[논문]직립식 방파제의 마루높이 산정을 위한 최대월파량에 대한 신뢰성 해석

이철응

doi:10.9765/kscoe.2011.23.2.154

직립식 방파제의 마루높이 산정을 위한 최대월파량에 대한 신뢰성 해석
Reliability Analysis of Maximum Overtopping Volume for Evaluating Freeboard of Vertical Breakwaters 원문보기

한국해안·해양공학회논문집 = Journal of Korean Society of Coastal and Ocean Engineers, v.23 no.2, 2011년, pp.154 - 162

초록
AI-Helper

개별파 최대월파량 개념을 이용하여 직립식 방파제의 마루높이를 산정할 수 있는 신뢰성 해석 모형이 개발되었다. 입사파랑이 작용하는 시간 동안 월파되는 파랑의 개수와 상대마루높이 그리고 평균월파유량의 함수로 정의되는 개별파 최대월파량과 그 허용치를 이용하여 신뢰함수를 수립하였다. 상대적으로 다른 불확실성을 갖는 관련 경험계수들을 확률변수로 고려하여 신뢰성 해석을 수행할 수 있는 Level III MCS 기법을 제시하였다. 장봉파 및 단봉파 조건에서 입사파향, 직립식 방파제의 구조형식 그리고 개별파 최대월파량의 허용수준을 변화시키면서 상대 마루높이에 따른 파괴확률을 산정하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

A reliability analysis model is developed for evaluating the crest freeboard of vertical breakwaters based on the concepts of maximum overtopping volume of individual wave. A reliability function is formulated by defining the margin of admissible overtopping volume and maximum overtopping volume that is depend on the number of overtopping waves, dimensionless crest freeboard, and mean overtopping discharge. In addition, Level III MCS technique is straightforwardly suggested by which the related empirical parameters to reliability function can be considered to be random variables with the wide range of different uncertainties. It can be possible to calculate the probabilities of failure according to the relative crest freeboard with the variations of the incident wave directions, the structural types of vertical breakwaters, and admissible overtopping volumes in conditions of the long and short crested-waves.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

따라서 실험조건에 따른 적용의 제약성 뿐만 아니라 불확실성이 존재할 수 밖에 없다. 따라서 본 연구에서는 이와 같은 적용의 제약성과 불확실성을 동시에 해결하고자 신뢰성 해석을 수행하였다.
따라서 최대월파량을 이용하여 마루높이를 산정하는 과정에 많은 불확실성들이 내포될 수 밖에 없다. 본 연구에서는 이와 같은 최대월파량의 산정과정에 포함될 수 있는 불확실성을 고려하기 위하여 신뢰성 해석을 수행하였다. 특히 본 연구에서는 직립식 방파제를 대상으로 개별파의 최대월파량과 마루높이 관계를 확률적으로 해석하였다.
본 연구에서는 최근 연구되고 있는 개별파 최대월파량 개념을 이용하여 직립식 방파제의 마루높이를 확률적으로 산정하기 위한 해석 모형을 제시하는데 그 목적을 두었다. 따라서 이상에 제시한 매우 제한적인 해석 결과만으로는 q_a와 V_max그리고 P_f의 관계를 규명하는 것이 어렵다.
본 연구에서는 이와 같은 최대월파량의 산정과정에 포함될 수 있는 불확실성을 고려하기 위하여 신뢰성 해석을 수행하였다. 특히 본 연구에서는 직립식 방파제를 대상으로 개별파의 최대월파량과 마루높이 관계를 확률적으로 해석하였다. 이하에 직립식 방파제의 개별파 최대월파량을 산정하기 위한 수학적 모형을 제시하였다.

가설 설정

6. (b) Minimum relative freeboard with respect to the allowable mean overtopping discharge, q_a for short-crested waves.
따라서 직립식 방파제에 대하여 동일한 형식으로 제안된 평균월파유량 산정식이나 형상모수를 분석하면 해당 확률변수의 상한치, X_u와 하한치, X_l을 얻을 수 있다. 그러므로 유의파고를 제외한 다른 확률변수들은 다음 식 (12)의 제약조건을 만족하는 정규분포를 따른다고 가정하였다.

