KR101879950B1 - 충격 흡수용 탄성 부재 층이 형성된 단일 선체 구조 - Google Patents

Abstract

본 발명은 충격 흡수용 탄성 부재 층이 형성된 단일 선체 구조에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 종래의 이중 선체 구조에 비해 중량이 감소하여 운항 시 연료비를 절감할 수 있고, 외부 충격 발생 시 충격 흡수로 인한 선체의 파손을 방지하여 유류 유출에 대한 안전성을 강화하며, 단일 외판의 내부에 형성된 탄성 부재 층으로 선박의 공간활용도를 향상시키고, 구조의 단순화에 따라 시공을 간소화하여 건조비, 인건비를 대폭 절감할 수 있도록 하고, 선박 내부의 격벽에도 탄성 부재 층을 형성하도록 하여 특히 엔진룸에서 발생하는 진동과 소음을 탄성 부재 층에서 일부 흡수하여 안정적인 운항을 하도록 하는 충격 흡수용 탄성 부재 층이 형성된 단일 선체 구조에 관한 것이다.
이를 위해 본 발명은 선체의 바닥 부분을 형성하는 선저 외판, 선저부에 측면 부위를 만곡된 형태로 연결하는 만곡부, 및 선체의 측면을 형성하는 선측 외판을 포함하고, 선저 외판, 만곡부, 선측 외판이 철판으로 형성되어 서로 연결되는 단일 외판; 단일 외판 내측으로 선체의 내부를 구획으로 나누기 위해 설치되는 격벽; 및 단일 외판의 내면에 고무를 포함하는 탄성 부재가 일정한 두께로 형성된 탄성 부재 층을 포함하는 충격 흡수용 탄성 부재 층이 형성된 단일 선체 구조를 제공한다.

Description

충격 흡수용 탄성 부재 층이 형성된 단일 선체 구조{Single hull structure a shock-absorbing elastic member layer formed}

본 발명은 충격 흡수용 탄성 부재 층이 형성된 단일 선체 구조에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 종래의 이중 선체 구조에 비해 중량이 감소하여 운항 시 연료비를 절감할 수 있고, 외부 충격 발생 시 충격 흡수로 인한 선체의 파손을 방지하여 유류 유출에 대한 안전성을 강화하며, 단일 외판의 내부에 형성된 탄성 부재 층으로 선박의 공간활용도를 향상시키고, 구조의 단순화에 따라 시공을 간소화하여 건조비, 인건비를 대폭 절감할 수 있도록 하고, 선박 내부의 격벽에도 탄성 부재 층을 형성하도록 하여 특히 엔진룸에서 발생하는 진동과 소음을 탄성 부재 층에서 일부 흡수하여 안정적인 운항을 하도록 하는 충격 흡수용 탄성 부재 층이 형성된 단일 선체 구조에 관한 것이다.

1889년도 '액슨 발데즈호' 침몰에 따른 대량의 기름이 유출된 사적으로 국제해사기구(IMO) 주도 아래 발효된 MARPOL 조약에 의하면 해상 오염을 방지를 위하여 이중 선체 또는 특정 기준에 부합하는 기능을 수행한 구조를 의무화하고 있다.

따라서, 일반적인 유조선, 선박들은 이중 선체로 건조하고 있고, 만약 사고 시 기름 유출 비율 기준을 만족할 경우에는 꼭 이중 선체 구조를 고집할 필요는 없는 실정이다.

특히, 종래의 이중 선체 구조의 선박은 선저 및 선측에 이중으로 선체가 구성되는 것으로, 도 1에 도시된 바와 같이 선저와 선측 모두가 내판과 외판 사이에 일정한 간격의 벽으로 보강되어 좌초 등으로 인한 충돌 사고에 대비하기 위함이며, 해상에 액화물 유출을 최소화 하지만, 단일 선체 구조에 비해 배치가 복잡하고 공간활용도가 떨어지며, 중량 면에서도 불리하고, 건조 비용과 유지 비용이 증가하는 문제점이 있다.

또한, 이중 선체 구조는 충격이 비교적 가벼운 충돌 또는 좌초에 대비하여 설계된 구조이기에, 대형 사고에서는 여전히 원유 유출로 인한 해양 오염에 직면할 수 있는 문제점이 있다.

