1.서 론
탄소섬유강화복합재료(CFRP : Carbon Fiber Reinforced Plastics) 는 경량선체 제작이 가능하며, 동시에 뛰어난 물성을 가지 고 있어 고부가가치 레저선박의 경량선체 소재로써 적용되 고 있다(Oh et al., 2014). 특히 고급 내외 의장재를 갖추고, 두 세 개의 캐빈을 갖고 있는 40~60ft 급 크루저가 CFRP 레저선 박의 주류를 형성하고 있다(Fig. 1).
캐노피(Canopy), 데크 하우스 등 상부구조물을 갖고 있는 크루저 급 CFRP 선체 레저선박 10여종을 분석한 결과 동급 전장 GFRP(Glass Fiber Reinforced Plastics) 레저선박 보다 선체 중량이 30 % ~ 40 % 정도 경량화 된 것으로 확인할 수 있었 다(Oh et al., 2013). 다만 선체의 경량화로 인해 선박의 무게 중심이 높아져 상대적으로 상부구조물의 공간 확보에 제약 이 있으며, 선체의 깊이는 선실 내 공간 확보를 위해 경량화 특성과 반대로 깊어지는 경향을 보이고 있다(Oh et al., 2013). 크루저 급 CFRP 레저선박의 이러한 특성은 상부구조물의 형상이 복원성에 밀접한 관계가 있기 때문이며, 전반적인 CFRP 레저선박에서 이와 같은 형상 특성의 경향을 보이고 있다.
레저선박의 상부구조물 형상이 복원안정성에 미치는 영 향은 무게중심의 상승도 있지만, 상부구조물의 종단면적 증 가에 따른 횡요저항 증가도 큰 영향을 준다. 횡요저항은 풍 속, 유의파고 등의 해상상태 조건에 따라 선박에 작용하는 횡방향 부가 저항력으로써 흘수 상부 선체의 종단면적이 이 에 영향을 받는 중요한 설계 인자이다(Lee et al., 2013).
본 연구에서는 CFRP 레저선박의 상부구조물 형상 변화가 복원안정성에 미치는 영향을 분석함으로써 CFRP 크루저의 상부구조물 형상특성을 파악하고자 한다. 이를 위해 40~60ft 급 CFRP 크루저 5척과 동급 전장 GFRP 크루저 5척의 실적 선 형상분석을 실시하였으며, 이를 기반으로 하는 가상의 CFRP 선체 및 상부구조물의 형상조건 변화에 따른 복원안 정성 평가결과를 비교분석하였다. 이때 형상조건 변화에 따 른 횡요저항력의 추정 및 복원안정성 평가는 소형선박의 복 원성과 부력 평가 국제표준 규정인 ISO 12217(ISO, 2008)을 적용하였다.
2.풍압면적과 횡요저항력
상부구조물의 형상변화에 따라 횡요저항력을 고려한 복 원성을 평가하고 이를 GFRP 크루저의 평가결과와 비교하고 자 한다. ISO 12217에서는 해상상태에 따른 횡요저항력에 영 향을 받는 선체의 형상 조건을 풍압면적 이라고 하며 그 정 의와 평가 과정은 다음과 같다.
2.1.풍압면적
풍압면적(ALV : Windage area)은 선박이 적절한 적하 상태 에서 흘수선 위의 선체, 선루, 선실 및 돛대의 투영 측면적 으로 정의한다(Fig. 2).
Fig. 2의 상부구조물 면적 A와 흘수선 상부 선체 선측 면 적 B의 합을 풍압면적이라고 하며, Fig. 1의 44ft CFRP 크루 저와 Fig. 5의 GFRP 크루저의 상부구조물 형상을 비교하면 그 특징을 파악할 수 있다.
2.2.횡요저항력의 평가
풍압면적은 횡요저항력에 큰 영향을 미치며, 횡요저항력 의 평가는 횡방향의 파도 및 바람에 의한 횡동요를 고려한 복원성 평가를 통해 이루어진다. 이때 바람과 파도에 의한 횡요저항력은 설계범주(Design category)에 따라 영향을 받게 되며, 이때 바람에 의한 횡경사모멘트(MW)는 상부구조물의 풍압면적과 밀접한 관련이 있다(식1)(Lee et al., 2013).
