1. 서 론
전통적인 소형선박용 선체 재료로서 FRP(섬유 강화 플라스틱)는 시공 난이도, 비용, 작업성 등의 측면에서 접근성이 우수하여 전 세계적으로 널리 통용되어지고 있으나, 건조 및 운용과정에서 발생하는 환경오염 문제 등이 대두되고 있어 미국, 유럽, 일본 등을 중심으로 폐 FRP 선박 재활용 및 FRP 선박 신조 억제를 위한 국가적 정책을 도입하고 있다 (Mok et al., 2023).
이와 더불어, 소형선박용 차세대 친환경 재료로서 완전 재활용이 가능하며 가공성, 내충격성, 내부식성 등이 뛰어난 HDPE(고밀도폴리에틸렌)가 주목받고 있으며 미국, 터키 등 을 중심으로 사용환경이 가혹한 구조용 보트, 경비정 등의 선체 재료로서 HDPE의 적용을 주도하고 있다(Saputra et al., 2021).
HDPE의 특징 중 ‘열가소성’을 이용하여 재료를 재활용하고 플라스틱 용접을 적용하는 등 재료 재활용 및 적용 관점에서 큰 장점이 있으나 태양복사, 기관실 내부 열원 등에 기인한 고온 운용환경에 의해 열팽창이 크게 발생하고 온도 상승에 따른 재료의 기계적 물성치가 저하되는 특성이 있다 (Merah et al., 2006).
한편, 태양복사 및 기온을 고려한 선박 및 구조물의 구조적 거동 분석과 관련된 선행 연구사례로서 대형 선체블록의 정도(Tolerance) 관리를 위해 태양복사로 인한 선체온도와 대 기온도 조건에 대하여 판재부위의 면외 변형을 추정하고 평판 좌굴로 정식화하여 면외 변형이 발생하는 내·외부 온도차 조건을 도출하였고(Ha and Yi, 2012), 선체블록에 발생하는 태양복사열을 해석적으로 분석하고 해석 전처리를 위한 자동화 시스템을 개발하였으며(Ha and Lee, 2016) 대형 교량 지지용 콘크리트 아치 빔에 대한 태양복사 및 빔 내부 대류를 고려하여 변형 및 구조안전성을 평가하였다(Wang et al., 2016).
또한, 총톤수 3톤급 소형 HDPE 낚시어선을 설계하고 작용하중을 고려하여 선체 구조강도를 평가하였고(Saputra et al., 2021) 튜브형 부재를 활용하여 소형 HDPE 보트의 선형을 개발하고 선체 구조강도를 평가하였으며(Ramírez et al., 2024) 소형 HDPE 보트를 설계·건조하여 주·야간의 선체온도 변화에 따른 열피로 특성을 파악하고 열피로손상을 평가하였다 (Cho et al., 2013).
그러나, HDPE의 기계적·열적 특성과 국내 소형선박의 혹 서기 온도환경 등 실제 운용환경을 함께 고려한 구조거동 분석 연구는 수행된 사례가 없어 본 연구에서는 소형선박용 차세대 선체 재료로서 HDPE를 적용하기에 앞서 재료의 특 성, 소형선박의 실제 운용환경 등을 고려하여 HDPE 소형선박의 구조적 거동을 파악하고자 하였다.
HDPE를 적용한 국외 소형선박 건조·운용 사례를 검토한 결과 HDPE 선박의 최대 규모는 길이 20미터를 초과하지 않는다는 점과 국내 소형선박 시장 적용성 및 파급효과 등을 고려하여 본 연구에서는 검토 대상 선박을 HDPE 재질의 9.77톤급 어선 중 선박 내부에 엔진을 탑재한 선내기 탑재 소형어선으로 설정하였고 구조거동을 파악하기 위해 모의 설계를 수행하였다.
또한, 검토 대상 HDPE 소형어선이 하절기에 겪을 수 있는 가장 가혹한 운용 온도환경을 고려하기 위해 현재 운항중인 동일 규모 소형어선의 혹서기 온도환경을 계측·활용하여 HDPE 재료의 소형선박 적용 가능성을 검토하고 향후 국내 소형선박 관련 연구에 활용하고자 하였다.
