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재영 초
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1 2007 년도한국해양과학기술협의회공동학술대회 극한환경하에서의해상관측부이구조해석에관한연구 김태우 *, 이원부 **, 정성모 **, 강병윤 ***, 이제명 * 부산대학교공과대학조선해양공학과 * 신동디지텍 ** 중소조선연구원 *** A Study of Structural Analysis for Oceanographic Buoy in Extreme Environment Tae-Woo Kim *, Won-Boo Lee **, Seong-Mo Jeong **, Byung-Yoon Kang ***, Jae-Myung Lee * Naval Architecture & Ocean Engineering Pusan National University * Shindong Digitech ** Research Institute of Medium & Small Shipbuilding *** Abstract The major subject of this paper is assessment of the structural safety of oceanographic buoy in extreme environment. Structural safety assessment of buoy body is analyzed by commercial finite element analysis code due to difficulties of experimental performances. Furthermore, various loading condition which is related to marine state expecially extreme environment such as wind, wave and current force is considered. Based on finite element analysis, structural safety assessment results of oceanographic buoy are concided well with experimental data. Keywords: Oceanographic buoy( 해양관측부이 ), Extreme environment( 극한환경 ), Finite element analysis( 유한요소법 ). 1. 서론현재한국해안에설치된해상관측용부이들은전량외국수입품에의존하고있고, 해일태풍으로인한유실, 또는대형선박과의충돌사고로인한파괴가빈번히발생하고있는실정이다. 그로인해해양해상관측연구의연속성을이룰수없으며, 국제해양환경기구, 해양연구정보자료교환시자료신뢰성에대한문제점이발생하고 있다. 그결과, 외화낭비와더불어여러문제점이야기되고있으며, 이러한문제점은, 한국이자체개발을통한부이제작시스템정착의필요성을대두시켰고그로인해시스템에대한안정성여부검증과, 시뮬레이션을통한거동해석이필요하게되었다. 외부하중에대하여생기는부이의구조적변형등은내 / 외부탐사장비등의수명을효과적으로보전 / 보호하는데에그중요한기능이있으므로이러한구조안전성평가가무엇보다도중요하다.

2 본연구에서는, 보다정밀한해석결과와, 실해상환경과가장유사한경계조건설정을위해, 외부하중조건을파랑이나, 바람등이가지는외력들을복합적으로고려하였으며, 선급에서규정한산식을적용하여극한해상환경에서의조류력조파력풍력값을도출및대입하였다. 이러한해석결과를바탕으로, 해양관측부이자체의안정성과, 주위에운항하는항해선박과의통항안정성을평가하고자하며, 기존에고려되지못하였던해양환경에위해유발되는대표적인외하중산정기법을확립하고이들하중효과를정량적으로적용하는기술에대하여검토하였다. 1 에의한값 : 형상계수로서구조부분의형상에따라표 2에의한값 : 구조부분의바람을받는면적으로각바람방향에대한투영면적 Table 1 Height factor Vertical height 탐사용부이설계조건 해양기상관측부이는구조적인측면에서보면, 크게바람의영향을받는 master 부, 파랑과조류의영향이지배적인 body 부로나누어생각할수있다. 따라서작용하는외력은각국선급에서기상환경에맞는하중계산방법에대한규정을명시해두고있었는데, 일반적으로조류력, 풍력, 파력의 3가지형태로외부하중이고려되고있는것을알수있었다. 본연구에서는극한상태즉, 파고 20m, 풍속 75m/s 의태풍상황속에서의하중값을산정하는데있어, 각선급의규정에의거한하중공식을적용시켰다. 다음에서각각의하중에대한산식을소개하고있다. 2.1 풍력해양관측부이에작용하는풍력은다음의식을통해도출될수있는데, 풍력이작용하는범위는흘수부터 master 끝까지라고보고부재에작용하는풍력을산정하였다. (1) (2) : 설계풍속 (m/s) : 공기밀도 (1.222kg/m3) : 고도계수로서구조부분의고도에따라표 Table 2 Form factor Member Spherical 0.4 cylindrical shapes 0.5 Hull(surface type) 1.0 Deck house 1.0 Isolated structural shapes (cranes, angles, channels, beams) 1.5 Under deck area(smooth area) 1.0 Under deck area (exposed beams and girders) 1.3 Rig derrick(each face) 파력 파도에의한영향을받는범위는부이의기선으로부터갑판부까지라가정하고그구조부재에작용하는파도에의한파력을계산하였다. 축에 normal 한방향으로작용하는유체력의산정은 morison's equation 을통해도출될수있다. (3) : 단위길이당구조에작용하는유체력 : 단위길이당상대속도에의한상하방향의합력 : 단위길이당유체의가속도에의한상하방향의관성력

