교량 충돌하중

왜 배우는가: 교량 충돌하중은 교량이 하천, 해협, 도로 위를 지나는 구조물이어서 실제 사고로 이어지기 쉽고, 한 번 발생하면 교량 붕괴와 인명 피해로 이어진다. 설계기준에 따라 충돌하중을 검토하고 방호 대책을 세우는 문제는 실무 설계와 시험 모두에서 반복해서 다뤄진다.

출제 이력: 제131회 1교시 6번, 제96회 3교시 2번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

답안 첫 줄에 쓸 정의 문장은 다음과 같다.

충돌하중은 이동하는 선박이나 차량이 교량 부재에 부딪힐 때 그 부재에 작용하는 우발하중이다.

교량은 강이나 바다, 도로 위를 가로지르므로 통행하는 선박과 차량에 노출된다. 이 노출을 설계에 반영한 것이 충돌하중이다. 설계에서는 충돌이 자주 일어나는 사건이 아니라도, 일어나면 구조 안전에 치명적이라는 점을 함께 본다. 그래서 충돌하중은 매일 작용하는 사용하중과 달리 발생 가능성은 낮지만 크기가 큰 우발하중으로 취급한다.

핵심 키워드

• 선박 충돌하중: 선박이 교각이나 교대에 부딪힐 때 작용하는 힘이다.
• 차량 충돌하중: 차량이 교각, 교대, 방호벽 등에 부딪힐 때 작용하는 힘이다.
• 우발하중: 발생 빈도는 낮지만 작용하면 구조물에 큰 손상을 줄 수 있는 하중이다.
• 방호공: 충돌력을 흡수하거나 분산해 교각을 보호하는 구조물이다.
• 돌핀: 말뚝을 무리 지어 박고 변형으로 충돌 에너지를 흡수하는 방호 구조다.
• 한계상태설계법: 국내 도로교 설계기준의 기본 체계이며, 충돌하중은 이 체계의 하중 항목으로 규정된다.

2. 개념 풀이

쉬운 말로 하면, 다리 기둥이 배나 차에 받혔을 때의 충격을 설계 단계에서 미리 계산해 두는 것이다. 다리 기둥이 튼튼해도 충돌 한 번으로 무너질 수 있으므로, 충돌을 막거나 충격을 줄이는 대책을 함께 검토한다.

정식 정의는 다음과 같다. 교량 충돌하중은 교량 부근을 지나는 선박, 차량, 그 밖의 이동 물체가 교량의 하부구조나 상부구조에 충돌할 때 구조 부재에 작용하는 하중이다. 교량 설계에서 충돌하중은 통행하중처럼 정기적으로 작용하는 하중이 아니므로 우발하중으로 다룬다. 환경하중의 한 종류로 분류되기도 한다. 일반 교량 설명에서도 환경하중에는 지진, 홍수, 세굴과 함께 선박 충돌이 포함된다.

핵심 용어를 풀어 보면 다음과 같다.

충돌력은 충돌 순간 부재에 전달되는 힘이다. 충돌력의 크기와 방향은 선박의 톤수와 속도, 항로와 교각의 위치, 방호 시설의 유무에 따라 달라진다. 질량과 속도가 클수록 충돌 에너지가 커지며, 이를 운동에너지 식으로 나타내면 E=\frac{1}{2}mv^2 이다. 여기서 E는 운동에너지(kJ), m은 선박의 질량(t), v는 충돌 직전의 속도(m/s)다.

방호 구조는 충돌 자체를 줄이거나 충돌력을 받아내는 시설이다. 방호공, 인공섬, 돌핀이 대표적이다. 방호 구조는 충돌력을 흡수하거나 선박을 밀어내는 방식으로 교각을 보호한다.

충돌력의 크기와 방향은 설계에서 공학적 판단이 크게 필요하다. 모형시험과 충돌 발생 확률 평가를 거쳐 정하는 것이 실무 원칙이다. 충돌하중을 고려해야 하는 경우에는 중실형 교각을 채택하는 방향으로 검토한다.

3. 등장 배경과 필요성

교량이 놓이는 위치는 대부분 물길이나 도로 가까이다. 하천과 해협을 건너는 교량은 선박 항로와 가깝고, 도로교의 교각은 차도 옆에 놓이는 경우가 많다. 이 때문에 교량은 처음부터 이동 물체와 부딪힐 가능성에 노출된다.

