오대균.hwp

한국해양공학회지제 28 권제 1 호, pp 77-84, 2014 년 2 월 / ISSN(print) 1225-0767 / ISSN(online) 2287-6715 Journal of Ocean Engineering and Technology 28(1), 77-84, February, 2014 http://dx.doi.org/10.5574/ksoe.2014.28.1.077 탄소섬유강화복합재료 (CFRP) 레저선박선체설계를위한 ISO 12215 와국제선급규정비교분석 오대균 * 이동건 * 강기문 ** 류철호 *** 노재규 **** * 목포해양대학교조선해양공학과 ** 목포해양대학교대학원 *** 인하공업전문대학조선해양과 **** 군산대학교조선공학과 Comparative Study of Rules of ISO 12215 and International Classification Society for Structural Design of CFRP Cruise Boat Dae-Kyun Oh *, Dong-Kun Lee *, Gi-Moon Kang **, Cheol-Ho Ryu *** and Jackyou Noh **** * Department of Naval Architecture and Ocean Engineering, Mokpo National Maritime University, Mokpo, Korea ** Graduate School, Mokpo National Maritime University, Mokpo, Korea *** Department of Naval Architecture and Ocean Engineering, Inha Technical College, Incheon, Korea **** Department of Naval Architecture, Kunsan National University, Gunsan, Korea KEY WORDS: CFRP 탄소섬유강화복합재료, ISO 12215 국제표준 12215, Design pressure 설계압력, Scantling 두께계산, Pleasure yacht 레저선박 ABSTRACT: Recently, CFRP composites have often been used as the materials for lightweight pleasure yacht hulls. Because CFRP composites not only make the hull light but also have good physical characteristics, in the leading countries of the marine industries, CFRP yachts are being sold at a higher price. The design and construction of FRP composite yachts, including those made of CFRP, have to follow rules based on ISO 12215, such as the hull structure rules of the international classification societies. On the other hand, there are no rules related to CFRP composites in the Guidance for Recreational Crafts, which was newly revised by the Korean Register of Shipping. In this paper, ISO 12215-5 and Part B, RINA Pleasure Yacht (REGISTRO ITALIANO NAVALE) on the design pressure and scantling of CFRP hull structures are compared and analyzed. Through a comparative study and the application to a cruise yacht design, we try to understand how to design CFRP hull structures using the international standards, ISO 12215, and the rules of the international classification society, RINA. 1. 서론탄소섬유강화복합재료 (CFRP, Carbon fiber reinforced plastics) 는경량선체제작이가능하며, 동시에뛰어난물성을가지고있어고부가가치레저선박의경량선체소재로서널리사용되고있다. 실제로유럽에서는화려한외관디자인의 CFRP 크루즈보트 (Fig. 1) 가 GFRP(Glass fiber reinforced plastics) 레저선박보다매우고가로판매되고있으며, 최근에는경량선체설계를통한보급형고성능파워보트도개발되어기존제품과차별화된시장을형성하고있다. 국내의경우아직까지 CFRP를선체소재로사용한레저선박 개발사례가없으며, 이와관련된규정또한직접적으로다루고있지않다. 본연구에서는 CFRP 레저선박의구조설계를위한국제규정을비교분석하고, 사례연구를통해정의한설계선의구조에대하여각각의규정을적용, 비교분석함으로써국제규정에적합한 CFRP 레저선박의구조설계과정을이해하고자한다. 분석대상은 ISO 12215-5와이탈리아선급의레저선박선체설계규정 (RINA, 2009) 으로하였으며, 각규정의선저부충격압력과판부재두께추정규정을중심으로비교분석하였다. Received 15 October 2013, revised 3 January 2014, accepted 13 February 2014 Corresponding author Dae-Kyun Oh: +82-61-240-7318, dkoh@mmu.ac.kr c 2014, The Korean Society of Ocean Engineers It is noted that this paper is revised edition based on proceedings of KAOST 2013 in Jeju. 77

