1. 서 론

최근 선박 구조설계기술의 발전과 함께, 경량화 및 고속 화를 주도하는 각종 선박이 출현하고 있으며, 이러한 선박 의 구조재료는 주로 알루미늄 합금 계열(T-5000, T-6000)을 사용하고 있으며, 일반 강재보다 사용할 수 있는 재료의 종 류는 적지만, 우수한 기계적 특성을 보인 합금재료가 개발 되고 있다. 알루미늄 합금 재료는 일반적으로 사용되고 있 는 강재에 비해서, 많은 장점이 있으며, 이러한 장점을 이용 하고, 단점을 보완하기 위해서는 재료적인 특성을 고려한 구조설계가 필수적이라고 할 수 있다. 선박에 주로 사용 중 인 강재(저탄소강과 고장력강)의 특성에 대한 각종 실험 및 유한요소법을 적용한 연구를 중심으로 다양하게 진행됐으 나, 알루미늄 합금 재료에 대한 거동 특성 및 구조설계에 관 한 적용성에 대해서는 향후 더 많은 연구가 필요하다. 일반 적으로, 알루미늄 합금 재료는 구조용 강과 다르게 뚜렷한 항복점을 찾기가 힘들고, 탄성 비례한도를 넘어서 소성변형 이 시작되는 초기 단계부터 큰 가공경화를 나타내는 재료적 인 특성을 보인다 (Paik et al., 2005). 특히, 가장 문제 시 되는 점은 재료 생산가공의 경우 용접작업으로 인하여 발생한 고 온의 열전달로 인하여, 재료에 열영향부(heat affected zone, HAZ)가 일반적인 강재에 비하여 넓게 분포하며, 열영향부가 존재함으로써 압축 최종강도는 현저하게 감소 되는 특징을 나타낸다.

일반적으로 생산 현장에서 사용하고 있는 알루미늄 보강 패널의 용접방법으로는 다음의 3가지로 분류할 수 있다. 첫 번째는, 가장 보편적인 방법으로서, 보강재와 판의 교차지점 에 필렛용접(fillet welding)하며, 두 번째 방법은 유효 폭을 갖 는 판과 보강재를 기준으로, 만나는 판에 맞대기용접 및 필 렛용접을 하는 경우이다. 마지막으로, 일정한 크기의 보강패 널을 횡 방향으로 접합시키는 방법이다. 본 연구에서는 일 반적으로 가장 보편적으로 사용되는 첫 번째 용접 때문에 발생하게 되는 열영향부 조건을 고려하였으며, 열영향부의 면적을 주요변수로 설정하여 압축 하중에 의한 좌굴 및 붕 괴 거동에 대해서 유한요소해석을 통하여 정량적으로 검토 하였다.

1.1 연구의 이력 및 동향

Rigo et al.(2003)은 ISSC 2003 최종강도 분과에서 알루미늄 보강패널의 최종강도 수치해석에 대한 비교분석 결과를 연 구하였다. 연구의 목적은 비선형 유한요소 모델을 검증하는 것이며, HAZ의 크기, 초기 처짐의 크기, 잔류응력, 판 두께, 항복 응력을 변경한 시리즈해석을 수행하였으며, 최종강도 변화율은 HAZ의 변화율과 선형관계는 아님을 증명하였다. 본 연구를 통해 검토된 각종 변수의 영향을 고려한 경험식 개발에 대한 필요성도 언급하였다.

Khedmati et al.(2009;2010)은 알루미늄 보강패널의 보강재 형상이 T-bar, Flat-bar 모델의 비선형 시리즈해석을 통하여, 압축 최종강도 및 조합 하중(압축+횡하중) 최종강도 경험식 을 개발하였다. 경험식은 보강재의 세장비와 판의 세장비 함 수를 이용하였고, 기본적인 형식은 참고문헌(Paik, 2007)을 활 용하였다. 면내 압축 하중 작용 시, 최종강도 예측 식은 유한 요소해석 결과보다 보수적인 평가를 하고 있으며, DNV-GL 제안식과 비교 시에는 잘 일치함을 확인하였다.

