3.1.1. 충돌 위험도 상세 검토

위험도평가는 대상교량의 선박충돌에 대한 연간파괴빈도 를 산정하여 허용기준을 만족하는 수평강도를 산정하고 이에 상응하는 대상선박을 선정하여 설계 및 상세해석을 수행하게 된다. 일반적인 설계 단계에서 연간파괴빈도의 산정은 ^{AASHTO GUIDE(2009)}의 절차에 따르더라도 특별한 문제는 없으나 일 부 요소는 지역적인 특성이 강하고, 내륙수로의 데이터가 다 수 포함되어 있으며 오래된 데이터에 의존하고 있다는 한계 가 있다. 따라서 유지관리 단계에서는 지역적인 특성이 반영 된 다양한 데이터의 수집 및 분석을 통한 연간파괴빈도의 산 정이 필요하다.

항로이탈확률은 설계 당시의 자료와 공용기간동안 축적된 자료를 추가로 수집‧분석하여 해당 수역 또는 항로의 지역적 특성이 반영된 항로이탈확률을 산정하여 적용할 수 있다. 그 러나 ^{AASHTO GUIDE(2009)}에서 제시하는 항로이탈확률은 다른 기준이나 설계사례에 비하여 비교적 낮은 편이므로 신 중한 접근이 필요하다. 기하학적확률은 ^{AASHTO GUIDE (2009)}에서 왕복항로를 기준으로 입항 또는 출항 항로의 중심 을 평균으로 하고 사고선박 데이터에 근거하여 해당선박 길 이를 표준편차로 하고 있다. 그러나 선박의 운항은 도로처럼 차선으로 분류되어 있는 것이 아니기 때문에 해당수역에 대 한 항적 자료의 수집‧분석 그리고 공용기간 동안 해당 수역의 사고 사례 혹은 최신의 해상교량 사례로부터 지역적인 특성 이 반영된 기하학적확률의 적용이 가능하다. 파괴확률에서 설계속도는 충돌에너지와 자승에 비례하는 관계에 있으므로 민감도가 큰 것은 자명한 일이다. 그러나 선박의 운항에 영향 을 미치는 요소는 선종이나 도선사의 경험 및 지역적인 특성 이 매우 강하므로 일괄적으로 결정될 수 있는 사항이 아니며, 조종성능은 이론적인 계산 결과와도 많은 차이가 있으므로 신중하게 결정되어야 한다(^{Yoon and Yun, 2007}). 그리고 지 역 항만 관리청에서 고시된 통항규칙이나 경험적인 적정 운 항속도, 교량통과구간의 속도 분포 등을 적절히 판단하여 적 용해야 한다. 분배모델은 교량의 중요도나 교체비용을 고려 하여 산정할 수 있으나 현수교나 사장교와 같은 직렬시스템 에서는 중요도와 교체비용의 분배율 차이가 비교적 큰 것으 로 조사되었다. 따라서 분배모델은 사고 이력이나 항적 분포, 실제 선박의 운항속도 분포 등을 면밀히 검토하여 적용할 필 요가 있다.

3.1.2. 방호공 성능 개선

운항속도의 제한이나 위험도 평가 요소의 재평가를 통한 유지관리 방안이 없다면 충돌방호공의 성능개선 방안을 마련 해야 하며, 충돌조건에 따른 부재의 구성과 거동특성 뿐만 아 니라 경제성 및 시공성과 같은 문제도 함께 고려해야 한다.

펜더는 고성능의 펜더로 교체하거나 혹은 기존 펜더의 성 능에 문제가 없고 추가적인 펜더베이스의 확보가 가능하다면 펜더를 추가 시공함으로써 성능개선이 가능하다. 그러나 기 존의 펜더 설계는 에너지 흡수성능에 따른 작용반력이 구조 물에 재하되는 방식이므로 반드시 이를 고려한 해석적인 검 토까지 병행되어야 할 것으로 판단된다. 파일지지시스템은 개별파일인 경우에는 상부 거더를 추가하여 일부 또는 전체 를 파일그룹으로 구성해야 하며, 파일 그룹인 경우에는 성능 개선에 필요한 파일의 제원과 개수를 결정하여 기존 구조물 에 최대한 근접하여 시공하고 일체로 거동할 수 있도록 상부 거더로 연결시켜주어야 한다. 돌핀의 보강은 충돌방향으로 연속된 2개의 원형셀을 구성하거나 돌핀의 직경을 확대하는 방법 등이 필요하다. 시트파일과 채움재 등이 추가로 시공되 어야 하므로 성능개선에 필요한 단면과 형식을 합리적으로 결정해야 한다. 인공섬은 토사 및 사석, 피복석 등이 신규로 시공되어야 하므로 보강에 따른 비용이 큰 편이다. 따라서 변 경된 충돌조건에 대한 방호공 및 교량 본구조물의 안전성 평 가를 재수행해야 하며 보강방법은 경제성 및 시공성을 고려 하여 신중하게 결정되어야 한다. 부유식 구조물에서 부이는 보강이 현실적으로 어렵기 때문에 변경된 충돌조건에 대한 부이의 용량과 설계수준을 신중히 검토해야 하며 필요한 경 우에는 이를 교체해야 한다. 체인과 앵커는 신규로 추가 시공 하여 변경된 충돌조건에 대한 성능 개선이 가능하다.

