The Hull Strength Assessment for Heavy Lift Floating Crane

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(1)대한조선학회 특별논문집 Special Issue of the Society of Naval Architects of Korea. 2015년 9월 pp. 1-8, September 2015. 초대형 해상 크레인의 선체구조 강도평가 강용구1,†･백승훈1･이준혁1･박우진2･심대성2･안용택2･조병삼2 1 현대삼호중공업(주) 구조설계부 2 기술본부, 한국선급(사). The Hull Strength Assessment for Heavy Lift Floating Crane Yong-Gu, Kang1†･Seung-Hun, Baek1･Joon-Hyuk, Lee1･Woo-Jin, Park2･Dae-Sung, Shim2･Yong-Taek, An2･Pyung-Sham Cho2 Hull Structural Design Dep't, Hyundai Samho Heavy Industries Co., Ltd.1 Technical Division, Korean Register2 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.. In general, the strength assessment for heavy lift vessel is carried out under two stages. The first stage is to comply with the requirement of KR (Korean Register of Shipping) Steel Barges and Rules for Classification of Steel Ships. At the second stage, the structural strength analysis by Finite Element Method is peformed. This paper describes the strength assessment considering various loads for the heavy lift vessel of sheerleg type. Keywords : Heavy Lift Floating Crane(초대형 해상크레인), Sheerleg(고정식 해상크레인), Barge(바아지). 1. 서 론. 2. 초대형 해상 크레인의 특징. 최근 조선기술의 발달로 인한 선박블록의 대형화, 교량 이나 기타 해상 구조물의 대형화에 따라 생산성 향상을 위. 2.1 개요. 해 해상용 크레인의 권상 능력도 이에 상응하여 크게 증가. 해상크레인은 Fig. 1과 2에서 보는 바와 같이 선체, 크레인, 작업자를 위한 거주구, 크레인 구동장치 그리고 작업 시. 하고 있으며 이에 대한 구조안전성 평가기술 확보가 요구 되고 있다. 고정(Sheerleg)식 해상 크레인은 보통 부선(Barge) 위에 크 레인을 고정시키는 형태로 부선의 선형적 특성상, 일반 선박에 적용하는 파랑 종굽힘 모멘트 등의 선체 종강도와 선박의 운동 가속도를 적용하기에 무리가 있다. 이는 부선과 크레인 자체의 구조에서 문제를 발생 시킬 수 있기 때문에 지정된 설계 환경조 건 내에서 운동해석을 수행하고 이 때의 선체 운동 가속도를. Positioning을 위한 Anchor System 등으로 구성되어 있다. 선 체는 폰툰형 부선의 구조를 가진다. 갑판하부 구역은 기관구역, Ballast Tank 및 Void Tank로 구성되어 있다. 선체구조 상부에 설치되는 크레인은 Jib, Back Stay 및 크레 인 구동을 위한 Winch로 구성되어 있으며, 이 중 Back Stay는 After Leg와 Fore Leg로 구분된다. Back Stay의 역할은 Jib와. 크레인의 설계에 적용하고 있다. 해상크레인은 크레인으로부터 유발되는 하중과 주어진 환경 으로 인한 하중에 대한 크레인의 직접강도평가, 선체의 전선 구조해석 및 크레인 하부지지구조의 로컬 구조해석을 통한 안 전성 검토가 필요하다. 본 논문에서는 10,000 톤 급 권상 능력을 가진 초대형 해상 크레인의 주요 특징을 소개하고 선체 구조강도 평가 시 고려 하였던 Prescriptive Rule 및 구조해석 사항들에 대하 여 소개 하고자 한다.. Fig. 1 일반 배치도 (Elev.). †. 교신저자 : [email protected], 061-460-2860.

