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Structural Safety Assessments for Viewing Window of Semi-Submersible Catamaran
Structural Safety Assessments for Viewing Window of Semi-Submersible Catamaran
Journal of the Society of Naval Architects of Korea. 2014. Aug, 51(4): 291-299
Copyright © 2014, The Society of Naval Architects of Korea
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  • Received : February 18, 2014
  • Accepted : May 09, 2014
  • Published : August 20, 2014
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세윤 황
호성 김
경훈 이
유일 김
장현 이
jh_lee@inha.ac.kr

Abstract
In the design process of ship or its comprising components, the key to the successful design is how to guarantee the structural safety satisfying the international standard and regulation, which sometimes is not clear enough to cover the detail designs. This study deals with the design procedure for submersible viewing window installed in catamaran. As the window material, the Plexiglass, a type of reinforced plastic, is considered to satisfy the design requirements of international standard. Window thickness is calculated using geometric nonlinear finite element analysis, in order to take into account possible large deformation due to low stiffness of the Plexiglass, and the results are compared with those determined by the procedure specified in ISO12216. Finally, for the validation of proposed design, the pressure test had been carried out following the procedure specified in the standard, and structural safety was checked.
Keywords
1. 서 론
최근 해양생태관광, 크루즈 관광, 해양레저스포츠, 등의 새로운 해양레저 산업의 규모가 증가함에 따라 새로운 레저선박의 수요 및 요구가 증가하고 있다. 본 연구에서는 이러한 배경을 바탕으로 갑판의 면적이 넓어 공간 활용이 유리한 쌍동선 연결부에 관람창을 부착하여 반 잠수 시 해양생태관광이 가능한 선박의 관람창 설계 및 안전성 평가에 대해서 연구하였다.
일반적으로 선박이나 선박에 설치되는 주요 부품의 설계 및 건조 시 운항 중 안전성을 확보하기 위해서 국제표준이나 선급에서 제시하는 규정의 설계 절차에 따라 설계되어야 하지만, 레저선박의 관람창 설계에 적용하기 위한 설계 기준은 제정되어 있지 않다. 특히 본 연구에서 중점으로 다루고자하는 레저선박에 설치되는 관람창의 강도평가, 재료선정, 두께 선정 및 연결부 형상 결정을 위한 구체적인 설계방법은 제정되어 있지 않기 때문에 본 연구에서는 레저선박의 관람창 설계규정 마련에 필요한 기초자료를 제공하고자 현재 국내외 기준에서 제시되어 있는 규정을 비교 분석하였으며, 레저선박의 관람창 설계를 위한 설계절차를 제시하였으며 그 타당성을 국제 기준과 비교하여 검토하였다.
관람창 설계를 위한 국내 기준으로는 일본의 ‘소형선박 안전규칙’을 기반으로 작성된 ‘플레저 보트의 검사지침’이 있으나 관람창의 두께 산정방법을 제외한 상세 설계 및 안전성 평가를 위한 자료는 제시되어 있지 않다 ( Ministry of Land Infrastructure and Transport, 2009 ). 국제 표준인 ISO 12216 또한 24m 이하의 선박의 관람창 설계를 위한 재료선정 및 관람창 두께 선정방법을 재료의 허용응력 및 허용처짐을 기준으로 설계할 수 있도록 구체적으로 제시하고 있으나 관람창의 연결부 설계 및 안전성 평가를 위한 구체적인 설계 절차는 제시되어 있지 않다 ( International Standard, 2002 ). 그러나 ISO 11336에서는 관람창의 두께 산정을 위한 방법과 연결부 설계기준 및 안전성 평가를 위한 실험절차를 제시하고 있지만 그 적용범위가 24m 이상의 선박을 대상으로 한다 ( International Standard, 2012 ). 그리고 이외 국제규정인 ASME나 해외 선급인 GL에서 제시된 설계절차에서는 ISO 기준과 동등한 기준의 재료선정 및 두께 산정법을 제시하고 있으나, 관람창 및 연결부 설계와 강도평가를 위한 기준은 제시되어 있지 않다 ( American Society of Mechanical Engineers, 2007 ).