3 (4) (5) : 항력계수 : 해수의밀도 (1025kg/m 3 ) : 파력이작용하는구조부재의직경 : 수립자의속도 (m/s) : 파력이작용하는구조부재의투영단면적 : 수립자의가속도 (m/s 2 ) : 관성력계수 (6) (7) : 파장 : 파도주기 : 설계파고 : 수선으로부터계산점까지의거리 본논문에서는파력산정에있어쇄파의효과도고려하였는데, 여기서쇄파란, 파고가어느한도를넘어서게되면그형태를유지하지못하고급격히감소하는현상을말한다. 그로인해구조물에강대한충격파가발생할수있고, 그영향은 buoy 의안정성문제에도직결될것이라판단하였다. 해양구조물의슬래밍운동해석시에사용했던식을적용하면쇄파파력산정이가능하다. (8) 는슬래밍계수로써침수단면의변화에따라변하는값이다. 부재의해수면과의접촉시최대값 를가지게되는데, 보수적인평가를위해충격하중계산시 로설정하여계산하였다. 따라서 buoy 에작용하는총압력은앞절에서계산한관성력, 항력항과쇄파파력의합으 로정의될수있다. (9) 는구조에작용하는전체파력을나타낸다. 2.3 조류력조류의흐름에의해발생되는항력은다음의식을통해산출될수있다. 조류의흐름이나속도는예상설치지역을중심으로이에상응하는각가지자료등이계산의지표로사용되었다. (10) : 조류의속도 (m/s) 3. 유한요소해석 Buoy 는전체적으로알루미늄재질로이루어져있으며, 제원및재질의물리적특성치를표 3과표 4와같이정리하였다. Table 3 Principal particulars of the buoy Body Master Mooring type Weight Member Material Length Width Height Width Height Body Mooring system Total Table 4 Mechanical properties Young's modulus (GPa) Tensile (MPa) m m m m m Chain kgf 1898 kgf 23820kgf Yield (MPa) Density (kg/ m3 ) Body AL ,660 Mooring system SS ,850 Master AL ,700

널리사용되고있는유한요소해석프로그램인 MSC Software 의 NASTRAN 을사용하여구조해석을수행함으로써부이설계에대한안정성을평가하였다. 모델링범용코드인 MSC PATRAN 을통해구조모델링에있어서의편의를도모하였다. Buoy body 부의구조형식은기본적으로판구조형식이사용되었고 Plate 요소를사용하여모델링을진행하였다.

4 널리사용되고있는유한요소해석프로그램인 MSC Software 의 NASTRAN 을사용하여구조해석을수행함으로써부이설계에대한안정성을평가하였다. 모델링범용코드인 MSC PATRAN 을통해구조모델링에있어서의편의를도모하였다. Buoy body 부의구조형식은기본적으로판구조형식이사용되었고 Plate 요소를사용하여모델링을진행하였다. 전체모델링에사용된요소의수는표 5와같으며, 대부분의요소에 quad element 를적용하였으나구조적으로비선형성을가지는부재에대해서는선택적으로 triangle element 를적용하였다. 주응력 : (11) 전단응력 : (12) 등가조합응력 : (13) : 재료의항복응력 : 재료의허용전단응력 : 등가응력 : X 축방향의주응력 : Y 축방향의주응력 : 면내전단응력 Fig. 1 FEM modeling using PATRAN Table 5 Information of node and element number Element shape Number of node Number of element Quad or triangle 186, , 유한요소해석결과 4.2 Case study 앞절에서계산된하중들을크게측면과전면에서작용하는것으로보고보수적인안전성평가를위한해석으로볼수있는여러종류의하중부하시나리오를설정하였다. 시나리오설정에있어서가장 severe 하다고생각되는모든종류의하중이한방향에집중되는 case 와각각의방향으로들어오는하중 case 로나누어적용시켰다. 해석결과로도출된응력은 von-mises 등가응력, 최대주응력, 최대전단응력을기준으로하여각크기를각재료의항복응력과비교하였다. 세종류의하중부하시나리오모두, 해석결과상으로는외부하중에의해항복응력의 25-37% 수준의최대응력이발생하였다. 다음에서각각의해석시나리오별부이의 von-mises, 최대주응력분포를나타내고있다. 4.1 허용응력각구조요소별허용응력은 KR의규정을적용하였으며구조부재의주응력, 전단응력및등가조합응력의허용응력은아래의계산식에따라계산된다. Table 6 Set of scenario Current force Wind force Wave force Case 1 Front side Front side Front side Case 2 Left side Left side Left side Case 3 Left side Right side Left side

