 하였다. 해당 구역의 경우 Longitudinal 및 Transverse Lower Stool Top의 연결 구역 Scarfing Bracket에서도 상당한 Stress가 확인 되어 Scarfing Bracket을 일부 증가 시키는 등의 구조 보강이 필요함을 확인 하였다. 특히 Corrugated Bulkhead의 Knuckle 부위의 응력 구배를 현실적으로 구현하기 위해 Knuckle Radius를 가능한 구현하였다.
- 16와 같은 연결 구조에 대해 Local Fine Mesh 해석을 수행하였다. 해석 결과, Upper Deck 상부의 Deck Transverse나 Deck Girder 와의 연결 구조 (Fig. 17, Fig. 18)의 경우, 기존의 Cargo Tank 해석 결과 대비 추가적인 보강은 크게 필요 없는 것으로 확인 되었다.
- 3) Corrugated Bulkhead는 앞서 설명한 바와 같이 DNV PULS가 아닌 CI-T1에 의해 Uni-Axial Stress를 이용하여 Buckling Strength를 검토한다. 확인 결과 기존의 Prescriptive Requirement가 충분한 강성을 가짐을 확인하였다.
후속연구
- 1) Deck Transverse 강도 및 Side Web Floor와의 연결 구조를 검토하였고 해당 Loading Condition에 대해 충분한 강성을 가짐을 확인하였다. 그러나 본 구역은 추후 Local Fine Mesh 해석을 수행하여 필요 시 국부적 보강을 수행할 필요가 있다.
- Cargo Tank 배치를 극대화 하기 위한 2개의 Cargo Longitudinal Bulkhead와 Upper Stool 삭제 구조에 대해 CSR 기반의 구조해석을 수행하였으며 특히, Corrugated Bulkhead에 의한 국부적인 단절 구조에 대해 추가적인 Local Fine Mesh 해석을 수행하여 구조적 검증을 수행하였다. 이는 향후 대형 화학제품운반선의 구조 설계 기반을 확보하는 계기가 될 것으로 확신한다.
- 2) Transverse Corrugated 및 Longitudinal Corrugated Bulkhead의 연결 구역과 Lower Stool 및 On Deck Transverse 및 On Deck Longitudinal Girder와의 연결 구조를 검토하였다. 해당 구역 역시 유한 요소 크기가 Longitudinal Spacing Size인 본 해석에서는 추가적인 보강이 필요 없음을 확인하였으나 국부적 단절 구조가 많아 추후 Local Fine Mesh 해석을 통해 검증할 필요가 있다.
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