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덕환 정
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1 선박기본설계 2016 년상반기 김수영

2 목차 1. 선박기본설계의정의 2. 기본설계의주요내용 3. 설계조건의검토 4. 산업동향과시황분석 5. Rule & Regulation 6. 주요치수의선정 7. 중량추정 8. 성능추정과선형 9. 일반배치 10. 기본도면의작성 11. Basic Scheme 과견적 12. 건현과의장수 13. 사양서작성

3 1. 선박기본설계의정의 2016 년상반기 김수영

4 1-1. 선박설계의기초 물위에떠있을수있는부양성, 사람과화물을목적지까지운송하기위한이동성, 배자체의경제성을유지할수있는적재성을갖춘수상구조물로정의 반복되는의사결정과정, 부분적으로상충되는제한조건들 ( 경제적, 기술적, 환경적 ) 내에서주어진목적을최적화하는작업 선박을건조하기위해형상, 배치및성능을결정하는과정. 초기설계, 기본설계, 상세설계, 생산설계의세부단계로나눔. 사물의밑바탕또는건축, 구조물을받치기위한토대. 학습주제에대한물리적, 기하학적, 언어적이해가중요

5 1-1. 선박설계의기초 물위에떠있을수있는부양성, 사람과화물을목적지까지운송하기위한이동성, 배자체의경제성을유지할수있는적재성을갖춘수상구조물로정의 반복되는의사결정과정, 부분적으로상충되는제한조건들 ( 경제적, 기술적, 환경적 ) 내에서주어진목적을최적화하는작업 선박을건조하기위해형상, 배치및성능을결정하는과정. 초기설계, 기본설계, 상세설계, 생산설계의세부단계로나눔. 사물의밑바탕또는건축, 구조물을받치기위한토대. 학습주제에대한물리적, 기하학적, 언어적이해가중요

6 1-1. 선박설계의기초 물위에떠있을수있는부양성, 사람과화물을목적지까지운송하기위한이동성, 배자체의경제성을유지할수있는적재성을갖춘수상구조물로정의 반복되는의사결정과정, 부분적으로상충되는제한조건들 ( 경제적, 기술적, 환경적 ) 내에서주어진목적을최적화하는작업 선박을건조하기위해형상, 배치및성능을결정하는과정. 초기설계, 기본설계, 상세설계, 생산설계의세부단계로나눔. 사물의밑바탕또는건축, 구조물을받치기위한토대. 학습주제에대한물리적, 기하학적, 언어적이해가중요

7 1-1. 선박설계의기초 물위에떠있을수있는부양성, 사람과화물을목적지까지운송하기위한이동성, 배자체의경제성을유지할수있는적재성을갖춘수상구조물로정의 반복되는의사결정과정, 부분적으로상충되는제한조건들 ( 경제적, 기술적, 환경적 ) 내에서주어진목적을최적화하는작업 선박을건조하기위해형상, 배치및성능을결정하는과정. 초기설계, 기본설계, 상세설계, 생산설계의세부단계로나눔. 사물의밑바탕또는건축, 구조물을받치기위한토대. 학습주제에대한물리적, 기하학적, 언어적이해가중요

8 1-2. 선박기본설계란? 수주산업에서의기본설계 기술영업 : Technical Proposal & Marketing 선주의요구조건에맞는선박또는해양구조물의사양, 가격및납기조건을제시하고, 기술적으로선주와대응하는업무수행 기본계획 : Project Planning 선박이나해양구조물의설계, 건조의과정에서선주와조선소의투자와투입비용에대한경제성중심의업무진행관점에서의역할 기본설계 : Basic Design 초기설계또는개념설계와상세설계의중간위치하며, 선주의요구조건에맞는사양, 성능을가진제품의설계, 제작을위한도면및제반계산서로구체화하는과정

