KR100187710B1 - 배의 선체구조물 - Google Patents
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Abstract
배의 선체 구조물에서, 외판은 외면(6),중심부(7), 및 내면(8)을 갖춘 합성 부재로 구성되어 있다. 외판은 다수의 종방향 보강재(1 내지 5)를 포함하는 보강 골조상에 설치된다. 본 발명의 선체 구조물에서, 내면(8)은 외부 수압에 대한 격막부재로서 구성되었고, 중심부(7)는 압력을 흡수하는 부재로서 구성되었으며, 외면(6)은 주로 급힘응력을 받는 부재로서 구성되었다. 격막부재로서 구성된 내면(8)은 인장응력을 받으면서 외부의 국부적인 응력에 대해서 보호된다. 중심부의 재료가 전단응력에 견딜 수 있도록 선택될 필요가 없다. 외면은 주로 국부적인 충격부하에 견딜 수 있도록 설계되었다.
Description
본 발명은 배의 선체구조물에 관한 것이며, 특히 외판(skin plate)이 보강 골조(stiffening framework)의 종보강재(longitudinal stiffener)상에 놓이며 외면, 심재(core) 및 내면을 갖춘 합성부재로서 구성되고, 상기 외판이 격막 효과(diaphragm effect)에 의해서 외부 수압을 견디도록 설계된 배의 선체구조물에 관한 것이다.
여기서 '외판(skin plate)'이라는 용어는 2개의 서로 인접한 종보강재 사이의 판을 의미하며, 또한 서로 연결된 다수의 외판들로 이루어진 넓은 지역의 판을 의미하기도 한다.
종래의 선체에 있어서, 판과 보강재의 구조물은 주로 판이 굽힘응력을 지지하도록 구성되어 있다. 외력은 판으로부터 주 보강재(통상적으로 종보강재)로 전달되어보조 보강재(통상적으로 횡보강재; transverse stiffener)로 전달되며, 그리고 나서 선박의 보(beam)를 따라서 분포되도록 선박의 측면이나 종격벽(longitudinal bulkhead)으로 전달된다. 소형 선박에서는 대체로 외판이 2중 곡선의 형태를 갖고 있다. 이는, 외부압력이 주로 압축응력으로서 작용되게 한다(외판효과; shell effect).
이와같은 종래의 설계에 따라서 선체를 건조하는 경우에는 중량 또는 제조가에 대해서 최적화시키게 된다. 최적 중량의 건조는 비교적 얇은 외판과 소형 골조의 주 보강재 및 보조 보강재에 의해 이루어지지만, 제조가 비싼 복잡한 구조를 야기시키게 된다. 그리고, 이와 같은 복잡한 구조는 몇 가지 문제점을 일으킨다. 유리섬유, 강철, 또는 알루미늄으로 제조된 선체에 있어서 서로 다른 보강재들의 사이에는 일련의 복잡한 연결부재가 삽입되는데, 이러한 연결부에서 피로(fatigue)나 층의 분리(delamination)로 인한 균열(cracking)이 쉽게 발생할 수 있다.
통상적으로, 선체의 모든 부품들은 응력의 크기가 허용 탄성응력 이하가 되도록 그 치수가 정해진다. 판에 과부하가 가해지는 경우에, 보강재와의 부착 지점들에서 국부적인 변형이 발생하게 되고, 판의 내부의 힘은 굽힘응력으로부터 점진적으로 인장응력(격막응력)으로 된다. 이는 금속제 선체에 영구변형(좌굴)을 일으키고, 유리섬유 선체에서는 국부적인 균열을 발생시킨다.
