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주완 유
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1 선박계류안정성및 컨테이너크레인의동적해석

2 성능설계 (Performance Based Design) 20 세기 : 설계공식에의한검토와설계수행 ( 예 : Goda 식, Hudson 식등 ) 21 세기 : Simulation( 수치또는수리 ) 에의한성능설계 ( 성능의보다명확한규정과체계화 )

3 계류안정성해석의필요성

4 선박계류시사고사례

5 선박계류시사고사례

6 계류안정성해석흐름도 FEM, CG,, QTF RAO,,,,,,

7 선체의 6자유도운동 6 자유도운동 : Surge, Sway, Heave, Roll, Pitch, Yaw Roll, Pitch, Yaw : 선체특성에의한운동특성 Surge, Sway, Yaw : 안벽구조와계류시스템, 방충재에의한운동특성

8 안벽 (Quay) 선박이접안하여화물의선하역이이루어지는항만구조물 방충재 (Fender), 계선주 (Bollard), 캡스턴등으로구성

9 계류로프 계류로프의파단에영향을미치는요소 - 로프의재질및특성 -계류방법 - 환경조건 ( 바람, 파랑, 조류등 ) -선체운동특성 => 피로현상및파단발생

10 계류로프 적정로프규격결정 - 로프의재질 - 강도 - 무게 - 인장율 - 내구성등을충분히고려 안전하중 - 파단강도 (MBL) 의 33~50% - OCIMF : MBL 의 55% 적용

11 계선주 (Bollard) 선박접안시계류용로프를걸기위한기둥 직주, 곡주등 대상선박의견인력 => 계선주의크기및배치간격결정

12 방충재 (Fender) 계류된선박과안벽사이에설치 => 충돌에너지흡수 공기식 (Air/ Pneumatic Fender), 좌굴식 압축완화시비선형반력특성 => 비선형현상고려

13 계류로프체결 First line : Head line, Stern line Breast line : Sway motion 방지 Spring line : Surge motion 방지

14 해양파 수심에의한분류 - 심해파 (Deep Water Wave) : h/l > 1/2 (h: 수심, L: 파장 ) - 천해파 (Wave in Transitional Depth) : 1/25 < h/l <1/2 - 극천해파, 장파 (Shallow Water Wave, Long Wave) : h/l < 1/25 진행성에의한분류 - 진행파 (Progressive Wave) - 중복파또는정상파 (Standing Wave) 진폭에의한분류 - 미소진폭파또는선형파 (Linear Wave) : H/h << 1 (H : 파고 ) - 유한진폭파또는비선형파 (Non-linear Wave) : Stokes Wave, Cnoidal Wave, Solitary Wave

15 해양파의설계적용 설계파에의한방법 - 구조설계에적용 - 장기파랑통계 => 최대파의파고및주기를가지는규칙파 (50~100 년주기 ) - 파고와파주기변화 => 구조물응답을최대로하는규칙파

16 해양파의설계적용 설계스펙트럼에의한방법 (Design Spectrum Method) - 부체의운동, 계류시스템설계에적용 - 장기파랑통계 => 유의파산정 - 유의파고및유의주기를가지는 Wave Spectrum 설정 => 주파수응답함수 => 구조물응답 Spectrum => 단기예측

17 해양파의설계적용 확률적방법에의한장기예측 (Probabilistic linear response Method) - 구조부재의피로강도에대한검토 - 가동해역의장기파랑통계 => 응답의어떤한계치를넘는확률의장기누적치산정 => 장기예측

18 Wave Spectrum 해양파 : 규칙파의중첩에의한불규칙파 => 유의파 (Significant Wave) => Wave Spectrum 각파도가소유한총에너지량 => 파랑주파수에따른분포곡선 PM Spectrum, ISSC Spectrum, Jonswap Spectrum 등

19 Wave Spectrum 분류 PM(Pierson- Moskowitz) Spectrum ISSC Spectrum Jonswap Spectrum 특성 -Fully Developed Sea 상태의스펙트럼 -풍속만으로결정되는스펙트럼 -PM 스펙트럼을수정하여유의파고와풍균주기를입력하여형성되는스펙트럼 - 영국북해에서얻어진스펙트럼으로보다날카로운스펙트럼 Peak 를보임 스펙트럼