9 1-2. 선박기본설계란? 수주산업에서의기본설계 Ship Design & Building Schedule Schedule Key Event Dock Contract Steel Cutting Keel Laying Launching Delivery Engineering Design Stage Material Purchasing Hull Structure Building/Painting Model Test & Analysis Basic Design Detail Design Production Design Material Purchasing Fabrication Assembly Painting Outfitting Commissioning & Trial Pre-Outfitting Erection Machinery/Equipment Installation Commissioning & Trial 본자료의기갂은임의로정한것이며, 조선소의생산성, 설비그리고선박의종류나크기에따라달라짐

10 1-2. 선박기본설계란? 기술영업의관점 기술영업 Process 기술영업 선주 영업 PM 기본계획 의장계획 ( 기장, 선장, 젂장 ) Tender Invitation ( 입찰의향서 ) Inquiry 접수 ( 선주요구서 ) 프로젝트검토 / 계획 Basic Scheme No 선주검토 / 대응 Yes 초기선가 / 사양서제출 프로젝트상세일정 견적, 초기사양서취합 Part 별견적 / 초기사양서작성 Full Spec. & 기본도작성 / 선주미팅 (Technical & Commercial) 선주미팅 / 확정 No Yes 기술협의 / 조정 Full Spec. & 기본도확정 선가확정 / 계약

11 1-2. 선박기본설계란? 기본계획의관점 Inquiry 접수 기본계획 건조원가산정 / 사양서작성 Offer/ 선주미팅 / 계약 기본설계 해외지사 / 영업부 주요치수결정 선각중량추정 ( 구조설계 ) 선가 / 사양서 / G/A 제출 기본도면작성, 선주 / 선급승인 선주요구사항 주기관결정초기기본제계산선형설계 Part 별견적 ( 선장, 기장, 배관, 선실, 젂장, 도장 ) Part 별사양서작성 선주 Comment 접수 선주미팅 (Technical & Commercial) 기본계산서작성, 선주, 선급승인 상세설계부서업무인수 / 인계 일반배치도작성 사양변경에따른 Extra/Credit 산정 최종선가 Nego. 출처 : 2014 선박설계특별공개강좌

12 1-2. 선박기본설계란? 기본설계의관점 설계조건의종류및검토 Main Dimension 추정 Lightweight와 Deadweight 추정및계산 Ship s speed 및요구마력추정 항해거리 (Endurance / Cruising range) 구획배치 (Cargo tank area, Fwd part & Aft part 구획분할 ) Engine room part구획분할 Trim & Stability 계산 각종제계산 도면작성 견적

13 1-3. 선박기본설계와최적화 최적화 (optimization) 주어진제한조건내에서목적함수를최대혹은최소로하는설계변수들을찾는것. 선박설계의제한조건 선주요구조건국제해사법규및선급규정항로, 항만에따른선박치수의제한설계경험에기반한설계변수의허용범위조선소의건조능력에의한치수의제한

14 1-4. 시스템 (system) 의정의 시스템 : 두개이상의개체가유기적으로결합하여하나의목적을이루는것혹은그상태. 시스템의입 출력 : 에너지, 물질, 정보. 피드백 (feedback): 출력의일부가입력에영향을주는것. 피드백 에너지물질정보 SYSTEM (Black Box) 에너지 물질 정보 환경 시스템의경계

15 1-4. 종합과시너지효과 종합 부분이나요소를모아서새로운효과를낼수있도록하며, 이효과들이전체적인질서를만들어낼수있도록해준다. 탐구, 발견, 편집과조합등으로구성 모든설계작업의필수적특성 시너지 (synergy) 효과 전체는부분의합보다크다. 여러개체를시스템적으로종합하면, 부분들에없는 특성이나타나는데이를시너지효과라한다.

16 1-4. 개방성따른시스템의분류 외부 외부 에너지 외부 물질 에너지 고립시스템 폐쇄시스템 개방시스템 고립 (isolated) 시스템 : 외부와에너지, 물질, 정보의교환이없는시스템. 폐쇄 (closed) 시스템 : 외부와에너지만을교환하는시스템. 열린 (opened) 시스템 : 외부와물질, 에너지를교환하는시스템.

