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문제 정의
- 유공방파제는 입사하는 파랑의 조건에 따라 반사율의 크기가 크게 달라지므로, 방파제와 파랑의 제원에 따른 반사율의 특성을 파악하는 것이 중요하다. 본 연구에서는 종 slit형 유공방파제의 반사율을 실제 현장에서 사용될 수 있는 형태로 제작된 모형에 대해 불규칙파를 적용하여 산정하였다. 이러한 실험 결과는 유공율과 유수실 폭이 다른 각각의 경우에 대한 상대적인 반사율의 변화를 추정하는데 이용되어질 수 있다.
가설 설정
- 본 연구에서 수행한 반사특성 실험은 slit부가 항 내측에 건설되는 것을 가정하였으며, 입사파의 유의파고(Hs)를 2cm와 4cm로 설정하여 수행하였다. 실험파는 Bretschneider- Mitsuyasu 스펙트럼을 이용한 불규칙파를 적용하여 설정하였으며, 각 파고별로 0.
제안 방법
- 입사파의 파장(Ls)은 유의주기(Ts)를 선형분산방정식에 대입하여 계산하였으며, 모형방파제 설치 위치에서의 수심을 적용하였다. 그리고 유공율(E)은 20%, 30%, 40%, 50% 및 60%를 적용하였고, slit수(N)를 변화시키며, 즉 유공부의 폭을 변화시키며 실시하였다. 실험결과를 B/L의 변화에 대한 반사계수로 도시함과 동시에 반사율 실험 결과에 대해 4차 다항식으로 회귀분석을 실시하여 최적곡선과 95%의 신뢰도를 가지는 신뢰구간을 함께 도시하였다.
- 3에서 보는 바와 같이 3개의 slit마다 간격을 크게 하여 실제 방파제 설계 및 시공에서 유공벽에 미치는 파력을 지지하기 위해 설치되는 격벽의 설치공간으로 설정하였다. 또한, 유공벽 하단에서부터 21.5cm의 높이까지는 무공부로 처리하여 이곳에 골재 등을 채워 내습파에 저항할 수 있는 케이슨의 중량을 확보하는 공간으로 설정하였다. 이와 같은 유공벽의 형태는 이론적인 연구 등에서 적용한 형태(무공부 없이 유공벽 전체를 유공부로 설정한 형태와는 다른 것으로 실제 방파제를 설계할 때 적용될 수 있도록 현장 적용성을 고려한 것이다.
- 반사율은 2개의 파고계를 이용하여 입사파와 반사파를 분리하는 Goda와 Suzuki(1976)방법을 사용하였다. 반사율 분석을 위한 파고계 간격은 Goda와 Suzuki가 제시한 반사율 분석 유효주파수 범위에 들도록 입사주기별로 서로 다르게 설정하였으며, 구조물로부터 충분히 떨어진 거리에 설치하여 입사파와 반사파의 위상간섭의 영향을 최소화하였다. 그리고 실험모형은 조파판으로부터 36.
- 본 실험에 사용된 계측장비인 용량 파고계의 독취율은 20 Hz이다. 반사율은 실험파 설정방법과 동일한 조건 및 방법으로 분석하였다. 본 실험시 구조물에 의한 반사파가 조파판에 의해 반사되어 입사파고가 증폭되는 것을 방지하기 위하여 조파기의 흡수 기능을 사용하였다.
- 반사율은 실험파 설정방법과 동일한 조건 및 방법으로 분석하였다. 본 실험시 구조물에 의한 반사파가 조파판에 의해 반사되어 입사파고가 증폭되는 것을 방지하기 위하여 조파기의 흡수 기능을 사용하였다.
