방파제는 태풍 또는 바람 등으로 발생된 파랑으로부터 해안, 항만시설을 보호하고 항내 수역의 정온도 확보를 위한 중요한 구조물이다. 국내에 가장 일반적인 방파제중 하나인 경사식 방파제를 본 연구과제로 선정하였다. 경사식 방파제는 정적조건만을 고려하여 설계되었다. 최근에 파랑작용에 따른 동적파압도 설계에서 고려하고 있다. 하지만 동적파압을 경사식 방파제의 경사면에만 국한하여 적용시키고, 적용된 파압 역시 등가파압으로 가정하였다. 이것은 방파제에 실제로 작용하는 파압분포와 다르다. 따라서 본 연구에서는 방파제경사면에 작용하는 파압을 등가파압이 아닌 실제 작용하는 시간이력파압을 적용하고 파압을 경사방파제의 경사면뿐만 아니라 해저지반에 추가적으로 고려하였다. 이를 반영한 수치해석을 통해 산출된 최대침하량이 현재의 설계법에 의해 산출된 최대침하량과 비교 시 상당한 차이가 있는 것으로 나타났다.
방파제는 태풍 또는 바람 등으로 발생된 파랑으로부터 해안, 항만시설을 보호하고 항내 수역의 정온도 확보를 위한 중요한 구조물이다. 국내에 가장 일반적인 방파제중 하나인 경사식 방파제를 본 연구과제로 선정하였다. 경사식 방파제는 정적조건만을 고려하여 설계되었다. 최근에 파랑작용에 따른 동적파압도 설계에서 고려하고 있다. 하지만 동적파압을 경사식 방파제의 경사면에만 국한하여 적용시키고, 적용된 파압 역시 등가파압으로 가정하였다. 이것은 방파제에 실제로 작용하는 파압분포와 다르다. 따라서 본 연구에서는 방파제경사면에 작용하는 파압을 등가파압이 아닌 실제 작용하는 시간이력파압을 적용하고 파압을 경사방파제의 경사면뿐만 아니라 해저지반에 추가적으로 고려하였다. 이를 반영한 수치해석을 통해 산출된 최대침하량이 현재의 설계법에 의해 산출된 최대침하량과 비교 시 상당한 차이가 있는 것으로 나타났다.
A breakwater is a important structure for both calmness of harbor and protection of the port facilities from waves generated from typhoons or wind. This study adopted the rubble mound breakwater, which is one of the most popular type of breakwaters in Korea. Rubble mound breakwater had been designed...
A breakwater is a important structure for both calmness of harbor and protection of the port facilities from waves generated from typhoons or wind. This study adopted the rubble mound breakwater, which is one of the most popular type of breakwaters in Korea. Rubble mound breakwater had been designed by considering only static condition previously. Recently, a dynamic wave-load due to waves has been also considered in designing breakwater. In design, the wave-load is assumed as an uniform load which only acts in the front slope of the breakwater. However, the assumption is not applicable in reality. In this study, therefore, a real-time wave-load acting on the breakwater instead of the uniform load is considered, and it is assumed to be acting on the seabed too. Based on the numerical analysis, it is found that there is a significant difference in the maximum settlement compared with the result predicted by the existing design method.
A breakwater is a important structure for both calmness of harbor and protection of the port facilities from waves generated from typhoons or wind. This study adopted the rubble mound breakwater, which is one of the most popular type of breakwaters in Korea. Rubble mound breakwater had been designed by considering only static condition previously. Recently, a dynamic wave-load due to waves has been also considered in designing breakwater. In design, the wave-load is assumed as an uniform load which only acts in the front slope of the breakwater. However, the assumption is not applicable in reality. In this study, therefore, a real-time wave-load acting on the breakwater instead of the uniform load is considered, and it is assumed to be acting on the seabed too. Based on the numerical analysis, it is found that there is a significant difference in the maximum settlement compared with the result predicted by the existing design method.
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가설 설정
적용하였다. 안정성 검토는 현재까지 연구되어온 경사제의 안정성 검토 방법(피복재의 안정중량, 월파, 처오름 및 처내림, 반사, 사면안정해석 등)에 대해서 안정하다는 가정하에 해저지반의 침하에 대한 검토만을 수행하였다. 이를 위해 경사식 방파제에 작용하는 파압의 특성 파악을 위해 VOF기법을 이용한 CADMAS-SURF프로그램을 이용하여 파압의 분포 및 크기를 산정하였다.
