2005년 중공업 공통 기술 자료- 조선
EID –SO05062401T
2005년 중공업 공통 기술 자료-조선
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Chapter 01. Description
Chapter 02. 기 출제된 조선/중공업/기계 관련 전공 및 기술
Chapter 03. Reference Books 안내 Chapter 04. 각 기업의 면접 가이드 북 안내
I / N / D / E / X
Reference Books
2005년 삼성 면접 가이드 북 총3권
2005년 삼성 면접 가이드 노트
2005년 기술 면접 가이드 북
2005년 토론 면접 가이드 북
직무 적성 강의실 SSAT 강의실
SSAT 관련 자료 및 기타 기술자료
Chapter 01. Description
본 기술 자료는 2002년 - 2005년까지 있었던 현대 중공업/삼성 중공업/대우 조선 해양 등의 국내 조선/중공업 업계의 면접 내용과 최근 의 언론 보도 자료, EDUCE 회원의 제공 자료 그리고 기타 Reference 자료를 바탕으로 기획/편집 되었습니다.
조선/중공업 업계의 실무진 면접에서 빈번히 등장 하는 조선/중공업/기계 관련 전공 및 기술적인 내용을 담고 있습니다.
조선/중공업 업계를 지원 하는 모든 지원자는 반드시 알아야 되는 내용으로 구성되어 있습니다.
2004년 기술 자료를 일부 포함하며 2005년 면접에서 새롭게 출제된 내용을 추가 하여 편집 되었습니다.
현대 중공업/삼성 중공업/대우 조선 해양을 비롯한 국내 조선 업계의 면접은 기술적 내용을 가지고 실무 면접을 진행하고 있기 때문에 프레젠테이션을 비롯한 실무/기술 면접을 충분히 대비 하여야 하며 이에 대응 하기 위해 기획/편집 되었습니다.
기계 공학 전공자는 2005년 중공업 공통 기술 자료 ② – 기계 공학을 참고 하시면 됩니다.
그리고 본 기술 자료와 Reference Books 그리고 각 기업의 면접 가이드 북을 반드시 함께 참고 해야 합니다.
Chapter 02. 기 출제된 조선/중공업/기계 관련 전공 및 기술
총톤수, 순톤수, 재화 중량, 경하 중량, 배수 중량
Gross Tonnage (G/T, 총톤수)
총톤수는 '상갑판 하부 및 상부의 모든 폐위 장소의 용적'에서 '규정상 제외가 가능한 곳의 용적'을 차감한 전체 용적이다.
GRT (Gross Register Tonnage) 라고 불리다 IMO 협약에서 GT를 사용함으로 GT로 통일되었다.
TONNAGE 1969 에 따른 국제 총톤수는 아래의 식으로 표현된다.
GT = K1 · V
K1 = 0.2 + 0.02 log10V
V = Total Volume of all enclosed spaces of the ship in cubic metrers
국내법(선박 톤수의 측정에 관한 규칙)에 따른 총톤수는 아래의 식으로 표현된다.
GTk = K2 · GT
K2 = (0.6 + GT/10,000) x (1 + 30-GT/180) GT = 국제 총톤수
(0.6 + GT/10,000)의 값이 1이상일 때에는 그 값을 1로 한다.
(1 + 30-GT/180)의 값이 1미만일 때에는 그 값을 1로 한다.
Net Tonnage (N/T, 순톤수)
순톤수는 총톤수에서 선원. 항해, 추진에 관련된 공간을 제외한 용적으로, 실제 화물을 적재하는 공간을 나타낸다. NRT (Net Register Tonnage) 라고 불리다 IMO 협약에서 NT 를 사용함으로 NT로 통일되었다.
순톤수는 총톤수 보다 다소 복잡한 공식을 사용하여 구한다.
KR(한국 선급) 사이트를 방문하면 가면 각각 국제 순톤수와 국내 순톤수를 구하는 공식을 볼 수 있다.
일반적으로 NT 는 GT 의 약 65% 정도이다.
파나마 운하(Panama Canal Tonnage)와 수에즈 운하(Suez Canal Tonnage)는 각각 운하 통과세를 부과하는 톤수 기준을 별도로 가지고 있다. 이들은 순톤수를 기준 으로하나 제외되는 공간을 나름대로 정의하고 있다.
자세한 정보는 각국 선급 사이트를 방문하면 될 것이다.
Light Weight Tonnage (LWT, 경하 중량)
선박이 화물을 싣지 않았을 때의 배수량을 말하며, 경하 배수량 (Light Displacement) 이라고도 한다. 재화 중량을 구하는데 사용된다.
경하 중량은 선체, 기관, 항해 기구, 하역 용구, 비품 등의 총 중량을 의미하나 연료, 저장 품, 탱크 속의 물 등은 포함되지 않는다.
Dead Weight Tonnage (DWT, 재화 중량)
만재 배수량 (배수 중량, Loaded Displacement)과 경하 배수량의 차이, 즉 적재할 수 있는 화물의 중량을 재화 중량 (Daedweight) 라고 한다.
재화 중량에는 연료, 식량, 용수, 음료, 창고품, 승선 인원 및 그 소지품 등이 포함되어 있으므로, 실제 수송할 수 있는 화물 톤수는 재화 중량에서 이들의 중량을 차감한 것이다.
케비테이션(Cavitation)
캐비테이션은 상온에서 주위 압력이 증기압 이하로 강하 되어 액체의 상태에서 기체의 상태로 바뀌는 현상을 말한다.
공동 현상이라고도 한다.
압력 면에 발생하는 경우도 있지만, 주로 날개의 등(뒷쪽) 부분에 발생한다.
발생한 기포는 압력이 높은 부분에 오면 급격히 부서져 소음이나 진동의 원인이 되며, 터빈이나 프로펠러의 효율을 떨어뜨린다.
또 기포가 사라져 없어질 때 기포의 부피가 급격히 축소됨에 따라 그 부분의 압력이 매우 커지며, 그것이 날개를 침식시키는 원인이 된 다. 공동 현상에 의한 이러한 침식을 점침식(點侵蝕)이라고 하며, 미소한 알갱이에 의한 일반적인 침식과 구별된다.
그림 참조 [조선 공학 개론]- 동명사>
위의 그림과 같이 물이 끓는 현상은 온도가 높아지는 것 말고도 압력이 낮아 지는 것으로도 설명이 가능하다.
이것이 아주 중요한 개념이다.
물이 끓는다는 것은 단지 온도만의 함수는 아니라는 것이다.
다음은 그러한 캐비테이션의 종류에 대한 그림이다.
<그림 참조 [조선 공학 개론]- 동명사>
다음과 같이 크게 3가지 종류로 나타낼 수 있다.
얇은층 캐비테이션
크지 않은 받음각으로 작동하는 날개의 뒷면에 생성되는 음의 압력 때문에 날개 앞날에서부터 시작하는 현상.
선체 진동의 원인이다.
기포형 캐비테이션
고속 프로펠러는 일반적으로 두꺼운데 최대 두께 근처에서 캐비테이션이 발생한다.
성능 저하와 침식의 원인이다.
앞면 캐비테이션
허브 가까이의 날개 단면에서 많이 관찰되며 침식의 원인이 된다.
아래 그림은 수조에서 실험을 통해 관찰된 것이다
<그림 참조 [조선 공학 개론]- 동명사>
국제 협약
IMO (International MarineTime Oganization)
약칭은 IMO이다. 1948년 2월 19일에 스위스 제네바에서 국제연합(UN) 해사 위원회가 열렸고 1948년 3월 6일 미국, 영국을 비롯한 12개 국이 국제해사기구조약을 채택하였다. 조약은 1958년 3월 17일부터 발효되었고 1959년 1월 6일 국제연합 전문 기구인 정부간 해사자문 기구(IMCO)로 활동을 시작하였다.
SOLAS(International Convention for the Safety of Life at Sea)를 위한 국제 협약 개정안을 채택하고, 1973년과 1978년 두 번에 걸쳐 MARPOL 조약을 채택하였다. 이 조약은 사고 등에 의한 기름 오염뿐 아니라 화학 약품, 수화물, 오물, 쓰레기 등으로 오염되는 경우까지 광범위하게 다룬다.
1982년 5월 22일 현재의 이름으로 개칭하였다. 1983년 각국 요원 교육과 훈련을 지원하고 기술을 개발하기 위해 스웨덴 말뫼에 세계해 사대학을 설립하였으며 그밖에 국제해사법연구소, 국제해사아카데미 등이 소속되어 있다.