Paik et al.(2004;2005;2006;2007)은 비선형 유한요소해석 프로그램인 ANSYS를 적용하여, 알루미늄판과 보강판에 대 한 최종강도 추정식을 개발하였고, 각 선급의 규정과 비교 평가하였다. 또한, 압축 붕괴 실험을 통하여 용접으로 인하 여 발생한 초기 처짐 형상과 잔류응력 분포특성을 정리하였 다. 다양한 수치해석 결과 및 실험결과를 바탕으로 하여 판 과 보강판의 압축붕괴 상태에 대해서 5가지로 분류하였다.

Zha and Moan(2003)은 플랜지가 없는 구조단면을 고려한 알루미늄 보강판에서 압축 하중에 대한 비틀림 좌굴 거동을 확인하기 위하여 실험 및 유한요소 수치계산을 통하여 붕괴 거동의 특성에 관해서 연구하였다. 전 세계적으로 알루미늄 보강판을 이용한 단일하중 및 조합 하중에 관한 실험적 연 구가 이루어지고 있으며, 비선형 최종강도 평가 수치해석기 법도 다양해지고 있다. 특히, 주요 선급(DNV-GL, LR, ABS)을 중심으로 알루미늄 합금재료의 선박 및 해양구조에 대한 설 계 기준 정립에 관한 폭넓은 연구가 진행되고 있다.

Baek et al.(2011)은 알루미늄 합금 6082-T6에 대한 MIG 용 접부의 연화 특성 및 강도특성에 영향을 미치는 용접 변수 를 찾기 위하여, 다양한 시편 모델을 활용하여 계측 데이터 기반 연구를 수행하였다. 용접 입열량 및 용접속도에 따른 열영향부의 미세경도를 확인하였으며, 용접속도가 증가하여 입열량이 감소 될수록 내부 잔류 경도는 증가하는 현상을 나타냈다. 연구결과로서 같은 두께의 주재료를 용접할 경우, 열영향부의 내부 경도 저하가 크게 발생하지 않도록 하기 위해서는 높은 전류로 고속 용접하는 방법을 제안하였다.

Farajkhah and Liu(2016)은 MIG 용접에 의한 열영향부 영역 과 잔류응력, 이에 따른 용접변형 특성을 실험과 수치 시뮬 레이션을 비교 분석하였다. 용접선 주위에 발생하는 HAZ 폭 은 판의 두께가 얇아지면서 증가하였다. HAZ 및 잔류응력에 따라서, 보강판의 좌굴은 10 %와 16.5 % 감소하였다. 용접 때 문에 판에 발생하는 최대 인장 잔류응력은 주재료 항복강도 의 77 % 수준에서 발생하였으며, HAZ의 총 너비는 26~56mm 사이에 존재한다. 실험을 통해서 구해진 수직 방향 최대 처 짐은 2.5 mm로 입열량 제어가 필요함을 주장하였다.

2. 열원 모델 실험 및 유한요소해석

2.1 열원 모델 제작

해석에 사용될 열원 모델의 검증을 위하여 Fig. 1의 시편 크기를 갖는 시험체를 제작하여, 시편 단위 테스트를 수행 하였다. 실제 제작구조물에 적용되는 용접절차서(GHI WPS, 2018) 기준으로 작업을 진행하였으며, 필렛(fillet) 용접의 경 우 용접 각장 7 ~ 8 mm 수준으로 절차서의 수준과 유사한 값 을 확인하였다. 상세 비교사항은 Table 1과 같다.

2.2 알루미늄 합금의 재료적인 특성

선박에서 사용 중인 알루미늄 합금재료는 용접이나 절단 등에 의한 열 가공 때문에 필연적으로 초기결함이 발생하 며, 이 중에서도 용접으로 인한 열영향부의 분포 범위가 일 반 강재와 비교하면 상대적으로 넓게 존재하게 된다. Fig. 2 의 실험결과는 앞서 사용된 필렛 용접부 시편에서 추출한 인장 시편으로 열영향부를 고려한 소재의 인장실험 결과를 응력-변형률 관계로 나타내고 있으며, 열영향부를 고려할 경 우, 고려하지 않을 때 비교 시, 항복점을 명확하게 구분하기 가 힘들며, 항복 이후 큰 가공경화가 발생하게 된다.

