선체구조에 작용하는 하중의 종류

선체구조에 작용하는 하중의 종류 이준님의 요트빌더에서 펀글입니다.   하중의 종류 선체에 작용하는 주요한 하중은 선체외부에서의 압력과 자중을 포함한 화물에 의한 하중이 있다. 이러한 하중은 대양을 항해하는 선박에 있어서는 시간에 따라 변화하는 복잡한 변동하중이 되나, 선체의 구조요소에 미치는 영향을 명확히 하기 위해 고정상태를 추정한 정적하중과 그것들의 변동성분을 나타내는 동적하중 으로 분류하는 것이 일반적이다. 정적하중은 흘수에 의해 결정되는 정수압과 화물의 재화상태에 의존하는 재화하중으로서 각각을 일정하게 결정할 수 있어 양자를 합쳐 정수하중이라 칭한다. 한편 변동하중은 선체운동에 기인하는 관계로 선형, 선속 및 선체 고유의 특성과 불규칙한 해상조건에 의존하는 통계량으로서 파랑하중이라 총칭하고 있다. 이 파랑하중도 통상 선체 전체에 분포하여 작용하나, slamming과 같은 충격하중은 국한적인 범위에만 작용하는 하중도 있어, 선체구조의 안전성을 검토하는 데 있어 상당히 중요한 하중성분이 된다. 이외에 단기적인 건조기간 또는 하역중의 하중 및 화물에 의한 열하중, 항로에 의한 빙하중 등 특수한 선박에 있어서는 중요한 하중성분이나 통상의 선박에서는 일반적으로 국부적인 성격을 가져, 실제의 구조계산에서는 2 차적인 成分으로 고려하는 하중도 있다.    하중의 분류 <A name=#1444430569></A> <TABLE style="BORDER-RIGHT: medium none; BORDER-TOP: medium none; BORDER-LEFT: medium none; BORDER-BOTTOM: medium none; BORDER-COLLAPSE: collapse" height=272 cellSpacing=0 cellPadding=0 width=559 border=1> <TBODY> <TR> <TD style="BORDER-RIGHT: #000000 0.1mm; BORDER-TOP: #000000 0.1mm; BORDER-LEFT: #000000 0.1mm; BORDER-BOTTOM: #000000 0.1mm" vAlign=center width=95 height=36>  </TD> <TD style="BORDER-RIGHT: #000000 0.1mm; BORDER-TOP: #000000 0.1mm; BORDER-LEFT: #000000 0.1mm; BORDER-BOTTOM: #000000 0.1mm" vAlign=center width=155 height=36> 국부 하중</TD> <TD style="BORDER-RIGHT: #000000 0.1mm; BORDER-TOP: #000000 0.1mm; BORDER-LEFT: #000000 0.1mm; BORDER-BOTTOM: #000000 0.1mm" vAlign=center width=155 height=36> 횡강도 하중</TD> <TD style="BORDER-RIGHT: #000000 0.1mm; BORDER-TOP: #000000 0.1mm; BORDER-LEFT: #000000 0.1mm; BORDER-BOTTOM: #000000 0.1mm" vAlign=center width=155 height=36> 전체 하중(종강도 하중)</TD></TR> <TR> <TD style="BORDER-RIGHT: #000000 0.1mm; BORDER-TOP: #000000 0.1mm; BORDER-LEFT: #000000 0.1mm; BORDER-BOTTOM: #000000 0.1mm" vAlign=top width=95 height=100> 정수하중</TD> <TD style="BORDER-RIGHT: #000000 0.1mm; BORDER-TOP: #000000 0.1mm; BORDER-LEFT: #000000 0.1mm; BORDER-BOTTOM: #000000 0.1mm" vAlign=top width=155 height=100>         정수압        재화하중</TD> <TD style="BORDER-RIGHT: #000000 0.1mm; BORDER-TOP: #000000 0.1mm; BORDER-LEFT: #000000 0.1mm; BORDER-BOTTOM: #000000 0.1mm" vAlign=top width=155 height=100>       단면정압분포</TD> <TD style="BORDER-RIGHT: #000000 0.1mm; BORDER-TOP: #000000 0.1mm; BORDER-LEFT: #000000 0.1mm; BORDER-BOTTOM: #000000 0.1mm" vAlign=top width=155 height=100> 단면력 정수굽힘모우먼트(수직) 정수전단력(수직) 정수비틂모우먼트 