1. 서 론

본 논문의 개발 대상인 알루미늄 사다리는 육상 플랜트 설비(발전소, 저장설비) 및 해양플랜트 설비(FPSO, Jack up rig, Fixed Platform, Drillship) 등에 사용되는 의장재인 Handrail, Stair, Ladder/cage, Safety gate, Grating, Flexible barrier, Platform 의 한 종류이다. 해양플랜트 프로젝트 수행 시 초기 설계안 대비 탑사이드(Topside)의 중량이 증가하여 중량 관리를 어 떻게 하고, 어떤 전략을 수립해야 하는지가 설계의 주요 목 적함수이다. 해양플랜트의 경우 이러한 무게증가는 하부 부 유 설비의 저장 용량 및 부력을 고려하여 상부 구조물의 중 량 관리가 필수적이기 때문에 선주사와 조선소에서는 기존 스틸 부재를 대체할 수 있는 알루미늄 합금을 확대 적용하 여 중량 절감을 하려는 다양한 시도를 하고 있다. 그러나 구 조물 설계 시 다양한 극한환경 및 운영조건의 특성을 견딜 수 있는 강도와 인성을 요구하는 주 부재 및 부 부재의 경우 는 구조 안전성 측면에서 정밀한 재료적·강도 같은 설계기 준 적용이 필요하여 혁신적인 중량 감소는 어려움이 있으 나, 의장재(Tertiary Member)는 비강도 부재로 상대적으로 기 능적 설계기준(Functional Requirement)과 대규모 사용물량으 로 탄소강 대비 알루미늄 합금강, 스테인리스강, 니켈광, 인 바 합금 및 GRP 재질이 중량감소 측면에서 효율적인 대안으 로 검토 적용되고 있다. 이중 알루미늄 합금은 높은 강도 대 비 중량비, 뛰어난 내식성, 가공성이 우수한 친환경적인 재 료로 널리 알려져 있고 구조재로 적용성이 점점 높아지고 있다. 이에 본 연구에서는 개량형 알루미늄 합금 소재를 적 용한 수직 사다리 개발에 관한 엔지니어링 주요 결과들을 소개하고자 한다.

본 연구와 관련된 기존의 선행연구를 아래와 같이 요약하 였다.

Park(2003)는 한국과학기술원, 한국기계연구원 공동으로 국책과제로 고강도 알루미늄 주조 합금의 개량개발 과제를 수행하였다. 주요 결과물로서는 주조결함을 제어하여 인장 강도 420MPa, 연신율 10%의 특성을 갖는 고강도 고연성 알 루미늄 주조 합금을 개발하였다. 개발안은 시제품으로 제작 하여 X-ray등급 C-grade 이상으로 규격을 만족하였으며, 치수 검사도 통과되었다. 개발 합금을 열처리 및 그에 따른 잔류 응력을 조사하였으며, 시효처리 시 170도에서 5 ~ 6시간 시효 하면 가장 높은 경도 값을 보였다. 잔류응력의 측정결과 Uphill-quench를 통한 응력감소보다는 열처리에 의한 응력감 소 효과가 더 큰 것으로 나타났다. 개발 합금은 군수 부품인 장갑차용 발사체용 사출 판과 고속전철용 clamp ring, 자동차 용 carrier 등 제품 생산에 적용되고 있다.

Bouzid(2014)는 작업용으로 사용하고 있는 길이 연장 기능형 사다리의 작업 하중에 따른 프레임 좌굴 강도에 관한 연구를 수행하였다. 비선형 유한요소해석을 통하여 좌굴 이후의 거동 을 하중 조건별로 계산하였으며, 작업자의 이동 및 바닥 면과 사다리 지지점의 sliding 효과도 고려하였다. 연구에서 최종적 으로 제안하는 아이디어는 길이연장부 구조에서 수직 하중을 완화할 수 있어야 사다리 프레임이 좌굴 붕괴하는 것을 예방 할 수 있으며, 지지점의 sliding 효과를 최소화하는 것이다.

Budianto et al.(2017)는 여객선에서 주로 사용하고 있는 사 다리에 대한 구조 안전성을 인도네시아 선급 규칙을 적용하 여 검토하였다. 재질은 Mild steel만을 고려하였으며, 유한요 소해석 프로그램을 이용하여 응력 및 변형을 계산하고, 선 급 허용치와 비교하였다. 모든 조건에서 허용기준 이내로 만족하였으며, 실선 적용에 문제가 없음을 검증하였다.

Contractor et al.(2015)는 트럭에서 사용하는 Chassis 구조의 설계안 확정을 위하여, 유한요소해석 프로그램(workbench)을 이용하여 구조 안전성 검증을 수행하였다.

