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문제 정의
- 본 논문에서는 인천대교를 대상으로 하여 선박충돌 문제에 대한 중간점검을 수행하고 직면한 문제에 대한 해결방안을 제시하였다.
제안 방법
- 본 논문에서는 인천대교를 대상으로 선박충돌 문제에 대한 중간점검을 위하여 관련계획을 검토하고 주경간장, 형하고및 충돌위험도에 대하여 설계 당시와 현재의 조건을 비교·분석 하였다.
- 중간점검과 같은 유지관리 단계에서는 통계학적인 접근법을 이용하여 주경간장의 적정성을 평가하고 해당 결과로부터 선박운항 모의실험의 필요 여부를 판단하는 절차에 따르는 것이 합리적이다. 본 연구에서는 통계학적인 접근법이 적용된 배용귀(2016)의 연구결과에 근거하여 주경간장에 대한 중간점검을 수행하였다. 해당 연구에서는 선박점용이론과 항만및어항설계기준(2014), Japanese Association for Preventing Marine Accidents(1985), USACE(2003) 등과 같은 국내외 설계기준 그리고 IMO, PIANC 등과 같은 국제기구의 지침을 반영하고 있으며 선박 통행량에 근거하여 소요폭을 확률론적으로 제안하고 있어 선박의 대형화 및 통행량 증가분을 고려하여 주경간장을 평가할 수 있다.
- 선박의 대형화 및 통행량 증가에 따른 연간파괴빈도의 초과치에 대하여 근시적인 해결방안으로 설계사례와 지침, 연구결과 등을 검토하여 최적화된 운항속도를 8노트로 제시하였으며, 근본적인 해결방안으로는 설계 단계에서 대상선박 및 통행량의 합리적인 예측을 위한 기본절차를 수립하였으며 예측의 불확실성을 수용하기 위하여 통행량의 회귀분석을 통한 확률론적 예측과 선박의 대형화를 고려한 대상톤수의 선정을 제안하였다.
- 본 논문에서는 인천대교를 대상으로 선박충돌 문제에 대한 중간점검을 위하여 관련계획을 검토하고 주경간장, 형하고및 충돌위험도에 대하여 설계 당시와 현재의 조건을 비교·분석 하였다. 특히, 충돌위험도의 증가분에 대하여 이를 감소시키기 위한 근시적인 해결방안과 예측의 불확실성을 수용할 수 있는 근본적인 해결방안을 각각 제시하였다.
- Cargo Ship과 Oil Tanker는 Harbour Approach Channels Design Guidelines(PIANC, 2014)상의 제원을 적용하였으며, 컨테이너선과 크루즈선은 유사톤급인 Elly Maersk와 Queen Mary Ⅱ의 Wikipedia 상에 등록된 제원을 적용하였다. 파고의 영향은 선박 운항조건을 고려하여 시공중 조건과 동일하게 재현주기 10년 빈도의 유의파고를 적용하였으며, 교량의 처짐은 사장교의 최대 허용처짐량(L/400)을 적용하였다. 이로부터 산정된 형하고는 Table 3과 같다.
- 본 연구에서는 통계학적인 접근법이 적용된 배용귀(2016)의 연구결과에 근거하여 주경간장에 대한 중간점검을 수행하였다. 해당 연구에서는 선박점용이론과 항만및어항설계기준(2014), Japanese Association for Preventing Marine Accidents(1985), USACE(2003) 등과 같은 국내외 설계기준 그리고 IMO, PIANC 등과 같은 국제기구의 지침을 반영하고 있으며 선박 통행량에 근거하여 소요폭을 확률론적으로 제안하고 있어 선박의 대형화 및 통행량 증가분을 고려하여 주경간장을 평가할 수 있다.
