[논문]장대 케이슨 방파제에 작용하는 다방향 불규칙파랑의 파력감소계수 산정

정재상; 김범형; 김형준; 조용식

doi:10.3741/jkwra.2010.43.10.843

장대 케이슨 방파제에 작용하는 다방향 불규칙파랑의 파력감소계수 산정
Calculation of the Peak-delay Force Reduction Parameter of Multi-Directional Random Waves Acting on a Long Caisson Breakwater 원문보기

韓國水資源學會論文集 = Journal of Korea Water Resources Association, v.43 no.10, 2010년, pp.843 - 850

정재상 (한양대학교 일반대학원 건설환경공학과(한국농어촌공사 농어촌개발처)) , 김범형 (현대산업개발 토목사업본부) , 김형준 (한양대학교 일반대학원 건설환경공학과(한국건설기술연구원 하천.해안항만연구실)) , 조용식 (한양대학교 건설환경공학과)

초록
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다방향 불규칙파랑을 입사파랑으로 적용하여 장대 케이슨 방파제에 작용하는 파력감소계수에 대하여 연구하였다. 다방향 불규칙파랑의 주파수 및 방향 스펙트럼으로 JONSWAP (Joint North Sea Wave Project) 스펙트럼과 비대칭 방향 스펙트럼이 각각 적용되었다. 계산결과, 케이슨 방파제의 길이와 입사파랑 주파향의 입사각이 증가할수록 파력감소계수는 감소함을 알 수 있었다. 그리고 최대방향분포계수 $s_{max}$가 증가할수록 파력감소계수는 규칙파와 유사한 경향을 보였다. 다방향 불규칙파랑이 방파제에 비스듬히 입사할 경우 비대칭계수 ${\mu}$가 증가할수록 파력감소계수는 감소하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

By employing multi-directional random waves, a parameter controlling the force acting on a long caisson breakwater is investigated in detail. Both JONSWAP (Joint North Sea Wave Project) and asymmetric directional spectra are adopted for frequency and directional spectra. It is found that the parameter decreases as the length of caisson and the angle of main direction of incident waves increase. Furthermore, the parameter is much similar to that of regular waves as the maximum spreading parameter $s_{max}$ increases. The parameter, however, decreases as asymmetry parameter ${\mu}$ increases when the main direction of incident waves is oblique to the breakwater.

주제어

AI 본문요약
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제안 방법

(1990)는 규칙파에 대한 파력 감소계수를 산정하였으며, 일방향 불규칙파에 대해서는 Goda (2000)의 파압공식을 이용하여 파력감소계수 산정식을 제안하였다. 또한, 3차
원 수리모형실험을 통해 이론을 검증하였다. 하지만 일반적으로 실제 해역에서 전파하는 파랑은 일방향의 장봉파(Long-crested waves)가 아니라, 다방향의 특성을 갖는
마지막으로, Lee et al. (2010)의 수치실험 결과를 바탕으로 10m 수심에서 방파제에 작용하는 파력감소계수를 계산하였다. 수심 10m 지점에서의 다방향 스펙트럼으로
방향분포함수의 비대칭효과를 고려하여 장대케이슨 방파제에 작용하는 파력 감소효과를 검토하였다. 계산결과, 방파제에 수직으로 입사할 경우 비대칭계수 #에 따른 파
(2010)에의해 밝혀졌다. 본 연구에서는 Lee et al. (2010)의 수치실험을 재현하여 일정경사면을 비스듬히 전파하는 다방향 불규칙파에대해 수심 10m 지
점에서의 다방향 불규칙파 스펙트럼을 구하였으며, 이를 이용하여 장대화 케이슨에 작용하는 파력 감소계수를 계산하였다. 다방향 불규칙파랑의 굴절은 Lee et al.
본 연구에서는 이론적 계산에 의해 장대케이슨에 작용하는 파력감소계수를 산정하였으며, 기존 연구사례에서도 이론적인 연구만 수행되었다. 따라서 향후 3차원 수리
본 연구에서는Sannasiraj et al. (1995)과마찬가지로 주기에 따라 방향분포정도가 다른 방향 스펙트럼뿐만 아니라 주파수 스펙트럼까지 고려하여 장대케이슨에 작용하는 파력의 평활화 계수를 계산하였다. 또한 Lee et al.
(2010)의 수치실험 결과를 바탕으로 10m 수심에서 방파제에 작용하는 파력감소계수를 계산하였다. 수심 10m 지점에서의 다방향 스펙트럼으로
는 굴절에 의해 비대칭이 고려된 경우와 대칭인 경우를 고려하였다. 다방향 불규칙파랑의 방향 비대칭을 고려하였을 경우 대칭인 경우에 비해 파력감소계수는 크게 계산
심해에서 다방향 불규칙파 스펙트럼의 제원으로 smax = 10, H1/3 = 5.0m 및 T1/3 = 10sec를 적용하였다.
최근 빈번히 발생하는 기상이변에 대비해 재해에 강한 방파제로 구상된 장대 케이슨 방파제에 작용하는 파력의 감소효과를 계산하였다. 입사파랑은 다방향 불규칙파랑
을 적용하였으며, 기존 연구에 더하여, 방향에 대한 비대칭효과를 추가하여 계산하였다.
5Hz까지 #를 적용하여 총 46개 성분으로 분해하였으며, 방향 성분은 -90°에서 90°까지 #를 적용하여 총 181개 성분으로 분해하였다. 즉, 총 8,326개의 파랑 성분을 합성하여 파력감소계수를 계산하였다.
최근 빈번히 발생하는 기상이변에 대비해 재해에 강한 방파제로 구상된 장대 케이슨 방파제에 작용하는 파력의 감소효과를 계산하였다. 입사파랑은 다방향 불규칙파랑
: 첨두 주파수에서의 파장)가 길수록, 입사파랑의 주파향각이 클수록 파력감소계수는 작게 계산되었다. 최대 방향 분포계수
(s_max)에 따른 파력감소계수 역시 계산하였다. s_max가 큰 경우는 일방향 불규칙파의 파력 감소계수와 유사한 결과를 보였다.
4에 그 결과를 도시하였다. 최대방향분포계
수 smax가 10인 경우(방향 분포가 넓은 경우)와 smax가 25 및 75인 경우(방향 분포가 좁은 경우)에 대해서 파력감소계수를 계산하였다. 방향집중도가 비교적 큰 s_max가 75인 경우는 일방향 불규칙파의 파력감소계수와 유사한 결과를 보였다.