조직으로 총회, 지역 총회, 해양환경보호위원회, 기술협력촉진위원회, 기타 하부 위원회, 사무국 등이 있다. 회원국이 모두 참가하는 총회 는 2년에 한 번씩 열리며 활동 프로그램과 예산을 결정하고 위원회를 선출한다. 위원회는 단체의 업무를 감독하고 그 결과를 총회에 제 출한다. 1999년 제21차 총회에서는 2000년과 2001년에 활동할 위원회 회원국으로 한국을 포함하여 중국, 그리스, 이탈리아, 일본, 노르 웨이, 러시아, 영국, 미국, 아르헨티나, 브라질, 캐나다, 프랑스, 독일, 인도, 네덜란드, 스웨덴, 오스트레일리아, 인도네시아 등 32개국을 선출하였다.
활동 목적은 해상 안전, 해수 오염 방지, 선박 적재 화물 계량 단위 규격화, 각국 해운 회사의 불공정한 제한 조치 규제 등이다. 해운 문 제 심의, 정보 교환, 조약 작성이나 권고가 주요 임무이다.
40개의 조약과 의정서를 채택했고 300여 명의 인원이 활동하며 1998년과 1999년 2년 간 총예산은 5억 6300만 달러였다. 2001년 현재 161개 회원국이 있으며 37개 국제정부기구와 61개 국제비정부기구(NGO) 등과 협력하고 있다. 본부는 영국 런던에 있다.
SOLAS (Safety of Life at Sea)
SOLAS 의 주 목적은 선박의 건조, 장비, 운항의 측면에서 선박의 안전에 지장이 없는 최소한의 표준을 규정하는 것이다. 선박의 등록국 은 자기 국적의 선박에 대해 요구 조건을 만족시켰는지 확인할 의무가 있으며, 이의 증거로서 정해진 증서들을 발행해야 한다.
SOLAS 는 조약의 요구 조건을 만족시키지 못한 명백한 근거가 있다면 협약국은 다른 협약국의 선박을 검사하는 것을 허용하는 규정을 담고 있다. 이러한 절차는 Port State Control (항만국 통제) 이라고 불린다.
SOLAS 의 부속서(Annex)는 12개의 장으로 구성되어 있다.
IILL (International Convention on Load Lines)
정식 명칭은, 1966 이며, 국제만재흘수선협약 이라고 불린다.
선박이 적재량 관리를 위한 흘수(Draft)제한이 선박의 안전에 크게 기여한다는 것은 오래 전부터 알려진 것이다. 이러한 제한은 건현 (Freeboard)의 형태로 주어진다.
1930년에 채택된 첫 번째 만재흘수선협약은 예비 부력의 확보에 기초를 두었으며, 선박의 복원성 및 과적에 의한 과도한 선체응력을 방 지하는데 충분한 건현을 갖도록 하였다.
IMO에 의해 1966년에 채택된 LL 1966 협약에서는 Subdivision 에 의한 유조선의 건현지정과 손상 시의 복원성(Damage Stability) 계산 에 대하여 규정하였다.
규정에는 지역적 차이와 계절적 차이에 의한 잠재적인 위험성을 감안하였고, 부속서에서 Door, Freeing Port, Hatchway 등과 같은 여러 가지 부가적인 안전 대책을 포함 하였다. 이러한 안전 대책의 주목적은 건현갑판(Freeboard Deck) 하부의 수밀성 확보에 있다.
이러한 안전 대책의 주목적은 건현갑판(Freeboard Deck) 하부의 수밀성 확보하는데 있다.규정을의 정에는 지역적 차이와 계절적 차이에 의한 잠재적인 위험성을 감안하였고, 부속서에서 Door, Freeing Port, Hatchway 등과 같은 여러 가지 부가적인 안전 대책을 포함 하였다.
지정된 만재흘수선들은 모두 선체 중앙부 양현측에 갑판선과 함께 표시되어야 하며 이를 Load Line Mark 라고 한다. 갑판 위에 목재를 운송하도록 계획된 선박은 화물이 파도의 충격을 완화하는 작용을 하므로 더 작은 건현을 지정 받을 수 있다.
MARPOL (Prevention of Pollution from Ships)
정식 명칭은 International Convention for the Prevention of Pollution from Ships, 1973, as modified by the Protocol of 1978 relating thereto (MARPOL 73/78) 이며, 해상 오염 방지 협약 이라고 불린다.
MARPOL 은 선박에 의한 해양 오염을 방지하기 위한 국제 협약으로 1973년과 1978년의 조약을 근간으로 지속적으로 개정되어 왔다.
1973년의 MARPOL 조약은 기름(Oil), 화학 제품(Chemical), 포장된 상태의 유해 물질(Harmfl Substances in packaged form), 쓰레기 (Garbage)와 오수(Sewage)에 의한 오염에 대하여 규정하였다.
1978년의 조약에서는 그 당시 발생하였던 일련의 사고들에 대한 대책으로 유조선의 안전과 오염 방지를 위해 밸러스트의 분리 (Segregated Ballast) 요건을 강화하는 내용을 채택하였다.
1973년 조약이 아직 발효되기 전에 1978년 조약이 채택되었으므로, 이 두 조약은 하나로 흡수되어 MARPOL 73/78 로 불리게 되었다.
TONNAGE (Tonnage Measurement of Ships)
정식 명칭은 International Convention on Tonnage Measurement of Ships (TONNAGE), 1969 이며, 국제톤수측정협약 이라고 불린다.
1969년 협약은 전세계적인 톤수측정방식 도입을 위한 첫 번째 성공적인 시도였다.
이전에는 여러 종류의 톤수측정방식이 상선에 적용되었고, 이들은 모두 1854년 영국 British Board of Trade 의 George Moorsom 이 고 안한 방식에 기반을 두고 있었으나 서로간에 상당한 차이를 가지고 있었기 때문에 국제적인 단일 체계의 필요성이 대두되었다.
1969년 협약은 각각 독립적으로 계산되는 총톤수(Gross Tonnage) 와 순톤수(Net Tonnage)를 규정하고 있다.
규정은 협약이 발효되는 1982년 7월 18일 이후에 건조되는 모든 선박에 적용되며, 그 이전에 건조된 선박에 대하여는 조약 발효 후 12 년 동안 혹은 1994년 7월 18일까지 기존 톤수의 사용을 허용하였다.
선급협회
선급이란 선박의 등급이란 뜻으로 처음에는 보험 목적상 선박의 종류, 항해 구역, 적재 화물의 조건 등에 따라 선박의 성능이나 상태에 대해 등급을 정해줌으로써 보험 업자와 선주 사이의 선박에 대한 감항성을 증명하는 취지로 출발하였다.
현재는 선박의 최초 설계 시부터 건조 완료 시까지 선체 구조 설비에 대한 도면 승인과 건조 과정 중에 검사를 완료 후 선박을 등록하고, 또 한 운항 중인 선박에 대한 정기적 검사로써 해상에서의 인명과 재산의 안전을 확보하는 업무를 말하며, 이러한 업무를 행하는 기관을 선급 단체라 한다.
선급 단체는 선체, 기관, 전기설비, 의장품 등에 관한 독자적인 기술 규칙을 보유하고 선주, 조선 업자, 해상 보험업자의 입장을 떠나 제3 자적인 공정한 입장에서 선박을 검사하기 때문에 검사 결과에 대한 신뢰성이 매우 높다.
현재 전세계에는 60여 개의 선급 단체가 있으며 그 중 기술 신뢰도와 규모 면에서 국제적으로 인정 받는 선급 단체가 국제선급연합회 (IACS)를 구성하고 있으며, IACS에는 현재 10개의 정회원 선급과 2개의 준회원 선급이 있다.
각국 정부에서도 IACS 선급의 검사 신뢰성을 인정하여 자국 선박에 대한 정부 검사권을 이들 선급 단체에 위임 하고 있다.
선주는 선급 단체에서 발급하는 선급 증서로써 해당 선박의 안전성을 객관적으로 보장 받고, 해상 보험업자는 선급 증서의 확인으로 써 선급 등록을 인정하고 선박을 받는다.
이때 IACS정회원 선급을 유지하고 있는 선박에 대해서는 선박과 그 선박에 적재되는 화물에 대한 보험료의 차별적 혜택을 부여하고 있다.
다음은 세계 주요 선급이다.