20 설계파이론 (Wave Theory) 의적용 분류 특성 대상파고및수심 대상구조물 Airy 파 -선형파이론 -Sine 파형태이며질량수송이없음 - 파고에비해수심이깊은파 - 선체나대형구조물 Stokes 파 -비선형항의특성을잘나타냄 -파정이뾰족함 - 파고에비해수심이깊은파 - 자켓과같은 Frame 형구조물 Stream 파 - 수치해석을통해비선형성을고려한해를구함 - 넓은범위의파에적용 - 넓은범위의구조물에적용 Cnoidal 파 - 수심이낮아생기는해저면효과가고려됨 - 파고에비해수심이낮은파 - 해안구조물 Solitary 파 - 파정이독자적으로진행하는파장이무한대인파 - 파고에비해수심이매우낮은파 - 해안구조물

21 설계풍속 선체의수면상부구조물에작용 => 선체변위, 계류로프장력발생 규칙적이고정적인형태로계류시스템모델에적용 풍하중 : 설계풍속 - 장기간 (30 년이상 ) 실측치 => 풍속의출현확률분포 => 극한값분포함수 => 최대풍속 (50 년주기 ) 산정

22 조석 조위변화에따른선체의부침 => 계류로프의각도변화 => 계류로프의장력변화 조위변화에따른장력변화의양상검토필요 조류 설계조류속 : 해당해역수표면에서의해류의크기, 방향및계절적분포자료와수치및수리모형실험결과로부터얻을수있음. 조류력 :

23 파력의종류 - 구조물의치수가입사파파장에비해매우작은경우 (D/L<0.2) Froud Kriloff Force - 입사파가교란되지않는다고가정 - 구조물의침수표면적에작용하는총유체압력계산 - 구조물의부재치수가입사파파장에비해비교적큰경우 (D/L>0.2) Diffraction Force - 입사파가교란 - 반사파, 투과파및산란파를고려하여파력계산 Radiation Force - 선체의동요로인해발생하는파에의해생기는파

24 선체에작용하는하중의분류 - 조류력 정적평형위치에서의하중 (Static Force) - 평균풍하중 - 평균파표류력 (Mean Wave Drift Load) 동적운동에의한하중 (Dynamic Force) - 파랑에기인한주기운동 (Wave Frequency Motion) - 바람과파랑에기인한저주파수운동 (Low Frequency Slowly Motion)

25 정적하중 조류력, 풍력, 파력으로인한하중 매우천천히변화하므로정적하중으로간주되는외력조건 정적해석을통한외력계산 => 평형상태 => 선체이동, 계류계의최대장력계산 풍하중 > 조류력, 평균파표류력 파주기에의한동적하중 파향에대한파랑주파수운동 (6 자유도운동에기인한직접적인선형파력 ) 비선형계류계의 Stiffness 를주파수영역운동방정식에고려 => 선체이동량계산 => 계류계의최대장력, 안벽과의충돌가능성검토

26 저주파수운동에의한동적하중 파표류력 (Wave Drift Force), 돌풍 (Wind Gust) - 구조강도 : 무시됨 - 계류계 : 장주기진동 => 공진가능성 선체의변위계산 평균변위 (Mean Offset) - 정적하중에의해계산 ( 풍력, 조류력, 파표류력 ) 최대변위 (Maximum Offset) - 정적하중에의한평균변위 + 파주기와저주파수운동에기인한선체운동

27 선체파력 (Vessel Hydrodynamic Force) 계산이론 Strip Theory (2 차원 Diffraction Theory) 선체의폭이나흘수가선체길이에비해매우작음 선체의폭이파의파장에비해매우작음 선체가 Rigid 함 선체운동이크지않음 수심이파장에비해깊어해저면효과무시 파랑에대한선체의영향없음

$3차원 Diffraction Theory$

28 3차원 Diffraction Theory 유체내흐름간의상호마찰력이없고유체입자의운동은비회전성 파고가파장에비해매우작아선형파이론적용이가능 파가선체표면에서반사될때에너지손실없음

29 계류안정성평가를위한해석조건의설정 초기조건설정 => 다점지지계류계해석 => Case 별계류안정성평가 선체는강체 (Rigid Body) 로보고 6자유도운동을해석 평상시와이상시 - 파향및풍향변화에따른영향 - 조위와흘수변화에따른영향 - 계류라인수에따른영향등을검토 => 문제점분석및대안제시 계류시스템 ( 계류로프, 방충재, 계선주등 ) 의안전성확보를위한환경조건검토

32 주파수영역해석 (Frequency Domain Analysis) 선체응답함수 (RAO : Response Amplitude Operator) -단위진폭을갖는입사파에대한선체변위를무차원화 -파주기의변화에따른선체의응답변화를나타내는함수로정의 Wave Spectrum * RAO = Response Spectrum

