Best Practice

고정식 자켓구조물은 천해영역의 해양플랜트 구조에 적용되는 대표적인 하부구조형식 중의 하나이며, 현재 석유기지시설의 접안시설물과 향후 친환경 해상풍력발전 시설물 등에 매우 다양한 형식으로 사용될 수 있는 구조물이다. 그러나, 고정식 자켓구조물은 공용기간 동안 풍력 및 파력 등과 같이 자연에 의해 발생하는 다양한 외력을 지속적이며 랜덤하게 받게 되므로 피로현상이 발생하게 된다. 특히 용접이음이 집중되는 격점부는 기하학적형상의 영향 등에 의해 공용 중에 피로에 대하여 취약한 구조가 될 수 있다. 그러므로 고정식 자켓구조물 구조의 안전성 향상을 위해서는 이들 격점부의 피로강도 평가가 중요할 것으로 판단된다.

자켓구조물의 주부재인 원형강관과 관련하여 국내에서 강관구조 접합부의 재료 및 형상에 따른 실험 및 해석연구^{[1],[2],[3],[4]}가 수행되고 있으나, 기하형상에 따른 응력집중에 대한 연구는 부족한 실정이다. 또한, 국내․외의 해양구조물 관련기준에서는 자켓구조물 등의 구조부 연결격점부의 구조상세 및 피로강도에 대한 규정은 제정되어있으나, 격점부의 피로강도 평가에 대한 연구는 제한적으로 수행되고 있다. 그러므로 해양구조물의 경제성 및 사용성 증대를 위해서 격점부의 피로강도를 용이하게 평가할 수 있는 방안에 대한 연구가 필요할 것으로 사료된다.

이 연구에서는 자켓구조물 격점부 기본 이음형태의 하나인 K형 이음부를 대상으로 이음부 형상에 관계되는 다양한 기하학적 형상 및 이음부에서의 응력집중과의 관계를 기존 제안식과의 비교를 실시하며, 또한 응력집중에 영향을 미치는 형상 매개변수의 영향 평가를 실시하고자 한다. 또한 3차원 기하특성을 갖는 실물 자켓구조물을 대상으로 설계시 가장 중요한 외력인자 중 하나인 파랑하중에 대한 구조해석을 실시하여 실물 자켓구조물 격점부에서의 응력집중계수 및 거동 특성을 분석하고자 한다.

자켓구조물 격점부의 기하형상을 매개변수로 하여 격점부의 응력집중계수(Stress Concentration Factor, 이하 SCF)를 산정하는 연구는 다양한 연구자에 의해 활발하게 진행되고 있다. 선행 연구에서 사용되는 자켓구조물 격점부의 기하학적 형상 계수는 Fig. 1과 같다.

Fig. 1. 
Geometric notaitons for a k-joint^[8]

대표적인 선행연구인 Efthymiou(1988)^[5], Lloyd's Register(1990)^[6], Hansen(1996)^[7], Lee(1999)^[8]의 연구에서는 격점부 SCF 산정을 위한 식이 제안되었다. 이들 제안식에서는 격점부의 형상 및 기하형상에 대한 영향함수를 사용하여 SCF를 산정할 수 있다는 공통점이 있다. 그러나, 각 연구에서의 구조해석 모델 및 기하형상의 상이, SCF 산정방법의 차이, 적용 용접구조상세 등에 의해 동일 모델에 대해서도 일률적인 SCF가 산정되지 않는다는 문제점이 있다. Hansen(1996)^[7]은 총 25종류의 K이음부 형상에 대해 Brace의 이음각도 θ가 45°-45°일때, 형상계수 β, γ, τ, ξ의 변화를 매개변수로 하는 유한요소해석을 실시하며 SCF 산정식을 제안하였다. Lee(1997)는 기존의 Hansen 산정식을 보안하여 Lee의 산정식을 제안하였다. Hansen과 Lee의 제안식은 제작의 경제성을 고려하여 Chord와 Brace의 용접이음부 상세가 모두 일면편측용접에 의해 실시되는 경우를 대상으로 구조해석을 실시하였다. 이 경우 피로균열은 용접루트부에서 발생되므로 연구에서는 용접부 상세에 따른 힘의 흐름을 고려하고, 용접부 모델을 용접 지단부와 루트부로 모델링하기 위하여 솔리드 모델을 사용하여 용접비드를 형상화하고 이들 구조에 대한 SCF 산정식을 제시하였다.