한국 선급(KR: Korea Resister of shipping)
노르웨이 선급(DNV: Det Norske Veritas) 노르웨이 선급 협회 프랑스 선급(BV: Bureau Veritas) 프랑스 선급 협회
미국 선급(ABS: American bureau of shipping) 미국 선급 협회 일본 선급(NK: Nippon Kaiji kyokai) 일본 선급 협회
영국 선급(LR: Lloyd's Register) 영국 선급 협회 독일 선급(GL: Germanischer Lloyd) 독일 선급 협회
이태리 선급(RINA: Rrsistro Italiano NAvale) 이태리 선급 협회 폴란드 선급(PRS: Polski Rejestr Statkow) 폴란드 선급 협회
International Association of Classification Societies (IACS) 국제선급협회조합
메타센타와 복원 팔
메타센타
메타센타의 높이는 선도(Lines Drawing)에서 Hydrostatic Calculation 을 통하여 구할 수 있다.
이는 설계의 기초적인 특성 중의 하나이며, 아래의 요구 사항에 적합해야 한다.
여객선에서 사고 중 배의 일부가 침수되는 경우에도 전복 또는 과다한 경사를 방지할 수 있을 만큼 충분히 커야 한다.
모든 여객이 한편으로 치우치는 경우에도 불유쾌하고 위험한 각도로 경사하는 것을 방지할 수 있을 만큼 충분히 커야 한다.
배가 강한 옆바람을 받는 경우에도 심한 경사가 일어나지 않을 만큼 충분히 커야 한다.
배가 파도 위에 있을 때 격심한 로울링(Rolling)을 방지할 수 있을 만큼 충분히 작아야 한다. (메타센터의 높이가 커지면 로울링 주기가 짧아지고, 불유쾌한 승선감을 줄뿐 아니라 결과적으로 큰 가속도의 힘이 걸리는 불리한 상태가 된다.)
아래 그림과 같이 일반적으로 무게 중심 G가 부심 B 보다 항상 위에 위치한다.
선박과 같은 부유체를 횡경사 시키게 되면 새로운 부심의 위치 B'로 이동하게 된다.
안정한 선박의 경우 선박의 초기 부심 위치로 다시 보내려고 하는 복원 모멘트가 발생하게 된다.
이 경우 그림에서 보는 경우처럼 새로운 부심의 작용선이 초기 부력의 작용선과 만나는 점을 M이라고 하고 GM을 메타 센터라고 한다.
메타 센터는 횡방향의 정적 복원성에 중요한 영향을 주는 요인이다.
<그림 참조 [조선 공학 개론]- 동명사>
복원 팔 GZ(Righting Arm)
위의 그림에서 GZ를 복원 팔이라고 한다.
일반적으로 횡경사각 파이가 커지면 어느 순간에 메타 센터가 음이 되어 선체가 복원성을 잃어 버리게 된다.
그리고 복원 모멘트 M=(중력과 부력의 크기, Delta) x GZ으로 나타낸다.
아래 그림은 GZ와 횡격사각과 복원성과의 관계를 나타내는 그림이다.
경사 시험
경사 시험은 선박과 해양 구조물(TLP, Floater 등)등에서도 대단히 중요한 시험 과정이다.
아래와 같은 방법으로 GM을 구하는 것을 경사 시험이라고 한다.
f tan
· D
= W · d GM
단 여기서 무게 중심 G는 변하지 않는 다고 가정하였다.
만약 슬로싱(선체내 액체연료나 발라스트로 인해서 무게 중심이 움직임)로 인한 자유 표면 효과가 발생 한다면 GM은 감소 함으로 세심한 주의가 필요 하다.
Reynolds Number (Rn) 와 Froude Number (fn)
영국의 Osborne Reynolds 는 유리관을 통하여 물을 흐르게 하는 실험으로 어떤 속도 이하에서는 흐름에 대한 관의 저항이 속도에 비례 하였지만, 높은 속도에서는 그 저항이 속도의 제곱보다 다소 낮은 비율로 증가하는 것을 알아내었다.
즉, 서로 다른 저항 법칙에 따르는 두 가지 형식의 흐름이 존재한다는 것이다. 그의 발견은 아래와 같이 정리되었고, Reynolds Number (Rn)로 불리게 되었다.
Froude Number는 선체의 속력과 길이에 관련된 계수이다.
이것은 모형선과 실선에서의 속력과 저항의 관계를 맺어 주는 것으로 다음과 같이 나타낸다.
Froude number 가 같은 실선과 모형선의 사이에는 상사 법칙이 적용되어 모형선으로 실선과 같은 조건으로 실험을 할수 있게 된다.
Freeboard (건현) 와 Load Line (만재흘수선)
건현(Freeboard) 은 선체 중앙부 현측에서, 갑판 윗면으로부터 만재흘수선(Load Line) 마크 윗단까지의 수직 거리를 말한다.
건현은 만재흘수선 규정에 따라 지정된다. 건현의 지정은 만재흘수선을 지정하는 것과 같은 의미이므로, 적재에 의해 배가 잠기는 깊이를 법적으로 제한한다는 뜻이 된다.
만재흘수선 규정은 충분한 복원성을 확보토록 고려되어 있다는 가정 아래, 그 배에 필요한 최소 건현을 지정하여 거친 바다 위에서의 내 항성을 확보하기에 충분한 예비 부력을 보유케 하는데 그 목적이 있다.
아울러 만재흘수선 규정은 그 배가 지정된 건현에 상응하는 흘수에 충분한 구조강도(Structural Strength)를 갖도록 요구하고 있다.
만재흘수선 규정에서 지정하는 최소 건현은 그 배의 치수와 특성에 따라 정해진다. 그러나 배를 최소 건현에 대응하는 흘수보다 낮은 흘 수로 운항하도록 설계하고 그에 맞춘 부재 치수를 사용하였다면, 부재 치수의 설계 기준이었던 흘수에 대응하는 건현을 지정 받을 수 있 다. 이러한 건현을 Scantling Draft Freeboard 라고 한다.
1930년에 처음 채택된 만재흘수선에 관한 국제 협약은 예비 부력의 확보에 주 관점을 두었으며, 건현의 지정이 복원성 향상과 과적에 의 해 발생하는 과도한 선체응력을 방지할 수 있을 것이라고 인식 되었다.
IMO 에서는 1966년에 새로운 만재흘수선에 관한 국제 협약(Load Lines, 1966)을 채택하였고, 여기에서 각기 다른 지역과 계절에 따른 잠재적인 위험에 대한 고려와, 건현갑판 하부 선체의 수밀성을 향상토록 하였다.
건현 지정의 기준이 되는 건현갑판(Freeboard Deck)은 정의는 일반적으로 모든 개구부에 영구 폐쇄 장치가 붙어 있는 최상층의 폭로된 전통 갑판 이다.
연속적이지 않은 건현갑판을 가진 배의 경우에는 폭로된 갑판의 가장 낮은 선을 갑판의 상부와 평행하게 연장한 선을 건현갑판으로 간주 한다.
차랑 갑판선(Shelter Decker)과 같이 최상층 전통 갑판에 영구 폐쇄 장치를 구비하지 않은 구멍이 있는 경우에는, 그 하층 갑판을 건현 갑판으로 취급한다. 따라서 톤수 계산에서 제외되는 공간의 이득을 얻으려고 최상층 갑판에 의도적으로 감톤구(Tonnage Opening)를 만 든다면, 그 아래 갑판(Second Deck)이 건현갑판으로 취급되어 건현이 증가하므로 만재흘수선이 낮아지는 결과로 나타날 것이다.
건현갑판이나 선루갑판 위 차폐되지 않은 곳에 실은 목재(펄프와 같은 것은 제외)화물은 배에 추가 부력 과 바다로부터의 보호구 역할을 한다고 인정되어, 이러한 용도의 배는 건현을 감소 시킨 목재 만재흘수선(Timber Load Line)을 추가로 지정 받을 수 있다.
조선소의 입지 조건
먼저 일반적인 공업단지의 입지 조건은 크게 두 가지로 나누어 살펴 볼 수 있다.
㉠ 자연 조건: 기후, 지형, 지질, 용수, 위치 ⇒ 비중이 점차 감소
㉡ 사회 경제적 조건: 시장, 노동력, 자본, 기술, 국가 정책 등 ⇒ 비중이 점차 증가
기업은 원료·재료를 공장에서 가공하여 제품을 만들고 그것을 시장에서 판매한다. 따라서 공장은 원료 공급지와 시장을 결합하는 장소이 다. 따라서 생산 비용을 최소한으로 줄이는 장소에 입지하여야 한다.
생산 비용 중에서 수송비나 노동비처럼 입지 결정에 직접 영향을 주는 것을 입지 인자라고 하는데 기업은 먼저 제품의 시장을 조사한 다 음 수송비나 노동비가 저렴한 곳을 물색한 후 입지를 결정한다.
이 때 정부의 공업에 대한 정책이나 종업원의 생활과 자녀 교육에 불편한 정도를 반드시 고려해야 한다.
