1. 서 론

최근 코로나 19의 확산 및 장기화 현상으로 인하여, 조선 및 해양산업에도 불황이 장기화가 되고 있다. 무엇보다도 코로나 19의 확산으로 인해 국가들이 사회적 거리 두기 캠 페인, 자가 격리 및 이동제한령 조치 등을 시행함에 따라 노 동자들과 기업의 정상적인 경제활동이 불가능해지고 그로 인해 글로벌 가치 사슬이 무너지고 전 세계적으로 무역량이 감소하고 있다. 이러한 시점에 선사들은 보유하고 있는 선 박의 유지/보수 및 수리 계획을 조기에 수립하여 실행하기 위하여 수리 조선사를 활발하게 접촉하고 있다. 선박 수리 업은 보수 및 정비 등을 수행하는 사업으로 국내엔 부산, 통 영, 인천, 목포 등에 여러 업체가 포진해있다. 특히, 목포지 역에 등록된 업체가 많으며 주로 1만 톤 이하의 소형선박에 대한 수리에 집중되어 있다.

정부는 조선 경쟁력 강화 방안을 통해 선박 수리시장을 연간 160억 달러로 판단하여, 수리 자급률을 2015년 1.3 %에 서 2020년까지 10 %로 끌어 올리겠다는 방침을 수립한 바 있다. 수리조선업을 운영하기 위해서는 수리에 필요한 전용 설비가 필수적으로 필요하여, 해외로부터 노후 케이슨 도크 를 수입한 후, 개/보수를 통하여 운용하고 있다. 케이슨 도크 는 해양공사에서 다양한 용도로 사용되며 일본과 같은 섬나 라에서 그 수요가 많다. 케이슨 도크를 이용하여 선박 수리 업에 활용하는 장점은 도크 기초공사가 필요하지 않고, 제 작 기간이 짧아 건조 비용 절감이 가능하다. 단점으로서는 해상조건에서 오랜 시간 운용되면서 강판의 부식과 콘크리 트 케이슨의 선적 및 이동에 따른 폰툰데크와 하부 구조의 손상이 자주 발생하는 부분이다. 일반적인 플로팅 도크는 사용 기한이 길어질수록 수리비용은 기하급수적으로 증가 하며, 수리 범위에 따라서 신조 가격을 넘어서는 경우도 발 생한다.

본 연구에서는 케이슨 도크 두 개를 개조하여 사용하고 있는 조선사의 설비에 대한 최적 구조 보강 안 개발을 위하 여 두 가지 방안에 대한 구조 강도해석을 수행하고, 최적 안 을 설비에 반영한 주요 결과에 관해서 기술하고 있다.

서남해 권역에서 운용하고 있는 플로팅 및 케이슨 도크 설비에 대하여 아래 Table 1과 같이 정리하였다. 대부분 중 소선박의 수리 용도로 사용되고 있고, 도크의 전장 길이가 200 m 이내이다. 연구와 관련된 기존 유사 연구는 아래와 같 이 요약하였다.

Park et al.(2010)는 플로팅도크에 블록을 차례대로 탑재하 는 조건에서 선체의 강도와 플로팅 도크 구조 안정성을 수 치해석을 통하여 분석하였다. 13,000 TEU 컨테이너선의 탑재 상황을 load-out 별 총 5개 과정으로 분류하고, 전선 도킹 해 석을 수행하였다. 연구에서는 분할 블록의 크기 및 놓는 위 치에 따라서 선체 및 플로팅 도크의 구조강도에 영향을 받 게 되며, 이를 최소화하기 위한 플로팅 도크의 밸러스트 계 획 변경에 대한 제안 사항도 도출하였다.

Ha(2014)는 연안 선박 유지 보수용 플로팅 도크 시스템의 설계안에 대하여 프레임부 구조 강도 검토 및 회류 수조에 서 모형실험을 통한 운동특성을 검토하였다. 초기 프레임 설계안은 적절한 구조 안전성을 확보하지 못하여, 추가적인 구조보강을 하였다. 실물 제작을 통한 선박의 출입 시험을 위하여 길이 9 m급 연안 복합어선을 이용하며, 설계안의 추 정값과 잘 일치함을 확인하였다.

