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문제 정의
- 본 논문에서는 10,000 톤 급 권상 능력을 가진 초대형 해상 크레인의 주요 특징을 소개하고 선체 구조강도 평가시 고려 하였던 Prescriptive Rule 및 구조해석 사항들에 대하여 소개 하고자 한다.
제안 방법
- Prescriptive Rule에 의한 구조설계에 대하여 실제 운용 상황에서 발생하는 다양한 Hull Girder에 의한 영향 및 크레인 하중을 고려한 크레인 하부 지지구조의 강도 평가가 필요하여 전선 구조해석을 수행하였다.
- 해당 위치는 Longitudinal BHD의 크레인 지지구조 주변의 개구에서 발생하였고, 주요 응력 성분은 법선응력과 전단응력이었다. 개구 주변의 보강재를 추가하는 방식으로 보강하였다.
- 경계조건은 Fig. 20과 같이 Jib 하부 모델의 경우, 선수미 방향은 Tx, Ry, Rz를 구속, 중심선은 Ty, Rx, Rz를 구속하여 대칭조건으로 구속하였으며 Tank Boundary 에서의 격벽, 외판 및 Upper Deck의 교점에서 Tz를 구속하였다.
- 선체구조 상부의 대형 크레인은 파랑하중에 의한 선체운동에 매우 취약한 구조적 특성을 가지고 있으며, 이로 인해 일반 선박에 적용하는 간이식으로 계산된 파랑 중 종굽힘 모멘트, 전단력, 파랑압력 및 운동가속도를 해상크레인에 직접 적용하기에 무리가 있다. 따라서 Table 5와 같이 해상크레인의 실제 운용조건을 고려한 7가지 조건에 대한 유체동하중 해석을 수행하고, 해석결과를 파랑 하중으로 적용하였다.
- Hull Girder에 의한 영향 및 크레인 Weight를 고려한 크레인 하부 지지구조의 강도 평가가 전선구조해석의 범위 내에 포함되어 검토가 이루어 졌으나, 크레인 반력에 대한 영향이 충분히 고려되지 않았다. 따라서 각 Load Case에서 발생하는 크레인 반력을 고려한 지지구조의 강도 평가가 필요하며, 이에 Fig. 18의 위치에 대한 국부강도 해석을 수행하였다.
- 또한 Fig. 21과 같이 Pin과 Saddle이 접하는 위치에 RBE2요소를 사용하여 크레인의 반력을 유효하게 전달할 수 있도록 하였다. 이때 y방향은 Pin이 고정되는 지점 전체를 구속하였으며, x, z방향은 Hole을 형성하는 절점에 구속하였다.
- 또한 해석모델의 하중평형을 맞추기 위하여 크레인의 반력과 평형을 이룰 수 있는 외부정수압의 수두를 구하여 외판 및 Bottom Shell에 압력으로 고려하였다.
- 선체 부재의 기본 치수는 KR 강재부선 및 강선규칙 제 3편을 적용하여 결정하였고, 해상 크레인 운용상 고려해야 하는 특정하중들을 적용하여 추가로 강도 검토 하였다.
- 선체 부재의 치수 결정 규정은 KR 강재부선 규칙을 적용하나 강재부선 규칙에 따라 선체 길이가 150m 이상인 본 해상크레인은 강선규칙 제 3편을 추가로 적용하였다.
- 선체에 전달되는 크레인 반력을 충분히 고려하기 위하여 Saddle이 위치하고 있는 탱크 경계의 범위를 모델링하였으며, 경계 조건을 위하여 추가로 각 1개의 Frame(FR)을 양단에 포함하였다.
- 요소의 크기는 Longitudinals 간격을 표준으로 하였으며, Saddle과 직접 만나는 부분의 1개 FR의 범위 내의 요소는 표준 요소의 1/4 크기로 분할하여 응력 분포를 상세히 확인할 수 있도록 하였다.
- 운동해석 결과로 결정된 설계파를 Table 6(LC63의 예시)와 같은 형식으로, 7가지의 LC와 9가지의 조합으로, 총 63가지의 하중 조건에 대하여 평가하였다.
- 좌굴강도는 KR 규칙 3편 "직접강도평가에 관한 지침"을 적용하였으며, SeaTrust-Holdan을 사용하여 평가하였다.
- 크레인은 선체 중심선을 기준으로 좌우 대칭이므로 Fig. 19와 같이 반폭 모델을 이용하여 구조해석을 수행하였으며, 그 결과를 양현에 동일하게 적용하였다.
