대한조선학회논문집 Journal of the Society of Naval Architects of Korea pissn:1225-1143, Vol. 53, No. 4, pp. 336-342, August 2016 eissn:2287-7355, http://dx.doi.org/10.3744/snak.2016.53.4.336 통합공통구조규칙기반중형살물선의중량절감에관한연구 나승수 1 송하철 1 정솔 2 박민철 2, 전형근 3 목포대학교조선공학과 1 목포대학교조선해양공학과 2 ( 사 ) 한국선급 3 A Study on the Weight Reduction of Mid-sized Bulk Carrier based on the Harmonized Common Structural Rules Seung-Soo Na 1 Ha-Cheol Song 1 Sol Jeong 2 Min-Cheol Park 2, Hyoung-Geun Jeon 3 Department of Naval Architechture, Mokpo National University 1 Department of Naval Architechture & Ocean Engineering, Mokpo National University 2 Korean Register of shipping 3 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. H-CSR(Harmonized Common Structural Rules) integrating CSR-BC(Common Structural Rules for Bulk Carriers) and CSR-OT(Common Structural Rules for Double Hull Oil Tankers) came into effect in July of 2015, so that bulk carrier and double hull oil tanker should comply with this rules. So far, several studies for trend analysis of requirements of structure scantling based on H-CSR have been carried out briskly. However, those studies are rare to apply H-CSR in actual structural design of ships, especially bulk carriers. In this study, an automated system for compartment arrangement is used to search the design that minimizes still water bending moment(s.w.b.m) in 38k bulk carrier designed by Far East Ship & Engineering Co. Ltd. Also, various structural design s are considered by changing arrangement of structural members to reduce ship weight. The SeaTrust-Hullscan software developed by Korean Register is used to perform structural design of ships based on mother ship and proper design s are selected by user. The DSA(Direct Strength Analysis) is performed to evaluate structural safety for the yielding and buckling analysis by using MSC Nastran software. The effect of weight reduction is verified by comparison of ship weight between mother ship and the selected design s. Keywords : Harmonized common structural rules(h-csr, 통합공통구조규칙 ), Structural design( 구조설계 ), Direct strength analysis( 직접강도해석 ), Automated compartment arrangement system( 구획배치자동화시스템 ), Weight reduction( 중량절감 ), Bulk carrier( 산적화물선 ) 1. 서론 지속적인조선경기의침체를극복하기위해서는제조원가를줄이는것뿐아니라연료절감형선형을개발하는것은매우중요한일이다. 