초기 안에 대해서 Beam 이론을 이용하여 휨 응력 안전계 수가 충분함을 확인하였으며, 상세 유한요소해석을 통하여 결과를 비교하였다. 요소는 10노드 테트라 솔리드요소를 채택하였고, 연결지점의 상세 평가를 위하여 요소의 크기는 2 mm 내외이다. 이론치의 계산 결과와 비교 시 유한요소해 석의 결과가 약 10 % 크게 평가되었으며, 모두 허용기준을 만족하였다.

Singh et al.(2008)은 버스와 트럭을 구성하는 구조부재 중 Chassis의 단면형상에 따른 구조 안전성 검토를 위하여 유한 요소해석 프로그램을 통한 시리즈 계산을 수행하였다. 프레 임의 단면형상은 Channel, H-beam, Rectangular, Cross X 네 가 지를 고려하였으며, Cross X 단면이 중량증가 대비 구조 강 도 보강 비율이 가장 우수하였다. 논문에서는 Cross X 단면 은 제작성 효율이 떨어지기 때문에, 국부적으로만 적용하고 나머지 구조는 Rectangular 프레임을 권고하였다.

Hossain et al.(2018)은 알루미늄 합금(7075)의 인장 하중 테 스트조건에서 재료의 점진적인 파괴 개념을 고려한 유한요 소해석 절차서를 개발하였다. 하중증가에 따른 강성 감소와 붕괴모드에 따라서 유한요소 메쉬의 적분 점이 줄어들도록 알고리즘을 구성하였으며, 재료의 인장 테스트 결과를 기반 으로 시뮬레이션하도록 구성하였다. 실험값과 시뮬레이션 예측치는 같은 값을 나타냈으며 시뮬레이션의 정확도를 향 상하기 위해서는 많은 재료 물성 데이터를 확보해야 한다.

본 연구에서는 고강도 알루미늄 합금 재질을 적용하여 해 양플랜트용 수직 사다리 설계안 및 적용성을 검증하기 위한 구조 안전성 검토 결과에 대해서 언급하고 있다. 본 연구를 통하여 도출된 주요 결과는 해양플랜트의 알루미늄 의장재 구조 안전성 평가 분야에 관련한 기초적인 자료로 유용하게 활용될 것으로 판단된다.

2. 알루미늄 사다리 설계

2.1 알루미늄 사다리 설계

Fig. 1에서는 본 논문의 주요대상인 알루미늄 수직 사다리 에 대해서 나타내고 있다. 사다리는 육상 및 해상플랜트에 서 작업자의 이동수단으로 활용되고 있으며, 알루미늄 합금 재료는 해상플랜트에서 주로 사용되고 있다.

그 이유는 해상 부식환경에 충분히 견딜 수 있어야 하고, 비중이 일반 스틸에 1/3 가벼우므로 중량 관리에 우수한 재 료이기 때문이다. Table 1에서는 수직 사다리의 주요 구조부 재별 부재의 속성 정보를 나타내고 있다. 핸드레일을 제외 하고는 모든 부재가 Non-tubular로 구성된 특징을 갖고 있다.

2.2 개량 알루미늄 합금 인장 테스트

알루미늄 합금은 계열별 번호에 따라서, 합금을 이루는 성분비의 범위가 정해져 있다. 본 연구에서는 기존 6082 합 금을 기준으로 규소(Si)와 Mg(마그네슘)의 성분비 조합을 변 경하여, 인장강도 및 항복강도를 향상하는 연구결과(Park and Seo, 2017)의 재료의 물성값을 이용하였다. 개량된 알루 미늄 합금을 완성하기 위해서는 열처리 시간을 기존 6시간 에서 4시간으로 줄이고, 압출 시 Ram speed를 7.5 mm/sec에서 6.2 mm/sec으로 조정하여 달성하였으며, 사용된 합금 조합비 를 Table 2에 나타내고 있다. 가장 우수한 강도 특성치는 Model-4 조건에서 얻을 수 있었다.

개량된 알루미늄 합금의 기계적 물성값을 확인하기 위하 여, ASTM 테스트 기준(ASTM, 2008)에 따라, 총 4개의 환 봉 시편을 제작하였으며, 형상과 제원은 Fig. 2와 같다. 이 실험 은 상온에서 특정 형상에 대한 금속 재료의 인장시험에 대 한 내용을 다루고 있으며, 특히 항복강도, 항복점 연신율, 인 장강도, 그리고 단면 수축율을 결정하는 방법에 대해 나타 내고 있다. 대부분의 원형 시편에서 게이지 길이는 E8의 경 우 직경의 4배, E8M의 경우는 5배이다. 실험은 한국화학융 합시험연구원에서 수행하였으며, MTS Series 40 전자기계식 만능재료시험기를 이용하였다. 실험 결과 중 두 번째 시편 의 응력-변형률 관계를 Fig. 3에 나타내고 있다. 최종강도는 402 MPa 수준이며, 재료의 파단은 17 %에서 발생하고 있다.

