1. 서 론

최근 세계 경제 시황이 저성장이 장기화하면서, 조선 및 해양산업에도 불황이 장기화가 되고 있다. 국내 조선산업의 경우에는 신조 위주로 구성되어 있으므로, 많은 조선사가 폐 업한 사례가 있다. 또한, 신조 방식의 제조업의 특성상 경기 사이클이 존재하기 때문에, 장기적으로 이를 대처할 동반 산 업이 절실하게 필요로 하고 있다. 이러한 요구에 적합한 분 야가 수리조선업 분야이다. 선박 수리업은 배를 개조하거나 보수, 정비 등을 수행하는 사업으로 국내엔 부산, 통영, 인천, 목포 등에 여러 업체가 포진해있다. 주로 배수량 3만 톤 이 하의 선박을 수리하는 곳이다. 소형선박에 대한 수리는 중소 조선사에서 일부 이뤄지고 있지만, 대형선박에 대한 수리 및 개조는 전량 해외 수리 조선소에서 진행되고 있다.

정부는 조선 경쟁력 강화 방안을 통해 선박 수리 시장을 연간 160억 달러로 판단하여, 수리 자급률을 2015년 1.3%에 서 2020년까지 10%로 끌어 올리겠다는 방침을 수립한 바 있 다. 수리조선업을 운영하기 위해서는 플로팅도크가 필수적으 로 필요로 하며 대부분 , 노후화된 플로팅도크를 해외로부터 수입한 후, 개/보수를 통하여 운용하고 있다. 수리조선 산업 시장은 신조선 시장과 유사한 구조로 글로벌 물동량, 교역량 의 증대가 곧 선박 수리 수요 증가로 이어지는 특성이 있으 며, 선령이 길어질수록 선박수리비용은 점진적으로 증가하는 추세를 갖고 있어, 검사 기간은 선박 운항이 어려우므로 4년 마다 검사를 하는 것으로 수요를 추정하고 있다(Kim and Yoon, 2018). 그러나, 사용연한이 30년 이상이고, 운용 시 특정 선급에 입급을 시키지 않기 때문에, 노후 설비에 대한 운용절 차 및 기준 확보를 통한 관리가 절실하게 필요하다.

국내 대표적인 수리 조선사에서 운용하고 있는 플로팅도 크 설비에 대하여 아래 Table 1과 같이 정리하였다. 대부분 중소선박의 수리 용도로 사용되고 있고, 도크의 전장 길이 가 200 m 이내이다.

이와 관련된 기존의 선행연구는 아래와 같이 요약하였다. Ryu et al.(2013)은 선거 반목해석시스템 개발의 경험을 바탕 으로 Pre-erection 블록의 격자구조모델을 이용한 간이해석 (Grillage analysis)방법과 그 시스템의 개발에 관하여 연구를 수행하였다. 본 연구에서는 구조 강도해석을 전문적으로 다 루지 않는 실무자가 간단한 작업을 통하여 PE 블록 반목의 배치를 유연하게 수행하면서 강도평가를 수행할 수 있도록 전용 해석시스템을 개발하였다. 컨테이너선의 PE 블록에 대 한 3차원 유한요소해석 결과와 비교 검토를 통하여 해석시 스템의 유용성을 확인하였고, 격자구조 모델을 이용한 간이 해석이 반목의 반력을 계산하는 데 유용하게 활용될 수 있 음을 확인하였다.

Park et al.(2010)는 플로팅도크에 블록을 탑재할 선체의 강 도와 구조 안정성을 분석 및 평가하기 위해 13,000 TEU 컨테 이너선의 탑재 상황을 load-out별 총 5 스텝으로 나누고, 3차 원 전선모델링을 이용하여 전선 도킹 해석을 수행하였다. 도킹 해석은 플로팅도크의 전체 길이를 대상으로 하여 구조 체 주요부재의 종강도 및 횡강도에 대하여 중점적으로 검토 함으로써 구조 안전성을 검증하였다.

