1.서 론

쌍동형 선박은 두 개의 선체를 가지는 선박으로 물에 잠 기는 상사의 몸체를 서로 연결하여 갑판부를 활용하고 그 위에 선실 구조물을 설치한 선박을 말하며, 두 선체의 일부 혹은 전부가 수면 아래로 잠수하거나(Swath), 수면 상에 부 양하거나(Planing), 파도를 뚫으며(Wave-piercing) 항해한다. 항 해속력에 있어서는 선체중량의 대부분을 정적주력으로 지 탱하고 있는 선박을 가리키며, 쌍동선은 크게 보통형 쌍동 선과 파랑 관통형(Wave-piercing) 쌍동선으로 나눌 수 있다 (Kim et al., 2011). 이 선형의 장점으로는 동일한 배수 톤의 단동선보다 넓은 갑판을 제공하며, 건조비도 비싸지 않으나 단점으로는 침수면적이 크므로 저속운항 시 저항이 증가하 고 동일한 배수 톤의 단동선보다 같은 속도를 유지하기 위 한 추진동력이 커야 한다는 점이다. 특히, 파랑 중 내항성능 과 관련하여 불가피하게 배의 L/B 가 단동선보다 작게 되 므로 횡요 고유 진동주기가 적어지게 된다. 이는 입사파가 배의 길이 방향에 대해 20-70°로서 배의 운동이 6자유도 운 동이 될 때 종요와 횡요가 동시에 고유 진동주기로 겹치면 서 인체에 감수하기 어려운 회전운동을 일으켜 승선감이 나 쁘다는 특징도 있다. 또한 상하운동이나 종요가 심하여 파 면이 횡단갑판의 하부를 칠 때, 슬래밍(Slamming)이 발생하 며 이러한 하중은 여객에게 주는 충격력, 정밀한 전자계측 장비 등에 고장을 일으키는 원인이 되기도 한다. 하지만 선 수부의 배수량을 적게 하여 종복원력을 작게 하고 동시에 날카로운 선수를 만들어 파도로부터 전해지는 외력을 줄여 종요를 감소시킨다면 언급된 단점을 보완할 수 있다. 최근, 고속 단동형(Mono-hull), 쌍동형(Twin-hull) 형태의 요트 및 카페리에 대한 관심이 크게 증대되면서, 여러 가지 관련 설 계 기술의 비약적인 발전과 함께, 국내·외 많은 연구자들이 다음과 같이 구조설계와 구조해석에 대한 연구를 진행하고 있다.

Park and Ko(2005)는 강선요트의 설계에 사용된 시제선에 관한 구조강도 평가를 수행하기 위해 영국선급(LR)에 의한 설계와 해석 프로세스를 정립하였다.

Park et al.(2009)은 38피트 보급형 쌍동형 요트의 구조설계 및 구조 안정성 평가를 위해 해석적 방법에 기술하였으며 구조설계 과정에서는 노르웨이 선급(DNV-GL), 한국선급(KR), 미국선급(ABS)에서 제시하고 하고 있는 평가항목에 대해 검토하였다. 특히 쌍동형 선박의 구조설계 및 해석의 프로 세스를 정립하였다.

Oh et al.(2009)는 50피트 쌍동형 요트의 구조설계 과정 시 구조부재 스캔틀링을 수행하고 이에 대한 설계하중을 산출 하여 안전성을 평가하기 위해 노르웨이선급(DNV-GL)과 한 국선급(KR)의 규칙을 적용하여 설계하중 및 해석 항목 등에 관한 프로세스를 정립하였다.

Oh et al.(2011)는 CFRP를 선체소재로 채택한 레저선박의 설계 및 특성에 대해 ISO 8666(주요제원과 하중상태)과 ISO 12217(소형선박의 부력과 복원력 평가), ISO 12215-5(소형선 박의 구조설계) 등을 적용하여 50피트급 CFRP 크루즈 보트 의 설계모델을 구축하였다.

그러나 구조설계와 구조해석 평가에 대한 일련의 과정 에 있어서, 길이 50 m 이상의 쌍동형 카페리에 대한 구조강 도 평가에 대한 규정이나 절차에 대한 프로세스는 보완할 점이 많은 게 현실이다.

