• 검색 결과가 없습니다.

A study on structural analysis for suezmax tanker applied CSR-H

N/A
N/A
Protected

Academic year: 2021

Share "A study on structural analysis for suezmax tanker applied CSR-H"

Copied!
7
0
0

로드 중.... (전체 텍스트 보기)

전체 글

(1)

1. 서 론

IACS는 2016년 7월 1일부터 강제 적용되는 IMO GBS 요건을 충족 시키기 위해서, 기존의 CSR-BC와 CSR-OT를 보다 명확하 게 보완하고 통합하여 Harmonized CSR(CSR-H)를 제정 하였 다. CSR-H에서 가장 큰 이슈 중의 하나가 구조 해석이다. CSR-H 에서는 구조해석의 평가 범위가 최전방 및 최후방의 격벽을 포함하는 선박 전체 화물창에 대하여 수행 하도록 규정 하였다. 이에 따라서 새로운 하중조건 및 경계조건이 제시되고, 각 화물창 의 구조해석 결과에 의해서 추가적인 구조 보강이 요구 된다. 본 논문에서는 당사의 158K DWT CLASS CRUDE OIL TANKER에 CSR-H를 적용하여 선체 변경 사항들을 비교 분석 하였다. 향후 유사 선박에 CSR-H를 적용함에 있어 나타나는 경향을 파악하고, 최적화된 디자인을 찾는데 도움이 될 것으로 생각한다.

2. 본 론

대상 선박은 158K DWT CLASS(SUEZMAX) CRUDE OIL TANKER로 6개의 화물창을 가지고 있으며, 중앙 유밀 종격

벽이 있는 이중 선체의 유조선이다. CSR-OT가 적용된 선박 이며 주요 제원은 다음의 Table 1과 같다.

Table 1 Principal Dimensions

Length O. A. 274.2 m Length B. P. 264.0 m Length (Scantling) 260.8 m Breadth (Moulded) 48.0 m Depth (Moulded) 23.1 m Draft (Design) 16.0 m Draft (Scantling) 7.15 m 본 연구를 위해서 CSR-H에 의거 유한요소법으로 선박의 구조해석을 수행 하였다. 구조해석 Pre/Post Processor는 한 국 선급의 SeaTrust_HullScan을 Analysis Solver 로는 MSC 의 Nastran을 사용 하였다.

2.1 Prescriptive Requirements

CSR-H의 Prescriptive Requirement를 검토하여 증가된 판 두께와 부재의 치수를 구조해석 모델에 반영 하였다.

CSR-H를 적용한 SUEZMAX급 TANKER의 구조해석

결과 및 고찰

박성영† 성동조선해양 구조기본설계파트

A study on structural analysis for suezmax tanker applied CSR-H

Sung-Young Parkr†

SUNGDONG Shipbuilding & Marine Engineering Co., Ltd.

This is an Open-Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License(http://creativecommons.org/licenses/by-nc/3.0) which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited.

IACS enacted Harmonized CSR(CSR-H) to meet the IMO GBS applied from 1 July 2016. CSR-H is clearly complement and integrate than present CSR-BC & CSR-OT. One of the biggest issue in new rule is structural analysis. In CSR-H, structural analysis must carried out entire each cargo area including the aft bulkhead of the aftermost cargo hold and the collision bulkhead. Accordingly, new load and boundary conditions are present, an additional structural reinforcement is required by the structural analysis result for each cargo hold. In this study, we applied CSR-H to existing 158K DWT CLASS CRUDE OIL TANKER in order to compare and analyze the hull changes. It is useful for the application of the CSR-H to the similar vessel and helpful in finding the optimized structural design.

(2)

Fig. 1에서는 판 두께의 요구치를 대상 선박과 비교하여 표시 하였으며, Fig. 2는 종부재의 단면계수 요구치를 대상 선박 종부재의 단면계수와 비교하여 도시 하였다.

Fig. 1 Plate Summary

Fig. 2 Stiffener Summary

판 두께와 부재 치수의 주요 증가 요인을 각각 아래의 Table 2에 정리 하였다.

Table 2 Review of Prescriptive Requirement

Item Difference Reasons

PLATE

1. The relief valve pressure is added to liquid cargo tank for seagoing conditions. 2. Minimum thickness criteria.

3. Buckling criteria.

STIFFENER

1. The relief valve pressure is added to liquid cargo tank for seagoing conditions. 2. Fatigue criteria.

3. Local load criteria.

Table 3 Comparison of Design Load Scenarios

Rule CSR-OT CSR-H

Load Components Static + Dynamic (S+D)

Pin (Liquid Tank) PIs – 25 + PId PIs + PId CSR-H에서는 항내 및 탱크시험 상태(S) 뿐만 아니라, 선 박의 파랑 하중에서의 항해 상태(S+D)에서도 도출 밸브의 압력 25 kN/m2을 고려 하였기 때문에 액체 화물창 내부 경 계의 압력이 증가 하였다.