대상 데이터
- 7 m로 낮은 편이라 교량 통과에 문제없으며, 크루즈선은 2020년까지 15만GT급 국제여객/크루즈 부두가 개발될 예정이므로 해당선박에 대한 검토가 필요하다. Cargo Ship과 Oil Tanker는 Harbour Approach Channels Design Guidelines(PIANC, 2014)상의 제원을 적용하였으며, 컨테이너선과 크루즈선은 유사톤급인 Elly Maersk와 Queen Mary Ⅱ의 Wikipedia 상에 등록된 제원을 적용하였다. 파고의 영향은 선박 운항조건을 고려하여 시공중 조건과 동일하게 재현주기 10년 빈도의 유의파고를 적용하였으며, 교량의 처짐은 사장교의 최대 허용처짐량(L/400)을 적용하였다.
성능/효과
- 상기의 검토결과에 따라 인천대교의 2015년 실제통행량에 대하여 설계속도를 8노트로 적용한 연간파괴빈도 산정결과는 Table 6과 같다. 여기서, 연간파괴빈도의 허용기준을 만족하는 수평강도는 196.4MN이며, 설계선박은 10,100DWT로 산정되었다. 이는 인천대교 실시설계 설계선박과 거의 유사하여 유지관리 측면에서는 만족할 만한 수준이므로 운항속도의 제한치를 8노트까지 상향 조정하더라도 문제가 없을 것으로 판단된다.
- Yoon and Yun(2007)은 선속을 무리하게 제한하는 규정이 있으면 선박의 조종성이 나빠지므로 합리적인 속도범위를 결정해야 하며 통상적인 선박 속도의 제한은 8~9 노트 이하로 하는 것이 현실적이라고 보고하고 있다. 이러한 설계사례와 지침, 연구결과를 종합해보면 유지관리 단계에서 충돌위험을 감소시키기 위하여 운항속도를 제한하더라도 불가피한 사유가 아니라면 최소한 8노트 이상을 유지하는 것이 바람직할 것으로 판단된다.
- 대부분의 설계사례에서 메트릭 톤급이 적용되지 않았으며, 대형선박의 톤급분류가 적절하지 않았다. 특히, 혼잡도 분석 혹은 물동량 예측을 위한 통행량 예측기법이 적용되어 전체적인 선박의 연간 운항횟수나 평균적인 톤수의 증가는 유사한데 비하여 선박의 대형화 및 대형선박의 증가분은 합리적으로 고려되지 않았다.
후속연구
- 펜더는 고성능의 펜더로 교체하거나 혹은 기존 펜더의 성능에 문제가 없고 추가적인 펜더베이스의 확보가 가능하다면 펜더를 추가 시공함으로써 성능개선이 가능하다. 그러나 기존의 펜더 설계는 에너지 흡수성능에 따른 작용반력이 구조물에 재하되는 방식이므로 반드시 이를 고려한 해석적인 검토까지 병행되어야 할 것으로 판단된다. 파일지지시스템은 개별파일인 경우에는 상부 거더를 추가하여 일부 또는 전체를 파일그룹으로 구성해야 하며, 파일 그룹인 경우에는 성능개선에 필요한 파일의 제원과 개수를 결정하여 기존 구조물에 최대한 근접하여 시공하고 일체로 거동할 수 있도록 상부 거더로 연결시켜주어야 한다.
- 이는 인천대교 실시설계 설계선 박에 비하여 22% 정도의 여유가 있으므로 유지관리 단계에서 인천대교의 선박충돌 문제는 운항속도의 제한을 통하여 충돌 위험을 감소시키는 방법이 적용되고 있다고 판단할 수 있다. 그러나 설계 당시의 운항속도에 비하여 제한 폭이 30%로 비교적 큰 폭이며, 운항속도는 선박의 조종성능을 비롯한 경험 및 지역적인 특성이 강하므로 보다 합리적인 접근이 필요할 것으로 판단된다.
- 선박의 대형화 및 통행량 증가에 따른 선박충돌 문제를 근본적으로 해결하기 위해서는 대상선박 및 통행량에 대한 합리적인 예측기법이 필요하다. 그러나 이러한 사례나 연구는 많이 부족하며 지역적인 특성이 강한 편이므로 이와 관련된 지속적인 연구가 필요하다.
