工 學 碩 士 學 位 請 求 論 文 선미부 및 E/R에서 강도부재의 hole 간 최적 거리연구 A study for holes on the longitudinal/transverse members of engine room and accommodation 2006 年 2 月 仁 荷 大 學 校 大 學 院 船 舶 工 學 科 金 正 熙
工 學 碩 士 學 位 請 求 論 文 선미부 및 E/R에서 강도부재의 hole 간 최적 거리연구 A study for holes on the longitudinal/transverse members of engine room and accommodation 2006 年 2 月 指 導 敎 授 金 境 洙 이 論 文 을 碩 士 學 位 論 文 으로 提 出 함 仁 荷 大 學 校 大 學 院 船 舶 工 學 科 金 正 熙
이 論 文 을 金 秉 玉 의 碩 士 學 位 論 文 으로 認 定 함. 2006년 2월 主 審 김 경 수 副 審 김 기 성 委 員 조 철 희
선미부 및 E/R에서 강도부재의 hole 간 최적 거리 연구 A study for holes on the longitudinal/transverse members of engine room and accommodation 요 약 최근 건조 척수가 증가하면서 각 조선소 에서는 상세설계 개선 에 많은 관심을 가지게 되었고 이에 따라 선체 기본구조설계에 국한하여 적용되던 CAE 가 생산성 향상을 위한 건조공법 개발과 기관부 및 선미부에서의 설계개선 등에 광범위하게 적용되기 시 작하였다. 이중에서 특히 E/R 및 거주부에 존재하는 opening 과 slot 및 scallop 등에서 상세설계상 문제가 다수 발생하고 있는데 이들 설계에 대한 선급규정이 모호하여 이에 대한 개 선이 필요하다. 본 논문에서는 관련 opening 에 관한 표준 제 정을 위하여 기존의 선급 규칙을 정리하였고, 동종업계에서 적 용하고 있는 표준을 모아 그 특징을 분석하였다. 또한 새로운 표준의 제정을 위해 원형 및 사각형 opening에 대한 parametric study 을 수행하였고, 이를 바탕으로 관련 opening 상세 설계를 위한 표준안을 제안 하였다. - i -
선미부 및 E/R에서 강도부재의 hole 간 최적 거리 연구 Abstract It is very difficult to solve the troubles for the openings on the engine room and accommodation at the detail design stage, because there are a lot of concerning locations. There are not also clear design rules of classification societies and it is not possible to apply direct calculation for all the concerning members. Therefore, it is necessary to set up a standard on opening, slot and scallops in engine room and accommodation. In this thesis, guidances and rules from classification societies and heavy industry corporations are reviewed. For the new design guidance, parametric study for circular and quadrilateral holes were conducted. From these parametric study results, the new guideline was established. - ii -
Contents 요 약 i Abstract ii Contents iii List of Figures iv List of Tables v 1. 서론 1 1.1 연구 배경 및 연구 목적 1 2. 각 선급 및 중공업 guide 3 2.1 각 선급 설계 rules 3 2.2 각 중공업 설계 rules 4 3. Parametric study 5 3.1 균일하중에서의 opening parametric study 5 3.1.1 구조 모델 5 3.1.2 하중 및 경계조건 6 3.1.3 해석 결과 7 3.2 굽힘 하중에서의 opening parametric study 10 3.2.1 하중 및 경계조건 10 3.2.2 요소 크기 10 3.2.3 Hole 분류 10 3.2.4 검토 항목 11 3.2.5 해석 방법 13 3.2.6 해석 결과 13 4. E/R 및 선미부에서의 설계 표준 20 5. 결 론 23 참고 문헌 24 - iii -
