적화계획에 따른 컨테이너 선박의 피로 수명 평가

Abstract

선박의 피로 수명 평가는 선박이 일생 동안 받는 동적 하중이 선체 구조에 응력을 발생시킬때 응력 집중부에 누적된 피로 손상으로 인한 파단의 시점을 예측하는 것이다. 선박의 피로 수명를 평가하기 위해서는 선박이 일생 동안 받는 응력 사이클 분포를 예측할 필요가 있다. 따라서 S-N 선도 뿐만 아니라 파도에 의한 동적 하중을 얻기 위한 내항성능 해석과 응력 전달 함수를 구하기위한 선체 구조 해석이 요구된다. 또한, 선박의 적재 조건 및 해상 상태와 같은 운항적인 요소도 이해할 필요가 있다. 각 선급들마다 피로 수명 평가 절차서가 잘 마련되어 있어 선종별 운항 특성을 고려한 합리적인 피로 해석이 수행되고 있다. 하지만, 컨테이너선의 경우 선종의 특성상 화물로 인한 중량 분포가 매 정박지마다 임의로 변하기 때문에, 실제 화물의 적재 조건을 고려하기 어렵다. 화물의 중량 분포는 피로 손상의 주요 요인이 되는 선체 거더 하중과 관련이 있으나 설계 단계에서는 균일 중량 화물을 사용한 Scantling draft 하중 조건에서 보수적인 피로 손상으로 선박의 피로 수명을 평가하는 것이 일반적이다. 본 연구에서는 컨테이너 선박의 화물 중량 분포가 피로 수명에 미치는 영향을 파악하기 위해서 스펙트럴 피로 해석을 이용하여 적화 계획에 따른 다양한 하중 조건에서 Hatch coaming 상단의 피로 수명을 평가하였다. 화물의 중량 분포를 고려한 적화 계획에 따라 컨테이너선의 피로 수명이 관리될 수 있음을 확인하였다. 따라서, 만약 선박의 적화계획이 피로 수명이 증가되는 방향으로 수립된다면 화물의 배치만으로 선박의 구조 건전성을 증대 시킬 수 있을 것이다.

Fatigue life assessment is the analysis that estimates the time to crack initiation in the stress concentration area by the fatigue damage accumulation as the dynamic load that a ship experiences during its lifetime generates the stress in the hull structure. To estimate the fatigue life of the ship structure, it is necessary to predict the stress cycle distribution that a ship is expected to experience during its lifetime. So, seakeeping analysis to determine wave-induced dynamic load and structural analysis for stress transfer function as well as S-N curve are required. In addition, it is necessary to understand the ship’s operational factors such as the loading conditions and sea states. Each classification has its procedures for fatigue life assessment, so that reasonable fatigue analysis is being performed considering the operational characteristic according to ship’s type. However, in the case of a container ship, since the weight distribution by the cargo changes arbitrarily in every port of call, it is difficult to consider the actual loading conditions. The weight distribution of cargo is related to the hull girder load which is a major factor in fatigue damage, but It is common to estimate the fatigue life of a container ship under the scantling draft loading condition using the homogeneous cargo weight at the design stage, which is resulting in conservative fatigue damage. In this study, the fatigue life of hatch coamings was calculated using spectral fatigue analysis under the various loading conditions considering a stowage plan to see the impact of the weight distribution on fatigue life in a container ship. It was found that the fatigue life of the container ship can be handled by the weight distribution of the cargo. Therefore, if the stowage plan of container ships is established in the direction of increasing the fatigue life, the structural integrity of ships would be increased only by arranging the cargo.