(2) 초대형 해상 크레인의 선체구조 강도평가. Fig. 2 일반 배치도 (Plan). B.M.(Towing Condition). Table 1 주요제원 LBP. 182 m. Breadth. 70 m. Depth. 11 m. Design Draft. 7 m. 와이어로 연결하여 Jib를 지탱해 주는 역할을 할 뿐만 아니라 Hoisting rope의 가이드 역할을 하기도 한다. Jib의 구조는 강 도는 높이고 중량은 최소화하기 위하여 Truss 구조를 가지고 있으며, 그 단면은 Box 형상을 가진다. 크레인의 Jib 하단과 선체 상부 Back Stay는 선체 상부. B.M.(Operating&Emergency Mooring Condition). Saddle구조와 Hinge Pin으로 연결되어 있다. 해상크레인의 주요 제원은 Table 1과 같다.. 2.2 크레인에 의한 하중 특징 Fig. 3에서 보듯이 크레인은 Back Stay의 전･후부 하단 및 Jib의 하단에서 선체구조와 Hinge Pin방식으로 연결되어 있다. 크레인이 중량물을 권상하는 동안 Back Stay의 After Leg에는 인장하중이, Fore Leg에는 압축하중이 그리고 Jib에는 압축하 중이 작용하게 된다. S.F.(Towing Condition). Fig. 3 선체작용하중 이러한 반력들은 권상 조건에 따라 다르며 기본 계산 시 Load Case별로 고려하여 B.M.와 S.F.를 계산하여야 하며 아 래 Fig. 4는 S.F.와 B.M. 분포를 보여준다.. 2. S.F.(Operating & Emergency Mooring Condition). Fig. 4 B.M. & S.F. 선도. 대한조선학회 특별논문집 2015년 9월.

(3) 강용구･백승훈･이준혁･박우진･심대성･안용택･조병삼. 3. 선체 구조 Prescriptive Rule 검토 3.1 개요 선체 부재의 치수 결정 규정은 KR 강재부선 규칙을 적용하 나 강재부선 규칙에 따라 선체 길이가 150m 이상인 본 해상크 레인은 강선규칙 제 3편을 추가로 적용하였다.. Fig. 6 Fender 접촉 하중 검토. 3.2 종강도 종강도는 각 운용 조건에 맞는 Still Water Bending Moment 와 Still Water Shear Force에 추가하여, 설계환경에 맞는 Operating/Emergency Mooring Condition과 Towing Condition 에 대한 KR 규칙에 따라 계산된 Wave Bending Moment와. Fig. 7 반목 하중 검토. Wave Shear Force를 고려하였으며 Design Bending Moment 는 아래 Table 2와 같다.. Table 2 Design Bending Moment Design B.M. Hog. Sag.. 610,000 ton·m -610,000 ton·m. 검토 결과, Fig. 5에서 보이는 중앙 단면의 Deck와 Bottom 부의 주부재 사이즈 결정은 굽힘응력에 의한 보강 보다는 강선 규칙 제 3편에서 규정한 최소 단면 2차 모멘트 요구치에 의해 결정되었다. 추가로, S.F에 대한 보강은 Jib, Back Stay하부 전후로 부분적인 두께를 키워 적절하게 보강하였다.. Fig. 8 Rough Crane 운용 하중. 4. 선체(Barge) 구조강도 해석 4.1 개요 Prescriptive Rule에 의한 구조설계에 대하여 실제 운용 상황 에서 발생하는 다양한 Hull Girder에 의한 영향 및 크레인 하중 을 고려한 크레인 하부 지지구조의 강도 평가가 필요하여 전선 구조해석을 수행하였다.. Fig. 5 중앙 단면도. 4.2 구조 모델링 및 경계조건 3.3 그 외 강도 선체의 전선구조해석모델은 Fig. 9와 같이 Longitudinal Local 하중에 의한 Plate, Stiffener 그리고 Primary. Member의 간격을 표준으로 요소를 생성하였으며, 하중의 비대. Supporting Member의 사이즈들은 KR 강선규칙에서 규정하는. 칭성을 고려하여 전폭모델을 사용하였다. 판 및 1차 부재의 웨브는 쉘요소(CQUAD4 & CTRIA3), 굽힘. 모든 규칙식에 의거 결정되었으며 이는 간이피로해석과 선수/ 선미부 선저 Slamming 검토까지 포함한다. KR 강선규칙 외 추가 검토 사항은 아래 Fig. 6~8에서 보여 주듯이 Emergency Mooring Condition을 고려한 Fender 하중, 건조 중 국부적으로 발생하는 반목하중, Rough 크레인 운용하 중, Tug Boat 접촉 하중을 고려하여 강도 검증을 통한 보강이 추가 되었다.. Special Issue of SNAK, September 2015. 을 지지하는 보강재 및 Tripping Bracket과 같이 1차 부재의 변형을 지지해 주는 부재는 보요소(CBAR), 그 외의 보강재는 봉요소(CROD)를 사용하여 모델링하였다. 크레인과 선체의 연 결부는 RBE2 요소를 사용하여 크레인의 반력이 전달될 수 있 도록 구속하였으며, 구조모델에 사용된 요소의 개수는 Table 3과 같다.. 3.

