[논문]파랑과 해안구조물과의 상호작용에 관한 연구

김성덕; 이호진; 도현승

파랑과 해안구조물과의 상호작용에 관한 연구
The Study on the Wave Interaction Due to Offshore Structures 원문보기

대한안전경영과학회지 = Journal of the Korea safety management & science, v.11 no.4, 2009년, pp.139 - 145

김성덕 (중앙대학교 토목환경공학과) , 이호진 (충북대학교 토목공학과) , 도현승 (청주대학교 토목환경공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

The present study is to investigate the effect of wave-structure interaction such as wave oscillation. The theoretical method is based upon the linear diffraction theory obtained by the boundary element method. The water depth and incident wave period in fluid region are assumed to be constant. To investigate the wave interaction due to offshore structures, the numerical program has been developed and the simulation has been carried out by varying the conditions of distance and width of offshore structures. This study can effectively be utilized for safety assessment to various breakwater systems and layout of offshore breakwater in the ocean and coastal field. It can give information for the safety to construct offshore structure and revetment in coastal region.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

그러나 본 연구는 호안과 방파제 그리고 파랑의 상호작용의 복합적인 수치적 관계를 검토하였고, 이들에 의해 발생하는 공진 현상을 면밀하게 검토하여 방파제 전후 및 해안 지역에서의 안전성을 확보하기 위한 방파제와 호안의 안정적인 거리비를 설정하였다. 이처럼 본 연구는 최근에 많이 건설되고 있는 신항만, 어항, 해양 구조물 건설 등의 해안 공사에서 수행되는 해안 구조물의 설치에 유용한 정보를 제공할 것으로 기대되며, 추후에 Storm Surge, 이상해일 및 쓰나미 등의 장주기파가 해안에 내습할 때에 발생되는 파랑 해안 구조물 사이에서의 상호작용에 대한 검토 및 연구가 진행되어야 할 것이다.
본 연구는 최근 슈퍼태풍 및 폭풍 해일에 의해 발생 하는 장주기의 강력한 에너지를 갖는 파가 해안으로 접근할 때에 방파제와 호안 사이에서의 상호작용으로 인해 발생하는 해안 수역에서의 피해 및 해안 도시에서의 피해를 저감시키는 것에 목적이 있다. 즉, 친환경적인 신항만 건설 또는 어항 및 마리나 건설시에 파랑의 차단을 목적으로 배치하는 해안 방파제와 해안 수역에서 상호작용하는 파랑의 공진현상을 조사한 것이다.
본 연구는 해안 방파제의 설치에 의해 호안에서 반사되는 파에 의해 발생하는 공진 특성을 이용하여 파고 증폭률을 조사하기 위하여 실시된 것이다. 외해에서 파랑이 입사할 때, 파랑의 차단 목적으로 설치되는 해안 방파제의 배후 수역과 호안 사이 수역에서의 공진현상으로 발생하는 파고 증폭률은 해안 지역, 해안 구조물, 수역을 항해하는 선박의 안전성에 영향을 미친다.
본 연구에서 다루는 파랑과 해안 구조물과의 상호작용에 관한 이론의 기초는 파랑의 회절이론을 출발점으로 한다. 연안역에서의 파랑의 회절계산은 Penny & Price[4]를 시작으로 Puttnam & Arthur, Blue & Johnson, Carr & Stelzriede에 의해 계속 진행되었다[5],[6],[7].
따라서, 이러한 공진 현상에 의한 파고 증폭률이 낮게 발생하는 파랑과 해안 구조물 사이에서의 상호작용에 대한 검토가 필요하다. 이를 위해 본 연구에서는 경계적분방정식과 Green 정리를 이용한 이론식을 바탕으로 경계요소법을 이용한 수치모델을 개발하였다.
본 연구는 최근 슈퍼태풍 및 폭풍 해일에 의해 발생 하는 장주기의 강력한 에너지를 갖는 파가 해안으로 접근할 때에 방파제와 호안 사이에서의 상호작용으로 인해 발생하는 해안 수역에서의 피해 및 해안 도시에서의 피해를 저감시키는 것에 목적이 있다. 즉, 친환경적인 신항만 건설 또는 어항 및 마리나 건설시에 파랑의 차단을 목적으로 배치하는 해안 방파제와 해안 수역에서 상호작용하는 파랑의 공진현상을 조사한 것이다. 호안과 방파제 사이의 거리비에 따른 파랑과 구조물의 상호작용으로 발생하는 공진현상의 안정적인 증폭률을 얻기 위한 거리비율을 조사하여 신항만 건설에 유용한 정보를 제공한다.

