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교각에 작용하는 설계선박충돌력 산정에 관한 연구 I : 평균충돌력
A Study for the Evaluation of Ship Collision Forces for the Design of Bridge Pier I : Mean Collision Force 원문보기

大韓土木學會論文集, Journal of the Korean Society of Civil Engineers. A. 구조공학, 원자력공학, 콘크리트공학, v.31 no.3A, 2011년, pp.199 - 206  

이계희 (목포해양대학교 해양시스템공학부) ,  홍관영 (오션스페이스(주))

초록
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현재 국내에서 사용되고 있는 교량의 선박충돌력에 대한 설계기준은 Woisin의 실험으로부터 제안된 평균충돌력을 적용한 AASHTO LRFD에 기반을 두고 있다. 이러한 평균충돌력의 보수성을 평가하기 위하여, 본 연구에서는 비선형 유한요소해석을 토대로 선박의 질량-가속도의 관계, 선수의 변형-운동에너지의 관계를 이용하여 선수충돌시 발생하는 평균충돌력을 산정하고 이를 AASHTO 설계기준과 비교하였다. 그 결과, 선박의 크기에 따른 평균충돌력의 변화는 해석에서 얻어진 평균충돌력에 비해 매우 보수적이지만 경향은 일치하는 것으로 나타났다. 그러나 속도에 따른 평균충돌력의 변화는 충돌속도에 비례하는 설계기준의 값과는 달리 선수의 소성거동에 지배를 받는 것으로 나타났다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

In Korea, the current design codes for the bridge vessel collision load are based on AASHTO LRFD code which derived from the mean collision forces of the Woisin's test. To estimate the conservativeness of the code, in this study, the mean forces of head on collisions were evaluated from the mass-acc...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 이러한 선박의 충돌력에 대한 실제 정밀한 충돌해석을 통해 얻어진 충돌력과의 상관관계를 고찰한 연구결과는 찾아보기 힘들다. 본 연구에서는 교량설계시 선박충돌력을 산정하는 주요 매개변수인 선박의 크기와 충돌속도에 대하여 수치해석을 수행하고 다양한 방법으로 평균충돌력을 산정하여 현 설계기준이 가진 보수성을 평가하고자 하였다.
  • 본 연구에서는 다양한 충돌조건을 고려하여 비선형 해석을 수행하여 얻어진 충돌력 시간이력을 바탕으로 평균충돌력을 산정하였다. 그 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.
  • Minorsky는 원자력선의 원자로보호를 위하여 26개의 충돌사고를 분석하여 충돌에너지와 변형된 강재의 부피와의 관계를 산정하였다(Larsen, 1993). 이후 이탈리아에서 원자력선의 설계를 위하여 비탈에서 선수모형을 미끄러뜨려 방호공의 충돌거동을 연구하였다. 현재 설계 충돌력 산정의 기초가 된 Woison의 실험은 1970년대에 수행되었으며 역시 비탈에서 선수모형을 미끄러뜨리는 형태였다.