- 전면벽의유공율(E1)은 20%, 30%, 40%이고, 유공간벽의 유공율(E2)은 20%, 30%, 40%, 50%인 경우에 대해 분석하였으며, 3개의 slit 수(N1과 N2)를 가지는 유공벽을 대상으로 하였다. 실험 결과는 일정한 실험안, 즉 Bl=15cm, B2=15cm인 경우와 B 1=15 cm, B2=30cm인 경우, 그리고 B 1=30 cm, B2=15cm인 경우로 구분하여 실험파고별로 반사율을 비교하였다.
- 실험파를 설정하기 위한 구조물 위치에서의 입사파는 zero-upcrossing 방법을 이용하여 주기와 파고를 분석하였다. 실험파는 600sec(유의주기 1.4 sec 기준 429파에 해당) 동안 불규칙파를 조파하여 12,00(개의 자료를 독취한 후, 후반부의 8,192개의 자료에 해당하는 410sec(유의주기 1.4sec 기준 293파에 해당) 동안의 독취자료로부터 실험파의 파고와 주기를 분석하였다. 본 실험에 사용된 계측장비인 용량 파고계의 독취율은 20 Hz이다.
- 본 연구에서 수행한 반사특성 실험은 slit부가 항 내측에 건설되는 것을 가정하였으며, 입사파의 유의파고(Hs)를 2cm와 4cm로 설정하여 수행하였다. 실험파는 Bretschneider- Mitsuyasu 스펙트럼을 이용한 불규칙파를 적용하여 설정하였으며, 각 파고별로 0.8 sec~2.4 sec의 유의주기(Ts)를 가지는 파를 조파하여 반사율을 분석하였다. 모형이 설치되는 곳의 실험 수심은 경사면 수로 바닥에서부터 50cm로 설정하였으며, 작은 파고의 실험파를 사용하였기 때문에 월파와 쇄파는 발생하지 않는다.
- 유공 1실 실험은 유수실의 폭(B)을 15 cm, 30 cm, 45cm로 변화시키고, 실험파의 주기를 0.8 sec~2.4 sec까지 변경시키며 실험을 수행하였다. 실험 결과는 유공케이슨 방파제의 반사율(Kr)에 큰 영향을 미치는 것으로 알려진 유수실 폭(B)과 입사파 파장(L0의 비(B/L)에 대한 반사율의 변화로 도시하였으며, 본 연구에서는 B/Ls=0.
- 그리고 유수실의 수는 1개(유공 1실)와 2개(유공 2실)에 대하여 실험을 실시하였다. 유공 1실 실험은 전면 벽에 유공율과 slit 수가 서로 다른 여러 종류의 유공벽을 차례로 설치하고, 후면벽으로 설치되는 무공의 아크릴판을 이동하여 유수실 폭(B)을 조정하였다. 유공 2실에 대한 실험은 전면 벽에 1개의 유공벽을 설치하고, 전면 유공벽과 후면 무공벽 사이에 1개의 유공간벽을 설치한 형태이며, 각각의 유공율과 slit 수를 달리하며 실험을 실시하였다.
- 유공 2실 형태의 유공방파제를 대상으로 소파효과가 우수한 유공율의 조합을 도출하기 위해 전면 벽과 유공간벽의 유공율 조합에 따른 반사특성을 비교하였다. 전면벽의유공율(E1)은 20%, 30%, 40%이고, 유공간벽의 유공율(E2)은 20%, 30%, 40%, 50%인 경우에 대해 분석하였으며, 3개의 slit 수(N1과 N2)를 가지는 유공벽을 대상으로 하였다.