그러나, 이 연구의 대상 자켓구조물의 격점부 용접상세는 완전용입을 적용하고 있다. 따라서 이 연구에서는 해석의 간편성 등을 고려하여 격점부 상세모델에 shell 요소를 사용하여 제안식을 제시한 Efthymiou 제안식 및 LR(Lloyd's Register) 제안식을 사용하여 대상 자켓구조물 격점부의 SCF를 평가하였으며, 또한 이 연구에서 실시한 유한요소해석 결과와의 비교를 실시하였다.

이 연구에서 대상으로 하는 K형 이음부의 모델링 및 형상조건 등에 대한 비교모델에서는 Lee(1999)^[8] 연구에 사용된 구조상세 및 현재 공용중인 Inner Breasting Dolphin 구조상세를 고려하였다. 기본모델로는 K형 격점부 구조상세에서 Chord와 Brace의 이음각도(θ)가 대칭인 θ₁=θ₂=45°를 적용하였으며, 공용 중인 구조물 상세를 반영하여 β=0.46, ζ=0.073, τ=0.67, γ=18.83(g=105mm, d= 660mm, D=1,435mm, t=25.4mm, T=38.1mm)를 적용하였다. 그리고 공용중인 자켓구조물의 경우, 부재 배치에 따라 부재의 직경(d, D) 및 gap(g)이 달라지기 때문에 이 연구에서는 Table 1과 같은 매개변수를 설정하고 매개변수 변화에 따른 SCF 평가를 실시하였다.

구조해석모델은 3차원 4-node 절점을 가지는 shell요소를 사용하여 K형 이음부를 모델링하였다. 해석에서의 경계조건은 선행연구(Lee, 1999)^[8]를 참조하여 K형 이음부의 한쪽은 변위 및 회전을 모두 구속하였으며, 다른 한쪽은 회전만 구속하여 적용하였다. 하중조건은 Brace 양단에 1kN의 축력을 적용하였으며, 최소요소크기는 용접부 응력집중에 대한 평가를 위하여 국제용접학회(IIW)^[9]에서 제시하는 1.0t보다 작은 10mm를 적용하였다.

기본 해석모델에서 Chord의 직경 및 두께는 각각 1,435mm, 38.1mm, 사용강재는 API Spec 2H Gr.50이며, Brace의 직경과 두께는 각각 660mm, 25.4mm, 사용강재는 ASTM A36이다. Fig. 2 ~ Fig. 5에 각 모델에 대한 해석모델 및 해석결과의 일례를 나타내었다.

Fig. 2. 
Model 1-1(symmetry, g=105mm, t=25.4mm))

Fig. 3. 
Model 2-3(symmetry, g=402mm, t=25.4mm))

Fig. 4. 
Model 3-1(symmetry, g=105mm, t=13.5mm))

Fig. 5. 
Effective stress distribution of the Model 1-2 (symmetry, g=105mm)

유한요소해석 결과에 기초하여 Chord와 Brace에서의 hot spot 응력을 산정하였다. Hot spot 응력은 IIW^[9]에서 제시한 fine한 요소를 사용하는 경우에 해당되어 hot spot 응력 산정에 사용되는 0.4t와 1.0t 절점 위치를 이용한 선형 외삽법의 계산법인 식 (1)을 적용하였다. Fig. 6에 부재별 길이방향에 대한 응력분포곡선의 일례를 나타내었다. 식 (1)에 의해 산정된 hot spot 응력을 산정하여 Table 2에 나타내었다.