이를위해서는설계및생산전분야에걸쳐부단한노력을해야하며, 그중에서도최적설계를통한선체중량을줄이는것은매우효과적인방법이라사료된다. 최적설계를수행하기위해서는해당선박의관련규정에대한분석과실제설계에대한적용단계의연구가선행되어야한다. 2015 년 7월부터기존의 CSR-BC (International Association of Classification Societies (IACS), 2012) 와 CSR-OT 가통합되어통합공통구조규칙 (H-CSR Harmonized CSR) 이발효되었다 (IACS, 2015). 따라서향후계약되는모든유조선과산적화물선은이새로운규칙에기반을두어설계를수행하여야하는데, 운항되는상선중절반이상이유조선과산적화물선임을고려한다면통합공통구조규칙의발효는향후상선시장에서매우중요한안건이될것이다. 그동안통합공통구조규칙에대한경향분석과직접요구치에 Received : 9 June 2016 Revised : 1 August 2016 Accepted : 16 August 2016 Corresponding author : Min-Cheol Park, pmc2305@hanmail.net
나승수 송하철 정솔 박민철 전형근 대한분석 (Sung & Lee, 2015) 이활발하게이루어져왔으며, 이중선체유조선에대해 CSR 개정전의실적선과구조적인측면에서비교평가하는연구 (Byeon, 2014) 는학회에보고된바있으나, 살물선에대해해당규정을적용하여실제설계과정을수행한연구는전무한실정이다. 본연구에서는기존의 CSR-BC 기반으로극동선박설계에서설계된실적선인 38k 산적화물선을대상으로하여목포대학교와한국선급이공동으로개발한구획배치자동화시스템 (Na, et al., 2013a; 2013b) 을이용하여정수중굽힘모멘트가최소가되는구획배치안을찾고자한다. 또한종방향보강재와이중저거더 (girder) 등구조부재배치의변화를주어선박의중량을절감할수있는다양한구조설계안을마련하고그중중앙횡단면적이최소가되는최종구조설계안을제시하고자한다. 기존실적선과선별된최종구조설계안을한국선급에서개발한 SeaTrust-Hullscan 을활용하여통합공통구조규칙에의한구조설계를수행하고, MSC Nastran 을활용하여직접강도해석을수행하여항복및좌굴해석에의한선박의구조안전성을평가하고자한다. 마지막으로해석결과를바탕으로최종구조설계안의중량절감효과를실적선과비교평가하고자한다. Table 2는대상선박의화물창별길이와설계화물중량이다. 1,5 번화물창은 36개 (28.8m) 2,3,4 번화물창은 33개의프레임 (26.4m) 이며한프레임은 800(mm) 로설계되었다. 1,3,5 번화물창은격창적재상태를포함한다. Fig. 1은대상선박의중앙부횡단면으로일반적인살물선과같이중앙에화물창이존재하며, 선저의이중저내부와호퍼, 탑사이드탱크의종격벽을기준으로외측은평형수탱크가배치되어있고, 탑사이드의내측에는연료유탱크가배치되어있다. 갑판의종방향보강재는 flat bar 타입이며, 그외의종방향보강재는모두 bulb 타입이사용되었다. 종방향보강재의간격은이중저기준 830(mm) 이다. 이중저에는중앙거더를포함하여총 5 개의거더가존재하며, 거더의간격은아래의그림과같다. 2. 대상선박 Table 1은본연구에서사용된 CSR-BC 를적용하여설계가완료된실적선 38k 급살물선의주요치수이다. 대상선박은 5개의화물창을가지며 3번화물창은평형수겸용이다. Table 1 Principal dimension of 38k bulk carrier Item Value (m) LOA (Length over all) Appx 181 LBP(Length between perpendiculars) 175 Ls (Rule length) 173.34 B(Moulded breadth) 30 D(Moulded depth) 15.2 Ts (Scantling draught) 10.6 Td (design draught) 10.1 DWT (Deadweight tonnage) 37,650 (tonnes) Table 2 Cargo length & cargo weight Hold No. Length Weight (ton) length (m) frame Homo. Alt. 1 28.8 36 6,450 11,000 2 26.4 33 7,600-3 26.4 33 7,600 13,000 4 26.4 33 7,600-5 28.8 36 7,750 13,300 Fig. 1 Midship section of 38k bulk carrier 3. 구획배치에따른구조설계 목포대학교와한국선급이공동으로개발한구획배치자동화시스템 (Na, et al., 2013a; 2013b) 을활용하여설계변수에따른다양한구획배치를실시하였다. 본연구에서수행된선박계산은해당선박의승인된적하지침서와동일한조건으로수행되었다. 3.1 중앙부형상변화를고려한구획배치 Table 3 variables of midship shape variable Min. value Max. value Step size DB (m) 1.52 1.72 0.04 HTK (m) 11.34 11.76 0.07 HA ( ) 41 47 1.5 Table 3은설계변수에따른설계영역을나타낸표이다. 구획배치자동화시스템의설계변수는이중저높이, 호퍼탱크의너클의지점과호퍼각도로하였으며, 목적함수는정수중굽힘모멘트로하였다. 구획배치자동화시스템을수행한결과, 294(6*7*7) 번의 JSNAK, Vol. 53, No. 4, August 2016 337