2.2 구조해석 모델링

2014년 12월말 수정된 CSR-H 규칙(URCN 1)에 따라서 각 위치의 모든 MANHOLE을 구조해석 모델에 반영 하였다. MANHOLE을 구조해석 모델에 반영한 영향으로 대부분의 MANHOLE 주변 요소의 응력이 증가 하였으며, 좌굴 평가의 경우에는 MANHOLE의 양쪽 끝단에 보강재를 추가하지 않으 면 허용 기준을 만족하기 어려워 졌다. 늘어난 구조해석 적용 범위에 맞추어 선수미 관심 구간의 화물창에 맞는 선체거더 하중을 고려하기 위한 방법이 제시 되었고, 비틀림을 고려하기 위해서 새로운 경계조건을 규정 하 였다. 하중 조건에서 선수부의 경우 FP Tank를 선미부의 경우 Slop Tank를 같이 고려 하였으며, 선박이 대칭인 경우에도 선박 의 양현(P&S) 모두를 구조해석 수행 하도록 규정 하였다.

Fig. 3 Typ. Web Frame Section

(3)

Fig. 5 FE model for Aftermost Cargo Hold Structure

2.3 구조해석 결과

구조해석에서의 영향을 검토하기 위하여, 기존의 CSR-OT 적용 선박에 CSR-H로 구조해석을 수행하여 각 부위별 허용 기준에 따라서 강도 평가를 수행 하였다. 중앙부 화물창 구간의 좌굴 평가에서 허용 기준을 초과하 는 부분이 국부적으로 나타 나지만, 이는 보강재의 추가 만 으로 만족 시킬 수 있음으로 그 영향은 크지 않다. 구조해석에서 CSR-OT 대비 CSR-H의 항복 응력의 허용 기준을 비교해 보면 아래의 Table 4와 같이 나타난다. CSR-H 구조해석 결과 대부분의 부재에 대해서 항복 응력 의 허용 기준이 증가(6~25%) 하였음을 확인할 수 있었으며, 화물창 내부의 부재(Non-Tight Member)에 대해서는 항복

Fig. 6 Buckling Assessment of Typ. Web Section

Fig. 7 Buckling Assessment of TBHD

응력의 허용 기준이 감소(0~4%)한 것을 알 수 있다. 이는 구조해석 모델링에 보강재 자체의 굽힘 효과를 반영할 수 있 는 Eccentric Beam 요소를 사용하도록 규정 함으로서 항복 응력의 허용 기준이 대부분의 부재들에 대하여 100% 기준으 로 결과를 평가하게 된 반면에, 허용항복강도에 공칭 항복응 력을 사용하여 기존보다 고장력 강에 대한 항복 응력의 값이 감소 하였기 때문이다.

Openings, Bracket Toes, Stringer Heels 부분에 대하서 는 Fine Mesh Screening을 통하여 국부 상세 구조해석 여부 를 결정한다. 응력 값의 허용 기준을 초과하는 부분이나, 이 상 응력 집중부 에도 국부 상세 구조 해석에 대한 평가가 요 구 되어진다.

구조해석 결과에서 항복 응력의 허용 기준을 초과하는 부 분은 Bracket Toe 끝단부의 요소나 Opening 주변 요소에서 나타나는데, 이를 국부 상세 구조해석으로 재평가를 해보면 대부분 만족하는 것으로 나타난다. 때문에 중앙부 화물창의 항복 응력의 평가에서는 기존 CSR-OT의 결과와 크게 차이 가 없음을 알 수 있다.

