[논문]잔교상판(棧橋床板)에 작용(作用)하는 양압력(揚壓力) 분포특성(分布特性)에 관한 실험적(實驗的) 연구(硏究)

박상길; 박현수; 안익성; 김우생

doi:10.12652/ksce.2009.29.1b.083

잔교상판(棧橋床板)에 작용(作用)하는 양압력(揚壓力) 분포특성(分布特性)에 관한 실험적(實驗的) 연구(硏究)
The Experimental Study of Distribution Characteristics of Lift-force Acting under Pier Deck 원문보기

大韓土木學會論文集, Journal of the Korean Society of Civil Engineers, B. 수공학, 해안 및 항만공학, 환경 및 생태공학, v.29 no.1B, 2009년, pp.83 - 90

박상길 (부산대학교 사회환경시스템공학부 토목공학과) , 박현수 (부산대학교 사회환경시스템공학부 토목공학과 대학원) , 안익성 (부산대학교 사회환경시스템공학부 토목공학과 대학원) , 김우생 (부산대학교 사회환경시스템공학부 토목공학과 대학원)

초록
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본 연구는 잔교를 설계할 때 수리모형실험을 통하여 잔교상판에 작용하는 양압력 분포 특성에 대해 기술하였다. 양압력이 상판하부에 작용할 때 압축공기 유출의 유무에 따라 양압력이 작용하는 형상이 다르고 양압력의 크기가 다르게 분포하고 있음을 알았다. 동일 Block 상판내의 양압력분포는 상판의 중심점과 가장자리에서 동일한 분포를 하지 않는 결과를 얻었다. 양압력 분포특성은 잔교길이인 무차원(l/L), 파형경사(H/L), 공간(D/H)에 의해 영향을 받는다. 양압력에 영향을 미치는 무차원 요소(H/L)은 양압력의 최대치를 결정하는 D/H의 값이 존재하고 있다는 것을 알았다. 동일한 D/H인 경우도 양압력은 파형경사에 따라서 변화하고 있다. 즉, H/L이 클수록 (D/H)이 작기 때문에 잔교를 설계할 때 $D_{max}$가 되는 Clearance가 생기지 않는 상판높이를 정하는 것이 안전한 설계가 된다. 압축공기가 양압력에 미치는 영향을 검토한 결과 양압력이 크게 작용하는 On-shore에서는 Off-shore보다 압축공기에 의한 양압력의 저감효과가 크게 발생하고 있다. 상판에 작용하는 양압력을 저감시키기 위해서는 압축공기 유출을 방지하는 상판설계가 필요하다.

Abstract ▼ AI-Helper

This study describes the characteristics of distribution of lift-force acting under pier deck through physical experiment. The shape of peak wave pressure was sharp when compressed air existed but was not sharp without that. Values of lift-force was different between edge point and center point in the same block. Distribution of lift-force was expressed differently owing to dimensionless of deck length (l/L), wave steepness (H/L), clearance height per wave height (D/H). The dimensionless factor of D/H affected on the lift-force the clearance between still water surface and decks. This decided the maximum of lift-force. In the case of the same values of D/H, the lift-force are changed by the wave steepness (H/L). Because (D/H) become smaller as the wave steepness (H/L) is increased the height of decks must be decided with the condition which don't have the clearance with $D_{max}$ for the stable design of deck of pier. Effect of reducing lift force was greater in the on-shore than the off-shore according to compressed air existence. This researches points out that design of deck should retain compressed air in order to reduce wave lift force.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 본 연구의 목적은 수리모형실험을 통하여 잔교상판에 작용하는 양압력의 분포특성을 밝혀 동일하중으로 상판배근과 말뚝 인발력을 설계할 경우의 조건을 제시하며 동시에이 조건을 만족시키는 잔교상판 구조물의 형태를 제안하여 공기유출공을 설치하지 않고 양압력의 감소를 가져올 수 있는 상판의 구조형식을 고안하는 기초자료를 제공하고자 한다.
파압강도에 미치는 압축공기의 영향을 검토하기 위해 공기의 유출통로가 있는 경우와 없는 경우의 양압력강도를 검토하기로 한다. 하지만 압축공기를 생성할 수 있는 실험 장치를 고안하여 수리모형실험을 실시하는 것은 매우 어렵기 때문에 본 연구에서는 수조의 양 측면을 밀폐시킨 경우와 밀폐를 시키지 않고 동시에 상판의 중심에 공기유출공을 설치 했을 경우에 대해서 비교하기로 하였다. 그림 8은 제 7Block에 대해서 압축공기가 양압력에 미치는 영향을 검토한 것이다.

