RoPax, Carferry

Carlos Luis M C da Cruz, RoRo Pax Gilberto Mariano (IMO: 9690494; MMSI: 204701390)

 

<설계과정>

 

1. 선박개발

- 선주가 설계용역회사(Engineering사)를 선정, 초기 개념설계 마련

- 초기 G/A 및 강재배치도 작성

 

2. 조선소에 견적의뢰

- 개념설계를 구체화해가며 선가 견적

 

3. 계약 및 생산

- 계약 후 기본설계-상세설계-생산설계를 거쳐

- 건조 후 인도

 

<Deck Height / Free Height>

 

1. Deck Height / Free Height 개념

- 차량을 싣는 갑판의 경우 차량의 안전한 적재를 위한 Free Height를 확보해야 함

- 승객이 탑승하는 선실의 경우에도 승객의 활동공간 확보를 위한 Free Height를 확보해야 함

- 두 경우 모두 Deck 상부, 하부, 천장의 부재를 고려하여 Deck Height를 설정해야 함. Deck 하부에 배치되는 Pipe나 Cable은 구조부재 하부로 지나가지 않도록 해야 함

 

2. Deck Height / Free Height는 화물이나 승객의 측면에서는 높은 것이 좋지만, 이 경우 선박의 Stability가 안좋아지고 강재증가를 유발하므로 허용하는 한도 내에서 최소의 값으로 설정하는 것이 필요함. 이때 화물이나 자중에 의한 변형도 필히 고려해야 함

 

<Deck Loading>

 

1. 차량을 싣는 Deck의 경우, Deck의 설계하중(Design Load)는 다음의 Load를 고려해야함

- UDL(Uniform Design Load)

차량을 싣는 Deck에 균일하게 분포한다고 가정된 하중.

주로 PSM(Primary Supporting Member)의 Scantling을 결정하는 하중

- Axle Load

Deck에 접촉하는 차량의 바퀴자국(Tyer print)에 전달되는 하중

주로 Secondary member, 즉 판과 판보강재의 Scantling을 결정하는 하중

 

2. 상기의 Design Load는 선급규정에 특별히 규정되어 있지 않으므로, 계약단계에서 선주 요구사항을 필히 확인하여 그 영향을 견적에 반영하여야 함

 

<Weight Control>

 

1. RoPax(Car Ferry)의 특성상 DWT가 크지 않고 이에 대한 Grace도 엄격한 편. 예를 들어 100 ton 차질이 생기면 화물 또는 승객을 그만큼 못 싣는 경우가 생겨 선주에게 큰 손해가 되므로, 선주로서는 DWT에 대해 매우 민감할 수밖에 없음

 

2. 모든 설계부문(구조, 의장)이 Weight control에 신경써야 함은 물론 현장의 생산부서에서도 함께 노력해야 함

 

3. 구조부문에서는 Weight control을 위해서 박판을 적용하는 경우가 많은데, 이 때문에 용접시 변형이 많이 생기므로 이에 대해 유의하여야 하며 용접 변형을 줄이기 위한 용접각장 축소의 필요가 있음

 

4. Weight control을 위해 판보강재의 배치 간격(spacing)을 최소화(생산성을 고려하여)할 필요가 있음

 

<판보강재 배치 간격>

 

- 판두께를 줄이기 위해 판보강재의 간격을 줄이면 전체적으로 강재 중량이 감소

- 이 경우 생산공수는 증가하지만 DWT control의 필요에 의해 타선종에 비해 보강재 간격을 줄여서 배치.

- 용접작업성도 물론 검토해야함

- 판두께가 줄면 용접변형이 커지므로 생산부서와 함께 협의하여 변형을 줄일 수 있는 용접법을 개발하고 용접각장도 줄이거나 과용접이 되지 않도록 control해야 함.

 

<구조기본설계 공기>

 

1. RoPax(Car Ferry)의 경우 박판(thin plate)을 많이 사용하고 큰 Opening(Ramp way, Window 등)이 많고 구조불연속부도 많이 존재하기 때문에 유조선이나 살물선 등 타선종에 비해 구조안정성 평가 업무가 많으며, 의장품 설치와 관련된 구조강도 평가업무도 많이 발생하므로 구조해석을 통한 강도 평가 업무가 매우 많음. 따라서 적정한 설계공기 및 설계인원의 확보가 필요함.

 

2. 효율적인 설계공기 및 설계인원의 운용측면에서 후행 상세설계부문과의 인원 지원/교류 및 공기 overlap 등도 고려하는 것이 필요.