선행기술문헌 : KR공개실용신안공보 제2010-0006690호(2010.7.1. 공개)

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 선박의 건조 비용을 절감하고, 공간 활용도를 높이며, 충돌 시 외부 충격력을 흡수하여 선체의 파손을 방지하고, 이에 따라 해양 오염을 최소화하는 충격 흡수용 탄성 부재 층이 형성된 단일 선체 구조을 제공하는 데 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위해 안출된 본 발명에 따른 충격 흡수용 탄성 부재 층이 형성된 단일 선체 구조는 선체의 바닥 부분을 형성하는 선저 외판, 선저부에 측면 부위를 만곡된 형태로 연결하는 만곡부, 및 선체의 측면을 형성하는 선측 외판을 포함하고, 선저 외판, 만곡부, 선측 외판이 철판으로 형성되어 서로 연결되는 단일 외판; 단일 외판 내측으로 선체의 내부를 구획으로 나누기 위해 설치되는 격벽; 및 단일 외판 내측에 고무를 포함하는 탄성 부재가 일정한 두께로 형성된 탄성 부재 층을 포함할 수 있다.

또한, 탄성 부재 층의 탄성 부재의 변형, 퇴색, 균열, 및 강도 저하를 포함하는 노화를 방지하기 위한 일정 두께의 일차아민, 알데히드아민, 이차아민, 혼합아민, 페놀, 및 왁스를 포함하는 노화 방지제를 사용하여 코팅 처리한 노화 방지 코팅층를 더 포함할 수 있다.

또한, 단일 외판은 철판으로 용접 작업을 수행하여 서로 연결되고, 단일 외판의 안쪽 면인 노출면에 천연 고무, 자석 고무, 부타디엔 고무, 니트릴 고무, 부틸 고무, 아크릴 고무, 실리콘 고무를 포함하는 고무가 분사되는 고무 스프레이로 단일 외판 내측에 분사시켜 단일 외판 내측으로 탄성 부재 층을 형성하는 것을 특징으로 할 수 있다.

또한, 선체 내부의 격벽에 진동으로 오는 피로 하중과 소음을 감소시키기 위해 격벽 외면에 고무를 포함하는 탄성 부재를 분사하여 탄성 부재 층을 형성하는 것을 특징으로 할 수 있다.

본 발명에 의하면 단일 외판의 내부에 형성된 탄성 부재 층으로 선박의 공간활용도를 향상시키고, 구조의 단순화에 따라 시공을 간소화하여 건조비, 인건비를 대폭 절감할 수 있는 데 그 효과가 있다.

또한, 종래의 이중 선체 구조에 비해 중량이 감소하여 운항 시 연료비를 절감할 수 있고, 외부 충격 발생 시 충격 흡수로 인한 선체의 파손을 방지하여 유류 유출에 대한 안전성을 강화하는 데 그 효과가 있다.

또한, 선박 내부의 격벽에도 탄성 부재 층을 형성하도록 하여 특히 엔진룸에서 발생하는 진동과 소음을 탄성 부재 층에서 일부 흡수하여 안정적인 운항을 하도록 하는 데 그 효과가 있다.

도 1은 종래의 선박 부분의 횡단면도,
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 충격 흡수용 탄성 부재 층이 형성된 단일 선체 구조의 정면도,
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 충격 흡수용 탄성 부재 층이 형성된 단일 선체 구조의 횡단면도,
도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 충격 흡수용 탄성 부재 층이 형성된 단일 선체 구조의 선체 외측의 일부분을 단면으로 도시한 도면,
도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 충격 흡수용 탄성 부재 층이 형성된 단일 선체 구조의 선체 내부의 격벽 부분을 단면으로 도시한 도면,
도 6은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 충격 흡수용 탄성 부재 층이 형성된 단일 선체 구조의 선박이 타 선박과 충돌 사고 시 충격 흡수 상태를 보여주는 사용상태도,
도 7 내지 도 26은 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 비교 실험과 결과를 나타낸 그림, 표, 사진 등으로
도 7은 재료에 따라 만족해야하는 물성치를 도시한 표,
도 8은 표준 시험편의 규격 및 형상을 도시한 표와 도면,
도 9는 각종 고무들의 물성치 비교한 값을 도시한 표,
도 10은 특수 시험편과 표준 시험편을 나타낸 사진,
도 11은 고무 두께를 달리 코팅한 각각의 특수 시편들이 흡수한 충격에너지 양을 도시한 표,
도 12는 MARPOL Reg.12A 4항을 나타낸 도면,
도 13은 MARPOL Reg.12A 5항을 나타낸 도면,
도 14는 선측, 선저의 평균기름유출 값을 도시한 표,
도 15는 사고 기름 유출 비율인 OM값을 계산한 값을 도시한 표,
도 16은 이중 선체 구조 모델링 해석 범위를 도시한 도면,
도 17은 P_s 계산에 필요한 계수 및 변수를 나타낸 표,
도 18은 이중 선체 구조해석 결과를 도시한 도면,
도 19는 단일 선체 구조해석 결과를 도시한 도면,
도 20은 주요 부재 허용 응력 평가 기준을 나타낸 표,
도 21은 이중 선체 구조의 수직 응력에 관한 해석 결과를 도시한 도면,
도 22는 단일 선체 구조의 수직 응력에 관한 해석 결과를 도시한 도면,
도 23은 허용 응력에 최대 응력이 만족하는 지에 대한 여부를 도시한 표,
도 24는 이중 선체 구조의 전단 응력에 관한 해석 결과를 도시한 도면,
도 25는 단일 선체 구조의 전단 응력에 관한 해석 결과를 도시한 도면, 및
도 26은 허용 응력에 최대 응력이 만족하는 지에 대한 여부를 도시한 표이다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 우선 각 도면의 구성 요소들에 참조 부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다. 또한, 이하에서 본 발명의 바람직한 실시예를 설명할 것이나, 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정하거나 제한되지 않고 당업자에 의해 변형되어 다양하게 실시될 수 있음은 물론이다.