(4) 초대형 해상 크레인의 선체구조 강도평가. 기에 무리가 있다. 따라서 Table 5와 같이 해상크레인의 실제 운용조건을 고려한 7가지 조건에 대한 유체동하중 해석을 수행 하고, 해석결과를 파랑 하중으로 적용하였다. 운동해석 결과로 결정된 설계파를 Table 6(LC63의 예시)와 같은 형식으로, 7가지의 LC와 9가지의 조합으로, 총 63가지의 하중 조건에 대하여 평가하였다.. Table 5 Case of Motion Analysis Fig. 9 F. E. Model Table 3 Number of Element 구분 절점(Node) 요소 (Elements). CBAR CQUAD4 CROD CTRIA3. RBE2. 요소 수 110783 70786 116835 223587 29926 6040 12. Operating Towing Mooring Lower LC No. LC44 LC61 LC63 LC47 LC17 LC15 LC13 Jib Angle 30° 62° 62° 62° 40° 40° 5° Cargo 1,300 10,000 5,000 Weight ton ton ton - Operating Condition 중에서 Max SWBM, SWSF 조건을 선택 - Lowering Condition 중에서 Max SWBM, SWSF 조건을 선택 비고 - LC 47은 Asymmetric Loading Condition 중 Torsional Moment가 최대 인 조건을 선택. Table 6 Example of Load Case of LC63 Load Case LC63-1 LC63-2 LC63-3 LC63-4 LC63-5 LC63-6 LC63-7 LC63-8 LC63-9. Dynamic Load (Design Wave) VBM TM VSF HBM HSF ROLL PITCH Y-ACC Z-ACC. Static Load. 공통 적용. Fig. 10 Boundary Condition. 4.4 허용응력. Table 4 Boundary Condition. 항복강도 평가는 KR 규칙 3편 '부록 3-2 직접강도평가에 관한 지침'을 적용하였으며, Table 7에 나타내었다.. Constraints Position Position A. δx. δy. δz. Fix. Fix. Fix. Position B. -. Fix. Fix. Position C. -. Fix. -. X: Longitudinal axis, Y: Transverse axis, Z: Vertical axis. 경계조건은 Fig. 10 및 Table 4와 같이 선체 중심선 면의 선수 및 선미 단에서 단순지지 경계조건을 적용하였다.. 4.3 하중조건 선체구조 상부의 대형 크레인은 파랑하중에 의한 선체운동. Table 7 Allowable Stress . Bottom and Inner Bottom      Girder      Longi. Bulkhead      Floor      Upper Deck      T. Bulkhead and Web Frame    ※          ※ 등가응력 는 다음을 따른다.. . . -. -.   .   . -.  .   . -. -.   .   .               . 에 매우 취약한 구조적 특성을 가지고 있으며, 이로 인해 일반 선박에 적용하는 간이식으로 계산된 파랑 중 종굽힘 모멘트,. . 전단력, 파랑압력 및 운동가속도를 해상크레인에 직접 적용하. . 4. 허용응력 (N/mm2). 해당부재. . : 요소좌표계 x 방향 응력 : 요소좌표계 y 방향 응력 : 요소좌표계 x-y 방향 응력. 대한조선학회 특별논문집 2015년 9월.