3.1.3. 인천대교의 근시적 해결방안

인천항 선박통항규칙 개정고시안(2010, 이하 인천항선박 통항규칙)에서는 영종대교와 인천대교를 포함하는 구역의 최 대속도를 12노트 이하로 규정하고 있으나, 교량 부근에서는 총톤수 5만톤 이상의 선박은 10노트 이하, 10만톤 이상의 선 박은 7노트 이하로 제한하고 있으므로 해당조건을 적용한 충 돌위험도 및 방호공의 성능 평가가 필요하다. 2015년 실제통 행량에 대하여 선박운항 속도를 7노트로 적용한 연간파괴빈 도 산정결과는 Table 5와 같다. 여기서, 연간파괴빈도의 허용 기준을 만족하는 수평강도는 172.3MN이며, 설계선박은 78,000DWT로 산정되었다. 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 비 교적 큰 폭이며, 운항속도는 선박의 조종성능을 비롯한 경험 및 지역적인 특성이 강하므로 보다 합리적인 접근이 필요할 것으로 판단된다.

Great Belt Bridge Project에서 Pedersen은 선박의 운항속도 로 항내속도와 사용속도를 각각 6~8노트, 10~15노트로 정의 하였으며, 교량을 통과하는 선박의 운항속도를 10노트로 하 여 선박충돌 설계에 적용하였다. 국내에서는 지방해양항만청 의 고시로 특정 구간에 대한 제한속도를 규정하고 있는데, 주 요 항만의 일반적인 운항제한 최대속도는 8~12노트 범위에 서 각각 결정되었으나 일부는 최소 속도를 6노트 이상으로 규 정하고 있었다. ^{Yoon and Yun(2007)}은 선속을 무리하게 제한 하는 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 불 가피한 사유가 아니라면 최소한 8노트 이상을 유지하는 것이 바람직할 것으로 판단된다.

상기의 검토결과에 따라 인천대교의 2015년 실제통행량에 대하여 설계속도를 8노트로 적용한 연간파괴빈도 산정결과 는 Table 6과 같다. 여기서, 연간파괴빈도의 허용기준을 만족 하는 수평강도는 196.4MN이며, 설계선박은 10,100DWT로 산정되었다. 이는 인천대교 실시설계 설계선박과 거의 유사 하여 유지관리 측면에서는 만족할 만한 수준이므로 운항속도 의 제한치를 8노트까지 상향 조정하더라도 문제가 없을 것으 로 판단된다. 그러나 통행량은 2020년 이후까지 증가세가 유 지될 것이므로 지속적인 모니터링에 의한 정기적 중간점검이 필수적이다. 또한, 운항속도의 제한치에 대해서는 관련기관 과 항해사 및 도선사의 다양한 의견수렴이 필요하며, 대형선 박의 통행량이 지속적인 증가세를 유지한다면 대표적인 선박 의 종류와 운항상황을 가정하여 선박운항 모의실험을 통한 적절한 운항속도의 제한치를 확인할 필요가 있다.

3.2.1. 관련연구 및 설계사례

Ship Collision with Bridge(1993)에서는 선박충돌과 관련 하여 교량의 계획과 설계에 대한 다양한 내용을 포함하고 있 다. 통행량 예측에 대해서는 선박 교통량의 증가를 교량의 내 구년수에 걸쳐 예측해야 하지만 이러한 예측은 한계가 있으 므로 특정한 년수, 예를 들면 10~20년을 선택하여 해당 기간 동안의 교통량을 예측하고 교량설계에 사용할 수 있으며 해 상교통량 예측을 위해 다음과 같은 사항을 고려할 수 있다고 기술하고 있다.

그러나 보고서에서는 가용한 사항을 고려하더라도 실제적 인 해운환경의 발전은 예측과는 매우 달랐음을 지적하고 있 으며, 이상적인 방법은 예측의 범위가 경제발전과 기술발전 이 서로 다른 별개의 가능한 경향으로 허용되도록 고려해야 한다고 기술하고 있다.

항만횡단 해상교량 건설시 기준 및 절차 수립에 관한 연구 용역(2007)에서는 해상 교통량의 예측에 대한 별도의 언급은 없었으나 대상선박 선정시 해상교량이 무역항의 입구나 무역 항을 이용하기 위해서 통항하는 경우 또는 해상교량 통과 후 에 주요 항만시설이 존재할 경우에는 향후 10년 이후에 출현 가능한 선박을, 연안항인 경우에는 향후 5년 이후에 출현 가 능한 선박을 대상으로 설정하도록 제시하고 있다. 그리고 항 만기본계획을 기초로 한국조선공업협회 등의 최근 대형 선박 의 건조 추세, 전문가의 의견 수렴 등을 참조하도록 기술하고 있다.