모드감쇠는 진동계의 각 차수의 고유 진동수에 대해서 감쇠값을 정하는 것으로, 크게 질량비례형, 강성비례형, Rayleigh damping형 감쇠가 있다. 질량비례형 감쇠는 공기저항 등에 의한 외부 점성감쇠를 표현한 것으로 감쇠행렬이 질량에 비례한다고 가정한다. 강성비례형감쇠는 진동에너지의 지반에의 방출 효과가 직접 표현되기 어려워 감쇠 강성에 비례한다고 가정하므로 고차 모드의 감쇠를 과대평가 할 우려가 있다.
제안 방법
프로그램을 사용하였다. 동적해석의 대체적인 흐름은 먼저 지반을 모델링하고, 시간이력에 사용되는 감쇠 행렬을 결정하기 위해 고유치해석을 실시한 후 파랑 하중을 입력하여 동해석을 실시한다.
따라서 본 논문에서는 파압을 경사식 방파제의 경사면뿐만 아니라 해저지반에 전달되는 파랑에 의한 하중을 추가적으로 고려함과 동시에 경사면에 작용하는 파압을 등가파압이 아닌 실제 경사면에 작용하는 실시간파압을 적용하였다. 안정성 검토는 현재까지 연구되어온 경사제의 안정성 검토 방법(피복재의 안정중량, 월파, 처오름 및 처내림, 반사, 사면안정해석 등)에 대해서 안정하다는 가정하에 해저지반의 침하에 대한 검토만을 수행하였다.
강성비례형감쇠는 진동에너지의 지반에의 방출 효과가 직접 표현되기 어려워 감쇠 강성에 비례한다고 가정하므로 고차 모드의 감쇠를 과대평가 할 우려가 있다. 따라서 본 연구에서는 질량비례형과 강성비례형의 합으로 표현되는 Rayleigh damping형 감쇠를 5% 적용하였다.
방파제의 파랑작용에 의한 전반적인 침하양상을 보기 위해 그림 14~그림 16과 같이 각각 ①~⑩ 10개의 절점에 대해서 침하량을 비교 하였다. Case의 구분은 표 4와 같으며, 그 결과는 표 5로 알 수 있다.
본 연구에서는 경사식 방파제 설계 시 반영되고 있는 파랑 하중에 의한 동적해석시 방파제 제체전면에만 등가파압을 작용한 경우와 등가파압이 아닌 실시간파압을 방파제의 모든 제체면에 작용한 경우 그리고 실시간파압을 방파제의 모든 제체면과 해저지반에 작용하였다. 이상의 세 가지 경우의 침하량을 검토 하였다 연구 결과 다음과 같은 결론을 도출하였다.
MIDAS-GTS에서는 시간이력해석을 위해 모드 중첩법과 직접적분법을 사용하고 있다. 본 연구에서는 직접적분법을 사용하여 시간이력해석을 실시하였다. 직접적분법은 동적 평형방정식을 시간에 따라 점진적으로 적분하여 해를 구하는 방법이다.
이를 위해 경사식 방파제에 작용하는 파압의 특성 파악을 위해 VOF기법을 이용한 CADMAS-SURF프로그램을 이용하여 파압의 분포 및 크기를 산정하였다. 산정된 파압을 지반해석 프로그램인 MIDAS-GTS에 입력하여 기존의 동적해석과 본 연구의 동적 해석 시의 침하량을 방파제 위치별로 파악하였다.
001) 을 적용하였다. 수치해석 시 지반은 배수상태에서 실시하였다.
파랑흐}중 동적해석을 위해 CADMAS-SUIW를 이용하여 구한 파압을 지반해석프로그램인 MIDAS-GTS 에 시간 이력 동적하중으로 적용하였다. 세 가지 경우에 대한 지반의 거동차이 검토가 이루어졌다.
