다른 산업과 마찬가지로 해양 산업은 급격한 디지털 기술 발전과 탈탄소화 필요성에 직면해 있다. 발생하는 복잡한 문제를 해결하기 위해 보다 혁신적인 개념과 기술이 조선 설계에 구현될 것으로 예상된다.
선박 안전의 근간을 제공하는 실험식으로 구성된 선체 구조와 관련된 규칙은 파랑하중의 장기 예측과 FEM의 사용을 기반으로 지금까지 발전해 왔다. ClassNK 규칙은 설계 기술의 발전을 도입해 왔다. 그러나 디지털화의 장점과 보다 혁신적인 기술을 선박에 적용해야 할 필요성을 고려하여 ClassNK는 보다 안전하고 합리적인 선체 구조 설계 및 강도 평가를 가능하도록 구조 규칙의 완전한 개정을 시행하기로 결정했다.
ClassNK의 개발 정책과 새로운 구조 규칙의 특징 및 장점은 아래와 같다.

개발 정책

ClassNK는 새로운 선박 유형 및 다양한 손상 문제의 출현에 대응하기 위해 100년 이상 구조 규칙의 부분 개정을 지속해 왔다.
예를 들어 ClassNK는 매년 구조 규칙의 부분 개정을 통해 높은 수준의 안전성과 신뢰성을 유지한다. 협회는 2001년 “탱커 구조 가이드라인(Guidelines for Tanker Structures)”에 도입되고, 이후 IACS CSR로 시행된 EDW(Equivalent Design Wave) 하중 개념 등 최신 기술과 컴퓨터 분석을 활용한 구조 강도 평가를 지속적으로 제공하고 있다.
"분석에 의한 설계(Design by Analysis)" 원칙에 부합하고 디지털화 및 zero-emissions 의무화를 지향하는 혁명적 시기에 대응하는 일관된 데이터 기반 구조 규칙을 발전시키기 위해 ClassNK는 구조 규칙을 갱신하기로 결정했다.
이 프로젝트는 대학 및 연구 기관과의 공동 연구를 통해 선박 및 해양 공학 관련 최신 기술과 사고를 통합하고, 새로운 규칙의 기술적 배경을 검증했다. 또한 초기 단계부터 해운사와 조선소를 초청하여 그들의 지식과 통찰력, 의견을 반영했다.
ClassNK는 새로운 기술 개발을 위한 산업 협력 이니셔티브에 ClassNK 엔지니어를 참여시켜 통찰력을 바탕으로 IACS CSR(공통 구조 규칙) 개발에 상당한 기여를 했다. 이러한 경험은 이번 전면 개정에도 활용되었다.
이번 전면 개정의 핵심 특징은 빅데이터를 활용한 데이터 기반 규칙 개발이다. 예를 들어 AIS 데이터 또는 판두께 측정 데이터를 분석하면 규칙 제정을 위한 지식 기반이 크게 확장된다. 다시 말하지만, 디지털 트윈 기술의 도입으로 항해 중인 선박에 대한 다양한 사실이 향후 더 명확해질 것이며 구조 규칙의 개발은 극적인 진전을 기대할 수 있다. 이에 대한 기반은 이미 ClassNK의 새로운 구조 규칙에 마련되어 있다.

규칙의 특징

- 하중: 이 프로젝트와 관련된 약 80척의 선박과 이전에 CSR 개발에 사용된 약 100척의 선박에 대한 내항성 분석 계산과 탱커, 벌크선, 컨테이너선에 대한 ClassNK 가이드라인을 결합하여 새로운 EDW 하중 공식이 도출되었으며, 컨테이너선과 같은 '샤프한' 선박부터 광석 운반선과 같은 '뭉툭한' 선박까지 모든 유형의 선박에 적용된다.
선박 운항 기간 중 최대 예측 하중도 장기 예측에 기반하여 더 정확한데, 이는 8,000여 척의 선박이 생성한 AIS 데이터를 바탕으로 선박이 접하는 실제 해상 상태를 조사하고 통계적으로 분석하기 때문이다.

- 부식 여유: 1990년대 후반 이후 건조된 선박 내 20만 곳 이상의 위치에서 두께 측정 데이터를 새롭게 취합하고 통계적으로 분석하여 부식 환경별 부식 여유 두께 설정했으며, ESP(Enhanced Survey Program) 도입 이후 최근 유지보수 품질을 반영했다.
- 강도 기준: 일부 강도 평가 방법은 구조 역학 이론과 일련의 비선형 FE 분석 결과를 결합하여 잔류 변형과 같은 손상과 직접 연결된 임계값을 도출하기 위해 개발되었다. 이 방법은 적절하고 일관된 안전 계수를 결합하여 더 안전하고 합리적인 요구 치수를 설정한다.
- 화물창 분석: 선박 전체에 대한 풀 스펙트럼 분석 계산 결과를 기반으로 EDW 하중을 갖는 부분 화물창 모델을 사용하는 강도 평가 방법이 개발되었으며, 선박 전체 분석과 유사한 결과를 제공한다.
- 피로 강도: AIS에서 확보한 약 25,000척의 선박에 대한 항로 데이터를 기반으로 대서양과 태평양을 정기적으로 횡단하며, 상대적으로 심한 반복 하중을 받는 선박의 피로 균열 발생을 충분히 억제할 수 있는 피로 강도 기준을 설정했다. 핫스팟 응력 계산 방법과 평균 응력 효과를 고려하는 방법을 검토하여 보다 정확한 평가가 이루어졌다.

새로운 구조 규칙의 장점

앞서 언급한 바와 같이 선박에 실제로 발생하는 하중 및 손상과 밀접한 강도 기준을 도입하고 적절한 안전계수를 제공하여 강도 평가의 정확도를 높인다. 또한 이 접근 방식은 과도한 치수를 줄이는 한편 더 높은 강도와 더 큰 부식 여유가 필요한 부분의 치수를 늘릴 수 있음을 의미한다. 이러한 단계는 선박 건조 비용 절감, 연료 소비 절감, 유지 보수 요구 사항 감소 및 수리 감소로 반영된다.
또한 전면 개정에서는 강도 평가의 개념을 통합하여 각 강도 요구 사항의 기술적 배경을 명확히 한다. 이를 통해 수소 연료 및 암모니아 연료 선박과 같은 새로운 구조에 대해 매우 정확한 강도 평가를 수행할 수 있으며 안전하고 매우 합리적인 설계가 가능하다.
새로운 구조 규칙에서 요구하는 강도 평가는 전용 소프트웨어 PrimeShip-HULL로 수행할 수 있다. 이 소프트웨어는 호평을 받았던 ClassNK의 CSR용 강도 평가 소프트웨어를 발전시킨 것으로 3D CAD 소프트웨어와의 호환성, 조작성, 가시성을 개선했으며, 효율적인 조선 설계 프로세스를 가능하게 하는 우수한 UI/UX를 제공한다.

■ Contact: NIPPON KAIJI KYOKAI(ClassNK)
+82-51-462-8221 / www.classnk.or.jp