List of Figures Fig. 1 두 개의 원형 HOLE 을 갖는 사각평판 6 Fig. 2 두 개의 사각형 HOLE 을 갖는 사각평판 6 Fig. 3 원형 HOLE 간 간격이 50mm 일때의 요소크기 영향 7 Fig. 4 사각형 HOLE 간 간격이 50mm 일때의 요소크기 영향 8 Fig. 5 원형 HOLE 간 간격의 영향 8 Fig. 6 사각형 HOLE 간 간격의 영향 9 Fig. 7 opening 단부 및 flange edge 에서의 거리에 따른 변화 12 Fig. 8 두 개의 opening 사이의 수평거리에 따른 변화 12 Fig. 9 두 개의 opening 사이의 수직거리에 따른 변화 12 Fig. 10 원형 HOLE 의 좌측 단부 에서의 거리에 따른 변화 14 Fig. 11 사각형 HOLE 의 좌측 단부 에서의 거리에 따른 변화 14 Fig. 12 원형 HOLE 의 flange 에서의 거리에 따른 변화 15 Fig. 13 사각형 HOLE 의 flange 에서의 거리에 따른 변화 15 Fig. 14 원형 HOLE 의 좌측 단부에서의 거리에 따른 변화 16 Fig. 15 사각형 HOLE 의 좌측 단부에서의 거리에 따른 변화 16 Fig. 16 2개 원형 HOLE 간 간격에 따른 변화 17 Fig. 17 2개 사각형 HOLE 간 간격에 따른 변화 17 Fig. 18 2개의 수직 원형 HOLE의 좌측 단부에서의 거리에 따른변화 18 Fig. 19 2개의 수직 사각형 HOLE의 좌측 단부에서의 거리에 따른변화 18 Fig. 20 2개 원형 HOLE의 HOLE 간 수직 거리에 따른 변화 19 Fig. 21 2개 사각형형 HOLE의 HOLE 간 수직 거리에 따른 변화 19 - iv -
List of Tables Table 1 각 선급별 HOLE 관련 기준 3 Table 2 DSME 표준 4 Table 3 원형 HOLE 주위 요소의 최대 von Mises stress 9 Table 4 HOLE 의 표준크기 및 표준 간격 21 Table 5 HOLE 의 표준크기 및 표준 간격 22 - v -
1.서론 1. 서 론 1.1 연구 배경 및 연구 목적 한국의 조선산업이 비약적으로 성장함과 더불어 설계 및 공 법에 있어서도 눈부신 발전이 있었다. 최근 건조 척수가 증가 하면서 상세설계에 있어서의 개선에 많은 관심을 가지게 되었 고선체 기본구조설계에 국한하여 적용되던 CAE 또한 생산성 향상을 위한 건조공법 개발과 기관부 및 선미부에서의 설계개 선 등 광범위하게 적용되기 시작하였다. 특히 기관부 및 거주 구 등에는 많은 hole, opening 및 slot이 존재하며, 이들 설계 에 있어 선급규정의 적용이 모호한 것이 많고, 또한 관련 opening이 많아 모든 부재에 대해 직접해석을 수행할 수 없 다. 특히 E/R 및 거주부에서의 opening과 slot 및 scallop 등 에서 문제가 다수 발생하고 있어 개선이 필요하다. 본 논문에 서는 이러한 문제점에 착안하여 쉽게 설계에 적용할 수 있는 표준을 개발하고자 하였다. 본 과제에서는 관련 표준의 제정을 위하여 기존의 선급 규칙 을 정리하였고, 동종업계에서 적용하고 있는 표준을 모아 그 특징을 분석하였다. 통상 화물창에 적용하고 있는 규칙 및 표 준을 E/R과 선미부의 부재에 적용하는 것은 과대하다고 생각 되며, 현 설계에서 종종 무시되고 있는 실정이기 때문에 현실 - 1 -
1.서론 적이며 합리적인 표준 제정은 시급한 상황이다. 새로운 표준 의 제정을 위해 원형 및 사각형 opening에 대한 parametric study를 수행하였고 이를 바탕으로 설계를 위한 지침을 제안 하였다. 본 과제를 통하여 E/R과 선미부 부재의opening 주변의 설계 에 적용하기 위한 표준을 제정하였으며 이를 통하여 보다 편 리하고 간편한 평가가 가능해졌다고 판단된다. - 2 -
2. 각 선급 및 중공업 guide 2. 각 선급 및 중공업 guide 2.1 각 선급 설계 rule Hole 관련 각 선급간의 규칙을 정리하여 Table. 1에 정리하 였으며, 상세한 선급규칙은 첨부에 기술하였다. 대상 선급으로 는 ABS, DnV, LR 이며 JTP 관련 부분도 정리하였다. 관련 선급규칙은 적용에 있어 주로 화물창 부위를 대상으로 하고 있어 E/R 및 선미부의 부재에 적용하기에는 너무 과대한 문제가 있다. E/R과 선미부 부재의 설계에서 모든 선급이 명 쾌한 기준을 제공하고 있지 않는 문제점도 있다. Table.1 각 선급별 hole 관 련 기준 - 3 -