Fig. 6. 
Effective stress distribution graph (Brace and Chord, Model2-1, 2-2)

앞에서 계산된 각 모델의 hot spot 응력에 대한 SCF를 산정해 Table 3에 나타내었다. 단, 이 연구에서 적용한 K형 이음부는 Brace가 인접해 있어 FEM 해석(shell 모델)으로 Chord부의 공칭응력을 산정하는 것이 어려우며, Fig. 6과 같이 응력집중에 따른 응력분포의 기울기가 급격하여 합리적인 SCF 산출이 불가하므로 본 연구에서는 Brace에 대해서만 평가하였다.

본 연구에서 비교하고자 하는 Efthymiou식과 LR식은 OFF-SHORE TECHNOLOGY REPORT-OTH 354^[10]에서 제공하는 K-Joints의 Balanced axial load에서의 SCF 산정식을 사용하였다. Table 4에 나타낸 Efthymiou식을 보면, β, γ, τ, ξ, θ의 형상계수에 따라 SCF가 산정된다. LR식의 경우도 형상계수를 사용하는 것은 동일하나, 다양한 영향함수의 조합에 의해 이음부의 Chord와 Brace에서의 Saddle부와 Crown부의 두 영역의 SCF를 각각 구할 수 있다. 이 연구에서는 LR식을 적용하는 경우, 실제 구조해석 모델에서 응력집중이 발생하는 Crown부에 대해서만 SCF_CC 및 SCF_BC식을 사용하였다.

Table 1의 기하구조 조건을 적용하여 Efthymiou식과 LR식으로부터 SCF를 산정하였으며, Table 5에 구조계산에 의해 산정되어진 SCF와의 차이를 비교하였다. Efthymiou식에 의한 SCF는 구조해석결과 대비 0.80~1.07 수준이었으며, M4-3(γ=28.25)의 경우를 제외하고는 ±10%이내 오차율을 나타내었다. 반면 LR식은 구조해석에 의한 SCF 대비 0.71~1.79로 대부분 ±15~±30%의 오차율을 나타내고 있다. 따라서, Efthymiou식이 K-Joints의 balanced axial load 조건에서는 비교적 정확한 SCF를 제시하는 것으로 판단된다.

다음으로 각 형상계수가 K형 이음부의 SCF에 미치는 영향을 조사하기 위하여, 각 형상계수를 매개변수로 하여 그 영향을 분석하였다. 단, 연구에서는 구조해석으로부터 검증된 Brace부에 대해서만 그 영향성을 분석하였다.

1) β의 영향

직경비 β의 영향을 Fig. 7에 나타내었다. 구조해석 결과는 Efthymiou식과 유사한 경향을 나타내는 것을 확인할 수 있으며, 그림과 같이 Brace부에서는 β가 증가할수록 SCF는 감소하는 경향을 나타내었다. SCF의 범위는 2.2~4.3정도로 다른 형상계수에 비교하면 직경비 β의 영향은 SCF에 크게 영향을 미치는 것으로 나타났다.

Fig. 7. 
Relationships between β (=d/D) and SCF

2) ξ의 영향

간격비 ξ의 영향을 Fig. 8에 나타내었다. 구조해석 결과는 Efthymiou식과 유사한 경향을 나타내는 것을 확인할 수 있으며, 그림과 같이 Brace부에서는 SCF가 3.0에서 부터 시작해서 3.5로 수렴하는 경향을 볼 때 SCF에 큰 영향을 미치지 않는 것으로 나타내었다.

Fig. 8. 
Relationships between ξ(=g/D) and SCF

3) τ의 영향

두께비 τ의 영향을 Fig. 9에 나타내었다. 구조해석 결과는 Efthymiou식과 유사한 경향을 나타내는 것을 확인할 수 있으며, 그림과 같이 Efthymiou식에 대해서는 τ가 증가할수록 SCF는 증가하는 경향을 나타내었다. 또한, Brace부에서는 전체 범위에서 τ가 증가할수록 SCF는 증가하는 경향을 나타내었으며, 그림과 같이 Brace부에서는 τ가 증가할수록 SCF는 증가하는 경향을 나타내었다. SCF의 범위는 2.6~3.8정도로 다른 형상계수에 비교하면 직경비 τ의 영향은 SCF에 크게 영향을 미치는 것으로 나타났다.