제안 방법

파압측정에 사용된 파압계는 SSK사가 제작한 P306A-1 series를 사용하였다. 20초간의 파압을 측정하여 AD변환기로 변환시킨 후 Data파일로 저장하였다. 표 2는 압축공기의 유무에 따른 파압의 형상을 조사하기 위한 실험의 제원이고 표 3은 Block내의 파압분포를 조사하기 위한 실험제원이다.
3. 잔교길이인 무차원(l/L), 파형특성(H/L), 공간특성(D/H)에 대한 양압력의 특성을 밝혔다. 특히 l/L은 잔교의 끝부분에 큰 양압력이 작용하고 이곳에서 l/4 만큼 떨어진 곳에서 다시 양압력이 크게 작용한다는 것을 알았다.
永井莊七郞(1966) 등은 공기유출공으로서 틈을 설치하면 양 압력에 미치는 영향이 크기 때문에 틈의 설치위치는 파와 잔교의 특성을 충분히 검토하여 설치해야 한다고 지적하고 있다. 따라서 압축공기에 의한 양압력의 변화를 검토하기 위하여 실시한 실험은 2차원적인 공기 유출공이 설치되지 않은 실험과 2차원적인 공기 유출공이 설치된 실험으로 분류하였다.
양압력(파압강도)을 이용하여 잔교를 설계할 경우 상판의 배근 설계와 상판을 지지하는 말뚝의 인발력에 대한 설계로 대별할 수 있다. 상판배근과 인발력에 대한 하중을 동일하게 생각하여 설계할 경우에 대한 문제점을 파악하기 위해 실제 상판에 작용하는 양압력의 분포특성을 수리모형실험을 통하여 검토하기로 한다.
상판의 일정길이의 Block내의 파압분포의 특성이 명확하지 않는 상태에서 Block의 중심점의 측정값을 Block의 대표 값으로 정하는 데 약간의 문제점이 있는데 이 점을 분명히 하기 위해서 파고 5 cm, 10 cm, 15 cm 수심 52 cm 에서 75 cm 주기 1.2 sec, 1.5 sec에 대해서 모형실험을 실시하였다. 실험결과 값에 의하면 파압분포는 특정의 분포 형상을 나타내지 않고 각 입사파 및 수심에 따라서 분포형상이 달라지고 있는 것을 알 수 있다.
수리모형실험에서 파압분포를 측정하는 곳은 대부분이 모형의 중심의 한 점을 측정하여 파압의 대표 값으로 정하고 있는 것이 일반적이다. 이러한 일반적인 사항에 대하여 상판의 중심 일점과 중심전후 일점에서 어느 정도의 양압력의 차이가 발생하고 있는지를 검토하기 위해 Block의 중심점과 중심의 전후 가장자리에 대해 동시에 파압을 측정하였다.
파압강도에 미치는 압축공기의 영향을 검토하기 위해 공기의 유출통로가 있는 경우와 없는 경우의 양압력강도를 검토하기로 한다. 하지만 압축공기를 생성할 수 있는 실험 장치를 고안하여 수리모형실험을 실시하는 것은 매우 어렵기 때문에 본 연구에서는 수조의 양 측면을 밀폐시킨 경우와 밀폐를 시키지 않고 동시에 상판의 중심에 공기유출공을 설치 했을 경우에 대해서 비교하기로 하였다.