5 (a) Case 1 (a) Case 1 (b) Case 2 (b) Case 2 Fig. 2 von-mises (c) Case 3 (c) Case 3 Fig. 3 Maximum principal

6 표 7에상기의세종류의하중부하시나리오에의한해석결과를정리한다. 세하중모두측면에서작용할때가장큰응력값을도출하고있었다. 이는하중산정에있어하중을받는작용면의영향이큼을알수있는데, 정량적인값의차이는미미하다. 보수적인평가를위해최대한큰하중이걸리도록산정한것을감안한다면, 각경우모두현재의설계안을따를때, 구조적인안전성에는큰문제가없는것으로판단된다. Table 7 Safety assesment of series analysis Case1 Case2 Case3 Maximum Demand principal Allowable (MPa) Maximum Demand shear Allowable (MPa) Demand von-mis es (MPa) Allowable Safety assesment Safety Safety Safety 5. 결론및검토 본논문은, 지역산업진흥사업지역특화기술개발의일환으로써, 수출주도형해양관측부이개발 에관한 1차년도연구를주로다루었으며, 순수국내설계로이루어진해양기상관측부이의전체적인구조안전성과기존에고려되지못하였던극한환경조건에서의외하중산정기법을확립과이들하중효과를정량적으로적용하는기술에대하여검토하였다. 부이의외부적인해양환경에따라서계산된하중들은범용해석코드에서하중별시나리오를따라서적용되었다. 범용유한요소해석코드인 NASTRAN 을이용하여해석을수행, 부이설계의적합성및타당성을결정하였다. 각각의해석결과들을살펴보면각하중의크기와그 방향에따라서각기다른내부응력상태를얻었으나, 각부재허용응력의 26-38% 내에서의응력분포를보임으로써그결과들은현재설계된부이가구조적으로안전함을보여주었다. 그러나경계조건부여에있어서의몇가지불확실성과, 부하하중들의비선형성등은해석결과의분석에많은애로사항을줄수도있다는것을확인하였고, 선급등에서제시하는하중부하기법과실제발생할수있는하중사이에는차이가존재할수있으며, 극한설계혹은사고방지설계를위한해석의수행에는개선된하중부하기법의적용이필요할것으로판단된다. 후기본연구는신동디지텍의연구비지원에의해첨단조선공학연구센터및선체해양구조역학국가지정연구실의연구프로그램으로수행되었으며, 위기관의후원에감사드립니다. 참고문헌 조규남, 이우섭, 1997, 해양관측용부이의개념설계연구, 한국해양공학회집, 제11 권제4호, pp 홍기용, 양찬규, 최학선 2001, 극한해양하의부표운동성능모형시험기법개발, 한국해양공학회집, 제15권제3호, pp 조규남, 이근무, 최영철 2000, 해양구조물에작용하는파랑하중산정에관한연구, 한국해양공학회집, 제14 권제1호, pp.6-10 조규남, 윤재준 1996, 해양구조물설계에있어서쇄파파력의영향분석, 한국해양공학회집, 제10권제1호, pp KR 2004, 이동식해양구조물규칙, DnV, 2005, "Offshore loading buoys," NORSOK STANDARD,2004, "Actions and action effects," ABS, 2006, "Mobile offshore drilling units,"

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<BCB3B0E8B0CBBBE72031C0E5202D204D4F4E4F C2E687770> I-BEAM 강도계산서 1. 사양 & 계산기준 * 정격하중 (Q1) = 5000.00 KG * HOIST 자중 (W1)= 516.00 KG * 작업계수 (Φ) = 1.1 * 충격계수 (ψ) = 1.10 * HOOK BLOCK WEIGHT (W2) = 20 KG * HOISTING SPEED (V) = 3.25/1 M/MIN * TRAVERSING SPEED