범용 유한요소해석 소프트웨어를 활용하여 온도환경 조건과 재료시험에서 도출된 온도별 기계적·열적 물성치를 반영한 열-구조 연성해석을 수행하였고, 국내 혹서기 온도환경 하에서 HDPE 선체의 온도분포 및 온도변화, 응력 및 변위 구배 등의 응답을 도출·분석하여 국내 운용 온도환경을 고려한 HDPE의 소형선박 적용가능성을 살펴보았다.
2. 연구 방법 및 내용
2.1 재료시험
HDPE는 일상적인 사용환경에서 발생할 수 있는 고온에서도 쉽게 변형을 일으키는 대표적인 열가소성 재료로서 태양 복사, 엔진 온도 등 다양한 열원에 노출되는 선박에 적용하기 위해서는 온도에 따른 재료의 기계적·열적 특성과 그 변화양상 파악이 반드시 선행되어야 한다.
본 연구에서는 상온(25℃)부터 HDPE의 열변형온도(75℃) 범위내 다양한 온도조건에서 재료시험을 통해 기계적·열적 물성치를 도출하고 그 변화양상을 분석하였다.
2.1.1 기계적 물성치
다양한 온도조건에서 주요 기계적 물성치를 확보하여 변화양상을 분석하고 시뮬레이션 입력정보로 활용하기위해 ASTM D638을 적용하여 인장시험을 수행하였다. 30Ton 만능 재료시험기를 사용하여 50mm/min의 시험속도로 5개 온도조건(25℃, 40℃, 55℃, 65℃, 75℃)에서 각 5회씩 인장시험을 수행하였고 온도별 대표적인 Stress-Strain 경향을 Fig. 1에 나타내었으며 온도별 평균 항복응력(σy)과 탄성계수(E)를 Table 1과 같이 도출하였다. 25℃에서의 물성치 대비 항복응력은 75℃에서 최대 50%, 탄성계수는 최대 40% 수준까지 감소하며 온도 상승에 따른 물성치 변화는 Fig. 2과 같이 선형적인 감소 관계를 보였다.
2.1.2 열적 물성치
온도변화에 따른 열적 물성치의 변화양상을 분석하고 시뮬레이션 입력정보로 활용하기위해 Table 2와 같이 물성치별 시험방법을 적용하여 5개 온도조건(25℃, 40℃, 55℃, 65℃, 75℃)에서의 물성치를 Table 3과 같이 도출하였다.
Table 3 및 Fig. 3과 같이 25℃에서의 물성치 대비 열확산 도(β)는 75℃에서 최대 67%, 비열은 최대 140% 수준까지 선 형적으로 감소하거나 증가하는 관계를 보였고, 열팽창계수 (α)는 온도범위 25℃∼75℃에서의 치수변화를 계측하여 25℃ ∼45℃ 및 55℃∼75℃ 구간에서의 값을 선형보간한 결과로 서 55℃∼75℃ 구간에서 최대 141% 수준까지 증가하는 결과 를 보였다.
2.2 HDPE 소형어선 모의설계
2.2.1 적용기준
현재 HDPE 소형어선의 설계·건조에 적용 가능한 법령, 선급규칙 등은 마련되어있지 않아 한국해양교통안전공단에서는 국가연구개발과제 등을 통해 폴리에틸렌 어선을 대상으로 한 어선구조기준 개정안(폴리에틸렌어선의 구조기준)을 마련중에 있다.
본 연구에서는 해당 개정안을 기반으로 선내기 탑재 9.77 톤급 폴리에틸렌 어선을 모의설계하여 국내 혹서기 운용 온도환경을 고려한 HDPE의 소형선박 적용가능성을 검토하고자 하였다.
