선박의 과학 – 선박의 선체구조

출처 : http://www.kordi.re.kr(한국해양연구소)




사용자 삽입 이미지
사용자 삽입 이미지

 


선박은 판과 보강재를 효율적으로 조립한 매우 복잡한 구조물이고, 이동하는 구조물로써는 최대 규모의 구조물이다. 또한, 불규칙파 해면상을 이동하는 특성상, 다양하고 복잡한 하중을 받는 구조물이기도 하다. 그 위에 부유구조물로써의 수밀성이 요구되는 것도 선박의 특징의 하나이다.

선각이란 선체를 구성하고 있는 강도부재로써, 판과 보강재로 구성되어 있으며, 다음과 같은 기능을 갖춰야 한다.

– 소기의 추진 성능, 안전성능 및 배수량을 얻도록 계획된 선형을 유지하기 위해 외판, 늑골 등으로 선체를 이룰 것.
– 소기의 목적으로 하는 화물에 따라 계획재화중량을 운반할 수 있도록, 이중저, 갑판 등의 구조 강도를 유지할 것.
– 좌초, 충돌 등에 의해 선체 내에 침수하여도 침몰을 방지 할 수 있는 격벽을 만들 것.
– 선박을 운항하는 데에 필요한 기관, 의장품을 설치하는 데에 충분한 강도의 구조를 제공할 것
– 승무원의 거주구로써 안전한 구조구획을 제공할 것.

상기와 같은 목적에 맞춘 선각에 기관과 의장품이 탑재되어 비로소 선박이 완성된다.
한편, 일반의 육상구조물과의 차이점을 비교하면 다음과 같다.


– 거친 해면을 항해한다.

– 횡동요(Rolling), 종동요(Pitching) 등의 동요가 따른다.

– 해수와 같은 부식성이 심한 환경에 둘러 쌓여있다.

– 육상으로부터 멀리 떨어져 있어, 사고가 발생시 신속한 구조가 어렵다.


선박의 대형화 및 성능 향상에 따라 구성재료의 여러 가지 성질과 품질 향상의 요구와 더불어, 새로운 재료의 개발 및 개량과 이에 따른 가공 기술 향상이 요구되고 있는 실정이다.

특히, 선체는 일반적인 육상의 구조물과 달리 대형이고 열악한 사용상태에 놓여 있다. 따라서 선체에 사용되는 재질은 다음의 조건을 만족하여야 한다.


– 값싸고 대량입수가 가능할 것.

– 강도 및 강성이 클 것.

– 가공성이 좋고, 용접이 용이할 것.

– 충분한 기밀성과 수밀성을 갖을 것.

– 부식에 대해 충분히 견딜 수 있을 것.


이러한 것을 만족하는 구조재료로써 현재의 대형선에서는 연강(Mild Steel)이 광범위하게 사용되고 있다. 연강의 유일한 단점은 중량이 무겁다는 것이다. 그렇지만 대형선에서는 막대한 양의 재료를 사용하기 때문에, 값이 싸다는 것이 재료선정의 커다란 요인을 차지하고 있다. 강도가 큰 것도 선정이유의 하나이다.


초기의 연강은 품질이 별로 좋지 않았으나, 접합방법이 리벳에서 용접으로 변화함에 따라 점차로 품질이 향상되었다. 또한, 높은 항복응력을 갖는 고장력강도 개발되었다. 또한, 1980년 전후에는 온도제어하에 압연되는 TMCP(Thermo-Mechanical Control Process)강이 새로이 개발되었다. 이 강은 압연단계에서 몇 가지의 특별한 과정을 조합하여 제조하는 것이다. 이러한 처리에 의해 종래의 연강보다 강도 및 인성이 향상되었고, 또한, 용접성도 현저히 향상하였다.

조선용의 강재에는 특별히 고품질의 것이 요구되어, 선급협회규칙 등에서 규격으로 정해져 있다. 연강이나 고장력강은 같은 항복응력을 갖고 있더라도 화학성분에 따라 여러가지 등급으로 분류되어 있다. 고장력강은 높은 응력이 발생하는 갑판이나 선저판에 많이 사용되고 있다.

한편, 고속이 요구되는 선박이나 소형선에서는 중량이 큰 문제가 된다. 이 경우에는 알루미늄 합금이나 FRP(강화플라스틱)와 같은 복합재료가 사용되고 있다. 또, 심해탐사용 잠수선이나 일부의 잠수함 등 특수한 목적을 갖고 있는 선박에서는 가볍고 높은 강도를 갖는 티탄 합금도 쓰이고 있다.


그리고 LPG운반선이나 LNG운반선의 탱크에는 방열의 관점에서 알루미늄 합금이나 스테인리스강이 사용되고 있다. 또, 내부식성이 요구되고 있는 탱크 등에는 스테인리스강이 사용된다.