- 유공 1실 실험은 전면 벽에 유공율과 slit 수가 서로 다른 여러 종류의 유공벽을 차례로 설치하고, 후면벽으로 설치되는 무공의 아크릴판을 이동하여 유수실 폭(B)을 조정하였다. 유공 2실에 대한 실험은 전면 벽에 1개의 유공벽을 설치하고, 전면 유공벽과 후면 무공벽 사이에 1개의 유공간벽을 설치한 형태이며, 각각의 유공율과 slit 수를 달리하며 실험을 실시하였다. 유수실 폭은 유공벽 전면에서 무공벽 전면까지의 폭을 의미하며, 유수실 폭은 유공 1 실의 경우에 15 cm, 30 cm, 45 cnr를 적용하였고, 유공 2실의 경우에는 전면 유수실 폭(B1)과 후면 유수실 폭(B2)을 (Bl=15cm, B2=15 cm), (Bl=15 cm, B2=30cm), (BJ =30 cm, B2=15 cm)로 설정하여 각각의 조합에 따른 서로 다른 유공율(El, E2)과 slit 수(Nl, N2)를 적용하여 반사특성을 분석하였다.
- 방파제 모형은 1cm 두께의 아크릴 수지로 제작하였으며, 모형 재료가 투명하기 때문에 케이슨 내부에서의 수면거동 등을 관찰할 수 있다. 유공율이 다른 각각의 유공벽은 나사못으로 케이슨 틀에 조립하도록 제작되어 유공율(E), 유수실 수, 유수실 폭(B) 및 slit 수(N)가 다른 다양한 경우에 대하여 실험을 수행할 수 있도록 하였다. 15cm 간격으로 총 4개의 벽을 설치할 수 있으므로, 유수실의 폭은 15 cm~45 cm까지 조정이 가능하다.
- 유공케이슨식 방파제를 설계하기 위해 필요한 여러 가지 항목 중 본 연구에서는 유공율과 유수실 폭의 관계에 따른 반사율 측정에 중점을 두어 불규칙파를 적용한 단면 수리모형실험을 실시하였다. 유공방파제의 반사특성 실험 결과를 요약하면 다음과 같다.
- 유공 2실에 대한 실험은 전면 벽에 1개의 유공벽을 설치하고, 전면 유공벽과 후면 무공벽 사이에 1개의 유공간벽을 설치한 형태이며, 각각의 유공율과 slit 수를 달리하며 실험을 실시하였다. 유수실 폭은 유공벽 전면에서 무공벽 전면까지의 폭을 의미하며, 유수실 폭은 유공 1 실의 경우에 15 cm, 30 cm, 45 cnr를 적용하였고, 유공 2실의 경우에는 전면 유수실 폭(B1)과 후면 유수실 폭(B2)을 (Bl=15cm, B2=15 cm), (Bl=15 cm, B2=30cm), (BJ =30 cm, B2=15 cm)로 설정하여 각각의 조합에 따른 서로 다른 유공율(El, E2)과 slit 수(Nl, N2)를 적용하여 반사특성을 분석하였다. 본 연구에서 설정한 자세한 실험안은 Table 2 및 Table 3과 같다.
- 45 범위에 대하여 실험을 실시하였다. 입사파의 파장(Ls)은 유의주기(Ts)를 선형분산방정식에 대입하여 계산하였으며, 모형방파제 설치 위치에서의 수심을 적용하였다. 그리고 유공율(E)은 20%, 30%, 40%, 50% 및 60%를 적용하였고, slit수(N)를 변화시키며, 즉 유공부의 폭을 변화시키며 실시하였다.
- 유공 2실 형태의 유공방파제를 대상으로 소파효과가 우수한 유공율의 조합을 도출하기 위해 전면 벽과 유공간벽의 유공율 조합에 따른 반사특성을 비교하였다. 전면벽의유공율(E1)은 20%, 30%, 40%이고, 유공간벽의 유공율(E2)은 20%, 30%, 40%, 50%인 경우에 대해 분석하였으며, 3개의 slit 수(N1과 N2)를 가지는 유공벽을 대상으로 하였다. 실험 결과는 일정한 실험안, 즉 Bl=15cm, B2=15cm인 경우와 B 1=15 cm, B2=30cm인 경우, 그리고 B 1=30 cm, B2=15cm인 경우로 구분하여 실험파고별로 반사율을 비교하였다.