78 오대균 이동건 강기문 류철호 노재규 2. 관련규정과연구현황해양레저산업선진국들이모여있는유럽공동체등에레저선박의제작및수출을위해서는소형선박 ISO 표준에따라설계및건조해야하며, 이에기반을둔설계 건조인증인 CE 마크를획득해야한다. ISO 12215는소형선박의선체구조와치수설계에대한표준을정의하고있으며, 선체소재및구조에따른충격압력, 치수설계등구조설계에대한정의는 ISO 12215-5에서다루고있고 CFRP에대한구조설계또한이규정에따른다. 프랑스선급, 이탈리아선급, 영국선급등레저선박의인증을주도하는국제선급에서도이에기반한규정들을두고있으며 CE RCD(Recreational craft directive-94/24/ec) 인증과관련된입급업무도수행하고있다. 최근개정된한국선급의레저선박지침 (KR, 2011) 또한 ISO 12215에기반하고있지만선체재료에있어서는 CFRP에관한부분을다루고있지않고있다. 선행연구자들에의해서 CE RCD 인증을위한국제규정분석 (Lee and Lee, 2010) 이수행된바있고, ISO 표준및국제선급규정에제시된충격압력에대한분석 (Lee, 2011) 및사례연구 (Kim et al., 2011) 도수행된바있으나, 파워보트혹은소재에따른분석특히 CFRP 선체소재에따른국제규정검토는아직까지이루어진바없다. 이에, 본연구에서는 CFRP 레저선박의구조설계를위한국제규정분석대상을 ISO 12215-5(ISO, 2008) 와이탈리아선급의레저선박선체설계규정 (RINA, 2009) 으로하여, 사례설계선에대한선저부충격압력및판부재두께추정결과를바탕으로두가지국제규정을비교분석하고자한다. 국제선급규정중이탈리아선급규정을대상으로선택한이유는슈퍼요트를포함하는레저선박인증의 40% 정도점유율 (RINA, 2011) 을보이고있고, CFRP 소재레저선박의인증사례를보유하고있기때문에국제선급규정중분석대상으로선택하게되었다. 3. 선저부충격압력과판부재두께추정 ISO 12215와 RINA Pleasure Yacht Part B는선체소재에따른충격압력과선체구조의치수추정에대해다루고있다. 선체구조의경우선저부, 선측부, 데크, 상부구조물등구조부재의종류에따라별도의규정을두고있다. 본연구에서는두규정의선저부충격압력과판부재에대한요구두께추정규정을비교분석대상으로정의하였다. Fig. 1 57ft CFRP cruise boat of WALLY(CE RCD Certification/ Design category B) 3.1 선저부충격압력추정규정비교 ISO 12215의선저부충격압력추정식은아래식 (1) 과같으며, RINA Part B의충격압력 p2 추정식은아래식 (2) 와같다. Table 1 Comparing design pressure in ISO 12215-5 and RINA Pleasure Yacht Part B Coefficient ISO 12215-5 RINA Part B Design Pressure Bottom Pressure in Planing Mode P BMP Planing Mode p 2 (Slamming/Impact Pressure) Displacement Mode p 1 (Hydrostatic Head) Basic Factor Vertical Acceleration Longitudinal Pressure Distribution Longitudinal Position Design Area of Panel Hull Structure Shape and Inclination Design Category (Wave and Wind) Fully Loaded Displacement m LDC Waterline Length L WL Chine Beam B C Dynamic Load Factor n CG [Deadrise Angle at 0.4LWL] Longitudinal Pressure Distribution k L - Area Pressure Reduction Factor k AR (n CG) Fully Loaded Displacement Δ Scantling Length equal to Waterline L Support Contour C S Vertical Acceleration at LCG a CG Longitudinal Distribution of Vertical Acceleration a V Coefficient as Function of The Longitudinal Position F L Coefficientt as a Function of Panel Area F a Coefficient Function of The Shape and Inclination of Hull F 1 Design Category Factor k DC -