도 1은 종래의 선박 부분의 횡단면도이고, 도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 충격 흡수용 탄성 부재 층이 형성된 단일 선체 구조의 정면도이며, 도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 충격 흡수용 탄성 부재 층이 형성된 단일 선체 구조의 횡단면도이고, 도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 충격 흡수용 탄성 부재 층이 형성된 단일 선체 구조의 선체 외측의 일부분을 단면으로 도시한 도면이며, 도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 충격 흡수용 탄성 부재 층이 형성된 단일 선체 구조의 선체 내부의 격벽(30) 부분을 단면으로 도시한 도면이고, 도 6은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 충격 흡수용 탄성 부재 층이 형성된 단일 선체 구조의 선박이 타 선박과 충돌 사고 시 충격 흡수 상태를 보여주는 사용상태도이며, 도 7 내지 도 26은 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 비교 실험과 결과를 나타낸 그림, 표, 사진 등으로 도 7은 재료에 따라 만족해야하는 물성치를 도시한 표이고, 도 8은 표준 시험편의 규격 및 형상을 도시한 표와 도면이며, 도 9는 각종 고무들의 물성치 비교한 값을 도시한 표이고, 도 10은 특수 시험편과 표준 시험편을 나타낸 사진이며, 도 11은 고무 두께를 달리 코팅한 각각의 특수 시편들이 흡수한 충격에너지 양을 도시한 표이고, 도 12는 MARPOL Reg.12A 4항을 나타낸 도면이며, 도 13은 MARPOL Reg.12A 5항을 나타낸 도면이고, 도 14는 선측, 선저의 평균기름유출 값을 도시한 표이며, 도 15는 사고 기름 유출 비율인 OM값을 계산한 값을 도시한 표이고, 도 16은 이중 선체 구조 모델링 해석 범위를 도시한 도면이며, 도 17은 P_s 계산에 필요한 계수 및 변수를 나타낸 표이고, 도 18은 이중 선체 구조해석 결과를 도시한 도면이며, 도 19는 단일 선체 구조해석 결과를 도시한 도면이고, 도 20은 주요 부재 허용 응력 평가 기준을 나타낸 표이며, 도 21은 이중 선체 구조의 수직 응력에 관한 해석 결과를 도시한 도면이고, 도 22는 단일 선체 구조의 수직 응력에 관한 해석 결과를 도시한 도면이며, 도 23은 허용 응력에 최대 응력이 만족하는 지에 대한 여부를 도시한 표이고, 도 24는 이중 선체 구조의 전단 응력에 관한 해석 결과를 도시한 도면이며, 도 25는 단일 선체 구조의 전단 응력에 관한 해석 결과를 도시한 도면이고, 도 26은 허용 응력에 최대 응력이 만족하는 지에 대한 여부를 도시한 표이다.

본 발명은 충격 흡수용 탄성 부재 층이 형성된 단일 선체 구조에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 종래의 이중 선체 구조에 비해 중량이 감소하여 운항 시 연료비를 절감할 수 있고, 외부 충격 발생 시 충격 흡수로 인한 선체의 파손을 방지하여 유류 유출에 대한 안전성을 강화하며, 단일 외판(10)의 내부에 형성된 탄성 부재 층(40)으로 선박의 공간활용도를 향상시키고, 구조의 단순화에 따라 시공을 간소화하여 건조비, 인건비를 대폭 절감할 수 있도록 하고, 선박 내부의 격벽(30)에도 탄성 부재 층(40)을 형성하도록 하여 특히 엔진룸에서 발생하는 진동과 소음을 탄성 부재 층(40)에서 일부 흡수하여 안정적인 운항을 하도록 하는 충격 흡수용 탄성 부재 층이 형성된 단일 선체 구조에 관한 것이다.