선박의 구조설계를 수행하는 경우에는 이러한 선박의 특징을 고려하면서 안전성과 경제성을 높은 차원에서 균형 있게 양립시켜 실현할 필요가 있어, 구조설계를 할 경우에는 매우 고도의 기술이 요구된다. 동시에 국제조약, 각 국의 특별요건, 항만·운하규칙, 선급협회규칙, 고객 요구 등 많은 요건을 만족시킬 필요가 있다.




사용자 삽입 이미지



선박은 해상에서는 일반적으로 선체의 중량과 해수의 부력에 의해 균형을 이루고 있으나, 선체의 형상과 화물의 적재 여하에 따라 부분적으로는 균형을 이루지 못한다. 하물며 화물이나 여객 등을 만재하고, 거칠은 대양을 항해하는 데는 많은 어려움이 따르다. 따라서 선체의 구조를 어떻게 할 것인가를 고려할 때, 황천에 견디고 안전하게 항해할 수 있는 가가 매우 중요하다. 즉, 거친 자연의 힘에 대해 선체의 강도를 어떻게 하여 유지하는 가에 있고, 그렇게 하기 위해서는 우선, 선체에 어떠한 힘이 작용하는 가를 검토하여야 한다.

선체는 물이 새지 않는 상자형의 용기라 생각할 수 있으며, 항해 중, 정박 중을 막론하고, 여러 가지의 힘이 작용하고 있다. 이것을 크게 나누면, 선체를 종 방향으로 굽히려는 힘, 선체의 횡단면을 변형시키려는 힘, 선체를 비틀려는 힘 및 선체를 형성하고 있는 부재를 개별적으로 고려하여, 각 부분에 작용하는 힘으로 나눌 수 있다.



사용자 삽입 이미지



파랑이 있으면, 부력 분포가 변하므로 중력과의 차는 변한다. 이때 갑판과 선저에는 인장력과 압축력이 동시에 생기며 항해시에는 이런 현상이 계속된다. 이때 가장 큰 힘이 미치는 경우는 선체의 길이가 파장과 같을 때이며 선체의 길이의 중앙부가 파정에 놓이는 경우를 호깅상태(Hogging)라 한다. 이 현상이 심하면 갑판이나 선저에 균열이나 주름이 생기며, 이 상태가 반복되므로써 심하면 선체가 절단되기도 한다. 이와는 반대로 새깅(Sagging)의 경우는 파도의 계곡이 선체 길이의 중앙부에 오면, 선체의 전부와 후부에는 부력이 크고 중앙부에서는 중력이 크게 작용하기 때문에 갑판과 선저에 인장력과 압축력이 교차로 작용하게 되며 심하면 호깅과 마찬가지로 선체가 절단되기도 한다. 일반적으로 호깅상태에서는 갑판에 인장응력, 선저판에는 압축응력이 생기고, 새깅상태에서는 갑판에 압축, 선저판에 인장응력이 생긴다.





사용자 삽입 이미지

사용자 삽입 이미지



선체의 단면을 고려할 때, 선측 및 선저부에는 수압이 작용하고, 갑판에는 화물이나 갑판기기 등의 중량이 작용하여 단면을 변형시키려 한다. 이러한 힘이 대칭적으로 작용하면 선박의 내측을 향하여 누르게 되고, 반대로 힘이 비대칭으로 작용하면 선체는 한쪽을 향하여 누르게 된다. 이와 같은 현상을 특히 래킹(Racking)이라 한다.





사용자 삽입 이미지
사용자 삽입 이미지





배가 선측으로부터 심한 바람을 받아 옆으로 기울어지거나, 배가 파도중을 항해할 때 전방 또는 후방으로부터 파도나 바람을 비스듬히 받아 파도 또는 풍압의 작용방향이 선수미부에서 서로 달라지게 되면 배의 길이방향을 축으로 하여 비틀려는 비틀림 모멘트가 작용하게 된다.

일반적으로 파도의 길이가 배의 길이와 거의 동일하고 배와 파도의 진행방향이 45°각도이며 파정 또는 파저가 배의 중앙부에 위치할 때 배에 작용하는 비틀림 모멘트가 최대가 된다.



 

사용자 삽입 이미지사용자 삽입 이미지

사용자 삽입 이미지



그 외의 힘으로서 선체의 국부에 부분적으로 작용하는 힘이 있다.