2. 각 선급 및 중공업 guide 2.2 각 중공업 설계 rule 국내 대형 조선소에서는 선급 규칙 및 practice를 조합한 표 준을 정립하여 사용하고 있으며 이를 첨부에 정리하였다. 비교 적 DSME가 정리된 표준을 가지고 있으나 적용하기 어렵고 이 해하기 어려운 단점을 가지고 있으며 기타 회사는 선급 규칙 에 근거하여 마련했음을 알 수 있다. DSME 표준의 기본이 되 는 일본 관서조선협회 자료는 논리적인 면은 있으나 정량적인 평가가 모호하고 적용상 한계가 쉽게 노출되어 현장 적용이 힘들다. 조선 3사의 표준은 Table.2에서 보여주는 DSME 표준안과 정확히 일치하고 있다. Table.2 DSME 표준(일부) - 4 -
3. Parametric study 3. Parametric study 일반적으로 hole을 갖는 부재는 구조 형상의 불연속으로 인 하여 hole주위에 응력집중 현상이 생긴다. 응력집중은 hole의 형상, 크기, hole간 간격 및 작용하중의 형태에 따라 그 값이 달라진다. 또한 분할요소의 크기에 따라 계산된 응력이 차이가 나기 때문에 이 응력집중에 의한 최대응력을 유한요소법에 의 하여 구하기 위해서는 적정한 요소의 분할(mesh size)이 요구 된다. 따라서 선체구조와 같이 다양한 하중을 받는 부재에 대 한 opening 주위에서의 응력집중을 파악하기 위해서는 hole의 형상과 작용하중에 대한 parametric study는 필수적이라 판단 된다. 그러나 실선 3차원 모델에서의 parametric study 결과를 정 리하여 표준화하기에는 부재치수 및 관련 요소의 변화가 매우 다양하여 모든 경우에 대한 계산 수행이 불가능하기 때문에 단순부재의 결과에 근거한 표준화 수행이 합리적이라고 판단 된다. 단순부재의 표준화를 수행하면, 단순부재에 대한 다양한 검 토가 가능하고, 이 결과를 통하여 실선의 검증 및 설계표준 작 성이 용이하게 된다. 3.1 균일 하중하에서의 opening parametric study 3.1.1 구조 모델 Hole의 형상, hole간의 간격, mesh size에 의한 응력변화를 파악하기 위하여 Fig.1과 Fig.2와 같이 사각평판의 모델을 선 택하였다. - 5 -
3. Parametric study Fig.1 두 개의 원형 hole 을 갖는 사각평판 Fig.2 두 개의 사각형 hole 을 갖는 사각평판 Fig.1,2에서와 같이 두께가 10mm이고, 크기가 평판의 치수 가 6400x700mm인 사각평판에 직경이 200mm인 원형 hole 이 2개, 다른 쪽은 크기가 483x253xR26.5 mm인 사각형hole 이 2개가 배치되어 있다. Hole간의 간격은 35, 50, 75, 100, 150mm로 택하였으며, mesh size는 hole의 주위를 hole간의 간격을 고려하여 평판두께(t) t 에서 5t 사이로 하였다. 3.1.2 하중 및 경계 조건 균일한 하중을 길이방향 및 폭방향에 축하중으로 작용시키 고, 전단력에 대한 응력변화를 보기 위하여 전단회전각에 상응 하는 균일한 변위를 상부에 가하였다. 따라서 하중은 3가지 경 우로서, 구조모델에 길이방향(X)으로 균일 인장하중을 구현하 기 위하여 우변에 2mm, 폭방향(Y)으로 균일 압축하중을 구현 하기 위하여 상변에 0.2mm, 균일 전단하중을 구현하기 위하 여 우변에 길이방향(X)으로 0.0-0.05mm를 작용시켰다. 경계 조건은 인장, 압축, 전단 현상을 구현하기 위하여 각각 반대쪽 변을 고정단으로 하였다. - 6 -
3. Parametric study 3.1.3 해석 결과 응력해석의 결과는 hole 주위의 요소에 대한 최대 등가응력 (von-mises stress)으로 비교하였다. 원형 hole인 경우의 hole간 간격과mesh size에 따른 최대응력값은 Table 3에, 사 각형 hole인 경우에는 Table 4에 각각 나타내었다. 1) Mesh size의 영향 대표적인 mesh size의 영향을 Fig.3 과 4에 그림으로 나타 내었다. 전반적으로 mesh size의 변화는 최대응력의 크기에 큰 영향을 주고 있음을 알 수 있다. 그림에서 보면 원형hole인 경우에 t x t 가 2t x 2t 보다 하중의 방향에 크게 관계없이 10% 정도 증가함을 알 있다. 이에 비하여 사각형 hole인 경우 는 20-40%나 크게 증가함을 알 수 있다. Hole space 50 betw. Circles Max. stress 200 150 100 50 0 0 10 20 30 40 50 60 Mesh size X-Load Y-Load XY-Load Fig.3 원형 hole간 간격이 50mm일때 요소크기의 영향 (단위: mm, N/mm2) - 7 -