특히, 종래의 이중 선체 구조를 도시한 도 1을 참조하면, 종래의 이중 선체 구조는 선저와 선측 모두가 내판과 외판 사이에 일정한 간격의 벽으로 보강되어 좌초 등으로 인한 충돌 사고에 대비하기 위함이며, 해상에 액화물 유출을 최소화 하지만, 단일 선체 구조에 비해 배치가 복잡하고 공간활용도가 떨어지며, 중량 면에서도 불리하고, 건조 비용과 유지 비용이 증가하는 문제점이 있는 반면, 본원 발명은 단일 선체 구조로 중량이 감소하여 운항 시 연료비를 절감할 수 있고, 외부 충격 발생 시 충격 흡수로 인한 선체의 파손을 방지하여 유류 유출에 대한 안전성을 강화시킨데 장점이 있다.

또한, 단일 외판(10)의 내부에 형성된 탄성 부재 층(40)으로 선박의 공간활용도를 향상시키고, 구조의 단순화에 따라 시공을 간소화하여 건조비, 인건비를 대폭 절감할 수 있는 장점이 있다.

또한, 선박 내부의 격벽(30)에도 탄성 부재 층(40)을 형성하도록 하여 특히 엔진룸에서 발생하는 진동과 소음을 탄성 부재 층(40)에서 일부 흡수하여 안정적인 운항을 하도록 하는 장점이 있다.

본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 충격 흡수용 탄성 부재 층이 형성된 단일 선체 구조는, 도 2 내지 도 6을 참조하면, 단일 외판(10), 격벽(30), 탄성 부재 층(40), 및 노화 방지 코팅층(50)을 포함하여 구성된다.

특히, 도 2 내지 도 3을 참조하면, 종래의 이중 선체 구조와 달리 단일 외판(10)에 탄성 부재 층(40)을 형성한 단일 선체 구조로 구성됨을 알 수 있다.

이하, 단일 외판(10)부터 설명하기로 한다.

단일 외판(10)은 선저 외판(11), 만곡부(12), 및 선측 외판(13)을 포함하여 구성되고, 선저 외판(11), 만곡부(12), 선측 외판(13)이 철판으로 형성되어 서로 연결된다.

선저 외판(11), 만곡부(12), 및 선측 외판(13)에 대해 간략히 설명하면, 선저 외판(11)은 선체의 바닥 부분을 형성하는 부분이고, 만곡부(12)는 선저부에 측면 부위를 만곡된 형태로 연결하는 부분이며, 선측 외판(13)은 선체의 측면을 형성하는 부분이다.

또한, 단일 외판(10)은 철판으로 용접 작업을 수행하여 서로 연결되고, 단일 외판(10)의 안쪽 면인 노출면에 천연 고무, 자석 고무, 부타디엔 고무, 니트릴 고무, 부틸 고무, 아크릴 고무, 실리콘 고무를 포함하는 고무가 분사되는 고무 스프레이로 단일 외판(10) 내측에 분사시켜 단일 외판(10) 내측으로 탄성 부재 층(40)을 형성하는 것을 특징으로 할 수 있다.

격벽(30)은 단일 외판(10) 내측으로 선체의 내부를 구획으로 나누기 위해 여러 개로 설치되며, 선체를 강화하고 물 기름 등의 탱크로 쓸 수도 있고, 선체의 일부 구역이 침수되더라도 다른 구획에는 침수되지 않도록 막아준다.

도 4를 참조하면, 탄성 부재 층(40)은 단일 외판(10)의 내면에 고무를 포함하는 탄성 부재가 일정한 두께로 형성된다.

또한, 탄성 부재 층(40)은 단일 외판(10)의 안쪽 면인 노출면에 천연 고무, 자석 고무, 부타디엔 고무, 니트릴 고무, 부틸 고무, 아크릴 고무, 실리콘 고무를 포함하는 고무가 분사되는 고무 스프레이로 단이 외판(10)의 내측에 분사시켜 단일 외판(10) 내측으로 탄성 부재 층(40)을 형성한다.

특히, 탄성 부재 층(40)의 일측면에는 자석 고무로 구성하여 자석이 금속재인 단일 외판(10)의 내면에 일체로 흡착되어 고정될 수 있도록 구성할 수 있다.

또한, 도 5를 참조하면, 선체 내부의 격벽(30)에 진동으로 오는 피로 하중과 소음을 감소시키기 위해 격벽(30) 외면에 고무를 포함하는 탄성 부재를 분사하여 탄성 부재 층(40)을 형성할 수 있으며, 특히, 엔진룸을 형성하는 격벽(30)에 탄성 부재 층(40)을 형성하여 엔진룸에서 발생하는 소음과 진동을 일부 흡수하여 안정적인 운항을 하도록 하는 장점이 있다.