대상 데이터

2 m의 수조를 이용하였다. 수리모형실험의제원은 길이(l) 1.3 m, 폭(b) 0.55 m, 두께(t) 15 mm의 단단한 목재로 페인트와 에나멜로 표면처리를 하였다. 그림 2는 잔교의 단면을 도시한 것이고 사진 1은 잔교상판을 설치하여 수리모형실험을 실시하는 전경이다.
실험은 부산대학교 토목공학과 수리실험실의 길이 25 m, 폭 0.6 m, 높이 1.2 m의 수조를 이용하였다. 수리모형실험의제원은 길이(l) 1.
5 sec까지 수심 52 cm에서 75 cm까지 실시하였다. 파압측정에 사용된 파압계는 SSK사가 제작한 P306A-1 series를 사용하였다. 20초간의 파압을 측정하여 AD변환기로 변환시킨 후 Data파일로 저장하였다.

이론/모형

공기의 상사성에 대해서는 파랑과 수리모형 구조물은 Froude 상사법칙을 따라서 축척을 실시했다. 그러나 밀폐된 압축공기에 대한 수리모형실험은 매우 어려운 과제로 현재까지 남아 있다.
1964년과 1965년에 일본의 남부지방을 내습한 태풍에 의해 강관말뚝의 잔교가 파괴되는 사고가 발생했다. 이때에 사용했던 식은 伊喜行(1967) 등이 제안한 4WoH을 사용하였다. 그러나 이 연구는 실험범위가 한정되어 있어 특수한 조건에서의 양압력 산정에는 문제점이 있다는 지적이 있었다.

성능/효과

1. 양압력이 상판하부에 작용할 때 시계열의 특성을 살펴보면 상판하부에 압축공기의 유출의 유무에 따라 양압력이 작용하는 형상이 다르며 압축공기의 유출이 없는 곳의 분포형상은 상판의 하부에서는 완만한 곡선형이 유출이 있는 곳에서는 매우 뾰족한 분포를 하고 있다.
2. 잔교상판 전체에 대한 양압력 분포는 일정한 분포를 하지 않고 매우 폭 넓게 분포하고 있지만 밀폐된 Block에는 일정한 크기로 양압력 분포특성을 나타낸다. 따라서 상판 배근 양압력은 각 Block의 평균양압력을 말뚝의 인발력하중은 전체상판에 작용하는 평균양압력으로 설계하는 것이 타당하다.
4. 양압력에 미치는 수면과 상판의 공간(Clearance)을 표시하는 공간높이와 파고(D/H)의 영향은 최대값을 나타나는 D/H가 존재하는 것을 알았다. 이는 H/L가 클수록(H/L)가 작기 때문에 잔교를 설계할 때 Dmax가 되는 Clearance가 생기지 않는 상판높이를 정하는 것이 안전한 설계가 된다.
5. 압축공기가 양압력에 미치는 영향을 검토한 결과 상판전체에서는 잔교상판 전면(Off-shore)보다는 후면(On-shore)에서 압축공기에 의한 완충효과가 크게 발생하고 있고 동일 상판에서도 뒷부분(On-Shore)이 앞부분(Off-Shore)보다 완충효과가 크게 나타내고 있다.
6. 각 Block에 작용하는 양압력과 Block전체에 작용하는 양 압력은 매우 상이하게 분포한다. 따라서 동일한 하중을 이용하여 상판배근과 말뚝의 인발력 설계를 할 조건은 압축공기가 상판하부에 존재하여 파압이 작용할 때 유출되지 않고 완충역할을 할 수 있는 밀폐된 공간을 갖는 조건이며 이를 위해서는 잔교상판을 한 Block씩 압축공기가 유출되지 않는 구조형식으로 제작해야 한다.
그림에 의하면 중심점에 대한 전후 가장자리에서의 파압강도는 전반적으로 제 2Block에서만 중심점 앞쪽에서 약간 큰 값을 보여주고 제 7Block에서는 뒤쪽이 앞쪽보다 약간 큰 파압강도를 보여주고 있다. 따라서 중심점과 전후 가장자리의 평균양압력 값의 분포가 비교적 폭넓게 분포하고 있음을 보여준다.
5 sec에 대해서 모형실험을 실시하였다. 실험결과 값에 의하면 파압분포는 특정의 분포 형상을 나타내지 않고 각 입사파 및 수심에 따라서 분포형상이 달라지고 있는 것을 알 수 있다. 여기서 중심점을 기준으로 명확한 분포 형이 나타나지는 않고 단순하게 중심점 보다 전후 가장자리에서 번갈아 높게 분포하고 있음을 볼 수 있다.
잔교길이인 무차원(l/L), 파형특성(H/L), 공간특성(D/H)에 대한 양압력의 특성을 밝혔다. 특히 l/L은 잔교의 끝부분에 큰 양압력이 작용하고 이곳에서 l/4 만큼 떨어진 곳에서 다시 양압력이 크게 작용한다는 것을 알았다.