3. Parametric study Hole space 50 betw. Rectangles Max. stress 250 200 150 100 50 0 0 10 20 30 40 50 60 Mesh size X-Load Y-Load XY-Load Fig..4 사각형 hole간 간격이 50mm일때 요소크기의 영향 (단위: mm, N/mm2) 2) Hole간 간격의 영향 대표적인 hole간 간격의 영향을 Fig.5와 6에 그림으로 나타 내었다. 전반적으로 hole간 간격의 변화는 원형hole의 Y방향 하중을 제외하면 최대응력의 크기에는 큰 변화가 없음을 알 수 있다. 그림에서 보면 원형hole인 경우에 hole간 간격이 35mm가 150mm보다 하중의 방향에 따라 0.0-45% 증가함을 알 수 있다. 이에 비하여 사각형 hole인 경우에는 0.0-3% 정 도 미미하게 증가함을 알 수 있다. X-Load Y-Load XY-Load Max. stress 250 200 150 100 50 0 0 50 100 150 200 Hole space betw. Circles (Mesh 10) Fig.5 원형 hole간 간격의 영향(요소크기: t x t) (단위: mm, N/mm2) - 8 -
3. Parametric study Max. stress X-Load Y-Load XY-Load 250 200 150 100 50 0 0 50 100 150 200 Hole space betw. Rectangles (Mesh 10) Fig.6 사각형 hole간 간격의 영향(요소크기: t x t) (단위: mm, N/mm 2 ) Table.3 원형 hole 주위 요소의 최대 von-mises stress [mm, N/mm2] h o l e / Y-compressive X-tensile load load XY-shear load ce mesh size 35 50 75 100 150 35 50 75 100 150 35 50 75 100 150 10 180 178 182 179 180 212 185 165 155 146 28 27 25 24 23 17.5 172 - - - - 204 - - - - 26 - - - - 20-164 172 171 174 174 160 150 143 24 24 23 22 35 158 - - - - 192 - - - - 23 - - - - 37.5 - - 154 - - - - 145 - - - - 20 - - 50-139 - 150 145-154 - 136 126-22 - 19 17-9 -
3. Parametric study 3.2 굽힘하중하에서의 opening parametric study 3.2.1 하중 및 경계 조건 일반적으로 실선에서의 종거더 나 transeverse web은 종강 도 및 횡강도상 의 축방향 하중과 균일분포 하중인 local load 를 받고 있다. 그러나 기관실 및 갑판실에서의 거더나 transeverse web은 상갑판 종거더를 제외하고는 대부분 비종 통부재로서 local load에만 견딜 수 있도록 부재치수를 정하고 있다. 따라서 단순부재의 parametric study는 비종통 부재에 한정 하였으며, 이를 위하여 local load는 기관실에서 2m 정도의 수 두인 분포하중 p=20kn/m2 을 택하였고, 경계조건은 양단고 정(fix-fix) 및 양단단순지지(simple-simple) 2가지 경우를 고 려하였다. 3.2.2 요소 크기 Opening 주위에서의 응력집중 현상을 파악하기위한 요소의 크기는 최소 t x t 가 적합하나 opening 간의 간격이 10mm인 곳도 있어 opening 주위는 0.5t x 0.5t 로 보다 상세히 이상화 하였다. 3.2.3 Hole 분류 DSME의 표준에서 사각형 및 원형 hole 을 선택하고 크기는 DSME 표준에서 추출하여 대형, 중형 및 소형으로 분류하였 다. - 10 -