또한, 탄성 부재 층(40)의 두께는 설계되는 선박의 선측 외판(13)의 두께에 맞추어 충돌 에너지 등을 계산하여 강한 탄발강도를 갖는 고무 두께로 설계할 수 있기에, 충돌이나 좌초 시 발생하는 충격 에너지를 흡수하여 안전성을 확보할 수 있도록 한다.

특히, 도 6을 참조하면, 본원 발명이 타 선박과 충돌 사고 시 선측 외판(13)인 단일 외판(10)이 손상되더라도, 단일 외판(10)의 내부면에 있는 탄성 부재 층(40)의 탄성으로 외부 충격 에너지를 흡수할 수 있음에 따라 선측 내부의 손상을 예방하고, 선박의 화물탱크의 손상이 발생하지 않도록 안전성을 강화한 장점이 있다.

노화 방지 코팅층(50)은 탄성 부재 층(40)의 탄성 부재의 변형, 퇴색, 균열, 및 강도 저하를 포함하는 노화를 방지하기 위한 일정 두께의 일차아민, 알데히드아민, 이차아민, 혼합아민, 페놀, 및 왁스를 포함하는 노화 방지제를 사용하여 코팅 처리한다.

또한, 상기의 노화 방지제 중 단일로 사용할 수도 있고, 2종류 이상 병용하여 사용할 수 있음은 물론이며 액화물과 반응이 일어나지 않도록함도 물론이다.

특히, 노화 방지 코팅층(50)은 탄성 부재 층(40)의 노화에 대비하기 위한 것으로 탄성 부재 층(40)의 수명을 연장함에 따라 거듭되는 재시공 간격을 연장시켜 시공비 감소및 인건비를 감소시키고, 탄성 부재 층(40)의 내구성을 강화하는 효과가 있다.

또한, 본원 발명에 적용되는 선박은 유조선, 화물선, 컨테이너선, 및 유람선을 포함하는 다양한 선박에 적용할 수 있다.

- 실험 -

본원 발명은 해난 사고 발생 시 해상 오염을 최소화하고 선체 요구강도를 만족하며, 선박 건조비용 절감 및 공간활용을 최대화할 수 있는 구조인 단일 선체 구조를 설계 후 이를 증명하기 위한 실험을 하였다.

1. 실험용 재료 및 시험편

시험에 사용된 강재는 선박에 많이 사용되는 고장력강으로서 시편이 갖춰야 할 물성치 조건은 도 7에 나타내었다.

표준 시편에 고무를 코팅한 특수 시편을 제작하여 표준 시편과 대조하였을 때, 어느 정도의 충격 에너지를 흡수 가능한지를 확인하는 실험 계획을 세우고, 선정한 고장력강인 DH 36의 특성상 한국선급(KR)에서 명시하기를 -20℃에서 실험을 진행하도록 되어있으며, 특수 시편의 경우 한쪽 면에 코팅하는 천연고무의 특성상 -20℃에서의 내성을 가지기에 시험에 지장 없이 진행할 수 있었다.

또한, 표준 시험편의 규격 및 형상은 도 8에 나타내었다.

규격은 한국선급(KR)의 KS B 0809를 준수하여 길이 50mm × 폭 10mm × 두께 10mm의 표준 시편 규격으로 제작하였다. 노치의 형상은 U-노치, V-노치 등이 있으나 샤르피 충격시험에서는 일반적으로 V형 노치를 갖는 충격시험편을 많이 사용하기에 V형 노치를 갖는 시편을 제작하였다. 길이 방향과 두께 방향의 충격 방향 중 일반적인 선박의 사고 유형이 두께방향의 충격이라는 점을 감안하여 두께 방향의 충격을 진행하도록 설계하였다. 충격이 가해지는 면은 노치의 반대 면으로서 노치를 갖는 면에 천연 고무를 코팅함으로 특수 시편을 제작하였다.

특수 시편에 사용되는 천연고무는 도 8에 나타난 각종 고무의 물성치 비교 자료를 기준으로 최종 선정하게 되었다. 일반적인 특수고무인 천연고무, 부타디엔 고무, 니트릴 고무, 부틸 고무, 아크릴 고무, 실리콘 고무들 중 각 고무들 간의 물성치 값을 비교하였을 때, 천연고무가 기계적 성질이 가장 우수하고, 경제성적인 측면을 고려하였을 때 가장 이상적이었기에 선정하게 되었다.

특수 시편에 사용되는 천연고무는 도 9에 나타난 각종 고무의 물성치 비교 자료를 기준으로 최종 선정하게 되었다. 일반적인 특수고무인 천연고무, 부타디엔 고무, 니트릴 고무, 부틸 고무, 아크릴 고무, 실리콘 고무들 중 각 고무들 간의 물성치 값을 비교 하였을 때, 천연고무가 모든 고무 중 기계적 성질이 가장 우수하고, 경제성적인 측면을 고려하였을 때 가장 이상적이었기 때문이다.