후속연구

따라서 동일한 하중을 이용하여 상판배근과 말뚝의 인발력 설계를 할 조건은 압축공기가 상판하부에 존재하여 파압이 작용할 때 유출되지 않고 완충역할을 할 수 있는 밀폐된 공간을 갖는 조건이며 이를 위해서는 잔교상판을 한 Block씩 압축공기가 유출되지 않는 구조형식으로 제작해야 한다. 본 연구는 한정된 조건에서 얻어진 결과이므로 보다 많은 수리실험이 요구된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	잔교를 설계할 시 상판배근과 인발력에 대한 하중을 동일하게 생각하여 설계할 시의 문제점을 파악하기 위해서 어떤 시도를 해볼 수 있는가?	양압력(파압강도)을 이용하여 잔교를 설계할 경우 상판의 배근 설계와 상판을 지지하는 말뚝의 인발력에 대한 설계로 대별할 수 있다. 상판배근과 인발력에 대한 하중을 동일하게 생각하여 설계할 경우에 대한 문제점을 파악하기 위해 실제 상판에 작용하는 양압력의 분포특성을 수리모형실험을 통하여 검토하기로 한다.
	잔교는 무엇을 위해 설치되고 있는가?	최근에는 대형항만의 보조기능과 도시주변의 협소 만내의 위락시설물 공간기능으로 자리를 잡고 있다. 특히 전망이 좋은 친수 공간 확보를 위해 잔교를 설치하고 있다. 위락시설의 잔교는 잔교상판의 공간을 활용하므로 상판에 공기 유출공을 만들면 반사율은 어느 정도 감쇠되지만 이용측면과 안전측면에서 불리하므로 양압력을 감소 시킬 수 있는 잔교상판을 설계하여야 한다.
	과거에 잔교는 어디에 설치 되었는가?	과거에 잔교는 정온도가 양호한 항내에만 설치하였기 때문에 잔교상판에 작용하는 양압력 개념을 고려하여 설계해야 한다는 필요성을 느끼지 못하여 양압력을 무시한 상태로 설계가 되어 왔다. 즉, 양압력을 외력으로 취급하지 않았다는 것이다.

참고문헌 (12)

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堀川淸司, 中尾忠彦, 矢島昭弘(1967) 棧橋に？く揚壓力についての實驗的硏究, 第14回海岸工學講演會集, 日本土木學會, pp. 148-153.
谷本？利, 高橋重雄, 和川田芳和(1978) 水平版に？く揚壓力に關する硏究, 日本港灣技術硏究報告第, 日本港灣硏究所, 17卷 2, pp. 3-47.
Bagnold, R.A. (1939) Interim report on wave pressure research, Journal of Inst. Civil Eng., Vol. 12, pp. 202-226.

상세보기
Johnson, R.S. (1968) The Effect of air compressibility in a first approximation to the ship slamming problem, Journal of Ship Research, pp. 57-68.
Morison, J.R., M.P. O'Brien, Johnson, J.W., and S.A. Schaaf (1950) The force exerted by surface waves on piles, Petroleum Trans., AIME, Vol. 189, pp. 149-154.

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