선체거더 (Hull Girder)

조선해양공학
한 줄 정의: 선체 전체를 하나의 등가 보(beam)로 취급하여 종강도를 평가하는 개념적 구조 모델이다.

쉽게 풀면

배 전체를 하나의 긴 다리(빔)처럼 보고 얼마나 튼튼한지 계산하는 방법이다. 선박 전체를 하나의 커다란 다리(교량) 구조물처럼 생각해, 양 끝의 지지점 대신 물의 부력이 떠받치고 있다고 보는 개념적 모델입니다.

왜 중요한가

선체를 하나의 긴 보로 보는 선체거더 개념은 종강도 평가의 근본 모델이므로, 정수 중 하중과 파랑 굽힘 모멘트를 계산하고 단면계수를 검토하는 모든 절차가 이 개념 위에서 이루어집니다. 실무에서는 적재 상태별 정수 중 굽힘 모멘트와 전단력이 허용값 이내인지 확인하는 적하 계산기가 선체거더 이론을 구현한 것입니다. 선체를 하나의 보로 단순화하는 이 가정 덕분에 복잡한 구조물 전체를 일일이 계산하지 않고도 굽힘응력을 신속하게 산정할 수 있어, 초기 설계 단계의 실용적인 도구로 널리 쓰입니다.

논문에서는 이렇게 쓰입니다

선체거더 강도는 선체 횡단면을 구성하는 종강도 부재의 단면적과 배치를 이용해 단면2차모멘트와 단면계수를 산출하고 이를 기반으로 굽힘응력을 평가한다.

컨테이너선의 대형 해치 개구를 고려한 선체거더 단면특성을 계산하여 비틀림 및 굽힘 복합응력을 평가한다.

선체거더는 파랑 하중에 의해 발생하는 종굽힘모멘트를 견딜 수 있도록 갑판과 저판에 충분한 단면적을 확보해야 한다.

파도가 배에 가하는 굽힘 힘을 버티기 위해 갑판과 바닥판이 튼튼해야 한다는 설명이다.

조금 더 깊게 보면

선체거더 이론은 단면이 평면을 유지한다는 보 이론 가정을 쓰므로, 대형 해치가 열린 컨테이너선의 비틀림처럼 단면 뒤틀림이 큰 경우나 갑판 개구부 주변의 응력 집중은 설명하지 못하고 별도의 유한요소 해석이 필요합니다. 또한 파랑 굽힘 모멘트를 정적 하중처럼 다루지만 실제로는 선체거더 진동인 휘핑과 스프링잉이 겹쳐 응력이 커질 수 있어 대형 컨테이너선에서는 이 동적 성분을 따로 고려합니다. 극한 강도는 탄성 단면계수가 아니라 좌굴을 포함한 점진적 붕괴 해석으로 평가합니다. 선체를 보로 취급할 때는 갑판, 선저, 종격벽 등 선체 길이 방향으로 연속된 부재만 유효 단면에 포함시키며, 이 유효 단면적이 클수록 같은 굽힘모멘트에서도 부재에 걸리는 응력이 줄어듭니다. 실제로는 전단지연 현상 때문에 넓은 갑판판 전체가 균일하게 하중을 받지 않아, 정밀 설계에서는 유효폭이라는 개념으로 단면적을 보정합니다.

주의할 점

해치가 큰 컨테이너선처럼 개구가 많은 선박은 단순 보 이론만으로 선체거더 거동을 완전히 설명하기 어렵다.

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