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Comparison Analysis on Requirements of Structural Members by Application of the Harmonized Common Structural Rules
Comparison Analysis on Requirements of Structural Members by Application of the Harmonized Common Structural Rules
Journal of the Society of Naval Architects of Korea. 2015. Jun, 52(3): 265-274
Copyright © 2015, The Society of Naval Architects of Korea
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  • Received : January 06, 2015
  • Accepted : June 01, 2015
  • Published : June 20, 2015
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치현 성
sungchh20@hanmail.net
승건 이

Abstract
International organizations and classification societies established rules and regulations to which shipbuilders and ship operators should comply during design, construction, even operation keeping from hazard to life of crews and ocean environment. Hence, rules and regulations could be guidelines for design and construction of ship sometimes. In practical wise, ship structure designers be predisposed to design lightest and easy-to-product structures which satisfy rules and regulations. Therefore, changes of rules and regulations are remarkably important issue to related industries. In 2006, IACS established and released Common Structural Rules for Bulk Carrier and Common Structural Rules for Double Hull Oil Tanker. These CSRs are consolidated and unified rules of class society’s rules. But these two rules are different from each other. IACS has plan to release unified rule of two ship type called Harmonized Common Structural Rule for Bulk Carriers and Oil Tankers. This new rule will be effective from July 2015. Hence, bulk carrier and double hull oil tanker whose contract date is on and thereafter July 2015 should be complied with CSR-H. Therefore, it is highly important to be aware of consequences and cause of consequences with respect to CSR-H. The object of this research is to compare requirements of structure scantling in way of midship area for selected target ship according to CSRs and CSR-H and to analysis cause of deviation between two rules.
Keywords
1. 서 론
선박의 구조는 선박의 수명동안 받을 수 있는 환경적 하중을 견딜 수 있도록 설계, 생산, 유지되어야한다. 그렇지 않으면 항복이나 좌굴을 동반한 영구변형, 피로손상누적으로 인한 균열전파로 인해 이용성에 문제가 되기도 하고, 심지어는 선원의 생명을 위협하고 심각한 해양 환경 오염을 유발하는 생존성과 관련한 문제를 일으키기도 한다. 이에 국제기구와 선급협회는 선박건조 운용시에 따라야 하는 규칙과 규정을 제정하였다. 또한 규칙과 규정은 선박의 설계와 건조의 지침이 되기도 하며 실제적으로는 선박구조설계자는 규정과 규칙을 만족하면서 가볍고 생산이 쉬운 구조설계에 목표를 두는 경향이 있다. 그러므로 규칙과 규정의 변경은 관련 산업에 있어 아주 중요한 사안이 된다. 국제 선급협회( IACS) 는 2006년에 여러 선급의 규칙을 통합한 규칙인 산적화물선의 공통구조규칙( CSR-BC) (IACS, 2012a) 과 이중선체유조선의 통합공통구조규칙( CSR-DHOT) (IACS, 2012b)을 공표하였다. 2015년 7월 (IACS, 2014a)에는 산적화물선과 이중선체유조선에 모두 적용되는 산적화물선과 이중선체유조선의 공통구조규칙( CSR-H) 을 공표할 예정이다. 이에 본 연구에서는 선택된 산적화물선 1척과 이중선체유조선 1척에 대해 구조 부재 요구치의 차이를 비교하고 그 원인을 분석하고자한다.
2. 연구의 범위와 방법
본 연구에서는 선택된 대상 선박의 중앙부 횡단면에 대해 이미 설계된 선박 주요치수 (IACS, 2014b), 설계인자, 구조 배치를 토대로 CSR-BC 혹은 CSR-DHOT에 의한 구조 부재 요구치와 CSR-H의 구조 부재 요구치를 비교 분석한다. 또한 직접적으로 요구치를 도출해내는 규칙만 본 연구의 관심으로 두고 직접적으로 요구치를 도출해내지 않고 설계된 구조를 평가하는 규칙은 본 연구에서 제외한다. 따라서 본 연구에서 포함된 규칙은 선체 종 거더 단면계수 요구치, 선체 종 거더 최종 강도 요구치, 항복으로 인한 국부구조부재 요구치, 그 외 국부구조물의 위치에 따라 적용해야하는 국부구조부재 요구치이다. 또한 본 연구를 위해 로이드 선급협회와 미국선급협회가 공동개발한 CSR Stage1과 CA stage1을 이용하였다.