- 피로강도 평가는 SeaTrust-FANSYS를 사용하여 KR 규칙 3편 '부록 3-3 선체구조의 피로강도평가 지침'에 따라 스펙트럴 피로해석을 수행하였으며 설계수명은 20년으로 평가하였다.
대상 데이터
- 판 및 1차 부재의 웨브는 쉘요소(CQUAD4 & CTRIA3), 굽힘을 지지하는 보강재 및 Tripping Bracket과 같이 1차 부재의 변형을 지지해 주는 부재는 보요소(CBAR), 그 외의 보강재는 봉요소(CROD)를 사용하여 모델링하였다.
이론/모형
- 선체의 전선구조해석모델은 Fig. 9와 같이 Longitudinal Member의 간격을 표준으로 요소를 생성하였으며, 하중의 비대칭성을 고려하여 전폭모델을 사용하였다.
성능/효과
- Jib 하부구조의 압축에 의한 좌굴강도와 Back Stay After Leg 연결부의 피로수명은 매우 안전성을 가지는 결과를 확인하였으며, 초기 구조가 응력 흐름을 고려하여 효율적으로 설계된 것으로 판단할 수 있었다.
- 검토 결과, Fig. 5에서 보이는 중앙 단면의 Deck와 Bottom 부의 주부재 사이즈 결정은 굽힘응력에 의한 보강 보다는 강선규칙 제 3편에서 규정한 최소 단면 2차 모멘트 요구치에 의해 결정되었다. 추가로, S.
- 결론적으로 본 초대형 해상 크레인의 선체구조는 권상 정격 하중인 10,000톤을 권상하는데 충분한 안전성을 확보한 것으로 판단된다.
- 다만, Vertical Shear Force의 설계하중 적용 시 종격벽에서 매우 큰 전단응력이 발생함을 확인할 수 있었으며, 특히 크레인 지지구조 주변과 개구 주변은 허용응력에 가까운 응력이 발생하는 것을 확인할 수 있었다. 이는 크레인 반력이 선체에 작용하는 특징으로 기인하는 것으로 판단된다.
- 초대형 해상 크레인의 환경조건은 크레인 설계를 위하여 일반 선박에 비해 매우 완화된 상태이므로 운동해석 결과 선정된 결정하중의 크기는 선급 Rule에서 정의하는 하중에 비해 완화된 크기를 가진다. 따라서 선체의 전체강도 측면에서는 비슷한 치수를 가진 일반 폰툰형 부선에 비해 안정적인 결과를 가질 수 있는 특징을 가질 수 있음을 확인할 수 있었다.
- 또한 크레인 하부지지구조의 로컬구조해석 평가 결과, 대부분의 구조부재는 구조안전성을 가지는 것으로 확인할 수 있었으나, 크레인 하부지지를 위해 배치된 Partial BHD의 연결부 주위에서 응력이 집중되는 현상을 확인할 수 있었다. 이러한 현상은 구조부재의 치수를 증가시키는 것 보다 응력의 흐름이 원활하게 이루어질 수 있는 구조 배치가 효율적인 것으로 판단할 수 있었다.
- 0을 적용하였다. 모든 하중 조건에 대한 평가 결과 전반적으로 양호한 결과를 가졌으나 Fig. 16과 같이 Operating Condition 중 LC63에서 좌굴에 취약한 패널이 발생하였다. 해당 위치는 Longitudinal BHD의 크레인 지지구조 주변의 개구에서 발생하였고, 주요 응력 성분은 법선응력과 전단응력이었다.
- 또한 크레인 하부지지구조의 로컬구조해석 평가 결과, 대부분의 구조부재는 구조안전성을 가지는 것으로 확인할 수 있었으나, 크레인 하부지지를 위해 배치된 Partial BHD의 연결부 주위에서 응력이 집중되는 현상을 확인할 수 있었다. 이러한 현상은 구조부재의 치수를 증가시키는 것 보다 응력의 흐름이 원활하게 이루어질 수 있는 구조 배치가 효율적인 것으로 판단할 수 있었다.
- 좌굴 강도 평가 결과 Fig 24와 같이 하부지지구조의 모든 패널에서 판정치 1을 넘어 안전성을 가짐을 확인하였다.
- 주어진 운용환경조건에서의 운동해석을 수행하고 선체에 대한 전선구조해석 수행 결과 전반적으로 구조안전성을 가지는 것을 확인할 수 있었다. 초대형 해상 크레인의 환경조건은 크레인 설계를 위하여 일반 선박에 비해 매우 완화된 상태이므로 운동해석 결과 선정된 결정하중의 크기는 선급 Rule에서 정의하는 하중에 비해 완화된 크기를 가진다.
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