2.3 유한요소해석

비선형 최종강도 붕괴 거동 해석은 범용유한요소해석 프 로그램인 ANSYS Multiphysics V18.0(2016)을 사용하였으며, 기하학적 비선형과 재료의 비선형을 동시에 고려한 Shell 181번 요소를 적용하였다. 이 요소는 4 절점이 절점마다 6자 유도(변위 u,v,w : 회전 θ_x, θ_y, θ_z)를 가지고 있으며, 대변형, 대회전, 대변형률을 포함한 비선형 해석을 하는데 적합하다 (ANSYS, 2016). 해석모델의 비선형 재료 특성은 실험에서 계 측된 변위-응력 데이터를 이용하여, 실제의 비선형 구조 거 동 응답이 가능하도록 설정하였다. 압축하중이 증가함에 따 라 해석모델의 항복 도달 여부는 등가 응력인 식(1)의 본 미 세스 응력(Von-mises stress)으로서 평가하였다. 주로 연성재 료(ductile material)의 경우에 사용되고 있는 항복 기준이다.

where, σ_e : Von-mises stress, σ_x : Stress to the longitudinal direction σ_y : Stress to the horizontal direction, σ_z : Stress to the vertical direction, σ_xy : Shear stress on the x-y plane, σ_yz : Shear stress on the y-z plane, σ_zx : Shear stress on the z-x plane

비선형 수치해석 방법은 하중 증가에 따른 변위 계산 과 정에서 해의 수렴의 안정성을 높이기 위하여 하중과 변위를 단순히 제어시키지 않고, 호의 반지름을 변화시켜가면서 그 교차점을 제어하는 비선형 수치해석 기법 중 한 가지인 아 크 길이 방법(arc-length method)을 사용하였다. 매 증분 구간 별로 이전 단계의 호의 반지름 방향과 직각 방향에 해를 찾 고, 탐색 된 해는 미리 설정된 하중과 모멘트 수렴기준과 비 교하여, 범위 내 만족한 결과만을 인정하게 된다.

2.4 알루미늄 합금 물성 및 초기 처짐

알루미늄 합금 재료를 이용한 보강판 구조는 해양플랫폼 의 거주구, 탑사이드 모듈 갑판부, 고속선의 갑판 및 선체구 조에 주로 적용되는 모델이다. Fig. 3에서는 알루미늄 보강패 널 제원에 활용된 알루미늄 카타마란 (CAT-45)의 일반배치 도 및 주요 치수를 Table 2에 나타내고 있다. 일반적인 선박 종 배치 구조와 유사한 부재 배치를 나타내고 있으며, 보강 재 사이 간격이 좁고, 보강재의 크기가 작다. 용접에 의한 변형 및 강도 손실 최소화를 위하여, 횡 프레임의 간격도 짧 은 특징이 있다. 계산에 사용된 해석모델은 종강도 부재이 면서 헐(hull)의 압축 하중에 의한 좌굴을 방지하기 위한 lower deck를 선정하였다.

본 연구에서는 열영향부에 따른 압축 하중에 대한 좌굴 및 최종강도 거동 특성을 비교하였으며, 용접작업에 의해서 발생하는 초기 처짐은 아래와 같이 판의 길이와 폭을 변수 로 하여 표현하였다.

- 보강재와 보강재 사이의 판의 처짐 : 0.002× b

- 보강재의 횡 처짐 및 국부좌굴 처짐 : 0.001× a

여기에서, a는 횡 프레임과 횡 프레임 사이 판의 길이, b 는 보강재와 보강재 사이의 폭을 나타낸다. 용접은 보강재 와 판의 경계부위에 양쪽 필렛(fillet)용접이며, MIG 용접을 용접절차서에 따라서 적용하는 것을 가정하였다. 사용된 알 루미늄 합금의 물성값 정보는 Table 3과 같다.