대상 데이터

구조물의 장대화에 따른 파력 감소계수 계산을 위해 수심은 10m, 입사파랑의 유의주기는 10초, 유의파고는 5.0m를 적용하였다. 파랑의 주기와 파장의 관계는 다음과 같은 선형의 분산관계식을 만족한다.

이론/모형

점에서의 다방향 불규칙파 스펙트럼을 구하였으며, 이를 이용하여 장대화 케이슨에 작용하는 파력 감소계수를 계산하였다. 다방향 불규칙파랑의 굴절은 Lee et al. (2010)
의 식을 적용하여 계산하였으며, 이는 Eqs. (18) and (19)와 같다.
입사파랑은다방향불규칙파랑을적용하였다. 다방향불규칙파랑을구성하는주파수스펙트럼으로는JONSWAP스펙트럼이 적용되었으며, 이는 Eq. (2)와 같다(Hasselmann
(1995)과마찬가지로 주기에 따라 방향분포정도가 다른 방향 스펙트럼뿐만 아니라 주파수 스펙트럼까지 고려하여 장대케이슨에 작용하는 파력의 평활화 계수를 계산하였다. 또한 Lee et al. (2010)에 의해 제안된 비대칭 방향분포함수에 대해서도 파력감소계수를 추가로 계산하였다. 주파수 스펙트럼으로는Hasselmannet al.
입사파랑은다방향불규칙파랑을적용하였다. 다방향불규칙파랑을구성하는주파수스펙트럼으로는JONSWAP스펙트럼이 적용되었으며, 이는 Eq.
(2010)에 의해 제안된 비대칭 방향분포함수에 대해서도 파력감소계수를 추가로 계산하였다. 주파수 스펙트럼으로는Hasselmannet al. (1973)에 의해 제안된 JONSWAP 스펙트럼을 사용하였으며, 방향스펙트럼으로는 Mitsuyasu et al. (1975)에 의해 제안된 주기에 의존적인 방향 스펙트럼에 비대칭 효과를 추가한 Lee et al. (2010)의 식을 적용하였다.