2.2.2 모의설계
모의설계 대상 HDPE 어선의 선형은 건조방식이 유사한 알루미늄 9.77톤급 어선의 선형을 적용하였고 구획 및 배치는 Fig. 4의 일반배치도와 같이 설정하였다. 주요목은 Table 4와 같이 설정하였으며 허용응력은 HDPE 항복응력의 67%로 설정하였다.
구조부재의 치수는 선박의 길이 및 설계속도의 관계에 따라 결정되는 압력계수 기반의 선저 및 선측의 설계압력을 적용하여 결정하였고, 선체 종강도는 Design still water bending moment를 고려하여 불워크 구조를 제외한 선체 주부의 중앙 횡단면계수가 요구치를 만족하는것을 확인하였다.
이에 따라, 주요 구조부재 치수는 Table 5와 같이 설정하였고 선체 중앙횡단면은 Fig. 5에 나타낸 도면과 같다.
2.3 국내 혹서기 선박 온도환경 계측
2.3.1 온도계측 조건
혹서기에 선박을 운용하는 경우 선박 내부 구획 및 선체에는 태양복사, 기관실 내부 엔진 및 배기 온도 등 다양한 열원이 작용하여 가장 가혹한 고온 조건이 조성된다.
본 연구에서는 Fig. 6과 같이 검토대상 소형어선과 동일한 규모의 소형 FRP 어선을 대상으로 혹서기에 선박 내부 구획 10개소 및 선체온도를 계측하여 온도 분포와 고온에 노출될 수 있는 구획 및 구조부재를 파악하고 2.4.3의 열-구조 연성 해석 수행시에 구획별 대기온도(Ambient temperature)로 반영하고자 하였다.
온도계측 환경 정보는 Table 6과 같고 실제 선박 운항에 따른 최고 온도가 기관실에서 나타날 것으로 예상되어 실제 기관실 내부 온도 계측을 위해 Fig. 7과 같이 평균선속 약 14knots로 약 1.5시간 운항하여 온도 데이터를 확보하였다.
2.3.2 온도계측 결과
관심 구획 별 내부온도는 무선 온도데이터 로거를 각 구획 내부에 설치하여 Fig. 8 및 Fig. 9와 같이 시계열로 확보하 였고 최고온도는 Table 8와 같이 기관실 내부 엔진 상부에서 약 85℃가 기록되었으며 열화상카메라 및 레이저 온도측정기를 이용하여 구획별 내부 온도분포와 선체 온도를 확인하였다. 온도계측에 이용한 온도계측장비의 사양은 Table 7과 같다.
선박 운항이 시작된 이후 기관실을 제외한 구획들의 내기 온도는 항해시의 바람과 해수유동에 의한 냉각효과로 인해 낮아지거나 유지되는 경향을 보였으며 기관실 구획 내의 모든 계측지점에서는 상승하는 경향을 보였다.
항해 후 계측한 선체 부위별 표면 최고온도는 갑판 71.4℃, Deck house 외벽 60.2℃, 기관실 선저 46.1℃, 기관실 천정 69.3℃, 기관실 선미격벽 45.0℃, 기관실 선수격벽 50.2℃ 등 으로 계측되었고, 엔진상부 및 배기관의 표면온도는 Fig. 10 과 같이 약 150℃까지 상승하는것을 확인하였다.
2.4 선체 열-구조 거동
2.4.1 열전달 이론
열은 온도차를 갖는 시스템 간에 전달되는 에너지이며 온도차에 의한 열 흐름은 전도(Conduction), 대류(Convection), 복사(Radiation) 방식으로 각각 분자진동, 매질이동, 전자기파를 통해 전달된다.
전도에 의한 열 유속(Heat flux, q)은 식 (1)과 같이 열전도 도와 온도구배의 관계를 갖는 Fourier의 법칙으로 계산할 수 있다.
여기서 k, A, L, T1, T2는 각각 전도열전달계수, 열전달 면적, 두께, 양면 표면 온도를 의미한다.
대류에 의한 열전달은 식 (2)와 같이물체가 냉각되는 정도는 물체와 주변 유체간 온도차에 비례한다는 Newton의 냉각 법칙에 따라 대류열전달계수와 주변온도를 정의하여 고려 할 수 있다.