Yang et al.(2015)는 이치스 프로젝트의 건조에 사용된 플 로팅도크의 계류 안전성을 수치적 접근을 통하여 확인하였 다. 작업조건과 태풍 조건에 대한 계류 해석을 통하여, 각 해석조건에서의 계류 체인들의 최대 계류력과 이치스 탑재 플로팅도크의 최대 오프셋, 계류 체인 간의 간섭 여부를 검 토하고자 하였다. 아울러 이치스 탑재 플로팅도크의 계류 안전성 확인작업의 목적으로 수중조사를 수행하였다. 조사 결과 계류 체인들이 잘 설치되어 안전한 상태를 유지하고 있음을 확인하였다.

Ha(2014)는 연안 선박 유지 보수용 플로팅도크 시스템의 설계안에 대하여 프레임부 구조 강도 검토 및 회류 수조에 서 모형실험을 통한 운동특성을 검토하였다. 초기 프레임 설계안은 적절한 구조 안전성을 확보하지 못하여, 추가적인 구조 보강을 하였다. 실물 제작을 통한 선박의 출입 시험을 위하여 길이 9 m급 연안 복합어선을 이용하며, 설계안의 추 정값과 잘 일치함을 확인하였다.

Yang et al.(2013)는 플로팅도크의 길이방향 및 횡방향 편 향 및 경사도를 계산하는 시스템을 개발하였다. 도크 내 설 치되어 있는 센서들은 실시간으로 계측 데이터를 무선통신 을 이용하여 중앙모듈에 전송한다. 계측지점이 아닌곳에 대 한 예측을 위하여 라그랑쥐 보간법 방법을 적용하였으며, 실험 결과와의 비교에서 95%의 정확도를 확인하였다.

Korotaev et al.(2016)는 플로팅도크의 운용 시 가장 중요한 업무인 선거 변형량 측정에 관한 연구를 수행하였다. 플로 팅도크에 대한 처짐 측정 시스템은 실시간 완전 자동모드에 서 운용할 수 있으며, 2개의 카메라를 포함한다. 열악한 실 환경에 대한 시스템의 내구성에 대하여 현장 테스트를 통하 여 검증을 완료하였다.

본 연구에서는 30년 이상 사용된 케이슨 플로팅도크의 구 조부재에 대한 실 계측 데이터를 기반으로 유한요소해석을 통한 상세 구조 강도 검토를 통하여, 잔류 구조 안전성을 확 인하였다. 본 연구를 통하여 도출된 주요 결과는 노후화된 플로팅도크의 구조 안전성 평가에 관련한 기초적인 자료로 유용하게 활용될 것으로 판단된다.

2. 플로팅도크 두께 계측

2.1 잔존 두께 계측

Fig. 1에서는 본 논문의 주요대상인 케이슨 플로팅도크에 대해서 나타내고 있다. 기존에 케이슨 도크로 활용되던 도 크 개를 수리조선업을 2 하기 위하여, 중앙부 보강공사를 한 모델이다. 일반적인 신조 형태의 플로팅도크는 종부재의 연 속 구조인데 대비하여, 중앙부 구조의 불연속이 발생하며, 이를 적절한 보강공사를 통하여 구조 변경하였다.

플로팅도크의 두께 실측을 위하여 Fig. 2와 같은 초음파 측정기를 사용하였으며, 강판의 경우 두께 1 mm부터 225 mm 까지 계측이 지원된다. 사용환경 온도는 영하 10도부터 영상 300도까지 가능하다.

Table 2에서는 개발 대상물의 주요치수를 나타내고 있다. 본 연구에서 개발하고자 하는 플랫폼은 길이 방향 및 폭 방 향에 3개의 격벽을 포함하고 있으며, 종/횡 방향으로 복수개 의 보강재로 구성된다.