– 팬팅(Panting), 슬래밍(Slamming), 휘핑(Whipping)

– 갑판에 작용하는 파도의 힘

– 풍압

– 건조중, 도크에 입거시 및 진수시에 진수대로부터 받는 선체중량의 반력

– 진수시, 선체에 걸리는 종굽힘의 힘

– 온도차에 의한 종굽힘의 힘

– 용접의 잔류응력

– 침수에 의한 수압

– 액체화물, 산적화물의 이동에 의한 힘

– 접안·좌초·충돌 등에 의한 충격력

– 선체 진동에 의한 힘 등




사용자 삽입 이미지



선체구조의 형식은 보강판 구조로 되어 있는 데, 그 구성은 크게 평판, 늑골, 특설늑골로 구분할 수 있다. 평판이 받은 압력은 주변의 늑골에 힘으로서 작용하고 늑골에 가해진 힘의 합계는 특설늑골이 유지하게 된다. 그위에 복수의 특설늑골로 선체를 구성하고, 선박에 작용하는 전체의 힘은 선체의 외판과 갑판 및 격벽에 전달되어 전체의 화물중량과 선박자체의 중량 등으로 균형을 이루게 된다.


선각을 구조부재별로 구분하면 다음과 같다.


– 갑판구조: 갑판, 보, 횡거어더 등으로 구성된다.

– 선측구조: 선측외판, 늑골, 횡거어더 등으로 구성된다.

– 선저구조: 선저외판, 늑판, 늑골, 횡거어더 등으로 구성된다.

– 격벽구조: 격벽판, 보강재, 보강 거어더 등으로 구성된다.


선체구조의 설계란 “예상되는 모든 하중에 충분히 견딜 수 있는 강도(Strength)와 강성(Stiffness)을 가진 부재의 크기를 결정하고 적절히 배치하는 과정이다.” 라고 말할 수 있으며, 개념설계 → 초기설계 기본설계 → 상세설계 → 생산설계의 단계를 거치게 되며, 거시적인 관점에서 미시적인 관점으로 진행된다.


사용자 삽입 이미지사용자 삽입 이미지사용자 삽입 이미지



일반적으로 선체구조의 설계는 하나의 대표적인 횡단면, 즉 중앙단면을 중심으로 진행되며, 이 단면에서의 부재치수 계산(Scantling)은 선체중앙부의 길이 방향으로 40∼60%에 일정하게 연장된다.


선체 중앙단면에서의 설계가 이와 같이 선체구조 전체를 거의 지배하는 이유는 선체의 종굽힘 모멘트의 최대치가 중앙부에서 발생하고, 또한 선체의 여러 가지 강도들 중에서 종강도가 가장 중요시되기 때문이다. 그러므로 선체의 중앙단면 설계는 매우 중요한 의미를 가지게 되며 중앙단면의 설계에 의해 선각중량 및 중요한 강도들이 거의 결정되어 진다. 따라서 선체구조의 설계는 종강도에 대한 중앙단면 설계, 선수의 Slamming 및 선미진동에 대한 선수미 구조의 설계와 여러 가지 국부 구조의 설계로 대별되며 중앙부와 선수미 구조와의 사이에는 구조의 불연속이 생기지 않도록 부재의 크기를 점차적으로 증감시켜 연속을 시킨다.


선체구조의 설계는 부재의 배치가 얼마나 적절하게 잘되어 있는 가에 달려 있다고 하여도 과언이 아닐 정도로 매우 중요하다. 왜냐하면, 부재의 치수를 결정하는 데에 필요한 설계하중과 허용응력은 하나의 설계기준으로 설정되는 것인데 반하여 부재의 기하학적 조건은 설계자에 의해 자유롭게 선택되어지는 것이기 때문이다.


주요 구조부재의 부재배치에 대한 기본적인 개념은


– 판 부재의 용접선(Seam Line): 여러 가지 표준치수로 생산되는 판 들중 판의 기준폭이 얼마인 것을 사용하는 것이 공작상 또는 배치상 가장 편리한 가를 생각하여야 한다. 이것은 선박의 크기에 따라 다르겠지만, 조선소의 크레인의 용량 및 가공상의 문제를 고려하여 가능한 한 용접선의 수를 줄이는 것이 바람직하다.


– 종, 횡늑골의 간격: 선각 중량 및 건조비에 가장 큰 영향을 미치는 설계 변수이므로 여러 가지 간격에 대하여 검토하여야 한다.


– 종거어더: 종거어더는 횡늑골을 지지해주는 역할을 하고, 또한 거어더의 적절한 배치는 부재의 치수를 감소시켜 주고, 특히 갑판의 격자(Grillage) 구조를 경량화하는 데에 중요한 역할을 한다.





사용자 삽입 이미지

이외에도 많은 것을 생각 할 수 있지만 부재의 배치는 최적 설계 및 공작상의 관점으로부터 선정되어야 하며, 또한 선체 전체의 구조적인 연결이 불연속이 되지 않도록 하여야 한다. 그러므로 부재의 배치는 중앙단면에서만 국한하여 생각하지 말고 일반배치도 등을 참고하여 선체 전체의 구조배치를 고려하여야 한다.