17 2. 기본설계의주요내용 2016 년상반기 김수영

18 2-1. 설계조건의검토 선주요구조건 선박의종류선급, 국적재화중량적하의종류비중재화계수주기관종류항해속력항속거리하역장치승선원정원설계외적제한납기 각종규약 건현과구획침수트림세로굽힘모멘트낱알복원력유조선의구획배치선급규칙

19 2-1. 설계조건의검토 선주요구조건목록 1. 선박의종류 2. 선급, 국적 3. 재화중량 4. 적하의종류, 비중, 재화계수 5. 주기관의종류 6. 항해속력 7. 항속거리 8. 하역설비 9. 승선원정원 10. 설계외적제한 11. 납기

20 2-2. 선박의종류 사용목적 ( 기능 ) 에의한선박의분류 고체 규격 Container Ship, PCC (Pure Car Carrier ) 화물운반 살물 Bulk Carrier, Ore Carrier 액체 상온 Tanker, Product Carrier, Chemical Tanker 수송선 저온 LNGC, LPGC, Gas Carrier 수송설비에중점, Worldwide 사람운송 여객 관광 Ferry, Ropax(Ro Ro Passenger Ferry) Cruise Ship 생산 ( 특정장소에고정, Topside 중심 ) FPSO, FSO, FPU 해양작업선 운용해역에특화, Day rate 시추지원어선 ( 위치제어, 시추설비중심 ) (IMR, Subsea vessel) ( 어로작업에종사하는선박 ) Drillship, Jack-up Rig OSV, PSV, OCV, PLV, HCV, AHTS, DSV, Trawler, 유자망, 예망, 선망, 연승, 채낚기, 통발, 안강망 특수목적선 굮함 / 정 ( 수상함과잠수함 ) 항공모함, 젂함, 순양함, 구축함, 호위함, 초계함, 고속정 국가가운영, 특수장비보유 조사선 ( 탐사, 조사목적에따라 ) Research Vessel, Seismic Vessel OSV : Offshore Supply(Support) Vessel, PSV : Platform Supply(Support) Vessel OCV : Offshore Construction Vessel, PLV : Pipe Laying Vessel HCV : Heavy Crane Vessel, AHTS : Anchor Handling Tug & Supply DSV : Diving Support Vessel, IMR : Inspection, Maintenance, Repair

21 2-2. 선박의종류 크기에의한선박의분류 통과운하 통과해협 Panamax : 파나마운하를통과할수있는최대선형으로 6 만 ~7 만톤급선박이여기에해당하며, 선박의밑바닥을운하의밑바닥처럼평평하게건조함 Suezmax : Suez Canal Maximum 의준말로수에즈운하를만재 ( 滿載 ) 한상태로통과할수있는최대선형이며, 13 만 ~15 만톤급의선박 Malaccamax : 말라카해협은아라비아해와남중국해를연결하는해협으로이곳을통과할수있는최대크기의초대형유조선과광탄선박을지칭함 Capesize : 남아프리카공화국동쪽해안석탄적출항이리차드항에입항가능한최대선형으로 10~15 만톤급의선박 기타 Aframax : 아프라 (Afra) 는운임, 선가등을고려했을때최대의이윤을창출할수있는이상적이고경제적인사이즈란뜻으로통상 95,000 톤급유조선을지칭하며 8 만 ~11 만톤까지포함 Valemax : 브라질선사인 Vale Shipping 에서발주한세계최대크기의광탄선박으로 DWT 가 40 만톤에이르며전장 360m~362m 이름 Supramax : 52,000DWT 정도크기의벌크운반선 Handy size : 2 만 ~4 만톤급규모의배로일정한항로없이운항하는것이특징이며, 크기가작기때문에접안시설의규모에구애받지않고시설이빈약한항구로도자유로운왕래가가능 Handymax : 핸디사이즈보다조금큰 5 만톤급 Bulk 선박 VLCC : Very Large Crude oil Carrier 의약자로초대형유조선을이르며 20~30 만톤선박 ULCC : Ultra Large Crude oil Carrier 의약자로 30 만톤급이상의초대형유조선 VLBC : Very Large Bulk Carrier, 18 만 ~ 25 만톤급 (DWT) 의초대형벌크선박

