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문제 정의
- 본 연구에서는 미국 등에서의 CCM(FEMA, 2005)에서 제시한 설계 파력식의 미지수가 파고임에 착안하여 2차원 수치 모형을 통해 산출한 파고를 이용하여 실제지형에서 파력을 계산할 수 있는 방법을 검토하였다. 파력 검토는 지진해일에 대한 연구가 활발한 일본과 미국 등지에서의 연구사례를 토대로 현재 국내 항만 설계 기준에 제시되지 않은 연안구조물에 작용하는 지진해일 파력에 대한 검토를 실시하고, 동해 무역항 중 비교적 지진해일 파고가 높은 항구인 묵호항 및 삼척항에 적용하였다.
- 미국과 일본 등지에서 제시하고 있는 지진해일 파력 설계 식은 크게 정수력, 부력, 동수력, 해일의 범람에 의한 파력, 충격력 그리고 쇄파력으로 분류하고 있다. 이 중에서 정수력, 동수력, 범람에 의한 파력과 충격력에 관하여 소개한다.
- 그러나 이러한 연구는 막대한 비용과 시간이 소요되는 일이기 때문에 단기간에 성과를 얻기가 쉽지 않다. 따라서, 본 연구에서는 파고를 계산할 수 있으면 기존의 CCH(2000)에서 제시한 식을 이용하여 지진해일 파력을 산출할 수 있음에 착안하여 우리나라 동해안에서 지진해일 파력을 계산하였다. 이에 대한 자세한 설명은 다음 장에서 다루 도록 한다.
- 본 연구에서는 2차원 수치모형을 이용하여 실용적으로 육상 구조물의 안정성을 검토하기 위한 지진해일 파력의 계산에 대하여 조사하였다. 국내에서의 지진해일 파력에 대한 연구는 거의 전무한 실정이며 지진해일 연구에 있어서 선진국 가인 미국이나 일본 등지에서 이루어지는 연구가 그 맥을 이어가고 있는 실정이다.
- 이들은 수리모형실험 등의 연구를 통하여 육상 구조물에 작용하는 지진해일 파력 설계 기준식을 제시하고 있는데 국내에서는 아직 육상 구조물에 대한 파력 설계 기준식이 없다. 이에 본 연구에서는 미국과 일본 등지에서 제시한 설계식과 우리나라의 항만 설계 기준식과 비교하고 해안선에 인접한 육상 구조물에 대한 기준식 마련을 위하여 미국과 일본 등지에서 제시한 설계식을 대입하여 실제 계산을 해보았다.
가설 설정
- 동수력 산정을 위하여 CD = 3.0, ρ = 1,025 kg/m3을 사용하였으며 정상류로 가정하여 관성항은 무시하였다.
- 질량계수인 CM은 2.5를 사용하였고, 파편은 목재로 가정하여 # - 2.4 × 106N/m(목재에서 추천되는 값)을 사용하였다.
- Fig. 1에서 알 수 있는 것과 같이 범람된 파랑은 구조물과 부딪히면서 3배까지 처오른다고 가정하였으며, 파압 분포는 선형이라고 가정하였다. 또한 범람된 파랑의 유속은 해상에서의 유속과는 양상이 다른데 이는 식 (4)와 같이 제시하였다.
- 2에서와 같이 수중에서의 파압 분포는 일정하다고 가정되어 있고 수면 위의 파압은 선형으로 가정되어 있다. 수중 구조물에 대한 국내 설계 기준식과 해외 설계 기준식 (CCH, 2000)을 비교하기 위하여 수심은 15 m로 가정하고 파고는 1.0~10.0 m의 분포로 하여 계산하였다. 계산 결과를 비교하면 Fig.
- 0을 사용하였으며 계산의 편의를 위해 정류를 가정하여 식 (3)의 가속도 부분은 생략하였다. 설계 측면에서 최대 파력을 산출하기 위하여 항내에서 최대 파고가 나오는 지점을 기준으로 계산하였으며, 파력은 직립 구조물에 직각으로 입사한다고 가정하였다. 범람에 의한 파력은 수치모의 결과 실제 범람이 일어나지 않았기 때문에 생략하였고, 충격력 계산에 필요한 u 값은 2차원 지진해일 수치모형에서 계산된 유속을 이용하였으며, 부유물은 나무 파편으로 가정하여 m 값은 450 kg으로 설정하여 파력을 산출하였다(Yeh, 2006).
- 설계 측면에서 최대 파력을 산출하기 위하여 항내에서 최대 파고가 나오는 지점을 기준으로 계산하였으며, 파력은 직립 구조물에 직각으로 입사한다고 가정하였다. 범람에 의한 파력은 수치모의 결과 실제 범람이 일어나지 않았기 때문에 생략하였고, 충격력 계산에 필요한 u 값은 2차원 지진해일 수치모형에서 계산된 유속을 이용하였으며, 부유물은 나무 파편으로 가정하여 m 값은 450 kg으로 설정하여 파력을 산출하였다(Yeh, 2006). 마지막으로 각각의 계산된 정수력, 동수력 그리고 충격력을 합하여 지진해일 파력을 산출하였다.
- 6에서 붉은색으로 표시한 부분과 같다. 또한, 해안의 기울기는 선형으로 가정하였고, 범람지역에서의 지진해일에 의한 파력은 정수력, 동수력 및 충격력에 의한 힘이 지배적이므로 이 세 개의 힘을 합한 것을 산정 결과로 도출하였다. 해안 구조물의 높이와 폭은 10 m인 직립 구조물로 가정하였으며, 충격력은 여러 가지 연구가 있으나 그중 가장 최근에 Yeh(2006)가 제시한 식을 사용하였으며 이는 식 (6)과 같다.
- 또한, 해안의 기울기는 선형으로 가정하였고, 범람지역에서의 지진해일에 의한 파력은 정수력, 동수력 및 충격력에 의한 힘이 지배적이므로 이 세 개의 힘을 합한 것을 산정 결과로 도출하였다. 해안 구조물의 높이와 폭은 10 m인 직립 구조물로 가정하였으며, 충격력은 여러 가지 연구가 있으나 그중 가장 최근에 Yeh(2006)가 제시한 식을 사용하였으며 이는 식 (6)과 같다.
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