33 파강제력의전달함수 (QTF : Quadratic Transfer Function) - 합과차주파수에서의파강제력의전달함수 - 파진폭에의존하지않는유체력계수 - QTF => 불규칙파중에서의 2차파강제력, 파강제력의스펙트럼밀도함수를쉽게구할수있음

34 스펙트럼해석기법 (Spectral Analysis Method) -파주파수에의한선체의응답스펙트럼 => 파스펙트럼과 RAO 제곱의선형곱 => RMS 값 ( 응답은 Rayleigh 분포를따름 ) 산정 - 유의응답 (Significant Response) = RMS 의 2배 - 최대응답 (Maximum Response) = 유의응답의 1.86 배

35 시간영역해석 (Time Domain Analysis) 일정파장과파고를갖는파도가선체에작용할때시간대별운동을파악하여최대선체운동을파악 주파수응답함수 (Fourier 변환 ) 임펄스 => 응답함수 ( 콘볼루션적분 ) => 파강제력의 => 시간이력운동방정식 병진및회전운동 => 대부분 Steady 한해가나타남 장파장 => Steady 한해가나타나지않을수있음

36 계류동요량에의한항만가동율산정 항만가동율 : 항만의연중이용일수 현행항만가동율 => 선박규모별항내한계파고 개선된항만가동율 => 외력조건을충분히고려한계류선박의동요량 - 계류선박의안전성확보 - 하역의효율화 - 계류시스템의수명연장및수리비용절감 - - -

37 항만가동율산정흐름도

38 하역허용동요량 국내항만설계기준 -박지의정온도 : 파고에기초하여소형선 0.3m, 중대형선 0.5m, 초대형선 0.7~1.5m -하역일수 : 연간 97.5% 확보 선박규모소형선중대형선초대형선 하역한계파고 0.3m 0.5m 0.7~1.5m

39 안전하역조건에대한선체동요기준 ( 항만설계기준 ) 선종 Surge(m) Sway(m) Heave(m) Roll( 도 ) Pitch( 도 ) Yaw( 도 ) 일반화물선 ±1.0 ±0.75 ±0.5 ±2.5 ±1.0 ±1.5 곡물운반선 ±1.0 ±0.5 ±0.5 ±1.0 ±1.0 ±1.0 광석운반선 ±1.0 ±1.0 ±0.5 ±3.0 ±1.0 ±1.0 탱커 ( 외항선 ) ±1.5 ±0.75 ±0.5 ±4.0 ±1.0 ±2.0 탱커 ( 내항선 ) ±1.0 ±0.75 ±0.5 ±3.0 ±1.5 ±1.5 컨테이너선 ±0.5 ±0.3 ±0.3 ±1.5 ±0.5 ±0.5 페리, 컨테이너선 (Ro/Ro) ±0.3 ±0.6 ±0.3 ±1.0 ±0.5 ±0.5

40 국제상설항해협회 (PIANC) 기준 경선박과레저용보트에대한한계파고 선박길이 (m) 주기 (sec) 측면 / 뒷면방향파 파고 (m) 주기 (sec) 선수방향파 파고 (m) < < ~10 2.0~ ~ > > < < ~16 3.0~ ~ > > < < ~ ~ > >

41 계류한계에대한허용운동속도기준 선체크기 Surge (m/sec) Sway (m/sec) Heave (m/s) Yaw ( 도 /sec) Pitch ( 도 /sec) Roll ( 도 /sec) 1,000DWT ,000DWT ,000DWT * 어선, 연안여객선, 페리선, 로-로선에적용가능한기준임

42 하역작업한계에대한선체운동 선박유형 하역장비 Surge(m) Sway(m) Heave(m) Yaw( 도 ) Pitch( 도 ) Roll( 도 ) 승강크레인 리프트온 / 어선 리프트오프 흡입펌프 화물선, 선박기어 연안여객선 채석장크레인 측면램프 페리선, 로 - 로선 다우 / 스톰램프링크스팬 레일램프 일반화물선 컨테이너선 100% 효율 50% 효율 크레인 산화화물선엘리베이터 컨베이어벨트 유조선 로딩암 LPG/LNG 운반선 로딩암

43 컨테이너부두의개요 컨테이너부두 컨테이너수송의특성상대량화물을신속하고효율적으로처리하기위해요구되는하역, 이송및보관기능등을수행 컨테이너부두의주요구성 본선작업시스템 구내이동시스템 장치및보안시스템 인수인도작업시스템 Gate 작업시스템 정보및관리시스템