3. Parametric study 형태 대형 중형 소형 사각형 353x483x61.5R 253x283x61.5R 123x183x61.5R 원형 200 DIA 117 DIA 63 DIA 3.2.4 검토 항목 Parametric study를 위한 검토 항목으로 다음 3가지 경우를 선정하였으며, 각 항목에 따른 opening 위치의 변화는 Fig.7,8,9 와 같이 택하였다. Case A) 단부에서의 수평 및flange edge 에서의 수직거리 에 따른 변화 Case B) 두 개의 opening 사이의 수평거리에 따른 변화 Case C) 두 개의 opening 사이의 수직거리에 따른 변화 - 11 -
3. Parametric study Case Type size D1 D2 A 원(A), 대(A), 중(B),소(C) 100, 550, 사각형(B) 대(A), 중(B), 소(C) 1000, 1600 100, 150, 200, 250 Fig.7 Opening의 단부 및 flange edge 에서의 거리에 따른 변화(단위: mm) Case Type size D3 D4 B 원(A), 대(A), 중(B),소(C) 800,1600, 사각형(B) 대(A), 중(B), 소(C) 2400,3200 20, 50, 100, 150, 200 Fig.8 두 개의 opening 사이의 수평거리에 따른 변화 (단위: mm) Case Type size D5 D6 C 원(A) 사각형(B) 소(C) 800, 1600, 2400, 3200 10, 20, 30, 40, 50 Fig.9 두 개의 opening 사이의 수직거리에 따른 변화 (단위: mm) - 12 -
3. Parametric study 3.2.5 해석 방법 Parametric study 를 위한 해석 모델의 수는 총 296개이며, 경계조건 2가지를 고려하면 방대한 량의 data를 처리하여야 한다. 이를 위하여 본 연구에서는 부분상세해석법(refined mesh method)을 도입하였다. 이 방법은 상세해석이 필요한 opening 부분을 선정한 후, 판두께 정도의 요소로 분할하여 유한요소해석 모델을 구성한 다. 상세해석 모델에 대한 경계조건은 좌측 단부를 완전고정 으로 하고, 하중으로는 우측 단부에 전체 구조에서의 전단력 (V), 굽힘모멘트(M) 및 축방향하중(F)을 작용시키고, 상부 plate면에 분포하중(w)를 작용시키면 전체구조와 동등한 해석 조건이 된다. 여기에서의 하중조건은 4가지 단위하중을 사용하였다. 즉 하중조건 1은 단위분포하중(w=1)일때, 하중조건 2는 단위전 단력(V=1)일때, 하중조건 3은 단위모멘트(M=1)일때이며, 하 중조건 4는 단위축하중(F=1)일때이며, 이 4가지 하중조건에 대한 해석을 수행한 후에 각 요소의 응력조합을 수행하면 된 다. 이 방법의 장점으로는 하나의 모델로 opening이 길이 길이 방향 어느 곳으로 이동하여도 간단한 수치해석을 통하여 응력 결과를 확인할 수 있으며, 전체구조의 경계조건에 무관하게 부 분적으로 처리할 수 있게 된다. 3.2.6 해석 결과 Parameter study는 hole의 위치, holer간 간격에 따른 응력 변화를 파악하여 설계표준의 작성에 목적이 있으므로, 해석 결 과는 opening edge에서의 최대 축응력 으로 경향을 분석하였 다. - 13 -
3. Parametric study 1) 한 개 Opening의 좌측 단부에서의 거리에 따른 변화 Fig.10-11에는 flange에서의 거리(D2)가 100mm로 일정한 원형 hole 과 사변형 hole에 대한 좌측 단부에서의 거리 변화 에 따른 opening edge에서의 최대 축응력을 보여주고 있다. 전반적으로 사각형 hole이 원형 hole보다 최대응력이 30% 이상 상회하고 있다. 고정단에서 떨어진 수평거리의 영향은 양 단 고정인 경우에는 점차 감소하나, 양단 단순지지인 경우에는 다시 상회하고 있어 일정거리 이상이면 일률적으로 일정하게 제한하는 것이 타당하다. Hole=100R, D2=100 Fix-Fix Simple-Simple max. axial stress 140 120 100 80 60 40 20 0 100 550 1000 1600 D1(distance from left end) Fig. 10 원형 hole의 좌측 단부에서의 거리에 따른 변화 (단위: mm, N/mm 2 ) Hole=253x283, D2=100 Fix-Fix Simple-Simple max. axial stress 200 150 100 50 0 100 550 1000 1600 D1(distance from left end) Fig. 11 사각형 hole의 좌측 단부에서의 거리에 따른 변화 (단위: mm, N/mm 2 ) - 14 -