기타</TD></TR> <TR> <TD style="BORDER-RIGHT: #000000 0.1mm; BORDER-TOP: #000000 0.1mm; BORDER-LEFT: #000000 0.1mm; BORDER-BOTTOM: #000000 0.1mm" vAlign=top width=95 height=100> 동적하중</TD> <TD style="BORDER-RIGHT: #000000 0.1mm; BORDER-TOP: #000000 0.1mm; BORDER-LEFT: #000000 0.1mm; BORDER-BOTTOM: #000000 0.1mm" vAlign=top width=155 height=100>         유체력         관성력</TD> <TD style="BORDER-RIGHT: #000000 0.1mm; BORDER-TOP: #000000 0.1mm; BORDER-LEFT: #000000 0.1mm; BORDER-BOTTOM: #000000 0.1mm" vAlign=top width=155 height=100>       파랑변동하중       변동 내․외압</TD> <TD style="BORDER-RIGHT: #000000 0.1mm; BORDER-TOP: #000000 0.1mm; BORDER-LEFT: #000000 0.1mm; BORDER-BOTTOM: #000000 0.1mm" vAlign=top width=155 height=100> 단면력 파랑굽힘모우먼트(수직,   수평) 파랑전단력(수직, 수평) 파랑비틂모우먼트</TD></TR> <TR> <TD style="BORDER-RIGHT: #000000 0.1mm; BORDER-TOP: #000000 0.1mm; BORDER-LEFT: #000000 0.1mm; BORDER-BOTTOM: #000000 0.1mm" vAlign=top width=95 height=36> 특수하중</TD> <TD style="BORDER-RIGHT: #000000 0.1mm; BORDER-TOP: #000000 0.1mm; BORDER-LEFT: #000000 0.1mm; BORDER-BOTTOM: #000000 0.1mm" vAlign=top width=155 height=36>      빙하중, 열하중</TD> <TD style="BORDER-RIGHT: #000000 0.1mm; BORDER-TOP: #000000 0.1mm; BORDER-LEFT: #000000 0.1mm; BORDER-BOTTOM: #000000 0.1mm" vAlign=top width=155 height=36>       docking 하중</TD> <TD style="BORDER-RIGHT: #000000 0.1mm; BORDER-TOP: #000000 0.1mm; BORDER-LEFT: #000000 0.1mm; BORDER-BOTTOM: #000000 0.1mm" vAlign=top width=155 height=36> launching 하중</TD></TR></TBODY></TABLE> 1) 전체하중(종강도 하중) a) 정수중 단면력 정수하중에 의한 것이기 때문에 수직굽힘 모우먼트, 수직 전단력이 주이나, container 船에서는 비틂모우먼트를 고려할 필요가 있다. 재화하중의 분포가 지배적이어서 항시 작용하는 하중 때문에 가능한 한 선창의 배치, 화물 ballast 등의 계획적인 배려가 필요하다. b) 파랑중 단면력 파랑하중에 의한 것으로서 종래에는 배의 길이에 따른 가상파에 의한 정적계산에 의해 수행하였으나, 최근에는 통계해석 수법의 발전에 힘입어 직접계산법에 의한 장기예측을 수행하여 추정하고 있다. 즉, strip法에 의한 규칙파의 선체응답, 선형중첩에 의한 단기 불규칙파중에서 변동하중의 해석, 그리고 대양의 파랑에 관한 장기 data를 이용한 최종적인 장기예측으로 계산을 하고 있다. 계산에 필요한 파랑등의 통계적 data의 정비, 실선계측 등의 세부적인 문제가 남아있기는 하나 다수의 해석예가 계산되고 있다. 일반 배의 설계하중은 이러한 이론치들을 선체형상을 대표하는 parameter로 근사(회귀곡선)시켜 얻은 rule을 이용하여 계산하는 실정이다. 2) 횡하중 정수하중에 대해서는 입상화물의 압력분포 등 화물의 다양성에 따른 어려운 문제가 있으나 거의 해명되고 있고, 파랑하중의 경우에는 통계적 해석에 의해 명확하게 되고 있으나 선체구조의 응답과의 상관관계를 어느 정도 좋게 구해내는가 하는 것이 문제이고, 특히 설계상 중요한 과제로 되어 있다. 이러한 변동하중은 구조계산에 사용될 경우 등가인 정수압으로 근사시켜 계산하는 것이 상례이다. 3) 국부하중 문제가 되는 국부하중으로서 충격하중이 있다. 