선정한 천연고무를 기준으로 표준 시험편에 2.5T 간격으로 10T까지 두께를 달리한 특수 시편을 제작하였고, 완성된 표준 시편과 특수 시편은 도 10에 참조할 수 있다.

2. 실험 시나리오

본 실험은 한국선급(KR)에 KS B 0801 금속의 충격시험 방법에 의거하여 KS B 5522 샤르피 충격 시험기를 이용해 진행하였다. DH 36 고장력강의 경우 -20℃에서 실험을 진행하게끔 규정되어 있기에 한국선급 규정에 의거해 온도 콘트롤러를 이용하여 온도를 유지하였다. -20℃ 환경에서의 시험 케이스는 특수 제작된 저장용기에 액체 질소를 일정량 채워 시편을 30분 이상 방치하여 열적 평형을 유지시킨 후 시험편을 꺼내어 5초 이내에 충격 시험을 수행하는 것을 원칙으로 하였다. 시험의 반복성을 검증하기 위해 각각의 시험 케이스에 대해 총 4번의 반복 시험을 수행하였으며 표준 시편과 각 고무 두께를 달리한 특수 시편의 총 5 개의 시편에 대해 총 15회의 시험을 수행하였다.

3. 실험 결과

본 실험은 실제 선박에 사용되는 고장력강을 기준으로 실제 선박에 적용되기 위해 만족하여야만 하는 한국선급(KR) 금속 재료의 충격시험을 기준으로 진행하였으며, 표준 시편과 천연 고무를 코팅하여 만든 특수 시편간의 충격 에너지 흡수량 차이를 보기 위함이었다. 도 11은 고무 두께를 달리 코팅한 각각의 특수 시편들이 흡수한 충격에너지 양을 정리하여 보여준다.

또한, 실험은 낙하 추가 시편을 파단내고 난 후 관성을 가지고 진행하여 상승한 최대(Peak) 값을 기준으로 충격 에너지의 흡수 양을 따지는데, 명시된 도 11을 기준으로 살펴본다면 표준 시편부터 코팅된 고무의 두께가 두꺼워짐에 따라 최대(peak) 값은 하강하는 경향을, Energy 값은 상승하는 경향을 볼 수 있었다. 구한 결과 값을 기준으로 추세선을 구하여 최소자승법을 통해 Data Trend를 파악한다면, 실제로 선박에 적용 가능한 고무 두께를 선정할 수 있을 것이라고 판단했다.

- 해양오염방지협약(Marine Pollution Treaty) 규정에 따른 본원발명의 만족 여부 해석 -

1. 해양오염방지협약(Marine Pollution Treaty. 약어 MARPOL treaty) 규칙

MARPOL 73/78 부속서 1, 규칙 13A - 연료유 탱크의 보호 신설 안에 신설된 부속서 1, 규칙 13A - 연료유 탱크 보호(Oil Fuel Tank Protection)의 주요 내용은 다음과 같다. 2010년 8월1일 이후 인도된 연료유 총 용적 600m³ 이상인 모든 선박에 적용되는 규정이다.

2. 해양오염방지협약(Marine Pollution Treaty. 약어 MARPOL treaty) RULE 계산 시나리오

MARPOL Reg.12A 4항(도 12 참조)과 5항(도 13 참조)을 기준으로 살펴보면 연료유탱크는 각각 선저, 선측으로 h와 w 만큼 이격되어 있어야 한다는 것을 의미한다. 이는 바로 “이중 선체 구조”를 채택하는 것과 동일한 의미를 가진다.

따라서, 연료유 탱크 보호(Oil Fuel Tank Protection)를 적용하지 않는 것으로 결정하였지만 평균기름유출량 계산(Mean Oil Outflow Calc.)을 추가적으로 실행하여 연료유 탱크 보호(Oil Fuel Tank Protection)를 적용하지 않고 단일 선체 구조로 채택이 가능한지의 여부를 알아보았다.

도 14를 참조하면, 충돌이나 좌초사고의 경우 기름 오염에 대비한 적절한 보호를 취하기 위해 만족해야 하는 값을 도시하였으며, OM은 선측 손상(Side damage) 시 선측 평균 기름유출계수(Mean Oil Outflow)(OMS)와 선저 손상(Bottom Damage) 시 선저평균기름유출계수(Mean Oil Outflow)(OMB)를 각각 산출하여 구한다.

