선박구조의 최종한계상태 설계 : Ultimate limit state design of ship structures

국문 초록 (Abstract)

최근까지 선박과 같은 강판 구조물의 설계 및 강도평가는 경험적으로 구해진 허용응력과 좌굴강도에 기준하고 있다.
이와 같은 방법에서는 대상구조물에 작용하는 응력과 과거의 구조설계 경험을 바탕으로 적절히 설정된 허용응력을 상호 비교하여 구조 안전성 수준을 평가하게 된다.
이러한 방법은 구조설계 실적이 많은 기존의 구조물에 대한 강도 설계에는 나름대로의 실용성이 인정되지만 구조설계 실적이 없거나 부족한 신구조방식의 구조물에는 적용하기 어렵다.
이에 반해 최종한계상태를 기준으로 한 설계 및 강도평가법에서는 한계상태, 즉 설계시부터 계획된 구조물의 기능을 상실하는 상태를 기준으로 강도를 평가하기 때문에 구조물의 안전성과 신뢰성이 휠씬 더 높고, 신구조방식의 구조물에도 용이하게 적용 가능한 특징이 있다.
이와 같은 이유로 국제표준화기구(ISO : International Organization for Standardization)의 표준규격 ISO 2394에서는 각종 강구조물의 안정성 신뢰성은 한계상태를 기준으로 평가하도록 권고하고 있으며, 현재 국제선급연합회(IACS : International Association of Classification Societies) 산하 각국 선급에서도 최종강도 기준의 강도 평가/설계법에 대한 연구가 한창 진행 중 인 실정이다.
선박과 같은 강판구조물을 구성하는 구성부재인 비보강판, 보강판 및 지지부재에 대해서 기하학적/재료적 특성 및 하중 특성 등을 고찰하고, 그 고찰을 바탕으로 최총한계상태 기준의 강도평가/설계식을 이론해석적으로 도출하고, 도출된 강도평가/설계식은 선행 연구자들의 모형실험결과 및 탄소성 유한요소해석 결과와 비교 검증하여 그 적용성을 검증하고 있다.
도출된 강도평가/설계식은 작용 가능한 모든 하중특성과 구성부재의 가능한 모든 붕괴형태를 고려하고 있으며, 강찬 구조물 제작상 필연적으로 발생하는 용접결함의 영향을 고려하고 있다.
이는 현재 제한적인 조건하에서만 적용 가능한 강도평가/설계식보다 진보되어 있으며, 적용하기 용이한 형태의 명확한 설계식을 제시하고 있다.
특히 40여척의 실제 선박에 대하여 개발된 강도평가/설계식을 적용하여 그 적용성을 검증하였다.
본 연구의 결과는 선박뿐만 아니라 교량과 같은 육상 강구조물의 강도평가/설계에도 보다 안전하고 신뢰성 있는 평가와 설계를 가능하게 할 것으로 기대된다.

목차 (Table of Contents)