44 컨테이너부두의주요구성및운영 게이트 주업무는게이트통과컨테이너및차량에대한야드위치정보제공 트랜스퍼크레인컨테이너선으로부터하역되어진컨테이너를터미널야드내에서이송, 적재 트랜스퍼크레인상, 하차작업 컨테이너크레인 컨테이너선으로부터컨테이너를적, 하역

45 컨테이너크레인의개요 갠트리크레인으로도불리는컨테이너크레인은컨네이너적, 하역용으로특별히설계된크레인으로서에이프런에부설된레일위를주행하고, 유압으로후크에매달린컨테이너를감아올리므로써적하, 양하작업수행 크레인의양하, 적하속도는회항시간에큰영향 터미널전체처리능력의상한선을제한하는요소

46 컨테이너크레인의주요구성요소

47 입컨테이너크레인의분류 듀얼호이스트타입 5,550 47,450 25,800 VIEW A 17,500 3,200 16,500 28,000 25,500 38,500 ZPMC SIEMENS C CONTAINER TERMINAL ALTENWERDER ,000 4,000 4,000 4,000 35, ,000 싱글호이스트타입27.0 VIEW B VIEW A CONTAINER TERMINAL ALTENWERDER 3, , ,

48 컨테이너크레인의동적해석개요및목적 고베지진시컨테이너항만의크레인기초와케이슨제체의손상이크게발생 국내의경우태풍매미에의한컨테이너크레인의붕괴발생 대표적인동적하중인지진하중과태풍의영향에의한컨테이너크레인의안전성확보및크레인기초의적절한 Wheel load 산정필요

49 태풍에의한컨테이너크레인붕괴

50 컨테이너크레인의설계흐름도 설계조건결정 ( 풍속및지진스펙트럼결정 ) 컨테이너크레인의작업능력결정 작업능력에따른크레인구조결정 컨테이너크레인의 Wheel load 검토 산정된 Wheel load 의설계적용

51 해양구조물의대표적하중 해양환경하중의특성 물의일반적성질이대규모로집합적의미를띠고나타나는특성 동적체계 (Dynamic System) 의하중특성 해양환경하중의영향 일반적영향 물리적영향 화학적영향 생물학적영향 지질학적영향

52 동적하중의기본개념 동적하중 구조물에작용하는하중이시간에따라변화되는하중 동적하중작용에따라일반적인구조물의응답 (Response) 또한시간에따라변화됨. 동적하중이작용하는구조물은구조물의고유주기특성이중요함.

53 대표적인동적하중 건물내의회전기계진동 선미엔진의추진력 폭발하중 지진하중및풍하중

54 컨테이너크레인의주요환경하중 Wind Load 바람은지상의모든구조물에영향을미치나, 해상에서는일반적으로바람이더세고빈도가잦음 해풍은해상구조물의상부구조에대해서는동적효과 (Dynamic effect) 를주로발생시키며, 하부구조에대해선 Overturning moment 를발생시킴 풍속이나풍압의평가가설계의전제조건으로중요

55 Wind load 설계 Wind load 설계 Method 정적설계 설계풍속 풍하중산정 설계풍속산정 풍압계수산정 유효풍압면적산정 Wind Spectrum에의한동적설계

56 설계풍속 반복주기 : 환경변수의최고가능한극대값이어떤시차를두고연속적으로발생할때그평균시간주기 구조물의사용목적 구조물의기대수명 바람에대한민감도 (Wind Sensitivity) 인간에대한위험정도 Failure 가일어났을때의상황 풍속의반복주기는 ANSI(American National Standards Institute) 에서는 50 년사용권장 반복주기및설치장소가정해지면대상지역의풍속통계자료나 Storm 의예상풍속분포도를사용하여설계풍속을결정

57 크레인풍하중의산정 W=q x C x A W : 풍하중 q : 속도압 C : 풍력계수 A : 풍압면적 속도압산정 크레인작동시 : 크레인정지시 : q = 8.5 h q = 100 h h : 지상으로부터의크레인이바람을받는면의높이 (m)