그러나 이를 모두 만족한다 하더라도 기업을 경영하는 경영주의 형태 또한 입지를 결정하는 데 중요한 역할을 한다.
공업 입지를 결정하는 조건이며 한 가지 조건만으로 결정되는 경우는 별로 없고 몇 가지의 조건이 복합적으로 고려되어 결정되는 경우가 많다.
그럼 조선소의 입지조건에 대해 알아 본다.
기후
겨울에도 영하로 내려가는 경우가 잘 없어 겨울철 작업이 다른 곳보다 용이할 것. (용접성 저하를 막음) 년 강수량이 많지 않을 것. (조업 일수에 대한 단축이 없어야 함)
조수 간만의 차가 크지 않을 것. (진수시에 장애가 적어야 함)
배후 공단
중공업 단지가 있어 선박 등에 필요한 자재 공급이 용이 할 것.
특히 철판 공급처인 국내(포항) 와 국외(일본)와도 가까워서 철판 수급이 용이 할 것.
항구
국제항이 가까워 필요한 자재 공급이 빠르고 운임이 저렴할 것.
용수와 전기
풍부한 전기가 송전되고 공업 용수가 풍부할 것.
보안
휴전 상태라는 특수한 상황을 고려해서 휴전선에서 남쪽 멀리 위치하여 만약의 경우를 대비 가능 할 것.
환경
주위 환경을 고려하여 입지를 결정 할 것
각종 혜택
일자리를 창출 하는 만큼 지역 자치 단체의 각종 세제 혜택 등을 받을 수 있는 곳으로 정할 것.
특히 최근에는 가장 주요한 입지 조건으로 생각되는 것이다.
선박의 6자유도
병진 운동.
병진 운동에는 다음과 같이 전,후로 움직이는 Surging,좌우로 움직이는 Swaying,상하로 움직이는 Heaving등이 있다.
Surging
Swaying
Heaving
회전 운동
회전 운동에는 다음과 같이 좌, 우로 회전하는 Rolling, 앞,뒤로 회전하는 Pitching,그리고 Z축으로 회전하는 Yawing이 있으며 일반적으로 선체 에서는 회전 운동이 제어 하기가 까다롭다
Rolling
Pitching
Yawing
반류(伴流)
후류(後流)라고도 한다. 강이나 바다에서 쉽게 볼 수 있다.
레이놀즈수(數)가 작은 경우, 즉 물체의 속도가 충분히 느린 경우 반류는 층류(層流)이고, 흐름은 안정적이다.
레이놀즈수가 커짐에 따라 반류는 불안정해져서 뒤쪽에 규칙적인 소용돌이(카르만 소용돌이)가 발생한다.
레이놀즈수가 더욱 커지면 소용돌이 발생이 격렬해져서 난류(亂流)가 된다.
물체를 움직이는 일의 일부는 반류에 주어진 에너지로서 상실된다. 항해하는 배 뒤쪽에서 볼 수 있는 배가 지나간 자취는 반류의 한 예 이다.
추진의 입장에서 반류를 정의하면 프로펠러와 선체의 상호 작용에 있어서 선체가 프로펠러에 미치는 영향을 반류라고 하고 이와 반대로 프로펠러가 선체에 미치는 영향을 추력 감소라고 한다.
반류의 종류에는 다음과 같이 3가지 종류가 있다.
퍼텐셜 반류
점성이 없고 자유수면이 없는 이상 유체속을 이중선체가 진행할때 선체 주위의 유체는 교란 되어 배의 속도와 다른 성분이 발생하면 이 것을 퍼텐셜 반류 하고 한다.
마찰 반류
마찰 반류 선체 주위의 물의 점성 때문에 발생하는 반류로써 선미 근처에서는 값이 크다.
파 반류
파 반류 선미파 중의 유체 입자의 운동에 의한 반류로써 배의 폭방향의 변화는 적지만 깊이 방향의 변화가 크다.
구상 선수 (Bulbous Bow)
D.W. Taylor 는 앞으로 돌출한 충각 선수가 배의 성능에 크게 기여하고 있을 것이라고 느꼈으며, 두 번째의 선수파가 첫 번째의 것을 중 화시킬 것이라는 생각을 가지게 되었다.
그는 충각을 좀더 수면 아래로 내리고, 둥근 모양으로 만들어 처음으로 구상 선수를 창안하여 전함 Delaware 호에 적용하였는데, 이 배 는 뛰어난 성능을 나타내었다.
조파저항을 줄이기 위해서 Bulbous Bow 를 최초로 상선에 적용한 조선소는 일본의 MHI Nagasaki 조선소이다.
동일한 크기의 선박이 만재 상태에서 20 knot 의 속력을 내는데 17,500 ~ 18,000 HP 의 동력을 필요로 하는데, 이 배는 13,000 ~ 13,500 HP 정도만 소요되었다고 한다.
벌브(Bulb)는 저속에서는 부가적인 마찰 저항과 형상항력 때문에 전체 저항을 크게 하지만, 고속에서는 선체와 잘 조화되어 있다면 파계 (Wave System) 사이의 간섭으로 인하여 조파 저항이 감소되는 효과가 마찰 저항과 형상항력으로 인한 손실 보다 훨씬 커지게 되어 결과 적으로 전체저항을 감소시킬 수 있다.
(Bulbous Bow를 채택한 VLCC)
camber ,Pillar
캠버(camber) 아래 그림과 같이 현측갑판에서 중앙갑판까지의 수직 거리를 말하는데 신속한 배수를 위한 설계이다.
각각의 스펙에 의해 화물 적재 공간을 희생하지 않는 한도 내에서 규정이 되어 있다.
필러는 말 그대로 기둥이라는 뜻으로 선체의 각각의 갑판을 비롯한 Deck를 지지하는 구조물을 뜻한다.
각각의 필러는 갑판 등의 Deck등의 하중에 견딜 수 있게 단면적이 규정에 의해 정해져 있다.
뿐만 아니라 여러 가지 규정이 정해 져 있는데 몇 가지만 살펴보면 다음과 같은 내용이다.
1. 필러의 하단이 부착되는 내저판, 갑판 또는 기타의 구조물 상면에서 그 필러에 의하여 지지되는 갑판보 또는 갑판하거더의 하면까지의 거리(m
2. 필러의 최소 회전반지름(cm).
3. 해당 필러로부터 전후의 필러 또는 격벽휨보강재 또는 보강거더의 내면에 이르는 각 구간 사이의 중심 사이의 거리(m) 4. 해당 필러로부터 좌우의 필러 또는 늑골의 내면에 이르는 각 구간 사이의 중심 사이의 거리(m)
이렇게 선체는 일반 공업제품과는 달리 엄격한 스펙에 의해 만들어 지고 있슴을 반드시 알아야 합니다.
조선소는 스펙에서 출발해서 스펙으로 끝난다는 말이 있을 정도 입니다.
LNG 선의 종류
LNG선은 1959년 미국이 5000m3급 METHANE PIONEER호를 최초로 건조한 이래로 프랑스, 일본 등에서 많은 건조 실적과 함께, 관련 기술에 선구적 역할을 담당하였다. 우리나라는 1989년 한국가스공사가 LNG선 국내 건조라는 결정을 한 뒤, 94년 현대가 국적선 1,2호선 을 건조하였고, 한진, 삼성, 대우 등도 국적선 건조 경험을 나누어 가지게 되었다. 한국의 각 조선소는 2006년까지 총 15-20척이 소요되 는 국적선 LNG선의 건조 경험을 바탕으로 2000년 초까지 예상되는 45-50척의 해외 LNG선 신조 프로젝트의 수주전에 나설 예정이다.
LNG선이 여타의 탱커(tanker)류와 다른 주요 특징은 카고탱크(Cargo tank)가 대기압인 상태에서 -163oC의 화물을 적재한다는 것과 카고 탱크 내에서 인화성 화물이 연속적으로 증발한다는 사실에 기인한다. 이러한 사실에 따라 LNG선이 갖게 되는 특징은 다음과 같다.
1) 카고탱크의 내면이 -163oC에서 취성 강도가 강한 니켈 합금강, 스테인레스 스틸 혹은 알루미늄 합금 등으로 구성되어 있다.
2) 카고탱크 주변은 특수목재, 펄라이트(Perlite, 화산암을 팽창시킨 소재) 혹은 Fiber glass 등으로 단열시켜준다.
3) 카고 시스템은 LNG가 증발한 메탄가스를 처리하는 가스 컴프레서(Gas compressor)를 확보해야 한다.
4) 선박의 운항중 발생하는 메탄가스를 연소하여 추진 에너지로 사용하는 시스템 설비가 필요하다.