2014년 12월말 수정된 CSR-H 규칙(URCN 1)에 따라서 Fine Mesh Screening을 수행하면, 기존 CSR-OT에서 요구 되는 국부 상세 구조해석 구간에 비하여 절반 이상 줄었다. Table 4 Comparison of Permissible Stress for Yield

Member CSRH / CSR Permissible Stress Ratio (%)

Upper Deck 1.06 ~ 1.11 Bottom Shell 1.19 ~ 1.25 Side Shell 1.06 ~ 1.11 Inner Bottom 1.19 ~ 1.25 Hopper Plate 1.06 ~ 1.11 Inner LBHD 1.06 ~ 1.11 CL LBHD 1.06 ~ 1.11 TBHD 1.19 ~ 1.25

Typ. Web Section 0.96 ~ 1.00

Bottom Girder 0.96 ~ 1.00

No.1 STR 0.96 ~ 1.00

No.2 STR 0.96 ~ 1.00

No.3 STR 0.96 ~ 1.00

(4)

이는 늘어난 구조해석 평가 범위를 고려하여 Fine Mesh Screening의 효율성을 높이기 위한 Factor가 반영 되었기 때 문이다.

Fig. 9 Fine Mesh Analysis Result of Toe & Opening

Fig. 10 Stress Plot of Stringer

Fig. 11 Fine Mesh Analysis Result of Stringer Toe

각 허용 기준을 1.0로 가정 하여 구조해석 결과를 정리해 보면 아래의 Table 5와 같다.

Table 5 Assessment of Midship Cargo Hold Region

Member Yield Assessment Buckling Assessment

Upper Deck 0.88 0.96 Bottom Shell 0.72 0.90 Side Shell 0.87 0.93 Inner Bottom 0.55 0.80 Hopper Plate 0.80 1.02 Inner LBHD 0.85 1.05 CL LBHD 0.89 0.91 TBHD 0.75 1.30

Typ. Web Section 1.11 1.26

Bottom Girder 0.83 0.93 No.1 STR 1.06 1.31 No.2 STR 1.13 1.13 No.3 STR 1.04 1.04 최전방 화물창의 선수 격벽에서는 HSM Load Case의 Lateral Pressure의 영향으로 격벽의 상부에서 좌굴이 발생 하며 전반적으로 보강이 필요함을 알 수 있다. 요구 되는 추 가 보강재의 수가 많음으로 두께의 증가도 같이 고려해야 하 며, 다른 방법으로 상부 격벽의 보강 방법을 수직에서 수평 으로 바꾸어 좌굴 강도를 만족 시킬 수 있다.

Fig. 13 Buckling Assessment of FP BHD

(5)

최전방 화물창의 구조해석 결과에서 선수 격벽 이면의 End Bracket에서 국부적으로 큰 집중 응력이 나타 나는데, 이는 Bracket의 사이즈를 키우거나 고장력강을 사용하여 만 족 시킬 수 있다.

Fig. 15 Stress Plot of CL LBHD

최전방 화물창은 선수부의 Bottom Slamming & Bow Impact 에 대한 판 두께와 보강재 사이즈가 증가 되어 있어 서 비교적 구조해석 결과가 양호하게 나타났다.

Table 6 Assessment of Foremost Cargo Hold

Member Yield Assessment Buckling

Assessment Upper Deck 0.95 1.09 Bottom Shell 0.59 0.9 Side Shell 0.84 0.89 Inner Bottom 0.53 0.65 Hopper Plate 0.87 0.83 Inner LBHD 0.96 1.17 CL LBHD 1.46 1.46 TBHD 0.61 1.39

Typ. Web Section 0.87 1.54

Bottom Girder 0.67 0.64

No.1 STR 0.7 0.78

No.2 STR 0.57 0.62

No.3 STR 0.64 0.63

Fig. 16 Buckling Assessment of Typ. Web Section

최전방 화물창의 양호한 구조해석 결과와는 반대로 최후 방 화물창의 구조해석 결과에서는 각각의 허용 기준을 초과 하는 부분들이 많이 나타남을 확인할 수 있다.

최후방 화물창의 Typ. Web Section의 구조해석 결과 FSM Load Case의 영향으로 선저 늑판에서 넓게 좌굴 허용 기준을 초과함을 알 수 있다.

Fig. 17 Buckling Assessment of Inner LBHD

Fig. 18 Buckling Assessment of Side Shell

특히, 최후방 화물창에서는 세장비가 큰 보강판이나, 화물 창의 후방 끝단 불연속 연결부에서 좌굴 강도상 취약하게 나 타났다.

(6)

최후방 화물창의 중앙 유밀 종격벽에서는 선수측 격벽의 전방으로 좌굴 강도를 보강하기 위한 국부적인 보강재의 추 가가 필요하다.

Fig. 20 Buckling Assessment of Stringer

Fig. 21 Buckling Assessment of Bottom Girder

항복 응력의 평가에서도 화물창 후방의 끝단 불연속 연결 부에서 큰 집중 응력이 나타 나는데, 허용 기준을 만족 시키 기 위해서는 적절한 이면 보강과 판두께의 증가가 필요하다.