선박충돌 문제가 비교적 합리적으로 고려된 국내의 대표적 인 해상교량 프로젝트로는 인천대교, 이순신대교, 목포대교 등이 있다. 그러나 상기 프로젝트에서도 통행량 예측 결과는 실제와 상당한 격차가 있었다. 대부분의 설계사례에서 메트 릭 톤급이 적용되지 않았으며, 대형선박의 톤급분류가 적절 하지 않았다. 특히, 혼잡도 분석 혹은 물동량 예측을 위한 통 행량 예측기법이 적용되어 전체적인 선박의 연간 운항횟수나 평균적인 톤수의 증가는 유사한데 비하여 선박의 대형화 및 대형선박의 증가분은 합리적으로 고려되지 않았다.

3.2.2. 예측 절차 및 방법

선박의 대형화 및 대형선박의 증가분을 합리적으로 고려하 기 위해서는 계획 및 설계 단계에서 통행량 예측시 Fig. 3의 절 차에 따라야 한다.

Fig. 3

Procedure for traffic

해상 교통 통행량은 각지역 해양수산청의 Port-MIS 시스템 에서 가용한 정보를 얻을 수 있다. 해당 시스템에서는 톤급별 연간 통행량을 제공하고 있으나 톤급 분류가 GT로 되어 있고 100,000GT이상의 톤급을 분류하고 있지 않으므로 반드시 입 출항 원시데이터에 대한 별도의 통계처리를 수행해야 한다. 톤급 분류 시에는 메트릭 톤급을 적용해야 하는데, 이는 선박 충돌하중이 선박의 질량과 관계되기 때문이다. GT(Gross Tonnage)는 중세 영국의 해상운송 무역에서 세금을 부과하기 위해 생겨난 것으로 100 ft³을 1톤으로 적용하고 있으므로 선 박의 질량과 관계가 없다. Port-MIS 시스템에서는 기본적인 선박톤급으로 GT를 적용하고 있으므로 이에 대한 변환이 필 요하며, 전체선박을 일일이 조사하기는 어려우므로 통계적인 방법으로 제시된 GT와 DWT의 전환계수를 적용하는 것이 권 장된다. 선박의 톤급분류는 ^{AASHTO GUIDE(2009)}에 따라 10만톤 이하의 선박은 2만톤 단위로, 10만톤 이상의 선박은 5 만톤 단위로 분류해야 한다.

상기의 제시된 방법에 따라 적절한 통행량 데이터가 확보 되면 설계시점을 기준으로 사전 위험도평가를 통해 예측이 필요한 대상톤급을 선별해야 한다. 일반적인 선박의 통행량 은 부분적으로 감소될 수는 있으나 장기적으로는 증가되는 추세를 가진다. 따라서 설계 당시의 통행량으로 연간파괴빈 도를 수행하여 영향이 없는 중․소형 톤급은 통행량 예측에서 제외시키고 영향이 있는 대형 톤급을 선택하여 적절한 예측 이 수행되도록 집중하는 것이 합리적인 판단이다.

예측대상은 통행량뿐만 아니라 주경간장이나 형하고와 관 련된 대상선박까지 예측해야 하므로 예측 항목에 따라 목표 연도가 달라질 수 있다. 또한, 각각의 항목에 대하여 예측 방 법이나 적용이론에 따라서도 달라질 수 있으므로 신중하게 결정되어야 한다.

대상선박 및 통행량의 예측은 대부분의 사례에서 회귀분석 에 기초하고 있었다. 회귀분석의 적용은 문제가 없으나 기본 적으로 평균으로의 회귀를 의미하므로 신뢰구간을 결정하여 확률론적으로 접근해야만 설계단계에서 통행량의 예측치와 실제값 사이의 변동성을 수용할 수 있다.

톤급별 대상톤수는 사전 위험도평가나 유지관리 단계에서 의 위험도평가와 같이 선박의 대형화를 고려하지 않는 경우 에는 톤급별 평균톤수를 각각 산정하여 적용해야 한다. 그러 나 설계 단계에서는 선박의 대형화를 고려해야 하므로 대상 톤수를 적절히 상향조치 하여야 하며, 상향 폭은 이를 적용할 대상 톤급의 범위나 통행량 예측방법에 따라 달라질 수 있다.

대상선박 및 통행량 예측을 위한 예측기법과 신뢰구간 그 리고 선박의 대형화를 고려한 대상 톤수의 선정과 관련된 문 제는 설계사례나 연구결과가 많이 부족한 편이므로 다양한 방법론적인 연구가 필요할 것으로 판단된다.