[논문]경사입사파에 의한 직립구조물에서 월파의 공간적 분포

김영택; 이종인; 조용식

doi:10.9765/kscoe.2011.23.6.414

경사입사파에 의한 직립구조물에서 월파의 공간적 분포
Spatial Distribution of Wave Overtopping along Vertical Structure due to Obliquely Incident Waves 원문보기

한국해안·해양공학회논문집 = Journal of Korean Society of Coastal and Ocean Engineers, v.23 no.6, 2011년, pp.414 - 421

김영택 (한국건설기술연구원 하천해안연구실) , 이종인 (전남대학교 공학대학 해양토목공학과) , 조용식 (한양대학교 공과대학 건설환경공학과)

초록
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경사입사파 내습시 직립구조물의 마루높이 산정을 위해 기존 연구의 대부분은 입사각에 따른 월파량 저감계수를 제시하였다. 그러나 기존 연구에서 파랑증폭과 월파의 공간적 분포는 고려하지 않았다. 본 연구에서는 직립구조물을 따른 파랑 증폭현상에 의한 월파의 공간적분포를 실험적으로 검토하였다. 실험결과에 의하면, 직립구조물 시점으로부터 유의파 파장 기준 3파장까지 구간은 직각입사와 동일한 방법으로 마루높이를 산정하고, 그 이후 구간에 대해서는 파랑의 증폭과 월파의 공간적 분포를 고려한 월파량 저감계수를 사용하는 것이 합리적인 것으로 검토되었다.

Abstract ▼ AI-Helper

In determination of the crest height of a vertical structure against attacking of obliquely incident waves, most of existing studies have suggested to use the overtopping reduction factor due to incident angles. However, they have not considered the amplification of wave heights and the spatial distribution of wave overtopping. In this study, a spatial distribution of overtopping due to the amplification of wave heights along a vertical structure is investigated experimentally. It is recommended that the crest height can be determined by the same manner as that for normally incident waves up to 3 significant wave lengths from the one end of the structure. However, the rest part of the structure can be done by employing the overtopping reduction factor with considering the amplification of wave heights and the spatial distribution of wave overtopping.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

그러나 실제 해역에 방파제 및 접안시설 등을 건설할 때, 구조물의 연장은 수 km에 달하는 경우가 빈번하며, 이러한 경우에는 파랑의 증폭영향을 고려하여 구조물의 마루높이 등을 산정하는 것이 구조물의 안정성 및 기능성 확보 측면에서 바람직하다 할 수 있다. 따라서 본 연구에서는 파랑증폭이 발생되는 조건에서 일방향 불규칙파를 적용한 월파의 공간적 분포를 수리실험을 통해 검토하고, 입사각의 변화에 따른 월파량 저감계수를 분석하고자 한다.
이 등(2008)은 경사입사파 내습시 직립구조물을 따라 파고를 계측한 후 연파의 발생 및 특성을 분석하였으며, 기준파고에 대한 계측파고의 비인 상대유의파고로 그 결과를 도시하였다. 본 연구에서는 EurOtop(2007)에서 제시하고 있는 월파량 저감계수를 분석하여 월파의 공간적인 분포를 나타내고자 한다. 월파량 저감계수(γ_β)는 입사각도에 따른 각 지점에서의 월파량(q)을 계측한 후 직각입사시 발생하는 월파량의 비로 계산된다.
김 등(2010)이 제시한 바와 같이 기존 월파량 산정식(EurOtop, 2007)은 월파의 공간적인 분포는 고려하지 않고, 입사각에 따른 월파량 저감계수만을 제시하였다. 본 연구에서는 연파가 발생할 수 있는 조건에서 월파의 공간적인 분포 경향을 월파량 저감계수를 도입하여 분석하고자 한다. Table 1과 Table 2의 실험조건을 대상으로 각 실험조건별로 약 1,000파에 대한 월파량을 연속적으로 계측한 후, 평균 월파량 개념으로 실험결과를 분석하였다.
본 연구에서는 직립식 구조물을 대상으로 수리실험 통하여 경사입사파에 대한 월파량의 공간적 분포를 월파량 저감계수 (γβ)를 도입하여 검토하였다.