또한, 연료유 탱크 이중 선체 보호에 대하여 대안으로 인정되는 것은 도 15를 통해 확인할 수 있고, 사고 기름 유출 비율인 OM 값이 최종적으로 0.0095가 계산된 것을 알 수 있다.

3. MARPOL RULE 해석 결과

사고기름 유출비율인 OM값이 최종적으로 0.0095가 계산되었으므로 MARPOL Reg. 12A 11항. 이중 선체 구조 예외사항에 따라 탄성막 사용 시 단일 선체로 구조변경이 가능하다는 결과를 도출해 낼 수 있었다. 탄성막을 사용하게 되면 연료유 탱크가 약 20% 늘어나게 되면서 상대적으로 OM값이 줄어들어 최종적으로 본원발명인“충격 흡수용 탄성 부재 층이 형성된 단일 선체 구조”는 MARPOL Reg 12A를 만족한다는 것을 알 수 있다.

- 구조해석 -

1. 구조해석 필요성 및 목적

선박의 구조해석 프로그램으로 잘 알려진 MSC사의 Patran & Nastran을 선택하였고, Patran에는 고무의 탄성강도, 밀도, 강도 등 고무의 물성치가 저장되어있지 않기 때문에 직접 천연고무(Natural Rubber)의 물성치를 Patran에 입력하여 Solid 형식으로 내판에 적용하였고, 최종적으로 이중 선체(Double Hull)구조와 단일 선체(Single Hull) 구조의 강도를 독일선급(GL) 규정(Rule)을 참고하여 비교 분석하였다.

2. 구조의 모델링

본원발명인 천연고무를 코팅한 탄성 부재 층의 단일 선체 구조가 이중 선체 구조보다 강도가 우수한지, 경제성을 있는지에 대한 여부를 파악하는 것이 목표이기 때문에 구조해석에서는 컨테이너선(Container Vessel)을 선택하였고, 실제 다양하고 복잡할 수 있는 자연현상과 구조물에 대해서 과학적으로 해석해 내기 위해서 해석 대상에 대해 적절한 가정을 도입하여 모델링을 하였다.

선체를 단순 지지보라고 가정한다면, 하중을 받을 때 중앙부에서 가장 큰 굽힘 모멘트와 응력이 발생하게 되므로 중앙부에서 적절한 종강도를 지니면 선체 전체에 대해서도 충분한 종강도 지니게 될 것이다. 따라서 중앙부 구조해석만으로도 종강도에 대해서는 충분한 해석이 가능하다고 판단하였다.

그 구체적인 범위는 독일선급(GL) 규정(Rules)에 따라 화물창 구조해석 시 1개 화물창에 전면과 후면에 각각 1/2 크기의 화물창을 더한 범위, 즉 40ft 컨테이너 4개 bay 범위로 모델링 하였고, 대칭적 구조 배치와 하중조건이므로 우현만 모델링하였다.

모델링은 기본적으로 중앙횡단면에 근거하여 내측 및 외측 선체판, 이중저 늑판 및 거더, 횡 및 수직 특설늑골, 횡격벽 구조 등을 포함한 모든 주요 종방향 및 횡방향 구조부재들을 대상을 모델링 하였다.

상기의 모델링의 해석 범위는 도 16을 참조한다.

3. 하중 적용

유한요소 모델에 대해 다음의 하중들을 고려하여 적용하였다.

- 선체 외판에 작용하는 정수압

- 파정(Crest)과 파곡(Trough)에 따른 파랑 변동 하중

- 컨테이너 화물 하중 및 선체 경하중량

- 선체 거더 굽힘에 의한 수직 굽힘 하중

구조 흘수 (Scantling draft)를 수두로 한 정수압을 선체 외판에 대해 적용한다. 본 설계선은 구조 흘수를 12.5m로 적용하였다.

선체 중앙부가 파고(Wave crest)와 파곡(Wave trough)에 있을 때 받는 파랑 하중을 선체 외판에 대해 적용하였다.

정수압, 동적파랑 압력 모두 고려하어 다음의 수식으로 계산하여 외판 요소에 하중 적용한다.

파고 상태(Wave crest)는 만재흘수선 아래에 판 요소에 대해서 다음 수식을 적용한다.

파저 상태 (Wave trough)는 만재흘수선 아래에 판 요소에 대해 다음 수식을 적용한다. (만재 흘수선 위에는 P_S = 0)

상기의 계산에 필요한 계수 및 변수에 관하여 도 17을 참조한다.

컨테이너 화물 하중은 독일선급 규정(GL Rules)에 따라 하중조건(Load Case)별로 주어진 설계하중을 기준으로 하였다. 설계하중을 기준으로 하여 화물창(Cargo hold)에 적재되는 컨테이너는 각 구획(Stack)별로 구분하여 해당 컨테이너가 지지되는 위치(선저 최하층(Bottom floor) 상단)에 집중하중으로 가하였고, 상갑판에 적재되는 컨테이너의 하중은 해치 코밍(Hatch Coaming) 상당에 압력을 가하는 형태로 적용하였다.