따라서 본 연구에서는 레저선박의 관람창 설계규정 마련에 필요한 기초자료를 제공하고자 유한요소해석방법을 이용한 설계절차를 제시하고, 각 기준에서 제시되어 있는 국제 표준 규정을 비교 분석하여 레저선박의 관람창 설계에 적합한 설계기준을 제시하였다. 제시된 설계절차 및 규정의 타당성을 검토하기 위해서 실험을 통해서 안전성을 검토하였으며 관람창 설치로 인해서 선박의 전체구조강도에 미칠 수 있는 영향을 평가하여 그 안전성을 검토하였다.
2. 관람창 설계 관련 규정
- 2.1 국내 기준
레저 선박의 관람창 설계를 위해 적용하기 위한 국내기준은 플레저 보트의 검사지침에서 제시된 개구부의 수밀폐쇄 설계 기준으로서 관람창 설계를 위한 설계압력과 아래의 식 (1)에서와 같이 두께 결정식이 제시되어 있다. 본 기준에서 제시된 두께 산정식은 판 이론을 기초로 하여 관람창 재료의 최종강도(ultimate strength)와 직사각형 관람창 형상의 종횡비를 고려한 두께 산정식을 제시하고 있다. 그러나 본 기준에서는 관람창의 두께 산정 이외의 상세설계를 위한 항목은 제시되어 있지 않다.
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여기서, t 는 유리의 판두께(mm)이고, P 는 파랑하중에 의해 결정되는 설계압력( kPa )이며, σ max 는 관람창 재료의 최종강도 ( kPa )이다. 그리고 α 는 단변의 길이(mm), β 는 관람창의 종횡비에 따라 결정되는 계수이다.
- 2.2 국외 기준: 소형선박안전규칙세칙
관람창 설계를 위한 국외 기준 중 일본에서 제시된 소형선박안전규칙세칙에서는 ISO12216 기준에서 제시된 허용응력을 기준으로 한 두께 산식을 준용하여 관람창재료와 판두께 산정을 위한 산식이 제시되어 있으며, 수중관람용 관람창 설계에 적용 할 수 있다. 그 산식은 국내기준에서 제시된 산식과 동일하다.
- 2.3 국외 기준: ISO 12216, 11336
ISO 국제표준은 소형 및 대형선박의 관람창 설계를 위한 지침을 구체적으로 제시하고 있다. 특히 ISO 12216에서는 24m 이하의 레저선박의 관람창 설계 적용 지침을 제시하고 있다. 70 kPa 의 기준설계압력과 관람창 재료의 멤브레인 거동에 대한 허용응력을 기준으로 한 두께 결정식 식 (2)와 재료의 허용처짐을 기준으로 한 두께 결정식 식 (3)을 다음과 같이 제시하고 있다.
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여기서, tr 는 허용응력에 의해 결정된 판두께(mm)이고, b 는 직사각형 관람창의 단변의 길이(mm), kc 는 관람창의 곡률 계수, kr 는 판의 형상비 계수, ψ 는 국부충격압력 분포를 고려한 압력 감소계수, σa 는 재료의 허용 굽힘응력( kPa ), P 는 설계압력 ( kPa ) 이다.
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여기서, tf 는 상대 처짐 기준에 의해 결정되는 판두께(mm)이고, kf 는 처짐 계산을 위한 판의 형상비계수이며, E 는 재료의 탄성계수( Pa )이다.
또한, ISO 11336에서는 재료의 허용응력을 기준으로 한 설계 압력과 식 (4)에서와 같이 허용 응력을 기준으로 한 두께 산정식을 제시하고 있으며, 식 (5)에서와 같이 최대 처짐량을 제시하여 그 설계 기준 또한 구체적으로 제시하고 있으나 그 적용범위는 24m 이상의 선박으로 제시되어 있다. 그러나 타 규정과 달리 관람창의 상세설계를 위한 관람창과 선체의 연결부 설계안을 유형별 분류하여 구체적으로 제시하고 있으며, 설계안 검증를 위한 실험절차도 구체적으로 제시하고 있다.
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여기서, t 0 는 허용응력에 의해 결정된 판두께(mm)이고, bp 는 직사각형 관람창의 단변의 길이(mm), β 는 판의 형상비 계수, σa 는 재료의 허용 굽힘응력( kPa ), P 는 설계압력( kPa )이며, M 은 관람창의 강성으로서 다음의 식 (6)에 의해서 산정된다.
