내빙대에 작용하는 특정 설계빙압력에 대하여 외판의 두께나 늑골 및 보강 부재들의 단면계수에 대한 요구사항은 각 선급규정이 거의 비슷한데, 캐나다 의 규정과 핀란드/스웨덴의 규정은 선체강도에 대한 설계기준을 늑골의 소성 붕괴 (plastic collapse 즉 소성극한해석) 에 두고 있으며 러시아의 규정은 늑골의 항복기준식 (yield criteria, 즉 항복의 발생) 에 기초하고 있다. 또 한 러시아의 규정에서 사용되는 계산공식은 영향을 미치는 특설늑골, 종통보 강재, 선측보강재 등의 갯수까지도 고려하고 있다. 그러나 캐나다, 핀란드/
스웨덴 규정과는 대조적으로 러시아의 규정은 횡늑골방식을 권장하고 있다.
소성극한해석에 의하면 길이 L ,폭 b 인 양단이 고정된 보가 균일한 분포 하중 p 를 받을 때 최종 붕괴하중은 보의 세 지점에 소성힌지가 발생할 때 일어난다고 본다. 이 때 소성항복모멘트 (plastic yield moment) 는 M = (pbL^2 )/16 으로 계산된다. 여기서 균일분포 빙하중을 받는 선체 외판 (shell plating) 이 두 개의 횡늑골 (transverse frame) 사이에 놓여 있는 경우, 이를 양단이 고정된 보의 문제로 취급할 수 있다. 횡늑골 사이의 간격 을 s [m] 라 하면 필요한 외판의 최소두께는 t = 500s(p/sigma)^1/2 [mm]
이다. 여기서 sigma 는 재료의 항복강도이다.
빙하중을 받는 선체 외판이 두 개의 횡늑골 사이에 놓여 있는 경우 경계조 건 등에 의해 실제로 판에 전달되는 빙압력은 일부 감소된다. 한편 얼음이 처음 접촉할 때의 빙하중 분포와 시간이 지나면서 얼음이 깨어지며 빙압력이 약간 증가하는 점을 고려하여 적당한 곱수를 곱하여 빙압력을 계산한다 (횡 늑골식에 대해서는 1.2 를 종늑골식에 대해서는 1.4 를 선택한다).
이제 안전계수로 1.75 를 선택하여 빙압력에 대한 허용응력치를 탄성이내 로 감축시키고 부식에 대한 여유로 2 mm 를 추가하면 필요한 선체 외판의 최 소두께는 다음과 같이 표현된다.
t = 667s(kp/sigma)^1/2 + 2 [mm]
여기서 횡늑골식에 대하여 k = 1.2(1.1-s/3) 를 사용하고 종늑골식에 대해 서는 1.4 (선수부) 와 1.2 (나머지 부분) 을 사용한다. kp 는 16.5 kg/cm^2 (=1.62 MPa) 를 넘지 않는다.
빙역학(ice mechanics)은 다른 학문 분야에 비해 비교적 역사가 짧습니다.
항해자들은 빙해역을 항해하면서 얼음이라는 장애물에 많은 곤란을 겪어 왔 으며 토목기술자들은 얼음에 덮인 수역을 가로지르는 교량이나 건등을 건설
하는 데 골몰해 왔습니다. 그러나 인간이 만든 구조물과 얼음과의 관계를 과 학적으로 이해하려는 노력이 시작된 것은 1960년대부터라 할 수 있습니다.
석유와 천연가스 매장지역인 북극해 연안을 개발하려는 활동은 70년대 후반 중동전쟁에 이은 원 유가 폭등에 의해 본격적으로 시작된 것인데, 천문학적인 액수의 개발비가 빙 해역에서 석유를 찾 아내는 기술과 개발설비를 건조하는데 지출되었습니다. 이를 통하여 빙역학 에 대한 많은 새로운 지식을 얻게 되었습니다.
실험실과 현장관측 을 통해 살펴본 바 에 따르면 얼음은 여러 가지 파괴양식 으로 부서집니다.
이 결과를 설계에 이용하기 위하여 빙 하중을 계산하는 많 은 경험식이 제시된 바 있습니다.
크리프 : 빙판의 유입속도가 아주 느린 경우에는 완전히 연속체적인 소성 변형이 발생하며 균열이 형성되지 않는다.
방사형 균열 : 형상비(aspect ratio: 구조물 폭과 빙판 두께의 비)가 큰 경우에는 구조물 구석부에서 뻗어나가는 방사형 균열이 주로 관측된다.
좌굴 : 얇은 빙판은 굽힘 변형에 의해 좌굴이 발생하기 쉬운데 이러한 좌
굴은 매우 불안정하여 원주형 균열이 재빨리 만들어진다.
원주형 균열 : 좌굴의 결과이거나 혹은 빙판에 굽힘 모멘트가 가해짐으로 써 원주형 균열이 형성될 수 있다.
스폴링(spalling) : 빙판의 유입속도가 빠르고 형상비가 작은 경우에는 빙 편이 비늘처럼 깨어서 떨어져 나가는 스폴링이 일어난다.
분쇄 (crushing) : 빙판의 유입속도가 아주 빠르면 접촉부의 얼음이 가루 처럼 파괴되어 빙판의 위아래로 빠져나가는 현상이 일어난다.
빙역학에서 가장 중심이 되는 문제는 빙하중입니다. 북극해에 설치될 구조 물이 얼음과 부닥쳤을 때 견뎌 내야 하는 하중의 크기는 어느 정도인가 하는 문제입니다.
얼음은 아주 독특한 재료로서 보통 힘을 받으면 균열이 가고 잘 깨어지는 것처럼 보이지만 작은 힘을 가하면 얼음은 시간에 따라 서서히 변형하는 특 성을 가지고 있습니다. 즉 힘을 가하는 속도와 온도상태에 따라 얼음은 취성 (brittle)과 연성(ductile)적인 전혀 다른 재료특성을 보입니다. 중요한 점 은 그 특성에 따라 얼음의 강도도 달라진다는 점입니다.
또한 얼음의 강도(strength)는 구조물과 얼음의 접촉면적에 따라 크게는 수십 배의 차이를 나타냅니다. 실험실에서 작은 얼음시편을 가지고 측정했을 때 얼음의 강도는 10 MPa 근처이지만 실제 빙해역 현장의 구조물에서 측정된 값은 1 MPa 이하로 큰 차이가 있습니다. 실험실에서 얻어진 자료를 실제 현 장에 응용할 때 많은 어려움이 있습니다.
또 하나 흥미로운 사실은 만일 어떤 교량을 건설한다고 할 때 우리는 재료 가 얼마나 튼튼한지 (다시 말해 재료가 견딜 수 있는 최대의 하중은 얼마인 지) 에 관심이 있게 마련인데 얼음의 경우는 이와 반대로 얼음이 얼마나 약 한지를 먼저 검토하게 됩니다. 빙역학에서는 얼음의 재료특성을 다룰 때 얼 음이 깨어지게 되는 방향으로 문제를 접근하게 됩니다.