탄소섬유강화복합재료 (CFRP) 레저선박선체설계를위한 ISO 12215 와국제선급규정비교분석 79 (1) (2) 충격압력추정은선체에작용하는설계압력의추정과이를보정하기위한부분으로구분지어정리할수있으며, ISO 12215-5와 RINA Part B의충격압력추정식을비교정리하면 Table 1과같다. 두규정모두배수량과 LWL 그리고선폭에따른기본압력을산출하며, 설계면적 (Design area) 의선체길이방향위치, 형상및설계조건에따라이를보정하고있다. 설계압력추정은두규정모두선수부 (1.0LWL) 로갈수록충격압력이증가하는유사한경향을보이고있다. 특히 RINA Part B의경우종방향위치에따라선저부경사각에대한고려를하고있으며, ISO 규정의경우에도선저경사각에대한고려가있으나이는기본설계압력추정시에선체중앙부 (0.4LWL) 측정값만고려하도록하고있다. 또한 RINA 규정의경우흘수선에서압력측정점까지의깊이를고려한수두 (Hydrostatic head) 압력식 (3) 의 p1 식 (3) 을고려하고있으며, 요구두께추정시선체형상고려에따른슬래밍충격압력 p2와비교하여큰값을사용하도록하고있다. 다만 p1의값은 10D(KN/m 2, D : 선체중앙부선저에서웨더데크 (Weather deck) 까지의높이 ) 보다커야하며그렇지않을경우, 이값을채택하도록되어있다. (3) L : Water line length T : Design draft at the middle of length h 0 : Vertical distance from pdr to the full load waterline pdr : Point of reference in the design area a : Coefficient as a function of the longitudinal position of pdr ISO 규정의경우 CE RCD 인증을위한설계범주 (Design category) 정의에따라풍력등급 (Beaufort scale) 과유의파고를고려한계수를적용하고있다. 3.2 선저부판부재두께추정규정비교충력압력에따른선저부요구판부재두께추정식은 ISO 12215의경우에는식 (4) 와같으며 RINA Part B의경우에는식 (5) 와같다. (4) (5) σ d : Design stress(=0.5σ uf) k of : Mechanical properties coefficient P, p : Design pressure 요구두께추정식의경우도기본요구두께와이를보정하기위한부분으로구분지어정리할수있었으며, ISO 12215-5와 RINA Part B의요구두께추정법을비교정리하면 Table 2, Fig. 2, Fig. 3과같다. Table 2 Comparing required thickness in ISO 12215-5 and RINA Pleasure Yacht Part B ISO 12215-5 RINA Part B Required Thickness Scantling Thickness Minimum Thickness FRP Single-Skin Laminate t Thickness Equation by Minimum Dry Weight of Reinforcement t/w Thickness by Design Pressure t 1 Thickness by Design Height t 2 Minimum Thickness for Bottom Single-Skin = 5.5mm (E-glass) Basic Factor Coefficient Design Pressure Panel Dimension Laminate Properties Bottom Pressure in Planing Mode P BMP Short Dimension of The Panel b Ultimate Flexural Strength σ uf Design Height - Mass of Reinforcement Hull Structure Ratio of Panel Dimension Panel Curvature Minimum Dry Weight of Reinforcement w Panel Aspect Ration Factor k 2 Curvature Correction Factor for Curved Plates k C Pressure Type - Displacement Mode p 1 (Hydrostatic Head) Planing Mode p 2 (Slamming/Impact Pressure) Spacing of The Ordinary Stiffener s Ultimate Flexural Strength R mf k of Depth Measured Vertically in The Transverse Section at The Middle of Length D t 2 - Coefficient as a Function of The Ration of Panel Dimension k a Curvature Correction for Plating has a Pronounced Curve (1-f/s) Pressure Type Correction k 1

80 오대균 이동건 강기문 류철호 노재규 특히 RINA Part B의경우충격압력에따른두께추정과별도로웨더데크의높이 (Design height) 와구조부재의배치결과에따른설계면적을고려 (Shorter dimension) 한두께 t2와아래식 (6) 을계산하여상기식 (5) 에의한 t1과비교한다음더큰값을채택하도록하고있다. (6) 또한충격압력에따른요구두께 t1에대하여수두압과충격압력의차이에따른압력형태 (Pressure type) 보정을고려한계수를적용하고있다. 두규정모두최소요구두께를정의하고있는데, ISO 규정의경우배수랑 (m LDC), 속도, 구조부재의종류, 섬유의종류에따라정의되어있으며, RINA Part B의경우구조부재의종류에따라최소요구두께를각각정의하고있다. Fig. 2 Plating-scantling process of ISO 12215-5 including material property and design pressure Fig. 3 Plating-scantling process of RINA Pleasure Yacht Part B including material property and design pressure