통합공통구조규칙기반중형살물선의중량절감에관한연구 Table 4 Result of automated compartment arrangement system in similar cargo volume DB* (m) variable HTK* (m) HA* ( ) Cargo volume (m 3 ) Ship calculation Seagoing S.W.B.M (kn*m) 15 1.52 11.48 47.0 50,747 932,432-790,401 36 1.56 11.34 42.5 50,740 933,332-788,694 Flooding S.W.B.M (kn*m) Hog Sag Hog Sag 1,261,193 (+0.65%) 1,254,660 (+0.13%) -1,301,247 (-0.24%) -1,302,562 (-0.14%) 85* 1.60 11.62 44.0 50,731 934,578-787,546 1,253,080-1,304,338 105 1.64 11.62 41.0 50,721 935,314-786,314 * 실적선과동일한구획배치를가지며, 중량절감을위한구조부재치수를변경한사례 * DB(Double bottom height), HTK(Hopper tank knuckle), HA(Hopper angle) 1,248,205 (-0.39%) -1,306,947 (+0.20%) Table 6 Result of automated compartment arrange system in similar cargo volume Ship calculation variable Cargo Seagoing S.W.B.M (kn*m) Flooding S.W.B.M (kn*m) 5 4 3 2 1 volume (m 3 ) Hog Sag Hog Sag 61 33 39 27 39 33 50,750 978,272-531,344 3 39 27 33 33 39 50,716 930,754-806,263 1,422,401 (+13.51%) 1,330,023 (+6.14%) -1,461,680 (+12.06%) -1,400,584 (+7.48%) Deck ratio 100.1 102,7 Structure design 24,926 (+0.73%) 24,772 (+0.11%) 41* 36 33 33 33 36 50,731 934,578-787,546 1,253,080-1,304,338 106.1 24,744 60 39 30 30 39 33 50,750 933,143-670,150 1,222,061 (-2.47%) * 실적선과동일한구획배치를가지며, 중량절감을위한구조부재치수를변경한사례 -1,217,087 (-6.69%) 107.2 24,525 (-0.88%) 반복수행을하였으며, 그중제한조건을만족하는설계안은 124 개였다. 124 개의설계안중화물창용적이거의일정한설계안을선별하여굽힘모멘트변화를비교평가하였다. 그결과 Table 4와같이침수상태에서가장큰요구치를보이는보통의산적화물선과같이해당선박도침수상태에서정수중굽힘모멘트를가장크게받았다. 침수상태에서정수중굽힘모멘트의차이를비교해보았을때, 실적선과동일한구획배치를갖는사례 ( : 85) 와그외의사례간의차이가매우미미함을확인할수있었다. 이는해당선박의크기가작으며그로인해설계변수로고려했던이중저높이와호퍼탱크의너클지점, 호퍼각도의변동폭이협소했기때문이다. 3.2 횡격벽의위치변화를고려한구획배치 중앙부형상에대해구획배치자동화를수행했을때침수상태에서정수중굽힘모멘트에대해큰효과를확인할수없었기에실적선과동일한중앙부형상을갖는상태에서횡격벽의위치를설계변수로고려하여다시한번구획배치자동화시스템을수행하였다. Table 5는설계변수인횡격벽위치의설계영역을나타낸표이다. 구획배치자동화시스템을수행한결과, 81(3*3*3*3) 번반복수행하였으며, 그중모든설계안이제한조건을만족하였다. 81 개의설계안중화물창용적이거의일정한설계안을선별하여굽힘모멘트변화량과이때중앙횡단면적변화를비교평가하였다. 이때중앙단면적은목포대학교에서개발한살물선의구조설계알고리즘 (Moon, 2015; Jeong, et al., 2015) 을이용하여결정하였다. Table 5 variables of bulkhead location variable Min. value Max. value Step size BHD[frame] No.4 72 78 3 No.3 105 111 3 No.2 138 144 3 No.1 171 177 3 그결과 Table 6과같이침수상태에서정수중굽힘모멘트가큰차이가있음을확인할수있었으며, 그중실적선보다새깅상태기준약 6.69% 감소된굽힘모멘트를갖는구획배치안을찾았다. 338 대한조선학회논문집제 53 권제 4 호 2016 년 8 월