여기서 h, A, Ts, T∞는 각각 대류열전달계수, 열전달 면적, 물체 표면온도, 주변 유체온도를 의미한다.
복사에 의한 열전달은 식 (3)과 같이 온도차를 갖는 표면 간에 전자기파 형태로 흡수·방출되는 에너지를 산정할 수 있는 Stefan -Boltzman 법칙과 물체의 흡수율(α)과 방사율(ε) 은 동일하다는 Kirchhoff 법칙으로 표현할 수 있다.
여기서 ε, σ, A, Ts는 각각 방사율, Stefan -Boltzman 상수(5.67e-8 W/m2·K4), 물체 표면적, 물체 온도를 의미한다.
본 연구에서 적용한 열전달 모델은 선체 구조부재간의 물리적 연결을 통한 전도, 선체에 접하는 공기 및 해수를 통한 자연대류, 태양에 기인한 선체로의 복사를 반영하고 있으며 가장 가혹한 고온 온도조건을 모사하기 위해 혹서기 주중 항해 후 정박한 정수중의 선박을 가정하였다.
2.4.2 태양복사에너지
2.4.3의 열-구조 연성해석은 혹서기의 가장 가혹한 고온조건에 대한 선체의 온도 및 변위 응답을 도출하는것이 목적이므로 연중 태양복사가 가장 강한 오후시간의 태양복사에너지를 산정하였다. 대부분의 태양 관련 엔지니어링 분야에서는 특정 시점 및 지점에서 지구표면에 도달하는 직달복사 에너지(Gcb)와 산란복사에너지(Gcd)를 아래의 단순화된 산식으로 산정하며 이들은 천정각(Zenith angle, θz)은 위도(Latitude, φ), 편각(Declination, δ), 시각각도(Hour angle, ω)의 관계로 표현된다. 편각은 태양이 적도평면과 이루는 각도를 의미하며 연중 ±23.5˚의 범위에서 변화한다. 시각각도는 현재 시점을 정오를 기준으로 ±15˚/시 로 표현한 각 변위로 오전은 음의 값을, 오후는 양의 값을 갖는다. 대기청명도(τb)는 해발고도 2500m 이하의 고도에서 고도와 4가지 기후 유형에 따라 수정계수(a0, a1, k)를 산정하고 천정각(θz)의 함수로 표현할 수 있으며, 선박은 해발고도 0인 위치에서 건조된다고 가정(A=0)하였다. 본 해석에서는 직달 및 산란복사에너지를 Table 9과 같이 산정하여 적용하였다.
2.4.3 열-구조 연성해석(Coupled Temp.-Disp. Analysis)
본 연구에서는 2.2에서 모의설계한 HDPE 소형어선을 대상으로 혹서기에 겪을 수 있는 가장 가혹한 고온환경을 모사하여 자연대류 및 복사를 통한 열전달의 결과로서 선체의 온도분포, 응력분포 및 변형 양상을 도출하고자 하였다.
열-구조 연성해석 방법 중, 본 연구에서는 열전달 해석에서 도출된 특정시점의 온도필드(Nodal temperature field)와 재 료의 열팽창 물성치를 이용하여 특정시점의 변형을 도출하는 순차 열-구조 연성해석(Sequentially-Coupled Temp.-Disp. analysis) 방법보다는 온도와 변위 자유도를 모두 포함하는 요소를 사용하여 설정된 해석시간동안 열전달을 통한 온도 필드의 변화, 재료의 온도별 열·기계적 물성치, 유한요소들의 변위필드가 상호 결합되어 온도와 변위 결과를 도출하는 완전 연동 열-구조 연성해석(Fully-Coupled Temp.-Disp. analysis) 방법을 사용하여 특정 시점의 온도 및 변위 결과를 보다 정확하게 도출하고자 하였다.