탄소섬유강화복합재료 (CFRP) 레저선박선체설계를위한 ISO 12215 와국제선급규정비교분석 81 4. CFRP 선체설계사례연구및고찰 4.1 설계선개요 설계선의규모는 CFRP 레저선박중가장많이건조되고있 는 40~50 피트급크루즈보트로선정하였으며, 실적선을참조 하여선형을정의하였고 ISO와 RINA 규정에적합한구획및 구조설계를하였다. 사례연구수행을위한설계선의 ISO 기준 주요제원은 Table 3과같다. Fig. 4는설계선의구획및구조에 대한배치와형상을보이고있으며, Fig. 5는설계흘수에서의선 체구조를고려한중앙단면도와반폭도를보이고있다. 선저부의충격압력과판부재요구두께측정점 (Load point) 은 Fig. 6에서보는바와같이, 킬의위치변화 (x/lwl) 에따른측정 판부재의설계면적 (Design area) 에따라계산하였다. 다만, 보다 Table 3 Principal dimensions of CFRP design ship according to ISO 8666 Item Wind Unit LH 15.91 m BMAX 4.42 m D 2.82 m T 0.74 m (mldc) 14.57 ton V 38 knot Fig. 6 Spacing of structures and reference points(load points) for estimating design pressure and required thickness Table 4 Load points of design area on bottom plate CASE I load points of the design area along the keel line I-1, H-1, G-1, F-2, E-2, D-2, C-2, B-2, A, A CASE II load points of the unit design area adjacent to the keel line I-1, H-1, G-1, F-1, E-1, D-1, C-1, B-1, A, A 면밀한분석을위하여킬라인에따른계산 (Table 4-CASE I) 과킬라인과인접한동일설계면적판부재에대한계산 (Table 4-CASE II) 두가지의경우를고려하여충격압력과두께추정을수행하였다. Fig. 4 Perspective view of hull structures 4.2 CFRP 적층판물성정의두께추정을위한적층판의물성정의는 ISO, RINA 규정에서각각제시하고있는추정식을이용하였다. CFRP 적층판의 Gc(Content of reinforcement in laminate) 는 RINA 규정에서제시하고있는선체제작시작업환경을고려한추천값을참조하여 0.5로가정하였고, 적층판형태는 Woven roving으로, 선체는 Single-skin 라미네이트로제작한다고가정하였다. 물성은항목에따라미소하게차이가있지만 RINA 규정에의한 CFRP 적층판의물성이약 25% 정도작게추정되는결과를보였으며, 이중두께추정에쓰이는 CFRP 적층판의휨강도는 ISO와 RINA 규정에의해각각 ISO σ uf=386(n/mm 2 ), RINA R mf=293(n/mm 2 ) 로추정되었다. Fig. 5 Section view of hull structures 4.3 선저부충격압력추정결과 ISO 규정과 RINA 충격압력추정법에따른선저부충격압력추정결과는 Fig. 7과같다. 이때킬라인에따른설계면적측정점에서의충격압력 CASE I은실선 (Fig. 7, Fig. 9) 으로, 킬라인과인접한동일설계면적측정점에서의충격압력 CASE II는점선 (Fig. 7, Fig. 11) 으로표시하였다.

82 오대균 이동건 강기문 류철호 노재규 Fig. 7 Comparing design pressure at load points(iso & RINA) Fig. 8 Comparing required thickness at load points(iso & RINA) Fig. 9 Design pressure at load points along the keel line(case I) Fig. 10 Required thickness at load points along the keel line (CASE I) Fig. 11 Design pressure at load points adjacent to the keel line(case II) Fig. 12 Required thickness at load points adjacent to the keel line(case II) Fig. 13 Required thickness of bottom (CASE I) Fig. 14 Required thickness of bottom (CASE II)

탄소섬유강화복합재료 (CFRP) 레저선박선체설계를위한 ISO 12215 와국제선급규정비교분석 83 ISO 규정에따른추정결과의경우선체중앙부에서큰값을보이다가선수부로가면서일정값으로수렴하고있다. 선체중앙부 F(Fig. 9 0.4LWL) 에서매우큰값을보이는이유는충격압력측정판부재의설계면적이급격히줄어드는선체중앙부 (F-1 panel) 이기때문이며, 이는설계면적이다시증가함에따라선미부보다다소증가한값으로수렴하고있다. RINA 규정에따른추정결과의경우선체중앙부에서다소큰결과를보이고있다가, 선수부로가면서선저경사각에의한영향으로충격압력이급감하고있다. 특히, 선저경사각이 50도보다큰 A, B 영역 (0.8LWL~1LWL) 의경우충격압력이수두압력보다작게작용하는것으로나타났다. 4.4 선저부판부재두께추정결과 ISO와 RINA 규정의선저부판부재두께추정법에따른선저부판부재두께추정결과는 Fig. 8과같다. 측정점 CASE I에서의두께추정결과는 Fig. 10에, 측정점 CASE II에서의두께추정결과는 Fig. 12에별도로보이고있다. 