따라서 본 연구에서는 KR(고속경구조선 규칙) 기준을 바 탕으로, 고속 쌍동형 카페리 구조설계 절차 및 상세 유한요 소해석을 적용한 결과를 언급하고 있다. 이와 같은 결과는 향후 쌍동형 카페리의 구조설계 및 구조해석에 관련한 기초 적인 자료로 유용하게 활용될 것으로 판단된다.

2.쌍동형 카페리 구조설계

2.1.설계규준 검토

Table 1에서 보여주는 설계규준 검토 결과 국제기준 및 선급기준의 경우 단동선(Mono-hull)과 다동선(Multi-hull)에 대 한 규준은 있으나 연구 개발 대상의 제원이 적용 범위 내에 해당하지 않아 설계규준 적용을 하지 못한다(KR, 2015a).

2.2.설계 하중

쌍동형 레저요트설계에 대한 기준은 선급이나 각종 연구 자료를 통해서 제시되어지고 있다. 그러나 아직까지도 쌍동 형 고속 요트 및 카페리(Car-ferry)에 대한 구조설계 및 구조 강도 평가에 대한 기준의 정립에 관해서는 보다 많은 연구 와 고찰이 필요하다. 본 장에서는 쌍동형 카페리의 설계하 중에 대한 선급의 기준을 간략히 소개를 하고 있다. Fig. 1 에서는 본 논문에서 개발 목적으로 하고 있는 유사한 쌍동 형 카페리에 대해서 나타내고 있다. Table 2는 본 연구에서 대상으로 하고 있는 카페리에 대한 주요치수를 나타내고 있 다. 개발 목표로 하고 있는 카페리는 길이에 비해서 폭이 상대적으로 넓은 치수비를 유지하고 있으며, 방형 계수와 주형계수가 상대적으로 작은 세장선으로 설계가 되어 있어 서, 중속 이상의 항주에 부합하는 특징을 가지고 있다.

2.2.1.설계 수직 가속도

본 논문에서 고려한 쌍동형 고속 카페리의 속장비 (V / L)가 1.93 이므로 식(1)에 f_g (선종과 항행범위 제한부 호에 따라 구분된 가속도 계수)와 g₀ (중력가속도) 값을 대입 하여 설계 수직 가속도 값을 아래의 식(1)을 이용하여 계산 한다.

2.2.2.허용 속력

설계 수직 가속도에 대응하는 허용 속력은 V / L가 3.0 미만일 때 식(2)에 대입하여 허용속력을 구한다. H S 는 유의 파고를 나타낸다.

2.2.3.종방향의 설계 가속도

종식 구조를 갖는 선박에서의 종방향 설계 가속도는 주요 구조부재의 치수를 결정하는데 필수적으로 이용된다.

C_W는 파랑계수로서 100 m 이하의 선박에 대해서 0.08 L을 적용시켜 종방향의 설계 가속도 값을 구한다.

2.2.4.횡방향의 설계가속도

횡방향으로 작용하는 설계가속도는 아래 식(4)를 이용하 여 계산이 가능하다.

여기서,

수 있다. T_R (횡요주기), θ_r (최대횡요의 기울기)이며 h_W는 최 대 속력의 0.7배를 유지 할 수 있는 최대파고로서 0.6C_W 이 상이어야 한다. r_r은 횡요 중심으로부터 고려하는 위치까지 의 높이이다.

2.2.5.선저 설계 슬래밍 압력

단동형선을 제외한 복수개의 헐과 갑판을 갖는 선박형태 에서는 피칭운동에 의한 선저에 슬래밍압력이 빈번하게 작 용되며, 이에 대한 설계값을 아래의 식(5)와 같이 계산하여 Fig. 2에 도식하였다. 작용면적 및 선저경사각(β_cg)에 의해서 하중값이 좌우되며, 너클 선형일수록 작용면적(A)증가에 따 른 선저 슬래밍 압력은 증가한다.