나승수 송하철 정솔 박민철 전형근 하지만중앙횡단면의경우정수중굽힘모멘트의감소폭에비해단면적의감소폭이매우미미하였는데, 이는해당선박의대부분의부재들이하중에의한두께요건 (H-CSR, Part 1. Ch.6 Sec.4) 이아닌 H-CSR 최소두께요건 (H-CSR, Part 1. Ch.6 Sec.3) 의지배를받기때문이다. H-CSR 최소두께요건은재료의물성치가고려되지않고선박의길이만고려하여결정하는식이다. 이로인해, 해당선박은상대적으로선박의길이가짧아최소판재의두께가크며, 판재의재료를 AH36 으로사용하였음에도불구하고그에대한효과를반영할수없었다. 또한, 정수중굽힘모멘트의영향도반영되지않은판재의두께를가지므로단면적의변화가미미함을확인하였다. 4. 구조배치에따른구조설계 위와같은이유로해당선박은정수중굽힘모멘트를감소시켜선박의중량을절감하는방안에어려움이있어, 선박의중앙횡단면의형상은실적선과동일한상태에서구조배치에변화를주어중량을절감할수있는 3가지방안을제시하고자한다. 이에따른검증을위해목포대학교에서개발한통합공통구조규칙기반살물선의구조설계알고리즘 (Moon, 2015; Jeong, et al., 2015) 을이용하여중앙횡단면적을도출하여, 제시된 3가지방안에대해경향을비교평가하였다. 또한 CSR 기반으로설계된실적선의중앙횡단면과의비교를통해실적선대비감소되는중량을확인하였다. 4.1 종방향보강재종류에따른단면적변화 Table 7은실적선과종방향보강재의위치를동일하게배치하고, 종방향보강재종류에따른중앙횡단면적의변화를비교분석한표이다. 표준치수로설계되는 bulb 및 angle 타입의보강재보다는사용자가그형상을결정할수있는 built-up 타입의보강재로설계할때중앙횡단면적을감소시킬수있었다. Table 7 Trend of section area according to longi. stiffener type Mother Ship Longi. type Deck ratio Value Bulb 101.9 25,450 Difference with MS 1 Bulb 100.1 25,155-1.2% 2 Angle 100.0 25,294-0.6% 3 Built-up 100.3 24,744-2.7% 4.2 종방향보강재간격에따른단면적변화 Table 8은종방향보강재의간격에따른중앙횡단면적의변화를비교분석한표이다. 종방향보강재의간격이좁을수록단면적이감소함을확인하였다. Table 8 Trend of section area according to longi. stiffener spacing No of girder Longi. spacing (mm) Value Difference with MS Mother Ship 4 830 25,450 3 4 830 24,774-2.7% 4 4 730 24,691-3.0% 6 3 830 24,481-3.8% 7 3 730 24,407-4.1% 4.3 이중저거더개수에따른단면적변화 Table 9는이중저거더 (girder) 개수에따른중앙횡단면적의변화를비교분석한표이다. 거더의개수를하나줄임으로써단면적을감소시킬수있었다. Table 9 Trend of section area according to number of double bottom girder Longi. type No of girder Value Difference with MS Mother Ship Bulb 4 25,450 1 Bulb 4 25,155-1.2% 5 Bulb 3 24,907-2.1% 3 Built-up 4 24,774-2.7% 6 Built-up 3 24,481-3.8% 4.4 최종구조설계안선정 Table 10 은통합공통구조규칙에의거하여구조배치에따른구조설계를수행한결과이다. 선박의중량은보강재의종류를 Built-up 타입을사용하고, 보강재의간격을좁게하며, 이중저거더의개수를줄임으로써감소함을확인하였다. 위의 3가지조건을고려하여중량이가장크게감소한설계안은 7번이며, 이를최종구조설계안으로선정하였다. 실적선대비감소한중량은 108ton 이며, 중량계산은중앙횡단면적과선박의화물창구역의길이곱으로계산하였다. JSNAK, Vol. 53, No. 4, August 2016 339