가설 설정

[그림 1]과 같이 호안의 전면에 해안 방파제를 설치하고 외해에서 10초 주기의 파랑이 직각으로 입사하는 것으로 가정한다. 해안 방파제의 경계선을 B1, 호안의 경계선을 R2라 하고, 유체의 성질을 비점성, 비압축성 그리고 유체입자의 운동을 비회전성으로 하는 미소진폭파 운동으로 가정하면 Laplace 방정식을 만족하는 속도 포텐셜이 존재하고 다음과 같이 정의할 수 있다.
우선 호안은 직립벽으로 일직선상으로 설정하고, 일정한 거리 만큼 해안 방파제를 설치한다. 호안 전면은 완전반사벽면으로 가정하고 해안 방파제의 폭은 파장의 2배로 설정하고, 파랑은 주기가 10초이며 방파제 및 호안에 직각으로 입사한다. 이 때 해안 방파제와 호안 사이의 거리에 따라서 발생하는 공진현상의 증폭률을 조사하여 방파제 배후 호안 전면의 해안 수역에서의 안전성을 검토한다.

제안 방법

호안과 해안 방파제의 거리비의 변화(5가지 Case)에 따른 파고 증폭률을 조사하였으며, 그 결과들을 그래프 및 2차원 형태의 등고선도로 나타냈다. 각각의 Case에 대하여 일관성을 유지하기 위하여 입사조건을 동일하게 하였고, 입사파장(L)에 대하여 무차원화를 하였다. 입사파의 입사주기는 10초, 입사파랑은 해안 방파제에 직각인 90°로 설정하였다.
또한, 호안과 해안 방파제 사이의 거리도 입사파장에 대해서 무차원화 하였으며, 그 거리는 0.5L, 0.75L, 1.0L, 1.25L, 1.5L의 5가지 Case로 설정하여 수치실험을 실시하였다.
호안 전면은 완전반사벽면으로 가정하고 해안 방파제의 폭은 파장의 2배로 설정하고, 파랑은 주기가 10초이며 방파제 및 호안에 직각으로 입사한다. 이 때 해안 방파제와 호안 사이의 거리에 따라서 발생하는 공진현상의 증폭률을 조사하여 방파제 배후 호안 전면의 해안 수역에서의 안전성을 검토한다.
입사파의 입사주기는 10초, 입사파랑은 해안 방파제에 직각인 90°로 설정하였다.
전술한 이론의 해석 및 3.1절의 수치방법과 수치계산 조건을 가지고 해안 방파제와 호안 사이의 거리 변화에 따른 파고분포도를 조사하였다. 이 때, 해안 방파제와 호안은 일직선 형태로 고안하였다.
해안 방파제와 호안 사이에서 파랑의 공진현상에 기인된 파고의 증폭률인 회절 파고비는 그래프 및 2차원 등고선도로 나타냈다. 해안 방파제의 제원에 대해서는 입사파장(L)에 대해서 무차원화 하였으며, 그 길이는 입사파장의 2배인 2L, 해안 방파제의 폭은 입사파장의 0.1배인 0.1L로 산정하였다.
즉, 친환경적인 신항만 건설 또는 어항 및 마리나 건설시에 파랑의 차단을 목적으로 배치하는 해안 방파제와 해안 수역에서 상호작용하는 파랑의 공진현상을 조사한 것이다. 호안과 방파제 사이의 거리비에 따른 파랑과 구조물의 상호작용으로 발생하는 공진현상의 안정적인 증폭률을 얻기 위한 거리비율을 조사하여 신항만 건설에 유용한 정보를 제공한다.
호안과 해안 방파제의 거리비의 변화(5가지 Case)에 따른 파고 증폭률을 조사하였으며, 그 결과들을 그래프 및 2차원 형태의 등고선도로 나타냈다. 각각의 Case에 대하여 일관성을 유지하기 위하여 입사조건을 동일하게 하였고, 입사파장(L)에 대하여 무차원화를 하였다.

성능/효과

이러한 결과들을 종합해 볼 때, 해안 방파제와 호안의 거리에 따라서 파랑장의 파고분포가 다른 양상을 나타내고 있고, 이러한 거리비가 파고의 증폭률에 대하여 대단히 중요한 요소가 되고 있음을 알 수 있다.
입사파랑의 시작부분에서부터 호안과 방파제의 중심점(0,0)까지의 파고분포도 그래프에서 파랑과 구조물의 상호작용에 의해 공진 현상이 발생했으며, 거리비가 1.25L인 경우에 가장 높은 회절파고비를 나타냈고, 그 값은 약 2.8로 나타났다. 즉, 구조물과 파랑의 상호작용의 영향 범위를 벗어나지 않고, 구조물 간의 거리비가 멀어질수록 파고의 증폭룰이 높게 나타났다.
조사 영역의 전체 수역에서의 파랑장에 대한 2차원 파고분포도에서 공진 현상의 형태는 쌍봉형의 Peak 또는 단봉형의 Peak가 나타나고 있음을 알 수 있다. 2차원 파고분포도에서도 거리비가 1.
8로 나타났다. 즉, 구조물과 파랑의 상호작용의 영향 범위를 벗어나지 않고, 구조물 간의 거리비가 멀어질수록 파고의 증폭룰이 높게 나타났다.

