1. 서 론

소형보트는 주로 섬유강화플라스틱(Fiber reinforced plastic) 를 주재료로 제작되고 있으며 그 종류로는 세일링 보트(Sailing boat), 레저용 요트(Leisure yacht) 그리고 낚시 보트 (Fishing boat) 등이 있다. 코로나19 팬데믹 이후 레크리에이션 보트 활동이 급증하고 있으며, 개인과 가족은 사회적으로 멀리 떨어져 있는 야외 활동을 추구하게 되었다. 미국 해양협회(National Marine Manufacturer Association, 2024)의 보고서에 따르면 레저 보트는 2020년에 많이 증가하여 보트 판매량이 10년 만에 최고 수준에 도달하였다. 따라서 세계 각 국에서는 섬유강화플라스틱 선체의 대체 재료로서 다양한 재료를 제안하고 있다. 그 중의 가장 대표적인 재료가 알루미늄으로 국내의 경우 규격화까지 진행되었다. 그러나 알루 미늄은 플레저 선박으로는 선체 가격이 너무 비싸 대중화하기에는 아직 이르다. 일반 선체 재료로서는 한국 선급의 경우 강, 알루미늄, 섬유강화플라스틱을 제안하고 있으며 이에 따른 구조설계 규격 및 재료 설계강도를 제안하고 있다. 따라서 국내외 학회에서도 기존 재료에 대한 파랑 하중이나 내구 설계 방법 등에 대한 구조설계 방법론이 많이 연구되었다. 그러나 소형 선박에 적합한 염가 재료에 관한 연구는 전혀 진행되지 않고 있으며 단지 소형 조선 산업계에서 카누나 카약 선체를, 폴리에틸렌을 이용하여 제작하여 판매하고 있다. 폴리에틸렌은 물보다 비중이 작아 물에 뜨는 충분한 부력을 가지고 있는 재료이다. 따라서 구명복, 구명보트, 구명 튜브 등과 같은 제품이 폴리에틸렌의 높은 부력 특성을 이용하여 제작되고 있다. 이러한 특성을 응용하여 폴리에틸렌 선박을 제작하게 된다면 선박이 물에 자연스럽게 뜰 수 있다. 그러나 선체 전장이 긴 상업용 선박의 경우 거친 사용 환경에 노출되므로 연성 재료인 폴리에틸렌으로 선체를 제작하기에는 부적합하나 선체 전장이 짧은 플레저 보트의 경우 역학적 특성이 설계하기에 매우 유리한 장점을 가지고 있다.

따라서 본 연구에서는 고밀도폴리에틸렌을 이용하여 보트를 설계 및 제작하기 위하여 실적선을 기초로 선체 선형을 완성한 뒤 ISO 12215-5(8)의 소형 선체에 대한 구조 설계 기준을 적용하여 선체 치수를 결정하였다. 본 연구와 관련된 기존의 선행연구를 아래와 같이 요약하였다.

Lee and Yoon(2011)은 해양 채집 시스템에서 사용될 고밀 도폴리에틸렌 양광관의 구조적 안전성을 평가하였다. 특히, 수심 1,000m에서 망간단괴를 권상하기 위한 고밀도폴리에틸 렌 파이프의 사용 가능성을 검토하였다. 고밀도폴리에틸렌 파이프는 저비용 및 현장 설치의 용이성으로 인해 선택되었으며, 이를 위해 인장 시험, 굽힘 시험, 내압 시험, 그리고 유한 요소 해석(Finite element analysis, FEA)을 수행하여 고밀도 폴리에틸렌 파이프의 구조적 특성을 평가하였다. 실험과 해석 결과, 수심 1,000m에서 고밀도폴리에틸렌 파이프는 안전한 것으로 평가되었으나, 수심 6,000m에서는 변형이 발생하 여 추가적인 구조 보강이 필요함을 확인했다. 현재 연구는 단순한 정수압 조건만을 고려했으며, 실제 해양 환경에서 발생할 수 있는 다양한 하중 조건에 대한 고려가 부족하다. 또한, 내부 압력이 더 큰 경우에 대한 구조 안전성 평가도 빠져 있어서 6,000m 심해에서 사용하기 위해서는 구조적인 보강이 추가 되어야 할 것으로 보인다.