ALV : 풍압면적(m2) ALV > 0.55LHBH
TM : 수선 중심 흘수(m)
vW : 설계범주에 따른 풍속(m/s)
횡요저항력에 의한 복원성 평가를 위해서는 크게 선박의 주요 치수 및 하중상태를 필요로 하며, 선체형상으로부터 해수유입각(ϕD)과 풍압면적 정보를 필요로 한다. 형상조건과 설계범주에 따른 풍속(vW) 및 유의 파고에 의한 횡요각(ϕR) 추정을 통해 예비 동적 복원에너지(Reserved dynamic stability energy : A2-A1)(Fig. 3)를 평가함으로써 횡요저항력에 의한 복 원성을 판단하며, Fig. 3은 풍압면적과 바람에 의한 횡경사모 멘트(MW) 그리고 이에 따른 횡요저항력을 고려한 복원성 평 가 과정을 정리하여 보이고 있다.4
2.3.상부구조물의 형상 특성 분석 방법
본 연구에서는 CFRP 크루저 실적선의 상부구조물 단면적에 변화를 주고 이에 따른 횡요저항력을 평가함으로써 상부구조 물의 형상 특성을 분석하고자 한다. 또한 일반적으로 널리 사 용되고 있는 복합재료 선체소재인 GFRP 소재 레저선박과의 형상 특성을 상호 비교함으로써 경량소재인 CFRP가 선체와 상부구조물 형상 결정에 미치는 영향을 파악하고자 한다.
3.실적선의 종단면적 특성 분석
3.1.종단면적의 분포
CFRP 크루저의 종단면적 비율 특성을 파악하기 위하여 동급 전장 GFRP 크루저의 종단면적과 비교분석하였다. 40~60ft 급 GFRP, CFRP 실적선 각 5척의 종단면적 분포를 분 석하였으며, 인터넷에 공개된 대표적인 요트 메이커의 선박 주요제원과 일반배치도 등을 분석 대상으로 하였다.
Fig. 5는 실적선의 종단면적의 분포 분석 사례를 보이고 있 으며 총 10척의 종단면적 분포 분석 결과는 Table 1, 2와 같다.
크루저 실적선의 형상특성을 분석한 결과는 Table 3과 같 다. A+B는 풍압면적을 B+C는 선체 종단면적을 의미하며, A+B : C의 분포를 통해 풍압면적의 분포 특성을 파악할 수 있다. CFRP 크루저의 상부구조물 단면적은 GFRP 크루저의 선체단면적 대비 절반정도의 크기이며, 풍압면적은 GFRP 크 루저와 비슷한 면적 비율 분포를 보이고 있음을 알 수 있다.
즉, 횡요저항에 영향을 주는 풍압면적 분포 비율은 두 종 류 선박 모두 매우 유사하나, 상대적으로 CFRP 크루저의 상 부구조물이 매우 작은 것을 확인할 수 있었다. 이는 경량선 체 특성으로 인해 흘수가 낮은 반면 선체 깊이가 높아져 나 타나는 현상으로 이해할 수 있다.
3.2.종단면적 분포 추세
실적선의 종단면적 분포 분석을 통해 선체 소재와 길이 (LH)에 따른 종단면적 분포 추정식을 Fig. 6, Fig. 7과 같이 도 출할 수 있었다. 이 결과는 다음 장에서 CFRP 크루저의 상 부구조물 형상 변화에 적용하였다.
4.CFRP 크루저의 풍압면적 특성
4.1.사례연구 방법
풍압면적의 변화에 따른 횡요저항력을 평가하기 위하여 몇 가지 가정을 하였다.
설계범주는 사례연구에 적용한 선박이 Ocean-going이 가능 한 A 상태로 정의하였으며, 이때의 해상풍속 및 파도에 의 한 횡요각(Roll angle)은 ISO 12217 규정에 따라 vW=28 m/s, ϕR=25+20/VD (VD : Displacement volume, m3)로 가정하였다. 해수 유입각(ϕD)은 현측형상에 따른 결과변화를 고려하여 최소값 인 50°로 가정하였다. 풍압면적의 경우 규정에서는 선체 길 이와 폭에 따른 최소값이 적용되도록 하고 있으나, 통상적 으로 CFRP 크루저의 상부구조물이 매우 작기 때문에 규정 에 의한 최소값이 아닌 실제 측정값 또는 종단면적 분포 추 세(Fig. 7)에 따른 추정치를 적용하였다.
횡요저항력에 의한 안정성 평가는 ISO 12217에 따라 평가 프로그램(Fig. 4)을 개발하였으며, 앞서 기술한 가정 사항을 적용하여 사례연구를 수행하였다.
사례 연구에 사용한 CFRP 선체 크루저의 주요제원은 Table 4와 같다. 기 개발된 선박의 설계자료를 기반으로 구 성하였으며 종단면적 분포는 Fig. 8과 같다. 3.2절에서 도출 한 종단면적 분포 추정식에 따라 상부구조물의 형상(A-Fig .8)을 변화시킴으로써 이에 따른 횡요저항력에 의한 안정성 을 평가하였다.
4.2.상부구조물의 형상 변화
풍압면적의 변화에 따른 횡요저항력을 평가하기 위하여 몇 가지 가정을 하였다.
