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문제 정의
- 이는 Shimosako and Takahashi。998)가제안한 허용파괴확률의 최고치 30%와 최저치 14%의 중간에 해당하는 값이다. 따라서 본 연구에서는 허용파괴확률은 20%로 하여 케이슨 활동에 대한 안정성은 평가한다.
가설 설정
- 일반적으로 케 이슨의활동 피해는 설계파에 상응할 만한 큰 파랑들에 의해 발생하는 것으로 생각할 수 있다. 따라서 1년에 1회의 빈도로 고파랑이 발생하는 것으로 가정하여 심해에서의 파고, 주기 및 주파향과 조위 등을 결정하고 이로부터 파랑변형모형은 이용하여 방파제 위치에서의 유의파고 및 주기를계산한다(제 1부 3.3설 참조). 방파제 위치에서의 유의파고가 구해지변 Rayleigh 분포를 가정하고 1파마다의 파고를 재현한다.
- 3설 참조). 방파제 위치에서의 유의파고가 구해지변 Rayleigh 분포를 가정하고 1파마다의 파고를 재현한다. 이 때, 쇄파에 의한 파고의 변화도 고려하며 주기는 유의 파 주기를 사용한다.
제안 방법
- 본 논문에서는 기존의 결정론적 방법으로 설계, 시공된후 1987년 2원 동설기 이상 파랑으로 인해 큰 피해를 입었던 동해항 방파제의 피해 전 및 복구 후 단변에 대하여 케이슨 횔등에 대한 신뢰성 해석은 수행한다. 해석 결과로부터 각 단면의 안정성을 검토하고, 또한 각각의 신뢰성 설계법으로 구한 파괴확률에 대한 케이슨 폭의 값을 상호 비교하여 각 방법들 간의 차이를 검토한다.
- 본 연구에서는 직립방파제 케이슨의 활동 파괴에 대해서만 해석을 수행하였다. 향후 사석 마운드 및 지반의 지지력 , 케이슨의 전도 등을 추가로 고려한 다중파괴모드에대한 연구가 수행되어야 할 것이다.
- 03 m'/EA 사석은 쌓고 : 위에 40 ton 테트라포드를 2층으로 피복하여 보깅하였다. 본연구에서는 수심이 제일 깊은 제 11 구간에 대해서만 신뢰성 해석은 수행한다. 제 11 구간의 피해 전과 보강 후단변이 각각 Figs.
- 戶0이 되는 케이슨 폭을 계산하였다. 심해파는 후측(hindcast)으로 결정되었고 방파제 위치에서의 파랑은 수치모형으로 계산되었으므로 아^=0.2에 해당하는 부분안전계수를 사용하였다. Table 1에서 느 하중과 저항이 모두 정규분포를 따른다는 가정 하에 계산된 신뢰도 지수이다.
- 후의 단변에 대하여 케이슨 활동에 대한 안정성은 평가한다. 우선 Level 3 방법의 결과로부터 허용파괴확률은 추정하였다. Fig.
- 단위중량이 서로 다르다. 케이슨의 폭을 변화시켜가면서 안정성을 계산할 때 이러한 단위중량의 차이를 고려하게 되면 계산이 너무 복잡하게 되므로 본 연구에서는 케이슨 전체에 대해서 일정한 단위중량을 사용하였다. 피해 전 단면과 보강 후 단면에 대해서 케이슨 전체 중량을 부피로 나누어 계산한 일정 단위중량은 각각 1955 및 2021 kg/n『 이다.
- 케이슨 횔등에 대한 신뢰성 해석은 수행한다. 해석 결과로부터 각 단면의 안정성을 검토하고, 또한 각각의 신뢰성 설계법으로 구한 파괴확률에 대한 케이슨 폭의 값을 상호 비교하여 각 방법들 간의 차이를 검토한다.
- 본 설에서는 보강 전.후의 단변에 대하여 적용된 서로다른 신뢰성 설계법의 결과를 상호 비교하여 각 방법들간의 차이를 검토한다. Figs.
- 11 구간의 보강 전.후의 단변에 대하여 케이슨 활동에 대한 안정성은 평가한다. 우선 Level 3 방법의 결과로부터 허용파괴확률은 추정하였다.
대상 데이터
- 본 연구에서는 신뢰성 해석은 위하여 수산청(1988)의자료 중 심해 파향 NE의 자료를 사용하며, 재현주기 50 년의 심해파고는 8.2 m, 주기는 13 s이다. 다른 재현주기에 대한 파고와 주기는 제 1부의 Tabic 1에 수록되어 있다.
