∎빙해선박 빙하중 추정 기술
빙해지역을 운항하는 선박의 기능에 따라 필수적으로 여러 종류의 얼음을 만나 게 되는데 얼음은 선박의 구조안전에 유해요소가 되기 때문에 이에 대한 대비 책이 필요하다. 이를 위하여 빙하중을 적절하게 추정하여야 내빙구조의 신뢰성 도 확보되고 안전운항도 보장받을 수 있다. 그러나 빙하중 추정 기술은 현재 정립되어 있지 않은 상태이기 때문에 이에 대한 기술 확보가 필요하다.
∎유빙 충격하중 추정 기술
내빙해역 중 얼음의 밀집도가 낮은 지역은 유빙이 많아 부딪치게 되면 선체손 상 뿐만 아니라 화물의 유출 등 심각한 문제가 발생한다. 따라서 빙해지역 선 박은 유빙을 회피하여 운항을 하고 있으나 모든 유빙을 피해 운항하기에는 어 려움이 많다. 이에 유빙과 충돌을 하더라도 구조강도를 확보하도록 구조설계를 하는 것이 바람직하다. 그러기위해서는 유빙에 의한 충격하중을 추정하고 이에 따른 선체의 내충돌 구조설계를 하는 기술이 필요하다.
∎빙하중 모니터링 기술
빙해역을 운항하는 선박의 안전성을 높이기 위하여 선체에 작용하는 빙하중을 계속 모니터링 할 필요성이 있다. 빙하중을 모니터링하면서 현재 작용하는 하 중 수준을 파악할 뿐만 아니라 빙하중의 장단기 예측을 통하여 앞으로 과하중 이 작용할 경우 구조적 위험성을 경고할 수 있는 과하중 경고 시스템 개발이 필요하다.
∎빙해선박의 진동/소음 감소 기술
빙해선박은 저속이면서 고출력이 요구되기 때문에 선체의 안전성에 필수적인 저주파와의 공진회피가 필수적이다. 또한 쇄빙시 발생하는 소음과 진동에 의한 거주 및 작업환경의 쾌적성을 유지하기 위하여 선수 및 선루에 대한 Hammering 효과에 대한 진동해석과 소음전파에 대한 해석이 필요하다.
∎저온용 구조용강 용접부 피로수명 증강 기술
용접부위 피로수명 향상은 선박의 안전운항 보장은 물론 사용기간의 연장을 통 한 경제적 효과도 얻을 수 있다. 용접부 피로수명 증강기법 중 표면처리 기술 은 설계, 제작 및 보수작업에 간단히 적용될 수 있고, 또한 높은 성과도 얻을 수 있는 효율적인 기술이다.
그리고 선박의 대형화 및 성능 향상에 따라 구성재료의 여러 가지 성질과 품질 향상의 요구와 더불어, 새로운 재료의 개발 및 개량과 이에 따른 가공기술 향 상이 요구되고 있다.
특히, 선체는 일반적인 육상의 구조물과 달리 대형이고 열악한 사용 상태에 놓 여 있다. 따라서 선체에 사용되는 재질은 다음의 조건을 만족하여야 한다.
∎값이 싸며 강도 및 강성이 커야 한다.
∎ 가공성이 좋고, 용접이 용이해야 한다.
∎ 부식에 대해 충분히 견딜 수 있어야 한다.
이를 만족하는 일반적인 구조재료로 연강(Mild steel)이 있다. 하지만 연강이 주 로 사용되는 일반 선박과는 다르게 ARAON호에서는 연강이 극히 제한된 구역 에만 사용되었다. 운항해역이 극지이기 때문에 연강은 빙하중의 영향이 덜 받 는 Deck부분에 주로 사용되었으며, 반대로 빙충격에 노출되어 있는 외부선체는 고장력강인 HT36을 주로 사용하고 있는 것이 특징이다.
선체의 구조적 안전성 평가에는 빙하중에 의한 선체구조 손상의 위험도 해석 (Risk analysis)을 기본적으로 하되 빙하중의 확률적 분포와 구조강도의 확률분 포도 동시에 고려해야 한다. 그러나 일반적으로 구조강도의 불확실성 (Uncertainty)에 비하여 빙하중의 불확실성이 워낙 압도적으로 크기 때문에 빙
일반적으로 구조신뢰성해석 기법은 다음과 같이 3가지로 크게 나눌 수 있다.
(최경식 외, 2010)
• Level Ⅰ
일반적으로 사용되는 결정론적 방법(Deterministic approach)을 말한다. 안전율 (Safety factor)로써 불확실성에 대비한다.
• Level Ⅱ
준확률적 방법(Semi-probability method)이라고 하며, 파괴경계면(Failure boundary)상의 한 점에서 Approximation method를 이용하여 신뢰성 해석을 수행한다. 확률적 설계변수의 평균치(1st moment)와 분산(Second moment)만을 이용하여 확률적 분포를 표현하기 때문에 Second moment method라고 하며 흔히 신뢰성 해석이라고 하면 이 방법을 일컫는 경우가 많다.
• Level Ⅲ
완전확률적 방법(Fully probabilistic method)이라고 하며, 모든 설계변수들의 확률분포를 이용하여 파괴확률 를 계산한다. 모든 설계변수에 대한 방대한 양의 다중적분이 필요하기 때문에 실제로는 적용이 거의 불가능하여 검증용으 로 많이 사용된다.
이런 모든 확률적인 방법에는 여러 문제가 발생한다. 해빙은 장소에 따라 온도 나 염분이 다르기 때문에 해빙의 강도가 달라짐으로 안전성을 평가하기란 쉬운 일이 아니다.
내빙선박의 경우 Ice class가 낮기 때문에 기존의 해양선박과 별 차이가 없어 큰 의미가 없을 뿐만 아니라 설계규정에 따라 설계하기 때문에 별문제가 없다 고 생각하는 것이 국내의 실정이여서 향후 적극적으로 대처할 필요가 있다.
본 논문에서는 현재 많이 사용하고 있는 FMA Tentative Guideline의 지침에 의해 Ice class를 IA Super로 하여 선수, 중앙부, 선미부분에 빙충격 하중을 가 해 Ice pressure에 따른 변위의 거동과 응력을 파악하였으며, 이 결과로부터 Critical areas 부분을 예측하고 변위의 거동으로부터 쇄빙연구선 ARAON호가 안전한 지를 살펴보았다.
특히 국내뿐 아니라 국외의 경우도 쇄빙선박에 대한 안전성 평가 기준이 정확 하게 명시되어 있지 않은 현실이다.
본 연구에서 적용한 빙충돌 해석의 절차는 Fig. 3-4와 같다.
충돌 시나리오 선정
부분 모델
선수
중앙
선미 전선 모델
선체 부위별 충돌
하중과 경계 조건 구조 해석
안전성 평가 YES 해석모델 수정
NO