또한, 지반과의 상호간섭에 대한 연구도 이루어졌다(Chew, 1990; Murray et al, 1990; Koutitas, 1992). 하지만 해상이 아닌 육상조건에서 이루어졌기 때문에 수위의 영향만을 고려하여 연구를 진행하였다. 본 연구와 같이 수리학적, 구조적, 지반공학적 효과를 동시에 고려한 경우는 Barends(1983, 1985)가 있으며, 연구 결과에서 그는 파랑에 의한 흐}중이 해저지반 까지 전달되어 해저지반 상부 층에 부분적인 액상화가 발생한다고 제시하였으며, 이후 De Rouck & van Damme(1996)은 파와 조석과 같은 동적인 수리학적요소와 제체 및 지반과의 상호거동을 고려하여 제체안정계산을 수행 할 필요가 있음을 제안하였다.
대상 데이터
본 연구에 사용된 파랑데이터는 태풍 매미(2003)가발생된 전후 시점의 파랑 데이터를 사용하였다. 설계 파의 파고는 유의파의 시계열 최대값(Hl/3max)인 6.
본 연구에서는 부산신항동방파제를 연구대상으로 선정하였다. 이 방파제가 설치되는 지반은 연약층이 40m 이상으로 대단히 깊어 소요기능과 경제성을 동시에 확보할 수 있는 부분굴착치환공법이 적용되었다.
본 연구에서는 현재 동적해석 설계에 반영되고 있는 방파제 사면상에 전체적인 파압분포를 확인할 수 있는 임의의 절점 몇 군데의 파압을 측정하여 등가파압으로보정한 값을 사용하지 않고, CADMAS.SURF를 이용하여 산정한 사면상의 모든 절점에 대하여 파압 시계열 자료를 출력된 그대로 지반해석프로그램의 입력 자료로 사용하였다. 모든 절점에 대해서 그래프로 나타낼 수 없어 해석영역을 그림 8과 같이 A~C영역으로 나누어 영역별 임의의 지점(D~⑰의 파압만을 시간이력 그래프로 나타내었다.
설계 파의 파고는 유의파의 시계열 최대값(Hl/3max)인 6.96m이다 주기는 파랑이 제체에 영향을 미치는 총 시간 동안의 주기를 면적 적분하여 그 평균값인 14.14sec를 사용하였다. 수심은 파랑 지속시간 동안의 조위를 면적 적분하여 그 평균값에 수심을 합한 13.
같다. 조파수로의 규모는 길이 1000m, 높이 30m이며, 구조물의 위치는 방파제 사면의 전단에서 조파시작점까지 500m 이격하였다. 조파수로의 전면과 후면 끝에는 약 200m폭의 감쇠대(sponge layer)를 설정하였다.
조파수로의 규모는 길이 1000m, 높이 30m이며, 구조물의 위치는 방파제 사면의 전단에서 조파시작점까지 500m 이격하였다. 조파수로의 전면과 후면 끝에는 약 200m폭의 감쇠대(sponge layer)를 설정하였다. 감쇠대는 반사에 의한 중복파를 없애기 위해 도입 하였다
이론/모형
본 연구에서는 방파제 제체에 파랑에 의한 동적 영향을 고려할 수 있도록, 파압계산은 비선형 해석이 가능하며, 유체의 점성 및 난류특성을 그대로 포함하는 CAD MAS-SUI也(일명 수치파동수로, 沿岸開發技術硏究乜 '丿 夕2001) 프로그램을 이용하였다.
수치해석에 사용한 프로그램은 MIDAS-GTS 지반해석 프로그램을 사용하였다. 동적해석의 대체적인 흐름은 먼저 지반을 모델링하고, 시간이력에 사용되는 감쇠 행렬을 결정하기 위해 고유치해석을 실시한 후 파랑 하중을 입력하여 동해석을 실시한다.
안정성 검토는 현재까지 연구되어온 경사제의 안정성 검토 방법(피복재의 안정중량, 월파, 처오름 및 처내림, 반사, 사면안정해석 등)에 대해서 안정하다는 가정하에 해저지반의 침하에 대한 검토만을 수행하였다. 이를 위해 경사식 방파제에 작용하는 파압의 특성 파악을 위해 VOF기법을 이용한 CADMAS-SURF프로그램을 이용하여 파압의 분포 및 크기를 산정하였다. 산정된 파압을 지반해석 프로그램인 MIDAS-GTS에 입력하여 기존의 동적해석과 본 연구의 동적 해석 시의 침하량을 방파제 위치별로 파악하였다.