선박에 특이한 현상으로 선수, 선저의 slamming에 의한 압력, 선수외판의 충격하중, 액체화물을 운반하는 경우 tank 내의 유체유동에 의해 생기는 sloshing 압력 등에 대한 이론적, 통계적 해석이 행해지고 있어, 실선에서의 손상해석결과 등과의 비교 등, 설계하중으로서의 정량화가 시행되고 있다. 국부하중에 기인하는 손상에는 경미한 것이 비교적 많고, 실제의 구조계산에 사용할 경우, 그러한 하중의 전달경로에 주의를 요할 필요가 있다. 선체의 구조 강도 평가 측면에서 편의상 통상 다음의 3가지로 분류 즉, 정수중 하중, 파랑중 하중 및 국부 하중 등으로 대별. - 정수중 하중 : 정수중 선체에 작용하는 하중을 지칭하며... * Flobal 정하중 : 선체중량과 부력 차이에 의한 정수중 전단력, 굽힘 모우멘트 및 정수 비틀림 모우멘트등으로 대상 선박의 Trim & stability calculation상의 값과 Rule min. 값중 큰 값 * Local 정하중 : 수압 및 화물의 수두 차이에 의해 발생 하는 정하중 - 파랑중 하중 : 선박이 파랑중을 항해 할때 선체에 작용하는 하중을 지칭하며... * Global 파랑하중 : 파랑에 의해 발생하는 파랑 전단력, 파랑 굽힘모우멘트, 래킹 및 비틀림 모우멘트등 * Local 정하중 : 파랑에 의해 유발 되는 동 수압하중 통상 선급 규칙에 따라 계산되나 지정 해상 관측 자료등을 이용하여 통계적으로 추정하는 직접 해석 방법 이용 - 국부하중 : 배의 구조에 국부적으로 작용하는 압력 및 집중력을 의미하며... * Slamming : 주로 pitching 운동으로 선수가 파를 칠때 선수부 선저판부에 순간적으로 가해지는 충격력, draft 및 F.P.로부터의 거리등에 의해 충력력 결정됨 * Bow impact : slamming이 선수 선저에 가해지는 충격력인 반면 거친 파에 의해 수면상 선수부에 가해지는 충격력, bow flare 각도 및 draft에 의해 보강량이 결정 * Sloshing : cargo tank내 화물의 partial filling에 의해 선체 부재에 가해지는 충격력 * 기타    건조, 진수, 입거시의 집중력, 접안/충돌/좌포시의 압력    주기, 보기 , 장비 등 기계장치의 집중력등 하중에 의한 구조물의 변형과 응력 하중의 전달기구(Mechanism) 전술한 각종의 하중은 적절한 과정을 거쳐 선체의 각 부재로 전달된다. 즉 횡늑골식(Transverse System)에서는 하중은 우선 외판, 갑판 등의 小 panel 에 직접 작용하고, 各 panel을 지지하는 늑판(Bottom floor), 늑골(Side frame), 갑판보 등의 횡부재에 지지 반력으로 전달된다. 이와 같이 횡부재에 전달된 하중은 다시 그들 부재를 지지하는 외판 및 갑판 등의 판구조에 면내하중으로 전달됨과 동시에, 일부는 횡부재를 지지하는 종연(longitudinal girder)를 통해 횡격벽에 면내하중으로 전달시킨다. 이러한 하중은 각부재에 굽힘변형을 일으킴과 동시에 최종적으로 전달되는 외판, 갑판 등의 면내하중은 선박 전체(Hull Girder)로서의 변형을 야기시킨다. 즉, 小 panel에 직접 작용하는 하중은 panel 의 면외 굽힘변형을 야기시키며, 횡부재 및 종연(longi)에 전달된 하중은 대골조 구조의 보요소의 굽힘변형을 생성시키고, shell의 면내하중은 선박 전체로서의 굽힘변형, 비틂변형, Racking변형 등을 일으킨다. 종늑골 방식에 있어서도 마찬가지로 하중은 우선 각 小 panel에 직접 작용하고, 그것이 종늑골(long. frame)에 전달되고, 다시 그 하중은 종늑골을 지지하는 횡연에 전달된다. 구조부재에 생기는 응력 성분 앞서 논술한 각종의 변형성분에 대한 응력성분이 얻어지면, 선체에 발생하는 전응력은 개개의 응력성분의 合으로 표시가 가능하므로 이하에서는 各部材에 생기는 應力成分에 대해 설명한다. <A name=#1444430571></A> <TABLE style="BORDER-RIGHT: medium none; BORDER-TOP: medium none; BORDER-LEFT: medium none; BORDER-BOTTOM: medium none; BORDER-COLLAPSE: collapse" height=465 cellSpacing=0 cellPadding=0 width=559 border=1> <TBODY> <TR> <TD style="BORDER-RIGHT: #000000 0.12mm solid; BORDER-TOP: #000000 0.12mm solid; BORDER-LEFT: #000000 0.12mm solid; BORDER-BOTTOM: #000000 0.12mm solid" vAlign=center width=95 height=81> Bottom Shell Side Shell Deck