11. 선체 구조설계 및 안전성 평가

11.1 선체 구조설계 및 안전성 평가

선체 구조는 매우 복잡하여 정확한 하중 추정과 구조해석에 바탕을 둔 설계가 사실상 어렵다. 실제 해상에서 발생하는 파도에 대한 정보가 많이 축적되어 있다고는 하지만, 아직도 불확실성이 크기 때문에 파랑하중의 추정 및 해석 시에는 확률적 고려가 필요하다. 선체의 구조 거동 해석 시, 구조의 이상화 과정에 해석자의 주관이 개입될 개연성이 있고, 사용하는 재료의 특성 역시 이론적으로 가정하는 것처럼 균일하기 힘들며, 배의 건조 과정에서도 모든 부재가 도면대로 정확하게 제작되는 것은 사실상 불가능하다. 이와 같은 여러 가지 이유 때문에 선체 구조 거동의 추정은 확률적 특성을 무시할 수 없다. 예전에는 선체 구조설계 과정에서 실적선의 경험을 바탕으로 하여 허용응력, 안전계수 등의 개념을 사용하여 처리하는 것이 일반적인 관행이었으나, 최근에는 통계 이론과 신뢰성 해석기법을 적용하여 좀 더 합리적으로 구조설계를 수행하고자 하는 노력이 경주되고 있다.

 

 

11.1.1 선체 구조설계

선체 구조설계는 다음과 같은 두 가지의 서로 상충되는 조건을 조화롭게 만족시켜 최적의 결과를 이끌어 내는 과정이라고 할 수 있다. 먼저 선주가 요구하는 재화중량, 선속 등 선박의 성능과 관련된 기능적 요구 조건을 만족하면서 경제적으로도 배의 중량을 최소화함으로써, 건조비와 운항비를 최소화할 수 있도록 설계되어야 한다. 다음으로는 승무원이나 승객 등 인명의 안전과 공익 차원에서의 해상 오염방지 등을 위하여 선박의 안전성을 보장할 수 있도록 설계되어야 하며, 이와 관련하여서는 각국 정부, 국제기구 또는 선급에서 제도적으로 엄격하게 관리, 감독하고 있다. 다시 말하면, 선체 구조설계는 경제적 측면에서 최소의 건조비와 유지비를 추구하되 동시에 안전성 측면에서 예상되는 모든 경우의 하중 상태에 충분히 견딜 수 있도록 부재의 배치와 치수를 결정하는 과정이라고 할 수 있고 다음과 같은 단계로 요약된다. 

 

 

1. 초기 구조설계(부재 배치 및 치수 결정)

일반적으로 화물창의 크기나 기관실, 통로, 거주구의 위치, 하역설비, 항해장비 등 제반 설비의 크기와 위치를 고려하여 선체구획이 결정되면 그다음 단계로 각종 구조부재의 배치와 치수를 결정한다. 합리적인 선체 구조설계를 위해서는 하중의 추정에서 건조에 이르는 전 과정을 고려하여 개념설계→기본설계→상세설계→생산설계를 거치면서 거시적 관점에서 미시적 관점으로 진행한다. 즉, 전체적인 뼈대와 큰 부재들의 크기와 치수를 우선 결정한 다음 세부적인 부분 구조의 설계가 이루어진다.

부재의 치수 결정 과정은 강도, 중량, 충격, 피로, 진동, 건조비, 유지, 보수 등에 대해 상호간의 중요도를 고려하여 결정하며 사용 재료는 요구되는 강도를 만족하는 재료 중 중량/강도 비 또는 가격/강도 비 등 구조 효율을 고려하여 결정한다.

일반적으로 파랑 중 선체의 구조 거동은 3단계로 분류할 수 있다.

 

1차 거동(primary response): 선체거더의 전체적인 휨 거동
2차 거동(secondary response): 대형 보강재 등 복합 구조의 거동
3차 거동(tertiary response): 보강판의 국부적인 거동

 

 

1차거동은 선체를 중량, 부력 등 분포 하중을 받는 하나의 보(beam)로 가정하고 정수 중 또는 파도 중에서 받는 굽힘모멘트의 크기와 이를 견디기 위한 선체 횡단면 형상 설계에 영향을 주며, 2차 거동은 이를 좀 더 세분한 화물창 하나 정도의 구조 거동을 의미한다. 3차 거동은 판 및 보강재, 브래킷 등의 세부적 부분에 발생하는 응력집중이 관심 대상이 된다. 선체의 구조설계는 이와 같이 1차에서 3차 거동으로, 전체적인 관점에서 국부적인 관점으로 범위를 좁혀 가면서 진행된다. 앞에서 설명한 것과 같이 선체 구조설계에 있어서 가장 중요하게 고려되는 부분은 선체 거더의 굽힘 거동에 대한 종강도 확보이며, 종강도 측면에서 가장 우선적으로 검토되는 부분이 선체 중앙부의 횡단면 형상이다. 선체의 중앙 횡단면이 설계된 다음 이를 기준으로 약간의 변형 및 수정 과정을 통해 선체 길이방향으로 다른 위치에 있는 단면에서의 횡단면 형상을 결정한다. 따라서 중앙 횡단면의 설계는 선체 전체의 강도와 건조비를 좌우하는 매우 중요한 작업이다. 중앙 횡단면의 설계 과정은 다음과 같다.

