선체중앙 횡단면도의 설계과정에 대하여 설명하시오.

선체 구조설계에 있어 가장 중요한 것은 선체거더의 굽힘모멘트 및 전단력에 대한 종강도 확보이고, 종강도 측면에서 우선적으로 검토되는 것이 선체중앙부의 횡단면 형상임.

선체 중앙횡단면을 기준으로 길이 방향으로 다른 위치의 횡단면은 약간의 변형 및 수정을 통해 결정하게 됨.

따라서 중앙횡단면의 설계는 선체 전체의 강도와 건조비를 좌우하는 매우 중요한 작업으로 다음과 같은 설계과정을 거침.

 

1. 중앙횡단면 형상 결정

 

선체구획배치설계, 보통 일반배치도(G/A) 설계시 중앙횡단면 형상 결정.

대체로 선종에 따라 전형적이고 최적화된 형상이 있으므로, 실적선 중 유사한 선박(Mother ship)을 기준으로 적절히 변형하여 설계하는 것이 통상적임.

해양오염방지를 위한 이중선체 관련 규정, 손상시 복원성, 밸러스트 탱크 용량을 감안하여 내부선저 높이 및 내부선측폭을 결정함.

화물의 하역작업을 고려한 창구개구 크기 결정.

 

2. 부재 배치

 

부재의 배치 방법은 구조 형식이 종늑골 방식인지 횡늑골 방식인지에 따라 달라질 수 있으나, 이 또한 대개 표준화된 전형적인 방식에 따름. 대형 유조선, 컨테이너선의 경우 종늑골 방식이고, 산적화물선의 경우 혼합식 구조임.

 

종늑골 방식의 부재 배치에 있어 가장 중요한 것은 종늑골 간격(Longitudinal spacing)과 특설늑골의 간격(Span)임.

이 간격들에 의해 판두께와 보강재의 치수가 결정되므로 선체중량에 큰 영향을 미침. 이 간격들이 작아질수록 선체중량은 가벼워지나 부재수의 증가로 생산성은 낮아지므로 강재가격과 인건비를 고려하여 적절한 간격이 결정됨.

 

종방향 거더와 횡방향 특설늑골을 격자로 적절히 배치하여 종강도와 횡강도를 동시에 만족시킬 수 있도록 하며, 일반화물선 또는 로로선과 같이 갑판이 다수 있는 경우 기둥(Pillar)의 배치 여부도 검토해야 함.

 

3. 부재 치수 결정

 

중앙횡단면 형상과 부재 배치가 결정되면 각 부재의 치수를 결정해야 함. 즉, 판두께와 보강재(늑골)의 치수(단면계수, 단면적)을 결정해야 함.

 

이 과정은 선급규칙에 따라 이루어지기 때문에 Rule Scantling이라고도 부르며, 다음의 2단계에 따라 행해짐.

1) 국부 설계하중, 대표적으로 수압(정수압+동수압), 최소두께, 항복강도, 부식여유치, 좌굴강도, 피로강도 등이 고려된 선급규칙의 계산식에 따라 판두께 및 늑골의 단면계수를 결정함.

2) 설계된 중앙횡단면의 단면계수를 계산하고 선체거더의 굽힘응력을 고려하여 종강도를 검토. 이때 굽힘응력이 선급의 요구치를 만족하도록 주로 갑판 및 선저 구조부재의 치수를 조정하여 종강도를 검토하는 과정을 반복 수행.

 

이렇게 중앙횡단면의 구조설계를 한 후 횡강도와 국부좌굴, 피로강도 등을 검토하여 초기 중앙횡단면 구조설계를 마무리함.

 

4. 구조해석 보강이 추가로 있을 수 있음.

 

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선체구조설계란 예상되는 하중에 충분히 견딜 수 있는 강도와 강성을 가진 부재의 크기를 결정하고 적절히 배치하는 과정으로 말할 수 있으며, 개념설계→초기설계→기본설계→상세설계→생산설계의 단계를 거치게 되며 거시적인 관점에서 미시적인 관점으로 진행함.

선체구조설계는 중앙횡단면도를 중심으로 진행되며, 이 중앙횡단면도의 부재치수는 선체중앙부에 선체길이의 약 40~60% 정도 일정하게 연장되므로 매우 중요함.

중앙횡단면도에는 주요치수(Principal Dimension), 선급 및 각종 규정(Class Notation), 하중조건, 기타 Note 등이 기입됨.

 

선체중앙단면설계가 이와 같이 선체구조 전반을 지배하는 이유는 종굽힘모멘트의 최대값이 중앙부에서 발생하고, 또한 선체구조의 여러가지 강도 중에서 종강도가 가장 중요하기 때문임.

선체구조의 설계는 종강도에 대한 중안단면설계, 선수 슬래밍 및 선미진동에 대한 선수미 구조 설계와 여러가지 국부 구조의 설계로 구분되며, 중앙부와 선수미 구조 사이에 구조 불연속이 발생하지 않도록 부재의 크기를 점진적으로 증감함.

 

일반적인 선체중앙횡단면의 설계는 스파이럴(Spiral) 과정을 거침.

특설늑골간격→종늑골간격→설계기준 및 응력 검토→외판두께→종늑골부재치수→중앙단면계수→횡격벽 및 특설늑골부재치수→선각중량검토→종굽힘모멘트→(반복반복)

 

참고로 주요구조부재의 배치에 대한 기본적인 설계 개념은 다음과 같음.

- 종늑골 횡늑골의 간격 : 선각 중량 및 건조비에 가장 큰 영향을 미치는 설계변수이므로 여러가지 간격에 대해 검토 필요함.

- 판부재의 용접선(seam line) : 여러 가지 표준치수로 생산되는 판들 중 판의 기준폭이 얼마인 것을 사용하는 것이 공작상 또는 배치상 가장 편리한가를 고민해야 함. 선박의 크기에 따라 다르겠지만, 조선소의 크레인 용량 및 가공상의 문제를 고려하여 가능한 용접선을 줄이는 것이 바람직함.

- 종거어더 : 종거어더는 횡늑골을 지지해주는 역할을 하고, 또한 거어더의 적절한 배치는 부재의 치수를 감소시킴. 특히 갑판의 격자(Grillage) 구조를 경량화하는 데 중요한 역할.

 

선체 전체의 구조적 연속성이 중요하므로 부재의 배치는 중앙단면에만 국한하여 생각하지 말고, 일반배치도(G/A) 등을 참고하여 선박전체의 구조배치를 고민해야 함.