3. 대상 선박의 주요 정보
본 연구에서 분석될 산적화물선은 9개의 화물창을 가지고 6번 화물창은 평형수 겸용이다. 또한 주요 설계인자와 중앙부 굽힘 모멘트는 Table 1 과 같다.
Design parameters of bulk carrier
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Design parameters of bulk carrier
Permissible bending moment of bulk carrier(kNm)
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Permissible bending moment of bulk carrier(kNm)
대상 산적화물선의 중앙부 횡단면은 Fig. 1 과 같다. 일반적인 산적화물선과 같이 중앙에 화물창이 있고 선저부와 톱사이드에 평형수 탱크가 배치되어 있고, 선저부의 중앙의 구획은 덕트킬이다.
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Midship section of target bulk carrier
본 연구에서 분석될 이중선체유조선은 6 쌍의 화물탱크를 가지고 있고, 주요 설계인자와 중앙부 굽힘 모멘트는 Table 3 4 와 같다.
Design parameters of double hull oil tanker
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Design parameters of double hull oil tanker
Permissible bending moment of double hull oil tanker(kNm)
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Permissible bending moment of double hull oil tanker(kNm)
대상 이중선체유조선의 중앙부 횡단면은 아래 그림과 같다. 중앙에 한 쌍의 화물탱크, 선저와 선측에 평형수 탱크가 배치되어 있고, 선저부의 중앙의 구획은 덕트킬이다.
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Midship section of target double hull oil tanker
4. 요구치 비교와 분석
- 4.1 산적화물선
CSR-BC와 CSR-H에 의한 산적화물선의 선체 거더 단면계수 요구치와 선체 거더 최종강도 요구치 항복과 최소 요구치로 인한 국부구조 요구치를 비교 분석하였다.
- (1) 선체거더 단면계수
산적화물선의 선체 거더 단면계수에 대한 요구치의 차이는 Table 5 에 정리하였고, ①에서 ③ 의 소결론을 도출하였다.
Hull girder section modulus of bulk carrier
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Hull girder section modulus of bulk carrier
① 항내(har bour) 조건에서 CSR-H의 경우는 파랑 굽힘모멘트를 0로 두고, 대신 작은 허용응력을 채택함으로써 단면계수 요구치에 차이가 발생한다. 식 (1)과 (2)는 각각 CSR-BC와 CSR-H의 선체 거더 단면계수 요구치이다.
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② CSR-H의 경우 정수 선체 거더 굽힘모멘트의 최소값을 규정함으로써 대상선박과 같이 새깅 정수 굽힘모멘트가 작은 경우에 단면계수 요구치의 증가가 발생하였다. 식 (3)은 CSR-H의 비손상 항해(seagoing) 조건에서의 최소 정수 선체 거더 굽힘모멘트에 관한 식이다.
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③ 위와 같은 차이에도 불구하고 최종단면계수 요구치는 침수(Flooded)조건이 가장 지배적이었고, 그 값은 CSR-BC와 CSR-H가 동일하다. 따라서, 침수조건이 가장 큰 요구치를 보이는 보통의 산적화물선의 경우에는 단면계수 요구치는 동일할 것으로 예상된다.
- (2) 선체 거더 최종강도
Table 6 에 산적화물선의 선체거더 최종강도 요구치를 분석하였다. CSR-H에서 새로 도입된 γDB 라는 새로운 안전계수에 의해 호깅/새깅 여부, 화물창의 종류에 따라 다른 차이를 보인다.
For hogging case:
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For sagging case:
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Required ultimate bending capacity of bulk carrier
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Required ultimate bending capacity of bulk carrier
또한 앞서 식(3)에서 이미 나타낸 바와 같이 CSR-H이 도입한 최소 정수 선체 거더 굽힘 모멘트에 의해 새깅 조건의 선체 거더 최종강도 요구치 또한 증가하였다.
