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본 연구의 LBC는 높이 33 m, 최대 작업 반경 42 m로, 전체 구조물을 지지하는 가장 아래 부분인 페데스탈(pedestal), 그 위에 구조물을 연결하는 데크(deck), 러핑과 호이스팅 작업이 이루어지는 붐(boom)과 갠트리(gantry)로 구성되어 있다.

해상에서 사용 시 부식과 안전성을 고려하여 갠트리와 붐 파트는 항복강도가 355 MPa인 S355J2를, 데크(deck)와 페데스탈(pedestal) 파트는 350 MPa의 DH36을 사용하여 설계하였다.

Fig. 1은 구조해석을 위한 LBC의 3D모델이며, Table. 1은 LBC 모델의 메쉬(mesh) 개수이다. 크레인의 실제 모델은 유한요소해석을 실시하기에는 복잡한 형태이므로 유한요소해석에 맞게 CATIA를 이용하여 형상을 단순화하여 모델링하였다. 또한 조밀하고 섬세한 Tetra메쉬(mesh) 생성을 위해 총 10개의 파트로 나누어 모델링한 후, 충돌검사를 거쳐 하나의 구조물로 인식할 수 있게 조립하였으며, 회전이 이루어지는 붐과 데크(deck)연결부는 revolute joint를 이용하여 z 방향으로만 회전이 가능하게 하였다.

Fig. 1 
3D modeling of LBC by CATIA

또한 붐 파트 자체를 지지하는 러핑 와이어를 고려해 주기 위해 ANSYS DesignModeler에서 Line body로 표현해 주었으며, Link 10요소를 적용하여 인장력만 고려하도록 설계하였다.^5-8)

Table. 2는 LBC의 해석 조건과 적용된 해석을 분류한 표이다.

LBC가 탑재되는 FPSO는 선박형태의 부유식 해양플랜트이다. 한 위치에서 에너지자원을 시추, 생산뿐만 아니라 저장, 운송의 기능을 한다. 지속적으로 변화하는 환경하중을 고려하기 위해 접안시에도 구조물의 안전성을 평가하였다. 따라서 크레인의 작업환경을 육상(On Board)과 해양(Off Board)으로 구분하였고, 러핑 각도는 28°, 61°와 80°로 나누어 각각의 안전하중을 적용하여 6개의 조건으로 구조해석하였다. 또한 LBC는 해양구조물로 바람에 대한 영향을 고려하기 위해 유동해석을 추가적으로 실시하여 구조해석의 경계조건으로 적용하였다.

LBC의 파이프는 단면적에 비해 길이가 긴 구조물로서 축 방향으로 압축하중이 작용하면 갑자기 횡 방향으로 과도하게 휘어지는 좌굴현상이 발생할 수 있다. 붐 파트, 갠트리파트와 페데스탈(pedestal) 파트로 나누어 좌굴이 일어날 가능성을 판단하였다.^9-11)

Fig. 2는 유동해석의 경계조건이다. 해양플랜트 크레인은 육상용 크레인과는 달리 해상에 위치하기 때문에 구조물의 안전성 평가 및 설계를 위해 바람에 의한 풍하중을 고려해야 한다. LBC는 두께가 얇은 파이프들이 교차로 연결돼 있는 복잡한 구조이기 때문에 직접 풍하중을 받는 면적의 압력을 계산하기에는 어려움이 있다. 또한 기하학적 모델링 및 메쉬(mesh)를 생성하며, 단순화된 부품은 크레인 전체 풍하중에 큰 형향을 미치지 않을 것으로 판단하여 구조물의 붐 파트를 하나의 육면체로 모델링하였다. 풍속에 의한 유동의 압력값을 도출할 수 있도록 풍속의 반대 방향은 165 m, 나머지 부분은 82.5 m로 유동장을 생성하였고, Inlet에 풍속 20 m/s 조건으로 적용하여 해석하였다.

Fig. 2 
Boundary conditions of CFX analysis

유동해석에서 정확한 결과를 얻기 위해서는 메쉬(mesh)의 구성이 매우 중요하다. 하지만 유동장 전체가 밀도 높은 메쉬(mesh)로 구성될 경우 해석시간이 기하급수적으로 증가하게 된다. 빠르고 정확한 압력 결과를 얻기 위해서 크레인 표면은 조밀한 메쉬(mesh)로, 크레인 표면에서 멀어질수록 큰 Tetra 유한요소망으로 생성하였다.

Fig. 3과 Table 3는 러핑각도별 크레인의 풍하 중 해석 결과이다. Stream line으로 바람을 맞는 크레인 뒷부분에 Turbulence가 발생하였고, 바람을 바로 받는 정면의 붐 파트와 페데스탈(pedestal)에서 최대 압력이 발생하였다. 압력은 한 곳에 집중되지 않고 풍하중이 전체적으로 표면에 고르게 작용하는 것을 볼 수 있다. 러핑 각도별 세 가지 조건에서 ±5 Pa 차이로 평균 258 Pa 발생하였다.