Cho et al.(2013)은 고밀도폴리에틸렌을 사용하여 보트 선체를 제작하고, 그 구조적 강도를 평가하여 기존의 섬유강화플라스틱 보트와 비교하였다. 구조 강도 평가는 일본 소형 선박 검사 규정에서 제안한 종강도 굽힘 시험 방법을 참고하였다. 실험 결과, 고밀도폴리에틸렌 보트는 섬유강화플라스틱 보트보다 훨씬 더 높은 구조 안전성을 보였으며, 특히 수직 하중에 대한 용골과 폭, 깊이 방향의 변위를 잘 제어하는 것으로 확인되었다. 고밀도폴리에틸렌 보트는 섬유 강화플라스틱 보트에 비해 재료 강도는 낮지만, 구조적 우수성과 품질 관리의 용이성으로 인해 더욱 성능이 우수한 선체로 제작이 가능함을 주장하였다. 고밀도폴리에틸렌 보트의 구조 안전 계수는 24.5로 섬유강화플라스틱 보트의 5.6 보다 4.4배 높았다. 연구에서는 종강도 굽힘 시험만 이용하여 평가되었으며, 다른 유형의 하중 조건이나 다양한 환경에서의 성능에 대한 검증이 필요하며, 기존의 기준과 비교하여 적합한 구조 기준을 새롭게 제시하기 위한 추가적인 연구가 필요해 보인다.

Houari et al.(2020)은 고밀도폴리에틸렌의 파괴 거동을 다양한 파괴 역학 접근법을 사용하여 수치상으로 정식화하고자 하였다. 정적 인장 곡선을 보정하여 정적 거동 시뮬레이션을 수행하고, 필요한 파괴 에너지 결과를 재현하는 모델의 필요성을 강조하였다. 연구에서는 이중 노치 인장 시험편을 사용한 해석을 통하여 전역 접근법에 따른 파괴 매개 변수를 수치상으로 결정하였다. 다양한 파괴 길이를 가진 시험편을 모델링 한 결과, 수치상으로 계산된 하중-변위 곡선과 실험 결과가 잘 일치하였으며, 이는 연성 재료의 파괴를 정의하는 모델(Gurson-tvergaard-needleman, GTN)과 필요한 파괴 에너지 개념이 고밀도폴리에틸렌의 파괴 거동 분석에 적절한 도구임을 확인하였다. 제안된 파괴 에너지 개념 방법은 단순하고 실용적이지만, 모든 유형의 고밀도폴리에틸렌 재료와 다양한 환경 조건에서 항상 유효한 것은 아니다. J 적분 접근법과의 상호 보완성에도 불구하고, 연성 재료의 파괴 거동 특성화(Essential work of fracture, EWF) 방법의 적용에는 특정한 조건과 제한이 따르며 이는 향후 연구에서 더 명확히 검토되어야 할 사항이다.

Shi et al.(2021)은 원자력 발전소(Nuclear power plant, NPP) 내의 파이프 갤러리에 설치된 고밀도폴리에틸렌 파이프의 기계적 거동을 다양한 하중 조건 하에서 유한요소해석을 통 해 분석하였다. 기존에 금속 파이프가 사용되던 안전 관련이 아닌 부분에서 고밀도폴리에틸렌 파이프가 최근 안전 관련 적용으로 확대되고 있으며, 이 연구는 고밀도폴리에틸렌 파이프가 지진, 중력, 온도 변화 등 다양한 하중 조건에서 어떻게 반응하는지에 대한 평가를 수행했다. 고밀도폴리에틸렌 파이프의 주된 응력 집중 지점은 엘보(Elbow)의 융합 영역으로 나타났으며, 이는 구조적 불연속성과 관련이 있다. 이 연구의 결과는 파이프 갤러리에 매달린 고밀도폴리에틸렌 파이프의 설계에 참고 자료를 제공하며, 현재 미국 기계학회(American society of mechanical engineers, ASME) 기준이 매설된 파이프만을 다루고 있는 상황에서 보완 자료로 활용 될 수 있다. 고밀도폴리에틸렌의 점탄성 계수는 하중 적용 시간에 따라 달라진다. 지진과 같은 단기 하중 조건에서는 5분간 계수값을 사용하는 것이 실제 응력 상태를 충분히 구현하지 못할 가능성도 있다. 이러한 부분은 추가적인 연구가 필요해 보인다.