사용자 삽입 이미지





선체강도의 세부 계산은 외력이 부분적이거나 또는 전체적으로 가해지기도 할 뿐만 아니라 힘의 형태도 다양하므로 복잡하게 된다. 또 그 힘은 정적인 힘과 동적인 힘이 동시에 작용, 이로 인하여 종단면 또는 횡단면에서 굽힘 변형, 또 비틂 변형 및 래킹으로 인한 변형이 발생한다. 실제의 선체에 있어서는 다양한 부재들이 서로 연결되어 있으며, 각 부재들의 기능들도 단일하지 아니하므로 어떠한 특정 부재에 걸리는 응력을 정확하게 구하기란 거의 불가능하다. 따라서 고려되어야 할 주안점은 선체의 각 부재가 그들이 사용되는 주목적을 수행할 만큼 충분히 강한가, 또 강도상 돌연한 불연속은 배제되었는가를 밝히는 데에 있다. 적합하게 설계된 선박에서는 항해 중 전체 구조가 외력에 대하여 하나의 탄성범위 내에서 응답하여야 하며, 각 부재는 발생되는 인장 하중 및 압축하중의 적당한 양을 감당할 수 있어야 하며, 어느 부재도 특별히 더 강하거나 더 무겁지 않은 상태이어야 한다.


특히, 선체는 부재수가 매우 많은 복잡한 구조물로서 개개의 부재 모두를 고려하여 해석하는 것은 비경제적이다. 그래서 해석의 대상, 목적, 구조물의 역학적 특성을 고려하여, 적당한 이상화와 적절한 해석법의 선택이 행해져야 한다. 그리고 국부적인 해석과 전체해석이 상호보완적이 되도록 계산을 진행해 나가야 한다.


즉, 국부적인 해석결과를 토대로 역학적 특성을 파악하여 보다 큰 구조물에서 구조부재의 이상화 과정에 반영한다든지, 또는 전체해석에 의해 국부구조의 경계조건을 구해 국부해석을 하는 등의 Cycle을 보다 효율적으로 나타낼 수 있도록 해야 한다.


구조의 이상화는 해석법의 선택, 계산시간, 정도 등과 밀접한 관계가 있어 많은 경험과 공학적인 감각이 필요하다.



사용자 삽입 이미지



3차원 탄성체의 정적응답은 물체 내부에서 힘의 평형에서 얻어지는 평형방정식과 변형의 기하학적 조건에서 얻어지는 변위와 변형도 관계식 및 재료의 특성을 표시하는 응력과 변형도 관계식을 주어진 경계조건 하에서 푸는 것이 일반적이다.

그러나 선체 구조부재에서는 이와 같은 3차원 해석은 매우 복잡하고, 불필요하다. 그래서 구성 부재의 역학적인 특성을 고려하여, 판, 막, 보 및 트러스 등의 구조요소 및 그들의 조합으로 된 구조로 취급하여, 변형상태에 대응하는 개별적인 구조이론을 적용하고 있다.



사용자 삽입 이미지



선체 구조의 해석은 일반적으로 종강도, 횡강도 및 국부강도로 나누어 행해지고 있다.



사용자 삽입 이미지



종굽힘 모멘트가 작용하므로 인하여 얻어지는 응력성분은 강도상으로 가장 중요하므로, 이 응력성분의 결정은 실제 항해 조건과 가능한 한 가까운 가정을 설정하여 용이주도하게 행해져야 한다. 일반적으로 이 응력은 하중곡선을 적분함으로써 얻어지는 종굽힘 모멘트로부터 구해지게 되며, 하중곡선은 중량과 부력의 차를 선체 전체길이에 걸쳐서 연속적으로 나타냄으로써 구할 수 있다. 이 종굽힘 모멘트와 선체횡단면계수를 이용함으로써 보이론에 의하여 상갑판 또는 선저판에서의 응력을 구할 수 있다.



사용자 삽입 이미지사용자 삽입 이미지
사용자 삽입 이미지


 

1) 최소 일의 원리



늑판, 선측 늑골 및 갑판보를 하나의 늑골환을 형성하는 소재로 취급하고 과잉 구속되었다고 보면, 늑골환에 변형에너지 원리가 적용된다고 생각한다. 이 늑골환은 구조물내에 저장되는 변형에너지가 최소로 되는 형태로 변형된다.



