Strength Assessment of T-type Lifting Lugs Considering Deformation of Blocks

블록의 변형을 고려한 T형 리프팅 러그의 강도 평가

Abstract

Lifting lugs are frequently used in shipyards to transport and turn over the blocks of ships and offshore structures. With the development of shipbuilding technology, blocks have increased in size, and block management technology has assumed a more important role in shipbuilding to enhance the productivity. For the sake of economics, as well as the safe design of a lug structure, a more rational design procedure based on a rigorous structural analysis is needed. This study investigated the strength characteristics of T-type lugs, considering the influence of blocks on which lugs are attached, by varying the in-plane and out-of-plane load direction. In this paper, the ultimate strength is also addressed for cases that include or do not include blocks in the strength analysis. In the present results, when there was a load acting in the normal direction to the block surface, the strength characteristics became poor, and the ultimate strength decreased. This paper ends by describing the need for further study to develop a more rational design for a lug structure.

1. 서 론

잘 알려진 바와 같이 리프팅 러그는 선박이나 해양구조물의 건조과정에서 블록의 인양과 반전(Turn over)에 사용된다. 최근 건조공정의 효율성을 제고하기 위해 선박이나 해양구조물의 블록이 대형화 되어 가고 있고 이에 따라 사용되는 러그의 수가 많이 증가하고 있다. 러그는 소모성 부재이기는 하지만 재료비 절감 측면에서 재활용할 수 있도록 설계하는 부분 그리고 블록의 인양과 반전에 필요한 최적 위치의 선정과 최적의 수량 결정 등에 대한 중요성이 부각되고 있다(Ham, 2009; Kim, 2003; Ku et al., 2012). 한편으로는 블록의 이동 등에 사용되는 많은 수의 러그를 제작, 설치, 해체 등에 많은 비용이 소요되므로, 충분한 강도를 지니면서 러그 구조의 단순화 및 경량화를 지향하는 설계를 통해 원가를 절감할 수 있도록 해야 한다. 또한 리프팅 러그가 파단 되었을 때에 안전과 공정상에 있어서 큰 문제가 발생하기 때문에 설계에 있어 각별한 주의가 요구된다(Kim, 2003; Kim, 2006; Seo et al., 2011).

선박이나 해양구조물 블록의 운반에 사용하는 러그는 하중방향, 러그의 구조와 부착 형태에 따라 일반적인 대칭형 러그인 D형 러그, 비대칭형인 T형 러그 그리고 L형 러그로서 크게 세 종류로 구분한다. 이 중에서 본 연구는 현재 조선소에서 널리 사용되는 T형 러그의 최종강도 평가를 수행한 것으로서, 러그에 대한 실험 결과(Lee et al., 2012)와의 비교를 통해 그 해석과정의 타당성이 이미 입증된 비선형 해석과정(Heo and Lee, 2014; Heo et al., 2013)을 적용하였다. 러그에 관한 많은 구조적 연구에서는 러그만을 모델링하여 구조해석을 수행하였는데, 여기에서는 러그가 부착되는 블록을 강체로 취급하여 러그만을 모델링하여 구조해석을 수행한 결과와 러그가 부착되는 블록도 구조해석에 포함시켜서 구조해석을 수행한 결과를 비교하여 구조해석에 블록이 포함되는지 여부에 따른 구조적 거동 특성을 작용하는 하중의 면내와 면외 방향 그리고 러그 용량에 따라 살펴보았다. 러그가 부착되는 곳은 강체가 아닌 변형체인 블록이므로 구조해석에 블록을 포함시켜서 러그 용량과 면내 및 면외 하중 방향에 따른 강도특성을 파악할 수 있는 경우에 대한 해석을 수행하였다. 본 연구에서는 비선형 구조해석을 위해 상용 유한요소해석 프로그램인 Abaqus를 사용하였다(Simulia, 2013).

 

2. 러그 모델 및 해석조건

2.1 러그 모델

본 연구에서의 해석모델은 현재 선박 및 해양구조물 건조과정에서 리프팅 및 반전 작업 등에 사용되어지고 있는 T형 러그를 선정하였다(Min and Eum, 2011). Fig. 1에 전형적인 T형 러그를 보였다. 리그가 셔클 핀과 접촉하는 러그 홀 주변 부분의 강도를 보강하기 위해 이중판(Double plate)이 부착되어 있으며, 면외 하중(Out-of-plane load)에 의한 전도 방지와 블록과의 접합력 제고를 위해 러그 본체 좌우에 브라켓이 부착되어져 있다(Lee et al., 2014). 러그가 부착된 블록을 구조해석에 포함시킬 경우 Fig. 2에 보인 바와 같이 종 및 횡보강재가 교차하는 곳에 러그가 부착되는 것으로 간주하였다. 블록의 길이와 폭 그리고 깊이는 러그의 길이, 폭 및 깊이의 5배로 선정하여 블록의 변형이 충분히 반영되도록 하였다. 종보강재와 횡보강재는 블록의 깊이와 같은 깊이를 갖고 블록을 구성하는 판과 종 및 횡보강재의 두께는 모두 20.0mm이다.