통합공통구조규칙기반중형살물선의중량절감에관한연구 Table 10 Summary of structural design s Mother Ship 1 2 3 4 5 6 7 Longitudinal type Bulb Bulb Angle Built up Built up Bulb Built up Built up HTK (m) 11.62 11.62 11.62 11.62 11.62 11.62 11.62 11.62 D/B (m) 1.60 1.60 1.60 1.60 1.60 1.60 1.60 1.60 No. of Girder 4 4 4 4 4 3 3 3 Longi space (mm) 830 830 830 830 730 830 830 730 Section Area (cm2) 25,450 25,155 25,294 24,774 24,691 24,907 24,481 24,407-1.2% -0.6% -2.7% -3.0% -2.1% -3.8% -4.1% Reduce Weight (ton) 30.6 16.2 70.0 78.7 56.3 100.5 108.5 5. 화물창직접강도해석 5.1 직접강도해석일반 실적선과선정된최종구조설계안을대상으로, 통합공통구조규칙에준수하여항복, 좌굴해석및국부강도해석을선체중앙부화물창구역내의종방향선체거더구조부재와 1차구조지지부재및격벽을대상으로수행하여선박의구조안전성을평가하였다. 평가후최종구조설계안의중량과실적선의중량을비교하여최종중량감소량을확인하였다. 직접강도해석을위해 Pre & Post processor 로서한국선급에서개발한 KR SeaTrust- Hullscan 을사용하였으며, Solver 로는 MSC Natran 을사용하였다. 구조강도해석의검증은 Fig. 3에서보인것같이유한요소모델중목표화물창의종방향평가범위내에서수행하였다. 하중조건은통합공통구조규칙에서제안하는유한요소해석용하중조합 (H-CSR Part.1 Ch.4 Sec.8) 에따라부여되었으며, 경계조건역시해당규칙 (H-CSR Part.1 Ch.7 Sec.2) 에의해부여되었다. Fig. 3 Longitudinal extension of evaluation area 5.2 직접강도해석결과 Fig. 4에서보인것같이직접강도해석을수행하여항복및좌굴강도에대한통합공통구조규칙의허용기준만족여부를평가하였으며, 상세요소분할해석을통해국부구조강도해석을수행하였다. Fig. 2 No 3 & 4 cargo hold FEM model Fig. 4 Direct strength analysis 직접강도해석은 Fig. 2에서보인것같이선박의중앙부인 3,4 번화물창을대상으로수행하였다. 경계조건을설정하기위해서목표화물창을기준으로전방과후방에각각 1개의화물창을포함하여유한요소모델링을수행하였다. 해석결과보강및수정이필요한구조에대해서는각각지배적인하중에대한보강방안을수립하여해석절차에따라수차례반복해석을수행함으로써항복및좌굴에대한구조적안전성을확보하였다. 340 대한조선학회논문집제 53 권제 4 호 2016 년 8 월
나승수 송하철 정솔 박민철 전형근 Table 11 Weight comparison between mother ship and design ship No.3 Hold [Fr.108~Fr.144] No.4 Hold [Fr.75~Fr.111] Mother Ship (ton) 1,106 1,086 Ship (ton) 1,091 1,073 Comparison (ton) -15-13 Table 11 은직접강도해석을통한해당화물창의중량을계산한표이다. 3번화물창의경우설계선이실적선대비 15 ton 감소하였으며, 4번화물창의경우설계선이실적선대비 13 ton 감소하였다. 이를근거로 3번화물창뿐아니라설계선의모든화물창에서비슷한중량감소가있을것으로예상되며, 종합적으로화물창전체에대하여약 70~75 ton 정도의중량감소가있을것으로기대된다. 현재학계의연구발표 (Sung & Lee, 2015) 에따르면살물선의경우경험적최소두께, 화물탱크에관한정적면외압력계산식의차이로인해 CSR-BC 대비 H-CSR 의설계중량이약 3~5% 높다고알려져있다. 따라서, 도출한최종구조설계안의중량이실적선보다오히려감소했다는것은최종구조설계안이중량절감에있어 5% 이상의효과가있다고볼수있다. 최종구조설계안의중앙횡단면도를작성하고, Fig. 5 와같이한국선급에서이에대한선급승인을취득하였다. 6. 결론 H-CSR 에근거한중형살물선의중량절감을위해구획배치 및구조배치를고려하여구조설계를수행한결과다음과같은결론을얻을수있었다. 1) 목포대학교와한국선급이공동으로개발한구획배치자동화시스템을활용하여정수중최소굽힘모멘트를갖는구획배치안을도출하였으나굽힘모멘트의감소폭에비해중앙횡단면적의감소폭이매우미미하였다. 이는해당선박의길이가짧아 H-CSR 최소두께요건의지배를받고대부분의부재에사용된 AH36 의효과를최소두께요건에서반영하지못하기때문이다. 