2) 모멘트 배분법 또는 Hardy Cross 법



부재들의 연결부에서의 불균형 굽힘 모멘트의 분포는 균형을 취하기 위해 가해지는 굽힘 모멘트와 같으며, 양단이 고정된 보에서 볼 수 있는 바와 같이 한쪽 단에 주어지는 굽힘 모멘트가 반대쪽 단의 기울기나 처짐에 영향을 주지 않는 다는 점이다.



3) 기울기-처짐법



횡격벽들의 간격과 종통 거어더의 효과도 고려한다.

최근의 횡강도 해석은 선박의 다양화, 대형화 및 건조법의 합리화에 따른 구조양식의 변화에 의해, 종래의 횡강도 해석의 개념을 넘어 선창 1개에서 선창 여러개를 포함시키는 입체구조해석이 행해지고 있다. 횡강도 해석에는 유한요소법이 가장 편리하다. Span Point개념을 이용하여 보요소로 치환하여 해석하는 골조구조 해석이 유용하게 사용되고 있다.



사용자 삽입 이미지


사용자 삽입 이미지

사용자 삽입 이미지



강도를 달리 하는 국부변형은 선체의 무거운 중량, 선각 거어더의 처짐, 국부진동 또는 선체 진동, 피로 응력, 입거작업, 슬래밍이나 해상에서의 다른 운동 등에 기인하여 발생할 수 있다. 이러한 문제들의 영향에 대해 어느 정도의 국부보강이 필요한지, 적절한 강도를 갖기 위해서는 어느 정도의 치수를 가져야하는 지를 결정 할 수 있어야 할 것이다. 보, 갑판, 격벽 및 거어더에서의 하중, 모멘트, 응력과 처짐 등은 보통 단순보이론, 변형에너지 법칙, 3모멘트법 등을 사용하여 구하게 된다. 횡갑판 보와 갑판 종통재로 구성되는 갑판 구조물은 격자구조를 형성하며, 이 구조물에 대하여 얻어지는 많은 방정식의 해는 최근에 대형 컴퓨터의 도움으로 용이하게 구할 수 있게 되었다. 용접 브래킷이나 리벳 브래킷과 그 구조물의 강도는 통상 응용역학의 법칙을 이용하여 구해질 수 있고, 압축력을 받는 재료의 강도는 Euler, Timoshenko 등에 의해서 유도된 식을 사용함으로써 구할 수 있다. 또한, 국부강도 해석에서는 종강도, 횡강도 해석 결과에서 얻어진 힘 또는 변위의 경계조건을 이용하여 유한요소법에 의해 처리되는 것이 보통이다.




사용자 삽입 이미지


사용자 삽입 이미지


선박의 진동문제가 구체적인 관심사로 대두된 것은 19세기 말엽이다. 19세기 전반기에 증기왕복동기관·나선프로펠러 추진장치가 실용화되고 또 선체구조 재료가 철강으로 발달하게 되어, 19세기 후반기에는 선박의 고속·고출력·경구조·대형화가 촉진되었다. 이 추세에 따라 많은 배에서 진동문제가 심각하게 야기되었다. 기진원이 주기관·보조기관·프러펠러·파랑·유체유동 등 다양하고 또 구조계 및 선내기계장치 등이 복잡 다양하기 때문에 진동이 없는 선박을 건조한다는 것은 거의 불가능하다. 현재로서는 진동을 효과적으로 제어하여 가급적 최소화하고, 이를 주요 구조부재의 피로파괴, 기계·계기·기구류의 성능보전, 예민한 화물의 안전, 선원·여객의 쾌적한 생활·작업 환경보전 관점에서 평가하여 허용여부를 판단하는 것이 상례이다.



사용자 삽입 이미지사용자 삽입 이미지


사용자 삽입 이미지
사용자 삽입 이미지



1) 기진원별 유기진동



주기관

터어빈주기인 경우 직접적 기진력은 무시할 수 있다. 디젤기관에서 발생하는 기진력은 선체·추진축계·기관본체·기관실 구조 및 관계 등의 진동을 일으킨다.

최근 에너지절약형선 개발 추세하에서 디젤기관이 대구경·장행정·소수실린더·저회전속도화 추세에 있기 때문에 기진력이 커지고, 또 기관회전수의 1, 2차 성분 주파수가 낮아지고 있어 방진설계에서 어려운 과제들이 제기되고 있다.

디젤기관 기진력은 주로

① 운동부품의 불평형관성력 및 동 모우멘트에 기인한 것,

② 실린더내의 주기적 연소압력에 기인한 것,

③ 배기관내의 압력변동에 기인한 부차적인 것 등이다.

①은 선체 저차 상하진동, 선체 저차 수평진동 및 이중저 진동을 발생시키는 데, 선체 수평진동은 선체 비틈진동과의 연성형으로 나타난다. 이는 선체단면 요소의 중심과 전단중심이 일치하지 않기 때문이며 양자간의 거리가 멀수록 연성도가 높다.

