교량의 선박충돌 설계하중에 대한 확률론적 산정 기법

Abstract

교량에 대한 선박충돌은 사고 발생의 불확실성과 교량 하중의 극단성으로 인하여 지진이나 태풍과 함께 극단사건으로 분류된다. 이에 따라 현재 교량설계에서는 선박충돌로 인한 교량의 붕괴확률을 제어하는 위험도 분석 방법을 이용하고 있다. 이러한 위험도 분석 방법은 선박의 충돌하중과 교량의 대표 저항을 이용한 근사식을 통해 교량 전체의 붕괴확률을 정의한다. 따라서 이러한 방법을 이용하여 교량 부재의 안전성을 평가하는 데에는 한계가 있다. 이러한 문제점 때문에 실제 설계에서는 최악의 충돌 시나리오를 적용하여 기초나 교각을 보수적으로 설계하거나, 선박과 직접 충돌을 원천적으로 차단하도록 보호공을 배치하여 선박충돌로 인한 붕괴확률을 낮추고 있다. 하지만 이러한 방법들은 실제 발생 가능성이 낮은 충돌하중을 기준으로 하기 때문에 부재의 과다설계와 보호공 건설비용의 불필요한 증가를 야기시킬 우려가 있다. 이 논문은 충돌하중을 견딜 수 있는 교량 부재의 경제적인 설계와 충돌에 대한 교량의 안전성 평가를 가능하게 하기 위하여 확률에 근거한 교량의 선박충돌 설계하중 산정기법을 제안하였다. 선박충돌에 의한 확률론적 설계하중을 산출하기 위해서 이 논문에서는 충돌시나리오를 확률적으로 모의하는 수학적 모델을 개발하였다. 충돌하중의 확률분포는 수학적 모델에 의해 산출된 다량의 충돌 시나리오를 바탕으로 한 몬테카를로 시뮬레이션을 사용하여 도출하였다. 다양한 충돌 시나리오에서의 충돌하중을 효율적으로 계산하기 위해서 선박의 운동방정식과 선박의 변형특성을 이용한 충돌해석기법을 개발하였다. 제안한 선박충돌 설계하중 산정기법을 국내에 건설된 사장교에 적용한 결과 충돌하중의 분포 확률에 근거한 설계하중을 산출할 수 있었다. 이를 통해 지진이나 태풍과 같이 확률에 근거한 선박충돌의 설계하중의 정량적인 평가를 수행하였다. 제안한 성능기반설계법은 선박충돌 설계하중 산정기법은 설계하중의 연간초과확률 정의 방법이나 개별적인 부재의 목표성능수준에 대한 연구가 보완된다면 선박충돌설계에 적용하는데 활용될 수 있다. 또한 교량과 선박의 직접적인 충돌을 고려한 설계하중을 제안함으로써 교량의 응답제어기법이나 충돌하중을 완화시켜주는 펜더(Fender)와 같은 충돌보호시스템의 연구를 파생시킬 수 있다.