 

<구조 배치 특성(Pillar 구조)>

 

1. 차량을 싣는 화물창의 경우 차량의 통행을 위해서 횡격벽이 거의 없음.

 

2. 승객이 탑승하는 선실의 경우도 공실(Public Space)의 배치에 따라 구조강도부재의 배치에 제한이 많음.

 

3. 각 Deck의 하중을 지탱해주는 Pillar를 최대한 배치하여 강재중량을 줄이도록 해야함.

 

<Rule Scantling>

 

1. 국부강도에 대한 Rule Scantling시 Axle Load(Wheel Load)에 주의하여 검토.

Mafi-Trailer의 경우, Trailer가 분리된 후 Crutch(받침다리)가 Deck에 직접 놓이게 되면 판두께가 크게 요구되므로 Dunnage(Wooden Block 등) 사용 등을 고려하여 두께감소를 꾀할 수 있으므로, 이 부분을 선주와 협의할 필요가 있음.

 

2. Axle Load(Design Load)의 자료는 선주로부터 제공받아 Spec.에 명기하도록 함.

 

3. 종강도계산(Hull Girder Bending Moment, Hull Girder Shear Force)시에는 구조불연속부가 많아 종강도 기여부재 선정에 어려움이 많음. 이 때 전선구조해석 결과를 참고할 수 있음.

 

<구조해석>

 

1. RoPax(Car Ferry)의 경우 배 전체나 길이방향 위치에 따라 구조배치가 다르기 때문에 전체적인 구조강도평가를 위해서 전선구조해석이 필요함.

 

2. 전선구조해석을 통해 전반적인 강도를 개괄적으로 평가하고 난 후 특이구조나 불연속 구조부위들에 대해서 부분구조해석을 통해 강도평가를 수행함.

 

3. 선주와 합의하여 Spec.에 명기된 설계하중과 선급의 요구 설계하중을 고려하여 해석 수행.

 

4. 해석결과의 평가법에 대해서는 선급과 협의를 통해 결정.

 

<구조특성(Rampway)>

 

1. 차량의 적재 및 하역을 위해 각종 Rampway들이 배치

- Bow visor : 선수에 설치되는 Rampway

- Stern ramp : 선미에 설치되는 Rampway

- Side ramp : 선측에 설치되는 Rampway

- Cargo hold ramp : 화물창 구역 Deck에 설치되는 Rampway

 

2. 각종 Rampway가 배치되는 부위에서는 주변 구조부재와의 연결부위에 가해지는 하중을 고려하여 강도 검토를 수행함.

 

3. Bow visor의 경우는 선수에 설치되기 때문에 선수부 파도에 의한 Bow Impact 하중도 추가로 고려하여 구조 강도를 검토하여야 함.

 

4. Stern ramp와 Side ramp의 경우는 차량의 적재시와 하역시의 하중에 대한 강도를 검토하여야 함.

 

5. Cargo hold ramp의 경우 해당 설계하중을 고려하여 설계해야 하며, 추가로 Ramp의 처짐을 고려하여 Deck의 Free Height에 문제가 생기지 않도록 해야 함.

 

<구조특성(Midship section)>

 

1. 선박의 특성상 횡단면 구조 부채 배치에 있어 Typical 형태가 거의 없으며 매 횡단면 부재배치가 다를 수 있음. 이는 각종 Rampway의 배치, Pillar 배치, 의장관련 부재 배치 등으로부터 기인함.

 

2. 이와 같은 이유로 도면 작성에 있어 중앙부에 위치한 주요 부재를 거의 모두 표기해야 함.

 

3. 부재치수 결정을 위해서 Rule Scantling 및 Cargo Hold 구조해석을 수행함. 

 

<구조특성(ConPro)>

 

1. Deck가 많이 배치되는 RoPax의 특성상 ConPro 도면의 양이 많음. 모든 Deck Plan을 나타내어 Deck에 배치되는 Rampway 또는 Pillar들의 표기와 그 주변에 대한 구조 보강이 표기되어야 함.

 

2. Rampway 같은 개구부 그리고 상부 선실 곶의 불연속성 등으로 응력집중부가 많으므로 세심한 구조보강이 필요함.

 

<구조특성(Shell Exp)>

 

1. 흘수가 낮은 선박으로 수면 상부 Shell의 판이나 판보강재의 국부하중에 의한 요구치는 작음. 따라서 전선구조해석이나 국부구조해석을 통해 치수를 결정함.