②는 추진축계의 비틈진동 및 종진동, 선체 고차진동, 선체 상부구조물의 전후진동, 기관본체 횡진동 및 이중저진동을 발생시키며,

③은 주변 국부진동의 원인이 된다.



프로펠러

프로펠러 기진력은 프로펠러 자체의 불평형으로 인한 것과 프로펠러 날개가 선체후방에서 회전하기 때문에 발생하는 유체역학적 힘으로 구분된다. 유체역학적 힘은 표면전달력과 축전달력으로 구분된다. 프로펠러 자체의 불평형으로 인한 기진력은 프로펠러축 및 베어링을 통하여 선체에 전달되는 데 이는 프로펠러 설계 및 제작에 있어서 평형 및 축계 정열을 적절히 하면 무시될 수 있다.



파 랑

선박이 거칠은 해상상태에서 항해할 때 선수부가 슬래밍(Slamming)을 일으키면 그의 충격력에 의해 선체가 상하 2절 고유진동수와 같은 진동수로 진동하는 경우가 있다. 선수갑판에 부딪치는 해수의 충격력에 의해서도 같은 현상이 나타날 수 있다. 이와 같은 충격적 외력에 의해 유기되는 과도적 선체진동을 휘핑(Whipping)이라 칭한다. 이는 고속선 또는 천수선에서 발생하기 쉽다.

해상이 그다지 나쁜지 않은 상태에서도 주기회전수와는 무관하게 지속적인 선체 2절 진동이 유기되는 경우가 있다. 이를 스프링잉(Springing)이라 칭한다.



유체유동

유체유동 유기진동으로서 중요한 것은 유체관로계진동, 탱크내 액체의 슬로싱(Sloshing)으로 인한 탱크 벽의 진동 및 흐름 속에 놓인 구조물의 와유기진동이다. 이와같은 현상은 소음원이기도 하다.

유체관로계, 즉 기름·물 및 공기 배관계에서의 밸브의 급격한 개폐에 따른 충격작용, 펌프 작동 시 서징(Surging)현상으로 인한 진동이 발생할 수 있다. 이는 배관계의 손상, 작동기계의 성능저하 및 수명단축을 초래한다.

액체화물을 운송하는 선박에 있어서 선체운동이 과도히 클 때 탱크내 액체의 슬로싱 현상, 즉 거대한 액체 덩어리가 탱크 벽을 연속적으로 때림으로써 구조적 손상을 초래하는 수가 있다. 탱크 크기가 클수록 이 문제는 탱크 설계에 있어서 면밀히 검토되어야 한다. 와유기진동이란 흐름 속에 높인 구조물의 경계면에서 흐름의 박리현상이 일어나면서 와류를 형성하는데 기인한 구조물의 진동이다.



2) 진동해석



고유진동

선체저차진동의 해석은 보 거동 유추에 의해 만족할 만한 결과를 얻을 수 있다. 설계가 진행되어 계 특성치들의 분포가 소상히 파악되면 보 이론에 기초한 정밀 계산을 수행할 수 있으며 그 정도는 대체로 5 또는 6차 진동형까지 양호하다.

선체고차진동, 즉 프로펠러 날개진동수(회전수 날개수) 영역의 진동에 있어서는 그 거동이 보 거동으로부터 벗어나게 된다. 즉, 선체횡방향 형상의 변화 등 국부진동의 영향이 크게 나타나므로 이와같은 연성거동을 포괄적으로 해석할 수 있는 방법이 요구된다. 비교적 간단한 모델링방법으로써는 저차진동의 경우와 같이 선체를 하나의 보로 모델링하되 고차진동형에서의 부가수질량·강성을 재평가하여 수정하는 방법, 주선체를 하나의 보로 선저구조를 판으로 모델링하여 결합하는 방법, 선측외판과 종통격벽 각각을 하나의 보로 모델링하여 결합하는 방법, 평면격자 구조로 모델링하는 방법 등이 선종에 따라 선택적으로 적용될 수 있다. 방법론상 가장 바람직한 방법은 유한요소법, 즉 선체전체를 3차원 유한요소로 모델링하는 방법이라고 말할 수 있다. 그러나 이 경우 입력자료 준비와 계산에 워낙 방대한 노력과 시간이 소요되기 때문에 그 규모를 축소하기 위해서 선체후부를 3차원으로 선체전부를 1차원 보요소로 결합하는 모델링방법이 추구되고 있다.