제안 방법

본 연구에서는 연파가 발생할 수 있는 조건에서 월파의 공간적인 분포 경향을 월파량 저감계수를 도입하여 분석하고자 한다. Table 1과 Table 2의 실험조건을 대상으로 각 실험조건별로 약 1,000파에 대한 월파량을 연속적으로 계측한 후, 평균 월파량 개념으로 실험결과를 분석하였다. 실험결과의 분석은 EurOtop(2007)에서 제시한 직립식구조물에 대한 월파량 산정식(1)을 이용하였다.
경사입사파에 대한 각 구간별 월파량 계측을 위하여 0.4 m 간격으로 월파 구분벽을 설치하였으며(Fig. 2), 월파량 계측 구간의 연장은 시점부로부터 20 m이고, 총 50개의 구간으로 분할하였다. 본 연구에 적용한 실험파 조건 중 최소 유의파장은 2.
5에서도 파랑조건에 따라 월파량 저감계수가 다양하게 분포함을 확인할 수 있었다. 따라서 동일 주기조건에서 상대여유고에 따라 다양한 월파량 저감계수가 산정되기 때문에 이를 산술평균하여 월 파의 공간적 분포를 분석하였다.
이는 β = 0º 및 10º 조건의 경우에는 구조물 설치구간 전체에서 전반적으로 동일한 월파가 발생하는 것으로 관찰되었으나, β = 25º, 45º 및 60º 조건에서는 구조물 시점부로부터 2 m~3 m 지점까지 공간적으로 매우 불규칙적인 월파가 관찰되었기 때문이라고 설명하였다(Anderson and Burcharth, 2009). 본 연구에서는 Anderson and Burcharth(2009)의 분석 방법과 유사한 방법으로 모형시점으로부터 x = 3.2 m~4.0 m 구간에서 계측된 월파량을 대상으로 직립제에 대한 월파량 저감계수를 분석하였다.
본 연구에서는 파랑의 비선형성이 월파량 저감계수에 영향을 미침을 확인하였으나, 이에 대한 정량적인 분석은 수행하지 않았다. 즉, 주기를 고려한 파형경사의 영향 검토가 필요할 것으로 판단되지만 본 연구의 실험조건이 충분하지 못했기 때문이다.
여기서 H_1/3는 유의파고이다. 실험파 조건은 Table 2와 같으며, Bretschneider-Mitsuyasu 스펙트럼을 적용한 일방향 불규칙파 조건을 적용하였다. Table 2에서 λ는 입사파의 유의주기(T_1/3)에 해당하는 파장, s(= H_1/3/λ)는 파형경사이고, kh(= 2πh_s/λ)는 상대수심이다.
수리모형실험은 유한한 수조내에서 수행되므로 구조물에 의한 반사 및 수조벽면에서의 반사가 발생하게 된다. 이에 본 실험에서는 조파기 반대편 및 측면 수조벽에 1 : 10 및 1 : 3 경사의 쇄석을 각각 배치하여 반사파를 최소화 하였으며, 조파기 후면은 스테인리스 재질의 소파시설을 설치하여 조파기 후면에서 발생하는 파랑을 제어하였다. 실험모형은 조파기 전면으로부터 6 m, 조파수조 측면으로부터 5 m 떨어진 위치에서부터 설치하였으며, Fig.
특히, 기존 연구에서는 β =0º(직각입사)~50º의 범위에서 경사입사파에 대한 월파량 저감계수만을 제시하고 있으나, 본 연구에서는 β =50º~80º에 대하여 경사입사파에 대한 월파량 저감계수와 월파의 공간적인 분포를 제시하였다.