알루미늄 패널의 판폭 길이 방향으로는 마찰교반용접 (Friction Stir Welding)으로 접합하고, 판재와 보강재는 MIG (Metal Inert Gas)를 적용하고, Fig. 4와 같다. MIG 용접을 할 경우, 용접 열영향부에서는 주재료의 항복강도가 초기 재료 의 특성치에 비교하여 지나치게 떨어지는 연화 현상이 발생 한다. 참고문헌(BS EN, 2009)에서는 알루미늄 합금 재료별로 MIG 용접에 의한 열영향부에 의한 항복 응력 감소 비율을 제시하고 있으며, 연구에 사용된 합금은 48 %를 저감 시키도 록 권고하고 있다. 본 연구에서는 T-bar 시편을 이용하여, MIG 용접 시 발생하는 열영향부를 포함한 상태에서의 인장 시편 의 2 % 변형률에서의 하중 감소 비율인 50 %를 감소 영향으 로 반영하였다.

2.5 해석 모델링

알루미늄 보강판 모델은 3개의 판넬로 구성된 모델(three span model)로서 1개의 판넬 간격은 각각 2,050 mm이고, 4개 의 횡 프레임과 5개의 종방향 보강재로 구성되어 있다. Fig. 5의 그림과 같이, 횡 프레임 F1과 F4는 두께(t_tf) 10.0 mm, F2 와 F3는 두께(t_tf) 3.0 mm이며 횡 프레임의 웹 높이(h_w)는 같 이 71.8 mm이다. 보강재의 단면형태는 플랜지가 있는 앵글 바(angle-bar)이며, 보강재와 보강재 사이의 폭(b)은 252.5 mm, 웹 높이(h_w )는 67.1 mm, 웹 두께(t_w)는 3.0 mm, 플랜지 폭(b_f)은 15.0 mm, 플랜지 두께(t_f)는 4.4 mm, 판의 두께(t_p)는 5.0 mm이다.

2.6 하중 조건 및 경계 조건

해석에 적용된 하중 조건은 모델의 길이 방향 끝단을 고 정하고 한쪽 면에서 부재가 견딜 수 있는 최대하중 (항복 응 력 x 두께)를 각각 적용하였다. 메가 요트에 사용되는 연속 보강판 구조 거동 효과를 부여하기 위하여, 비압축 변(Y축) 의 가장자리는 면내 직선을 유지하는 탄성 커플링 조건 및 횡 방향(Y) 대칭 경계 조건을 적용하였다. 해석에 사용된 경 계 조건은 Fig. 6과 같다. 모든 횡 프레임(Trans. frame) 위치에 서는 Z 방향으로 구속되어있으며, X 방향 회전구속이 적용 되었다. 종방향 보강재(Longi. stiffener)와 횡 프레임(Trans. frame)과 만나는 높이 방향으로는 Y 방향 변위구속을 적용하 여, 압축 하중 작용 시, 상대적으로 면내 강성이 작은 종방 향 보강재에서 좌굴이 발생하도록 고려하였다. 이러한 설정 은 실제의 실험에서의 좌굴 붕괴 거동과도 잘 일치하는 조 건이다.

종방향 보강재 플랜지의 경우, 횡 프레임과 교차하는 부 위에 판의 경계 조건과 같이 적용하였다. 모델의 가장자리 의 경계 조건은 연속보강판의 거동을 적절히 구현할 수 있 는 단순 지지 조건을 반영하였다.

2.7 열영향부 효과

알루미늄 재료에서는 용접가공 시 발생하게 되는 열영향 부의 범위가 일반 강재와 비교하면 널리 분포하며, 이러한 열영향부의 범위에 따라서 최종강도 분포는 다르게 나타난 다. 특히, 참고문헌(Aalberg et al., 2001)의 실험에서 사용된 알루미늄 패널 부재의 조립 시 사용된 MIG 용접과정 중에 발생한 용접 잔류응력은 일반적인 강재 부재에 비해서 작으 므로, 본 연구에서는 잔류응력에 대해 고려를 하지 않았다. MIG 용접에 의한 열영향부가 좌굴 거동에 미치는 영향을 고 려하기 위하여, HAZ 범위를 15, 25, 35 mm로 설정하였고, 상 대적으로 면내 강성이 강한 횡 프레임(F1-F4)에서는 그 영향 을 고려하지 않았다. 열영향부 결정 근거는 참고문헌(Pedram and Khedmati, 2014)에서 계측한 25 mm를 기준으로 용접 각장 10 mm 변화 시 열영향부 변화를 각각 15 mm와 35 mm 설정 하였다.