- (3) 판 국부구조 요구치
판 국부구조 요구치는 규칙에서 정하는 다양한 하중 케이스 중 가장 큰 설계 요구치를 만드는 경우의 면외압력에 의한 요구치와 해당구조별로 적용되는 별도의 요구치들을 Table 7 에 정리하였다, 또한, CSR-BC와 CSR-H의 차이가 발생한 부분 중에 구조 설계 요구치를 변화시키는 규정에 대해서는 원인을 분석을 하였다. 다음 Table 들에 소괄호가 있는 부재는 분석이 필요한 위치이다. 산적화물선의 내저판과 호퍼판, 톱사이드판은 화물창의 용도에 따라 국부구조 설계를 다르게 함을 고려하여 요구치 정리와 분석도 따로 하였다.
Plate requirements for bulk carrier[CSR-BC]
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Plate requirements for bulk carrier[CSR-BC]
  • T_other : 면외압력으로 인한 두께를 제외한 요구치
  • T_press : 면외압력으로 인한 두께 요구치
  • Min : 선박 길이에 의해 결정되는 경험적 최소두께
  • Grab : 내저판과 호퍼판에 적용되는 Grab에 의한 두께
  • Slen : 세장비 만족을 위한 최소두께
Table 8 에 소괄호로 표시한 값이 CSR-BC의 요구치에 비해 달라지는 CSR-H의 요구치이다. 우선 빌지(bilge)와 선측외판(side) 의 요구치는 CSR-BC와 CSR-H 모두에서 경험적 최소두께 요구치가 지배적이다. 또한 그 값은 CSR-H에서 0.5 mm 감소하였다. Table 9 는 선박길이에 따른 빌지와 선측외판의 경험적 최소두께이다. 산적화물선의 경우 대부분의 길이 범위에서 0.5 mm의 감소, 이중선체유조선의 경우 1.0 mm의 증가의 영향이 있다.
Plate requirements for bulk carrier[CSR-H]
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Plate requirements for bulk carrier[CSR-H]
Comparison of minimum thickness for side shell
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Comparison of minimum thickness for side shell
갑판(deck)의 경우 CSR-BC는 경험적 최소두께에 의해 결정되었지만, CSR-H의 경우 판에 대한 세장비로 인한 규정이 도입됨으로 인해서 넓은 폭을 가지는 경우에 요구치에 증가가 발생한다. 그러나 대개의 실제 설계의 관점에서 갑판은 선체 거더 종강도를 만족시키기 위해 국부구조에서 요구하는 두께보다 상당히 큰 두께를 사용하게 되므로 실제적 영향이 있다고 볼 수는 없다. 다만 중앙부를 벗어나 갑판의 두께가 국부구조 요구치에 의해서 결정되는 경우에는 CSR-H로 인한 영향이 있을 것으로 예상된다.
이중저 구조물(내저판과 호퍼판)은 화물창의 종류에 따라 각기 다른 양상을 보인다. 적재화물창(loaded)의 경우 면외압력으로 인한 요구치에 의해 0.5~1.0 mm의 증가가 발생하였다. 또한 CSR-H에서 면외압력은 감소하였음에도 두께 요구치는 증가하는 양상을 보였다. 이는 CSR-H가 χ라는 인자를 도입하여 산적화물선의 이중저 구조에 대해서 CSR-BC에 비해 작은 허용응력을 도입한 것에 기인한다. CSR-BC는 이중저 구조물에 대해 정해진 재료의 항복응력의 100%, CSR-H는 같은 구조물에 대해 70%의 항복응력을 허용한다.
공화물창(empty)의 경우 내저판과 호퍼판 모두 Grab 요구치에 의해 결정되고, 각각 0.5~1.0 mm의 증가가 발생하였다. 이는 CSR-BC에서는 Grab 무게가 최소 20ton임에 반해 CSR-H는 선박의 길이에 따라 20에서 35 ton까지 증가하는 최소 Grab 무게를 의무화하고 있는 것에 기인한다, 따라서, Grab이 우세하는 판에 대해서는 요구치 증가를 보였다.