기관 및 축계의 경우에도 초기설계단계에서의 방진을 위한 고전적 근사해석 방법들이 다양하게 제시되고 있다. 그러나 기관 본체진동의 경우 기관의 구조자체가 복잡하고 또 상대적으로 유연한 이중저 구조상에 설치되기 때문에 상호연성도가 크므로 정밀계산을 위해서는 양자의 특성을 모두 파악할 수 있는 해석, 즉 유한요소해석이 불가피하다.



진동응답

선체 저차진동응답은 보거동으로 다루어도 기진력 및 감쇠력이 적정하게 추정되면 정도높은 추산이 가능하다. 그러나 고차진동응답에 대해서는 아직도 미해결문제들이 많다.

현재 선체 진동응답해석의 계산정도는 실치기준 오차계수가 0.5∼1.0 정도만 되어도 좋은 편이라고 생각되는 실정이다. 진동제어가 예방적 방진설계에 의해 만족스럽게 수행되려면 이 오차계수가 0.1이내 정도로 개선되어야 할 것이다. 계산정도 향상을 도모하는 일이 이와 같이 어려운 과제로 되고 있는 이유는 기진력의 평가, 시스템 상호간의 연성효과, 기진력 전달기구 및 감쇠기구 등의 해명 및 이들을 적정하게 고려하는 해석모델링 방법, 부가수질량 등 계 특성치의 평가 등에 있어서 아직도 해결되지 못하고 있는 문제들이 많기 때문이다. 이들 문제점들 중에서 특히 중요한 사항은 다음과 같다.



① 기진력

디젤기관의 기진력, 즉 불평형모멘트, 크로스헤드부 측압(Guide Force) 및 모멘트등은 기관이 선정되면 제작자로부터 비교적 정확한 자료를 공급받을 수 있다. 다만, 크로스헤드부 측압 및 동 모멘트로 인한 기관본체진동의 반력이 선체 및 상부구조에 전달되고, 또 축계진동에 의한 힘이 선체에 전달되는데 이들 전달기구에 대한 규명은 아직도 매우 미흡한 상태이다.

항해중 선박에 작용하는 기관 및 프로펠러 기진력은 각각 여러 가지 차수의 성분으로 구성되고 있을 뿐만 아니라 서로 다른 위치에서 복합적으로 작용하기 때문에 진동응답의 불규칙성이 심하다. 따라서 기진력에 대해 위상관계 및 전달기구 등이 적정하게 평가될 수 있는 응답해석방법이 정립되어야 한다.



② 주선체와 부구조계의 연성거동

선체 진동응답해석에 있어서 중요한 과제의 하나가 쾌적거주성 확보와 관련하여 선체후부 상부구조의 진동응답이다. 상부구조의 전후진동 고유진동수는 선체상하진동의 고차고유진동수 영역에 있다. 또 선체후부는 프로펠러의 표면전달력이 직접 작용하는 선미단부, 기관실구조 및 상부구조로 구성될 뿐만아니라 추진축계, 주기관본체 등 기관기진력을 선체에 전달하는 기구를 포함한다. 따라서 변동수압을 직접 받는 선미저 외판의 진동특성, 축전달기진력과 기관기진력에 대한 축계 및 주기관본체 진동특성의 적정한 평가, 버팀대, 기관지지부 등 전달부분의 적정한 모델링이 중요한 과제이다.



③ 주기관·축계

주기관 본체의 진동에 관련해서 이중저구조와의 연성문제 및 진동에너지의 선체 전달기구의 해명 등이 현재로써 중요한 과제이다. 축계에 대해서는 주기관·축계·플로펠러 연성진동, 특히 종·비틂 연성진동의 현상기구 및 진동에너지의 선체전달기구의 해명이 중요한 과제이다.



④ 감쇠

선체저차진동수 영역의 응답해석에 있어서는 보유추모델링에 의한 정식화 과정에서 구조부재 내부감쇠와 외부감쇠를 합당하게 산입할 수 있다. 유한요소법에 의한 해석에 있어서는 감쇠행렬을 관성행렬과 강성 행렬의 선형조합, 즉 비례감쇠로 취급하는 방법이 사용될 수 있다.



3) 방진설계



진동제어, 즉 진동응답 크기 또는 진동부가응력을 허용치 이하로 억제하기 위해서는 설계과정에서의 예방적 방법과 건조중 또는 건조후 계측결과의 분석·평가에 기초한 사후대책적 방법을 병행하게 되는데, 방진설계는 공진회피설게와 진동응답 허용치 설계로 구분된다. 공진회피설계를 위해서는 계의 고유진동수 및 기진력의 주파수특성이 정확히 파악되어야 하고, 진동응답허용치 설계를 위해서는 응답계산 또는 계측이 정도 높게 이루어져야 한다.