각각설계면적측정점에서충격압력을계산한후그에따른두께를계산하여큰값을선택하도록하며, 이때두께추정결과가각규정의최소요구사항보다작은경우는최소요구사항값을선택하도록한다. Fig. 13과 Fig. 14는최종적으로산출된 CASE I과 CASE II의요구두께를보이고있다. 전체적으로 RINA의요구두께추정결과가 ISO보다크게산출되는경향을보이고있으며최대요구두께는 RINA=13.6mm과 ISO=8.1mm, 평균요구두께는아래 Table 5와같이추정되었다. RINA 규정의경우휨강도를포함하는물성추정시대체적으로 ( 약 25%) 작게추정되는경향이있었으며, 설계면적의형상특성에따른충격압력의감소를대체산출식으로보정하고있었다. 선체중앙부에서요구두께가매우작은이유는설계선의선형특성에따라설계면적이매우작게계산되면서 (Fig. 13 0.4LWL~0.6LWL) 발생한것이며, 이경우최소요구두께가채택되었다. 선수부요구두께의경우충격압력추정경향과반대로 RINA의요구두께가더크게나타났는데, 그이유는선수부의선저경사각이급격히증가함에따라 RINA 의충격압력이 0에가깝게산출되면서이구간의수두압력을두께산출에적용하였기때문이다. 수두압력을두께추정에적용하는경우압력형태보정 (k 1) 에따라충격압력보다두께고려가더이뤄지기때문에오히려 ISO 충격압력추정치를고려한것보다더큰요구두께가산출된것으로판단된다. Table 5 Comparing required thickness (ISO & RINA) ISO 12215-5 RINA Part B Unit Max Min Ave. Max Min Ave. Case 1 8.1 2.6 5.4 13.6 5.5 9.3 mm Case 2 8.1 4.5 6.4 13.6 8.6 10.8 mm 5. 결론본연구에서는 CFRP 레저선박의선체구조설계를위한 ISO 표준과 RINA 규정을비교분석하였다. 충격압력추정에있어서는 RINA Part B가 ISO 12215-5보다선체의형상에대한고려가더이뤄지고있으며, 또한선체종방향압력측정위치에따른수두압력도고려하고있다. ISO 규정의경우충격압력추정시설계범주 (Design category) 에따른풍력과유의파고를고려하는특징이있었다. 요구두께산출을위한물성추정에있어서는두규정모두섬유의종류, 직조방식, 구조부재의종류, 작업형태등을고려한다양한추정방식을제공하고있으며, CFRP 에대한고려또한유리섬유와함께잘정의되어있었다. 물성정의결과는탄성계수와강도에있어서 ISO 12215-5의추정결과가다소높게산출되는경향을보였다. 이에따라요구두께추정의경우전반적으로 RINA Part B의추정결과가 ISO 12215-5보다크게요구되는경향이있으며, 구조부재별최소요구두께의경우도 RINA Part B가다소크게요구되는경향이있었다. CFRP 사례설계선의선체구조설계를통해위와같은비교분석결과의경향을다시확인할수있었으며, 또한국제규정을적용한 CFRP 소재레저선박의선체구조설계과정을이해할수있었다. 유럽공동체 EU 및해양레저산업선진국에레저선박의제작및수출을위해서는이와같은국제규정에적합한설계및인증은필수이다. 이에, 국제규정을기반으로한레저선박설계기술의저변확대및경쟁력강화를위해본연구를수행하였으며, 연구결과는향후 CFRP 소재의레저선박개발에유용한자료로써활용될수있을것으로기대한다. 후기본논문은지식경제부광역경제권연계협력사업 CFRP 소재의고급크루즈보트개발 의지원으로수행되었음을밝히며, 이에감사드립니다. References ISO (International Organization for Standardization), 2008. ISO 12215-5 : Small Craft - Hull Construction and Scantlings - Part 5: Design Pressures for Monohulls, Design Stresses, Scantlings Determination. ISO, Switzerland. Kim, B.J., Kwon, S.Y., Kim, S.C., Lee, J.H., 2011. Comparison Study and Structural Analysis to Investigate the Design Rule and Criteria of Catamaran. Journal of the Society of Naval Architects of Korea, 48(6), 479-489. KR (Korean Register of Shipping). 2011. Guidance for Recreational Crafts. Korean Register, Korea. Lee, C.J., Lee, H.J., 2010. A Study on the Comparison of

84 오대균 이동건 강기문 류철호 노재규 Domestic Pleasure Boat Inspection Guideline with International Standards(ISO). Journal of Korea Ship Safety Technology Authority, 28, 64-77. Lee, J., 2011. On the Design Impact Pressure in the Rules and Regulations of ISO and Classification Societies. Journal of Korea Ship Safety Technology Authority, 31, 60-70. RINA (Registro Italiano Navale), 2009. Rules for the Classification of Pleasure Yacht Part B Hull and Stability. Imago Media, Italy. RINA (Registro Italiano Navale), 2011. RINA for Yacht. RINA, Italy.