- 그러나 선박의 운항에 영향을 미치는 요소는 선종이나 도선사의 경험 및 지역적인 특성이 매우 강하므로 일괄적으로 결정될 수 있는 사항이 아니며, 조종성능은 이론적인 계산 결과와도 많은 차이가 있으므로 신중하게 결정되어야 한다(Yoon and Yun, 2007). 그리고 지역 항만 관리청에서 고시된 통항규칙이나 경험적인 적정 운항속도, 교량통과구간의 속도 분포 등을 적절히 판단하여 적용해야 한다. 분배모델은 교량의 중요도나 교체비용을 고려하여 산정할 수 있으나 현수교나 사장교와 같은 직렬시스템에서는 중요도와 교체비용의 분배율 차이가 비교적 큰 것으로 조사되었다.
- 대상선박 및 통행량 예측을 위한 예측기법과 신뢰구간 그리고 선박의 대형화를 고려한 대상 톤수의 선정과 관련된 문제는 설계사례나 연구결과가 많이 부족한 편이므로 다양한 방법론적인 연구가 필요할 것으로 판단된다.
- 그러나 통행량은 2020년 이후까지 증가세가 유지될 것이므로 지속적인 모니터링에 의한 정기적 중간점검이 필수적이다. 또한, 운항속도의 제한치에 대해서는 관련기관과 항해사 및 도선사의 다양한 의견수렴이 필요하며, 대형선박의 통행량이 지속적인 증가세를 유지한다면 대표적인 선박의 종류와 운항상황을 가정하여 선박운항 모의실험을 통한 적절한 운항속도의 제한치를 확인할 필요가 있다.
- 선박충돌 문제와 관련하여 중간점검을 수행하기 위해서는 기본적으로 항만개발 관련계획과 대상선박 및 통행량의 추이를 조사해야 한다. 이로부터 선박의 대형화 및 통행량 증가 여부를 확인하여 해상교량의 선박통과에 필요한 시설한계인 주경장 및 형하고의 적정성을 확인해야 하며, 구조물의 건전성을 확보하기 위하여 선박충돌위험도가 허용기준을 만족하고 있는지 검토해야 한다.
- 펜더는 고성능의 펜더로 교체하거나 혹은 기존 펜더의 성능에 문제가 없고 추가적인 펜더베이스의 확보가 가능하다면 펜더를 추가 시공함으로써 성능개선이 가능하다. 그러나 기존의 펜더 설계는 에너지 흡수성능에 따른 작용반력이 구조물에 재하되는 방식이므로 반드시 이를 고려한 해석적인 검토까지 병행되어야 할 것으로 판단된다.
- 향후 지역적인 여건을 고려한 운항속도의 제한치에 대하여 다양한 의견수렴 및 합리적인 결정과정이 필요하며, 통행량의 예측값과 실제값의 격차를 줄일 수 있는 다양한 방법론적인 연구도 필요할 것으로 판단된다. 특히, 공용중인 다른 해상 교량에 대해서는 선박충돌에 대한 즉각적인 중간점검을 수행하여 필요한 유지관리 방안을 마련해야 한다.
- 주경간장은 2013년부터 소요폭이 주경간장을 넘어서고 있으나 초과치가 적은 편이기 때문에 지속적인 모니터링과 유지관리가 수행된다는 조건 하에서는 대체로 만족한다고 판단할 수 있다. 형하고는 일부 대형선박들이 조수간만의 차이에 따라 통과조건을 부분적으로 만족하고 있으므로 이에 대한 면밀한 검토가 필요할 것으로 판단된다. 충돌위험도는 연간파괴빈도가 허용기준을 만족하는 설계선박이 57% 초과하고 있으므로 이에 대한 해결 방안을 마련해야 한다.
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