중량 및 제조가를 감소시키기 위한 선체구조가 계속해서 연구되고 있다. 예를 들어, 금속제 선체에 대해서는 미국특허공보 제4,638,754호에 개시된 바와 같이 격막효과가 제시되었는데, 판은 바깥쪽에서 볼 때 오목한 곡률을 갖는다. 또한, 서로 적층되어 있는 외면, 심재 및 내면을 갖춘 소위 샌드위치 부재 또는 합성부재로서 구성되는 외판에 격막을 사용하는 것이 제안되었다. 이와 관련하여, 국제특허출원 제 PCT/NO 90/00188호에 개시된 바에 따르면, 외판은 바깥쪽에서 볼대 오목한 형상으로 구성된다. 이러한 외판은 박판형태의 부재로 설치되며, 이에 따라서 소위 격막구조가 오목한 형태로 제공된다. 즉, 인장응력에 의해서 외압을 견디는 오목한 외판이 제공되는 것이다. 이러한 종래의 구조에 따른 한가지 결점은 외측 선체의 기하가 제한된다는 것이다. 또한, 상기 국제특허출원 제 PCT/NO 90/00188호에 개시된 바와 같은 구조는 심재의 전단강도에 대한 제한을 갖는다.
그러나, 이와 같은 결점에도 불구하고 상기 국제특허출원에 개시된 발명의 개념은 기술적으로 진보성을 가지는 것이며, 본 발명의 목적은 이러한 발명의 개념을 이용하는 동시에 전술한 바와 같은 결점이 제거 되거나 상당히 감소된 선체 구조물을 제공하는 것이다. 본 발명의 한가지 특별한 목적은, 종래의 실시예에서 전단파괴 또는 국부적 좌굴을 발생시켰던 과부하가 존재함에도 불구하고 그리고 외부면이 매끄러운 선체의 형태로 제공됨에도 불구하고, 소정의 격막효과를 유지시키는 외판을 형성하는 것이다. 이와 같은 목적은 격막효과를 제공하는 부재를 외부능력에 대해 보호하는 외판을 설치하는 동시에, 심재 내에서의 전단파괴가 상당히 감소될 수 있도록 외판 내에 심재를 포함시킴으로써 달성된다.
본 발명에 따라서, 외판이 보강골조 내의 종보강재들 상에 설치되면 외면, 심재 및 내면을 갖춘 합성부재로서 구성되고, 격막효과를 이용하여 외부 수압을 지지하도록 설계된 배의 선체 구조물에 있어서, 외판의 내면만이 외부 수압에 대한 격막부재로서 구성되며, 심재는 압력수용부재로 그리고 외면은 심재에 의해 직접적으로 지지되는 주 측면 응력부재로서 구성되는 것을 특징으로 하는 배의 선체 구조물이 제공된다.
본 발명에 따르면, 격막부재로서 작용하는 내면의 인장응력에 의해서 외부 하중(분포 압력)이 지지된다.
심재는 외부 압력을 순수한 압축응력으로서 전달한다.
심재는 실질적인 국부 하중에 알맞도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 디슬러징 또는 폭발 하중(desludging/explosion load)과 같은 충격하중에 노출되는 지역에서 지지물의 지지부분 내에 최대 부하를 피하기 위하여 쿠션 혹은 탄성을 갖는 심재가 사용될 수도 있다.
외면 또는 외부박판이 주로 국부적인 충격하중에 견디도록 구성될 수 있다.
본 발명에 따른 선체 구조물에 의하여, 박판평면 내의 압축응력에 따른 좌굴 및 층의 분리에 관계된 문제들이 해결된다. 내면의 재료는 허용 압축응력보다 훨씬 큰 최대인장응력에까지 사용될 수 있다. 이에 따라서, 선체구조물의 중량을 감소시킬 수가 있다. 격막부재에 대한 힘의 지지는 내면 혹은 내부박판의 구조에서 허용오차의 크기를 감소시킨다.
심재가 외압을 순순한 압축응력으로 전달하기 때문에, 심재는 특별히 커다란 전단강도를 필요로 하지 않는다. 따라서, 심재 내에서의 전단파괴의 위험성이 거의 제거된다. 또한, 심재의 비중량도 감소될 수 있다.
외면이 주로 국부적인 충격하중을 지지하도록 구성될 수 있기 때문에, 과부하(전단파괴 및 국부적 좌굴)로 인한 층의 분리가 실질적으로 방지될 수 있다. 부유물 등에 의한 국부적인 손상은 선체의 강도에 영향을 주지 않으며, 이러한 국부적인 손상은 수리된 외면 또는 심재의 강도를 보강할 필요 없이 용이하게 수리될 수 있다.