22 2-2. 선박의종류 용도에따른선박의분류

23 2-2. 선박의종류 지지방식에따른선박의분류 배수량형 수중익지지형

24 2-2. 선박의종류 지지방식에따른선박의분류 공기부양형 반잠수형 잠수형

25 2-2. 선박의종류 추진방식에따른선박의분류 프로펠러에의한추진 ( 축계 ) < 고정피치프로펠러 > < 가변피치프로펠러 > < 상호반전프로펠러 >

26 2-2. 선박의종류 추진방식에따른선박의분류 프로펠러에의한추진 ( 비축계 ) < 선회식전기추진프로펠러 > < 덕트프로펠러 >

27 2-2. 선박의종류 추진방식에따른선박의분류 프로펠러외의추진방식 워터젯 (waterjet) 에의한추진 초전도전자추진기에의한추진

28 2-3. 선급, 국적 선급 (class) 각국정부의위임을받은입급을담당하는법인조직 입급 (classification) 선체의구조를비롯하여선체, 기관및전기의장이나주요재료와공작법등기술적인것에대한상세한규칙을마련하고, 설계, 재료, 공작등이그규칙대로지켜지고있는가를검사하여모든것이일정한기준에합격한배에대하여일정한자격을부여하는것 각국의선급명칭 국가명 선급명칭 국가명 선급명칭 노르웨이 DNV-GL 한국 KR 영국 Lloyd 일본 NK 미국 ABS 프랑스 BV 독일 DNV-GL 이탈리아 RINA

29 2-3. 선급, 국적 국적 (flag) 선박이국제항해를위해서는국적을등록해야하며, 국적을등록하기위해서는국제법규뿐만아니라해당국가의국내법역시만족해야함. 등록된선박은국가에납세할의무가있음. 국적의표기는선미에함. 편의국적 (convenience flag) 적은세금혹은행정상의편의를목적으로 특정국가에선박을등록한국적 대표적편의국적으로는파나마 (Panama), 라이베리아 (Liberia) 등이있음.

30 2-4. 재화중량 재화중량의중요성 재화중량은곧선사가운송을통하여수입을낼수있는화물의중량을의미 재화중량은개략의주요치수를결정하는중요한인자 DWT: DeadWeight Tonnage 만재배수량 = 재화중량 + 경하중량 재화중량의구성 재화중량 = 화물중량 + 소모품중량 + 재화중량톤수불변량 소모품 (Consumables) 중량 : 연료유, 디젤유, 윤활유, 청수 재화중량불변량 (DWT constant): 선원, 선원의짐, 식량

31 2-5. 적하의종류, 비중, 재화계수 적하의종류 다양한적하를실을수있게설계를하면배의쓰임새는다양하여변동하는시장상황에맞춰선박을유연하게운용할수있지만, 다양한재화계수를가지는화물을적재하도록설계를하면선가가비싸져서경제성이떨어지는단점이있음. 재화계수 재화계수는화물 1 톤 (2240 파운드 [lbs]) 을적재하는데필요한화물창용적 (ft 3 ) 으로비중의역수에비례 CF: Cubic Feet(ft 3 ), LT: Long Ton( 롱톤 ) -> 2240lbs(1016kg) 을 1 톤으로하는영국식계량법 ST : Short Ton( 숏톤 ) 2001 lbs(907.2kg) 을 1 톤으로하는미국식계량법