Fig. 1Typical example of T type lug

Fig. 2T type lug attached on block

해석에 사용된 T형 러그의 재료는 일반적인 연강(Mild steel)으로서 탄성계수는 210GPa, 항복응력은 235MPa, Poisson 비는 0.3이다. 핀은 그 변형의 영향을 고려하지 않기 위해 강체에 가까운 것으로 취급하였고 이에 항복응력은 러그 본체나 브라켓 보다 많이 높은 1500MPa로 가정하였고, 탄성계수와 Poisson 비는 러그 본체 및 브러켓과 동일하게 210GPa과 0.3이다. 재료의 물성치에 대한 정보는 Table 1과 같으며, 응력-변형률의 관계는 변형률 경화가 없는 완전 탄소성 거동으로 가정하였다.

Table 1Material properties of T type lugs

2.2 경계조건과 하중조건

본 연구의 러그에 적용된 경계조건 및 하중조건은 다음과 같다. 먼저 경계조건은 블록을 강체로 취급하여 러그만이 구조해석의 대상인 경우, 러그가 블록에 부착된 면에 있는 모든 절점의 모든 자유도를 구속하였고, 블록의 변형을 고려하기 위해 구조해석에 블록 모델도 포함시킨 경우에는 Fig. 3에 보인 바와 같이 블록의 하단에 있는 모든 절점의 모든 자유도를 구속하였다. 하중조건으로는 하중을 조절하기 위해 참조 절점(Reference point)와 하중을 러그 홀의 면에 전달하는 핀의 양끝단을 Beam 형 MPC (Multi point constraint) 요소로 연결하였다. 또한 핀과 러그 홀의 접촉조건을 적용하여 접촉을 고려하였는데, 러그 구조해석에 있어 가장 중요한 부분이 접촉면의 정의이다. 접촉면은 주면(Master surface)와 종속면(Slave surface)으로 구성되어 있으며, 주면은 하중을 전달하는 부분으로 핀이 그 역할을 한다. 그리고 종속면은 주면과 접촉하는 부분으로 주면에 의한 변형이 발생하는 러그 홀과 이중판(Double plate)의 홀의 안쪽 면으로 지정하였다. 그리고 접촉조건 중 일반 접촉(General contact)을 적용하였고, 접선 방향으로의 마찰력을 고려하기 위해 윤할이 없는 강재 사이의 마찰로 간주하여 마찰계수(Friction coefficient)는 0.5로 부여하여 해석을 수행하였다(Heo and Lee, 2014; Heo et al., 2013; Lee et al., 2014).

Fig. 3Definition of boundary condition and MPC constraint for T type lugs

해석 시 T형 러그 각각에 적용된 하중의 방향은 아래의 Fig. 4에 나타나있는 것과 같이 면내 하중(In-plane load) 방향과 면외 하중 방향으로 정의된다. Fig. 4에서 수평방향이 면내 0°이고 시계 반대방향으로 회전할수록 각도가 증가하여 수직방향이 면내 90°이다. 면외 방향은 Fig. 4의 두 번째 그림에서 보듯이 수직방향이 면내 0°이고 시계 방향으로 회전하면서 면외 하중 방향의 각도가 증가하는 것으로 정의하였다. 여기에서는 면내하중 방향은 0, 30, 45, 60, 90°와 면외하중 방향은 0, 15, 35°인 경우에 대해 해석을 수행하였다. 특히, 면외 하중 방향의 경우에는 현장에서 그 방향으로 15°를 최대 면외 하중 각도로 규정하고 있지만, 본 연구에서는 러그 구조 측면에서는 매우 불리한 하중 조건에 대한 해석 결과를 보이기 위해 면외 하중 방향을 35°인 경우도 해석에 포함시켜서 그 강도특성을 비교 및 검토하였다.

Fig. 4Definition of loading directions for T type lug

 

3. 해석 결과와 강도 평가

여기에서는 용량이 50ton인 T형 러그를 선택하여, 하중의 여러 면내와 면외 방향에 대해 해석한 결과를 토대로 구조강도 해석 시 러그가 부착되는 블록의 포함 여부에 따른 강도 특성을 살펴보았고 강도해석 결과를 토대로 최종 강도를 비교해 보았다. 러그 구조에 대한 구조해석 결과를 보면 최종강도가 뚜렷하게 나타나는 경우가 아니지만, 비교 목적을 위하여 3.2절에서 정의한 방법에 따라 추정한 것이다.