총 4개의 시편에 대해서 인장 테스트를 수행하였으며, 항 복강도, 인장강도 그리고 파단이 발생하는 변형률을 Fig. 4에서 비교하고 있다. 항복강도의 평균은 390 MPa이고 인장강도는 402 MPa, 파단 변형률은 17.5 %이다. 개량형 알루미늄 합금의 경우, 목표로 한 항복강도 320 MPa을 충분히 만족하는 물성 값임을 실험을 통하여 검증하였으며, Table 3에서는 구조 강 도 검증을 위하여 사용된 재료의 물성치값을 나타내고 있 다. 실험계측을 통해서 얻은 항복강도, 인장강도는 본 연구 에서 목표로 하는 최소 물성값보다 크게 나왔지만, 범용으 로 사용하면서 발생할 수 있는 재료 물성값 하한값을 정하 기 위하여 항복강도 320 MPa을 설계기준 값으로 결정하였다. 용접 구속이 발생하는 부재는 열영향부에 의한 항복강도 감 소를 50 % 적용하였다.

3. 유한요소해석 및 고찰

3.1 모델링 및 경계, 하중 조건

본 연구에서는 유한요소법(Finite Element Method)을 근간 으로 하여 공학용 해석이 가능한 상용프로그램인 SACS V.11.3 (Offshore Structural Analysis Software, 2018)을 이용하였 다. 모델링은 2개의 조인트를 갖는 이상화된 빔 요소를 적용 하였으며, 빔은 AISC(2005)/API(2014)에서 제공하는 라이브러 리를 적용하여, 설계하중에 대해 구조적인 응답이 정확하게 구현하도록 반영하였다. 해석에 사용된 유한요소 수는 98개 이며, 전체적인 처짐 형상 및 응력 결과 판단 시 충분한 자 유도 조건이며, 연구에서 구조 강도 검증하고자 하는 알루 미늄 수직 사다리의 환경 하중, 작업 하중 및 자중을 적용하 였다. 해석의 경계조건은 수직 사다리의 시작점과 끝나는 점 네 곳은 용접으로 구조와 결속되어 있고, 안전펜스 상부 4개소가 용접조건이라서 6자유도 고정조건을 Fig. 5에 나타 내고 있다.

풍하중은 설치 해역의 계측 정보를 기반으로 설계에 사용 할 풍속을 결정해야 한다. 본 연구에서는 가장 가혹한 환경 조건을 고려하기 위하여, 북해에 투입되는 해양플랜트를 고 려하였다.

풍하중 계산을 위해서 DNVGL(2015)에서 제시하는 식(1)을 이용하였다.

where,

개발모델에 대한 구조 안전성을 평가하기 위한 하중 조건 은 아래 Table 4와 같다.

주요 환경 하중인 풍하중은 아래 그림 Fig. 6과 같이 45도 간격으로 고려하였다.

작업자의 이동에 따라서 발생하는 스텝 하중은 1.2 kN을 결정하였으며, 한 개의 스텝에 가장자리 2개소와 중앙부 1개 소를 고려하였으며, Fig. 7과 같다.

3.2 구조해석 결과

알루미늄 수직 사다리 구조 안전성 검토 시, 연결 부재 상 호 간의 영향을 고려하고, 설계조건에서 고려한 하중 등이 작용할 때 허용기준을 만족해야 한다. 허용기준은 응력과 변위로 구성되며, 두 가지 모두를 만족해야 한다. 앞서 언급 한 주요 구조 안전성 평가 항목에 대해 AISC(2005)/API(2014) 국제기준에서 제안하는 구조 안전성 평가법을 적용하였다. AISC의 경우에는 단면이 원형이 아닌 모든 경우에 적용 가 능하며, API 기준은 원형 단면에 대해서만 구조 강도 평가 기준이 제시되어 있다. 부재의 단면 형상 및 세장비에 따라 서 분류되며, 두 가지 이상의 하중이 작용된 조합하중 상태 로 구조물의 안전성을 평가하도록 구성되어 있으며, 현존하 는 가장 신뢰할 만한 국제 평가 기준이다.