Fig. 7에서 나타낸 바와 같이 유한요소해석 시 열영향부를 고려하기 위하여, 지정된 영역만큼을 별도로 세분화하여 요 소를 나누고, 그 영역은 원래의 항복 응력의 50 %(130 MPa) 만큼 재료적인 손상을 주어서 열영향부의 효과를 고려하였 다. 연구에서 계측한 열원 시편에서의 기계적 물성값은 참 고문헌((BS EN 1999-1-1, 2009)에서 제시하는 최소 항복 응력 을 약 30 % 상회하였으며, 보수적인 구조 강도 평가를 위해 서 항복 응력은 260 MPa을 일괄 적용하였다.

3. 열영향부의 범위에 따른 최종강도 거동

3.1 열영향부를 고려하지 않는 경우

열영향부를 고려하지 않은 경우의 최종강도와 변형률 거 동 결과를 Fig. 8에 나타내고 있으며, 변형(deformation)과 등 가 응력(equivalent stress) 분포에 대한 정리 결과를 Fig. 9에 나타내고 있다. 압축 하중이 증가하면서 일정 구간의 탄성 영역을 지난 후, 서서히 면내 강성 감소가 발생하면서 최종 강도에 도달한다. 이러한 압축 거동 특징은 일반적인 스틸 보강판과 다른 특징이라고 할 수 있다. 횡 프레임 F2와 F3 사이의 보강판 모델에서는 판재에서 전체 좌굴 후 전체 붕 괴하는 형태를 나타내며, F1과 F2 그리고 F3와 F4 사이의 패 널 모델에서는 보강재의 끝단에서 발생한 큰 횡 처짐으로 인하여 좌굴 붕괴하고 있으며, 이러한 붕괴 거동 형태를 트 리핑(tripping)이라고 한다(Paik and Duran, 2004).

3.2 열영향부(bp′ = bs′ = 15mm) 고려

열영향부 폭을 15 mm 고려한 모델의 응력-변형률 거동에 관한 결과를 아래의 Fig. 10에서 나타내고 있다. 초기좌굴 발 생에 의한 좌굴응력은 약 100 MPa이며, Trans. frame F2와 F3 전면부 보강재에서 좌굴이 발생한다. 면내압축하중이 증가 하면서, 국부적인 항복영역이 증가하게 되고, 이로 인하여 면내 강성 기울기 변화가 발생한다. 이러한 이유는 열영향 부를 고려하면, 판과 보강재의 만나는 구속지점의 강도 저 하로 인하여 보강재의 좌굴이 쉽게 발생하기 때문이며 Fig. 11의 결과와 같다.

3.3 열영향부(bp′ = bs′ = 25mm) 고려

열영향부를 각각 25 mm씩 고려한 조건에서의 응력-변형률 거동에 관한 결과를 아래의 Fig. 12에서 나타내고 있다. 초기 좌굴 발생에 의한 좌굴응력은 약 70 MPa이며, 좌굴 이후 보 강재의 끝단에서 항복이 발생하여, 하중이 점진적으로 증가 하며, 면내 강성은 급격하게 감소하게 된다. 또한, 최종강도 이후의 보강판의 면내 강성 감소가 크게 나타나는 거동의 특징을 나타내고 있다.

Fig. 12 그래프의 응력-변형률 선도에서 압축 하중 증가에 따른 각 스텝에서의 처짐 및 항복 영역(red colour) 변화를 Fig. 13에서 나타내고 있다. 최초 좌굴 지점에서는 횡 프레임 F2와 F3 사이의 패널에서 전체 좌굴이 발생하고 있으며, 초 기항복은 보강재의 끝단과 중앙부에 있는 보강재의 웹에서 국부적으로 발생하고 있다. 압축 하중의 증가에 따른 주요 특징으로서는 열영향부가 위치한 용접부를 시작으로 좌굴 및 초기항복이 발생하여, 판의 면내 강성 감소가 발생한다. 압축 하중에 의한 항복 범위 증가는 전체적인 구조의 강성 을 감소시키게 되어 구조물 붕괴를 유발한다. 최종강도 지 점에서의 붕괴패턴은 횡 프레임 F2와 F3 사이의 보강재의 웹에서 트리핑 좌굴이 발생하고, 이로 인하여 보강재에서 큰 처짐 및 응력이 집중된다. 이러한 붕괴 특징으로 인하여 전체 알루미늄 보강판의 구조 손상률도 가속화된다.