Yang et al.(2015)는 이치스 프로젝트의 건조에 사용된 전 용 플로팅 도크의 환경 하중에 대한 계류 설비의 안전성을 전산 유체해석을 통하여 검토하였다. 각 해석조건에서의 계 류 체인들의 최대 계류력과 이치스 탑재 도크의 최대 오프 셋, 계류 체인 간의 간섭 여부를 검토하였고, 수중조사를 통 하여 재확인하였다.

Seo et al.(2019)는 노후화된 플로팅 도크의 실 계측한 두께 정보를 활용하여, 구조 강도 검토를 수행하고, 운용 중인 도 크의 잔류 구조 강도를 해석적 방법에 따라 분석하였다. 평 가에 사용된 기준은 한국선급 규정을 인용하였으며, 기존 케이슨 도크 선미부 끝단이 중앙부 역할을 하면서 가장 높 은 응력이 발생하였다.

본 연구에서는 30년 이상 사용된 케이슨 도크의 효율적인 구조 보강을 통하여 길이 방향 반목 하중을 증가시키는 것 을 목적으로 한다. 이를 검증하기 위해서 유한요소해석을 통한 상세 구조 강도 검토를 수행하였으며, 보강 효과를 검 증하였다. 본 연구를 통하여 도출된 주요 결과는 노후화된 플로팅 도크의 최적 구조보강 효과에 관련한 기초적인 자료 로 유용하게 활용될 것으로 판단된다.

2. 최적 보강 안 검토

2.1 구조 보강 안 선정

Fig. 1에서는 본 논문의 주요대상인 케이슨 도크 모델의 구조 보강 2가지 방안에 대해서 나타내고 있다. 수리조선소 에서 사용하고 있는 콘크리트 반목의 크기, 배치 및 작업조 건을 변경하지 않는 조건에서 보강방법을 선정하였다.

첫 번째로 가장 취약한 중앙부 보강을 위하여, 폰툰 상면에 T-bar(560 mm × 250 mm × 18 mm / 12 mm Inverted Angle)를 데크 보강재의 길이 방향에 추가하는 것이다. 이 보강 안을 통하여, 중앙부 단면계수 증가를 통한 구조 강도 보강이 가능하다.

두 번째는 중앙부 side wing tank에 신규 보강 블록을 제작 하여 기존 부재와 연결하는 방법이다. 한 개의 side wing tank 의 바같면을 형성하는 두 개의 보강판과 내부 보강구조 판 넬로 구성되며, 보강범위가 넓고 기존 부재와의 연결성까지 고려해야 하므로, 첫 번째 방법보다는 작업의 난이도가 높 지만, 설비의 중/장기적인 관점에서 고려하는 방안이다.

가장 좋은 방법은 두 개의 케이슨 도크가 만나는 지점을 신규 블록으로 제작하여 연결하는 것이나 이미 계류라인에 의해 결속된 해상조건에서 위 작업을 하는 것은 불가능하 며, 계류라인을 제거하고 육상 위에 올리는 작업 또한 현실 성이 없다. 따라서 이 방법에 대해서는 검토하지 않았다.

Table 2에서는 개발 대상물의 주요치수를 나타내고 있다. 연구 대상인 케이슨 도크는 길이 방향 및 폭 방향에 3개의 수밀 격벽을 포함하고 있으며, 종/횡 방향으로 연속된 그릴 리지(Grillage) 구조로 구성되어 있다. 케이슨 도크의 특성 상 수직 방향 하중을 효과적으로 지지하기 위하여 수평 방향 교차지점에는 기둥 보강재가 위치한다. 케이슨 도크의 중앙 단면 부재 배치 도면을 Fig. 2에 나타내고 있다.