5) 인화성이 강한 화물을 적재하는 관계로 선박을 안전하게 감시하고 통제하는 고기능의 자동화 시스템이 필요하다.
6) 화물의 부식이나 오염을 발생하지 않는 청정 에너지이고 선가가 고가인 선박이므로 Ballast tank의 방식 유지 및 관리 보수를 철저히 하여 선박의 수명을 40년 정도로 사용하도록 한다.
위와 같은 특징을 모두 고려할 때, LNG선은 폭발성 인화 물질인 LNG를 안전하게 관리하고, 이를 효과적으로 연료로 사용할 수 있어야 한다는 결론에 이를 수 있다. 이를 위해서는 전체 LNG선의 효율적인 감시 제어 시스템을 구비하여야 하고, 이에 대한 검증은 선박의 Commissioning을 위한 가장 중요한 사항의 하나이다.
LNG는 화물의 특성상 Cargo tank내에서 계속적으로 증발을 하고 증발된 가스는 폭발성을 가지고 있다. 따라서 Cargo의 압력과 온도 및 누설 여부를 지속적으로 감시해야 하고 항해 중에도 가스 컴프레서 및 열교환기 등을 지속적으로 작동시켜야 한다. 이를 위해 기관실 및 화물 구역에 설치되는 모든 장비의 상태 감시와 원격 제어 및 자동 운전은 일반적으로 컴퓨터를 이용한 통합형 자동화 시스템(Integrated Automation System: IAS)을 통해 모든 기능들이 서로 유기적으로 연결되어 있다.
이러한 IAS의 주 시스템은 선실에 마련된 중앙제어 통제실(Centralized Administration & Control Center: CACC)에 설치되어 한방에서 Cargo 시스템과 기관실 시스템을 동시에 관리할 수 있도록 하였으며 기관실, Bridge 및 주요 선실 구역 등에서는 보조 제어 시스템과 모 니터가 마련되어 있다. IAS는 분산형 구조를 가진 Distributed Control System(DCS)으로 최신의 32Bit 컴퓨터를 사용한 공정 감시 및 제 어 시스템을 사용하고, 각 시스템 및 장비의 상태 감시를 위해 출력되는 신호는 Process Station에 의해 처리되며 조작자가 사용하는 Operator Station 또는 별도의 컴퓨터에 의해 작동되도록 되어 있다.
Process Station과 Operation Station은 모두 2중의 CPU를 갖고 있으며 이들을 연결하는 LAN을 구성하는 Data Link도 2개의 독립된 전 송 선로를 갖고 있어 사용 중인 선로에 이상이 생길 경우에는 경보와 함께 자동으로 대기 중인 선로에 의해 기능이 대체된다.
IAS외에도 보일러를 제어하는 Automatic Boler Control System(ABC), 버너에 공급되는 연료량을 조정하는 Burner Management System(BMS) 등이 IAS와 함께 전체 선박의 제어 계통을 구성하고 있고, 주요 부분에는 Local Panel들도 마련되어 있다.
<모스형 LNG선>
<멤브레인형 LNG선>
현재 각 조선소에서는 LNG선 건조에 총력을 기울이는 입장이라서 반드시 LNG선에 대한 것을 알고 있어야 합니다.
시운전
아래에 나오는 내용은 일반적인 교과서에서 나오는 설명을 넘어선 현장과 가장 가까운 아주 좋은 설명이다.
시운전에는 3가지 정도로 나누어 볼 수 있겠다.
COMMISSIONING ENGINEERING
시운전. 제품의 기능과 성능이 설계된 상태로 발휘되는지를 입증하는 단계. 각 시험 절차서 및 시운전 절차 서가 작성되고, 이에 따라 시
험 및 시운전이 행해지며, 운전/보수 절차서 및 AS-BUILT DOC. 가 작성된다.
QUAY TEST
안벽시험. Dock 등에서 제작된 부유식 해양 구조물의 경우 제작 후 해상 시운전(Sea Trial)을 수행하기 전에 안벽에서 우선적으로 행하게 되는 시험
SEA TRIAL
해상 시운전. 부유식 해양 구조물은 제작이 끝나면 제작 장소에서의 시험(Commissioning 및 Quay Test)이 끝난 후 해상에서 경사 시험 이나 주행 능력의 시험 등을 수행하게 된다.
Scantling
해양 구조물의 구조 설계를 위해 주어진 하중 조건을 만족하도록 주요 구조부의 간격과 사이즈 등을 확정하는 과정으로 해당 Rule이나 사양서에 구체적인 방법이 정해지는 경우가 많다.
실제로 "해양 Project는 스펙에서 시작해서 스펙에서 끝난다."
라는 말이 있을 정도 이다.
설계 과정
à 보다 자세한 내용은 Reference Books에 언급 된 설계 부서 업무 소개를 참고 할 것.
견적 설계
선주의 요구 조건에 따라 극히 개략적인 구상을 세우는 작업을 말하며 일반적으로 배의 종류, 건조 척수, 선급, 국적, 화물의 종류,선체 치수의 외적 제한,주기의 종류,항해 속력,납기 등을 정한다.
그리고 구체적으로 다음과 같은 일을 하게 된다.
1. 주요 요목 결정, 개략적인 요목표와 시방서 작성 2. 선체부, 기관부, 전기부의 대한 재료표 작성 3. 일반 배치도 작성
기본 설계
일반적으로 견적 설계와 건조에 필요한 실 도면인 상세 설계를 하기 전까지의 단계로
중앙 횡단면도 작성. 선도의 결정기관실 배치도 작성. 성능 관계의 재계산. 주요 기기의 요목 결정. 재료표의 작성.주요 구입품의 주문 요 령서 작성 등을 하게 된다.
상세 설계
선박 건조에 필요한 실제 공사용 도면을 작성 하는 작업이다.
선박 계산을 위주로 한 전반적인 성능 계산과 선각 구조의 상세 설계를 행하는 과정이다.
생산 설계
부재의 가공을 위한 Piece(일품도)도면과 취부를 위한 Shop(상세도)도면을 설계하는 단계이다
종강도 해석 방법
일반적으로 선체의 종강도 해석은 오일러 빔 이론에 근거한다.
여기서는 좀 더 근본 적인 문제인 오일러 빔 방정식에 대한 것을 이해해 보기로 한다.
아래 그림과 같이 선체를 하나의 빔으로 간주 하고 중력과 부력의 차이로 힘을 정의 한다는 게 오일러 빔 이론이다.
위의 그림에서 제일 위에 있는 것부터 w(중력),b(부력)을 나타내고 맨 아래 있는 그림이 분포 하중인 q를 나타낸다.
이것을 식으로 표현하면 다음과 같다.
ò
=
-
=
x
dx x q F
x b x w x q
0
) (
) ( ) ( ) (
위의 x는 선체의 길이 방향의 값이다
선체의 진동(원인과 대책)
일반 상선에서의 선체 진동은 선체에 동력을 전달하는 Main engine과 Propeller(축계 포함)에 의해 주로 발생하며, 이들에 의해 발생하는 진동 에너지는 진동 및 소음형 태로 소진된다.
엔진은 압축 폭발하면서 고유한 소음과 진동을 나타내게 되고
프로펠러는 고속으로 회전 할수록 효율이 떨어지고 날개와 물 사이에 빈 공간이 생기면서 효력이 감소하고 선체 진동이 커지게 된다.
소음은 선원의 거주 안락성 및 작업 편의성에 영향을 미치는 반면, 진동은 선체의 피로 파손, 장비의 손상 및 오작동, 선원의 거주 및 작 업의 불편함 등으로 나타난다.
국제기구에서는 진동을 규제하기 위해 사람, 장비, 선체 등에 대한 제한치와 계측절차 등을 정해 놓고 있으며, 건조 사양서에 진동 기준 치를 명시할 뿐만 아니라 선주의 요구가 점점 더 까다로워지고 있다.
진동 방지 대책은 공진 회피와 진동 기준치 이하로 진동 크기를 억제하는 것으로, 공진회피 대책으로는 전 선체와 Deckhouse의 고유 진 동수가 Main engine 및 Propeller의 주요 가진 주파수와 일치하지 않도록 하고, 또 판 진동 해석 시 판의 기본 고유 진동수가 Propeller의 2차 및 Main engine의 실린더 차수의 가진 주파수보다 높게 되도록 하는 것으로, 한면 및 양면 접수 시의 부가수 질량 효과를 고려하고
있다.
Main engine 및 Propeller의 각종 기진력에 대한 진동 응답치가 기준치를 만족하도록 Propeller 및 Main engine의 가진력을 줄이거나 선 체 구조 변경 및 진동 감쇠장치를 설치하기도 한다.
