선박설계 시의 선체 종강도 계산과정에 대하여 설명하시오.

선체는 폭과 깊이에 비해 길이가 길어 개념적으로 보(Beam)로 취급할 수 있다. 또한 길이 방향 위치에 따라 선체중량과 부력의 불평형으로 수직전단력 및 굽힘모멘트가 발생하며, 보 이론을 적용하여 이러한 하중에 대한 선체강도를 평가하는 것을 선체 종강도(Hull Girder Strength) 계산이라고 한다.

 

선체 종강도 평가는 선체구조기본 설계단계에서 가장 우선적으로 검토하는 항목으로 선박의 중앙 횡단면도를 결정하는 중요한 계산이다.

 

계산과정은 다음과 같다.

1) 굽힘모멘트 및 수직전단력 설계값 선정

2) 선체횡단면 특성값(Moment of Inertia, Section Modulus(단면계수), 전단흐름 등) 계산

3) 허용치 만족 여부 검토

 

수직굽힘모멘트 및 수직전단력 하중은 정수(Still water)하중과 파랑(Dynamic or Wave)하중으로 나누어 계산하여 둘을 합산한다. Hogging Still water + Hogging Wave, Sagging Still water + Sagging Wave.

 

정수하중

Loading Manual(Trim & Stability)에서 검토된 Seagoing 하중 조건을 검토하여, 최대최소값들을 추출한 후, 통상 굽힘모멘트에는 5% 정도의 마진, 전단력에는 10% 정도의 마진을 고려하여, 설계하중을 정한다.

또한 선급규칙에 최소 하중값이 있는 경우에는 고려하도록 한다.

 

파랑하중

북대서양 해상상태에서의 운항을 가정하여, 수많은 선박에 대한 직접해석 결과에 실적선 자료를 바탕으로 국제선급연합에서 제시한 간략식에 따라 보통 계산한다. 변수로는 L, B, Cb가 쓰인다.

그러나 셔틀탱커와 같이 특정항로에만 집중되는 경우나 FPSO처럼 한 위치에서만 있는 경우, 또는 통상의 설계수명(25년)을 초과하는 경우는 직접하중해석(DLA)를 통해 파랑하중을 산출한다.

 

선체횡단면 특성값을 구할 때는 보통 강력갑판 이하의 연속된 종부재만으로 이루어진 단면만을 고려한다.

비교적 큰 Opening은 빼도록 한다.

또한 CSR 같이 부식마진을 빼고 단면 특성값을 구할 것을 요구하는 경우가 있으니 주의하여야 한다.

 

통상 선급에서 제작, 배포하는 프로그램을 이용하여 고려되는 단면의 Section Modulus, Moment of Inertia, 전단흐름 등을 구하며, 위에서 언급한 하중값까지 프로그램에 입력되어 있다면 간편하게 선급규칙의 허용응력과 비교하여 선체종강도 만족여부를 확인할 수 있다.

 

고강도강이 사용되었을 경우에는 허용값에 고강도강 재료계수를 고려하여야 하며, 고강도강 적용범위도 만족하는지 확인한다.

 

선체 종강도는 선체중량에 매우 큰 영향을 미치므로, 혹시 종강도여유치가 너무 큰 경우에는 좀더 고민하여 가능하면 요구치에 근접시키는 설계를 하도록 한다.

 

CSR(Oil Tanker와 Bulker에 대한 IACS 공통구조규칙)에는 위의 허용응력에 기반한 선체종강도 계산과 별도로 다음 2가지의 추가 종강도 계산이 있다.

 

Hull Girder Ultimate Strength(선체거더 최종강도)

종부재의 좌굴강도와 항복응력 및 인장응력을 고려하여 최대로 견딜 수 있는 굽힘모멘트가 최종한계상태(ULS, Ultimate Limit State)를 만족하는지 검토

 

Hull Girder Residual Strength(선체거더 잔존강도)

충돌이나 좌초상태에서 최대로 견딜 수 있는 굽힘모멘트가 사고한계상태(ALS, Accidental Limit State)를 만족하는지 검토