Estimation of Design Load for Ship Collision Considering Dynamic Response of Bridge

Abstract

항로에 위치한 교량에 대하여 선박충돌 대응 설계를 할 때에는 선박충돌하중을 예측하고 이에 대한 교량의 응답을 평가해야 한다. 현행 설계기준인 AASHTO LRFD (2014) 에서는 선박충돌 설계하중을 등가정적 충돌하중으로 정의한다. 하지만 정적 해석으로는 관성력과 감쇠력에 의해 발생하는 교량의 동적 응답이 고려되지 않기 때문에 교량의 정확한 응답을 평가하기 힘들다. 이 연구에서는 교량의 동적 응답을 고려하기 위해 선박충돌 설계하중을 최대충돌하중, 선박의 질량, 충돌 속도 세 변수로 구성되는 시간이력을 동적충돌하중모형으로 사용할 것을 제안하였다. 발생 가능한 동적충돌하중모형의 범위는 설계 선박의 규모와 항로에 따른 설계 충돌속도로부터 결정되며, 설계하중의 후보는 이 중 교량의 응답을 최대로 발생시킬 수 있는 것으로 선택되어야 한다. 이 연구에서 설계하중의 후보는 고유 진동 모드와 고유 주기와 같은 교량의 동적 응답 특성을 고려하여 선택되었다. 선박충돌을 받는 교량의 동적 응답에 주로 영향을 미치는 주요 고유 진동 모드가 Participation Factor를 이용해 정의되었고, 이러한 진동 모드를 발현시킬 수 있는 충돌 지속시간이 동적충돌하중모형의 Shock Spectrum을 이용해 결정되었다. 제시된 방법론을 인천대교 해석 예제에 적용하여 선박충돌 설계하중을 발생 가능한 모든 동적 하중 모형을 해석할 필요 없이 효과적으로 산정하는 방법에 대해 검증하였다.

When designing bridges crossing navigable waterways against ship collision, it is necessary to estimate a ship collision load and evaluate corresponding response of the bridge. Current design code, AASHTO LRFD (2014) defines a design load for ship collision as an equivalent static collision load, however, it is hard to estimate corresponding response of the bridge accurately with a statical analysis because of inconsideration of dynamic response come from inertia force and damping force. This research suggests a design load for ship collision as a time history load presented by a dynamic collision load model, taking into account dynamic responses of the bridge that composed of three parameters – the maximum collision load, ship mass and impact velocity. The feasible range of the dynamic collision load model can be determined from size of the design ship and design impact velocity of the relevant waterway, and candidate models shall be selected so that have chance to maximize the response of the bridge among them. In this research, candidate models were selected coupled with characteristics of dynamic response of the bridge such as natural modes and periods. Principal natural modes of vibration which mainly affect the dynamic response of bridge collided by ship are defined using participation factor and shock spectrum of the dynamic collision load model is used to determine the total collision duration which can make these modes appear. Through the numerical example on Incheon bridge applying this methodology, it was verified to estimate a design ship collision load efficiently without analyzing all the dynamic collision load model.