• Nomenclature =ⅳ
• List of Tables = ⅶ
• List of Figures = ⅹ
• 1. Introduction = 1
• 2. Ultimate Limit State Design of Ship Plating = 6
• 2.1 Buckling/Ultimate strength Design Procedure = 13
• 2.2 Geometric and Material Properties = 14
• 2.3 Load(Stress)Application = 15
• 2.4 Modeling of Fabrication Related Imperfections = 17
• 2.5 Buckling Based Capacity = 22
• 2.5.1 Design Equations = 22
• 2.5.2 Validity of the Johnson-Ostenfeld Equation = 24
• 2.5.3 Effect of Rotational Restraints = 26
• 2.5.4 Effect of Residual Stresses = 35
• 2.5.5 Effect of Lateral Pressure = 39
• 2.5.7 Effect of In-plane Bending = 42
• 2.5.8 Elastic Edge Shear Buckling = 44
• 2.6 Ultimate Strength Based Capacity = 44
• 2.6.1 Ultimate Strength Equation for Combined Longitudinal Axial Load and Lateral Pressure = 45
• 2.6.2 Ultimate Strength Equation Combined Transverse Axial Load and Lateral Pressure = 52
• 2.6.3 Ultimate Strength Equation for Edge Shear = 54
• 2.6.4 Ultimate Strength Equation for Combined Biaxial Load, Edge Shear and Lateral Pressure = 54
• 2.7 Comparison between Buckling and Ultimate Strength Based Capacities = 59
• 3. Ultimate Limit State Design of Ship Stiffened Panels and Grillages = 63
• 3.1 Modeling of ship Stiffened Plate Structure = 75
• 3.1.1 Panel Geometry = 75
• 3.1.2 Panel Material Properties = 76
• 3.1.3 Panel Boundary Conditions = 77
• 3.1.4 Load Effects = 78
• 3.1.5 Fabrication Related Intial Imperfections = 80
• 3.2 Ultimate Strength Formulations for Collapse Mode Ⅰ = 82
• 3.2.1 Combined Longitudinal Axial Stress and Lateral Pressure = 83
• 3.2.2 Combined Transverse Axial Stress and Lateral Pressure = 85
• 3.2.3 Combined Edge Shear Stress and Lateral Pressure = 86
• 3.2.4 Combined Biaxial Stresses, Edge Shear Stress and Lateral Pressure = 88
• 3.3 Ultimate Strength Formulations for Collapse Mode Ⅱ = 89
• 3.3.1 Combined Longitudinal Axial Stress and Lateral Pressure = 89
• 3.3.2 Combined Transverse Axial Stress and Lateral Pressure = 90
• 3.3.3 Combined Edge Shear Stress and Lateral Pressure = 90
• 3.3.4 Combined Biaxial Stress, Edge Shear Stress and Lateral Pressure = 91
• 3.4 Ultimate Strength Formulations for Collapse Mode Ⅲ = 91
• 3.4.1 Combined Longitudinal Axial Stress and Lateral Pressure = 92
• 3.4.2 Combined Transverse Axial Stress and Lateral Pressure = 98
• 3.4.3 Combined Edge Shear Stress and Lateral Pressure = 102
• 3.4.4 Combined Biaxial Stresses, Edge Shear Stress and Lateral Pressure = 102
• 3.5 Ultimate Strength Formulations for Collapse Mode Ⅳ = 102
• 3.5.1 Combined Longitudinal Axial Stress and Lateral Pressure = 104
• 3.5.2 Combined Transverse Axial Stress and Lateral Pressure = 107
• 3.5.3 Combined Edge Shear Stress and Lateral Pressure = 108
• 3.5.4 Combined Biaxial Stresses, Edge Shear Stress and Lateral Pressure = 108
• 3.6 Ultimate Strength Formulations for Collapse Mode Ⅴ = 108
• 3.6.1 Combined Longitudinal Axial Stress and Lateral Pressure = 109
• 3.6.2 Combined Transverse Axial Stress and Lateral Pressure = 115
• 3.6.3 Combined Edge Shear Stress and Lateral Pressure = 116
• 3.6.4 Combined Biaxial Stresses, Edge Shear Stress and Lateral Pressure = 116
• 3.7 Ultimate Strength Formulations for Collapse Mode Ⅵ = 117
• 3.8 Verification Examples and Discussion = 117
• 3.8.1 Ultimate Strength Characteristics of Longitudinally Stiffened Panels in Ships = 118
• 3.8.2 Ultimate Strength Characteristics of Ship Grillages-Comparisons with the Smith Tests = 131
• 4. Ultimate Limit Sate Design of Ship Hulls = 137
• 4.1 Efficient and Accurate methodology for the Progressive Collapse Analysis of Ships = 137
• 4.2 Progressive Collapse Characteristics of Typical Merchant Ships = 147
• 4.2.1 Progressive collapse behavior under vertical moment = 153
• 4.2.2 Effect of lateral pressure = 165
• 4.2.3 Effect of horizontal moment = 169
• 4.3 Closed-Form Ultimate Strength Formulation for Ship Hulls = 172
• 4.4 Ultimate Limit State Design Format = 188
• 4.5 Assessment of Safety Measure = 192
• 5. Concluding Remarks = 199
• References = 202
• Appendix = 213
• Abstract(Korean) = 229
• Published Papers Related to This Study = 231