부산대학교  2010 년도 학위논문

선체유공판의 좌굴강도 설계에 관한 연구
Buckling Strength of Plate and Stiffened Panel with Opening

김을년

부산대학교 대학원 조선해양공학과

2010 공학박사 학위논문

   선체를 구성하는 기본 구조부재는 판부재이며 이들 개개의 판부재는 선체구조 전체 강도에 큰 영향을 미친다. 특히 판부재의 처짐을 유발하는 좌굴이 발생하면 판부재의 면내강성이 급격히 저하하며 국부 구조뿐 만 아니라 구조 전체의 강성 및 강도에 심각한 나쁜 영향을 미치게 되므로 좌굴강도는 선박의 초기 구조설계 단계에서 구조부재의 치수 결정시에 중요한 설계 기준이 된다. 선체판 부재의 상당수는 유공판(有孔板, Perforated plate panels)이다. 유공판의 용도는 선박의 건조와 건조후 검사용 통로로 사용하거나 파이프의 관통과 중량경감을 위하여 주로 설치한다. 유공판에 하중이 작용하면 무공판(無孔板)과 달리 좌굴과 최종강도 특성이 크게 변화할 뿐만 아니라 수반되는 면내응력도 재분포하게 되어 강도상 심각한 문제를 야기시킬 수 있다. 그리고 최근의 선체 건조경향이 고장력강 사용이 늘어나고 있으며 구조해석 및 최적설계 기술의 발달로, 선체구조는 점점 경량화 되어가고 있다. 이로 인해 유공판의 좌굴문제가 설계시 중요한 검토사항으로 되고 있으며, 특히 항복이전에 일어나는 탄성 또는 탄소성 좌굴에 대하여 설계자가 반드시 고려하여야 한다. 이와 같은 측면에서 각국 선급에서는 지금까지 설계 및 건조경험을 바탕으로 간편한 좌굴설계 공식을 독자적으로 제안하였으며 각 조선소에서는 기본적으로 이들 지침을 설계에 활용하고 있으며 판의 좌굴강도 평가는 선체설계의 주요한 업무 중 하나이다. 그러나 유공판에 대한 기존의 좌굴강도 설계식을 사용할 때 다음과 같은 문제점들이 있다. 첫째, 큰 구멍을 갖는 얇은 두께의 유공판에 대하여 선급의 설계식으로 좌굴강도를 계산하면 선급들 간에 큰 차이를 나타내는 경우가 있어 강도 평가상의 신뢰성에 문제가 발생하고 있다. 둘째, 선급식들은 탄성 좌굴강도를 소성 수정하여 탄소성 또는 소성영역의 좌굴강도를 평가하도록 되어 있다 그러나 기존의 소성수정식이 무공판에 대하여 개발되어 있어 구멍이 크거나 후판인 경우 실제 좌굴강도 보다 과대 평가하는 경향을 나타내고 있다. 마지막으로 기존의 유공판 관련 연구들은 대부분 단위 유공판 부재에 관련한 것들이다. 그러나 유공판에 인접한 이웃 판부재가 무공판일 경우, 이웃한 무공판의 면내강성이 좌굴강도에 기여하여 유공판의 좌굴강도가 상승하는 것으로 알려져 있어 유공보강판에 대한 연구도 필요하다. 본 논문에서는 선박의 유공판과 유공보강판 좌굴거동을 잘 표현할 수 있는 정확하고 편리한 설계식을 개발하고자 판의 종횡비, 세장비, 구멍의 형상과 크기, 위치 등을 설계변수로 유한요소법에 의한 탄성좌굴 및 탄소성 비선형해석을 수행하였다. 이로부터 유공판과 유공보강판에 대한 좌굴모드 변화에 따른 탄성좌굴계수를 구하였으며 실용적으로 사용하기 편리한 간단한 탄성좌굴 설계식을 제시하였다. 또한 구멍이 크거나 후판에서 Johnson-Ostenfeld식의 문제점을 해결할 수 있는 소성수정식을 제시하였다. 이로부터 탄성 및 탄소성 영역에서 사용할 수 있는 좌굴강도 설계식을 개발하였으며 이를 실선에 적용하여 그 유용성을 확인하였다. 또한 개발한 설계식의 정확도를 확인하기 위하여 총 90개의 유공판과 8개의 유공보강판 부재를 제작하여 붕괴실험을 수행하였으며 개발한 설계식은 실험결과에 의한 최종강도보다 안전측에 있는 것을 확인하였다. 본 연구의 결과는 선박의 구조부재뿐만 아니라 교량 및 해양구조물의 유공판과 유공보강판의 좌굴 강도평가와 설계에도 안전하고 정확도 있게 사용할 수 있을 것으로 기대된다.

   The aim of the present study is to investigate the buckling strength of plates and stiffened panels with opening under axial thrust and shear actions. It is observed that the existing design formulation for critical-buckling strength of plates are not valid for perforated plates, because the current shipbuilding industry design practice can significantly overestimate or underestimate the load-carrying capacity of plates when plates have large opening and/or are thick. It is also believed that this problem has caused structural damage accidents in actual ship structures with opening. The motive of the present study is to resolve this issue by introducing a new design formulation of the critical buckling strength for perforated plates which is pertinent to the structural design application at a safety side. For this purpose, a series of elastic buckling and elastic–plastic large deflection finite element analyses are carried out with varying the plate aspect ratio, plate slenderness ratio, the opening size and shape, and opening location on plate until and after the ultimate strength is reached. Based on the results obtained from the present study, closed-form design formulations for the critical buckling strength of plates and stiffened panels with opening are derived. A series of experimental and numerical studies are also undertaken on buckling and ultimate strength of plates and stiffened panels with an opening and subject to axial compressive actions. A total of 90 perforated plates and also a total of 9 stiffened panels with an opening are tested up to and beyond ultimate strength. Elastic-plastic large deflection finite element method analyses are performed on the test structures. Existing and newly-derived design-formula solutions of buckling and ultimate strength on the test plate panels are compared with experimental results and nonlinear finite element method computations, indicating that the critical buckling strength formulation developed in the present study as well as an existing ultimate strength formula is useful for design and strength assessment of steel plate panels with an opening. The experimental database on buckling collapse of steel plate panels with an opening is very useful for future use. Details of experiments and numerical computations together with insights developed from the present study are documented.