대상 데이터
- 같은 유공율에 대해서 slit 수를 다르게 하여 실험한 것은 slit의 폭에 따른 반사특성의 변화를 검토하기 위한 것이다. 그리고 유수실의 수는 1개(유공 1실)와 2개(유공 2실)에 대하여 실험을 실시하였다. 유공 1실 실험은 전면 벽에 유공율과 slit 수가 서로 다른 여러 종류의 유공벽을 차례로 설치하고, 후면벽으로 설치되는 무공의 아크릴판을 이동하여 유수실 폭(B)을 조정하였다.
- 4sec 기준 293파에 해당) 동안의 독취자료로부터 실험파의 파고와 주기를 분석하였다. 본 실험에 사용된 계측장비인 용량 파고계의 독취율은 20 Hz이다. 반사율은 실험파 설정방법과 동일한 조건 및 방법으로 분석하였다.
- 본 연구에서는 길이 50m, 높이 1.5m, 폭 1.2m 이의 조파수로에서 실험을 실시하였다. 수로의 한쪽 끝에는 피스톤형 조파장치가 설치되어 있으며, 반대편에는 소파시설이 설치되어 있고, 수로의 가운데 지점에서부터 조파장치 반대 방향으로 구조물 위치까지 1/50의 경사부가 설치되어 있다.
- 이는 입사하는 파와 유공벽을 통과하여 무공벽에서 반사된 파가 유수실 내에서 위상이 반대가 되어 에너지가 감쇠되기 때문이다. 본 연구에서는 실제 해역 조건으로 실험을 실시한다는 전제하에 실험을 수행하였기 때문에 불규칙파를 대상으로 수행하였다. 따라서 최소 반사율이 나타나는 B/Ls이 서로 다르게 나타난 것으로 판단되며, 최소 반사율이 나타나는 B/U이 작을수록 실무에서의 적용성은 높아진다 할 수 있다.
- 4 sec까지 변경시키며 실험을 수행하였다. 실험 결과는 유공케이슨 방파제의 반사율(Kr)에 큰 영향을 미치는 것으로 알려진 유수실 폭(B)과 입사파 파장(L0의 비(B/L)에 대한 반사율의 변화로 도시하였으며, 본 연구에서는 B/Ls=0.03~0.45 범위에 대하여 실험을 실시하였다. 입사파의 파장(Ls)은 유의주기(Ts)를 선형분산방정식에 대입하여 계산하였으며, 모형방파제 설치 위치에서의 수심을 적용하였다.
- 15cm 간격으로 총 4개의 벽을 설치할 수 있으므로, 유수실의 폭은 15 cm~45 cm까지 조정이 가능하다. 실험에 사용된 유공케이슨 방파제 모형의 마루높이는 바닥에서부터 65.5cm, 수면으로부터 15.5cm에 위치하며, 종 slit의 유공부는 바닥에서부터 하단고는 32.5 cm, 상단고는 58.5cm이다.
- 단면수로의 폭은 120 cm이나, 실험의 용이성을 위하여 약간의 여유를 두고 제작하였다. 유공벽은 종 silt형으로 유공부를 제작하였으며, 유공부의 길이는 26cm로 하였다. 본 연구에서 설정한 유공율은 하나의 격실에 대한 유공율로서 유수실내 격벽의 두께를 제외한 것이다.
데이터처리
- 그리고 유공율(E)은 20%, 30%, 40%, 50% 및 60%를 적용하였고, slit수(N)를 변화시키며, 즉 유공부의 폭을 변화시키며 실시하였다. 실험결과를 B/L의 변화에 대한 반사계수로 도시함과 동시에 반사율 실험 결과에 대해 4차 다항식으로 회귀분석을 실시하여 최적곡선과 95%의 신뢰도를 가지는 신뢰구간을 함께 도시하였다.
