블록 구조물의 리프팅 시 구조안전성 평가에 관한...

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대형 블록 구조물의 리프팅 시 구조안전성 평가에 관한 연구

연정흠† · 김신형** · 전석희* · 강중규* · 허주호*

Strength Evaluation for the Mega Block Structures through the Lifting Analysis

Jung-Hum Yeun, Shin-Hyung Kim, Seock-Hee Jun, Joong-Kyoo Kang, Joo-Ho Heo

Key Words : New Lifting Production Method, Lifting Simulation System, Lifting Analysis

Abstract

Recently a number of the very large sized ship and offshore structures have been fabricated in the ship yard. As a result, a new lifting production method using the large floating crane has been used to enhance the production efficiency of the mega block structures. In this situation the safety accidental problems can be happened. As a prevention way, a lifting simulation system has been developed for the purpose of checking the lifting capacity and simulating the fabrication sequence of the mega blocks. The developed lifting simulation system has three kinds of program modules such as weight-COG estimation module, lifting simulation module and CAE model interface module. Previous to the lifting progress, it is necessary to check the structural safety of the mega blocks and the associated support structures. In case of the lifting operation, there are so many uncertainties such as process plan, environmental loads, crane operating loads, etc. In this study, the design guidance and reference documents regarding the lifting analysis were reviewed and the appropriate analysis procedure and evaluation criteria were made. Using the developed lifting simulation system, the lifting analyses for three blocks, which were VLCC P.E block, LLNGC P.E block and Container lashing bridge, were performed and evaluated in accordance with the proposed analysis procedure and evaluation criteria. The structural safety of the target blocks was proven through the successful fabrication. Through this study, it was confirmed that the developed lifting simulation system, the proposed analysis procedure and evaluation criteria were useful and reliable for the lifting analysis.

1. 서 론

최근 선박과 해양구조물이 대형화 됨에 따라 각 조선소에서는 선박 건조 공정의 하나로서, 완성된 블록을 해상크레인으로 리프팅하여 탑재를 수행하는 공법을 시행하고 있다. 하지만 리프팅 공법의 경우 실제 많이 수행됨에도 불구하고, 정확한 안전성 확보에 대한 기준이 불명확한 상태이

다. 그리고 블록의 Weight/CoG 계산의 정확도, 각종 장비(크레인, 트롤리, 와이어 로프 등)의 신뢰성, 크레인의 조작(operation), 현장의 작업 상황 및 바람, 파도 등의 환경 하중에 의한 불확실한 요인들에 의해 많은 영향을 받는다. 이에 당사에서는 크레인 블록 리프팅 시 안전성을 확보하기 위해서 weight-CoG 모듈, lifting simulation 모듈, CAE model interface 모듈을 포함하는 블록 리프팅 시뮬레이션 시스템을 개발하였고, 리프팅 구조해석기술 및 안전성 평가법에 대해 다양한 설계지침을 분석하여 당사 자체의 구조안전성 평가 지침을 제시하였다. 또한 본 연구에서는 개발된 시스템과 구조해석기술 및 안전성 평가법에 대한

*연정흠, 대우조선해양㈜, 구조 R&D팀 E-mail : [email protected] TEL : (055)680-5525 FAX : (05)680-2174

** 대우조선해양㈜, 정보기술 R&D팀

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개발지침을 적용하여, VLCC P.E 블록과 LLNGC P.E 블록 및 Container lashing bridge 의 리프팅 시의 구조 안전성을 검토하였다.

2. 블록 리프팅 시뮬레이션 시스템

그림 1 에 당사에서 개발한 블록 리프팅 시뮬레이션 시스템의 간단한 개요를 나타내었다. 본 시스템은 크게 세 단계로 분류되는데, 먼저 Weight/CoG 계산 프로그램으로, 데이터를 수집하여 블록의 정확한 Weight/CoG 를 산정한다. 그리고 이러한 정보를 통해 러그 배치 설계 시스템을 통하여 러그 배치 도면을 작성하고, 해석 인터페이스를 통해 Tribon 모델을 해석용 모델로 변환, 해석용 러그 반력과 의장품 하중 파일을 생성한다. 하나의 예로서, 당사의 호선 5270 50 P.E 블록의 탑재 시 시뮬레이션 결과를 그림 2 에 나타내었는데, 실제 블록의 거동과 시뮬레이션 결과가 매우 유사함을 알 수 있다.