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여기서, v 는 관람창 재료의 poisson’s ratio, tw 는 적층 또는 단층 재료에 따라 결정되는 관람창의 총 두께이다.
- 2.4 국외 기준: ASME
국외 기준 중 ASME의 Safety Standard for Pressure Vessels for Human Occupancy PVHO Series 에서 관람창의 설계압력 및 두께 산정 기준을 제작방법 위주로 설명하고 있으며, 두께 산정 및 설계안에 대한 구체적인 사항은 제시되어 있지 않다 ( ASME, 2007 ).
3. 관람창 설계
본 연구에서는 Fig. 1 에서와 같이 레저선박으로서 공간활용이 유리한 쌍동선의 중앙 연결부에 관람창이 설치된 선박을 기준으로 곡률이 없는 직사각형 형태의 관람창을 기준으로 형상을 선정하고 관람창을 설계하였다. 관람창 설계를 위해서 적용 가능한 설계 기준에 의거하여 관람창의 설계압력 및 재료를 선정하였고, 유한요소 해석방법을 적용하여 관람창의 두께를 산정하였다. 산정된 두께는 ISO 규정에서 제시된 기준과 비교하여 설계안의 타당성을 검토하였다. 또한 관람창의 연결부 유형 및 형상을 결정하고 이를 실험으로 검증하여 본 연구에서 제시된 설계안의 타당성을 검토하였다.
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Concept design of windows in catamaran
- 3.1 설계 압력
관람창의 설계를 위해서 각 규정에서 제시된 설계 압력을 검토하였다. 검토를 위해서 적용된 선박은 15m 급 쌍동선을 기준으로 계산하였으며, 각 기준 별 계산된 결과는 아래의 Table 1 에서와 같다. 각 기준에 의해서 계산된 설계압력은 ISO 12216의 경우 허용응력 기준으로 70kPa를 제시하고 있으며, 국내 규정의 경우 재료의 최종강도 기준으로 200kPa를 제시함으로써, Plexiglass의 경우 재료의 허용응력이 31MPa이고 최종강도가 약 100MPa인 것을 고려한 경우 유사한 설계압력을 제시하고 있다. 쌍동선의 설계 기준으로서 선체 하중에 가해지는 슬래밍 압력에 대해서 검토하였다. 한국선급에서 제시된 “경구조선 규칙” ( Korean Register of Shipping, 2011 )에 따르면, 선체 하부에 가해지는 슬래밍 하중은 선체 중앙부에서 약 57kPa이며 이는 ISO 등 다른 기준들이 제시하는 설계압력보다 낮은 것을 확인 할 수 있었다. 또한 ASME에서 제시된 설계압력은 관람창의 설계 기준보다는 잠수 시 압력을 받는 압력용기의 적용 가능한 설계하중으로서 과한 설계압력이 제시된 것을 확인하였다.
Design pressure guidance for window
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Design pressure guidance for window
- 3.2 관람창의 두께 선정
본 연구에서 관람창 설계를 위한 재료로서 Plexiglass를 선정하고, 이를 기준으로 두께를 계산하였다. 관람창의 두께 계산을 위해서 직사각형 형태의 유한요소 모델을 이용한 대변형 수치해석 방법을 이용하였다. 관람창의 두께 계산을 위한 유한요소 모델은 Fig. 2 에 보인 것과 같이 판요소로 구성하였고, 경계조건은 사변을 구속되어 있다고 가정하였다.
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Configuration of FE Model for window thickness
Material property of plexiglass
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Material property of plexiglass
관람창의 두께 계산을 위해서 유한요소 해석 결과와 Plexiglass의 허용응력을 비교하여 허용응력을 만족시키는 최적의 두께를 결정하였다. Table 3 과 같이 직사각형 모델의 단방향 길이를 고정시키고, 장방향의 길이와 두께를 변화시키면서 구해진 응력과 허용응력을 비교하여 두께를 계산하였다. 계산 결과 직사각형 관람창의 단변의 길이가 500mm이고 장변의 길이가 1,000mm의 경우 관람창의 두께가 20mm 인 경우 발생하는 axial stress 가 재료의 허용응력보다 낮게 계산되어 설계에 적합하고, 15mm 일 경우 위험한 수준인 것을 확인 할 수 있고, Fig. 3 에서와 같이 장변의 길이( L )를 기준으로 적용 가능한 관람창의 두께의 분포를 계산 할 수 있다. 유한요소 해석 방법을 통해 계산된 관람창의 두께의 타당성을 검토하기 위해서 ISO 12216에서 제시된 두께 계산 결과와 비교 하였으며, 그 결과 Table 4 에서와 같이 유한요소 해석방법을 이용한 두께 산정 결과가 ISO 에서 제시된 결과와 유사한 것을 확인 할 수 있다.
