선박설계 시 고려해야 하는 하중에 대하여 설명하시오.

선박에 작용하는 힘은 선체, 화물, 각종 기계류의 자중과 물의 부력과 파랑으로 인한 변동수압, 그리고 선박운동으로 인한 관성력이 주요 성분이며, 액체화물의 유동 또는 파도에 의한 유체충격력, 입거시 하중 등도 있다. 또한 전체하중으로서, 선체를 일정 방향으로 미소 간격으로 분할시 각 분할구간에 작용하는 힘의 불평형으로 인한, 굽힘모멘트, 전단력, 비틀림모멘트 등이 있다.

 

선체 구조설계에서 고려하는 하중을 편의상 분류하면, 정적하중, 파랑하중, 충격하중, 국부하중, 기타하중으로 나뉠 수 있다.

 

정적하중(Static load)

정적하중은 시간에 따라 변하지 않고 일정한 크기를 갖는 하중이다. 선체자체, 화물, 주기관 등 의장품의 중량과 선체외판, 탱크격벽의 수정압 등이 이에 해당한다. 저온 액화가스 화물을 적재하는 경우 위치별 온도 차이에 의한 열하중도 정적하중으로 볼 수 있다.

또한 정수(Still water)중 중력과 부력 차이에 의한 정수중 수직전단력, 정수중 수직굽힘모멘트 및 정수중 비틀림모멘트 등도 전체하중으로서 작용한다.

 

파랑하중(Wave induced load)

시간에 따라 변화하는 동하중이지만 작용주기가 수초에서 수분으로 비교적 길기 때문에 선체의 동적변형을 유발하지는 않는다.

선박이 파도를 만나면, 선체 외판에 변동수압이 작용하고, 횡동요(Rolling), 종동요(Pitching) 같은 선체 운동으로 유발된 가속도로 인한 관성력이 생긴다. 일반적으로 대형상선의 경우 가속도의 최대치는 중력가속도의 50%까지 이르고, 소형고속선의 경우 훨씬 더 큰 값을 갖는다.

또한 전체하중으로서 파랑중 수직전단력, 파랑중 수직 또는 수평 굽힘모멘트, 파랑중 비틀림모멘트도 작용한다.

 

파랑하중에 의한 선체구조의 거동은 파랑의 불규칙성 때문에 정확한 해석은 어려우나, Strip법 같은 파랑하중 및 선박운동 해석 기법과 수십년 동안 수집된 전 세계 주요 해역에 대한 해상상태 자료를 이용한 통계적 해석법으로 계산하고 있다.

일반상선에 대한 파랑굽힘모멘트, 파랑수직전단력은 북해 해상조건에서 수많은 선박에 대한 파랑하중 계산 자료, 실적선 자료 등을 회귀분석하여 IACS에서 제시한 L, B, Cb 등을 파라미터로 하는 근사식을 적용하여 구하고 있다.

 

충격하중

- 슬래밍(Bottom slamming)

과도한 Pitching으로 수면 밖으로 나온 선수부가 밑으로 내려갈 때 상승하는 파도의 수면과 만날 때 발생하는 순간적인 충격력. 선수쪽 선저부의 국부적인 손상과 Whipping 진동을 유발.

 

- Bow Impact

거친 파도가 흘수 위의 선수부 외판에 가하는 충격력

 

- Sloshing

액체 화물이 부분적재(Partial filling)상태일 때, 액체 유동에 의해 발생하는 화물창 내부의 파도가 화물창 내벽과 충돌할 때 일으키는 충격압력

 

국부하중

갑판크레인, 주기관, 헬리콥터착륙장, 트럭의 Wheel load 등 무거운 중량물을 탑재 또는 적재하면서 발생하는 국부적인 집중하중

 

기타하중

건조, 진수, 입거시 발생하는 집중하중

충돌, 좌초, 접안시 발생하는 압력

쇄빙선 또는 Ice Class 선박에 대한 빙하중

추진기나 타에 의한 동유체력

주기관, 발전기 등이 유발하는 진동