Shell</TD> <TD style="BORDER-RIGHT: #000000 0.1mm; BORDER-TOP: #000000 0.1mm; BORDER-LEFT: #000000 0.12mm solid; BORDER-BOTTOM: #000000 0.1mm" vAlign=center width=465 height=81> ← 면내전단응력(연직 및 수평 전단하중+비틂하중+racking하중) ← 면내직응력(연직 종굽힘하중+비틂하중에 의한 warping+racking에 의한 굽힘하중 + 골조구조의 flange로서의 굽힘하중) ← 면외굽힘응력(panel에 직접 작용하는 하중에 의한 면외굽힘하중)</TD></TR> <TR> <TD style="BORDER-RIGHT: #000000 0.1mm; BORDER-TOP: #000000 0.12mm solid; BORDER-LEFT: #000000 0.1mm; BORDER-BOTTOM: #000000 0.12mm solid" vAlign=center width=95 height=17>  </TD> <TD style="BORDER-RIGHT: #000000 0.1mm; BORDER-TOP: #000000 0.1mm; BORDER-LEFT: #000000 0.1mm; BORDER-BOTTOM: #000000 0.1mm" vAlign=center width=465 height=17>  </TD></TR> <TR> <TD style="BORDER-RIGHT: #000000 0.12mm solid; BORDER-TOP: #000000 0.12mm solid; BORDER-LEFT: #000000 0.12mm solid; BORDER-BOTTOM: #000000 0.12mm solid" vAlign=center width=95 height=81> Longi. Bhd</TD> <TD style="BORDER-RIGHT: #000000 0.1mm; BORDER-TOP: #000000 0.1mm; BORDER-LEFT: #000000 0.12mm solid; BORDER-BOTTOM: #000000 0.1mm" vAlign=center width=465 height=81> ← 면내전단응력(연직 전단하중+비틂하중+racking하중) ← 면내직응력(연직 종굽힘하중+비틂에 의한 warping+racking에 의한 굽힘하중 + Horizontal Girder의 flange로서의 굽힘하중) ← 면외굽힘응력(panel에 작용하는 면외굽힘하중)</TD></TR> <TR> <TD style="BORDER-RIGHT: #000000 0.1mm; BORDER-TOP: #000000 0.12mm solid; BORDER-LEFT: #000000 0.1mm; BORDER-BOTTOM: #000000 0.12mm solid" vAlign=center width=95 height=17>  </TD> <TD style="BORDER-RIGHT: #000000 0.1mm; BORDER-TOP: #000000 0.1mm; BORDER-LEFT: #000000 0.1mm; BORDER-BOTTOM: #000000 0.1mm" vAlign=center width=465 height=17>  </TD></TR> <TR> <TD style="BORDER-RIGHT: #000000 0.12mm solid; BORDER-TOP: #000000 0.12mm solid; BORDER-LEFT: #000000 0.12mm solid; BORDER-BOTTOM: #000000 0.12mm solid" vAlign=center width=95 height=38> Trans. Bhd</TD> <TD style="BORDER-RIGHT: #000000 0.1mm; BORDER-TOP: #000000 0.1mm; BORDER-LEFT: #000000 0.12mm solid; BORDER-BOTTOM: #000000 0.1mm" vAlign=center width=465 height=38> ← 면내전단응력(racking에 의한 전단하중+골조구조의 지지하중) ← 면외굽힘응력(panel에 작용하는 면외굽힘하중)</TD></TR> <TR> <TD style="BORDER-RIGHT: #000000 0.1mm; BORDER-TOP: #000000 0.12mm solid; BORDER-LEFT: #000000 0.1mm; BORDER-BOTTOM: #000000 0.12mm solid" vAlign=center width=95 height=17>  </TD> <TD style="BORDER-RIGHT: #000000 0.1mm; BORDER-TOP: #000000 0.1mm; BORDER-LEFT: #000000 0.1mm; BORDER-BOTTOM: #000000 