Fig. 22 Stress Plot of Upper Deck

Fig. 23 Stress Plot of Inner LBHD

Fig. 24 Stress Plot of Inner Side Shell

최후방 화물창의 구조해석 결과를 정리해 보면 아래의 Table 7과 같이 나타난다.

Table 7 Assessment of Aftermost Cargo Hold

Member Yield Assessment Buckling

Assessment Upper Deck 1.14 1.17 Bottom Shell 0.70 0.97 Side Shell 1.34 1.62 Inner Bottom 0.95 0.95 Hopper Plate 1.57 1.63 Inner LBHD 1.44 1.42 CL LBHD 0.99 0.93 TBHD 0.64 1.20

Typ. Web Section 1.36 1.26

Bottom Girder 1.14 1.19

No.1 STR 1.18 1.21

No.2 STR 1.25 1.35

(7)

SUEZMAX TANKER에서 CSR-H를 적용시 구조해석 결과 에서 기존의 CSR-OT의 결과와는 다른 경향을 보이며, 추가 적인 보강이나 재질 변경이 필요한 부분들은 아래와 같다.

Table 8 Review of Structural Analysis

Area Impact Member Factor

Midship Cargo Tanks

- Typ.Web Section

- Horizontal Stringers FE Yield & Buckling - Inner LBHD - TBHD FE Buckling Foremost Cargo Tank Foremost Cargo Tank

- CL LBHD FE Yield & Buckling

- Upper Deck - Inner LBHD - FP BHD

- Typ. Web Section

FE Buckling Aftermost Cargo Tank - Upper Deck - Side Shell - Hopper - Inner LBHD - Typ. Web Section - Bottom Girder - Horizontal Stringers FE Yielding & FE Buckling - TBHD FE Buckling

Fig. 25 Overall of Scantling Impact for FE Buckling

3. 결 론

본 연구에서는 SUEAMAX급 TANKER에 대하여 CSR-H를 적용하여 기존 CSR-OT와 전반적인 구조해석 결과를 비교 분석 하였다. 구조해석 모델에 Prescriptive Requirement를 검토하여 반영 하였으며, 2014년 12월 개정된 CSR-H 규칙 (RCN 1, URCN 1)까지 적용 하였다. 본 연구 결과는 당사의 실적 호선 디자인을 기준으로 새 규칙(CSR-H)을 적용하여 얻은 결과 이며, 선박의 특징 및 구조 배치, 등의 기타 요인으로 인하여 다른 경향의 결과가 나타날 수 있다. 앞으로 CSR-H의 적용으로 인하여 발생 되는 추가 보강을 최소화 하는 구조 배치를 찾고, 선체 중량 및 부재 수를 줄이 는 과정과 노력이 필요하다.

Reference

Korean Register, 2014. SeaTrust_HullScan User’s Guide. IACS, 1 July 2012, Common Structural Rules for Double Hull

Oil Tanker.

IACS, 1 January 2014, Common Structural Rules for Bulk Carriers and Oil Tanker.

수치

Table  1  Principal  Dimensions
Fig.  5  FE  model  for  Aftermost  Cargo  Hold  Structure 2.3 구조해석 결과 구조해석에서의  영향을  검토하기  위하여,  기존의  CSR-OT  적용 선박에 CSR-H로 구조해석을 수행하여 각 부위별 허용  기준에  따라서  강도  평가를  수행  하였다
Fig.  9  Fine  Mesh  Analysis  Result  of  Toe  &  Opening
Fig.  15  Stress  Plot  of  CL  LBHD
+3

참조

관련 문서

For the analysis of the contents of the 'Energy and Transport Technology' section, the analysis frame was divided into 3 categories, including the ratio of

t-test and analysis of variance were carried out to find out the differences along general characteristics and it was analyzed by setting correlation

In addition, I carried out a comparative analysis of Sekwang New Beyer and Piano Adventures for composition, features, fundamental position, the form of

The optimized STL files of the 3D tooth models were imported into the finite element analysis software, CosmosWorks (Structural Research & Analysis

The major contributions of this study are identifying the influence on the performance of venture business by means of structural equation model and the

그림에서 보인 들보를 Gauss-Siedal Method 기초한 모멘트 분배법에 의하여 해석 하고 B 점과 C 점에서의 회전각을

In the present study, the impact properties of a CFRP structural member under an impact load were intentively investigated for passenger safety protection under assuming

Global structural analysis model of the 300K VLCC by using the developed method. (Shell element, 1-D