대상 데이터

본 실험은 한국건설기술연구원의 다방향조파 평면수조에서 수행되었으며, 실험에 사용된 조파기는 다방향 불규칙파 조파기로서 규칙파, 일방향 불규칙파 및 다방향 불규칙파의 조파가 가능한 사형(snake-type) 조파기이다. 조파기 각 구동부에 연결된 조파판 하나의 폭은 0.
2), 월파량 계측 구간의 연장은 시점부로부터 20 m이고, 총 50개의 구간으로 분할하였다. 본 연구에 적용한 실험파 조건 중 최소 유의파장은 2.04 m이며, 최소 파장을 5개 구간으로 구분하여 월파량을 계측함으로써 공간적인 분포의 분석에 있어 월파 구분 벽의 영향이 없도록 설정하였다.
이에 본 실험에서는 조파기 반대편 및 측면 수조벽에 1 : 10 및 1 : 3 경사의 쇄석을 각각 배치하여 반사파를 최소화 하였으며, 조파기 후면은 스테인리스 재질의 소파시설을 설치하여 조파기 후면에서 발생하는 파랑을 제어하였다. 실험모형은 조파기 전면으로부터 6 m, 조파수조 측면으로부터 5 m 떨어진 위치에서부터 설치하였으며, Fig. 1은 실험영역 및 모형설치 개념도를 나타낸 것이다.
5 m이며, 정수면으로부터 구조물의 마루 높이, 즉 여유고(R_c)를 다양하게 변화시키며 실험을 실시하였다. 실험에 적용된 여유고는 R_c= 5.0 cm, 7.5 cm, 10.0 cm, 12.5 cm 및 15.0 cm이며, Table 1은 본 실험에서 적용한 상대여유고(R = R_c/H_1/3)를 정리한 것으로서 R = 0.50~1.67 범위이다. 여기서 H_1/3는 유의파고이다.
Table 2에서 λ는 입사파의 유의주기(T_1/3)에 해당하는 파장, s(= H_1/3/λ)는 파형경사이고, kh(= 2πh_s/λ)는 상대수심이다. 실험에 적용된 유의파고는 H_1/3=5.0 cm, 7.5 cm 및 10.0 cm이며, 유의주기는 T_1/3= 1.2 sec, 1.5 sec 및 2.1 sec이다.
본 실험은 한국건설기술연구원의 다방향조파 평면수조에서 수행되었으며, 실험에 사용된 조파기는 다방향 불규칙파 조파기로서 규칙파, 일방향 불규칙파 및 다방향 불규칙파의 조파가 가능한 사형(snake-type) 조파기이다. 조파기 각 구동부에 연결된 조파판 하나의 폭은 0.5 m, 높이는 1.1 m로서 총 60개의 구동부로 구성되어 있으며, 조파기의 전체 폭은 30 m이고, 전기서보피스톤식이다.
직립구조물을 따른 월파의 공간적인 특성에 대한 수리실험을 실시하기 위하여 조파수조 내에 길이 22 m의 직립구조물을 설치하였다. 수리모형실험은 유한한 수조내에서 수행되므로 구조물에 의한 반사 및 수조벽면에서의 반사가 발생하게 된다.

이론/모형

월파량 저감계수(γ_β)는 입사각도에 따른 각 지점에서의 월파량(q)을 계측한 후 직각입사시 발생하는 월파량의 비로 계산된다. 경사입사파에 대한 월파량 저감계수의 산정은 기존 연구(van der Meer and Janssen, 1995; Franco and Franco, 1999; Anderson and Burcharth, 2009)에서 적용한 분석 방법을 이용하였으며, 김 등(2010)이 제시한 방법과 동일하다.
본 절에서는 월파량 저감계수 산정과 관련된 연구 중 최근의 연구성과인 Anderson and Burcharth(2009)가 수행한 실험및 분석방법을 적용하여 본 실험에 대한 월파량 저감계수를 산정한 후 식(1)과 비교하였다. Anderson and Burcharth(2009)는 경사식 방파제를 대상으로 연장 5m의 모형을 설치한 후 β = 0º 및 10º 조건에서는 모형연장의 중앙부 지점(2.
Table 1과 Table 2의 실험조건을 대상으로 각 실험조건별로 약 1,000파에 대한 월파량을 연속적으로 계측한 후, 평균 월파량 개념으로 실험결과를 분석하였다. 실험결과의 분석은 EurOtop(2007)에서 제시한 직립식구조물에 대한 월파량 산정식(1)을 이용하였다.