단면은 폰툰 갑판 내에 6개의 수직 기둥이 위치하며, 종거 더와 데크 보강재가 길이 방향으로 구성되어 있고, 측면 윙 탱크구조는 Safety deck 와 Upper deck로 구성되어 있으며 주 로 도크 처짐 조정 및 침하용으로 사용되는 밸러스트 탱크 공간으로 활용된다.

3. 구조 강도 검토

3.1 해석 조건 설정

본 논문에서는 상용 유한요소법(Commercial Finite Element Method)을 기반으로 하는 ANSYS(ANSYS, 2018)프로그램을 이 용하여 모델링 및 해석, 결과 출력까지를 활용하였다. 판재 는 2차원 쉘(Shell 181) 요소를 적용하고, 빔(Beam 3) 모델은 1차원 요소를 적용하였다. 쉘 요소는 4절점 요소이며, 각 절 점에는 6자유도(x, y, z, Rot.x, Rot.y, Rot.z)를 갖는다. 이 요소 는 일반적인 판구조물의 거동을 표현하는데 적합하며, 복합 재 모델링에도 유용하게 사용될 수 있다. 빔 요소는 압축, 인장과 휨 거동을 표현이 가능하며, 각 절점에는 3자유도(x, y, Rot.z)를 갖고 있다. 모델링에 사용된 요소의 개수는 약 265,000개이며, 하중에 대한 처짐 및 응력 결과 판단 시 충분 한 모델링이며, Fig. 3에 나타내고 있다. 요소의 사이즈는 기본 적으로 200 mm이며, 기하학적 형상 변화가 발생하는 부위에는 50 mm를 적용하였다. 해석의 경계조건은 폰툰도크의 끝단부 (Bottom-inner bottom)에 양단 단순 지지 조건을 구현하여, 하중 분포에 따른 실제의 구조 거동이 나타나도록 설정하였다.

Fig. 4는 한국선급(KR, 2015)에서 제안하고 있는 플로팅 도크 의 구조설계 시 만족해야 하는 최대 휨모멘트(52,162.493 ton-m) 를 만족하는 길이 방향 휨모멘트와 전단 하중 분포를 나타 내고 있다. 최대 6,700톤을 폰툰 갑판 위에 Fig. 4와 같이 고 려하였으며, 최대 휨 모멘트 분포는 Fig. 5와 같도록 설정하 였다.

도크의 중앙에 최대 호깅(Hogging) 모멘트가 발생하도록 선수와 선미부가 중앙부보다 큰 하중을 설정하였다. 이는 도 크 구조 강도에 대한 보수적인 평가를 위하여 설정하였다.

첫 번째 보강방법인 폰툰데크 상단에 보강재를 설치한 경 우의 모델링은 Fig. 6과 같다. 두개의 void space구간은 장비 및 작업자의 이동을 위해서 보강재를 설치하지 않는다. 이 구간에는 기존의 선체 반목을 사용하지 못하기 때문에, 신 규 반목을 제작하여 보강재의 플랜지와 결합하는 별도의 치 공구가 필요하다. 첫 번째 보강방법은 작업 조치는 가장 간 단하나, 선거되는 선박의 제원이 변경될 경우 반목배치를 하는데 애로사항이 많다는 단점이 있다. 따라서, 반목배치에 대한 제한사항이 없는 두 번째 방법인 선측 탱크 보강방법 을 검토하기 위하여 상세 모델링을 Fig. 7과 같이 추가하였 다. 현실적인 구조 보강을 검토하기 위하여, 기존 부재와의 연결성을 극대화하기 위하여 용접 작업 및 구조 하중 전달 에 문제가 없도록 부재 선정을 하였다.