CFRP 크루저의 상부구조물 형상 변화에 따른 횡요저항력 을 평가하기 위하여 다음과 같이 4가지 사례연구를 수행하 였다.
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CASE 1 : CFRP 선체 추정면적과 CFRP 상부구조물 추 정면적 적용. A : B + C = 15.5 5% : 84.45 %
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CASE 2 : CFRP 크루저 A 선체 면적과 상부구조물 면 적 적용. A : B + C = 18.54 % : 81.46 %
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CASE 3 : CFRP 선체 추정면적과 GFRP 상부구조물 추 정면적 적용. A : B + C = 29.28 % : 70.72 %
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CASE 4 : CASE 3 상태에서 GFRP 상부구조물 추정면 적을 0.2 m × 0.2 m씩 증가
CASE 1은 CFRP 크루저의 통계치에 따른 선체와 상부구 조물 형상의 조합 사례이고, CASE 2는 실제 CFRP 크루저의 횡요저항력 평가로써 데이터 검증을 위한 대조군이다. CASE 3은 CFRP 크루저의 선체에 GFRP 크루저의 상부구조 물을 조합한 사례이며, CASE 4는 CASE 3의 경우에서 상부 구조물 형상을 GFRP 크루저 이상 지속적으로 증가시킨 사 례이다.
위 사례연구 계획에 따른 상부구조물의 CASE 별 종단면 적은 Fig. 9와 같으며 그때의 선체와 상부구조물의 종단면적 에 따른 풍압면적 조건은 Table 5와 같다.1112
4.3.C F R P 크루저의 상부구조물 형상 특성
상부구조물의 형상 변화에 따른 안정성 평가 결과(A2/A1) 는 Fig. 14와 같으며, ALV가 41.42 m2 이상으로 증가하는 CASE 4의 경우는 횡요저항력에 의해 안정성에 문제가 발생하는 시점(A2/A1<1)까지 계산을 수행하였다. Fig. 10 ~ Fig. 13은 각 CASE의 안정성 평가 과정을 보이고 있으며, Table 6은 사례 연구의 결과를 정리하여 보이고 있다.
사례연구결과 종단면적 분포 추세에서 얻을 수 있었던 범위 내에서는 안정성에 문제가 없었다(CASE 1, 2). GFRP 크루저의 상부구조물 추정치에 해당되는 형상을 적용하였 을 경우도 큰 문제가 없었으나(CASE 3, A=29.28 %), 이보다 상부구조물의 비율이 선체 대비 약 10 % 정도 더 증가된다 면(CASE 4, A=40 %) 횡요저항력에 의해 복원성에 문제가 발생하는 것으로 알 수 있었다.
5.결 론
본 연구에서는 CFRP 레저선박의 상부구조물 형상특성을 파악하기 위하여 풍압면적의 변화에 따른 횡요저항력을 평 가하였으며, 이를 통해 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
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CFRP 크루저의 상부구조물과 선체의 종단면적 비율은 약 15 % : 85 %로 분포되어 있으며, 동급 전장 GFRP 선 박 대비 상부구조물 단면적은 선체면적 대비 약 절반 정도에 그친다.
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풍압면적의 분포는 동급 전장 대비 두 소재 선박 모두 약 80 %로 유사한 경향을 나타내고 있다.
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하지만 풍압면적 분포가 유사한 경우라도 CFRP 크루 저가 상대적으로 더 횡요저항에 안정하다고 판단할 수 있다. 이는 배수용적이 상대적으로 작아 횡요각이 조금 증가될 수는 있으나, 상부구조물 보다 선체의 풍 압면적 분포가 크기 때문이다.
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CFRP 크루저의 상부구조물 면적을 동급 전장 GFRP 선박 상부구조물 면적 비율 이상 증가시키는 경우 풍 압면적 증가에 따른 횡요저항으로 복원성에 문제가 발생할 수 있다.
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동일 풍압면적 분포인 두 소재 선박의 경우 CFRP 크 루저의 상부구조물 비율이 절반정도로 훨씬 작기 때 문에 횡요저항 또한 작아질 것으로 예상할 수 있으나, 이는 풍압면적 중 상부구조물 면적과 바람에 의한 횡 요저항과의 관계에 대한 추후 연구가 필요하다.
후 기
본 연구는 미래창조과학부, 한국연구재단, 전남과학기술 진흥센터에서 지원하는 “전남과학연구단지 기초 원천연구 개발지원사업”과 2014년 교육부의 재원으로 한국연구재단 의 지원을 받아 수행된 기초연구사업(No. 2014056245)에 의 해 이루어졌으며, 관계자 여러분께 깊은 감사를 드립니다.