Table 2에서 언급한 플랫폼의 주요치수를 표기하고 있으 며, 플로팅도크의 중앙단면 부재 배치 도면을 Fig. 3에 나타 내고 있다. 1개의 단면은 폰툰 갑판 내에 5개의 벌크헤드가 위치하며, 종거더와 론지 보강재가 길이 방향으로 배치되어 있다. 측면 윙 탱크구조는 Safety deck 와 Upper deck로 구성 되어 있다. 플로팅도크를 구성하고 있는 모든 구조부재의 재료는 SS400 Carbon Steel이 적용되었으며, 주요 정보는 Table 3과 같다.

아래 Fig. 4는 플로팅도크에서 반목이 놓일 수 있는 위치 를 중심으로 계측된 위치 정보를 나타내고 있다. 계측된 위 치는 총 180개소이며, 같은 부재에서도 반복 점검한 때도 있 기 때문에, 총 계측 개소는 약 300포인트다.

계측 데이터의 상세 내용을 Fig. 5에서 나타내고 있다. Caisson dock 신조 시 도면정보에 계측된 결과를 업데이트하 여 두께 변화를 분석하였다. 계측을 위해서, 플로팅도크의 밸러스트를 비운 상태로 유지하였으며, 종강도를 담당하는 부재들 위주로 계측하였다. 주요 계측 부재들에 대한 사진 을 Fig. 6에 나타내고 있다. 중소 수리 조선사에서 운용하고 있는 플로팅도크의 경우 사용 선령이 최소 30년 이상이 지 났기 때문에, 사용 연수에 따른 두께 감소를 주기적으로 확 인하여 적절한 구조보강 대책을 마련해야 한다.

Table 4에서는 주요 계측 부재에서의 두께 분포를 4개의 탱크에 대해서만 나타내고 있다. 선체 외판의 경우, 최저 두 께가 8.2mm로서 사용 연수가 30년이 지나면서 1.8mm가 감소 하였다. 대양 항해를 하는 운반선의 경우, 1년에 0.1mm 두께 감소를 고려하는 것에 비교하면, 연안에서 고정되어 사용된 특징이 반영된 결과라고 할 수 있다.

3. 유한요소해석

3.1 모델링 및 경계, 하중 조건

본 연구에서는 유한요소법(Finite Element Method)을 근간 으로 하여 공학용 해석이 가능한 상용프로그램인 ANSYS Mechanical solver(ANSYS, 2016)을 이용하였다. 모델링은 4절 점을 갖는 shell 181요소를 적용하였으며, 보강재는 Beam 183 요소를 적용하여, 설계하중에 대해 구조적인 응답이 정확하 게 구현하도록 반영하였다. 해석에 사용된 유한요소 수는 약 260,000개이며, 전체적인 처짐형상 및 응력 결과 판단 시 충분한 자유도 조건이며, 연구에서 구조 강도 검증하고자 하는 플로팅도크는 외력 및 자중, 그리고 선거가 되는 선박 의 중량을 길이 플로팅도크의 길이 및 폭 방향으로 적용하 였으며, Fig. 7에 나타내고 있다. 해석의 경계조건은 양단 단 순 지지 조건을 구현하여, 실제의 구조 거동이 나타나도록 하였으며, Table 5 및 Fig. 8과 같다.

Fig. 9는 한국선급에서 제시하는 허용응력을 만족하는 최 대 휨모멘트(52,162.493 ton-m)를 만족하는 중량분포를 플로팅 도크의 길이 방향 휨모멘트와 전단 하중 분포를 나타내고 있다. 중량분포는 최대 6,700톤을 폰툰 데크위에 배치하였으 며, 플로팅도크의 중앙에 최대 호깅모멘트가 발생하도록 선 수와 선미부가 중앙부보다 큰 하중을 설정하였다. 이는 일 반적인 선박의 중량분포 특징을 고려하기 위해서이다.

3.2 최소두께 허용치와 허용응력

수리 조선사에서 운용하고 있는 플로팅도크의 구조 안전 성을 평가하기 위하여, 한국선급 규칙(KR, 2015)에서 규정하 고 있는 최소두께와 허용응력을 인용하였다. 허용응력 평가 시, 국부적인 요소 형상의 특이성과 요소 크기에 따른 응력 집중 요소는 평가에서 제외하였으며, 균일한 연속 부재에 대해서 기준을 적용하였다.