구조해석 결과 풍하중 방향이 0도이고, 작업자의 스텝 하 중이 경계지점 상단에 작용했을 때 측면지지 서포터의 끝단 에서 최대 응력이 발생하였다. 응력 비율로 보면 허용기준 에 비교하여 38 % 수준으로 안전 마진이 충분함을 Fig. 8에 나타내고 있다. 최대 조합 응력이 발생하는 부재에서의 외 력 하중 조건에 의해서 발생하는 최대 응력과 허용응력을 각 하중 성분별로 정리하여 Table 5에 나타내고 있다. 횡 방 향 하중 작용 때문에, 부재는 휨 거동을 하며, 최대 조합 응 력은 AISC 기준에 의해서, 휨 응력과 축 응력 성분 두 가지 를 조합하여 평가하였다.

최대 처짐조건은 풍하중 방향이 180도와 스텝하중 조합조 건이며, 최대 처짐량은 3 mm이고 안전펜스의 상단부에서 발 생하였고, Fig. 9와 같다. 처짐량에 대한 허용기준은 NORSOK (2004)에서 제시(Span/200)하고 있으며 5.5 mm이며 현재 설계 안은 만족함을 확인하였다.

3.3 용접부 구조강도 평가

SACS 프로그램을 통한 주요 부재의 구조강도 평가가 완 료되면, 용접부에 대한 강도 검토가 필수적으로 수행되어야 한다. 지금까지의 용접부 강도에 대한 평가는 상세히 검토 되지 않고, 모재와 붙는 판중 큰 두께의 50 % 혹은 70 %만큼 의 각장을 반영하고 있다. 그러나, 구조에 따라서 용접부에 작용 되는 하중 성분 및 크기는 아주 다양하게 존재하며, 이 러한 영향을 무시한 채 일괄되게 적용하는 방법은 중량증가 및 용접량 과다로 인한 변형이 문제가 된다. 본 연구에서는 DNVGL 선급에서 제시하는 용접부 강도 평가 방법을 적용 하여 최소 각장을 계산하였다. 유한요소해석에서 용접부 비 드에 작용하는 응력을 확인하기 위해서는 비드 모델링을 3 차원 솔리드 요소를 사용하여 작성해야 하지만, 구조물이 복잡할 경우에는 이러한 모델링을 할 경우 데이터가 커지게 되어 오랜 계산시간이 필요하게 된다. 따라서, 일반적인 빔 과 쉘 모델링에서 쉽게 용접부 비드에 작용하는 응력을 확 인하기 위하여 용접부 근처 요소의 응력방향과 크기를 동일 하다고 가정하여 계산하며, Fig. 10에서 나타내고 있다. 이 계산방법은 식(2)와 (3)을 모두 만족해야 하며, 불만족시에는 용접각장을 증가시키도록 되어 구성되어 있다.

DNVGL에서 제시하는 용접강도 평가 방법은 식(2)와 (3)을 동시에 만족해야 하며, 작용 응력은 유한요소해석 혹은 수 계산을 통하여 결정되어야 한다. 재료와 용접봉의 인장강도 를 확인한 후, 부재의 두께와 최초 용접각장을 결정한 후, 계산에 의해서 결정된다. 최대응력이 발생하는 용접부위의 두께는 7 mm로서 일반적인 최소용접각장은 두께의 70 %인 4.9 mm를 적용해야 한다. 실제 유한요소해석을 통하여 구해 진 응력 기반으로 용접 각목을 계산한 결과, 2 mm만 하더라 도 만족하였다. MIG 초층 용접이 최소 3 mm 발생하기 때문 에, 설계모델에는 3 mm 각장을 적용하였고, 기존 방식대비 1mm 줄어들었다. 계산식(2)와 (3)에 사용된 주요 인풋과 계 산 결과를 Table 6에 나타내고 있다.

where,

4. 결론 및 향후 연구과제

본 연구논문에서는 해양플랜트에서 주로 사용되고 있는 알루미늄 수직 사다리의 중량을 감소시키면서, 항복강도를 증가한 모델 개발에 관련된 엔지니어링 검토 결과를 나타내 고 있다. 개발을 위하여, 초기 설계안에 대한 구조 안전성 검토를 유한요소해석을 활용하여 분석 및 검증하였다. 관련 업계에 종사하는 엔지니어들이 더 손쉽게 하중 추정, 적용 및 해석까지를 체계적으로 따라 할 수 있도록, 중요한 평가 법에 대해서 언급하였으며, 연구를 통하여 도출된 결론은 다음과 같다.

향후 연구과제로서는 소개된 평가법을 프로그래밍 하여, 별도의 전문적인 유한요소해석을 수행하지 않고도 설계안 에 대한 구조 강도 검토가 가능한 사용자 편의 프로그램을 개발하는 것이며, 이러한 연구를 위하여 본 연구에서는 기 초적인 구조성능 검토 및 절차에 대해서 검토하였다.