Lee(2023)는 고밀도폴리에틸렌 용접 구조물에서 용접 때문에 발생하는 열 변형 예측을 위해 쉘 요소 기반 탄성 유한 요소법을 적용하였다. 이 소재는 친환경적인 선박 건조 소재로 주목받고 있지만, 용접 시 발생하는 열 변형을 관리하는 데 어려움이 있으며, 이는 생산성 저하를 유발하게 된다. 기존의 철강 구조물 용접 변형 예측 방법이 이 소재에는 충분히 적용되지 않아, 연구를 통하여 그 가능성을 검토하였다. 연구는 용접 시 표본들이 일반적인 용접 변형 패턴과 유사한 변형을 보이는지, 일관된 매개변수로 비슷한 열 변형이 나타나는지를 확인했다. 실험 데이터에 기반한 유한요소 해석 결과와 실험 결과의 일치를 통해 고밀도폴리에틸렌의 열 변형 예측에 탄성 유한요소해석 접근법을 사용하는 것이 타당하다는 결론을 도출했다. 본 연구는 고밀도폴리에틸렌 구조물에서의 평면 외 변형에만 초점을 맞추었으며, 제약 조건 효과나 열적 특성의 변화(예: 점탄성 영향)를 고려하지 않았다. 이는 향후 연구에서 보완되어야 할 부분이다.

Moon et al.(2023)은 38피트 고밀도폴리에틸렌 재질의 파워 보트에 대한 구조해석을 수행하고, 국제표준화기구(ISO) 및 여러 국제 선급 규정에서 제시하는 설계 하중 기준을 적용하여 그 결과를 비교 분석한 연구이다. 고밀도폴리에틸렌 선박의 구조해석에 관한 규정이 미비한 상황에서, 본 연구는 각기 다른 설계 하중을 적용하여 고밀도폴리에틸렌 보트의 구조 강도를 평가하고, 이를 바탕으로 더 정확한 구조해석 절차와 표준을 제안하였다. 연구에서는 고밀도폴리에틸렌 파워보트를 대상으로 국제표준화기구 노르웨이 선급, 영국 선급, 그리고 한국 선급의 규정에 따라 설계 하중을 계산하고, 유한요소 해석을 통해 구조적 강도를 평가했다. 해석 결과를 통해 설계 하중의 크기, 하중 적용 범위, 압력 조정 계수, 단면 형상 등에서의 차이를 분석하고, 각각의 규정이 실제 구조해석에 미치는 영향을 평가했다. 본 연구를 통해서 충격하중이 관련된 해석 방법이 규정마다 크게 다르다는 점에서 개선이 필요함을 언급하였으나 고밀도폴리에틸렌 소재의 특성이 관련된 더 많은 경험 데이터가 필요하며, 특히 소형 선박에 대한 더 정확한 구조 강도 평가를 위해 설계 하중 산출, 설계 파의 개념, 요소 크기에 따른 허용 응력의 민감도 등을 포함한 후속 연구가 필요해 보인다.

2. 고밀도폴리에틸렌 보트 트렌드 및 설계

2.1 주요 경향 및 시장

고밀도폴리에틸렌 작업 보트는 내구성, 부식 방지 및 낮은 유지 관리 사항으로 인해 사용 빈도가 많이 증가하고 있다. 주로 양식업, 해양 건설, 구조 작업과 같은 분야에서 선호되고 있다. 환경 규제가 더욱 엄격해지면서 고밀도폴리에 틸렌의 재활용성과 환경 영향 감소로 인해 친환경 요트 제조에 대안으로 자리를 잡아가고 있다. 이 재질을 사용한 보트는 자외선방사, 염수 부식 및 화학 물질 노출에 대한 저항력이 있어 목재나 강철과 같은 기존 재료에 비해 까다로운 해양 환경에 적합하다. 고밀도폴리에틸렌 작업선 시장은 해안 및 내륙 수역 적용 분야에서 널리 활용되면서 꾸준히 시장 규모가 확장되고 있으며, 상용화 모델을 Fig. 1-(a)에 나타내고 있다. 기존의 유리 섬유 또는 알루미늄 보트 시장과 비교하면 틈새시장으로 남아 있지만 적용성과 장기적인 비용 효율성으로 인해 시장 점유율은 증가하고 있다.