이론/모형
- 수로의 한쪽 끝에는 피스톤형 조파장치가 설치되어 있으며, 반대편에는 소파시설이 설치되어 있고, 수로의 가운데 지점에서부터 조파장치 반대 방향으로 구조물 위치까지 1/50의 경사부가 설치되어 있다. 반사율은 2개의 파고계를 이용하여 입사파와 반사파를 분리하는 Goda와 Suzuki(1976)방법을 사용하였다. 반사율 분석을 위한 파고계 간격은 Goda와 Suzuki가 제시한 반사율 분석 유효주파수 범위에 들도록 입사주기별로 서로 다르게 설정하였으며, 구조물로부터 충분히 떨어진 거리에 설치하여 입사파와 반사파의 위상간섭의 영향을 최소화하였다.
- 실험파를 설정하기 위한 구조물 위치에서의 입사파는 zero-upcrossing 방법을 이용하여 주기와 파고를 분석하였다. 실험파는 600sec(유의주기 1.
성능/효과
- 유공 1실에 대한 반사특성을 분석한 결과, 기존 연구결과들과 마찬가지로 전체적으로 파형경사가 작은 경우에 반사율이 크게 나타났다. 규칙파를 적용한 기존 실험결과나 이론적 결과에서는 유실 폭과 입사파 파장의 비인B/ L=0.2~0.25에서 최소의 반사율을 보인 반면, 불규칙파를 적용한 본 연구에서는 B/Ls=0.13~0.15 범위에서 가장 낮은 반사율을 보였다. 유공 2실의 경우에도 유공 1실의 결과와 마찬가지로 최소 반사율은 B/Ls=0.
- 실험 결과를 살펴보면 실험파고에 관계없이 slit 수가 작은 경우, 즉 slit의 폭이 넓은 경우가 더 낮은 반사율을 보임을 알 수 있다. 그러므로 본 실험에서도 井田과 久保(1975)의 연구결과와 같이 동일한 유공율 조건에서 slit 폭이 넓을수록 소파효과가 우수하다는 결론을 얻을 수 있다.
- 5의 범위를 가지며, 전면 벽의 유공율이 30%와 40%인 경우에 반사율이 낮게 나타났으며, 동일한 유공율 조건에서 slit 폭이 넓을수록 소파효과가 우수하였다. 그리고 유공율을 적절히 조합할 경우에 유공 2실의 소파효과가 유공 1실보다 우수할 것으로 판단된다.
- 이용규 등(1986)은 파력의 이론적 연구에 있어 산란파항을 추가하였으나 파력의 크기에는 거의 영향을 미치지 못한다고 하였다. 또한 원형 유공부의 지름에 비하여 벽두께가 두꺼워져 유공부 내에서의 흐름이 관수로 흐름으로 볼 수 있는 영역에 이르면 유공벽에 작용하는 파력의 크기가 급격히 증가함을 실험을 통하여 입증하였다. 안익성(1992)은 흔성제 형식의 유공방파제와 방파제 전면에 소파블록을 피복한 방파제 및 무공직립 케이슨을 이용한 방파제단면을 이용하여 실험을 실시하였다.
- 국내연구로서 편종근(1980)은 삼중유공벽식 케이슨 방파제와 Jarlan형에 대하여 각각의 유공벽에 작용하는 파력에 대한 실험을 수행하였으며, 파력의 크기는 주기보다는 파고의 영향을 많이 받고, 유공간벽 보다는 전면 벽과 후면 벽에서 파력이 크게 작용함을 보였다. 또한 전면 벽의 유공율이 작고, 입사파의 파형경사가 커질수록 전면 벽에 작용하는 파력의 크기가 증가함을 밝혔다. 이용규 등(1986)은 파력의 이론적 연구에 있어 산란파항을 추가하였으나 파력의 크기에는 거의 영향을 미치지 못한다고 하였다.