 

2. Cb가 작은 점이 컨테이너선과 유사하므로 Bow Flare와 Stern 부위의 파도에 의한 충격하중에 유의하여 설계해야 함. Side Shell의 판 및 판보강재뿐만 아니라 내부의 주부재(Web Frame 및 Girder)의 치수 결정에도 이와 같은 하중이 고려되어야 함.

 

<구조특성(횡단면 부재배치)>

 

1. 횡단면 부재의 배치는 차량 통행에 방해가 되지 않도록 하여야 함. 각족 Transverse Web들의 보강은 돌출되는 Bracket 보강을 피하고 차량 통행에 방해가 되지 않는 방향으로 주로 Gusset Type으로 보강함.

 

2. Transverse Web나 Longitudinal Girder의 경우 배관 및 전선의 배치를 위해 응력이 크지 않은 부위에는 미리 Opening을 배치하여 설계하고 이 Opening부위의 강도 적합성은 구조해석으로 확인함.

 

<구조특성(Free Height Detail)>

 

1. RoPax 선박의 경우 차량을 싣는 구획의 Free Height는 차량의 안전한 적재를 위해 필수적으로 확보해야 하는 중요기준임.

 

2. Free Height 확보를 고려하여 Deck 위치를 설정하여야 함.

 

3. Free Height 확보를 위한 Detail 사항에는 다음과 같은 것이 있음.

- 선주 요구 Free Height(Clear Height)

- Deck Plating 두께

- Deck 지지 주부재 높이(Transverse Web와 Longitudinal Girder Depth)

- 자중을 포함한 하중조건을 고려한 부재의 처짐 변형

- 부재 제작시 용접 변형 정도 관리 범위 내의 부재 변형

 

HenSti, RoPax-ferry Honfleur at Flensburger Schiffbau-Gesellschaft.

 

<구조해석 Design Brief 작성>

 

1. 구조해석을 수행하기에 앞서 해석수행 계획을 기술한 Design Brief를 작성함. 이를 해당 선급과 협의하여 구조해석업무 효율을 높임.

 

2. Design Brief에는 다음과 같은 사항이 기술됨.

- 선박의 개요 및 Principal Dimensions

- 해석의 종류(전선해석, 국부해석 등_

- 해석 모델의 범위

- 해석의 하중조건(Spec 상의 선주 특이요구사항, if any)

- 해석결과에 대한 평가기준

 

3. 내부적 필요 및 선급의 승인 편의를 위해 해석수행기간도 정하는 것이 좋음.

 

<전선구조해석>

 

1. 전선구조해석은 컴퓨터 용량의 제한으로 통상 Coarse Mesh Model 해석을 수행함.

 

2. 이 해석을 통해 선박전체의 Global 강도(Hull Girder Bending Strength 및 Hull Girder Shear Strength)를 평가하고, Cargo Hold 해석에서 평가하지 못한(Model 범위에 포함되지 않아) 주판부재 등의 좌굴강도를 평가함.

 

3. 전선해석의 결과를 이용하여 Cargo Hold Fine Mesh 해석이나 피로해석에 필요한 Boundary Condition를 얻음.

 

<Cargo Hold 해석>

 

1. Cargo Hold 해석은 선박의 중앙단면 부근의 Typical 구조에 대해 종방향으로 적정한 길이를 선정하여 수행함. RoPax 선박의 경우 Typical Web 구조가 많지 않아(거의 모든 Web Frame이 다른 형상이어서) 길이 방향의 모델범위가 길어지는 것이 보통임.

 

2. 컴퓨터 용량이 충분하면 전선해석부터 Fine Mesh Model(Longi. spacing)로 해석하는 것이 바람직하고 이것이 여의치 않다면 전체길이를 2~3개로 나누어 해석함.

 

3. 횡격벽이 거의 없는 구조의 특성상 횡방향 찌그러짐(Racking)에 취약하므로 이 하중조건에 유의해야 함.

 

<구조해석의 Load Case>

 

1. Cargo Hold 해석에 대한 Load Case

 

1) Deck Design Load Case

- 각 Deck의 UDL(Uniform Design Load)을 고려한 해석 Case

- 모든 Deck의 UDL을 하나의 해석 Case로 고려하게 되면 Deck Load가 External Sea Load(부력, Buoyance)보다 훨씬 커져서 과도하게 큰 불평형력이 발생하므로 이를 피하기 위해 2개의 Load Case로 나누어 해석함.