Max. Y-axial stresses
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Max. Y-axial stresses
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Allowable thickness distributions for window length
Thickness calculations
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Thickness calculations
- 3.3 관람창 연결부 설계
관람 시 잠수된 상태에서 수밀성을 확보하기 위한 관람창의 연결부 설계는 관람창의 설계 시 반드시 주요하게 검토되어야 한다.
그러나 24m 급 이하의 소형 레저 선박의 설계에 적용 가능한 설계 규정인 ISO 12216에서는 관람창의 재료 및 두께 산정법 이외의 연결부 설계를 위한 지침은 제시되어 있지 않다. 그러나 ISO 11336에서는 Fig. 4 에서와 같이 24m급 이상의 대형 선박 설계에 적용 가능한 관람창 연결부 체결 방법에 따른 설계 안이 제시되어 있다. 따라서 본 연구는 ISO 11336 규정에서 제시된 관람창 연결부 설계안을 적용하여 유한요소 해석을 통해서 타당성을 검토하였다.
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Framing types in ISO 11336
사용된 유한요소 해석 방법은 Fig. 5 에서와 같이 Solid 요소를 이용하여 Plexiglass와 연결부의 gasket 및 선체를 상세하게 모델을 작성하여 연결부의 강도를 계산하였다. 연결부 강도평가를 위한 하중조건은 ISO 12216에서 제시된 70kPa에 설계 안전계수 3.5를 적용하여 245kPa의 내압이 발생하는 조건으로 적용하였다. 유한요소 해석을 통해서 각 유형 별 관람창에 발생하는 응력을 계산한 결과 Fig. 6 Table 5 에서와 같이 각 유형별로 계산된 최대 응력은 거의 유사하나 Case 4에서 가장 낮은 최대응력이 계산되었다.
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FE model configurations of framing types
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X-axial stresses of each type
Max. x-axial stresses
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Max. x-axial stresses
4. 관람창 안전성 평가 실험
- 4.1 시험체 및 실험 조건
본 연구에서 제시한 수중 관람용 관람창의 설계안의 안전성 평가를 위해, 설계안에 따라 시험체를 제작하여 압력실험을 통해 그 타당성을 검토하였다. 관람창 설계 시 첫번째로 고려되어야 할 관람창의 설계 압력은 관람창의 두께 계산의 설계압력과 동일한 조건으로 ISO 12216에서 제시된 70kPa를 사용하고 설계 계수는 3.5를 사용하였다. 관람창의 연결부는 ISO 11336에서 제시된 유형 중 유한요소해석에서 가장 안전하게 고려된 Case 4의 연결부 설계안이 적용되었고, 연결부 제작에 사용된 gasket은 ISO 11336에서 제시된 기준의 rubber를 사용하여 제작하였다. Fig. 7 Fig. 8 은 설계된 시험체의 형상과 상세도를 나타내며, Fig. 9 는 제시된 설계안에 따라 제작된 실험장비를 보여주고 있다.
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Configuration of experimental specimen
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Detail drawing for experimental specimen
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Experimental specimen
관람창의 안전성 평가 실험은 시험체에 공기주입을 통해서 압력을 부가하는 방법으로 수행하였다. 압력이 가해질 때 Plexiglass에 발생하는 변형량은 Fig. 9 에서와 같이 Plexiglass의 중앙부에서 수직방향의 변위를 계측하였고, 시편의 중앙부와 끝부분에서 발생하는 strain을 4 위치에서 계측하였다.