Fig. 9. 
Relationships between τ(=t/T) and SCF

4) γ의 영향

반경-두께비 γ의 영향을 Fig. 10에 나타내었다. Efthymiou식과 LR식은 유사한 경향을 나타내는 것을 확인할 수 있었으나, 구조해석결과는 비교적 Efthymiou식과 유사한 경향을 나타내었다. 그림과 같이 Brace부에서는 SCF의 범위가 2.6~3.7정도로 반경-두께비 γ에 대해서는 다른 형상계수에 비해 SCF에 크게 영향을 미치지 못하는 것으로 나타났다.

Fig. 10. 
Relationships between γ(=D/2T) and SCF

5) θ의 영향

Brace의 각도 θ의 영향을 Fig. 11에 나타내었다. 그림과 같이 Brace부에서는 SCF의 범위는 2.3~5.2정도로 다른 형상계수에 비해 θ가 증가할수록 SCF에 크게 증가하는 것을 알 수 있다.

Fig. 11. 
Relationships between θ and SCF

Fig. 7~Fig. 11의 그래프에 나타난 바와 같이 g의 값이 일정할 때 τ, γ의 값이 클수록 Chord와 Brace에서의 SCF가 증가하는 것을 알 수 있었으며, 그 중 τ의 증가에 의한 영향이 더 큰 것을 볼 수 있다. 직경비 β의 경우, β값이 점점 증가하여 1에 가까워질수록 SCF가 감소하는 것으로 나타났으며 비교적 큰 영향을 미치는 것으로 나타났다.

SCF 산정결과 형상계수에 따라 다음과 같은 내용을 확인할 수 있었다.

• 1) 형상계수(ξ, τ, γ, θ)가 클수록 SCF가 증가한다.
• 2) Chord와 Brace의 두께 차이를 적게 하는 것이 피로강도 향상에 유리하다.(τ 의 영향)
• 3) 편심의 영향을 줄여 설계하는 것이 피로강도 향상에 유리하다.(g의 영향)
• 4) Chord와 Brace의 직경 차이가 작을수록 피로강도 향상에 유리하다.(β 의 영향)

본 연구에서는 고정식 자켓구조물을 대상으로 기하형상계수(, β, ξ, τ, γ, θ) 및 주요 외력인자(파랑하중 등)에 따른 구조해석을 통하여 응력집중계수(SCF)를 분석하였다.

• (1) 형상계수에 따른 응력집중계수 분석
  • ① 형상계수 (ξ, τ, γ, θ)가 클수록 SCF 증가
  • ② Chord와 Brace의 두께 차이를 적게 하는 것이 피로강도 향상에 유리(τ 의 영향)
  • ③ Brace 중립축이 Chord의 중립축 상에서 일치하는 것이 피로강도 향상에 유리 (g의 영향)
  • ④ Chord와 Brace의 직경 차이가 작을수록 피로강도 향상에 유리(β 의 영향)
• (2) 3차원적으로 복잡한 연결구조를 가지는 자켓구조물에서 Brace의 중립축이 한점에 연결될 경우 변동응력의 폭이 줄어들므로 편심 e에 직접적인 영향을 미치는 θ와 ξ의 형상 계수를 적절하게 조절하는 것이 중요한 것으로 판단된다.
• (3) Brace 중립축 편심의 영향을 고려한 상세해석 결과, 연결격점부의 중립축을 일치시켜 편심의 영향을 줄이는 것이 피로강도 향상에 유리한 것으로 나타났다. 단, Brace 이음부 간격이 설계기준 이하로 설계되지 않도록 하는 것이 중요하다.
• (4) 작용하중 방향에 따른 자켓구조물의 응력분포를 분석한 결과, KT형 이음부와 N형 이음부가 모두 인장이 발생하는 조건에서 Saddle과 Crown부에서 최대응력이 발생하였다. 따라서 연결 격점부의 피로강도 개선을 위해서는 인장력이 발생하는 부재 Saddle부와 Crown부의 응력집중을 낮출 수 있는 방안이 검토 될 필요가 있다고 판단된다.