58 풍력계수산정 크레인이바람을받는면의구분 평면트러스 ( 강관제의평면트러스는제외 ) 에의해구성되는면 평면에의해구성되는면 원통면또는강관제의평면트러스에의해구성되는면 W1 이 0.1미만 W1 이 0.1이상 0.3미만 W1 이 0.3이상 0.9미만 W1 이 0.9이상 W2 가 5미만 W2 가 5이상 10미만 W2 가 10이상 15미만 W2 가 15이상 25미만 W2 가 25이상 50미만 W2 가 50이상 100미만 W2 가 100이상 W3 가 3미만 W3 가 1이상 풍력계수 (C) W1 : 충실율 ( 크레인이바람을받는면의겉보기면적을당해바람이받는면의면적으로나눈값 ) W2 : 크레인이바람을받는면의장축방향의길이를당해바람이받는면의폭으로나눈값 W3 : 원통또는강관의외형에크레인의정지시전항에서규정한속도압의평방근을곱하여구한값

59 풍압면적 크레인의바람을받는면의바람방향에직각이되는면에대한투영면적 사선부면적 충실율 = 사선부면적 / 겉보기면적 (Ar= ㅣX h) h

60 풍압면적산정 b : 대상크레인의바람을받는면에있는보의간격 h : 대상크레인의바람을받는면에있는보중에서바람방향에대하여전방에있는보의높이 ψ : 대상크레인의바람을받는면에있는보중에서바람방향에대해전방에있는보의충실율 η : 저감율 ( 低減率 ) b h(a) 형강구조의보 b h(b) 평판상자형구조의보

61 Wind Spectrum 에의한풍하중 바람자료도실제로는스펙트럼성격을가짐 구조물의동적특성과결합하여동적효과를증폭시킬수있음 변동풍에대한각주파수성분의기여를표시하는스펙트럼적용가능

62 구분 육상에서해상방향으로의풍향 육상에서해상방향의직각방향 하중조건 해석결과 (Moment)

63 내진설계기준 설계대상지진 재현주기 설계기준 성능수준 Minor Earthquake 자주일어날수있는작은지진 50,100 년 아무런피해가없도록설계 즉시거주 Moderate Earthquake 가끔일어나는중간정도의지진 200 년 비구조재피해허용, 주구조재피해방지 기능수행 Major Earthquake 아주드물게일어나는대형지진 500,1000 년 구조물의붕괴방지 인명안전, 붕괴방지

64 컨테이너크레인의내진성능목표 성능수준재현주기 기능수행 붕괴방지 50 년 Ⅱ 등급 설계지진 100 년 200 년 500 년 Ⅰ 등급특등급 Ⅱ 등급 1000 년 Ⅰ 등급 2400 년 특등급

65 내진해석의방법 등가정적해석 응답스펙트럼해석 동적해석 시간이력해석 - 지진의영향을등가정적하중으로환산 - 정적해석수행후지진에대한구조물거동예측 - 고유주기별최대응답스펙트럼산정 - 지반의영향고려가능 - 지반가속도기록이필요없음 - 시간이력에따른구조물응답계산 - 지반가속도기록필요

66 등가정적해석방법 밑면전단력산정 V = AICS R W 층지진하중산정 F x = W h n i=1 x K x W h i k i V 층전단력산정 n V x = F i i= x 전도모멘트산정 n M = ρ F ( h h ) x i= x i i x 층간변위산정 δ x = Rδ h xe sx

67 응답스펙트럼해석법 계획 내진등급결정 성능수준별재현주기결정 재현주기별위험도계수결정 지진구역결정 지반의분류 지진계수의결정 설계지진응답스펙트럼결정 기능수행수준 붕괴방지수준 지진력산출 지진력산출 설계지진력산출

68 응답스펙트럼의정의 서로다른고유주기 각고유주기에따른응답산정 고유주기별최대응답선정

69 컨테이너크레인의내진설계해석 표준설계응답스펙트럼을이용한내진설계

70 지반의분류및지진계수 지반분류 지진계수, Ca 지진계수, Cv 지반종류 지반종류의호칭 Ⅰ 등급 Ⅱ 등급 Ⅰ 등급 Ⅱ 등급 S A 경암지반 S B 보통암지반 S C S D 매우조밀한토사지반또는연암지반 단단한토사지반 S E 연약한토사지반 S F 부지고유의특성평가가요구되는지반

71 지반별표준응답스펙트럼선정 설계응답스펙트럼 응답가속도 (g) 주기 (T) SE SD SC SB SA

72 시간이력해석법 시간이력에따라작용하는동적하중 시간당단위충격하중으로환산 각단위충격하중응답의합으로구조물의응답표현

73 응답스펙트럼설계예 (Mode shape)

74 응답스펙트럼에의한설계예 +X, +Y, +Z -X, -Y, -Z

75 감사합니다

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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