- 4.2 실험 결과
관람창 안전성 평가 실험은 ISO 11336에서 제시된 실험절차에 따라 Fig. 10 에서와 같이 약 700sec동안 설계압력 70kPa와 설계계수 3.5를 적용한 실험 압력 245kPa을 규정에 따라 제어하여 진행하였다. 이때 발생하는 결과는 Fig. 11 Fig. 12 에서와 같이 실험 시간 동안 Plexiglass 중심에서 발생하는 변위와 4 위치에서 발생하는 strain을 계측하였으며 실험결과의 신뢰성을 확보하기 위해서 같은 조건으로 4 회 실험을 수행하였다. 실험 결과 Table 6 에서와 같이 설계압력인 70kPa이 가해지는 구간에서는 Plexiglass의 중앙부에서 변형량이 약 15mm 정도 발생하였고, 최대 압력인 245kPa이 가해지는 구간에서는 약 44mm의 변형량이 발생하였다.
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Pressure history in experiment
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Displacement history in experiment
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Strain histories in experiment
Experimental results
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Experimental results
- 4.3 유한요소 해석
제시된 설계안의 안전성을 검토하기 위해서 실험 조건과 같은 조건으로 유한요소 시뮬레이션을 수행하였다. 안전성 평가를 위해 작성된 유한요소 모델은 실험조건과 동일한 조건으로 Fig. 13 에서 보인 것과 같이 대칭조건을 적용하여 1/4 모델을 작성하였으며 시험 하중인 245kPa를 적용하였다. 계산 결과 Plexiglass 중앙부에서 발생하는 z방향 변형량은 37.27mm로서 실제 계측된 44mm보다 낮게 계산되었다. 그리고 관람창에 발생하는 응력은 관람창의 중앙부 상면에서 재료의 허용응력을 초과하지만 Fig. 14 재료의 최종강도인 110MPa보다 낮게 약 46MPa의 최대 응력이 발생하는 것을 확인하였다.
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FE model for experimental specimen
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von-Mises stress distribution on Plexiglass
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Z-displacement distribution on Plexiglass
5. 구조강도 안전성 평가
본 연구에서는 관람창 설계를 위한 하중으로서 각 규정에서 제시된 설계압력과 쌍동선체에 가해지는 슬래밍 하중을 기준으로 선정하여 그 안전성을 평가하였다. 그러나 쌍동선 설계 시 일반적으로 선체에 가해지는 하중은 파랑에 의해 가해지는 전역하중 (global load)에 대한 강도평가를 반드시 고려해야 하며 여기에는 종굽힘 모멘트, 횡굽힘 모멘트와 비틀림 모멘트가 있다 ( Kim, et al., 2011 ).
따라서 본 장에서는 쌍동선체 중앙부에 관람창을 설치할 경우, 관람창 설치로 발생하는 선체 구조강도의 변화를 선체의 종강도, 횡강도, 비틀림 모멘트를 대상으로 평가하였다. 관람창의 설치 여부에 따른 안전성 평가 모델은 현재 건조되어 운항중인 알루미늄 쌍동선을 대상으로 하였으며, 대상선박의 주요 요목은 Table 7 에서와 같다. 강도 평가를 위한 쌍동선의 FE model은 Fig. 16 에서와 같으며, 관람창이 설치된 FE model의 경우 Fig. 17 에서와 같이 선체의 횡구조물과 간섭이 발생하지 않는 위치에 1,000*500mm의 관람창을 모델링 하였다. 구조강도 안전성 평가를 위한 설계하중은 한국선급의 경구조선 규칙에 따라 계산하였으며 계산된 구조강도평가 하중은 Table 8 에서와 같다.
Principal dimensions
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Principal dimensions
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FE model for strength assessment
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FE model of strength assessment with windows
Design loads for sample ship
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Design loads for sample ship
관람창의 설치가 쌍동선체의 구조강도에 미치는 영향을 판단하기 위해서 파랑에 의해 쌍동선체에 발생하는 전역하중에 대해서 종강도 평가, 횡강도 평가, 비틀림 모멘트 평가를 수행하였다.
관람창의 설치 유무에 따라 선체에 발생하는 최대 von-Mises stress를 계산하여 비교 했을 때, Table 9 에서와 같이 발생하는 stress의 변화는 미미한 것을 확인 하였다. 또한 Fig. 18 에서와 같이 관람창 설치로 인해 국부적으로 발생하는 von-Mises stress 또한 약 0.3MPa로서 관람창의 설치 유무가 쌍동선체의 구조강도에 미치는 영향이 거의 없음을 확인하였다.