(5) 강용구･백승훈･이준혁･박우진･심대성･안용택･조병삼. 4.5 해석 결과. LC63은 최대 권상하중이 작용하는 조건으로, 정적해상 상태 에서 크레인으로부터 전달되는 집중하중으로 인한 Vertical. 4.5.1 항복강도. Shear Force(VSF)에 Following Sea 파랑하중으로 인한 VSF가 중첩되어 크레인 지지구조 주변의 Longitudinal BHD에서 최대. 전체 해석결과 중 해상크레인의 구조적인 특징을 잘 보여줄. 전단응력이 발생하였다.. 수 있는 Operating Condition의 최대 응력이 발생한 LC47. 또한 Fig. 13에서 보듯이 선체종굽힘 모멘트의 최대값이. (Asymmetric Loading) 및 LC63(Lifting Load 10,000 ton)의. Back Stay의 Fore Leg와 Jib 사이의 중앙 위치에서 발생하였는. 결과를 Fig. 11~14에 나타내었다.. 데, 이는 크레인으로 인한 하중에 의한 영향이며, 일반 상선의. LC47은 좌현의 크레인에만 권상하중이 작용한 조건으로, 정 적 해상상태에서 크레인으로부터 전달되는 집중하중으로 인한. 선체거동과 다른 거동으로서, 해상크레인에서만 나타나는 특 징이다.. Torsional Moment(TM)에 Oblique Sea 파랑하중으로 인한 TM. Towing Condition의 경우, Operating Condition 보다 상대. 이 중첩되어 크레인 지지구조 주변의 Web Frame에서 최대 전 단응력이 발생하였다.. 적으로 낮은 응력이 발생하였으며, Fig. 15에 해석 결과를 나타. Fig. 11 LC 47(Asymmetric Loading) - TM. Fig. 14 Max Stress(LC 63). Fig. 12 Max Stress(LC 47). 내었다.. Fig. 15 LC 17(Towing) - TM Table 8 Max. Stress for Each Members(Shell Elem.). Fig. 13 LC 63(10,000 ton Loading) - VSF. Special Issue of SNAK, September 2015. Shell Element 부재 등가응력 LC 전달함수 Upper Deck 150.1 63 VSF Bottom 105.1 47 TM Side Shell 150.5 47 Y-ACC Section 261.2 47 TM Longi. Girder 244.0 63 VSF Stringer 109.0 44 TM Engine Room BTM 92.0 44 TM Crane Foundation 119.7 47 Y-ACC (*) : 두께를 증가하여 최종적으로 만족시킴. 판정 OK OK OK NG(*) NG(*) OK OK OK. 5.

(6) 초대형 해상 크레인의 선체구조 강도평가. Towing Condition은 무부하 조건으로, 크레인으로부터 전달. 대표적인 예로 Fig. 17의 해석 위치 중 HT1에 대한 결과를. 되는 집중하중이 Operating Condition에 비해 상대적으로 작다.. Table 9에 나타내었으며 검토 결과 충분한 피로강도를 가지고. 또한 Operating Condition 보다 거친 해상상태의 파랑하중을 적. 있음이 확인 되었다.. 용하였으나, 이는 일반 상선의 파랑하중에 비해 완화된 하중 이 기 때문에 Hull Girder 측면으로도 낮은 응력을 가지고 있다. Table 8에 전체 해석 조건에 대한 부재별 최대 응력 결과를. Table 9 Result of Fatigue Assessment Pos.. Thick.. Ref. Thick.. S-N Curve. HT1-1. 40. 22. D. HT1-2. 40. 22. D. HT1-3. 60. 22. C. 판정치 λ는 1.0을 적용하였다. 모든 하중 조건에 대한 평가 결과 전반적으로 양호한 결과를 가졌으나 Fig. 16과 같이 Operating. HT1-4. 60. 22. C. Condition 중 LC63에서 좌굴에 취약한 패널이 발생하였다. 해당. HT1-5. 60. 22. C. 위치는 Longitudinal BHD의 크레인 지지구조 주변의 개구에서 발생하였고, 주요 응력 성분은 법선응력과 전단응력이었다. 개. HT1-6. 60. 22. C. 나타내었다. 4.5.2 좌굴강도 좌굴강도는 KR 규칙 3편 "직접강도평가에 관한 지침"을 적용 하였으며, SeaTrust-Holdan을 사용하여 평가하였다. 이때 좌굴. LC61 LC63 Total Fatigue Damage Damage Damage Life Over100 0.00034 0.01311 0.01345 years Over100 0.00311 0.04232 0.04543 years Over100 0.00000 0.00001 0.00001 years Over100 0.00001 0.00012 0.00012 years Over100 0.00002 0.00037 0.00039 years Over100 0.00000 0.00007 0.00007 years. 