9. 선체에 작용하는 힘

9.1 선체에 작용하는 힘

선박의 전반적인 형상은 전체적인 공간의 활용을 우선적으로 고려한 구획의 관점에서 결정된다. 그러나 판재의 두께라든지 보강재의 형상 및 치수 등 세부적인 사항은 배가 그 수명 동안 받을 내부 또는 외부 하중을 잘 견디어 손상이 없이 안전하게 항해할 수 있도록 설계되어야 한다. 배에 작용하는 힘은 선체, 탑재된 기계류 및 화물 등의 자중과 물의 부력, 파랑으로 인한 직접적인 변동수압에 기안하는 힘과 운동에 기인하는 관성력이 주요 성분이며, 액체화물의 유동 또는 파도에 의한 유체충격력, 도크에 입거 시 작용하는 하중 등 다양한 하중도 고려해야 한다. 여기서는 선체의 구조설계 단계에서 고려되어야 하는 하중에 대해 살펴본다.

 

9.1.1 선박의 구조설계 하중

1. 정적하중(static load)

정적하중은 시간의 경과에 따라 변화하지 않고 일정한 크기를 가지는 하중을 말한다. 선체 자체, 탑재된 기관 등 의장품, 적재된 화물의 중량과 내부탱크 벽면에 작용하는 수정압, 선체 외판에 작용하는 수정압 등이 이에 해당한다. 액화가스와 같은 초저온 화물을 싣는 경우 부위별 온도 차이와 열팽창에 의한 하중도 정적하중으로 간주할 수 있다.

 

2. 파랑하중(wave induced load)

선박의 구조설계에서 가장 중요하게 고려하는 하중이다. 시간에 따라 변화하는, 즉 동적인 하중이지만 작용 주기가 수초~수분으로 비교적 길기 때문에 구조물의 동적변형을 유발하지는 않는다. 파도 중에 있는 배는 선체 외박에 변동수압을 받으며, 또한 횡동요와 종동요 등 선체의 운동이 유발되어 이 운동의 가속도에 기인하는 관성력을 추가로 받게 된다. 일반적으로 대형 상선의 경우 이 가속도의 최대치는 중력가속도의 50% 정도에 이르고, 소형 고속선인 경우에는 훨씬 더 큰 값을 가지므로 이에 대한 고려는 필수적이다.

파랑하중에 의한 선체구조의 거동은 파랑 자체의 불규칙성 때문에 정확한 해석은 힘들다. 그러나 과거 수십 년 동안 전 세계 주요 해역에 대한 파랑 자료들이 수집, 정리되어 있어 이 자료들을 이용한 통계적 해석법이 많이 사용되고 있다.

 

3. 충격하중

파도 속을 운항하는 배는 물과의 상호 작용에 의해 여러 가지의 충격력을 받는다. 과도한 종동요로 인하여 수면 밖으로 들어 올려 진 선수가 밑으로 내려갈 때, 파도에 기인하여 상승하고 있는 수면과 충돌하여 순간적인 충격을 받는 현상을 슬래밍(slamming)이라고 한다. 이때 발생하는 충격력은 국부적으로 선저외판과 플래어(flare) 부분에 발생하는 손상의 주요 원인이 될 뿐만 아니라, 선체 종방향으로 변위가 제법 큰 진동, 즉 위핑(whipping) 현상을 유발함으로써 선체 전체의 구조 안전성에 큰 위협이 된다. 함정 설계에서도 수중에서 폭탄이 폭발하는 경우에 대비하여 충격파나 맥동하는 기체 버블(bubble)에 의한 위핑의 영향을 고려하게 된다.

유조선과 같이 액체화물을 적재하는 선박에서는 액체의 유동에 의해 발생하는 탱크 내부의 파도가 탱크 내벽과 충돌할 때 큰 충격압력이 발생한다. 이러한 현상을 슬로싱(sloshing)이라고 하며 슬로싱에 의해 내부 부재가 손상되는 사고가 흔히 보고되고 있다. 특히 LNG선에서는 탱크 내부에 액체 유동을 저감시킬 수 있는 내부 보강재가 전혀 없는 경우가 대부분이기 때문에 슬로싱 현상이 매우 심하게 발생할 수 있다. 더욱 최근에는 LNG선의 탱크가 대형화되는 경향이 있으므로 슬로싱 현상을 이해하고 이에 대비한 탱크 설계를 함으로써 탱크의 구조적 안전성을 확보하기 위해 슬로싱에 관한 연구가 집중적으로 이루어지고 있다.

 

4. 국부하중

비중이 큰 중량물을 탑재 또는 적재하는 경우에는 그 무게를 고려하여 중량물의 주위를 별도로 보강한다. 갑판크레인, 주기관, 헬기착륙장 등이 이에 해당한다. 부재들의 연결부나 개구부의 모서리와 같이 구조 형상이 갑자기 변화하는 부위는 다른 부분에 비해 응력이 급격히 커지는 응력집중(stress concetration) 현상이 발생하므로 세심한 배려가 필요하다.

 

5. 기타

태안의 유조선 누출사고와 같이 선박이 다른 선박이나 부유체에 충돌하는 경우나 또는 좌초(grounding) 사고가 발생하는 경우에 대비하여 화물창 내부 손상이 최소한으로 억제될 수 있도록 구조설계가 이루어져야 하며, 사고로 인하여 화물창이 침수될 때 발생하는 수압에 대한 안전성도 검토되어야 한다. 쇄빙선이나 내빙(ice-strengthened) 상선과 같이 극지를 운항하는 선박에서는 빙산이나 빙판과의 충돌 시 받는 하중을 고려하여 선체에 치명적인 손상이 발생하지 않도록 구조설계가 이루어져야 한다. 그 외에도 추진기나 선체부가물에 의한 동유체력, 주기관, 보기의 회전에 기인하는 진동 등에 의한 하중도 고려해야 한다.

 

 

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9.1.2 하중의 통계적 특성

바다를 운항하는 배가 만나게 되는 파도는 시기별 지역별로 항상 변화하기 때문에 이로 인한 파랑하중 역시 확률적인 분포를 보이며 오랫동안 수집된 통계적 자료를 바탕으로 결정된다. 너무 안전한 설계만을 추구하다 보면 발생할 확률이 매우 작은, 너무 큰 파도를 상정하여 구조설계가 이루어지게 되므로 부재의 치수가 너무 커지고 선박의 무게가 증가한다. 이에 따라 건조비 상승은 물론 적재할 수 있는 화물의 용량도 감소하여, 경제적으로는 실패할 선박이 되기 쉽다. 그러므로 선박의 구조설계를 위한 하중은 그동안 건조되었던 실적선의 자료와 해양파(ocean wave)에 대한 통계자료를 바탕으로 결정된다. 최근에는 확률 및 통계이론에 근거한 신뢰성해석(reliability analysis)을 수행함에 있어, 해양파의 통계적 관측자료를 직접 이용하고, 여러 방향에서 입사하는 다양한 종류의 파도에 대해 수동역학적으로 선체 운동을 해석함으로써, 선체의 파손가능성을 확률적으로 예측하는 직접 해석(direct analysis) 기법이 점차 많이 사용되고 있다.