이중 선체 구조(Double Hull Structure)
만약 30만 톤급 정도되는 VLCC (Very Large Crude oil Carrier: 초대형 유조선) 같은 선박에서 기름이 유출된다면 그 피해는 상상을 초월 할뿐더러 원상태로 회복하는데 몇 십 년에서 몇 백 년이 걸리게 됩니다.
역사적으로 가장 악명 높았던 기름 유출 사고로는 미국 알래스카에서 발생한 엑슨 발데즈호(Exxon Valdez) 침몰사건 입니다.
(89년도) 이 사건으로 엑슨과 모빌이 합병을 하게 됩니다.
암초나 장애물이 많은 수로를 빠져 나오는 과정에 선장은 술에 취해 있었고 1등 항해사가 선박을 통제하다가 암초에 부딪혀서 배가 침몰 하게 되었습니다.
당시 엄청난 원유가 새어 나와서 엄청난 생태계의 파괴를 가지고 왔습니다.
그래서 1990년도에 OPA-90 (Oil Pollution Act of 1990) 이라는 법령을 만들었습니다.
여기에서 언급하는 내용이 1995년도 이후에 건조되는 모든 선박은 이중선체구조(Double Hull Structure)로 할 것을 의무화하게 됩니다.
사실 국제법은 아니고 미국법이지만 이제는 거의 모든 상선에 적용되는 규정입니다.
그리고 최근 Prestage호가 프랑스, 스페인 경계에서 침몰하는 사고로 인해서 벌커선에서도 이중선체 구조가 의무화 되고 있습니다.
선박의 유체 성능
선박의 유체 성능은 크게 선체저항과 선체 추진으로 나누어 생각해 볼 수 있습니다.
선체 저항 부분은 뒤에서 자세히 언급하겠습니다.
그러면 추진 성능에 대한 것을 알아 보도록 하겠습니다.
추진 성능은 크게 프로펠러를 말한다고 단언해도 과언이 아닙니다.
우선 프로펠러에 대해 살펴 보면 현재까지 알려진 선박에 가장 효율 적인 추진기 입니다.
추진기란 엔진의 동력을 전달 받아 선체 주위의 물을 가속시켜 뒤쪽으로 보내 선체를 나아가게 하는 장치 입니다.
다음은 프로펠러의 형상 및 각부 명칭입니다.
보다 정확한 정보는 "조선 공학 개론" -- 동명사 --를 참고 하시길 바랍니다.
<프로펠러의 각부 명칭, 그림참조 [조선공학개론]- 동명사>
프로펠러의 추진 원리를 설명하는 이론에는 3가지가 있습니다 운동량 정리
프로펠러를 지나는 동안 일정한 유속이 증가 되어 운동량이 증가 한다는 이론 입니다.
하지만 프로펠러의 단면을 고려하지 못하는 단점이 있습니다.
<운동량 정리, 그림 참조 [조선 공학 개론]- 동명사>
날개 요소 이론
이 이론은 프로펠러의 날개를 항공기의 날개라 가정하고 유속과 압력으로 추진을 설명하는 이론 입니다.
<날개 요소 이론, 그림 참조 [조선 공학 개론]- 동명사>
위의 그림처럼 프로펠러의 각 단면을 나누어서 설명하는 것입니다.
하지만 날개 단면 상호간의 관계를 설명하지 못하는 단점이 있습니다.
순환 이론
이 순환 이론이 현재 가장 많이 인정 받고 있는 추진 이론입니다.
그림을 보면 알 수 있듯이 일정한 유속을 운동하는 날개 주위에 순환 감마가 존재 하여 양력 L 이 생긴다는 것으로 Kutta-Joukowsky의 법칙을 기본으로 한 것입니다.
<날개 단면에 작용하는 압력 분포와 양력 - 항력 분포, 그림 참조 [조선 공학 개론]- 동명사>
선박의 저항
잠수체의 저항
제한이 없는 유체 속에 깊이 잠긴 채로 수평한 직선 위를 일정한 속도로 움직이는 유선형 잠수체는 가장 간단한 형태의 저항을 받게 됩 니다.
이 경우에는 자유 표면이 없기 때문에 잠수체의 운동이 파도를 일으키지 않습니다.
만일 그 유체가 완전 유체라면 (즉, 점성이 없다면) 마찰이 발생하지 않으므로, 아래와 같이 Bernoulli 의 정리에 따른 속도와 압력의 분 포로 d'Alembert's Paradox 가 성립할 것입니다.
<그림 출처: 코마 링크>
위 예에서 유체의 압력은 선수부 가까이에서 정수압 보다 높아지며, 중앙부로 감에 따라 감소하여 정수압 보다 낮아졌다가 선미부에서 다시 증가합니다.
그 속도는 Bernoulli 의 정리에 따라 선체 중앙 부분에서는 배의 전진 속도 V 보다 빨라지고, 선수미 부분에서는 느려질 것입니다.
d'Alembert's Paradox 란, 모든 압력은 어디에서나 선체에 수직으로 작용할 것이므로 선수부에서는 운동을 방해할 것이나, 선미부에서는 그 반대의 경우가 되므로 운동을 돕게 될 것이며, 이와 같은 저항력의 합력은 서로 같으므로 결과적으로 선체는 아무런 저항도 받지 않 는다는 것입니다.
물과 같은 실존 유체는 점성을 가지고 있으므로, 선체의 표면과 접촉하고 있는 유체는 그 표면과 같은 속도로 함께 운동할 것이며, 그 근 처의 유체는 바깥쪽으로 감에 따라 차차 속도가 늦어지는 형태로 선체와 같은 방향으로 움직이게 될 것입니다.
<그림 출처: 코마 링크>
이와 같이 선체와 같은 방향으로 움직이는 유체의 층은 선미쪽으로 갈수록 차차 두꺼워지는 형태를 띄며, 경계층(Boundary Layer)라고 불립니다. 선체로부터 경계층 속의 유체에 공급되는 운동량은 마찰저항(Frictional Resistance)으로 표현됩니다.
선체는 그것과 같은 방향으로 움직이는 항적(Wake)을 뒤에 남기고 계속 전진하며, 앞쪽의 잔잔한 물을 가속하여 지속적으로 경계층을 형 성해 나가기 때문에 에너지의 유실은 계속됩니다.
또한 이 경계층의 영향으로 선미부분의 모양이 변한 효과가 발생하며, 그 근처의 압력분포가 변화하여 앞쪽으로 향하는 성분이 감소됩니 다. 반면에 선수부분에서의 압력분포는 완전유체 속에서의 그것과 거의 같으므로, 결과적으로 선체의 운동과 반대 방향인 합력이 남게 되 어 저항으로 작용합니다. 이 저항을 점성압력항력(Viscous Pressure Drag) 이라 부릅니다.
선체의 뒤 부분이 뭉툭하다면, 유체의 흐름은 분리점(Separation Point) 이라 불리는 어떤 점에서 선체 표면으로부터 떨어져 나갈 것이며, 아래 그림에서 보는 바와 같이 와류를 형성하여 더 큰 에너지의 손실을 초래합니다.
이와 같은 저항을 분리저항(Separation Resistance)이라 합니다.
<그림 출처 : 코마링크>
수상선이 받는 선체 저항
해상에서 움직이는 배도 잠수체에서와 마찬가지로 마찰저항, 점성압력항력, 분리저항을 받습니다.
그러나, 이 경우에는 자유 표면의 존재에 의한 또 다른 저항 성분이 추가됩니다.
물 속으로 움직이는 선체 부분은 잠수체에서와 비슷한 압력 분포를 일으킵니다.
즉, 선수부와 선미부에서는 압력이 높아지고, 선체 중앙부에서는 압력이 떨어집니다.
자유 표면과 그 바로 아래에서의 압력 변화는 수면을 교란하여 파도를 일으키고, 그들이 배의 뒤쪽으로 퍼져 나감에 따라 연속적으로 다 시 파도가 생겨나게 되므로 지속적인 에너지의 유출이 일어나며, 이를 조파 저항(Wave Making Resistance)이라 부릅니다.
잔잔한 바다 위에서 조용한 공기 속을 항해하는 배는 수면 위 부분에 공기 저항(Air Resistance) 을 받게 될 것이며,이 저항은 배의 속도 와 수면 위 부분의 면적과 모양에 의해 결정됩니다.
바람이 불고 있다면, 이 저항은 바람의 속도와 그 상대적인 방향에도 영향을 받습니다.
선체의 전체 저항
바람이 없는 공기 속에서 잔잔한 물 위를 전진하는 배가 받는 저항을 전체 저항(Total Hull Resistance) 라고 하며, 이는 그 배의 유효 마력(Effective Horsepower)을 결정하는 근본이 됩니다.