성능/효과

Figs. 2 and 3을 종합해 보면, 주 입사파랑의 입사 각도가 크고 케이슨의 길이가 길수록 파력 감소
효과는 더욱 커진다. 그리고 수직으로 입사하는 경우는 규칙파에 비해 다방향 불규칙파의 파력감소효과가 크며, 경사지게 입사하는 경우는 반대로 다방향 불규칙파의 파
계산 결과 장대케이슨의 상대길이( L_B/L_p, L_p: 첨두 주파수에서의 파장)가 길수록, 입사파랑의 주파향각이 클수록 파력감소계수는 작게 계산되었다. 최대 방향 분포계수
5, # = 0이 된다. 계산 결과, 다방향 불규칙파의 방향에 대한 비대칭을 고려한 경우가 대칭으로 가정한 경우에 비해 파력감소계수는 크게 계산되었다. 굴절에 의해 비대칭이 발생할 경우 Lee et al.
방향집중도가 비교적 큰 s_max가 75인 경우는 일방향 불규칙파의 파력감소계수와 유사한 결과를 보였다. 따라서 Fig. 2의 결과와 마찬가지로 주파향의 입사각이 0도인 경우 s_max가 클수록 파력 감소계수는 크게 계산되었으며, 입사각이 30도인 경우는 s_max가 클수록 파력 감소계수는 오히려 작게 계산되었다.
s_max가 큰 경우는 일방향 불규칙파의 파력 감소계수와 유사한 결과를 보였다. 따라서 주파향의 입사각이 0도인 경우(방파제
에 수직으로 입사하는 경우) s_max가 클수록 파력감소계수는 크게 계산되었으며, 입사각이 30도인 경우(방파제에 비스듬히 입사하는 경우)는 s_max가 클수록 파력감소계수 는 작게 계산되었다.
사하는 다방향 불규칙파랑의 주파향의 입사각은 방향분포함수가 대칭인 경우(# = 0)를 기준으로 #가 0보다 큰 경우는 파력 감소계수가 작으며, #가 0보다 작은 경우는 장대화에 의한 파력감소계수가 크다. 이상의 결과를 통해 경사지게 입사하는 다방향 불규칙파랑의 경우, 방향분포함수의 비대칭성을 고려하여 장대화 케이슨에 작용하는 파력을 계산하는 것이 바람직할 것으로 판단할 수 있다.
다방향 불규칙파의 경우는 Burcharth and Liu(1998)에 의해 제시된 주파향에서 방향스펙트럼만 고려한 결과와 주기 성분에 따른 영향을 고려한 본 연구에 의한 결과를 모두 도시하였다. 입사각이 0도인 경우 규칙파는 파력감소효과가 없었으며, 따라서 다방향 불규칙파에 비해 장대화에 따른 파력감소계수는 크게 계산되었다. 그리고 주기 성분을 고려한 본 연구에 의한 결과가 주기 성분을 무시한 Burcharth and Liu (1998)의 결과보다 입사각이 0도일 때작게 계산되었다.

후속연구

되었다. 따라서 장대케이슨 방파제를 설계함에 있어 굴절에 의한 비대칭을 고려하는 것이 보다 타당하며 안전한 설계가 될 것으로 생각된다.
본 연구에서는 이론적 계산에 의해 장대케이슨에 작용하는 파력감소계수를 산정하였으며, 기존 연구사례에서도 이론적인 연구만 수행되었다. 따라서 향후 3차원 수리
모형실험을 통해 이론적 계산결과를 검증할 필요가 있을 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	10m 수심에서 방파제에 작용하는 파력감소계수를 계산한 결과는?	(2010)의 수치실험 결과를 바탕으로 10m 수심에서 방파제에 작용하는 파력감소계수를 계산하였다. 수심 10m 지점에서의 다방향 스펙트럼으로 는 굴절에 의해 비대칭이 고려된 경우와 대칭인 경우를 고려하였다. 다방향 불규칙파랑의 방향 비대칭을 고려하였을 경우 대칭인 경우에 비해 파력감소계수는 크게 계산 되었다. 따라서 장대케이슨 방파제를 설계함에 있어 굴절에 의한 비대칭을 고려하는 것이 보다 타당하며 안전한 설계가 될 것으로 생각된다.
	장대화 케이슨의 기본 개념은?	장대화 케이슨의 기본 개념은 케이슨을 길게 제작하여, 입사파의 방파제 법선 방향 위상차로 인해 파력 감소 효과를 얻을 수 있다는 것이다. Takahashi and Shimosako
	다방향 불규칙파랑을 입사파랑으로 적용하여 장대 케이슨 방파제에 작용하는 파력감소계수에 대하여 연구한 결과는?	다방향 불규칙파랑의 주파수 및 방향 스펙트럼으로 JONSWAP (Joint North Sea Wave Project) 스펙트럼과 비대칭 방향 스펙트럼이 각각 적용되었다. 계산결과, 케이슨 방파제의 길이와 입사파랑 주파향의 입사각이 증가할수록 파력감소계수는 감소함을 알 수 있었다. 그리고 최대방향분포계수 $s_{max}$가 증가할수록 파력감소계수는 규칙파와 유사한 경향을 보였다. 다방향 불규칙파랑이 방파제에 비스듬히 입사할 경우 비대칭계수 ${\mu}$가 증가할수록 파력감소계수는 감소하였다.

참고문헌 (13)

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상세보기
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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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