2.2 주요 구성 및 제원

경구조선은 만재배수량이 참고문헌(한국선급, 2019)에서 제시하는 식(1)보다 작은 선박이며, 최고 속력이 식(2)보다 큰 값을 갖는 경우를 지칭한다.

여기에서 ∇_rule는 한국선급 요구 만재배수량, L 은 선박길이, B 는 선박 폭, ∇는 연구 대상의 만재배수량이다.

선급 기준(1)은 8.4톤이며, 연구에서 사용한 보트의 만재 배수량은 9.5톤으로 경구조선에 해당하지 않는다. 요구되는 최고 속력이 10.4kts보다 큰 30kts 사양이기 때문에 경구조선으로 분류가 된다. 워크보트는 거친 해역에서의 성능을 확보하기 위하여 선수부의 형상(Fig. 1-(b))을 결정하였다. 여러 개의 가로 및 세로 프레임 배치(Fig. 1-(c))로 보트 운용 시 발생하는 구조적 하중에 적절한 구조 강도를 확보하도록 고려하였다. 객실 공간은 중앙에 배치하여 균형 잡힌 무게 분포를 보장하고 높은 위치에 제어 콘솔을 설치하여 운전자에게 더 나은 시야 확보가 가능해지게 하였다. 선미에는 추진시스템이 위치하며, 고밀도폴리에틸렌의 경량 특성과 어울려 연료 효율성을 극대화하는데 이바지한다.

고밀도폴리에틸렌 작업선의 주요 치수 및 사양을 Table 1 에 나타내고 있다. 선박의 전체 길이는 14.4m이고, 소형 및 중형 작업선의 일반적인 크기로 기동성과 작업 효율성이 좋은 크기이다. 전체 폭은 3m로 다양한 해상조건에서도 안정성을 유지하는 비율을 갖추고 있다. 항해 등급 SA4(한국선급, 2019)는 작업선이 항구, 강처럼 비교적 안전한 수역에서 운용할 수 있다는 것을 정의하고 있다.

3. 유한요소해석 및 구조 안전성 평가

3.1 모델링 및 경계, 하중 조건

본 연구에서는 유한요소법(Finite Element Method)을 근간으로 하여 공학용 해석이 가능한 상용프로그램인 MSC Nastran을 사용하였다(Hexagon, 2020). 해석용 모델링은 한 개의 요소의 크기가 최소 30mm에서 70mm로 구성되어 있으며, 외판과 평면도 요소는 49,502개, 측면도 요소는 17,549개 그 리고 단면도 요소는 12,708개이고 Fig. 2와 같다. 소형 경구조선의 구조설계 및 구조 안전성 검토 시 유한요소모델링을 이용한 해석 지침서는 없으며, 요소의 크기 결정은 구조물의 형상과 특징을 보고 엔지니어의 판단에 좌우되고 있다. 일반적인 대형선의 주요 응력 집중부의 구조 안전성 평가 시 요소의 크기는 50mm에서 100mm 범위로 권고하고 있고(HCSR, 2021), 이런 관점에서 보면 본 연구에서 결정한 요소의 크기는 좀 더 보수적인 응력 평가를 유도하여 보수적인 설계를 지향하고 있다고 볼 수 있다.

유한요소해석을 위한 구속 조건을 Fig. 3에 나타내고 있다. 선수부 중앙에 Y, Z 방향으로 고정되어 있으며, 이는 선체 길이 방향으로만 움직일 수 있도록 허용하는 것이다. 선미부에는 바닥 끝단부에는 고정 조건을 부여하고, 추가로 같은 수직높이에 있는 위치에 Y 방향으로 고정하였다. 이러한 고정 조건을 적용하여 파도에 대한 충격, 부력, 설계 압력과 같은 다양한 하중에 구조물이 어떻게 반응하는지를 정확하게 예측할 수 있다.

사용된 재료의 탄성계수는 1,500MPa이며, 적당한 수준의 강성을 갖고 있어서 하중을 받을 때 형상을 유지할 만큼 충분히 강하다. 항복강도, 인장강도 그리고 밀도는 스틸의 10% 수준이며, 강도 같은 특성은 약하지만 낮은 밀도는 고밀도폴리에틸렌이 해양 응용 분야에 유용한 경량 소재임을 확인할 수가 있다. 파단신율값이 600%라는 것은 파단되기 전에 원래 길이의 최대 6배까지 늘어날 수 있음을 의미하고 Table 2와 같다. 이러한 높은 연성을 통해 충격하중 하에서 균열이나 파손에 대한 저항력이 높아 동적 환경에 강점이 있다. 이러한 재료적인 특성은 고밀도폴리에틸렌이 강도, 유연성 및 충격 저항의 균형을 갖춘 다용도 소재임을 종합적으로 입증하여 내구성, 경량 및 다양한 하중에 대한 적응성이 필수적인 해양 및 구조 응용 분야에 매우 적합하다.