Table 6에서는 KR에서 요구하고 있는 주요 종강도 부재별 최소두께 기준과 계측된 부재 두께와 비교한 결과이다. 모 든 부재에서 최소두께보다 큰 수치를 나타내고 있다. 만약 계측된 두께가 KR 요구치보다 작으면 구조 안전성에 문제 가 있으므로, 적절한 보강조치를 수행해야만 한다. 구조 안 전성 평가 기준인 허용응력은 142MPa이며, 이 조건이 발생 할 수 있는 하중 조건을 종합적으로 고려해야 한다.

4. 결과 평가

4.1 플로팅도크 구조 강도해석 결과

계측된 부재 두께 정보가 반영된 구조 강도해석용 모델을 만들었으며, 종/횡강도에 이바지하는 모든 부재를 반영하였 다. 해석은 초기 케이슨플로팅도크 당시의 조건과 선령이 지난 지금의 두께가 반영된 정보가 반영되었다. 두 개의 케 이슨도크를 개조 및 수리를 하면서 반영된 두께보강 및 구 조 변경안도 반영되었다.

초기 설계안의 도면 치수를 반영한 경우, Fig. 8에서 정의 한 최대휨모멘트가 발생하는 하중 조건 적용 시, 최대 처짐 은 선 측 탱크에서 44 mm가 발생하며, 현재 부식상태가 반 영된 해석 결과는 중앙부에서 40 mm 발생한다 (Fig. 10, 11). 이러한 원인은 두 개의 케이슨플로팅도크를 개조공사를 하 면서 중앙부 및 선측탱크부를 구조 보강하여 큰 차이가 발 생하지 않았다. 만약 추가적인 보강을 하지 않고, 단순히 두 개의 도크를 연결만 한 경우에는 변형량 차이가 크게 발생 하였을 것으로 생각한다.

일반적인 신조 플로팅도크의 경우, 중앙부가 가장 큰 하 중을 견딜 수 있게 되어 있으나, 수리형 조선사에서 주로 사 용하고 있는 케이슨도크 연장 및 개조 형식은 그 특성에 따 라서 두 개의 도크 연결부인 외판 부에서 가장 취약한 구조 강도를 나타내고 있다(Fig. 12, 13). 여기서 시사점은 플로팅 도크의 수리 시 육안 관측이 되는 폰툰 갑판 위주로 진행하 고 있지만, 이러한 평가를 통하여 가장 취약한 부위를 확인 한 후 적절한 보강효과가 발생할 수 있도록 전략을 수립해 야 한다. 선저외판의 내부재 보강은 일부 데크 구조를 절단 한 후, 충분한 작업공간을 만든 후, 기존 부재에 신규 부재 를 보강하는 방법이 현실적인 대안이다.

현재 운용되고 있는 플로팅도크의 최대하중 조건에서의 응력 평가 결과를 Table 7에 정리하였다. 일부 최대 응력이 허용응력을 상회하였지만, 앞서 언급한 바와 같이 요소의 형상 및 크기에 기인한 것이라서 무시하였다.

모든 구조 강도 부재는 허용기준 이내에 모두 만족하며, 현재의 최대하중 분포를 기준으로 플로팅도크를 운용해야 함을 확인하였다.

5. 결론 및 향후 연구과제

본 연구논문에서는 전장 131 m 수리 조선사에서 운용하고 있는 노후화된 플로팅도크의 실 계측 두께 데이터를 활용하 여, 안전하게 운용하기 위한 최대 적재하중 및 분포에 대해 서 유한요소해석을 활용하여 분석 및 검증하였다. 본 연구 를 통해서 얻은 결론은 다음과 같다.

향후 연구과제로서는 다양한 설계 조건을 종합적으로 반 영할 수 있는 반목 안전하중 계산 시스템이며 이러한 연구 를 위하여 본 연구에서는 기초적인 검토 및 절차에 대해서 검토하였다.