전술한 바와 같이 용량 50ton T 형 러그에 Fig. 4에서 정의한 면내 90°와 면외 0°로 하중이 작용할 때, 러그만의 구조해석 결과를 Fig. 5에 그리고 블록을 포함한 경우의 구조해석 결과를 Fig. 6에 보였다. 하중의 증가에 따른 변형과 응력의 분포를 보이기 위해 작용 하중의 크기가 400, 800, 1600 그리고 2000kN로서 네 가지 경우에 대한 것이다. 어렵지 않게 예상할 수 있는바와 같이, 러그만을 구조해석 대상으로 선택한 경우에는 러그 홀 주변에서 높은 응력과 큰 변형이 발생하고 러그 본체의 다른 부분이나 브라켓에서의 응력과 변형은 그리 크지 않다. 그러나 블록을 포함시킨 경우에는 러그 홀 근처뿐만 아니라 러그 본체의 다른 부분 특히 블록과 접합하는 부분 그리고 브라켓이 블록과 접합하는 부위에서 상대적으로 높은 응력이 발생하고 러그가 부착된 부위 근처의 블록 부분 역시 상당한 변형과 높은 응력이 발생한다는 것을 알 수 있다. 하중 방향이 다른 경우로서, 하중의 면내 방향이 0° 또는 90°이고 면외 방향으로는 35°일 때, 하중의 크기가 2000kN에 대응되는 응력의 분포 및 변형 형상의 측면 형태를 Fig. 7에는 러그만을 대상 구조로 선택한 경우, Fig. 8에는 러그에 부착된 블록을 포함 시킨 경우에 대해 보였다. Fig. 5와 6에서 확인한 바와 같이 블록도 상당한 변형과 응력을 경험하는데, 이러한 경향은 면내 방향이 0°보다는 90°인 경우에 더욱 심각하게 나타난다. 또한 블록을 구조해석에 포함 시킨 경우에는 면내 하중방향과 상관없이 러그 홀 근처뿐만 아니라 러그 본체의 다른 부분도 상당한 변형과 응력을 경험하는 것을 다시 확인할 수 있다.

Fig. 5Stress distribution and deformation to the magnitude of load when block model is not included(in-plane load direction = 90° and out-of-plane load direction = 0°)

Fig. 6Stress distribution and deformation to the magnitude of load when block model is included(in-plane load direction = 90° and out-of-plane load direction = 0°)

Fig. 7Stress distribution and deformed shape of side view when block model is not included

Fig. 8Stress distribution and deformed shape of side view when block model is included

블록을 구조해석에 포함시키지 않은 경우와 포함시킨 경우에 대한 하중-변위 관계를 비교하기 위해, 하중의 면내 방향이 0°이고, 면외 방향이 0°, 15°와 35°로 변하는 경우에 대한 결과를 Fig. 9에 보였고, 하중의 면내 방향이 90°인 경우의 결과를 Fig. 10에 보였다. Fig. 9와 10에서 ‘Without block’과 ‘With block’은 각각 구조해석에서 블록을 포함시키지 않은 러그 만을 해석한 경우와 블록을 포함시킨 경우를 표시한다. 하중의 면내 방향이 0°인 경우에는 구조해석에 블록을 포함시키는 경우와 포함시키지 않은 경우에 구조적 거동에 큰 차이를 보이고 있지 않으나, 하중의 면내 방향이 90°로 러그를 블록에서 들어 올리는듯한 하중이 작용하는 경우에는 블록의 포함 여부에 따라 구조적 거동에 상당한 차이가 있음을 볼 수 있다. 실제 현장에서 하중의 면외 방향은 15°이하로 제한하고 있으나, 여기에서는 하중의 면외 방향에 따른 비교를 목적으로 35°인 경우까지 해석해 보았다.