32 2-6. 주기관의종류 디젤 (Diesel) 엔진 먼저실린더안에공기를흡입 압축해서고온 고압으로한다. 여기에액체연료를분사하여자연발화시킨다음피스톤을작동시킴으로써동력을얻는내연기관. 압축점화기관이라고도함. < 디젤엔진 >

33 2-6. 주기관의종류 증기터빈 (steam turbine) 보일러에서발생시킨고온고압의증기를노즐또는고정된날개로부터분출 팽창시켜나온고속의증기류 ( 蒸氣流 ) 를회전하는터빈날개에부딪쳐서그충동작용또는반동작용에의하여축을회전시키는장치. < 증기터빈의구조 >

34 2-6. 주기관의종류 가스터빈 (gas turbine) 기본적인요소로서압축기 ( 壓縮機 ) 연소기 터빈으로이루어져있다. 가스터빈은압축기로공기를압축하고압축된공기를연소실로이끌어, 여기서연료를분산해서연소시킨다. 이때생긴고온 고압의가스를터빈에내뿜으면서팽창시켜터빈을회전시킨다. < 가스터빈의기본구조 >

35 2-6. 주기관의종류 원자력추진장치 (nuclear propulsion plant) 증기터빈과유사한구조로되어있으며, 차이는고온고압의가스를원자력으로발생시킨다는것. < 원자력추진장치의개념도 >

36 2-6. 주기관의종류 LNG 연료추진엔진 (DF 엔진, 전기추진엔진 ) DFDE : Dual Fuel Diesel Electrical engine

37 2-6. 주기관의종류 LNG 연료추진엔진 ( ME-GI 엔진 ) ME-GI : Main engine Electronic control Gas Injection

38 2-6. 주기관의종류 LNG 연료추진엔진 (X-DF 엔진 ) X-DF : Wartsila DF 엔진

39 2-7. 항해속력 화물 1 톤당수송원가가최소가되는지점이가장경제적인항해속력 최적의항해속력은연료가격의변동에따라조금씩달라짐. 일정한항해속력에서주기마력과 L/B, Cb 사이에는밀접한관계가존재 수송원가 화물 1 톤당 항해속력이낮아지면, 연간수송화물의양의적어져서 RFR 이증가 C* Vs* 항해속력 항해속력이높아지면, 주기관의마력증가로인한건조비상승으로 RFR 이증가

40 2-8. 항속거리 배가가지고있는연료유 (C 중유 ) 로항해할수있는거리 항해일수, 연료유필요량과의관계 항해일수 (day) = 항속거리 (knot) / { 항해속력 (knot/hr) ⅹ 24(hr/day)} 연료유필요량 (ton) = 항해일수 (day) ⅹ 연료소비량 (ton/day)

41 2-8. 항속거리 연료유탱크용적의결정 연료유필요량을비중으로나누어얻는값에얼리지마진을주어결정 얼리지마진 (ullage margin) 연료유탱크에연료를 100% 적재할경우연료유가넘쳐흐를위험이있으므로주는여유분 일반적으로 4% 정도를줌. 화물선의이중저에연료유를배치할경우넘쳐흐를위험이높으므로선주가 10% 내외의마진을요구하는경우도있음.

42 2-8. 항속거리 유조선의주요항로의항속거리 벌크화물선의주요항로의항속거리 ( 곡물 )

43 2-8. 항속거리 벌크화물선의주요항로의항속거리 벌크화물선의주요항로의항속거리

44 2-9. 하역설비 50K 이하의중소형화물선 중소형화물선의경우, 하역설비가불충분한항구에입출항하는경우가많으므로하역설비를요구하는경우가많음. 하역설비의중량 하역장치의유무에따라서경하중량이많이달라짐. 하역설비가위치하는지점에집중하중이발생하므로구조, 강도측면에서도충분한고려가필요 일반배치의검토 화물창의배치에따라하역장치의작업길이및하중이달라짐. 하역장치의수와크기를경제성관점에서고려해서결정.