평형수 겸용창(ballast)의 경우 내저판은 Grab에 의해 결정되었지만, 호퍼판은 면외압력의 요구치가 우세하였고, CSR-H에 의해 0.5~1.0 mm의 증가를 나타내었다. 이는 식 (7). (8), (9), (10)에서 보는 바와 같이 호퍼판은 내저판보다는 작은 Grab 무게에 의한 두께를 요구하는 것과 CSR-H의 작은 허용응력에 의해 기인한다.
CSR-BC:
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수밀 거더의 요구치는 면외압력에 의한 두께가 지배적이었으며, CSR-H에서 1.0mm 증가되었다. 또한 면외압력 또한 상당히 증가하였다. 이것은 CSR-BC와 CSR-H의 면외압력 계산의 차이에 기인한다. CSR-BC에는 정적 압력만 고려하는 하중 시나리오가 없으며, CSR-H에는 정적 압력만 고려하는 시나리오와 정적 압력과 동적 압력을 동시에 고려하는 하중시나리오가 있다. 그런데, CSR-H에서의 식 (12)과 같이 정적압력만을 고려하는 경우에 정적압력의 수두는 넘침관까지의 전체 높이를 고려한다.
CSR-BC와 CSR-H의 차이는 특히 탱크톱과 넘침관의 높이 차이가 클 때 더 많은 영향이 있을 것으로 예상된다. 대상 산적화물선의 경우에 이중저 평형수 탱크와 톱사이드 평형수 탱크가 분리되어 있어 이중저 평형수 탱크의 탱크톱은 호퍼판의 상단이지만, 넘침관은 상갑판 위에 배치되어 있어 수두의 차가 상당하다.
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중심거더를 비롯한 비수밀 거더는 경험적 최소두께 요구치가 CSR-H에서 2.5m, 1.5m 증가하였다. Table 10 , 11 에 의하면 산적화물선의 중심거더와 일반 거더에는 각각 2.0~2.5mm, 1.0mm의 증가가 예상된다.
Comparison of minimum thickness for center girder
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Comparison of minimum thickness for center girder
Comparison of minimum thickness for other girder
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Comparison of minimum thickness for other girder
- (4) 보강재 국부구조 요구치
CSR의 보강재 치수에 관한 규정은 단면계수, 이차단면모멘트, 웨브 두께, 플랜지 두께가 있지만, 실제적으로는 단면계수 요구치를 만족시키기 위해 보강재의 치수를 정하면 대부분의 다른 요구치는 자동으로 만족한다. 따라서 본 연구에서는 면외압력에 의한 단면계수 요구치를 검토하였다.
선저 외판의 결과를 비교하면 선체거더 응력과 면외압력은 유사함에도 불구하고 CSR-H는 다른 결과를 보인다. 이것은 두 규칙의 항복응력에 관한 정의와 선체 거더 응력을 국부구조 설계에 고려하는 방식의 차이에 기인한다. 식 (13), (14)는 두 규칙에서 종방향으로 배치된 보강재의 정+동 하중 시나리오에서의 단면계수에 관한 식이다.
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CSR-H & CSR-DHOT:
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위의 식의 인자들 중 하중에 해당하는 면외압력, 선체거더 응력, CSR-H에서 도입된 χ를 제외한 다른 값들은 CSR-BC와 CSR-H에서 같은 값이지만, λS와 CS, RY와 REH 는 Fig. 3 Table 12 와 같이 조금씩 다른 값을 갖는다. Fig. 3 에서 CSR-H이 CSR-BC에 비해 선체 거더 응력을 더 민감하게 고려하는 것으로 나타난다. 그리고 고장력강에 대해 CSR-H는 CSR-BC에 비해 높은 항복응력을 가정한다. 따라서, 유사한 면외응력과 선체 거더 응력에도 단면계수 요구치는 달라질 수가 있다.