Max. von-Mises stresses
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Max. von-Mises stresses
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Von-mises stresses around windows by torsional moment
6. 결론
선박에 설치되는 수중관람용 관람창의 설계절차 및 안전성 평가를 위한 지침은 적용 가능한 기준들이 있지만 설계를 위한 절차 및 규정은 미흡한 실정이다. 따라서 본 연구에서는 쌍동선 또는 선박에 설치되는 관람창의 설계 및 안전성 평가방법을 수립하기 위해서 기존에 제시되어 있는 국내외 기준을 검토하였다. 또한 이의 타당성을 수치적인 방법과 실험적인 방법으로 검토하였으며 관람창 설계를 위해서 각 규정에서 제시된 설계압력 기준을 모두 비교하여 ISO 12216에서 제시된 설계압력을 기준 설계압력으로서 선정하였다. 선정된 설계압력을 이용하여 유한요소 해석법을 통해 관람창의 두께를 선정하고 이를 ISO 12216의 허용응력 및 허용처짐에 의한 두께산정법과 비교하여 그 타당성을 검증하고 관람창의 연결부 설계를 위해서 ISO 11336에서 제시된 연결부 설계 유형을 검토하고 유한요소 해석을 통해 설계안을 제시하였다. 또한 제시된 설계안은 ISO11336에서 제시된 안전성 평가 압력실험을 통해서, 관람창 및 그 연결부가 설계 하중에 대해 파손이 발생하지 않음을 확인하였다. 그리고 마지막으로 쌍동선체 전선해석을 통해 관람창이 쌍동선 전체의 종강도 및 횡강도에 미치는 영향이 미미함을 확인하였다.
본 연구를 통해 검토된 내용을 요약하면 다음과 같다.
  • ㆍ 관람창 설계를 위해서 적용가능한 국내외 규정을 검토하고, ISO 12216에서 허용응력과 허용처짐을 기준으로 설계압력, 관람창의 재료 및 두께를 선정하는 방법을 제시하였다.
  • ㆍ ISO 11336에서 제시된 방법을 기준으로 관람창 연결부 설계 지침과 안전성 평가를 위한 실험 절차를 제시하였다.
  • ㆍ 유한요소 해석을 통해서 제시된 관람창의 설계절차는 ISO규정에서 제시된 값을 만족함으로써 본 연구에서 제시한 설계절차가 타당성이 있는 것으로 판단된다.
  • ㆍ 제시된 관람창의 설계안에 대해서 실험적으로 안전성 평가를 수행한 결과 제시된 설계절차가 타당성이 있음을 확인 할 수 있다.
본 연구에서는 국내외 레저선박의 관람창의 설계지침 및 안전성 평가기준을 검토하고 설계안을 제시함으로써 관람창의 설계 및 안전성 평가의 기초자료로 활용될 것으로 기대된다.
Acknowledgements
본 연구는 산업통상자원부 해양플랜트특성화대학사업 및 KEIT의 산업융합원천기술개발사업(10045212, 해양플랜트 통합 운영 과 유지보수를 위한 예지보전 시스템 개발)과 선박안전기술공단의 연구 지원을 받아 수행되었습니다. 연구 지원에 감사드립니다.
BIO
황 세 윤
김 호 성
이 경 훈
김 유 일
이 장 현
References
2007 Safety Standard for Pressure Vessels for Human Occupancy Amer Society of Mechanical New York
2002 Small craft - Windows, portlights, hatches, deadlights and doors - Strength and watertightness requirements International Standard Organization Geneva
2012 Large yachts - Strength, weather tightness and water tightness of glazed openings International Standard Organization Geneva
Kim B.J. , Kwon S.Y. , Kim S.C. , Lee J.H. 2011 Comparison Study and Structural Analysis to Investigate the Design Rule and Criteria of Catamaran Journal of the Society of Naval Architects of Korea 48 (6) 479 - 489    DOI : 10.3744/SNAK.2011.48.6.479
2011 Rule and Guidance for the classification of High Speed and Light Craft Korean Register Busan
2009 Guidance for Pleasure Boat Inspection Ministry of Land Infrastructure and Transport Sejong