한국선급에서 제시하고 있는 고속경구조선 규칙, 고속경 구조선 규칙 적용 지침(2023)에서 제시하고 있는 선체 구조 안전성 검증을 위한 설계 하중을 산정하여 Table 3과 같이 항목별로 정리하였고, 해석모델에 하중이 적용된 결과를 Fig. 4에 보여주고 있다. 설계 하중은 선박의 변위, 속도, 파랑 상태, 운항환경 등을 고려하여 산정되며, 크게 정수, 파도 및 작용 하중을 포함한 다양한 조건에서 선체 및 구성 요소의 안전도를 평가한다. 소형 선박의 경우 슬래밍 하중을 고려해야 하며, 선박의 속도, 선체 모양 및 파도 조건을 기반으로 계산된다. 이러한 설계 하중 고려 사항은 구조설계 및 해석을 위한 기술적인 근거를 제시하여 선박이 운항 전반에 걸쳐 직면하게 될 광범위한 하중을 검증할 수 있도록 권고 하고 있다.

여기에서 A/B는 기선상부(Above baseline), d는 흘수(Draft)를 의미한다.

유한요소해석에 사용된 하중 조건은 총 8가지로 구성되며, 주요 사항은 Table 4에서 보여주고 있다.

3.2 항복강도 안전성 평가 결과

Nastran solver를 통한 von-Mises 응력 분포를 Fig. 5에 나타내고 있다. 모든 하중 조건은 최대응력이 허용한도 이내인 것으로 나타났으며, 이는 주어진 하중 조건에서 구조물이 안전함을 나타낸다. 슬래밍 압력이 작용하면 선수와 중앙부가 만나는 측면 너클부에서 최대응력이 27.4MPa이 발생하였고, bottom impact pressure 조건이다. 대부분의 구조 부재는 응력수준이 8MPa 이하로서 충분한 구조물의 안전도를 나타낸다. 이외의 impact pressure, sea pressure 조건에서는 선미부 구조 불연속이면서 데크 쪽 만나는 위치에서 최대응력이 발생하고 있다. 이 영역은 경계조건을 적용한 영역과 가까워서 실제보다 더 큰 응력 집중이 발생하였다.

대표적인 하중 조건(bottom slamming, bow impact pressure) 에서 전체 변형 형상과 변위 분포도를 Fig. 6에 나타내고 있다. Bottom slamming 압력이 작용한 경우, 최대 변위는 240.6mm로 선박의 전방 부분에서 발생한다. 이는 선체가 수면에 충격을 가할 때 일반적으로 발생하는 슬래밍 힘으로 인해 선수부가 압력에 더 취약함을 나타낸다. Bow inpact 압력 조건에서는 최대 변위 151.5mm로 bottom slamming 조건에 비해서 변형이 적다. 하중이 선수와 중앙부 주변에 집중되어 선수 충돌 시 높은 응력을 나타낸다. 실제 하중 조건에서 고밀도폴리에틸렌 작업 지원선의 구조적 거동에 대한 검증을 통하여 유연성과 충격 저항이 필요한 응용 분야에 고밀도폴리에틸렌이 적합함을 확인하였다.

4. 결론 및 향후 연구과제

본 논문에서는 고밀도폴리에틸렌 재료를 적용한 작업용 보트의 구조 안전성 검증 연구를 통하여 도출된 결론은 다음과 같다.

향후 연구과제로서는 미래의 고밀도폴리에틸렌 기반 중 소형 선박 설계에 참고 자료가 될 수 있는 귀중한 통찰력을 제공하며, 동적하중환경(Dynamic load environment)에 대한 재료의 적용성을 확대하기 위한 평가 기준 정립이 필요하다. 이를 통해서 조선 및 해양 분야에 이 재료를 확대 적용 연구가 이어질 것으로 기대된다.