볼티모어 선박 충돌 교량 붕괴 원인

볼티모어에서 키 브리지가 선박 충돌로 인해 교량이 붕괴되는 사고가 일어났다. 키 브릿지는 1977년 준공된 교량으로 이번 충돌로 수십대의 차량이 빠지는 대형 사고가 났다. 선박 충돌에 대한 설계 규정은 미국의 aashto와 우리나라의 도로교 설계기준 중 한계상태설계법에 명시되어있다.

키브릿지 붕괴

선박 충돌로 인해 교량이 붕괴된 전세계 사례

1. 역사적 사례

• 1876년 영국 런던 타워 브릿지
• 석탄 운반선 "SS 메트로폴리스"가 다리를 들이받았다.
• 다리 일부가 붕괴되어 8명 사망

1930년 미국 뉴욕 킹스브릿지

• 유조선 "SS 텍사스"가 다리에 충돌하여 붕괴
• 10명 사망, 60명 이상 부상

1967년 독일 슈투트가르트 라인강 다리

• 유조선 "호엔슈바이겐"이 다리에 충돌하여 붕괴
• 7명 사망, 40명 부상

2. 최근 사례

• 2007년 중국 상하이 푸동 황푸강 다리
• 컨테이너선 "SS 젠양"이 다리에 충돌하여 붕괴
• 3명 사망, 4명 부상

2013년 미국 캘리포니아 샌프란시스코 베이 브릿지

• 화물선 "SS 코스타 콘코르디아"가 다리에 충돌
• 다리 일부 손상, 인명 피해 없음

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2020년 이탈리아 제노아 모란디 다리

• 화물선 "SS 죠반니 스카시아"가 다리에 충돌하여 붕괴
• 43명 사망, 600명 이상 부상

2024년 미국 볼티모어 키브릿지

• 선박의 교각 충돌로 붕괴 

3. 선박의 교량 충돌 주된 원인 분석

• 선박의 과속, 운전 실수, 기계 고장
• 교량 설계 결함(선박충돌 하중 및 충격력 고려 부족), 관리 소홀(콘크리트 열화, 교각보호공 부실)
• 악천후로 시야문제

 

4. 선박 충돌 시 하중

• 비스듬히 박는지 세게 충돌하는지에 따라 다른데 사고가 나는 규모로 약하면 400 kN에서 5000kN까지 날 수 있다.

 

5. 한계상태설계법과 선박 충돌 

한계상태설계법은 교량 설계 시 안전성과 경제성을 확보하기 위해 사용되는 설계 방법이다. 이 방법은 교량이 붕괴될 가능성이 매우 낮은 극단상황한계상태를 고려하여 설계 하중을 산정한다. 선박 충돌은 극단상황한계상태에 영향을 미치는 주요 요인 중 하나이다.

선박 충돌 하중 산정

선박 충돌 하중은 다음과 같은 요소들을 고려하여 산정됩니다.

• 선박 정보: 선박 종류, 크기, 무게, 속도
• 충돌 정보: 충돌 각도, 충돌 위치
• 교량 정보: 교량 형식, 지지 조건, 강도

한계상태설계에서 개념

선박 충돌

• 충돌 후 교량의 붕괴 방지: 교량의 붕괴를 방지할 수 있는 충분한 강도 확보
• 교량의 기능 유지: 충돌 후에도 교량의 기능 유지 가능
• 인명 피해 최소화: 충돌 시 발생할 수 있는 인명 피해 최소화

상부구조물의 설계 시에 설계충격하중은 항행항로 중심선에 평행한 방향을 따라 상부구조 부 재에 횡방향으로 재하한다. 이 때 설계충격하중은 등가정적하중으로 재하한다.

 

선박충돌에 대한 교각의 노출 위험도를 줄이거나 없애기 위해 펜더, 군말뚝, 말뚝지지 구조물, 돌핀, 인공섬 또는 이들을 조합한 방호공을 설치할 수 있다.

방호공은 충돌에 대해 심한 손상을 받거나 붕괴될 수도 있지만 이는 충돌선박이 교각에 충돌 전에 방호공에 의해 정지되거나 또는 방향이 재조정되어 교각으로부터 멀어지는 경우에 한한다.

 

교각충돌의 확률

 

교량부근에서 항로를 이탈한 선박의 항로를 모형화하는데 정규분포를 이용할 수 있다. 기하학 적 확률분포(PG)는 그림 3.21.2에 나타낸 바와 같이 교각의 양 측면에 놓인 두 선박의 중심선 사이의 범위에서 정규분포곡선을 적분한 면적이다. 이 정규분포의 표준편차는 3.21.4에 따라 서 선택된 설계선박의 총길이와 같다고 가정한다.

이 정규분포의 평균위치는 선박통과경로의 중심선으로 잡아야 한다.