독일선급 규정(GL Rule)은 하중조건(Load Cases)으로 6가지 적재 상태를 제시하였고, 각 상태에 따른 하중들 조합하여 적용하였고, 예외 사항으로 본 설계선에는 화물창(Cargo Hold), Bay B 위치에 연료유탱크(HFO Tank)가 배치되어 있어, 이 위치에 컨테이너 적재조건 대신 연료유(HFO)를 100% 적재한 조건으로 적용하였다.

4. 이중 선체(Double Hull) vs 단일 선체(Single Hull)의 구조해석 및 응력 평가

Patran으로 모델링 및 하중 적용 후 MD Nastran을 통해서 해석을 하였고, 그 결과를 Patran에서 확인하여, 모델의 변형과 응력 값을 확인할 수 있었다. 구조해석 시 양단의 경계면은 경계조건이 적용되는 부분으로 큰 응력이 발생하게 되므로 양단 경계면은 제하고 결과를 확인하였다.

또한, 6가지 하중 조건을 모두 만족하는지 확인하기 위해 각 하중조건에서 발생하는 최대 응력 값이 나타나도록 설정하여 평가하였다.

도 18은 이중 선체 구조(Double Hull)의 구조해석 결과이고, 도 19는 본원 발명인 단일 선체 구조(Single Hull)의 구조해석 결과이다.

도 20을 참조하면, 주요 부재 허용 응력 평가 기준을 도시하였고, 상기의 응력 평기 기준 값을 독일선급 규정(GL Rules)에서 제시한 응력 평가 기준으로 모델의 구조해석 결과가 아래 기준에 만족하는지 여부를 확인하였다.

도 21은 이중 선체 구조의 수직 응력에 관한 해석 결과를 나타냈으며, 도 22는 본원 발명인 단일 선체 구조의 수직 응력에 관한 해석 결과를 나타냈고, 도 23은 허용 응력에 최대 응력이 만족하는 지를 나타내었다.

도 24는 이중 선체 구조의 전단 응력에 관한 해석 결과를 나타냈으며, 도 25는 본원 발명인 단일 선체 구조의 전단 응력에 관한 해석 결과를 나타냈고, 도 26은 허용 응력에 최대 응력이 만족하는 지를 나타내었다.

최종적으로 주요 부재 허용 응력 평가 기준<도 20>을 참조하여 6가지 하중 조건을 모두 고려하였을 때, 모두 주어진 허용 응력에 만족할만한 결과값이 나온 것을 알 수 있다.

이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 수정, 변경 및 치환이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예 및 첨부된 도면들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예 및 첨부된 도면에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

10 - 단일 외판
11 - 선저 외판
12 - 만곡부
13 - 선측 외판
30 - 격벽
40 - 탄성 부재 층
50 - 노화 방지 코팅층

Claims (4)

1. 선체의 바닥 부분을 형성하는 선저 외판,
   선저부에 측면 부위를 만곡된 형태로 연결하는 만곡부, 및
   선체의 측면을 형성하는 선측 외판
   을 포함하고, 선저 외판, 만곡부, 선측 외판이 철판으로 용접 작업을 수행하여 서로 연결되는 단일 외판;
   단일 외판 내측으로 선체의 내부를 구획으로 나누기 위해 설치되는 격벽;
   단일 외판 내측에 고무를 포함하는 탄성 부재가 일정한 두께로 형성된 탄성 부재 층; 및
   탄성 부재 층의 탄성 부재의 변형, 퇴색, 균열, 및 강도 저하를 포함하는 노화를 방지하기 위한 일정 두께의 일차아민, 알데히드아민, 이차아민, 혼합아민, 페놀, 및 왁스를 포함하는 노화방지제를 사용하여 코팅 처리하며 액화물과의 반응을 방지하는 노화 방지 코팅층
   을 포함하고,
   탄성 부재 층은
   천연 고무, 자석 고무, 부타디엔 고무, 니트릴 고무, 부틸 고무, 아크릴 고무, 실리콘 고무를 포함하는 고무가 분사되는 고무 스프레이로, 분사시켜 단일 외판 내측으로 형성되는 것
   을 포함하며,
   선체 내부의 격벽에 진동으로 오는 피로 하중과 소음을 감소시키기 위해 격벽 외면에 고무를 포함하는 탄성 부재를 분사하여 탄성 부재 층을 형성하는 것
   을 포함하는 충격 흡수용 탄성 부재 층이 형성된 단일 선체 구조.
   
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