선박 충돌은 해양사고에서 중요한 위험이다. 인명 피해와 기름 유출, 선주의 재정 손실이 발생할 수 있고, 연안 기반시설인 교량의 파괴로도 이어질 수 있다. 교량 붕괴는 사고 한 건으로 끝나지 않고 교통망 전체의 마비와 복구 비용으로 이어진다.

역사적으로도 충돌 사고가 교량 붕괴로 이어진 사례가 있다. 1975년 1월 5일 호주 타스만 교량에 화물선이 충돌해 교량이 붕괴했다. 충돌을 설계 단계에서 다루어야 하는 이유가 이 사례에서 드러난다.

방호 대책도 필요성이 크다. 인도 Mandovi 교량 사례에서는 목재 말뚝 방호공이 충돌에 효과적이지 않았고, 이후 콘크리트 방호공이 채택되었다. 방호 시설의 재료와 형식은 실제 충돌 조건을 기준으로 정해야 한다는 교훈을 준다.

국내 도로교 설계는 KDS 24 12 21 교량 설계하중(한계상태설계법)을 따른다. 이 기준은 충돌하중을 하중 항목으로 규정하므로, 설계자는 하중조합을 검토할 때 충돌하중을 빠뜨리지 않아야 한다. 충돌하중을 누락하면 설계 안전성이 확보되었다고 보기 어렵다.

정리하면, 충돌하중을 설계에 반영하는 이유는 발생 확률이 낮더라도 결과가 치명적이기 때문이다. 설계 단계에서 충돌력을 정하고 방호 대책을 함께 세우는 것이 교량 안전을 지키는 기본 절차다.

4. 구성요소·원리·절차

교량 충돌하중은 충돌 주체에 따라 선박 충돌, 차량 충돌, 열차 충돌로 나뉜다. 구성요소는 충돌 주체, 충돌력의 크기와 방향, 작용점 높이, 방호 수단 네 가지다. 충돌 대상이 교각인지 교대인지, 상부구조인지에 따라 검토 방법이 달라진다.

위 표의 세 가지는 충돌 에너지의 크기가 서로 다르다. 선박 충돌이 가장 크고, 차량 충돌은 교각의 위치에 따라 달라진다.

충돌 에너지는 운동에너지로 결정된다. 충돌 에너지는 방호공이 흡수하거나 구조물이 소성변형으로 흡수한다.

$E = \frac{1}{2} m v^2$

여기서 E는 충돌 에너지(J), m은 충돌체 질량(kg), v는 충돌 직전 속도(m/s)다. 가상의 예로 질량 1,000t(1.0×10^6 kg) 선박이 2m/s로 교각에 충돌하면 E = 0.5 \times 10^6 \times 2^2 = 2.0 \times 10^6 J, 즉 2MJ이다. 이 에너지를 방호공이 흡수하는지, 교각이 저항하는지에 따라 설계 충돌력이 정해진다.

설계 절차는 다음과 같다.

• 교량 위치와 항로·도로 조건을 조사한다.
• 충돌 빈도, 속도, 선박 톤수 등 위험도를 평가한다.
• 설계 충돌력의 크기, 방향, 작용점을 결정한다.
• 방호공을 설치하거나 교각의 저항 설계를 한다.
• 하중조합을 적용해 구조를 검토하고 점검 계획을 세운다.

충돌력은 방호 여부와 구조 저항을 함께 검토해 정한다. 충돌력의 크기와 방향은 모형 실험과 확률론적 충돌 빈도 평가를 거쳐 정하는 것이 원칙이다.

5. 관련 법령·기준·표준

도로교 충돌하중의 기준은 KDS 24 12 21(교량 설계하중, 한계상태설계법)이다. 이 기준은 교량 설계하중의 하나로 충돌하중을 규정한다. 선박 충돌의 항로 조건과 방호 기준은 항만·하천 관리 기준과 함께 확인해야 한다.

선박 충돌력은 값 대신 산정 방법을 쓴다.

소제목 4·5의 핵심어는 충돌하중, 방호공, KDS 24 12 21이다.

6. 유형과 비교

교량 충돌하중은 충돌 주체에 따라 선박 충돌, 차량 충돌, 유빙·부유물 충돌로 나뉜다. 충돌 주체마다 질량·속도·충돌 방향이 달라 설계 입력과 대책이 달라진다. 아래 표는 선박 충돌과 차량 충돌을 설계 관점에서 비교한 것이다.