본 해석에 사용한 모델은 Fig. 11과 같이 범용 유한요소해석 소프트웨어인 HyperMesh를 통해 열-구조 연성해석에 적합한 S4RT 및 S3T 요소 139,480개로 구성하였고 계산 및 결과 후처리는 Abaqus2024를 이용하였다.
2.1의 재료시험 결과와 같이 HDPE는 온도변화에 따른 기 계적·열적 물성치의 변화가 크고 열-구조 연성해석에서 이러한 온도별 물성치가 충분히 고려되어 선체의 온도 및 변위 결과를 도출할 수 있도록 Abaqus에서는 매 해석시점에서의 재료온도별 물성치를 보간하여 적용한다.
온도별 열·기계적 물성치는 2.1의 재료시험 결과값을 단위 변환하여 Table 10과 같이 모델에 적용하였다.
선체 및 엔진 중량은 중력가속도 1G(9.81m/s2)를 고려하여 선체중량 8,750kg, 엔진중량(mEngine) 1,650kg을 반영하였고 엔진중량은 Fig. 12와 같이 주기 하부거더와 선저늑판이 교차하는 16개 노드를 엔진 COG 위치의 마스터 노드와 Beam MPC(Multi -Point Constraint)로 결합하여 마스터 노드에 집중 하중으로 반영하였다.
본 해석은 가장 가혹한 고온환경을 반영하기 위해 혹서기 항해 후 공창(Light ship) 계류상태인 HDPE 소형어선을 가정하였고 이를 모사하기 위해 2.4.2에서 산정한 태양복사에너지와 대기온도, 구획별 내부온도, 해수온도, 대류열전달계수, 선체 초기온도 등을 Table 11과 같이 적용하였으며 각 구획 내부온도는 2.3의 온도계측 데이터를 반영하였다. 태양복사에 의한 선체의 최대 열팽창 효과를 고려하기 위하여 태양 복사에너지 중 직달복사에너지는 태양의 위치를 선박의 좌현 북위 약 75도로 가정하여 Fig. 13과 같이 적용하였다.
모델의 강체운동을 방지하기 위하여 Fig. 14과 같이 모델 양단에 단순지지 조건을 적용하였고, 수직방향 반력을 확인한 결과 모델 중량의 약 0.009%를 보여 선체중량과 부력의 정적 하중평형을 이루었다고 할 수 있다.
과도 열전달 해석(Transient heat transfer analysis)을 통해 시간에 따른 온도 응답을 도출하여 선체 각 부위가 온도변화 후에 일정 온도로 유지(Saturation) 되는데에 소요되는 시간과 온도변화 양상을 확인하고 총 해석시간을 결정하기 위하여 해석 중지 조건을 Time step 간 온도변화 1℃로 설정하였고 그 결과 Fig. 15와 같이 약 6시간(21600s) 경과 후 열 평형상 태에 도달한다고 판단하여 최종적으로 6시간 동안의 응답을 확인하였다.
3. 열-구조 연성해석 결과
열-구조 연성해석을 통해 혹서기 고온환경에 대한 HDPE 소형어선의 선체 온도구배, 변형 및 응력 응답을 얻을 수 있었고 주요 선체 구조부재별 최고 온도, 변위, 등가응력을 Table 12에 정리하였으며 선체외판, 갑판구조, 종방향 부재 및 격벽, 횡방향 부재 및 격벽별 온도, 등가응력, 직교좌표 계 3축 변위를 Fig. 16~19에서 보였다.
태양의 위치를 선박의 좌현 상방으로 가정하여 선체중심선 기준 좌·우현의 열팽창 대비효과가 극대화되었으나 보수적인 관점에서 선체 온도 및 변위 응답을 검토할 수 있어 합리적인 가정이라고 판단된다.
선체 구조부재의 최고온도는 직달태양복사에너지를 받으며 높은 기관실 내기온도와 접하는 주갑판, 종방향 주갑판 거더, 횡방향 주갑판 프레임에서 80℃를 상회하는 높은 온도를 보였고 직달태양복사에너지를 받는 부위도 70℃를 상회하는 높은 온도를 보였다.