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Hull girder stress consideration for stiffener
Comparison of minimum thickness for other girder
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Comparison of minimum thickness for other girder
Table 13 14 에서 보여 주듯이 선측 외판 보강재의 경우 유사한 결과를 나타내었고, 갑판 보강재의 요구치에 어느 정도 감소가 보였지만, 실제로는 갑판 보강재의 치수 또한 판과 같이 선체 거더 단면계수를 만족하는 하는 것에 의해 결정되므로 CSR-H에 의한 영향은 없을 것으로 예상된다.
Stiffener requirements for bulk carrier[CSR-BC]
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Stiffener requirements for bulk carrier[CSR-BC]
Stiffener requirements for bulk carrier[CSR-H]
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Stiffener requirements for bulk carrier[CSR-H]
이중저 구조의 경우 대부분 판의 분석에서 나타난 바와 유사하게 χ의 값에 의한 증가가 보였으나, 공화물창의 호퍼 보강재에는 상당한 증가가 보였다. 면외압력도 증가하였고, 이 면외압력은 정적하중만 고려한 하중시나리오의 값으로 나타났다. 이 것은 χ와 앞서 지적한 정적하중 시나리오에서의 수두값의 차이에 기인한다. 수밀 선저 거더 또한 유사한 이유로 상당한 증가를 보였다.
- 4.2 이중선체유조선
- (1) 선체거더 단면계수
이중선체유조선의 선체 거더 단면계수에 대한 요구치의 차이는 Table 15 에 정리하였다.
Hull girder section modulus of double hull oil tanker
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Hull girder section modulus of double hull oil tanker
- (2) 선체 거더 최종강도
이중선체유조선의 선체 거더 최종강도에 대한 요구치의 차이는 Table 16 에 정리하였다.
Required ultimate bending capacity of double hull oil tanker
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Required ultimate bending capacity of double hull oil tanker
이중선체유조선의 경우 CSR-H로 인한 선체 거더 단면계수 요구치는 동일하였으며, 이 결과는 두 규칙의 선체 거더 단면계수에 관한 규정이 동일한 점에 기인한다.
앞서 산적화물선의 분석에서 이미 논의된 바와 같이 호깅의 경우에만 γDB에 의해 10% 증가하였다.
- (3) 판 국부구조 요구치
Table 17 18 에 이중선체유조선의 판 국부구조 요구치도 산적화물선과 동일한 방식으로 정리하였다.
Plate requirements for double hull oil tanker [CSR-DHOT]
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Plate requirements for double hull oil tanker [CSR-DHOT]
Plate requirements for double hull oil tanker [CSR-H]
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Plate requirements for double hull oil tanker [CSR-H]
용골판은 경험적 최소두께가 지배적이었으며, CSR-H의 요구치가 1.0mm 증가하였다. 식 (15), (16)은 용골판의 경험적 최소두께 관한 CSR-DHOT와 CSR-H의 규정이다.
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선저판, 빌지판, 선측외판, 현측후판의 경우, 최소두께에서 1.0 mm의 증가가 있었지만, 대부분 면외압력에 의한 요구치가 우세하다. 따라서, CSR-H에 의한 영향은 면외압력이 줄어들어 최소두께가 우세한 선측외판의 상부와 현측후판에서 최소두께에 의한 증가가 예상된다.
또한 화물 탱크 주변의 구조 (선저판, 호퍼판, 내측판, 중심 격벽)의 판은 면외압력에 의한 요구치가 우세하였으며 면외압력의 증가로 인해 0.5~1.0mm 의 증가가 나타났다. 이러한 면외압력의 전반적인 증가는 식 (17), (18)에서 보는 바와 같이 동하중이 동반되는 하중시나리오에서 화물탱크에 대한 정압력 식의 차이에 기인한다. 아래의 두 식에서 PPV 는 화물탱크의 안전밸브의 설정압력으로 CSR-H에서는 이 압력을 동하중 동반 하중시나리오에서도 고려한다.
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스트링거는 경험적 최소두께에 의한 아래 대상선박의 길이에서 Table 19 와 같이 0.5mm 증가가 보였다.
Comparison of minimum thickness for stringer
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Comparison of minimum thickness for stringer
- (4) 보강재 국부구조 요구치
Table 20 21 에 이중선체유조선의 보강재 요구치를 산적화물선과 동일한 방식으로 정리하였다.