- slit 수는 3개와 5개이며, 동일한 유공율 조건에서 slit 수가 작을수록 slit의 폭은 상대적으로 넓다. 실험 결과를 살펴보면 실험파고에 관계없이 slit 수가 작은 경우, 즉 slit의 폭이 넓은 경우가 더 낮은 반사율을 보임을 알 수 있다. 그러므로 본 실험에서도 井田과 久保(1975)의 연구결과와 같이 동일한 유공율 조건에서 slit 폭이 넓을수록 소파효과가 우수하다는 결론을 얻을 수 있다.
- 6(f)는 B1=30cm, B2=15cm인 경우에 대한 결과이다. 실험 결과를 살펴보면 전체적으로 El=30%, E2=20%이거나 El =40%, E2=20%인 경우에 반사율 저감효과가 가장 우수하게 나타났다. 그 외 유공율의 조합에 따른 실험안은 유사한 반사특성을 보이지만 전면 벽의 유공율(E1)이 20%인 경우가 가장 소파효과가 작은 것으로 나타났다.
- 안익성(1992)은 흔성제 형식의 유공방파제와 방파제 전면에 소파블록을 피복한 방파제 및 무공직립 케이슨을 이용한 방파제단면을 이용하여 실험을 실시하였다. 실험 결과에 의하면 소파블록을 피복한 방파제, 유공방파제, 무공직립식 방파제 순으로 반사파 저감효과가 좋은 것으로 나타났다. 그리고 유수실의 상부를 개방한 경우가 폐쇄한 경우보다 낮은 반사율이 나타남을 보였다.
- 실험을 위해 제작한 유공벽의 유공율(E)은 20%(slit 수: 3개), 유공율 30%(slit 수: 3개), 유공율 40%(slit 수: 3, 4), 유공율 50%(slit 수: 3, 5), 유공율 60%(slit 수: 4)이다. 여기서, slit 수(N)는 Fig.
- 유공 1실에 대한 반사특성을 분석한 결과, 기존 연구결과들과 마찬가지로 전체적으로 파형경사가 작은 경우에 반사율이 크게 나타났다. 규칙파를 적용한 기존 실험결과나 이론적 결과에서는 유실 폭과 입사파 파장의 비인B/ L=0.
- 15 범위에서 나타났으며, 전체적인 반사율은 유공 1실의 경우보다 작게 나타났다. 유공 2실의 반사율은 0.3~0.5의 범위를 가지며, 전면 벽의 유공율이 30%와 40%인 경우에 반사율이 낮게 나타났으며, 동일한 유공율 조건에서 slit 폭이 넓을수록 소파효과가 우수하였다. 그리고 유공율을 적절히 조합할 경우에 유공 2실의 소파효과가 유공 1실보다 우수할 것으로 판단된다.
- 기존 연구결과를 분석해보면 유공 1실 방파제와 유공 2실 방파제의 소파효과에 대해 서로 다른 결과를 보인다. 이는 본 실험 결과에서 살펴본 바와 같이 유공율에 따라 서로 다른 소파특성을 보이기 때문이며, 유공율을 적절히 조합할 경우에 유공 2실의 소파효과가 유공 1실보다 우수할 것으로 판단된다.
- 4(f)는 slit 수가 4개이고, 유공율이 각각 40%와 60%인 유공 1실 단면에 대한 실험 결과를 나타낸 것이다. 전체적인 반사특성은 다른 실험 결과와 유사하지만 유공율이 증가할수록 반사율이 증가함을 알 수 있다. E=60%인 경우에는 반사율의 최소값이 Kr=0.
후속연구
- 본 연구에서는 종 slit형 유공방파제의 반사율을 실제 현장에서 사용될 수 있는 형태로 제작된 모형에 대해 불규칙파를 적용하여 산정하였다. 이러한 실험 결과는 유공율과 유수실 폭이 다른 각각의 경우에 대한 상대적인 반사율의 변화를 추정하는데 이용되어질 수 있다.
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