3. Parametric study 2) 한 개 Opening의 flange edge에서의 거리에 따른 변화 Fig.12-13에는 좌측 단부에서의 거리(D1)가 100mm로 일 정한 원형 hole 과 사변형 hole에 대한 flange에서의 거리 변 화에 따른 opening edge에서의 최대 축응력을 보여주고 있다. Flange 에서 떨어진 수직거리의 영향은 양단 고정인 경우에 는 약간 감소하나, 양단 단순지지인 경우에는 약간 상회하고 있어 일정거리 이상이면 일률적으로 일정하게 제한하는 것이 타당하다. 수직거리의 영향은 수평거리보다 영향이 비교적 작 다 Hole=100R, D1=100 Fix-Fix Simple-Simple max. axial stress 150 100 50 0 100 150 200 250 D2 (vertical distance from flange) Fig.12 원형 hole의 flange에서의 거리에 따른 변화 (단위: mm, N/mm2) Hole=253x283, D1=100 Fix-Fix Simple-Simple max. axial stress 200 150 100 50 0 100 150 200 250 D2 (vertical distance from flange) Fig. 13 사각형 hole의 flange에서의 거리에 따른 변화 (단위: mm, N/mm2) - 15 -
3. Parametric study 3) 두 개 opening의 좌측 단부에서 거리에 따른 변화 Fig. 14-15에는 hole간 간격(D4)이 100mm로 일정한 2개 의 원형 hole 과 사변형hole에 대한 좌측 단부에서의 거리 변 화에 따른 opening edge에서의 최대 축응력을 보여주고 있다. 좌측 고정단에서 떨어진 수평거리의 영향은 양단 고정인 경 우에는 보의 중앙으로 갈수록 크게 감소하며, 양단 단순지지인 경우에는 약간 감소하고 있어 hole의 배치는 가능하면 보의 중앙 쪽으로 설치하는 것이 바람직하다. Hole=2x100R, D4=100 Fix-Fix Simple-Simple max. axial stress 120 100 80 60 40 20 0 800 1600 2400 3200 D3 (distance from left end) Fig.14 원형 hole의 좌측 단부에서의 거리에 따른 변화 (단위: mm, N/mm 2 ) Hole=2x253x283, D4=100 Fix-Fix Simple-Simple max. axial stress 200 150 100 50 0 800 1600 2400 3200 D3 (distance from left end) Fig.15 사각형 hole의 좌측 단부에서의 거리에 따른 변화 (단위: mm, N/mm 2 ) - 16 -
3. Parametric study 4) 두 개의 opening 사이에 수평거리에 따른 변화 Fig.16-17에는 좌측 단부에서의 거리(D3)가 800mm로 일 정한 2개의 원형 hole 과 사변형 hole에 대한 hole간 수평 간 격 변화에 따른 opening edge에서의 최대 축응력을 보여주고 있다. Hole간 수평간격은 거리가 멀어질수록 양단고정 및 양단단 순지지 모두 크게 감소하고 있어 hole간의 간격은 일정거리 이상 유지하는 것이 바람직하다. Hole=2x100R, D3=800 Fix-Fix Simple-Simple max. axial stress 200 150 100 50 0 20 50 100 150 200 D4 (distance betw. holes) Fig.16 2개 원형 hole간 간격에 따른 변화 (단위: mm, N/mm2) Hole=2x253x283, D3=800 Fix-Fix Simple-Simple max. axial stress 200 150 100 50 0 20 50 100 150 200 D4 (distance betw. holes) Fig.17 2개 사각형 hole간 간격에 따른 변화 (단위: mm, N/mm2) - 17 -