가설 설정

  • 이 AASHTO LRFD 기준서에서 제안하는 충돌력은 Woisin의 평균충돌력 개념에 바탕을 두고 있으며, Woisin의 충돌 모형시험에서 최대충돌력이 발생하는 0.1~0.2초의 시간은 구조물에 치명적인 영향을 미치지 못한다는 가정하에 평균충돌력을 계산하였다. 이러한 Woisin의 평균충돌력 개념을 이용하여 Saul과 Svensson은 40,000DWT급 이상의 벌크선이 16 knot로 강체와 충돌할 때에 선박충돌력 산정식을 제안하였으며, 이 제안식은 “40,000DWT와 160,000DWT급 사이의 선박충돌력이 선박재하톤수(DWT)의 제곱근에 비례한다”는 가정에 근거하고 있다(Saul and Svensson, 1983).
  • 그러나 우리가 관심있는 충돌력은 충돌과정에서 얻어지는 충돌력이므로 이러한 반동에 의한 충돌력의 변화는 무시한다. 이와 같은 가정은 기존의 연구결과중 선수의 손상량을 매개변수로 하여 선박의 충돌력을 산정하는 방법들과 같이 선박의 모든 운동에너지가 소성변형으로 소산된다고 가정하는 것이다. 이러한 가정은 다른 메커니즘에 의해서 소산되는 에너지를 선박의 소성에너지로 모두 부담하므로 실제로는 큰 선박충돌력을 가정하게 되어 보수적인 산정방법이 된다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
현재 국내에서 사용되고 있는 교량의 선박충돌력에 대한 설계기준는 무엇에 기반을 두고 있는가. 현재 국내에서 사용되고 있는 교량의 선박충돌력에 대한 설계기준은 Woisin의 실험으로부터 제안된 평균충돌력을 적용한 AASHTO LRFD에 기반을 두고 있다. 이러한 평균충돌력의 보수성을 평가하기 위하여, 본 연구에서는 비선형 유한요소해석을 토대로 선박의 질량-가속도의 관계, 선수의 변형-운동에너지의 관계를 이용하여 선수충돌시 발생하는 평균충돌력을 산정하고 이를 AASHTO 설계기준과 비교하였다.
교량들의 중요한 하중조건인 선박의 충돌하중 산정을 위해 국내에서는 미국의 AASHTO LRFD 기준을 주로 사용하고 있는데 대형 교량의 경우에는 무엇을 추가적으로 검토하여 설계하고있는가. 해상교량 및 항로를 횡단하는 장대교량이 속속 계획, 설계, 시공되고 있는 현 시점에서 선박의 충돌하중은 이러한 교량들의 중요한 하중조건이 되고 있다. 국내에서는 선박의 충돌 하중 산정을 위해 미국의 AASHTO LRFD 기준(AASHTO, 1991; AASHTO, 2004)을 주로 사용하고 있으며(건설교통부, 2005; 대한토목학회, 2006) 대형교량의 경우에는 컴퓨터수치 해석에서 얻은 충돌력이 교량하부구조의 구조적 안전성에 영향을 미치는지를 추가적으로 검토하여 설계하고 있다. 이러한 과정에서 대부분의 경우 선박충돌에 대한 이해부족과 보수적인 설계로 인해 설계기준의 충돌력과 수치해석에서 얻은 충돌력간의 상관관계가 불명확해지고, 설계결과물이 하중에 대하여 과다설계되는 경향이 있다.
선박 충돌력에 대한 정확한 이해와 적용이 전체교량의 경제성 증진으로 이어지는 이유는 무엇인가. 이러한 과정에서 대부분의 경우 선박충돌에 대한 이해부족과 보수적인 설계로 인해 설계기준의 충돌력과 수치해석에서 얻은 충돌력간의 상관관계가 불명확해지고, 설계결과물이 하중에 대하여 과다설계되는 경향이 있다. 특히 해상교량의 경우 하부구조의 건설비용이 매우 높다는 점을 고려한다면 선박 충돌력에 대한 정확한 이해와 적용은 전체교량의 경제성 증진으로 이어질 것이다.
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참고문헌 (16)

  1. 건설교통부(2005) 도로교설계기준. 

  2. 대한토목학회(2006) 케이블강교량설계지침. 

  3. 이계희, 고재용, 이성로(2004) 방호공을 고려한 선박의 충돌하중, 한국전산구조공학회 학술발표회 논문집, 한국전산구조공학회, 제17권 제32호, pp. 193-200. 

  4. 이계희, 홍관영, 고재용(2005) 중형 충돌시 선박과 방호공의 충돌거동, 대학토목학회논문집, 대한토목학회, 제25권 제6A호, pp. 1133-1141. 

  5. 이성로, 배용귀, 이계희(2006) 구조물의 선박충돌해석, 한국구조물진단학회논문집, 한국구조물진단학회, 제10권 제4호, pp. 87-96. 

  6. 이성로, 배용귀(2007) 소형선박충돌에 의한 독립수직파일 방호구조물의 구조특성분석, 대한토목학회논문집, 대한토목학회, 제27권 제2A호, pp. 201-207. 

  7. Larsen, O.D. (1993) Ship collision with bridges: the interaction between vessel traffic and bridge structures, IABSE Structural Engineering Document 4, IASBE-AIPC-IVBH, Zurich, Switzerland. 

  8. AASHTO. (1991) Guide specification and commentary for vessel collision design of highway bridge, american association of state highway and transportation officials, Washington, D.C. 

  9. AASHTO. (2004) AASHTO LRFD Bridge Design Specification and Commentary. 

  10. Amdahl, J. (1983) Energy absorption in ship-platform impacts. Dr. Thess, The Norwegian Inst. of Techn., Trondheim 

  11. Kuroiwa, T., Kawamoto, Y., Kasuba, S., and Stillman, D., Numerical Simulation of Collision and Grounding of Ships, Proc. of Int. Conference on Technologies for Marine Environment Preservation (MARIENV'95), Vol. 1, Tokyo, pp. 66-70, Sept. 1995. 

  12. LS-DYNA (2003) LS-DYNA Keyword User's Manual: Version 970, Livermore Software Technology Corporation, Livermore, CA. 

  13. Nagasawa, H., Arita, K., Tani, M., and Oka, S. (1977) A Study on the Collapse of Ship Structure in Collision with Bridge Piers, J. of the Society of Naval Architects of Japan, Vol. 142, pp. 323-332. 

  14. Saul, R. and Svensson, H. (1983) Means of Reducing Consequences of Ship Collisions with Bridges and Offshore Structures, IABSE Colloquium on Ship Collision with Bridges and Offshore Structures, Copenhagen. 

  15. Woisin, G. (1977) "Die Kollisionsversuche der GKSS." Jahrbuch der Schiffbautechnischen Gesellschaft, Vol. 70, pp. 465-487, Berlin. 

  16. Yang, P.D.C. and Caldwell, J.B. (1988) Collision energy absorption of ship's bow structures, International J. of Impact Engineering, N2, pp. 181-196. 

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