전체 저항은 위에서 설명한 모든 저항들의 합이며,
이 저항들을 요약하면 점성 항, 조파 항, 공기 항의 세가지 요소로 나누어 볼 수 있습니다.
여기서 점성 저항(Viscous Resistance) 이란 물의 점성에 기인하여 발생하는 마찰 저항 점성 압력 항력, 분리 저항을 모두 포함한 것입니 다.
<그림 출처: 코마 링크>
위 그림은 전체 저항과 배의 속도 사이의 관계를 보여주는 대표적인 곡선입니다.
낮은 속도 범위에서는 점성 저항이 가장 큰 비중을 차지하는데 속도가 증가됨에 따라 조파 저항의 비중이 더 커지는 점과, 속도의 증가 에 따라 전체 저항이 급격히 증가되는 점에 주목할 필요가 있습니다.
결론적으로 선체의 저항은 다음과 같은 표로 정리할 수 있습니다.
저속 비대선의 경우 낮은 속도를 가지게 되므로 점성 저항에 대해서 설명하면 될 것입니다.
위의 표와 설명을 참고로 해서 마찰 저항, 형상 저항(점성 압력 저항,와류 저항)에 대해서 설명하면 될 것입니다.
선체 구조 설계 시 고려해야 할 하중
선체의 구조에서 고려해야 될 하중과 선체가 받는 힘에 대해서 알아보겠습니다.
일단 선체에 작용하는 하중은 먼저 자중을 들 수 있습니다.
선체는 대부분 조선용 후판(Steel)으로 만들어져 있기 때문에 상당한 무게를 가지게 됩니다.
그러므로 제일 먼저 고려 되어야 할 하중입니다.
다음 벌커나, 탱커, 컨테이너, LNG, LPG 등의 화물선 등은 운반해야 할 운반물 즉 오일이나, 가스, 컨테이너 등의 하중을 생각해야 합니 다.
특히 Loading, Unloading(선적과 하역)중에 이웃한 격벽의 화물창에서 작업을 순차적으로 하지 않는 다는 것을 알아야 합니다.
급격한 부하나 하중의 제거가 선체에 치명적이기 때문입니다.
그 다음이 선체의 균형을 위한 Ballast 입니다.
Ballast는 해수를 이용하기 때문에 이리 저리 움직이는 데서 비롯한 하중을 받게 되는데 Sloshing이라고 합니다.
이러한 것도 고려 되어야 합니다.
일반적으로 선체가 받는 힘은 3가지로 정리 할 수 있겠습니다.
첫째 종방향 하중 - 부력의 차이로 인해 발생합니다.
W=Weight, B=Buoyancy=Tension=Compression 을 나타냅니다.
2가지 종류가 있습니다.
<그림 참조 [조선 공학 개론]- 동명사>
각각 hogging 과 sagging 이라 불립니다.
<그림 참조 [조선 공학 개론]- 동명사>
둘째 횡방향 하중 - 방향만 다를 뿐 부력의 차이로 발생합니다
<그림 참조 [조선 공학 개론]- 동명사>
셋째 비틀림 하중 - 부력의 차이가 선수, 선미 측이 반대일 경우 발생합니다
<그림 참조 [조선 공학 개론]- 동명사>
열역학 법칙들
열역학 제 1법칙(에너지 보존 법칙)
W Q U = - D
물체에 일을 해 주면 그만큼 내부 에너지는 증가하고, 물체가 외부에 일을 하면 내부 에너지는 그만큼 감소한다. 기체에 열을 가하면 온 도가 상승하므로 내부 에너지가 증가할 뿐만 아니라 기체가 팽창을 하면서 외부에 일을 하게 된다.
이 때 가한 열량을
Q
라고 하고, 외부에 한 일을W
라 하면 증가한 내부 에너지의 양은W Q U = - D
이것은 열에너지를 포함하는 에너지 보존 법칙으로 열역학 제 1 법칙이다.
열역학 제 1 법칙은 에너지는 한 형태에서 다른 형태로 변하지만 에너지의 양은 항상 일정하게 보존된다는 것을 보여주는 일종의 에너지 보존 법칙이다.
피스톤을 고정시켜 기체의 부피를 일정하게 한 다음에 열을 가하면 기체가 외부에 하는 일은 0이므로 가해준 열량은 모두 내부 에너지 증가에 쓰인다.
열역학 제 2법칙(열 현상은 분자들이 무질서한 운동을 하는 방향으로 진행되며, 그 반대 방향으로는 일어나지 않는다)
온도가 다른 두 물체를 접촉시켜 놓으면 고온의 물체의 열이 저온의 물체로 흘러서 고온의 물체의 온도는 낮아지고 저온의 물체의 온도 는 높아진다.
그러나 반대로 저온의 물체에서 열이 고온의 물체로 흘러가서 저온의 물체의 온도는 계속 낮아지고, 고온의 물체의 온도는 계속 높아지 는 일은 일어나지 않는다.
이러한 비가역 현상을 설명하기 위해서는 열역학 제 1 법칙에 변화의 방향을 결정해주는 법칙이 필요하다.
열역학 제 1 법칙에 자연의 비가역성을 덧붙인 것이 열역학 제 2 법칙이다.
"열 현상은 분자들이 무질서한 운동을 하는 방향으로 진행되며, 그 반대 방향으로는 일어나지 않는다."
이것이 열역학 제 2 법칙이다.
한편 물체의 상태만으로 결정되는 엔트로피라는 양을 정의하고, 이것으로 제2법칙에 대해, ‘열의 출입이 차단된 고립계에서는 엔트로피가 감소하는 변화가 일어나지 않고, 항상 엔트로피가 증가하는 방향으로 변하며, 결국에는 엔트로피가 극대값을 가지는 평형 상태에 도달한 다’고 할 수 있다. 즉, 에너지는 자유로이 형태를 변환시킬 수 있지만 그 때마다 반드시 에너지가 갖고 있었던 능력인 포텐셜이 사라진다.
이 때 일로 변환시킬 수 없는 양이 엔트로피이다. 일반적으로 에너지를 변환시킬 때마다 엔트로피가 발생한다. 그 결과 엔트로피의 총량
은 증가하게 되며 에너지의 가치(포텐셜)는 점점 줄어들게 된다. 즉, 고립된 전체계의 엔트로피는 언제나 증가하지만 그 안에 속해있는 개방계(외부세계와 에너지와 물질을 모두 교환하는 계)의 경우에는 엔트로피가 감소할 수도 있다.
열역학 제 3법칙(절대 온도 “0”에 있는 모든 완전한 결정형 물질의 절대 엔트로피는 “0” 이다.)
열역학 제2법칙과 관련해서 정해지는 엔트로피는 두 평형 상태 간의 엔트로피의 차만이 정해진다. 다시 말해 상대적인 양으로서만 정해 지고 어떤 절대적 기준이 존재하지 않는다. 이러한 문제를 해결하기 위해 등장하는 법칙이 열역학 제3법칙이다. 열역학 제3법칙의 내용 은 "물체의 온도가 절대0도에 가까워짐에 따라 엔트로피 역시 0에 가까워진다."이다. 그러면 엔트로피의 거시적 정의는
T
dS = dQ
rev ,T = 0 k , S = 0
가 된다. 엔트로피가 절대0도에서 0이 된다는 사실 속에는 미시적 정의에 의한 엔트로피와 관련하여 절대 0도가 무질서도(거시적 상태에 대응되는 미시적 상태의 경우의 수)가 1이 된 정적인 상태임을 알게 해준다. 그러므로 엔트로피의 상태 변수들로 나타낸 식
f N f
V T V T k
S = ln(
2/
0 2 0)
에서 열역학 제3법칙에 의해
T
0= 0
이 됨을 알 수 있고 따라서 절대 0도가 아닌 다른 온도에서의 엔트로피는 모두 무한대로 발산하게 된다. 따라서 절대 0도가 아닌 다른 온도에서의 무질서도 역시 무한대로 발산함을 알 수 있고 따라서 확률에 대한 의존도가 거의 절대적 임을 알 수 있게 해준다.열역학 제 3법칙에서 알려주는 또 다른 사실은 절대 온도의 하한에 관한 정보이다. "절대 0도로 접근함에 따라"라는 표현 속에는 절대 0 도가 결코 도달하지 못하는 온도라는 내용을 포함하고 있다. 절대적 정적인 상태인 절대 0도에 도달하기 이전에 모든 기체는 승화 또는 액화한다.
제3법칙은 네른스트의 정리를 플랑크가 정밀화한 것이다. 그래서 네른스트의 열정리 또는 네른스트-플랑크의 열정리라고도 한다.