구 주변의 보강재를 추가하는 방식으로 보강하였다.. 5. 크레인 지지구조 국부강도 해석 5.1 개요 Hull Girder에 의한 영향 및 크레인 Weight를 고려한 크레인 하부 지지구조의 강도 평가가 전선구조해석의 범위 내에 포함 되어 검토가 이루어 졌으나, 크레인 반력에 대한 영향이 충분히 고려되지 않았다. 따라서 각 Load Case에서 발생하는 크레인. Fig. 16 Result of Buckling - Operating Condition(LC63). 반력을 고려한 지지구조의 강도 평가가 필요하며, 이에 Fig. 18의 위치에 대한 국부강도 해석을 수행하였다.. 4.5.3 피로강도 평가 피로강도 평가는 SeaTrust-FANSYS를 사용하여 KR 규칙 3 편 '부록 3-3 선체구조의 피로강도평가 지침'에 따라 스펙트럴 피로해석을 수행하였으며 설계수명은 20년으로 평가하였다. 평가 위치는 크레인의 Operating 중 주로 인장하중이 작용하는 위치인 Back Stay의 After Leg와 선체의 연결위치에서 평가를 수 행하였으며, 요소의 크기는 Fig. 17과 같이 t x t로 모델링하였다.. Fig. 18 Range of Local Direct Strength Analysis(DSA). 5.2 해석 모델 및 경계조건 크레인은 선체 중심선을 기준으로 좌우 대칭이므로 Fig. 19 와 같이 반폭 모델을 이용하여 구조해석을 수행하였으며, 그 결과를 양현에 동일하게 적용하였다. 선체에 전달되는 크레인 반력을 충분히 고려하기 위하여 Saddle이 위치하고 있는 탱크 경계의 범위를 모델링하였으며, 경계. Fig. 17 Position of Fatigue Assessment. 6. 조건을 위하여 추가로 각 1개의 Frame(FR)을 양단에 포함하였다.. 대한조선학회 특별논문집 2015년 9월.

(7) 강용구･백승훈･이준혁･박우진･심대성･안용택･조병삼. Fig. 19 Model for Supporting Structure of Jib 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 있. Fig. 21 Load Point. 도록 하였다. 경계조건은 Fig. 20과 같이 Jib 하부 모델의 경우, 선수미 방향은 Tx, Ry, Rz를 구속, 중심선은 Ty, Rx, Rz를 구속하여. 5.4 해석 결과. 대칭조건으로 구속하였으며 Tank Boundary 에서의 격벽, 외판. 크레인의 반력은 정하중 및 동하중이 모두 고려된 하중 이므로, 평가 기준은 전선구조해석 시와 동일하게 적용 하. 및 Upper Deck의 교점에서 Tz를 구속하였다. 또한 Fig. 21과 같이 Pin과 Saddle이 접하는 위치에 RBE2 요소를 사용하여 크레인의 반력을 유효하게 전달할 수 있도록 하였다. 이때 y방향은 Pin이 고정되는 지점 전체를 구속하였으 며, x, z방향은 Hole을 형성하는 절점에 구속하였다.. 였다. Table 14의 하중에 대한 Jib 하부 구조의 계산 결과를 Fig. 22 및 23에 나타내었다. 최대 응력은 지지구조의 Partial BHD 와 인접선체부재와의 연결부에서 발생하였고 이때 주요 응력 성분은 법선응력과 전단응력이었다. 좌굴 강도 평가 결과 Fig 24와 같이 하부지지구조의 모든 패널에서 판정치 1을 넘어 안전성을 가짐을 확인하였다.. Fig. 20 Boundary Condition. 5.3 하중 조건 크레인 설계의 각 Load Case에서의 지지점 반력 중 가장. Fig. 22 Maximum Von-mises Stress 1. 큰 값을 적용하였으며, 모멘트 및 집중하중 반력을 x, y, z 방향 분력으로 나누어 Fig. 21과 같이 적용하였으며, 그 중 가장 대 표적인 조건의 하중 예시를 Table 10에 나타내었다. 또한 해석모델의 하중평형을 맞추기 위하여 크레인의 반력 과 평형을 이룰 수 있는 외부정수압의 수두를 구하여 외판 및 Bottom Shell에 압력으로 고려하였다.. Table 10 Applied Load for Each Position LC 67 DEG.. 위치 내측 외측 중심. Fx (ton) -3021.4 -1993.5 0. Fy (ton) 0 0 533.9. Special Issue of SNAK, September 2015. Fz (ton) -4103.5 -3223.6 0. Fig. 23 Maximum Von-mises Stress 2. 7.