3. 리프팅 구조해석 및 안전성 평가법

리프팅 구조해석을 수행하기 위해서는 실제 상황을 가장 유사하게 구현할 수 있는 해석방법과 안전성을 평가하기 위한 허용응력 기준이 필요하다. 이에 case study 를 통하여 해석에 대한 방법과 허용응력을 평가하기 위한 요소크기에 대한 분석을 수행하였다. 먼저 해석조건 및 방법에는 Gravity force, Lug

Force, Bottom Boundary Condition, Lug Points Boundary Condition, Wire Model등의 변수가 있는데, 다양한 경우의 해석을 통하여 실제 상황과 가장 유사한 조건을 결정하여 다음의 표 1 에 나타내었다. 블록 리프팅 시뮬레이션 시스템을 통하여 계산된 러그 force 값을 해석모델에 직접 작용시키기 때문에 크레인 작동 시 equalizer 를 통해 균일한 힘으로 당겨지는 wire에 대한 구현이 가능하다. 본 연구에서는 결정된 리프팅 해석방법으로 해석을 수행할 때 요소크기에 대한 응력의 민감도에 대해 살펴보았다. 국부 구조해석의 경우 요소크기에 대한 응력이 민감하므로 이에 대해 평가할 기준 또한 결정되어야 한다. 통상적으로 AISC, API설계지침에 따르면 인장허용응력은 항복응력의 약 60%, 전단허용응력은 항복응력의 약 40%로 규정되어있다. 하지만 이러한 규정은 블록 리프팅 해석을 위한 규정이 아니므로 직접 적용될 수 있는

정확한 지표값은 아니다. 따라서 리프팅 해석에 대한 당사 자체의 기준을 마련하기 위해 case study 를 통하여 AISC, ABS, LR 등의 허용응력 기준값과 비교하여 리프팅 해석에 합리적으로 적용될 수 있는 요소크기, 허용응력 및 허용변형기준을 도출하였다. 평가기준을 표 2에 나타내었다.

4. 리프팅 구조해석 I

개발된 블록 리프팅 시뮬레이션 시스템과 리프팅 구조해석 guidance 를 적용하여, VLCC 의 P.E 블록의 리프팅 시 구조안전성을 검토해 보았다. 그림 3 에 러그배치 설계 및 리프팅 시뮬레이션 화면을 나타내었다. 그리고 그림 4 에는 해석대상 모델과 하중을 나타내었다. 수직 상방향(+) 하중이 시뮬레이션 시스템으로부터 계산된 러그 force 값이며, 수직 하방향(-) 하중이 의장품의 하중이다. 이때의 계산된 러그 force값은 wire 각도 및 equalizer효과가 고려된 값이다. 블록모델 하부의 경계조건은 해석상에서 과잉 응력 및 변형을 최소화 시킬 수 있는 trans. web frame 과 center girder 의 교차점에 단순조건을 적용하였다. 해석결과를 그림 5 에 나타내었고, 제안된 평가기준에 따라 안전성평가를 수행하여 그 결과를 표 3 부터 5 에 나타내었다. 따라서 해당 블록의 리프팅 작업은 안전하다고 판단된다.

5. 리프팅 구조해석 II

4 절과 마찬가지로 제안된 해석기법에 따라 LLNGC P.E 블록의 리프팅 시 구조안전성을 검토해 보았다. 그림 6 에 해석대상 모델과 하중을 나타내었고, 해석결과를 그림 7 에 나타내었다. 제안된 평가기준에 따라 안전성평가를 수행하여 결과를 표 6 부터 8 에 나타내었는데, 평가기준에 따라 해당 블록의 리프팅 작업은 안전하다고 판단된다.

6. 리프팅 구조해석 III

앞선 적용 예와 마찬가지로 제안된 해석기법에 따라 Container lashing bridge 블록의 리프팅 시 구조안전성을 검토해 보았다. 그림 8에 해석대상 모델과 하중을 나타내었고, 해석결과를 그림 9에 나타내었다. 제안된 평가기준에 따라 안전성평가를 수행하여 결과를 표 9 부터 11 에 나타내었는데,

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평가기준에 따라 해당 블록의 리프팅 작업은 안전하다고 판단된다.

7. 결 론

이상 새롭게 개발된 리프팅 시뮬레이션 시스템을 사용하여 블록 리프팅 시의 구조 안전성을 검토하였다. 리프팅 시뮬레이션 시스템이 개발되어 의장품의 하중 및 러그 force 가 vector 값으로 주어지며, 정확한 CoG 를 바탕으로 러그가 배치되기 때문에 보다 합리적인 러그 배치설계가 가능할 것으로 사료된다. 또한 해석 인터페이스를 통해 Tribon 설계 모델을 Patran 해석용 모델로 자동변환 시키기 때문에 모델링의 시간을 상당히 줄일 수 있었다. 그리고 당사 자체의 해석조건 및 방법, 요소크기에 따른 응력 민감도, 허용응력, 허용변형에 대한 연구를 통하여 리프팅 구조해석 guidance 를 도출하였으며, 이를 세가지 경우에 적용하여 구조 안전성을 검토한 결과 안전함을 확인하였다. 본 연구 결과를 통하여 개발된 리프팅 시뮬레이션 시스템과 해석평가기준은 향후 블록 리프팅 시 구조안전성 평가의 유용한 설계 및 해석지침으로 활용될 수 있으리라 사료된다.