후속연구

그러나 본 연구는 호안과 방파제 그리고 파랑의 상호작용의 복합적인 수치적 관계를 검토하였고, 이들에 의해 발생하는 공진 현상을 면밀하게 검토하여 방파제 전후 및 해안 지역에서의 안전성을 확보하기 위한 방파제와 호안의 안정적인 거리비를 설정하였다. 이처럼 본 연구는 최근에 많이 건설되고 있는 신항만, 어항, 해양 구조물 건설 등의 해안 공사에서 수행되는 해안 구조물의 설치에 유용한 정보를 제공할 것으로 기대되며, 추후에 Storm Surge, 이상해일 및 쓰나미 등의 장주기파가 해안에 내습할 때에 발생되는 파랑 해안 구조물 사이에서의 상호작용에 대한 검토 및 연구가 진행되어야 할 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	해안 구조물을 호안의 전면 수역에 설치할 경우 어떤 현상이 나타나는가?	따라서 방파제의 경우도 기존의 직립식이나 사석식, 블록식의 형상에서 탈피하여 새롭고 다양한 방파제의 형상이 출현하고 있다. 이러한 해안 구조물을 호안의 전면 수역에 설치할 경우 호안의 전면 수역이 방파제에 의해 차단되며, 파랑과 구조물과의 상호작용에 의해 호안전면과 방파제 배후의 수역에서 공진현상이 발생한다. 이러한 공진의 증폭률은 입사주기, 방파제와 호안의 거리, 호안의 반사율과 관련하여 복잡하게 나타난다.
	공진 현상에 의한 파고 증폭률이 낮게 발생하는 파랑과 해안 구조물 사이에서의 상호작용에 대한 검토가 필요한 이유는?	본 연구는 해안 방파제의 설치에 의해 호안에서 반사되는 파에 의해 발생하는 공진 특성을 이용하여 파고 증폭률을 조사하기 위하여 실시된 것이다. 외해에서 파랑이 입사할 때, 파랑의 차단 목적으로 설치되는 해안 방파제의 배후 수역과 호안 사이 수역에서의 공진현상으로 발생하는 파고 증폭률은 해안 지역, 해안 구조물, 수역을 항해하는 선박의 안전성에 영향을 미친다.
	공진의 증폭률은 무엇과 관련하여 복잡하게 나타나는가?	이러한 해안 구조물을 호안의 전면 수역에 설치할 경우 호안의 전면 수역이 방파제에 의해 차단되며, 파랑과 구조물과의 상호작용에 의해 호안전면과 방파제 배후의 수역에서 공진현상이 발생한다. 이러한 공진의 증폭률은 입사주기, 방파제와 호안의 거리, 호안의 반사율과 관련하여 복잡하게 나타난다. 즉, 호안과 방파제의 거리 또는 해안 구조물의 길이의 변화에 따른 외해 수역에서의 방파제의 배치는 호안과 해안 구조물 사이에서의 증폭률을 변화시킨다.

참고문헌 (12)

김성덕, '우각부 방파제의 안전성에 영향을 미치는 수리학적 거동', 한국안전학회지, 제23권, 5호, pp. 91-96, 2008

원문보기 상세보기
해양수산부, '친수성 항만공간개발 실시계획검토 및 기본구상', pp. 603, 1998
해양수산부, '어항기능 및 이용활성화 계획연구', pp. 629, 2000
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F.L. Blue and J.W. Johnson, 'Diffraction of sea waves passing through a breakwater gap', Trans. A.G.U., Vol. 30(5), pp. 705-718, 1948
T.H. Carr and M.E. Sterzride, 'Diffraction of water waves', National Bureau of Standards, pp. 109-125, 1951
J.D. Pos and F.A. Kilner, 'Breakwater gap wave diffraction: an experimental and numerical study', J. Waterway, Port, Coastal, and Ocean Eng., ASCE, Vol. 113(1), pp. 1-21, 1987

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瀧川淸, '有限要素法による波動解析について', 第20回海講論文集, pp. 89-97. 1978
B.H. Spring and P.L. Monkmeyer, 'Interaction of plane waves with vertical cylinders.', Proceedings 14th International Coastal Engineering Conference, Copenhagen, Denmark, pp. 1828-1847, 1974
C.M. Linton and D.V. Evans 'The interaction waves with arrays of vertical circular cylinders.', J. of Fluid Mechanics Vol. 215, pp. 549-569, 1990

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H. Kagemoto, and D.K.P. Yue, 'Interactions among multiple three-dimensional bodies in water waves: an exact algebraic method.' J. of Fluid Mechanics, Vol. 166, pp. 189-209, 1986

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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