- 하나의 Load Case는 하부의 Deck로부터 위의 Deck로 차례로 UDL을 실어 Internal 하중의 크기와 External 하중의 크기가 비슷하게 되도록 하고, 다른 하나는 반대로 상부 Deck로부터 아래 Deck쪽으로 UDL을 실어서 힘의 평형을 맞추도록 함.

 

2) Asymmetric Deck Load Case

- 각각의 Car Deck에 UDL을 선박의 길이방향으로 비대칭으로 배치하여 해석

- 각각의 Car Deck에 UDL을 선박의 폭방향으로 비대칭으로 적용하여 해석

- Pillar 배치에 따라 Load Pattern을 검토해야 함.

 

2. 전선해석에 대한 Load Case

 

1) Hull Girder Bending Moment Case

- Trim & Stability Booklet을 검토하여 Hogging 및 Sagging에 대한 Design Bending Moment를 배의 길이방향에 대해 설정함.

- Global Yielding Strength 및 Buckling Strength를 검토하기 위해 Maximum Hogging Condition 및 Maximum Sagging Condition에 대해서 해석함.

 

*유의사항

- Wave Bending Moment

선박의 운항지역이 연근해(Coastal Area) 지역이면 Ocean Going Service에 대한 값의 50%로 적용 가능

 

- Stillwater Bending Moment

RoPax(Car Ferry)선의 경우 통상적으로 Stillwater Bending Moment가 Sagging이 없는 Hogging Ship이므로 이를 고려하여 전체적인 Sagging Bending Moment 값을 줄일 수 있음. Deck에 박판(thin plate) 사용을 많이 해서 좌굴강도에 취약하므로 Sagging값을 줄여 해석하는 것을 필히 고려해야 함.

 

2) Heeling Load Case

- RoPax(Car Ferry)선에서 가장 특징적인 사항인 Racking 강도를 검토하는 Load Case임. 횡격벽이 없는 RoPax선의 특성상 Racking 강도가 취약함.

- 선급에서 정한 Heeling Angle을 적용하여 각 Deck에 수직 및 수평하중을 가하여 줌.

- Shell에 Heeling Angle을 고려하여 Asymmetric Sea Pressure를 가함.

 

<Fatigue Strength Analysis>

 

1. 전선해석모델을 이용하여 Fatigue Strength 해석을 위한 경계조건(Boundary Condition)을 도출함.

 

2. Loading Condition

- Actual Seagoing condition을 고려

- Static Upright Condition과 Dynamic Heeled Condition 고려

 

3. 아래에 기술한 부위 등에 대해 txt Element Mesh Size로 Fatigue strength analysis를 수행함.

- Pillar와 Deck Plate 접합부위

- Pillar와 Deck Trans. Web 접합부위

- Pillar와 Deck Girder 접합부위

- Side Web와 Deck Plate 접합부위

- Side Web와 Deck Trans. Web 접합부위

- Longitudinal Bulkhead와 Deck Trans. Web 접합부위

- Double Bottom Floor의 Inner Bottom Corner 부위

- 각종 Opening Corner

 

4. 피로강도 취약 부위에 대한 피로수명 증가 방법

- 판두께 증가

- 부재의 형상 개선(Soft Toe 적용 등)

- 용접 각장 증가

- 용접형상개선(Concave Grinding 등)

- 용접부위 Toe Grinding

등

 

<Heavy Vehicle Load Case>

 

Heavy Vehicle의 경우 가장 큰 축하중(Axle load)이 하나의 Deck Trans. Web에 가해지는 경우, 이 부위에 UDL보다 큰 하중이 국부적으로 발생 가능함.

이 경우 통상적으로 하나의 해당 Deck Trans. Web로는 이 하중을 견녀내기 어려우므로, Deck Girder 등을 통해 주의의 Deck Trans. Web로 하중을 분산시켜 적절한 Deck Trans. Web의 치수를 정하게 됨.

 

<구조해석 보강>

 

- Deck Trans. Web, Deck Girder, Side Trans. Web 및 Pillar 등의 구조보강은 Yielding 및 피로강도 보강을 위해 주로 부재의 끝단부에 집중됨.

- 보강방법은 차량통행이나 적재에 방해가 되지 않도록 Gusset 형태나 Web의 face plate를 보강함

- face plate의 재질로 고장력강을 사용하는 경우 인접한 Web plate도 같은 재질 사용

- Web의 Attached Plate가 되는 Deck Plate나 Side Shell Plate는 Primary Member의 Span 중앙부위에 Buckling 보강이 필요할 수 있음.