사용자 삽입 이미지






문명의 발달은 인류에게 물질의 풍요로움과 생활의 편리함을 제공해주고 있으나, 반면에 과거에는 생각하지도 못했던 새로운 문제를 제기하고 있다. 소음공해도 기술의 발달과 함께 필연적으로 나타난 문제로서, 선박의 경우 고속화 및 경량화 추세로 인하여 더욱 소음제어 기술의 개발과 이의 적용이 요구되고 있는 실정이다.

일반 상선에 있어서 소음이 문제되기 시작한 시기는 1970년대 초반 유럽에서 선박소음규제를 명문화하기 시작한 때로 이후 1981년 국제해사기구(IMO)에서 “International Code on Noise Levels on Board Ships”가 채택되어 오늘날에는 거의 모든 신조 선박에 대하여 상기조항의 적용이 권고 또는 명문화되기에 이르렀다.

소음레벨 저감문제는 선원 및 여객의 청력보호, 정신신경적 안전 및 작업능률 향상을 위해 조선계약 사양서에 이에 관련된 사항이 명시됨에 따라 그 중요성이 나날이 강조되고 있다.



1) 소음원 및 전파경로



선내소음의 소음원은 주·보기를 비롯한 선내기계장치, 프로펠러, 바람 및 파도 등을 들 수 있다. 바람이나 파도로 인한 소음은 기상 및 해상 상태에 따른 영향으로서 폭로갑판에서 문제될 수 있으나, 선박전반의 소음레벨에는 큰 영향을 주지 않는다. 따라서 선박의 주요 소음원은 프로펠러, 주기관, 감속치차, 발전장치, 공기압축기, 냉동기, 공기조화장치, 보일러 및 송풍기, 기관실 통풍장치, 갑판기계 등이며, 일반적으로 디젤엔젠 등 왕복동기계의 소음이 회전식기계류보다 더 크다. 또 선체구조 방진설계가 만족스럽지 못할 경우 구조체에 심한 진동이 발생하게 되고 선체구조에 부착된 각종 의장품으로부터 소음이 발생한다.

소음원에서 발생된 음향에너지는 공기 및 구조부재를 매체로 하여 주위에 전파되는데 전자를 공기전달소음(Air Borne Noise), 후자를 고체전달소음(Structure Borne Noise)이라 하며, 이는 또한 공기음에서 고체음으로 또는 고체음에서 공기음으로 그 형태를 바꾸어 가면서 전파한다. 선체구조는 육상구조물과는 달리 상대적으로 중량이 가벼우며 강제 용접구조물이고 또 강도 및 수밀 유지관점에서 구조적 불연속성을 피하고 있기 때문에 고체전달소음의 이상적인 전파매채로 작용한다. 따라서 거주구역의 소음레벨은 주로 고체전달소음에 의해 결정된다.



사용자 삽입 이미지



2) 소음해석



선내 특정 장소의 소음레벨 예측은 실선 자료, 즉 과거의 실적에 기초한 간이계산 방법 음향학 이론이 원용된 해석적 방법, 통계적 에너지해석 방법, 도파관(Wave Guide) 모델링 방법 등을 들 수 있다. 그러나 이와 같은 해석방법에 의할 경우일지라도 소음원의 레벨, 흡음계수, 결합손실계수 등의 제 특성은 실측 내지는 경험식에 의존하고 있는 상황이어서 아직도 많은 실험적 또는 이론적 연구를 필요로 하고 있다.



3) 소음평가 및 대책



계기의 선택, 계측방법, 계측결과의 보고 양식 및 허용기준에 기준을 둔 평가, 대책 강구 등은 일차적으로 국제해사기구의 권고사항에 합당하여야 하며, 또 필요에 따라서 각국 정부 또는 관련 기관의 규제사항도 만족되어야 한다.

소음레벨을 낮추는 가장 효과적인 방법은 소음원의 음향에너지 또는 진동에너지를 낮추는 일인데, 이는 일차적으로 기계류 제작자의 노력과 함께 장비지지부 구조의 합리적설계에 의해 이루어 질 수 있다. 기계류가 선정된 후에는 선실 배치, 기계류의 배치, 소음전달 경로에서의 차음 또는 흡음 대책 강구에 의해 소음레벨을 낮추도록 하고, 또 필요에 따라 인체 보호대책이 강구되어야 한다. 차음 또는 흡음 대책에 사용되는 재료는 내열·내화성이 우수한 재료이어야 하는데, 선박용으로서는 특히 “해상에서의 인명의 안전에 관한 국제회의(SOLAS) 1974년도 협약”에 따른 요구사항이 만족되어야 한다.

서진우

서진우

슈퍼컴퓨팅 전문 기업 클루닉스/ 상무(기술이사)/ 정보시스템감리사/ 시스존 블로그 운영자

You may also like...

페이스북/트위트/구글 계정으로 댓글 가능합니다.