격막부재로서 작용하는 내면이 외면과 심재에 의해서 보호되는 선체의 안쪽으로 놓여지기 때문에, 외부 하중을 지지하는 내면은 손상으로부터 잘 보호된다.
본 발명에 따라, 격막부재로서 형성된 내면과 주로 굽힘응력을 받는 외면은 보강골조 내의 종보강재들과 접촉하는 영역 내에서 서로에 대해 고정되어 직접 접촉하도록 놓여질 수도 있다.
이러한 실시예에서의 특별한 이점은, 격막부재와 이에 인접한 외면사이에서(각각의 종보강재의 다른 측면상에서) 연결이 이루어지므로, 내면내의 인장응력이 인접한 외면으로 바람직하게 전달된다는 점이다.
이하, 첨부된 다음의 도면들을 참조하여 본 발명을 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.
제1 도는 본 발명에 따른 배의 절반부에 대한 횡단면도이다.
제2 도는 본 발명에 따른 변형된 외판부의 횡단면도이다.
먼저 제1 단면도를 참조하면, 본발명이 초계정과 같이 고속으로 항해하는 소형의 단일 선체(single hull) 선박에 적용된 실시예가 도시되어 있다. 제1도는 배의 중앙 횡단면의 절반부만을 도시한 것이다. 선체구조물은 다수의 종 리브 또는 종보강재(1 내지 5)를 포함하고 있다. 또한, 선체구조물 은 종보강재의 내측에 횡보강재(도시 안됨)를 포함하고 있으며, 또한 선저보(bottom beam) 및 갑판 보(deck beam)등을 포함하고 있는데, 이들 부재들은 배의 선체 내에서 사용되는 공지의 부재들로서 제1도에서는 본 발명의 설명상 특별히 도시되지는 않았다.
배의 외판은 소위 샌드위치 구조, 즉 외면(6),심재(7), 및 내면(8)으로 이루어져 있다. 내면(8)은 종보강재들 사이에 격막부재로서 구성되어 있는데, 예를 들어서 종보강재(4 및 5)의 사이에 제공되어 있는 외판(9)과 같이 그 내면이 안쪽으로 오목한 형상의 단면을 갖추고 있다. 제1도에 도시된 바와 같이, 이러한 오목한 판은 인접한 한 쌍의 종보강재 각각의 사이에 형성된다. 예외적으로, 만곡부(bilge) 영역 내의 종보강재(2,3)의 사이에 제공된 판만은 통상적인 곡률을 갖고 있다.
외면(6)은 종래의 판형태로 구성되는데, 즉 매끄러운 선형을 위한 통상적인 골조를 따른다.
제2도를 참조하면, 샌드위치 외판은 종보강재(10,11,12)사이에 오목한 내면(13)을 갖춘 형태로 구성되어 있다. 이러한 오목한 판은 제1도에서와 마찬가지로 배의 이물(bow)로부터 고물(stern)까지 연속적으로 연장되어 있다. 제1도의 실시예에서와 마찬가지로 제2도의 실시예에서도, 외면(14)은 평탄하고 부드러운 골조를 따르는 통상적인 곡률을 갖는다.
제1도에서는 심재(7)가 내면(8)과 외면(6)의 사이는 물론 종보강재의 영역 내에도 제공되어 있는 반면에, 제2도에서는 심재(15)가 종보강재(10,11,12)상에서는 생략되어 있다. 따라서, 격막부재로 작용하는 내면(13)과 주굽힘응력을 받는 외면(14,14',14)은 서로 직접적으로 접촉한다. 그러므로 제2도의 실시예에 따르면, 내면(13) 내의 인장응력이 인접한 외면으로 전달된다. 즉, 종보강재(11,12)에서 내면과 외면이 서로에 대해 고정된 상태로 직접 접촉하도록 놓여져 있기 때문에, 내면(13) 내의 인장응력은 인접한 외면(14' 및 14)으로 바람직하게 전달된다.