후크의 법칙
물체에 가해진 하중과 그로 인해 발생하는 변형량과의 관계를 나타내는 법칙이다. 어떤 임의의 물체에 하중이 가해지면 어느 한계에 이 르기까지는 변형량이 하중에 선형적으로 비례한다는 법칙이다.
응력(Stress)이
s
, 변형률(Strain)이e
, 탄성계수(Elastic Modulus)가E
로 표시될 때 후크의 법칙을 수식으로 나타내면 아래와 같다.e s = E ×
Strength/rigidity/Hardness
엔지니어라면 이 Strength/rigidity/Hardness 세 가지의 물리적 차이를 명쾌하게 설명 할 수 있어야 합니다.
즉 Strength는 힘에 대한 저항력이고 rigidity는 변형에 대한 저항력이며 Hardness는 압흔에 대한 저항력입니다.
이렇게 답변 하면 100% 엔지니어적인 답변이라고 할 수 있습니다.
각각 보다 자세한 내용을 살펴 보면 아래와 같습니다.
Strength
재료에 하중이 걸린 경우, 재료가 파괴되기까지의 변형 저항을 그 재료의 강도라고 한다. 인장 강도/압축 강도/굽힘 강도/비틀림 강도 등 이 있다.
인장 강도는 시험 편을 서서히 잡아당기는 인장 시험으로 측정하며, 압축 강도는 짧은 기둥 모양의 시료에 축방향으로 압축 하중을 가하
여 측정한다. 비틀림 강도는 둥근 기둥 모양의 시료가 비틀림에 의해 파괴되었을 때 가해진 비틀림 모멘트로부터 계산에 의해 구한다.
Rigidity
탄성체에 외부의 힘이 가해졌을 때의 변형은 힘이나 모멘트의 크기 외에 탄성체의 형상, 지지 방법, 재료의 탄성 계수 등에 따라서 달라 진다. 일반적으로 재료의 강성은 단위 변화량에 대한 외력의 값으로 나타낸다. 인장에서 신장은 외력에 비례하는데, 단위 신장을 주는 외 력을 신장강성이라고 한다.
빔을 구부릴 때 빔의 처짐 곡선의 곡률(曲率)은 휨 모멘트 M에 비례하며, (탄성률 E)×(단면 2차 모멘트 I)에 반비례한다. 곡률은 휨 모멘 트 M이 같아도 E×I가 작을수록 크다. 그러므로 EI는 처짐 곡선에서 곡률의 크기를 나타내는 계수이다. 이것을 휨강성이라고 한다. 또 막 대를 비틀 때, 단위 길이 당의 비틀림각은 비틀림 모멘트에 비례하지만 단위 비틀림각을 주는 비틀림모멘트를 비틀림 강성이라고 한다.
Hardness
경도라고도 한다. 1772년에 프랑스의 R.A.레오뮈르가 긁은 자국의 크기로 굳기를 처음으로 측정하였고, 1822년에는 독일의 F. 모스가 광 물의 굳기를 나타내는 척도를 정하였다. 이 방법은 무른 활석에서 단단한 다이아몬드에 이르기까지 10단계의 광물을 정하고, 미지의 재 료 표면을 문질러 그 표면에 자국이 생기는 것으로 굳기를 정하는 것이다. 이것을 모스굳기라고 한다. 요즈음은 이것을 15단계로 나누어 서 새로운 모스척도로 정하여, 굳기 8.5, 굳기 10 등으로 경도를 표시한다. 공업 면에서도 굳기를 측정하는 경우가 많다. 예를 들면 금속 의 열처리 효과나 균질성을 조사하는 데에는 굳기를 시험하는 것이 가장 좋다. 이 시험 법으로는 다음 3종류가 실용화되어 있다. 브리넬 굳기(Brinell hardness)는 지름이 Dmm인 강구(鋼球)를 재료에 일정한 압력으로 누르고, 이때 생기는 우묵한 자국의 크기로 굳기를 나타낸 다.
선박의 동적 위치 제어 시스템(Dynamic Positioning System)
<DPS 실험 모형도>
해양 개발에 의한 작업 수심이 점점 더 깊어지고 약 5,000 m 이상의 심해저 개발이 진행되고 있는 추세에서, 부유식 구조물이 기존의 고 정식 구조물의 대안으로 여겨지고 있다.
부유식 구조물 중에서도 현재 FPSO 시스템이 가장 주목 받고 있다.
이러한 부유식 구조물은 깊은 수심과 작업의 안정성을 위해서 동적위치유지시스템 (Dynamic Positioning System: DPS)을 가지고 있다.
자동위치제어기는 환경외력, 즉 바람, 해류 그리고 파도에 의한 하중에 대하여 특수한 추진기를 이용하여 미리 정해진 위치에서 어느 한 도 이상을 벗어나지 않게 하는 시스템이다.
이 시스템은 선체의 제어를 위한 각종 계측 장비와 이를 분석하고 명령을 내리기 위한 컴퓨터 그리고 신호를 받아서 직접 추력을 발생 시키는 azimuth 추진기를 구성되어 있다.
제어기는 PID 제어기와 최적 제어기(LQI)를 사용하며, 추력의 파도 주파수대 응답을 제거하기 위하여 칼만 필터 및 디지털 필터를 사용 한다.
azimuth 추진기는 선수나 선미 쪽에 달려 있는것이 일반적이다.
이러한 동적위치 유지시스템에서는 추력의 용량산정, 제어기 성능검증 등을 위한 컴퓨터 시뮬레이션 및 실험이 반드시 수행되어야 한다.
1997년에 최종적으로 개발된 동적위치시스템의 실험 시스템은 크게 유선 시스템과 자유항주 시스템으로 나눌 수 있다.
유선시스템은 움직이는 거리가 비교적 크지 않은 위치유지실험에 적용 가능하도록 하였으며, 이 때 평면운동 및 위치 조절은 예인전차에 설치된 적외선 LED를 이용한 광학위치계측시스템을 사용한다.
그러나, 경로추적실험과 같이 비교적 넓은 지역을 움직이는 실험에서는 유선 시스템이 적합하지 않다. 이를 위해서 자유항주 모델을 구성 하였으며, 이 때의 평면상의 운동과 위치는 레이저를 이용한 위치추적 시스템을 사용한다. 이 시스템은 수상선의 제어를 위한 컴퓨터와 이를 감시하고 명령을 내리기 위한 컴퓨터로 구성되고, 계측된 데이터와 명령은 무선 네트워크를 통해서 전달된다.
위치 유지를 위해서 제어기는 PID 제어기와 최적 제어기(LQI)를 사용하며, 추력의 파도 주파수대 응답을 제거하기 위하여 칼만 필터 및 디지털 필터를 사용한다.
위치 유지 실험을 위해 4개의 azimuth 추진기를 제작하였으며 지름 10, 15 cm 의 추진기를 2개씩 제작하여 보유하고 있다. 이 추진기 모듈은 azimuth 각을 바꿀 수 있고 DC 모터로 프로펠러를 구동하며, 회전수와 각도를 아날로그 신호로 받을 수 있게 하였다. 프로펠러는 KAPLAN-4 계열의 노즐 프로펠러를 사용하였으며, 단면은 NACA66 이다. 주추진기의 경우 자항 동력계를 통해서 추력과 토오크를 계측 할 수 있으며, azimuth 추진기의 경우는 계측된 rpm과 추진기의 bollard-pull 상태에서 단독 시험의 결과를 이용하여 추력을 구한다.
CAD/CAM, CAE, CALS, STEP
CADComputer Aided Design):
컴퓨터를 이용한 설계를 말한다. 건축에서 컴퓨터가 차지하는 비중은 나날이 커지고 있다.
특히 설계 분야에서 비용 절감과 시간 단축, 정확도, 효율성 면에서 기존의 수작업과는 비교가 안될 정도로 뛰어나기 때문에 많은 건축 사무소에서 캐드 시스템을 운영하고 있다.
사실 건축 설계사가 캐드를 직접 다루는 것이 가장 이상적인 형태라고 할 수 있지만 현실은 그렇지 않다.
캐드와 설계는 각각 너무 전문적인 분야이기 때문에 설계하는 사람과 전문적으로 캐드를 다루는 사람이 따로 있다.
건축 캐드 전문가는 컴퓨터 캐드 시스템을 이용하여 설계사가 그린 도면을 완성하는 역할을 하는 것이다.
건축 설계에 있어서 캐드를 사용하게 되면 취소, 복구, 반복, 보관, 프린트나 확대, 축소가 자유로우며 수치가 자동적으로 계산되므로 오 차의 발생률을 낮추는 등 많은 이점이 있다