Fig. 9Comparison of load-displacement curve (1) : in-plane load direction = 0°

Fig. 10Comparison of load-displacement curve (2) : in-plane load direction = 90°

Fig. 9와 10에서 보듯이 러그의 비선형 해석 결과로서 하중-변위곡선을 보면, 하중 증가에 따라 소성이 진행되기 때문에 어느 정도 이상의 하중을 초과하면 하중-변위 곡선의 기울기 즉, 접선탄성계수가 감소하지만 영(Zero) 또는 음이 되지는 않고 변위의 증가에 따라 완만하긴 하지만 하중도 증가하여 최종 강도(Ultimate strength)를 정의하는 것이 용이하지 않다. Fig. 11에 전형적인 하중-변위 곡선의 형상 3가지를 도시하였는데, Type A나 B의 경우에는 최종 강도를 정의하는 것이 용이하나 Type C의 경우에는 전술한 바와 같이 변위의 증가에 따라 하중도 지속적으로 증가하기 때문에 최종강도를 정의하는 것이 용이하지 않다. 본 연구에서는 구조물이 상당한 수준의 변위를 경험하면 최종상태에 상당히 근접하는 것으로 간주하여, 하중 방향으로의 변위가 러그 홀 반지름의 50%정도로 큰 변위가 발생한 때를 최종 상태로 정의하였다(Lee et al., 2014). 물론 이러한 최종 상태의 정의에는 논의의 여지가 있으나 본 정의를 일관성 있게 적용하는 데에 의미를 둘 수 있고 또한 이러한 최종 상태의 정의는 구조 강도 측면에서 보수적이므로 구조적 안전성 제고 측면에서 의미를 부여할 수 있겠다. 여기에서의 대상 모델인 용량 50ton인 T 형 러그 홀의 반지름은 37.5mm이다. 이러한 최종 상태의 정의에 의거하여 Fig. 9와 10에 보인 하중-변위 관계에서 구한 최종 강도가 Table 2와 같다. 이미 Fig. 9와 10에서 보았듯이 하중의 면내 방향이 0°인 경우에는 강도해석에 블록의 포함 여부가 최종강도에 큰 영향이 없으나, 하중의 면내 방향이 90°이면서 면외 방향이 0°이상인 경우에는 블록을 강도해석에 포함시키면 최종강도가 많이 낮아지게 된다. 이는 하중의 면내 방향이 0°이상인 경우에는 블록 부착면에 법선방향으로 작용하는 하중으로 블록의 변형이 많이 발생하고 응력 또한 높아지는 것 으로 판단된다.

Fig. 11Typical force-displacement curves

Table 2Comparison of ultimate strength for the case that block is included in the analysis or not

본 연구에서는 러그의 보다 합리적인 설계를 위해 해석과정과 방법의 타당성이 검증된 과정과 방법을 적용하여 러그가 부착되는 블록을 강도해석에의 포함 여부에 따른 강도 평가를 비선형 구조해석 결과를 토대로 살펴보았다. 블록 포함 여부에 대해서는 포함시키는 것이 당연히 타당하나, 특정 하중 방향에 따라서는 영향이 없을 수 있으므로 향후 보다 다양한 경우에 대한 해석을 수행하여 러그 강도 해석과 평가에 대한 정립이 필요할 것이다.

 

5. 결 론

본 연구에서는 러그의 보다 합리적인 설계를 위해 러그가 부착되는 블록을 강도해석에의 포함 여부에 따른 강도 특성을 파악하는 데에 연구의 주안점을 두었다. 이를 위해 현장에서 블록 이동 및 블록 반전 작업 등에 많이 사용되는 T 형 러그를 대상 구조로 선정하였고, 러그가 부착되는 위치는 종보강재와 횡보강재가 교차하는 곳으로 선정하였다. 하중의 면내 및 면외 방향 몇 가지 경우에 대한 비선형 해석 결과로부터 다음의 결과를 도출할 수 있었다.

(1) 쉽게 예상할 수 있는 바와 같이 블록의 포함 여부와 상관없이 러그 홀 주변에서 많은 변형과 높은 응력이 발생한다.

(2) 블록을 포함시키지 않는 경우에는 러그 홀 주변에서만 응력과 변형이 크지만, 블록을 포함하는 경우에는 러그 본체의 다른 부분과 브라켓이 블록에 접합하는 부위에서 높은 응력과 변형이 발생한다.

(3) 여기에서 정의한 하중 방향을 기준으로 할 때, 하중의 면내 방향이 0°이상이면서 면외 방향도 0°이상인 경우에는 강도 해석에 블록을 포함시키면 강도 특성이 낮아지는데, 이는 러그에 비틀림하중이 작용하고 또한 러그가 부착된 면의 법선 방향으로 작용하는 하중 때문으로 판단된다. 이 경우에 본 논문에서 정의한 방식에 따른 최종 강도는 약 20% 정도 낮아짐을 알 수 있었다.

(4) 따라서 보다 합리적인 러그의 설계를 위해서는 러그가 부착되는 블록의 변형이 고려해야 할 수준인 경우 블록을 구조해석에 포함시키는 것이 바람직 할 것이다.

본 논문에서 언급한 최종 강도에 대한 정의는 변형을 기준으로 구조강도 측면에서 보수적으로 설정한 것으로 추가적인 논의가 필요하다. 블록 포함 여부의 타당성에 대해서는 포함시키는 것이 당연히 타당하나, 특정 하중 방향에 따라서는 영향이 없을 수 있으므로 향후 보다 다양한 경우에 대한 해석을 수행하여 러그 강도 해석과 평가에 대한 정립이 필요하다. 아울러 강도평가의 기준이 정립되면 비선형 해석 결과를 토대로 한 러그의 중량의 최소화를 위한 최적 설계를 꾀할 수 있을 것이다.