제1도 및 제2도에 의하여, 외부하중(분포 압력)이 내부 격막으로서 작용하는 내면의 인장응력에 의해서 지지되고, 압축응력으로 인항 체적변화(bulking) 및 층의 분리(delamination)에 관련된 문제점들이 해소된다. 따라서, 각각의 재료는 허용압축응력보다 훨씬 큰 최대 인장응력에 이를 때 까지 사용될수 있다. 이는, 선체의 중량을 감소시키는 효과를 제공하다. 격막부재에 대한 지지력은 내면의 설치시에 허용오차의 필요성을 감소시킨다.
심재는 순수한 압축응력으로서의 압력을 전달한다. 따라서, 심재가 큰 전단강도를 가질 필요가 없으며, 이러한 심재 내에서의 전단파괴의 위험이 해소된다. 또한, 심재의 비중량도 감소될 수 있다.
외면은 주로 국부적인 충격하중을 지지하도록 구성될 수 있다. 과부하(전단파괴 또는 국부적 체적변화)로 인한 층 분리의 위험성이 해소된다. 부유물 등으로 인한 국부적인 손상은 선체의 상도에 영향을 미치지 못하며, 이러한 국부적인 손상은 수리된 외면 또는 심재의 강도를 보강할 필요 없이 용이하게 수리될 수 있다. 외부 하중을 지지하는 내면은 손상에 대해서 잘 보호된다.
격막효과를 이용함으로써 횡보강재(도시 안됨)는 외판과 접촉할 필요가 없다. 따라서, 직선형 보강재나 표준의 선체 부품들을 사용할 수 있다.
선체구조물에 있어서, 내면에 사용되는 선체의 재료로 유리섬유, 탄소섬유, 및 상표명 케블라(KevlarR)등의 함성재료가 사용될 수 있다. 외면의 재료로는 상표명 케블라 또는 적절한 섬유재를 함유한 유리섬유 보강 폴리에스터 등과 같은 단단한 물질이 사용될 수 있다.
다른 혼합식 방법으로서, 보강된 내면이 금속(알루미늄)으로 만들어질 수도 있다. 심재는 아교접착(바람직하게는 분무 방식으로)되며, 외면은 적절한 합성재료인 통상의 박판으로서 그 위에 놓여진다. 따라서 구조물의 외면은 플라스틱선체로, 내면은 알루미늄 선체로 나타날 수 있다. 이는, 특정한 경우에 생산성 및 강도(얇은 알루미늄 격막의 보호)의 측면에서 바람직하다.
본 발명은, 예를 들어 통상적인 적층 방법과 같은 당업자가 인식할 수 있는 종래 기술의 조합에 의해 달성될 수도 있다. 전술한 바와 같이, 외판은 2개의 종보강재 사이의 판일 수 있으며, 또한 다수의 종보강재에 걸쳐 연장되어 있는 넓은 지역의 판일 수도 있다.
Claims (4)
- 배의 선체 구조물로서, 보강골조 내의 종보강재(1-5 및 10-12)가 외면(6,14), 심재(7,15), 및 내면(8,13)을 갖춘 함성부재로서 구성된 외판(6-8 및 13-15)으로 덮여져있고, 상기 외판이 격막효과를 이용하여 외부 수압을 지지하도록 설계되어 있는 선체 구조물에 있어서, 상기 내면(8,13)만이 상기 외부 수압에 대한 격막부재로서 구성되고, 상기 심재(7,15) 및 상기 외면(6,14)은 각각 압력흡수부재 및 주 측면응력부재로서 제조되는 것을 특징으로 하는 선체 구조물.
- 제1항에 있어서, 격막부재로서 형성된 상기 내면(13) 및 주 측면응력부재로서 형성된 상기 외면(14)이 상기 보강골조 내의 상기 종보강재(11,12)와의 접촉지역에서 고정적으로 상호 직접 접촉하는 것을 특징으로 하는 선체 구조물.
- 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 내면이 알루미늄 등의 금속으로 제조되고, 상기 외면은 플라스틱 재료로 제조되는 것을 특징으로 하는 선체 구조물.
- 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 심재가 완충용 탄성재료로 구성되는 것을 특징으로 하는 선체 구조물.
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