Stiffener requirements for double hull oil tanker [CSR-DHOT]
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Stiffener requirements for double hull oil tanker [CSR-DHOT]
Stiffener requirements for double hull oil tanker[CSR-H]
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Stiffener requirements for double hull oil tanker[CSR-H]
Table 21 을 검토하면, 외판의 경우 유사한 결과를 보이지만, 화물 탱크 주변의 구조물의 경우 증가가 보였다. 판에 대한 분석에서 이미 분석한 바와 같이 화물탱크 정수압 25kN/m2의 영향에 기인한다. 25kN/m 2 의 차이가 면외압력이 작은 화물탱크 윗부분의 구조에는 상대적으로 큰 비중을 차지하여 갑판, 중심격벽에는 큰 증가가 나타났다.
5. 결 론
2015년 7월부터 산적화물선과 이중선체유조선에 관한 공통구조규칙에 의한 구조부재의 요구치에 대한 영향을 분석하였다.
산적화물선의 선체 거더 단면계수에 대한 요구치에 대해서는 조건별로 차이가 있었지만, 침수상태가 지배적인 일반적인 산적화물선에 대해서는 영향이 없었다. 다만, 기존의 CSR-BC와는 달리 항내(har bour ) 조건이 국부구조물 요구치에도 고려됨으로 인해 기존의 항내(har bour ) 조건의 선체 종 허용 굽힙모멘트, 전단력은 과도한 치수를 요구할 것으로 예상된다. 선체거더 최종강도에 관한 요구치에서는 CSR-H에서 도입된 안전계수로 인해 화물창의 종류와 선체거더 하중의 방향에 따라 다른 증가를 보였다. 국부구조는 증가된 Gr ab 무게, 선체 거더 응력에 대한 보정, 면외압력 계산 방식, 허용응력, 경험적 최소 두께 등에 대한 규칙의 변화로 인해 증감이 보였다. 이중선체유조선의 선체 거더 단면계수의 요구치는 동일하였고, 선체 거더 최종강도는 새로 도입된 안전계수로 인해 호깅 상태에 대해서만 증가하였다. 국부구조는 산적화물선에 비해 많은 증감이 나타나진 않았으나, 경험적 최소두께, 화물탱크에 관한 정적 면외압력 계산식의 차이로 인해 증가가 나타났다. 본 연구에서 선정한 대상선박에 대한 요구치 변화와 그 이유에 관한 분석을 통해 기존의 각 선종별 공통구조규칙(CSR-BC, CSR-DHOT)과 새로 도입될 통합공통구조규칙(CSR-H)의 결과적 차이를 분석하였다. 본 논문의 결론은 늑골판의 배치, 보강재의 배치 등을 고려하여 최적화에도 에 참고할 수도 있을 것이다 ( Na & Jeon, 2008 ; Na, et al,. 2010 ). 또한, 본 논문의 결과를 참고하여 향후 다른 논문을 통하여 산적화물선과 이중선체유조선을 대상으로 기존의 CSR에 대비하여 CSR-H의 적용에 의한 중량증가분을 선체 중앙부의 중앙횡단면을 기준으로 분석할 계획이다.
BIO
성 치 현
이 승 건
References
Na S.S. , Jeon H.G. 2008 Optimum Structural Desing of Mid-ship Section of D/H Tankers Based on Common Structural Rules Journal of the Society of Naval Architects of Korea 45 (2) 151 - 156    DOI : 10.3744/SNAK.2008.45.2.151
Na S.S. , Yum J.S. , Kim Y.S. 2010 The Structural Design of a Large Oil Tanker based on the CSR by Considering the Web Arrangement and Material Property Journal of the Society of Naval Architects of Korea 47 (4) 598 - 605    DOI : 10.3744/SNAK.2010.47.4.598
2012 Common Structural Rules for Bulk Carriers International Association of Classification Societies(IACS) [Online] (Updated July 2012) Available at:
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2014 Common Structural Rules for Bulk Carrier and Double Hull Oil Tankers International Association of Classification Societies(IACS) [Online] (Updated January 2014) Available at:
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