데이터처리
- 수평 파력과 양압력은 Goda(1974) 공식에 Shimosako and Takahashi(1998)의 충격파압계수를 도입하여 계산된다. 소파블록으로 피복된 보강 후 단면의 경우에는 전면 파압의 작용 높이, 파압강도 등에 감쇠율 0.8을 곱하여 계산하였다(한국항만협회, 2000). 위 식에서 케이슨의 수중 중량을 앙압력을 U, 수평 파력을 P, 마찰계수를 //로 간략히 표시하고 모델의 불확실성을 고려하기 위한 계수값들을 사용하여 정리하면 다음과 같은 설계방정식을 얻는다.
- 한편, 각 방법들의 결과를 모두 파괴확률과 케이슨 폭의 관계로 나타내어 방법들 간의 차이를 비교하였다. 전체적으로 Level 2와 Level 3 방법은 비교적 잘 일치하는반면, Level 1 방법은 파괴확률이 작을 때 다른 방법들보다 케이슨 폭을 다소 크게 산정하는 것으로 나타났다.
이론/모형
- Level 1 신뢰성 해석을 위해서 Burcharth and Sorensen (2000)이 제안한 부분안전계수를 사용하였다. 직립방파제의 케이슨 활동에 대한 설계방정식은 다음과 같이 주어진다.
- Level 3 방법에서는 수많은 경우에 대해서 파랑 변형을 계산해야 하기 때문에 계산시간이 매우 중요하다. 따라서 본 연구에서는 권혁민의 모델을 사용하였으며, 파랑변형의 불확실성을 나타내는 계수들은 비슷한 유형의 모델들에 대해서 일본의 학자들이 제시한 값들을 사용하였다.
- 방파제 위치에서의 설계파를 계산하기 위하여 본 연구에서는 권혁민(1998)의 파랑변형 모델을 사용하였다. 최근 Oh et aL(2006)은 에너지 소산을 포함하는 여러 가지불규칙파 변형 모델들을 비교하여 해안 지형이 비교적 단순한 경우 권혁민의 모델이 다른 모델들과 비슷한 결과를 주며 계산시간 면에서는 매우 유리함을 보였다.
- 위 식은 2회 수치적분하변케이슨의 수평변위를 계산할 수 있다. 수평 파럭과 양압력 계산에는 중복파압과 충격쇄파압을 모두 고려하는 Shimosako and Takahashi(2000)의 방법은 사용하였다.
- 々와 冷, 는 각각 저항 및 외력에 대한 부분안전계수이며, 파괴확률에 따라 달리 주어진다. 수평 파력과 양압력은 Goda(1974) 공식에 Shimosako and Takahashi(1998)의 충격파압계수를 도입하여 계산된다. 소파블록으로 피복된 보강 후 단면의 경우에는 전면 파압의 작용 높이, 파압강도 등에 감쇠율 0.
- 1 및 2에 주어져 있다. 재설계 시 제 11 구간의 설계조건은 조위(HWL) 0.392 m, 심해파고 8.0 m, 주기 14 s, 심해파향 ENE, 풍향 SSW, 풍속 23.3 m/s, 조류 0.1-0.2 m/s, 토질조건은 모래이며, 방파제 위치에서의 파랑은 계산하기 위해서 KORDI 88 모델은 사용하였다.
- 그러므로 각각의 설계확률변수들의 통계적인 특성을 결정하는 것이 중요하다. 제 1부에서 설명한 여러가지 Level 2 방법 중에서 신뢰도 지수의 불변성을 만족하고 모든 설계변수를 정규분포로 가정하는 FDA(First-order Design Approach)방법은 사&하였다. 이 방법에 대한 자세한 내용은 김승우 (2005)의 논문에 수록되어 있다.
- 직립방파제 케이슨 횔동의 Level 3 해석은 홍수영 능 (2004)의 방법에 따라 수행하였다. 일반적으로 케 이슨의활동 피해는 설계파에 상응할 만한 큰 파랑들에 의해 발생하는 것으로 생각할 수 있다.