0.1mm" vAlign=center width=465 height=17>  </TD></TR> <TR> <TD style="BORDER-RIGHT: #000000 0.12mm solid; BORDER-TOP: #000000 0.12mm solid; BORDER-LEFT: #000000 0.12mm solid; BORDER-BOTTOM: #000000 0.12mm solid" vAlign=center width=95 height=81> Trans Ring Bottom Floor Side frame Deck Dean</TD> <TD style="BORDER-RIGHT: #000000 0.1mm; BORDER-TOP: #000000 0.1mm; BORDER-LEFT: #000000 0.12mm solid; BORDER-BOTTOM: #000000 0.1mm" vAlign=center width=465 height=81> ← 전단응력(골조구조로서의 전단하중) ← 직응력(골조구조로서의 축하중) ← 굽힘응력(골조구조로서의 굽힘하중)</TD></TR> <TR> <TD style="BORDER-RIGHT: #000000 0.1mm; BORDER-TOP: #000000 0.12mm solid; BORDER-LEFT: #000000 0.1mm; BORDER-BOTTOM: #000000 0.12mm solid" vAlign=center width=95 height=17>  </TD> <TD style="BORDER-RIGHT: #000000 0.1mm; BORDER-TOP: #000000 0.1mm; BORDER-LEFT: #000000 0.1mm; BORDER-BOTTOM: #000000 0.1mm" vAlign=center width=465 height=17>  </TD></TR> <TR> <TD style="BORDER-RIGHT: #000000 0.12mm solid; BORDER-TOP: #000000 0.12mm solid; BORDER-LEFT: #000000 0.12mm solid; BORDER-BOTTOM: #000000 0.12mm solid" vAlign=center width=95 height=60> Longi. Girder Side Stringer</TD> <TD style="BORDER-RIGHT: #000000 0.1mm; BORDER-TOP: #000000 0.1mm; BORDER-LEFT: #000000 0.12mm solid; BORDER-BOTTOM: #000000 0.1mm" vAlign=center width=465 height=60> ← 전단응력(골조구조로서의 전단하중) ← 직응력(골조구조로서의 축하중 + Hull Girder의 종굽힘 하중) ← 굽힘응력(골조구조로서의 굽힘하중)</TD></TR> <TR> <TD style="BORDER-RIGHT: #000000 0.1mm; BORDER-TOP: #000000 0.12mm solid; BORDER-LEFT: #000000 0.1mm; BORDER-BOTTOM: #000000 0.12mm solid" vAlign=center width=95 height=17>  </TD> <TD style="BORDER-RIGHT: #000000 0.1mm; BORDER-TOP: #000000 0.1mm; BORDER-LEFT: #000000 0.1mm; BORDER-BOTTOM: #000000 0.1mm" vAlign=center width=465 height=17>  </TD></TR> <TR> <TD style="BORDER-RIGHT: #000000 0.12mm solid; BORDER-TOP: #000000 0.12mm solid; BORDER-LEFT: #000000 0.12mm solid; BORDER-BOTTOM: #000000 0.12mm solid" vAlign=center width=95 height=38> Longi. Frame Stiffener</TD> <TD style="BORDER-RIGHT: #000000 0.1mm; BORDER-TOP: #000000 0.1mm; BORDER-LEFT: #000000 0.12mm solid; BORDER-BOTTOM: #000000 0.1mm" vAlign=center width=465 height=38> ← 직응력(Hull Girder의 종굽힘 하중) ← 굽힘응력(panel의 지지반력에 의한 굽힘하중)</TD></TR></TBODY></TABLE> 횡연은 종늑골에서의 하중과 종연에서의 하중을 받아 선체 횡단면내의 굽힘변형을 일으키고, 다시 횡연 및 종연을 지지하는 외판, 갑판, 격벽 등은 지지면에서 전단력을 통해 면내하중을 전달시킨다. 이러한 면내하중이 선박 전체로서의 각종변형을 일으키게 한다.