참고문헌

(1) Stanley W. Crawley et al: “Steel Buildings”, John Wiley & Sons, 1984.

(2) Guideline for Safe Hull Phase B, ABS, December 1998

(3) Ship Right, Structural Design Assessment, Lloyd`s Register, 2002

(4) G.P. Park et al: “Development of crane lifting simulation system”, DSME report No.DA04E0, 2004.

(5) J.H. Yeun et al: “Structural safety evaluation of H.2245 LLNGC P.E block lifting analysis”, DSME report No. CT05AS01, 2005.

(6) J.H. Yeun et al: “Structural safety evaluation of H.4102 8400TEU Container lashing bridge lifting analysis”, DSME report No. ST05AS11, 2005.

(7) J.H. Yeun et al: “A study on structural safety evaluation about lifting analysis”, Proceedings of Korea ship design committee, Society of naval architecs of Korea, pp.18-1~8, 2005.

(8) I.I. Kim et al: “A new approach to robustly exchange models in heterogeneous CAD/CAE environment and its application”, ICCAS 2005.

(9) Shin-Hyung Kim et al: “Development of a crane

lifting simulation system based on CAD/ERP/CAE environment”, ICCAS 2005.

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3. 해

석인

터페

이스

3. 해

석인

터페

이스

1. Weight/CoG 계산1. Weight/CoG 계산

2. 러그배치설계 시스템2. 러그배치설계 시스템

Tribon

CADDS Legacy 데이터

선체/의장 Weight/CoG

의장Weight/CoG

해석용 모델

러그별 하중, 위치

의장 하중, 위치

리프팅 시뮬레이션 체계 구축

MSC.PATRANMSC.PATRAN

그림 1. 크레인 리프팅 시뮬레이션 체계 구축

그림 2. H5270 50 P.E 탑재 장면과 시뮬레이션 결과

그림 3. 리프팅 시뮬레이션 화면

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그림 4. 블록의 하중과 경계조건

그림 5. 해석결과 (Von-Mises stress 분포도와 변형형상)



Higher Stress Zone

Hull & Outfitting Load

Lug Force B.C.-simple support

Higher Stress Zone

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표 1. 리프팅 해석조건

해석조건

Gravity Force Yes Lug Force Yes

Bottom Boundary Condition Yes Lug Points Boundary Condition No

Wire Model No 표 2. 구조해석 평가기준

요소크기 허용응력 허용전단응력 허용처짐

평가기준 1/4 ~ 1/5 longi. space mesh 0.8σy 0.5τ L/360

표 3. 해석결과와 기준 값과의 비교 (von-Mises stress) 단위 (kg/mm2)

Mesh size Calculated Mises stress Allowable stress Safety stress ratio

1/4 ~ 1/5 × L.S. 8.9 19.2 0.5

표 4. 해석결과와 기준 값과의 비교 (Shear Stress) 단위 (kg/mm2)

Mesh size Calculated shear stress Allowable stress Safety stress ratio

1/4 ~ 1/5 × L.S. 4.8 12.0 0.4

Higher Stress Zone

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표 5. 해석결과와 기준 값과의 비교 (Deform) 단위 (mm)

Mesh size Calculated deform Allowable deform Safety deform ratio

1/4 ~ 1/5 × L.S. 30.1 58.3 0.5 표 6. 해석결과와 기준 값과의 비교 (Von-mises stress) 단위 (kg/mm2)


1/4 ~ 1/5 × L.S. 13.9 19.2 0.7 표 7. 해석결과와 기준 값과의 비교 (Shear Stress) 단위 (kg/mm2)


1/4 ~ 1/5 × L.S. 6.9 12.0 0.6 표 8. 해석결과와 기준 값과의 비교 (Deform) 단위 (mm)


1/4 ~ 1/5 × L.S. 19.3 63.2 0.3 표 9. 해석결과와 기준 값과의 비교 (Von-Mises stress) 단위 (kg/mm2)


1/4 ~ 1/5 × L.S. 10.9 19.2 0.6 표 10. 해석결과와 기준 값과의 비교 (Shear Stress) 단위 (kg/mm2)


1/4 ~ 1/5 × L.S. 3.3 12.0 0.3 표 11. 해석결과와 기준 값과의 비교 (Deform) 단위 (mm)


1/4 ~ 1/5 × L.S. 24.9 60.0 0.4

블록 구조물의 리프팅 시 구조안전성 평가에 관한...

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