3. Parametric study 5) 수직 두 개 opening의 좌측 단부 거리에 따른 변화 Fig.18-19에는 hole간 수직거리(D6)가 20mm로 일정한 2 개의 원형 hole 과 사변형hole의 좌측 단부에서의 떨어진 거 리 변화에 따른 opening edge에서의 최대 축응력을 보여주고 있다. 고정단에서 떨어진 수평거리의 영향은 양단 고정인 경우에 는 크게 감소하나, 양단 단순지지인 경우에는 다시 상회하고 있어 일정거리 이상이면 일률적으로 일정하게 제한하는 것이 타당하다 Hole=2x31.5R, D6=20 Fix-Fix Simple-Simple max. axial stress 200 150 100 50 0 800 1600 2400 3200 D5 (distance from left end) Fig.18 2개의 수직 원형 hole의 좌측 단부에서의 거리에 따른 변화(단위: mm, N/mm2) Hole=2x123x183, D6=20 Fix-Fix Simple-Simple max. axial stress 200 150 100 50 0 800 1600 2400 3200 D5 (distance from left end) Fig.19 2개의 수직 사각형 hole의 좌측 단부에서의 거리에 따른 변화 (단위: mm, N/mm2) - 18 -
3. Parametric study 6) 수직 두 개의 opening 사이에 거리에 따른 변화 Fig. 20-21에는 좌측 단부에서의 거리(D5)가 800mm로 일 정한 2개의 원형 hole과 사변형 hole의 hole간 수직거리 변화 에 따른 opening edge에서의 최대 축응력을 보여주고 있다. Hole 간 수직거리의 영향은 원형 hole 인 경우에는 약간 감 소하나, 사각형 hole 인 경우에는 약간 상회하고 있어 일정거 리 이상이면 일률적으로 일정하게 제한하는 것이 타당하다. 수 직거리의 영향은 수평거리보다 영향이 비교적 작다 Hole=2x31.5R, D5=800 Fix-Fix Simple-Simple max. axial stress 200 150 100 50 0 10 20 30 40 50 D6 (v ertical distance betw. holes) Fig.20 2개의 원형 hole의 hole간 수직 거리에 따른 변화 (단위: mm, N/mm2) Hole=2x123x183, D5=800 Fix-Fix Simple-Simple max. axial stress 200 150 100 50 0 10 20 30 40 50 D6 (v ertical distance betw. holes) Fig.21 2개의 사각형 hole의 hole간 수직 거리에 따른 변화 (단위: mm, N/mm2) - 19 -
4. E/R 및 선미부 에서의 설계 표준 4. E /R 및 선미부 에서의 설계 표 준 4.1 설계 표 준 안 Opening에 대한 설계표준의 개발에는 hole의 다양한 기하 학적인 형상 및 배치 위치등을 체계화하고, 서로 다른 크기의 작용하중을 일률적으로 표준화하는 데에 어려움이 있다. 우선 parametric study의 결과를 근간으로, 1) 사각형 hole이 원형이나 타원형 hole보다 불리하므로, 사 각형 hole의 표준을 정하면 모두 적용할 수 있으므로 정량적 인 값은 사각형 hole의 결과를 이용하였다. 2) Hole의 깊이와 길이는 상관관계가 있으므로 hole의 깊이 를 변화하면서 각각의 가능한 길이를 구하였다. 3) Hole의 단부에서의 떨어진 길이와 flange 및 상부 plate 에서의 떨어진 거리는 최대 가능 크기의 hole을 기준으로 정 하였다. 4) Hole간 수평거리 및 수직거리는 최대 가능 크기의 hole 2개를 기준으로 정하였다. 5) 최대응력에는 hole의 깊이에 대한 영향이 hole의 길이 영 향보다는 크므로, 설계표준에서의 거리의 제한은 가능하면 hole의 깊이로 하였다. 여기에 각 선급의 규칙과 사내 설계표준 검토를 통하여 E/R 및 D/H 에 적합한 설계표준(안)을 구성하였다. 이렇게 구성한 설계표준(안)을 5.2절에서의 검증 과정을 여 러 차례에 거쳐 반복하고 이를 수정하여, 최종적으로 Table 4 과 Table 5와 같은 설계표준(안)을 구성하였다. - 20 -
4. E/R 및 선미부 에서의 설계 표준 Table 4에서는 종강도 부재를 제외한 보 거동을 하는 모든 거더, 웨브, 트랜스버스에 적용할 수 있도록 하였으며, Table 5는 기존의 선급규칙, 사내표준에서 기술되어 종강도부재(종 통부재)에 엄격하게 적용되는 표준을 반영하였다. Table.4 Hole의 표준크기 및 표준간격 (종강도 부재 제외) - 21 -
4. E/R 및 선미부 에서의 설계 표준 Table.5 Hole의 표준크기 및 표준간격 (종강도 부재) - 22 -