2) 중량절감을위해서는종늑골타입은기존 bulb 에서 built-up 으로변경하는것이필요하며, 이중저의종늑골간격은기존 800mm 에서 730mm 로좁히는것이좋으며이중저의거더개수는기존 4개에서 3개로줄이는것이바람직하다. 3) 학계의연구결과에따르면살물선의경우기존 CSR 대비 H-CSR 의선체중량이약 3~5% 높다고알려져있으나, 최종구조설계안이실적선대비중량을감소시킴으로써약 5% 이상의중량절감효과를기대할수있을것으로사료된다. 후기 본연구는목포대학교에서주관하는산업핵심기술개발사업의중소형조선소주력선종의최적선형및에너지절감장치적용기술개발 (2차년도, 과제번호 :10050510) 과제의연구비를지원받아수행되었음을밝히며, 지원에감사드립니다. Fig. 5 Approval of Midship section JSNAK, Vol. 53, No. 4, August 2016 341
통합공통구조규칙기반중형살물선의중량절감에관한연구 References Byeon, S.H., 2014. A study on comparison of ship structural designs between CSR and CSR-H. Master's Thesis. Pusan National University. International Association of Classification Societies, 2012. Common Structural Rules for bulk carriers. [Online] (Update July 2012) Available at: http://www.iacs.org.uk [Accessed May 2016] International Association of Classification Societies, 2015. Common Structural Rules for bulk carriers and oil tankers. [Online] (Update January 2015) Available at: http://www.iacs.org.uk [Accessed May 2016] MSC. Patran Release Guide, Version 2014r1, MSC.Software, 2014. Jeong, S. Moon, S.C. Song, H.C. & Na, S.S., 2015. Development of automated algorithm of intergrated structural design system based on CSR-H for bulk carrier. Team 2015 The 29th Asian-Pacific Technical Exchange and Advisory Meeting on Marine Structures, Vladivostok, 12-15 October 2015, pp.263-266. Korean Register, 2015. SeaTrust-Hullscan User Guide. Korean Register: Busan. Moon, S.C., 2015. Development of the Structural Algorithm according to compartment of arrangement based on HCSR. Master's Thesis. Mokpo National University. Na, S.S. Song, H.C. Jeong, S. Youn, G.E. Lee, J.R. Lee, H.G. & Park, H.G., 2013a. Development of Optimization System for Compartment Arrangement of bulk carrier. Proceedings of the Annual Autumn conference, SNAK, 23-25 May 2013. Na, S.S. Song, H.C. Jeong, S. Youn, G.E. Lee, J.R. Lee, H.G. & Park, H.G., 2013b. The strategy for optimum compartment arrangement of oil tanker and bulk carrier. Proceedings of the Annual Autumn conference, SNAK, 7-8 November, 2013. Sung, C.H. & Lee, S.K., 2015. Comparison Analysis on Requirement of Structural Members by Application of Harmonized Common Structural Rules. Journal of the Society of Naval Architects of Korea, 52(3), pp. 265-274. 나승수송하철정솔박민철전형근 342 대한조선학회논문집제 53 권제 4 호 2016 년 8 월