(8) 초대형 해상 크레인의 선체구조 강도평가. 주위에서 응력이 집중되는 현상을 확인할 수 있었다. 이러한 현상은 구조부재의 치수를 증가시키는 것 보다 응력의 흐름이 원활하게 이루어질 수 있는 구조 배치가 효율적인 것으로 판단 할 수 있었다. Jib 하부구조의 압축에 의한 좌굴강도와 Back Stay After Leg 연결부의 피로수명은 매우 안전성을 가지는 결과를 확인하 였으며, 초기 구조가 응력 흐름을 고려하여 효율적으로 설계된 것으로 판단할 수 있었다. 결론적으로 본 초대형 해상 크레인의 선체구조는 권상 정격 하중인 10,000톤을 권상하는데 충분한 안전성을 확보한 것으. Fig. 24 Result of Assessment of Buckling(Partial BHD). 로 판단된다.. 6. 결 론 References. 선체 부재의 기본 치수는 KR 강재부선 및 강선규칙 제 3편을 적용하여 결정하였고, 해상 크레인 운용상 고려해야 하는 특정 하중들을 적용하여 추가로 강도 검토 하였다. 주어진 운용환경조건에서의 운동해석을 수행하고 선체에 대 한 전선구조해석 수행 결과 전반적으로 구조안전성을 가지는 것을 확인할 수 있었다. 초대형 해상 크레인의 환경조건은 크레 인 설계를 위하여 일반 선박에 비해 매우 완화된 상태이므로. 한국선급 선급 및 강선규칙(2013) 한국선급 강재부선규칙(2013) 한국선급, 대우조선해양, 삼성중공업(1995.12.), 파랑하중에 의 한 선체구조의 직접강도해석 기법 개발 연구. 운동해석 결과 선정된 결정하중의 크기는 선급 Rule에서 정의 하는 하중에 비해 완화된 크기를 가진다. 따라서 선체의 전체강 도 측면에서는 비슷한 치수를 가진 일반 폰툰형 부선에 비해 안정적인 결과를 가질 수 있는 특징을 가질 수 있음을 확인할 수 있었다. 다만, Vertical Shear Force의 설계하중 적용 시 종격벽에서. 강용구. 백승훈. 이준혁. 심대성. 안용택. 조병삼. 박우진. 매우 큰 전단응력이 발생함을 확인할 수 있었으며, 특히 크레인 지지구조 주변과 개구 주변은 허용응력에 가까운 응력이 발생 하는 것을 확인할 수 있었다. 이는 크레인 반력이 선체에 작용 하는 특징으로 기인하는 것으로 판단된다. 또한 크레인 하부지지구조의 로컬구조해석 평가 결과, 대부 분의 구조부재는 구조안전성을 가지는 것으로 확인할 수 있었 으나, 크레인 하부지지를 위해 배치된 Partial BHD의 연결부. 8. 대한조선학회 특별논문집 2015년 9월.

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