최종강도 발생 위치에서 위치별 항복 응력분포와 처짐 변 화를 Fig. 14에서 나타내고 있다. 열영향부를 적용한 보강재 와 판재의 접합 부위의 약한 좌굴 강성으로 인하여 보강재 의 웹에서 트리핑 좌굴이 발생하였고, 이로 인하여 주변 보 강재와 판재에서 항복요소가 많이 증가하는 경향을 나타내 고 있다.

3.4 열영향부(bp′ = bs′ = 35mm) 고려

열영향부를 판의 폭 방향으로는 70 mm, 보강재 웹 높이 방 향으로는 35 mm를 고려한 모델의 최종강도 상태에서 항복 응력분포 및 처짐형상을 Fig. 15에 나타내고 있다. 열영향부 의 범위가 커질수록 항복요소의 범위가 넓어지고 있으며, 이 는 Fig. 16의 최종강도와 변형률 그래프에서 알 수 있듯이 초 기 면내 강성 감소 위치가 먼저 발생하는 결과와 일치한다.

아래의 Table 4는 연구에서 검토한 4가지 해석조건에 대해 서 붕괴형태와 변형량에 대해서 정리하여 나타내고 있다.

해석모델에 따른 최종강도에서의 구조 부재의 최대변형 량(Max.δ)을 비교하면, 열영향부의 범위가 넓을수록 처짐량 은 증가하고 있다. 특히 열영향부를 고려하지 않는 조건과 열영향부 고려한 경우에서 큰 차이를 나타낸다. 최종강도에 서의 좌굴 발생 모드는 용접 교차부에서 열영향부로 인한 강성 감소로 인하여 트리핑 좌굴이 주로 발생하였다. 열영 향부 범위 15 mm를 고려한 조건에서는 트리핑 좌굴이 발생 하는 구간(F1-F2, F3-F4)과 웹 좌굴(F2-F3) 구간으로 크게 분 류되었다.

본 논문에서 고려한 4가지의 해석모델의 응력-변형률 곡 선을 Fig. 16에서 비교하여 나타내고 있다. MIG 용접작업에 의한 열영향부를 고려 시, 압축 하중에 의한 좌굴 및 최종강 도가 모두 낮게 평가되었다. 열영향부 범위가 15 mm부터는 보강재의 트리핑 좌굴 이후 면내 강성 감소가 크게 나타났 으며, 25 mm 이상 조건에서는 항복요소 분포와 처짐 형상은 큰 차이를 보이지 않았으나 전체 구조 강성 결과는 차이를 나타내고 있다. 상대적으로 용접에 의한 열변형에 취약한 알 루미늄 재료의 특성으로 인하여, 필연적으로 고려해야 하는 열영향부의 강성 감소 현상에 대한 적절한 대안이 필요함을 확인할 수 있다. 대안으로서는 용접 시 입열량을 최소화하 고, 고속용접이 될 수 있는 용접절차서 개발 그리고 변형이 최소화될 수 있는 지그와 구조 배치 등을 고려할 수 있다.

4. 결론 및 향후 연구과제

최근 선박 및 해양구조물의 대형화, 고속화를 실현하기 위하여, 친환경 경량 구조재료인 알루미늄 합금의 사용 빈 도와 범위가 많이 증가하고 있다. 특히, 특수목적 함선과 메 가 요트 같은 경우에는 선체뿐만 아니라 선루까지도 알루미 늄 합금재료를 채택하고 있다. 이러한 재료의 효율성과 장 점의 적용성을 확대하기 위해서 재료의 구조 거동 특성 및 좌굴 및 최종강도 붕괴 거동에 대한 이해가 필수적이다. 따 라서, 본 연구에서는 알루미늄 보강판 구조의 열영향부의 범위를 변수로 한 비선형 시리즈해석을 통한 주요 결과는 아래와 같다.

향후 연구과제로서는 카타마란 및 메가 요트 구조에서 사 용하고 있는 다양한 보강패널에 대한 비선형 시리즈해석을 통하여 좌굴 및 최종강도 평가식을 개발하는 것이다.