3.2 구조 강도해석 결과

플로팅도크 중앙부 구조 보강을 한 경우, Fig. 5에서 인용 한 최대휨모멘트가 발생하는 하중 조건 적용 시, 최대 처짐 은 선측 탱크에서 Fig. 8과 같이 38 mm가 발생하였다. 이러한 원인은 폰툰데크 하부는 견고한 연속 보강판 구조형식이지 만, 선측 탱크는 큰 개구부를 갖고 있어서, 도크의 길이 방 향 변형이 발생하면 횡방향으로 자유단 처짐이 크게 나타나 기 때문이다. 도크의 구조 안전성 평가는 일반적으로 허용 응력 설계이며, 최대 응력은 123 MPa이, 최대 처짐이 발생하 는 선측 외판이며 Fig. 9와 같다. 이 수치는 한국선급(KR, 2015)에서 제시하는 허용치(170 MPa)에 충분히 만족하며, 이 때 발생하는 변형은 하중 제거 시 복원되는 탄성변형으로 간주한다.

선측 탱크 보강 모델에 대한 변형 및 응력 결과를 Fig. 10 과 11에 나타내고 있다. 측면 구조 보강 효과로 인하여 중앙 부 측면 탱크가 견고히 하중을 분담하고 있다. 보강안은 기 존 단면계수 대비 약 17 %가 증가하였으며, 비교 결과를 Table 3에 나타내고 있다.

구조강도 해석 결과, 선측 탱크 상단부에서 최대변형 28.64 mm가 발생하였으며 중앙부 보강 결과와 비교하여 66 % 수준이다. 최대 응력은 선측 탱크 내부 보강재와 폰툰 데크 하부 보강재에서 88.8 MPa이며, 주요 구조부재가 아닌 2차 부재로 전이되었으며, Fig. 9 결과의 71 % 수준으로 개선되었 다. 이러한 효과를 통하여, 구조적으로 효율적이면서 작업 가능성 및 투자비를 고려하였을 경우 선측 탱크 보강을 최 종안으로 선정하였다. 보강하기 전 도크의 반목 하중 분포 와 최종 보강안을 적용한 경우의 비교 결과를 Fig. 12와 Table 4에서 비교하고 있다. 보강 효과로 인하여 중앙부를 중점적으로 하중증가가 가능한 구조로 변경하였으며 선수/ 미의 일부 구간도 증가할 수 있었다. 이러한 효과는 도크 길 이 방향 전체적으로 1,226톤의 반목 하중을 추가로 지탱할 수 있는 설비로 활용이 가능하도록 하였다.

본 연구를 기초로 한 서남해안에서 운용하고 있는 다양한 크기와 구조형식에 따른 케이슨 도크의 초기 보강 방법 결 정을 위해서는 아래의 사항들을 고민해야 한다.

위 사항의 결정에 따라서 추천할 수 있는 보강 방법과 범위 가 결정되어야 하며, 상세 검토를 통하여 표준메뉴얼의 작 성이 필요하다.

4. 결론 및 향후 연구과제

본 연구에서는 수리 조선사에서 운용하고 있는 개조된 케 이슨 도크의 구조 안전성을 평가하고, 이를 개선하기 위한 보강안에 대한 유한요소해석을 통한 검증을 수행하였다. 보 강안의 선정에 있어서, 작업성과 수리비용 등을 주요 제약 조건으로 고려하였으며, 최종안으로는 side wing tank를 보강 하는 안으로 결정하였다. 연구를 통해서 얻은 결론은 다음 과 같다.

향후 연구과제로서는 서남해안에서 운용 중인 다양한 개 조 케이슨 도크의 최적 보강 방법에 대한 추가 검토가 필요 하다. 최적 보강 방법 결정은 조선사의 장기 운용 계획에 기 반으로 검토가 시작되어야 하며, 신규 도크을 연장하는 방 법과 국부 보강을 여러 개소 하는 방법이 있을 수 있다. 전 자의 경우 투자비가 많이 필요하지만 보강 효과가 탁월하 며, 후자의 경우 투자비는 적지만 보강 효과를 확인하기 위 해서는 보다 면밀한 검토를 거쳐야 해서 검토 시간이 좀 더 확보되어야 한다. 향후 상세한 추가 연구를 위하여 본 연구 에서는 기초적인 검토 및 절차에 대해서 검토하였다.