생기기 때문에 큰 오차가 유발 될 수 있다. 이를 해결하기 위해 본 해석에서는 1972년 Lysmer와 Wass가 제안한 점성경계(Viscous Boundary)를 적용했다. 점성 경계를 정의하기 위해서는 해당 지반 물성치에 대한 X, y, z방향에 대하여 Damper값을 산정하여 입력해야 한다.
토질 특성치는「부산신항 남컨테이너 부두[2-3단계] 민간투자사업」(해양수산부, 2004) 중「변형 및 내진해석 보고서」를 참조하여 그림 13과 같이 모델링 하였다 구성모델을 Mohr-Coulomb 탄소성모델로 표 1의 값을 이용 하였으며 각 층마다 표 1의 특성치가 모두 포함되어야 프로그램이 오류 없이 실행되기 때문에 공란으로 표기된 점착력과 내부 마찰각은 0이 아닌 최소값(0.001) 을 적용하였다. 수치해석 시 지반은 배수상태에서 실시하였다.
성능/효과
(1) 경사식 방파제제체와 경사식 방파제 전후의 해저지반에서 발생하는 파압을 계산한 결과, 경사식 방파제 제체 전면에 작용하는 파압이 -3.37t/m2~4.03t/m2 으로 가장 크게 나타났으며, 경사식 방파제 후방 해저지반에 작용하는 파압이 -0.03t/m2 ~ 0.37t/m2으로가장 작게 나타났다. 경사식 방파제 전방 해저지반에 작용하는 파압은 -1.
(2) 경사식 방파제제체와 경사식 방파제 전후의 해저지반에서 발생하는 비선형 파랑변형과 파랑하중을 계산하고, 여기서 도출된 파압자료를 입력하여 침하량을 계산한 결과, 기존의 방법인 등가파압으로 경사식 방파제 제체전면의 파랑하중만을 고려했을 시와 본 연구의 방법인 경사식 방파제 제체의 모든 절점에서의 파압을 고려했을 시의 침하량의 차이는 평균 0.6mm로 큰 차이를 나타내지는 않았다.
(3) 하지만 경사식 방파제의 제체에의 모든 절점에서의파압을 고려했을 시와 해저지반의 파압까지 고려했을 시의 침하량의 차이는 같은 위치에서 최고 66배만큼의 차이로 해저지반의 파압까지 고려했을 시의 침하량이 크게 나타났다.
(4) 기존 방법인 방파제 제체전면에서의 등가파압을 적용한 경우보다 본 연구에서 고려한 방법을 적용시위치별 침하량이 전반적으로 크게 나타났다. 이는 방파제 전방 영역에서의 파랑하중에 의한 지반의 거동이 방파제제체와 그 아래 지반에 거동에 영향을 주었기 때문이라 판단된다.
(5) 파압 분포를 보면 예상했던 바와 같이 방파제 제 체에 가장 큰 파압이 작용하는 것으로 나타났다. 하지만 방파제전방 해저지반에 제체에 작용하는 파압의절반 정도에 해당되는 무시 못 할 파압이 작용하는 것으로 나타났다.
이로 인해 해측 지반의 침하량이 크게 발생하는 것으로 나타났다. 다만 방파제 후방경사면에서 물입자의 와류(vortex)현상으로 인해 기존 방법을 적용한 경우 방파제후방 선단과 아래 지반에서 침하량이 본 연구에서 고려한 해석보다 크게 나타났다.
본 연구 결과 파랑하중으로 인해 방파제 해측 영역지반의 침하량이 크게 나타나는 것을 알 수 있다. 이것은 기존 연구에서 무시된 부분으로 만약 해측 지반의 침하량이 예상 못한 파랑하중에 의해 크게 발생된다면방파제제체의 안정을 크게 위협할 수 있음을 알 수 있다.
경사식 방파제 전방 해저지반에 작용하는 파압은 -1.95t/m2~ lEOt/n?으로 가장 큰 파압이 작용하는 경사식 방파제 제체 전면과 비교 시 약 1/2정도로 상당한 파압이 작용한 것을 알 수 있다.
하지만 방파제전방 해저지반에 제체에 작용하는 파압의절반 정도에 해당되는 무시 못 할 파압이 작용하는 것으로 나타났다. 이로 인해 해측 지반의 침하량이 크게 발생하는 것으로 나타났다.
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