 

1) 중앙횡단면의 단면 형상 결정

선체 구획배치 설계 단계에서 먼저 중앙 횡단면의 형상을 결정한다. 이것은 수밀 부재 및 선체 구획의 형상 설계를 완료한다는 의미이며, 대체로 선종에 따라 최적화된 전형적인 형상이 존재한다. 따라서 실직선 중 유사한 선박을 기준으로 하여 이를 적절히 변형함으로써 설계를 진행하는 것이 통상적이다. 손상시복원성(damaged stability) 확보와 해상 오염방지 그리고 밸러스트(ballast) 탱크의 용량을 감안하여 내부선저의 높이를 결정하고, 충돌, 좌초 시 안전성 확보를 고려하여 선수 격벽의 위치를 결정한다. 특히 유조선의 경우 선저외판과 내저판 사이 공간에 밸러스트를 다량으로 적재하게 되므로 이를 고려하여 높이를 결정한다. 화물의 하역작업을 고려하여 창구개구(hatch opening)의 크기가 정해진다.

 

2) 부재 배치

부재의 배치 방법은 구조 형식이 종늑골 방식인가 또는 회늑골 방식인가에 따라 달라질 수 있으나 앞서 설명한 바와 같이 대체로 표준화된 전형적인 방식에 따르게 된다. 현재 국내 대형 조선사에서 주로 건조되고 있는 유조선, 컨테이너선 등 대형 전용화물선들이 대부분 종늑골 방식을 채택하고 있기 때문에 여기서도 이를 기준으로 설명한다.

종방향의 대형 거더와 횡방향의 특설늑골(web frame)을 가로 세로로 얽히게 배치하여 종강도와 횡강도를 동시에 만족시킬 수 있도록 한다. 경우에 따라 갑판 사이의 간격 유지와 수직방향의 하중을 견딜 수 있도록 기둥(pillar)을 설치한다. 실제 구조 배치에 있어서 가장 중요한 부분은 종늑골(longditudinal) 간격과 특설 늑골의 간격이며, 제작의 편의성과 전체적인 구조적 연속성을 고려하여 결정하지만 이 간격은 외판의 두께 결정에 영향을 준다.

 

3) 부재 치수 결정

중앙횡단면에서의 구획과 부재 배치가 결정되면 각 부재의 치수를 결정하는 과정이 뒤따른다. 즉 판재인 경우는 두께를 결정해야 하고, 보강재인 경우는 굽힘 강성을 고려하여 단면적과 단면계수(section modulus)를 결정한다. 이 과정은 선급의 규정에 따라 이루어지기 때문에 흔히 선급규칙에 의한 치수계산(rule scantling)이라고 칭하며, 2단계로 이루어진다. 그 첫 단계에서는 국부 강도가 고려된 선급규칙의 계산식에 의해 부재의 치수(판 두께, 늑골의 단면 계수)를 결정하며, 설계하중, 허용응력, 안전계수(safety factor), 좌굴 강도, 부식여유치 등을 고려하여 판 두께와 종늑골, 거더들의 치수를 결정한다. 두 번째 단계에서는 설계된 중앙 횡단면 단면 계수를 계산하고 선체 거더의 굽힘 응력을 고려하여 종강도를 검토함으로써 중앙 횡단면 설계를 마무리한다. 이때, 굽힘 응력이 선급의 요구치를 만족하도록 주로 갑판 및 선저 구조부재의 치수를 조정하여 종강도를 검토하는 과정을 반복적으로 수행한다. 이렇게 중앙 횡단면의 구조 설계가 이루어지면 마지막으로 횡강도와 국부좌굴, 피로강도 등을 검토하여 전체적인 초기 구조설계를 마무리한다.

 

 

2. 구조해석 및 안전성 평가

앞에서 살펴 본 바와 같이 선체의 초기 구조설계 과정은 기본적으로 종강도 및 주요 부재의 국부적인 강도 검토를 바탕으로 하여 이루어진다. 일단 초기 구조 설계가 이루어지면 앞서 소개한 여러 가지 구조해석법을 이용하여 이에 대한 좀 더 상세한 안전성 평가 작업이 수행되며, 구조해석 결과를 감독기관(선급)의 설계 기준과 비교 검토함으로써 안전성을 평가한다. 구조 안전성의 확보는 결국 구조물의 파괴 가능성을 최소화하는 것이기 때문에 여러 가지 파괴 양식에 대한 면밀한 검토가 필요하다. 

 

 

3. 최적 구조설계

구조해석 결과 안전성에 대한 요구조건이 만족되지 않으면 해석 결과를 참조하여 설계 개선이 이루어지며, 도출된 재설계 안에 대하여 다시 구조 안전성을 평가한다. 안전성이 만족되면, 위에서 설명한 과정을 최소 중량, 최소 건조비, 최소 유지비를 위한 합리적인 최적의 구조 설계가 도출될 때까지 반복한다.