성능/효과
- Figs. 9 및 10은 긱기, 피해 전 및보강 후 단변에 대하여 각 방법으로 계산된 파괴확률과케이슨 폭의 관계를 보여준디、전체적으로 Level 2와 Level 3 방법은 비교적 일치하는 결과를 보이지만, Level 1 방법은 파괴확률이 작을 때 다른 방법들보다 케이슨 폭은 다소 크게 계산한다.
- 1 m를 사g하였다. 마지막으로 5000번의 시행 중 총 활동량이 허용기대활동량보다 큰 회수를 구하여 5000회에대한 백분율은 구하변 이 것이 파괴확률이 된다.
- 피해 전 단변에 대해서는 파괴확률이 모두 목표치인 20%보다 훨씬 크게 계산되어 케이슨이 활동 파괴에 대하여 불안정한 것으로 나타났다. 반변에 보강 후의 단변에 대해서는 세 방법 모두 약 20% 부근의 파괴확률을 보임으로써 케이슨이 안정한 것으로 평가된다.
- 앞에서 제시한 허용파괴확률은 사용하여 동해항 방파제의 케이슨 활동에 대한 안정성을 해석한 결과, Level 1, 2, 3 방법 모두 피해 전 단면에 대한 파괴확률을 허용치 20%보다 훨씬 크게 산정함으로써 방파제가 과소 설계되었음을 나타냈으며, 보강 후 단면에 대해서는 파괴확률이허용파괴확률과 비슷하게 산정되어 보강 후 안정한 구조물이 되 었음을 나타냈다.
- 이상의 신뢰성 해석 결과를 종합하여 동해항 북방파제제 11 구간의 보강 전.후의 단변에 대하여 케이슨 활동에 대한 안정성은 평가한다.
- 전체적으로 Level 2와 Level 3 방법은 비교적 잘 일치하는반면, Level 1 방법은 파괴확률이 작을 때 다른 방법들보다 케이슨 폭을 다소 크게 산정하는 것으로 나타났다. 이러한 차이는 Level 1의 부분안전계수, Level 2 및 3의불확실성을 나타내는 계수들을 산정하기 위해 각각 사용된 과거의 방파제 피해 자료들이 서로 다르기 때문에 발생할 수도 있을 것이다.
- 동에 대하여 여러가지 신뢰성 설계법으로 계산한 파괴확률은 Tabic 5에 정리하였다. 피해 전 단변에 대해서는 파괴확률이 모두 목표치인 20%보다 훨씬 크게 계산되어 케이슨이 활동 파괴에 대하여 불안정한 것으로 나타났다. 반변에 보강 후의 단변에 대해서는 세 방법 모두 약 20% 부근의 파괴확률을 보임으로써 케이슨이 안정한 것으로 평가된다.
- 3은 피해 전과 보강 후의 단면에 대해서 재현주기 50년의 경우 파괴확률과 케이슨 폭의 관계를 보여주고 있다. 피해 전 케이슨 폭 20 m에 대한 파괴확률은 40%를초과하며, 보강 후의 단면에 대해서는 약 20%의 파괴확률을 보인다.
후속연구
- 향후 사석 마운드 및 지반의 지지력 , 케이슨의 전도 등을 추가로 고려한 다중파괴모드에대한 연구가 수행되어야 할 것이다. 또한 방파제의 중요도에 따른 허용파괴확률의 설정에 대한 연구도 필요할 것이다.
- 케이슨이 정지해 있은 때는 정지마찰계수를 사&하고 케이슨이 움직이기 시작한 이후에는 운동마찰계수를 사용해야 하지만, 운동마찰계수에 대한 자료 부족으로 정지마찰계수를 사용하고 있는 실정이다. 마찰계수의 민감도가 가장 큰것은 생각할 때 향후 운동마찰계수에 대한 연구가 필요할 것이다.
- 이러한 차이는 Level 1의 부분안전계수, Level 2 및 3의불확실성을 나타내는 계수들을 산정하기 위해 각각 사용된 과거의 방파제 피해 자료들이 서로 다르기 때문에 발생할 수도 있을 것이다. 앞으로 여러 지역의 방파제에 대하여 비슷한 해석을 수행하여 각 방법 간의 차이를 검토할 필요가 있을 것이다.
- 해석을 수행하였다. 향후 사석 마운드 및 지반의 지지력 , 케이슨의 전도 등을 추가로 고려한 다중파괴모드에대한 연구가 수행되어야 할 것이다. 또한 방파제의 중요도에 따른 허용파괴확률의 설정에 대한 연구도 필요할 것이다.
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