선체가 2개이므로, n의 계수 값을 2로 하고 고려하는 부 재의 설계 하중 작용면적(A)는 0.002 Δ / d보다 클 필요는 없 다(Δ : 배수량). k₁ (슬래밍 압력 분포계수), 판을 따라 측정한 휨 보강재의 간격(S), 운항 속도 시 정상운항 상태에서 L의 중앙부에서 측정한 흘수(d₀), 고려하는 횡단면의 선저 경사 각도(β_x)를 통하여 선저 슬래밍 압력을 구한다. 본 논문에서 는 속장비(V / L)가 3.0 미만이므로 식(5)를 고려하지 않는 다.

2.2.6.종요에 의한 슬래밍 압력

판재류와 휨보강재 및 거더 부재에 작용하는 종요에 의한 슬래밍 압력을 아래 식(6)에 의해 계산한다.

2.2.7.선수 측부 및 선수부 충격압력

선박이 항주중일 때 선수는 과도한 피칭운동에 의해 유발 되는 충격압력이 전달되며, 선수의 측부에도 유사한 현상이 발생한다. 이러한 영향을 적절히 고려하기 위하여, 식(7)에 의해 설계하중을 계산하며, Fig. 3과 4에 도식하였다.

고려하는 부재의 설계하중 작용 면적(A), 선미단으로 부 터 고려하는 곳까지의 거리(x), 선박의 각각의 수정계수와 플레어 각도(α), 수선의 접선과 버턱 라인이 이루는 각도(γ) 등을 통하여 선수 측부 및 선수부 충격 압력을 구한다.

2.2.8.쌍동선 연결구조의 슬래밍 압력

쌍동형 선박의 구조 취약부 중 한가지인 헐과 데크의 연 결구조에 작용되는 국부적인 슬래밍 하중에 대한 구조안전 성 검토를 위하여 식(8)을 이용하여 계산한다.

선체에 따른 슬래밍 압력의 선박 길이 방향 분포 계수(k_t) 는 쌍동선의 경우 0.3을 이용하고 선체 형상에 따른 계수(k_c) 를 이용하여 쌍동선 연결 구조의 슬래밍 압력을 구한다.

2.2.9.선측부 및 노출 갑판에 작용하는 해수압력(만재흘수선 하부)

중앙에서 선미단까지, 선수단 앞쪽까지 해수압력은 항행 범위 제한 부호에 따라 선측부, 노출갑판부, 루프부가 결정 된다.

Table 3에서는 KR(2015a)에서 분류한 항행범위에 각 요트 의 부재범위에 따른 해수압력의 최소값을 나타내고 있다.

2.2.10.고속항해 시 충격하중에 의한 굽힘 모멘트

고속항해 시, 선박의 선수부는 과도한 충격하중이 반복적 으로 전달되며, 이로 인하여 발생되는 굽힘 모멘트에 구조 가 충분한 강성을 갖는 설계를 하도록 권고하고 있다.

속장비가 3.0 이상인 선박의 슬래밍 압력의 면적에 대해 중앙부 파정 착수 시 k값을 0.7로하고 선수미 착수시의 k값 을 0.6으로 하여 면적을 구한다.

2.2.11.중앙부 파정 착수 모멘트

슬래밍 압력의 작용면적의 종방향 범위(l_s), 슬래밍 압력 의 작용면적의 폭(b_s)을 구하여 중앙부 파정 착수 모멘트 (hogging)을 아래 식(11)과 같이 계산한다.

선박의 선수부 무게 중심에서 선미부 무게 중심까지 거리 의 1/2값(e_w)을 구하고 추정이 불가능할 경우에는 0.25 L로 구 한다. Fig. 5와 6은 KR(2015a)을 참고하였다.

2.2.12.선미부 파정 착수 모멘트

슬래밍 압력의 작용면적의 중앙으로부터 선박의 무게 중 심까지의 평균 거리(e_r)를 구하여 선미부 파정 착수 모멘트 (sagging)를 아래 식(12)와 같이 계산한다. Fig. 7은 KR(2015a) 을 참고하였다.