5. 결론 5. 결론 본 과제를 통하여 E/R과 선미부, accommodation에 있는 hole 관련 설계기준을 마련할 수 있었으며 다음과 같은 주요 한 결과를 얻었다. 통상 선급 규칙 및 문헌상에 존재하는 기준은 화물창에 존재하는 hole 관련 규칙이기에 본 과제에서 대상으로하는 구조부재에 적용하기에는 무리가 있으며, 과도한 설계가 됨 을 알 수 있었다. 또한 현재 설계에서 적용하고 있는 현황은 선급규칙과 각 조선소 내부의 표준이 있음에도 불구하고 현실에 맞지 않기 떄문에 적용하고 있지 않으며 표준을 적용할 경우 많은 부분 에서 표준을 만족하고 있지 않음을 알 수있다. 따라서 현실적이며 적용가능한 표준 개발이 필요하며 본 과제에서 관련 표준을 개발하였으며 그 유용성을 검증하였 다. 본 표준은 지속적인 데이터 확보 및 case study를 통하 여 보완해야 할 것이다. 이상적인 표준개발을 위해서는 모든 선종 모든 경우의 형 상에 대한 충분한 연구를 통하여 준비해야 하나 한정된 시간 과 자료를 가지고 그 모든 것을 수행할 수 없기에 현재 야드 에서 많이사용하는 경우에 한정하여 개발하였으므로 특수한 경우 보다 쉽게 hole 주변 강도를 검토할 수 있는 프로그램 을 개발하였으며 그 타당성을 검증하였다. 추후로 다음과 같은 보완 작업을 추가하면 보다 완벽한 설계 표준을 개발하는데 많은 도움이 될 것이다. 다양한 형태 및 다양한 사이즈 그리고 다양한 hole 배치 를 고려한 체계적인 연구가 수행되어야 할 것이다. - 23 -
References References [1] N.W.Kim, W.S.Kim, Y.M.Paik (2002), "Structural Analysis in Vicinity of Access Opening", Proceedings of sixteenth Asian Technical Exchange and Advisory Meeting on Marine Structures, Gobe, pp167-178 [2] 이경석 외 6명, E/R 및 선미부에서의 hole 간 간격의 현황과 문제점 해양공학회 추 계논문 발표회 2005.10 (예정) [3] Jojo Seno, 김광수, 박형근, 홍성근, Design concepts for openings and attachments to structural members from the lessons learned on BP thunder Horse Project,, 대 우조선기술, No.2, Vol 57, 2003 [4] 김형진, 김남우, 윤명철, Acess opening과 slot와의 거리분석, 선박구조연구회 논문집 제14권제2호, p313-318, 2000.8 [5] American Bureau of Shipping, 2001, Rules for Building and Classing Steel Vessels, Part5 [6] Det Norske Veritas, 1999, Classification Notes [7] Lloyd Register of Shipping, 1996 Ship Right Structural Design Assessment Procedure - 24 -
감사의 글 감사의 글 대학원에 입학한지 2년의 세월이 흘러 이제 졸업을 하게 되 었습니다. 대학원 진학 전에 세웠던 많은 계획과 다짐을 돌아 보며 얼마나 이뤄왔고 얼마나 제 자신이 컸는지를 생각해보며 부족한 저에게 가르침을 주신 분들에게 한분한분 정성들여 감 사를 드립니다. 항상 제자들에게 정성과 애정으로 가르침을 주시는 김경수 교수님, 저희에게 부족할 수 있는 현장 지식을 가르쳐 주신 김 성찬 교수님 그리고 전공이외의 분야에 가르침을 주신 선박해 양공학과 모든 교수님들께 감사드립니다. 훌륭한 스승을 모시 게 된 것은 제 대학 생활에 있어서 큰 행운 이었습니다. 몸은 멀리 떨어져있지만 항상 연구실 후배들에게 많은 관심 을 보여주신 천식형과 준범형 얼마 같이 지내지는 못했지만 많은 걸 보여준 형민형과 진영이, 나에게 깍두기 담그는 법을 가르쳐 준 대호형, 항상 나에게 태클을 걸던 영관형, 내가 연 구실에 빠르게 적응할 수 있도록 도와준 창환이, 바른생활 만 보여준 동인이 그리고 나의 사악한 기운으로 늦은 취업을 한 병옥이 부담스러운 후배 정민이 경일이 그리고 듬직한 동기 재욱이 이 모든 선배님들과 동기들에게 정말 감사드립니다. 마직 막으로 저에게 든든한 힘이 되어준 연구실 후배들-성 모, 낙훈, 창현, 범일, 민, 승환이 그리고 저에게 항상 든든한 받침목 이 되어준 부모님과 동생에게 진심으로 감사드립니다. 이제 저는 학교를 떠나 사회로 나가려 합니다. 하지만 아직 도 많이 부족한 저이기에 제가 비록 학교를 떠난다 할지라고 많은 질책과 조언을 받을 수 있기를 기원합니다. 여러분의 조 언으로 훌쩍 커버린 저를 기대 하면서 이만 줄입니다. 다시 한 번 깊은 감사드립니다. - 25 -