45 2-9. 하역설비 자체하역설비를갖는선박의예 400 TEU/ DWT 7,400 ton 급의세미컨테이너선 자체하역설비를갖추지않은선박의예 DWT 160K ton 급벌크화물선

46 2-10. 승선원정원 승선원정원에맞게충분한선내복지시설및 소모품의배치가요구됨. 승선원정원은거주구 (deck house) 배치에중요한요소 거주구배치는초기선주상담에서사용되고일단결정된거주구배치의변경은많은설계비용을발생시키므로초기설계단계에서부터실적선을바탕으로거주구의크기를고려하여주요치수를선정하여야함.

47 2-11. 설계외적제한 선박의성능외에운항상의조건에의해발생하는주요치수의제한조건 항구조건 흘수, 길이, 공기흘수 (air draft; 만재흘수선에서선박의최고높이까지의연직길이 ) 등 수로, 해협및운하에의한치수의제한 폭, 길이, 흘수의제한

48 2-11. 설계외적제한 파나마운하 (Panama canal) 태평양과대서양을잇는약 46해리의운하통행가능한배의최대폭은 106ft(32.31m) B mld 는 32.24m 이하로잡는것이보통 허용최대흘수는 39ft(12.04m) 계획만재흘수는 12m보다약간크게잡을수도있음. 운하를지날때, 선박이만재상태가아니므로 Lpp 는 230m 이내로결정. 최대허용흘수가배길이에따라달라지므로이를고려하여야함.

49 2-11. 설계외적제한 파나마운하의사진과지리적위치

50 2-11. 설계외적제한 수에즈운하 (Suez canal) 지중해와홍해를잇는약 88해리의운하중동전쟁으로폐쇄되었다가 1975년 6월에재개통운하의확장 운하의폭과깊이를확장하는 1, 2 단계의계획중 1 단계확장공사가 1981 년완성 폭 : 85m 160m 허용흘수 : 11.58m 16.15m 통행가능한최대선박중량 만재상태 : DWT 150K ton 밸러스트상태 : DWT 370K ton 연료유조와화물유조사이의코퍼댐설치배치, 신호장치, 톤수등이별도로규정되어있음.

51 2-11. 설계외적제한 수에즈운하의위성사진과지리적위치

52 2-11. 설계외적제한 세인트로렌스수로 (St. Lawrence Seaway) 캐나다의몬트리올항과에리이호 (5 대호중하나 ) 를잇는수로 몬트리올항과온테리오호를잇는 157해리의세인트로렌스운하와온테리오호와에리이호를잇는웰랜드운하로이루어져있음. 통행가능한최대치수 전장 (Loa): 730 ft (222.5 m) 폭 (B): 75 ft 6 in (23.01 m) 흘수 (d): 26 ft (7.925 m) 공기흘수 (air draft): 110 ft (33.5 m)

53 2-12. 납기 납기의중요성 선주의입장에서는물동량의변화및수요를예측하여미리선박을발주하기때문에적기에선박을인도받지못하면, 물동량의변화에적극적대처가어려워지기때문에적기에인도되지못한선박은그가치가하락되며선주는이에대해벌금 (penalty) 을부과할뿐만아니라지연된기간이긴경우아예인도자체를거부할수도있다. 조선소의경우, 적절한건조기간을확보하여계약하고반면가능한일찍인도를하기를원한다. 건조된선박이인도되지않고도크나안벽에있는시간을가능한줄이는것이비용을절감하는것임.

4,100TEU Panamax급 컨테이너선

4,100TEU Panamax급 컨테이너선 서울대학교조선해양공학과학부 4 학년 창의적선박설계 강의교재 Preliminary Design of 4,100 TEU Container Carrier (4,100 TEU 컨테이너선초기설계 ) 2006 년 창의적선박설계 Term Project 김철관, 박재욱, 정현목, 조준동, 이성주, 이상향, 조영철 설계요구사항 주요제원기준선 (3,700 TEU) 설계선 (4,100