2.2.13.호깅 및 새깅 굽힘 모멘트

호깅 굽힘 모멘트로 최대 하중조건에서의 정수중 모멘트 추정이 곤란한 호깅은 0.5ΔL로 계산을 하고 새깅은 “0”으로 계산을 한다. 용골상면으로부터 쌍동선 연결구조 의 하단까 지의 높이를 이용하여 호깅과 새깅 시의 쌍동선 연결부의 잠수에 의한 영향 계수(k₂, k₃)를 구하며, 식(13), (14)와 같이 계산한다.

2.2.14.종굽힘에 의한 전단력

호깅과 새깅현상에 의해 발생되는, 종굽힘에 의한 전단력 을 아래 식(15)과 같이 계산한다.

2.2.15.쌍동선 연결구조에 작용하는 횡방향 굽힘 모멘트

항해 범위에 따라 쌍동선 선체 중심간의 길이(b)와 항행범 위에 따른 계수(s)에 의하여 횡방향 굽힘 모멘트를 아래 식 (16)과 같이 계산하며, Fig. 8에 도식하였다.

Table 4에서는 KR(2015a)에서 분류한 항행범위에 따른 두 가지 계수 값의 정의에 대해서 나타내고 있다.

2.2.16.쌍동선체 사이의 중심선상에 작용하는 수직 전단력

항행범위 제한 부호에 따른 항행범위에 따른 계수(s)와 항 행구역에 따른 계수(q) 값을 이용하여 쌍동선체 사이의 중심 선상에 작용하는 수직 전단력을 아래 식(17)과 같이 계산한다.

2.2.17.쌍동선 종·횡 비틀림 모멘트

두 개의 헐과 갑판 사이에 작용되는 서로 다른 유체압력 차이에 의해서 발생되는 종, 횡 비틀림 모멘트에 의한 하중 계산을 아래 식(18), (19)과 같이 계산한다.

쌍동선 길이와 폭을 이용하여 종(M_p)과 횡(M_t)를 구하며, Fig. 9에 도식하였다.

2.2.18.굽힘 강도(선체 횡단면의 단면계수)

선박의 중앙부에 있어서의 굽힘 모멘트와 허용 굽힘 응력 (175 N/mm²)을 이용하여 선체 횡단면의 단면계수(Z_r)를 아 래 식(20)과 같이 계산하며, 허용굽힘응력 보다 큰 경우에만 선급규칙을 만족하는 조건이다.

앞서 언급한 내용은 선급규칙에서 규정한 주요 하중성분 을 계산한 일례를 나타내고 있으며, 이러한 방법은 일반적 인 소형강구조선 설계에 범용적으로 사용되고 있다. 이러한 방법은 선체구조를 구성하는 독립된 부재의 안전성은 쉽게 확인이 가능하나, 연속부재 상태에서 설계하중에 대한 구조 안전성에 대한 상세 검토는 제공하지 않는다. 이에 본 논문 에서는 이러한 문제점을 보완하기 위한 새로운 구조설계 절 차를 제안하고자 한다.

2.3.구조강도 검토 절차

아래 Fig. 10은 본 논문에서 제안하는 구조설계 검토 절차 를 나타내고 있다. 단계별로 새롭게 추가된 항목은 2가지 이 며, 판넬 좌굴 체크와 중앙부 휨강도 평가이다. 쌍동형 카페 리 구조의 특성 상, 선저와 헐과 데크 연결구조에서 압축하 중이 자주 발생하기 때문에, 판넬의 좌굴강도 평가는 필수 사항이며, 이는 기둥좌굴 검토가 완료된 후에 별도로 실시 해야 한다. 선급규칙에 의한 단면계수치 설계가 완료된 후 에는 중앙부 단면에 대한 상세 구조검토를 통해서, 적용된 하중 대비 구조강도 안전율을 보다 신뢰성 있게 파악이 가 능하다. 이러한 일련의 절차를 통해서, 구조엔지니어는 설계 결과물에 대한 확신 및 최적설계를 가능하게 할 수 있다.