Fig. 3 
The Max. pressure results of CFX analysis

유동해석 결과, 해상에서 사용되는 구조물로써 풍하중을 필수적으로 고려해야 하지만 LBC의 경우 바람을 받는 면적이 비교적 작고, 파이프 사이로 바람이 적절히 분산되어 크레인의 압력은 작게 발생한다.

유동해석 결과를 각 러핑 각도 조건별 최대 압력을 정적해석의 경계조건으로 적용하였다. 또한 풍하중의 영향을 가장 크게 받을 수 있도록 가장 넓은 단면적을 가진 LBC 옆면에 수직 방향으로 적용하였다.

단순화하여 진행한 유동해석 결과를 과대해석으로 판단될 수 있지만, 대형 크레인에 비하면 최대 압력 결과인 Pa 단위는 미미한 영향을 줄 뿐이다. 또한 이 결과는 붐 파트를 하나의 큰 육면체로 모델링한 결과로 실제 트러스 형상으로 사용시 최대 면적이 줄어들어 최대 압력도 더 감소할 것이라 판단한다.

Table. 6은 육상과 해상에서 러핑 각도 28°, 61°와 81°의 조건에서 구조해석 한 결과이다.

러핑 각도별 해석 결과를 정리하였다.

3.4.3 Case3, 6의 정적해석 결과

Case3, 6은 러핑 각도 80°에서, 안전 하중 60 Ton과 40 Ton의 정적해석 결과이다. 두 번째 붐아래 파이프에서 최대응력이 각각 242.3 MPa, 254.59 MPa 발생하였다. 앞의 해석결과와는 다르게 육상보다 해상환경에서 더 큰 응력이 발생하였다. 육상에서 사용될 경우는 해상환경에 비해 파도나 바람의 영향을 적게 받는다. 그러므로 해상에서 더 작은 안전하중과 더 큰 동적계수를 적용하였다. 따라서 러핑 각도 28°와 61°에서는 해상에서 안전율이 더 높았다.

하지만 러핑 각도 80°는 LBC가 사용될 수 있는 최대의 각도로 좌굴 및 벤딩의 발생 가능성이 가장 크며, 최대 응력이 모두 200 MPa이상에서 발생하였다. 큰 권상 하중과 안전상에 여유를 두기위해 적용한 계수들의 영향으로 육상의 환경인 Case 3에서 더 높은 안전율이 발생하였다.

최대 응력이 발생한 두 번째 붐 파트에서는 페데스탈(pedestal), 데크(deck)와 갠트리에서의 차이보다 큰 응력 차이를 보였지만, 전체적으로 앞의 4개의 구조해석결과에 비해 큰 응력 분포를 보였다. 또한 붐의 아랫부분보다 윗부분에서 큰 응력분포를 보였던 결과와는 다르게 붐 아랫부분에서 붐 윗부분보다 2~3배 가량 높은 응력을 확인할 수 있다. 이는 리프팅의 y 방향 하중이 파이프 단면에 수직한 방향으로 큰 영향을 주어 좌굴 현상이 일어날 가능성이 크기 때문이다. 하지만 최대 응력은 모두 사용된 항복강도보다 낮은 하중에서 발생하였다.

Fig. 4 
The static analysis results of 28°

Fig. 5 
The static analysis results of 61°

Fig. 6 
The static analysis results of 80°

Fig. 7 (a)에 Case1에서는 데크(deck)와 연결되는 핀 부분을 고정하고, 자중을 적용하기 위해 중력적용하고, 러핑하중을 경계조건으로 적용하였다.

Fig. 7 
Boundary conditions of Buckling analysis

Fig. 7 (b)에 Case3에서는 페데스탈(pedestal) 아랫면을 고정하고, 크레인 구조물 전체의 힘을 각각 경계조건으로 적용하였다. 페데스탈(pedestal)의 경우 외부의 환경하중에 의해 안전성에 큰 영향을 받지 않으므로 자중을 고려하지 않았다.

Fig. 7 (c)에 Case6에서는 정적해석의 호이스팅 하중과 리프팅 하중을 적용하고, 자중을 적용하기 위해 중력을 적용하였다.

Table 7은 좌굴해석결과이다. Case1에서 갠트리의 좌굴해석 결과, 임계하중 계수 12.58이고, Case3에서 페데스탈(pedestal)의 임계하중 계수는 22.93으로 가장 안전하며, 가장 큰 응력이 발생한 Case6에서 붐 파트의 임계하중 계수는 5.41이다. 세 개의 조건에서 임계하중 계수가 모두 1 이상으로 구조물의 선형 안정성을 의미한다.