성능/효과

β = 70º인 조건에서 입사파의 주기가 상대적으로 긴 경우에는 본 연구에 적용된 모형의 연장이 파랑이 발달될 정도로 충분하지 않아 최대 월파량 저감계수는 도출되지 않았다.
Fig. 5에 도시된 결과를 살펴보면, 입사각에 따라 월파량 저감계수의 공간적인 분포가 다양하게 변하는 것을 알 수 있으며, 전체적으로 상대수심(kh_s)과 파형경사(s)가 감소할수록 월파량이 증가됨에 따라 월파량 저감계수는 크게 산정되었다. 또한 동일한 입사파 주기 조건에서 유의파고가 큰 경우에 월파량 저감계수가 크게 산정되었으며, 이는 파랑과 직립구조물의 상호작용에서 파고가 클 때 연직방향의 운동량이 상대적으로 더크기 때문으로 판단된다.
이는 연파해석에서는 월파가 발생하지 않는 조건이지만, 본 실험에서는 월파가 발생되기 때문에 파고의 증폭 양상이 서로 다르기 때문인 것으로 판단되며, 추후 월파 조건에서의 연파특성에 대한 연구가 필요함을 알 수 있다. 그러나 최대 월파가 발생하는 구간은 비월파조건의 연파해석에서 상대파고가 가장 크게 발생하는 구간과 거의 일치하는 것으로 나타났다. 즉, β = 50º인 경우에는 x/λ ≒ 1, β = 60º인 경우에는 x/λ ≒ 2~3 구간에서 최대 월파량 저감계수가 산정되었다.
또한 상대여유고 차이에 따른 월파량 저감계수의 변동은 크게 나타났으며, 일부 조건에서 월파량 저감계수가 γβ = 1.0 이상의 값이 산정되었다.
본 연구에 의하면, 입사각(β )이 작은 경우(β =50º 및 60º)에서는 구조물 시점에서부터 반사파의 영향으로 인해 구조물 시점을 기준으로 유의파장 기준 약 3파장 범위 내에서 월파량이 크게 계측되며, 이후 전체적으로 진동하는 경향을 보였다.
입사각이 증가함에 따라 파랑 증폭효과가 크지 않아 월파량 저감계수가 상대적으로 작게 산정되었으며, 또한 공간적인 변화도 크지 않았다. 이를 감안할 경우 구조물 시점부를 기준으로 유의파장 대비 약 3파장 범위 내에서는 안전율을 고려 하여 직각입사파와 동일한 수준의 마루높이를 적용하는 것이 월파에 대비한 설계에 있어 효과적이며, 3파장 이후 부분의 마루높이는 월파량 저감계수를 적용하는 것이 적절한 것으로 분석되었다.
본 연구에 의하면, 입사각(β )이 작은 경우(β =50º 및 60º)에서는 구조물 시점에서부터 반사파의 영향으로 인해 구조물 시점을 기준으로 유의파장 기준 약 3파장 범위 내에서 월파량이 크게 계측되며, 이후 전체적으로 진동하는 경향을 보였다. 입사각이 증가함에 따라 파랑 증폭효과가 크지 않아 월파량 저감계수가 상대적으로 작게 산정되었으며, 또한 공간적인 변화도 크지 않았다. 이를 감안할 경우 구조물 시점부를 기준으로 유의파장 대비 약 3파장 범위 내에서는 안전율을 고려 하여 직각입사파와 동일한 수준의 마루높이를 적용하는 것이 월파에 대비한 설계에 있어 효과적이며, 3파장 이후 부분의 마루높이는 월파량 저감계수를 적용하는 것이 적절한 것으로 분석되었다.