3.구조설계에 대한 강도 검증

주요 구조 부재의 치수는 앞장에서 기술한 절차와 방법에 따라 정의 하였으며, 새롭게 제안한 구조강도 검토 절차에 대한 유용성을 검토하기 위하여 카페리 전용선박 기준에서 제시한 방법에 따라 부재의 치수 및 구조강도를 재검증하였 다. 위 기준에서는 선실구조가 종강도 부재로서 강도분담 역할을 하는 개념이므로, 일반적인 카페리에 적용하기에는 적합하지 않지만, 선실구조를 제외한 나머지 종강도 부재의 구조 안전성을 검증하는데 있어서는 유용하다. Fig. 11은 설 계된 중앙 횡단면도를 나타내고 있으며, 쌍동형 선체 내에 작용하는 슬래밍 압력 및 비틀림 모멘트에 충분한 구조강성 을 확보하기 위하여 응력 집중부 설계 및 생산성을 고려한 두께 단차를 복합적으로 고려하였다(KR, 2015c).

3.1.Design Bending Moment 계산

카페리 전용선박 기준에서 요구하는 휨모멘트 분포도를 Fig. 12에서 나타내고 있으며, 앞서 언급한바와 같이 요구되 는 휨모멘트가 강구조선 기준 대비 큰 값을 적용하고 있다. 이러한 하중을 기준으로 하여, 종방향 휨거동을 해석하였으 며 주요 결과는 3.2에서와 같다(KR, 2015b).

3.2.Hull girder bending 검토

Fig. 13에서는 호깅 및 새깅 조건에서 휨모멘트 변화에 따 른 중앙단면 부재에 발생하는 곡률에 대해서 (a)에서 나타내 고 있다. 선사에서는 허용하는 범위내에서 선박의 운용기간 을 증가하기를 원하며, 선령증가에 따른 구조강도 저하를 고려하고자 한다면, 이러한 moment-curvature 결과는 필수적 으로 검토가 되어야 하는 항목이다. 기준에서 요구하는 최 대하중 대비, 중앙부 종강도 단면계수 값이 충분한 구조강 성을 보유하고 있음을 확인할 수 있다. 일부 최상층 갑판부 에서 허용치를 넘는 값이 나타나지만, 카페리 전용선박 기 준에서는 선실구조도 종강도 부재로 인식하기 때문에 과도 한 하중이 적용된 원인이다. 본 논문에서 고려하고 있는 카 페리에서는 종강도 부재로 인식하지 않는 영역이고, 하중자 체가 소형강구조선 설계 대비 크게 적용된 점을 고려하였을 때, 무시할 수 있다.

Fig. 14는 선급기준에 의해 계산된 최대 호깅, 새깅 및 비 틀림모멘트 하중등을 모두 고려하였을 때, 각 부재별 압축 하중에 의한 좌굴강도 검토 결과를 나타내고 있다. 이 부분 은 현재 선급규칙에서 보완해야 하는 항목이며, 본 논문에 서 제안하고 있다. 검토결과 데크하우스 벽면 부재에서 좌 굴강도를 만족하지 못하며, 나머지 부재들은 허용치 이내에 서 만족함을 확인하였다. 현재 설계하는 쌍동형 카페리의 데크하우스는 길이방향으로 연속되지 않는 비 종강도 부재 이나, 카페리 전용선박 기준에서는 모든 구조부재가 종강도 부재로 인식하여 발생한 결과이며, 이는 실제와 다르기 때 문에, 무시가 가능하다.

4.결론 및 향후 연구과제

본 논문에서는 쌍동형 카페리의 구조 설계 및 구조 안정 성 평가에 대한 주요 항목 및 이에 대한 결과를 기술하고 있 다 구조부재의 두께 . 및 사이즈를 결정하기 위해서 KR(한국 선급)에서 제시하는 기준들을 적용하였으며, 추가적인 검증 을 위하여, 카페리 전용선박 기준을 적용하여, 중앙단면부 구조강도 검토를 수행하여 설계를 완료하였다. 본 연구를 통해서 얻어진 결론은 다음과 같다.

본 연구에서 언급한 일련의 프로세스는 동일구조부재의 설계 및 구조안정성 평가에 있어서, 유익한 기초자료로 활 용되리라 판단된다. 이후의 연구로서는 구조재료가 알루미 늄인 경우의 고속 쌍동형 카페리에 대한 개발과 함께, 상세 평가기준 및 하중 정의에 대한 구체적인 비교/분석이 필요 하다.