선미부 종방향 주갑판 거더의 양단 지지점에서 발생한 최고 등가응력은 재료 상온 항복응력의 50% 수준이었고 거더 상·하단 온도구배에 의한 열팽창량 차이, 선체 종굽힘, 거더의 국부적인 굽힘거동 등이 복합적으로 작용하여 나타났다. 선체 온도 상승의 환경적 요인 중 직달복사에너지가 작용하는 부위의 선체온도가 재료의 열변형온도 수준까지 상승하고 그에 따른 큰 변형이 발생함을 알 수 있다.
4. 결 론
본 연구에서는 재료시험을 통해 고온하 HDPE의 기계적· 열적 물성치를 도출하고 FRP 소형어선을 대상으로 혹서기 환경에서 선박 내부 구획 및 선체온도를 계측하였으며 모의 설계한 HDPE 소형어선을 대상으로 과도열전달 해석을 수행하여 선체 온도 및 변형 응답을 분석하였다.
-
(1) HDPE 재료시험 결과, 항복응력은 75℃에서 상온대비 최대 50%, 탄성계수는 최대 40% 수준까지 감소하며 온도상승에 따른 물성치 변화는 선형적인 감소 관계를 보였다. 열 확산도(β)는 75℃에서 상온대비 최대 67%, 비열은 최대 140% 수준까지 선형적으로 감소하거나 증가하는 관계를 보였고, 열팽창계수(α)는 55℃∼75℃ 구간에서 상온대비 최대 141% 수준까지 증가하는 결과를 보였다.
-
(2) FRP 소형어선의 내부 구획 및 선체 온도 계측 결과, 최고내기 온도는 기관실 상부에서 약 85℃가 기록되었으며 선체 부위별 표면 최고온도는 갑판 71.4℃, Deck house 외벽 60.2℃, 기관실 선저 46.1℃, 기관실 천정 69.3℃, 기관실 선미 격벽 45.0℃, 기관실 선수격벽 50.2℃ 등으로 계측되었다.
-
(3) 모의설계 HDPE 소형어선을 대상으로 한 과도열전달 해석 결과, 선체 구조부재의 온도는 최고 80℃를 상회하는 높은 온도를 보였고 구조부재의 열팽창 및 변형으로 인한 최고 등가응력은 재료 상온 항복응력의 50% 수준을 보였으며 직달복사에너지가 작용하는 선체 부위의 온도가 재료의 열변형온도 수준까지 상승하고 그에 따라 큰 변형이 발생함을 알 수 있었다.
최고 등가응력은 재료 상온 항복응력의 약 50% 까지 나타나나 구조부재들의 온도가 기계적물성치 저하가 확연한 수준까지 상승하기 때문에 구조안전성 평가에 적용할 수 있는 온도상승에 따른 기계적 물성치 저하를 고려한 평가 기준을 마련할 필요가 있고, 선체 변형이 큰만큼 고온발생 구획에 대한 충분한 방열대책이 필요하다고 사료되며 축계 등 정도 관리가 필요한 요소들은 설계 및 검토단계에서 필수적으로 선체 변형을 고려하고 선체변형을 최소화 할 수 있는 방안 마련이 필요하다.
향후 HDPE 선박 개발 및 운용에 있어 태양복사에너지, 가시광선, 자외선 등 선체 온도 상승의 환경적 요인을 고려하여 방사율(Emissivity) 저감을 위한 표면 마감처리 개선, 열 흡수 저감을 위한 선체 색상 적용 등 선체 변형 방지를 위한 다양한 방안 모색이 필요하며, 전산유체역학(CFD)을 활용한 유체-구조 연성(Fluid-Structure Coupled) 시뮬레이션을 통해 방 열재(Insulation)와 통풍장치가 고온 발생 구획의 구조부재 온도분포에 미치는 효과를 분석해보고 실선 실증을 통해 시뮬레이션 기법을 고도화함으로서 HDPE 선박의 구조안전성 확보를 위한 정책 제언에 이바지해야 할 것이다.