후속연구

이는 동일 여유고 조건이라도 입사파고의 크기에 따라 월파량이 다름으로 인하여 상관관계의 분포가 광범위한것으로 판단된다. 본 연구에서는 파형 경사에 따른 영향은 기존 연구와의 비교를 위해 고려하지 않았으며, 파형경사가 월파량에 미치는 영향은 2차원 실험을 통해 우선적으로 검토되어야 할 것으로 판단된다.
이 등(2008)의 비월파조건에 대한 연파해석 결과를 살펴보면, 직립구조물 시점으로부터 일정구간까지는 상대파고가 증가하지만, 연파가 완전히 발달한 후에는 거의 일정한 상대파고를 보이는 것과는 다른 양상인 것이다. 이는 연파해석에서는 월파가 발생하지 않는 조건이지만, 본 실험에서는 월파가 발생되기 때문에 파고의 증폭 양상이 서로 다르기 때문인 것으로 판단되며, 추후 월파 조건에서의 연파특성에 대한 연구가 필요함을 알 수 있다. 그러나 최대 월파가 발생하는 구간은 비월파조건의 연파해석에서 상대파고가 가장 크게 발생하는 구간과 거의 일치하는 것으로 나타났다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	파랑증폭은 무엇에 영향을 미치나?	그리고 운항선박의 대형화 등으로 인해 접안시설 또한 직립케이슨제를 적용하고 있는 실정이다. 이러한 직립식 구조물의 경우, 경사입사파 내습시에 연파(stem wave) 발생으로 인해 구조물 전면에서 파고가 증폭되는 현상이 발생하며, 이러한 파랑증폭은 마루높이 산정 등에 영향을 미치기 때문에 이를 저감하기 위한 다양한 노력이 설계에 반영 되고 있다. 특히 경사입사파 내습시 진행파와 반사파의 상호작용으로 인해 구조물 전면에서 파랑증폭이 발생하게 되며, 이러한 파랑증폭으로 인해 계획된 마루높이 조건에서 허용월파량을 초과하는 경우가 발생할 수 있다.
	조파기 각 구동부에 연결된 조파판 하나의 구성은?	본 실험은 한국건설기술연구원의 다방향조파 평면수조에서 수행되었으며, 실험에 사용된 조파기는 다방향 불규칙파 조 파기로서 규칙파, 일방향 불규칙파 및 다방향 불규칙파의 조파가 가능한 사형(snake-type) 조파기이다. 조파기 각 구동부에 연결된 조파판 하나의 폭은 0.5 m, 높이는 1.1 m로서 총 60개의 구동부로 구성되어 있으며, 조파기의 전체 폭은 30 m이고, 전기서보피스톤식이다.
	기존 연구에서 경사입사파 내습조건에 대한 월파량 저감계수는 구조물을 따른 월파의 공간적인 분포는 고려하지 않고, 실험시 적용한 모형 구조물의 일부 구간에서만 월파량을 계측하여 산정한 것이 대부분인 이유는?	기존 연구에서 경사입사파 내습조건에 대한 월파량 저감계수는 구조물을 따른 월파의 공간적인 분포는 고려하지 않고, 실험시 적용한 모형 구조물의 일부 구간에서만 월파량을 계측하여 산정한 것이 대부분이다. 이러한 이유로는 기존 연구의 수리실험에서 사용된 모형구조물의 연장이 파랑이 충분히 증폭될 정도가 되지 않았기 때문으로 판단된다. EurOtop(2007)과김 등(2010)에서도 월파의 공간적 분포는 고려하지 않았으나, 공간적 분포에 대한 검토의 필요성은 제시되어 있다.

참고문헌 (6)

김영택, 이종인, 조용식, 하태민 (2010), 경사입사파에 대한 직립식구조물에서의 월파량 저감계수. 한국해안.해양공학회지, 22(3), 149-155.
이종인, 최준우, 윤성범 (2008). 직립벽을 따른 일방향 불규칙파의 연파실험. 한국해안.해양공학회지, 20(1), 49-61.
Anderson T.L. and Burcharth H.F. (2009). Three-dimensional investigation of wave overtopping on rubble mound structures, Coastal Engineering, 56, 180-189.

상세보기
EurtOtop (2007). EurOtop-Wave overtopping of sea defences and related structures : Assessment Manual.
Franco, C. and Franco, L. (1999). Overtopping Formula for Caisson Breakwaters with Nonbreaking 3D Waves. Journal of Waterway, Port, Coastal, and Ocean Engineering, 125(2), 98-108.

상세보기
van der Meer and Janssen J.P.F.M. (1994). Wave run-up and overtopping at dikes. Wave forces on inclined and vertical wall structures, ASCE.

저자의 다른 논문 :

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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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