제안 방법

개별파 월파량의 초과확률 개념을 근간으로 월파되는 파랑의 개수와 상대마루높이 그리고 평균월파유량과의 관계를 이용하여 개별파의 최대월파량, 를 산정할 수 있는 수학적 모형이 수립되었다. 이상에서 쉽게 알 수 있듯이 수학적 모형을 구성하는 과정에 정의된 많은 변수들의 값이 실험 자료를 근간으로 각기 다르게 제시되고 있다.
개별파 최대월파량 개념을 이용하여 신뢰함수를 수립하였고 관련 확률변수들을 고려하는 방법에 대하여 자세히 제시하였다. 신뢰성 해석을 수행하기 전에 관련 변수들을 상수로 고려하는 결정론적 방법으로 먼저 개별파 최대월파량에 대한 거동특성을 해석하였다.
6에 이미 제시된 허용 평균월파유량에 따른 최소 상대마루높이 산정 결과와 개별파 최대월파량 개념으로 수행된 신뢰성 해석 결과를 비교하였다. 동일조건에서 최소 상대 마루높이에 해당하는 신뢰성 해석의 파괴확률을 비교하였다. 이는 서로 다른 두 해석법 사이에 존재 할 수 있는 임의의 관계를 규명하기 위함이다.
직립식 방파제의 법선에 대하여 β = 45^o로 입사하는 파랑이 약 4시간 동안 작용하는 조건이다. 또한 B = 3/4, c₁= 0.082, c₂= 3.0 을 이용하여 상대마루높이의 변화에 따라 월파되는 파랑의 개수 N_ow, 축척모수 A, 평균월파유량 q, 그리고 개별파 최대월파량 V_max를 산정하였다. CEM(2006)에 의하면 γ_β= 0.
마지막으로 서로 다른 두 해석법 사이에 존재 할 수 있는 임의의 관계를 규명하기 위하여 허용 평균월파유량에 따른 최소 상대마루높이 산정 결과와 동일조건에서 개별파 최대월파량 개념으로 수행된 신뢰성 해석 결과를 비교하였다. 개별파 최대월파량의 허용수준이 작은 경우는 입사파향, 구조물 형식에 상관없이 높은 파괴확률을 나타내고 있다.
3에서 제시한 축척모수의 영향 때문이다. 마지막으로 평균월파유량, q와 개별파의 최대월파량, V_max를 비교하였다. Fig.
여기서 입사파향과 직립식 방파제 형식에 따른 γβ와 γg는 CEM(2006)에 자세히 제시되어 있다. 먼저 현재 설계에서 일반적으로 적용되고 있는 평균월파유량의 허용수준을 이용하여 해석적으로 마루높이를 결정하는 방법을 제시하였다. 식 (8)을 이용하면 주어진 허용 평균월파유량에 대응하는 상대마루높이의 최소치는 다음 식 (13)으로부터 산정할 수 있다.
본 연구에서 제시한 식 (9)의 신뢰함수는 해수면으로부터 정의된 마루높이 R_c, 입사파의 지속시간 T_mN_m, 입사 유의파고 H_s, 평균월파유량의 경험상수 c₁, c₂그리고 형태모수 B 등 많은 변수들로 구성되어 있다. 본 연구에서는 입사파의 지속시간과 마루높이를 제외한 모든 변수를 확률변수로 고려하였다. 이는 앞에서 언급하였듯이 각기 다른 연구자에 의하여 제안된 제안식들의 적용에 대한 제약성을 확장함과 동시에 불확실성을 고려하기 위함이다.
본 연구에서는 허용 평균월파유량에 F_s라는 여유율을 도입하여 적용의 탄력성을 도모하였다. 항만 및 어항 설계기준(2005)에 정의된 항만 시설물에 대한 허용 평균월파유량은 배후지의 중요도에 따라 qa= 0.
개별파 최대월파량 개념을 이용하여 신뢰함수를 수립하였고 관련 확률변수들을 고려하는 방법에 대하여 자세히 제시하였다. 신뢰성 해석을 수행하기 전에 관련 변수들을 상수로 고려하는 결정론적 방법으로 먼저 개별파 최대월파량에 대한 거동특성을 해석하였다. Franco and Franco(1999)가 사용한 단봉파(short-crested waves) 조건과 동일하게 입사조건으로 H_s= 2.
월파량을 산정하기 위한 예측식들은 대부분 실험 자료를 근간으로 제시되어 왔다. 월파와 관련된 변수들을 몇 개의 무차원 변수로 정의하여, 임의의 함수관계식을 구성하는 경험적인 방법으로 월파량을 예측하고자 했다. 먼저 경사식 방파제를 대상으로 불규칙 파랑에 의하여 발생되는 월파량을 산정한 Owen(1980)의 실험적 연구를 시작으로 Bradbury and Allsop(1988), Aminti and Franco(1988), Allsop and Franco (1992), De Waal and Van der Meer(1992), Pedersen (1996), Hedge and Reis(1998), Hebsgaard et al.
이상에서 개별파 최대월파량의 거동특성을 관련된 함수들의 거동특성과 연관지어 자세히 해석하였다. 따라서 이하에 3절에서 수립된 신뢰성 해석모형의 적용 결과를 제시한다.
특히 본 연구에서는 직립식 방파제를 대상으로 개별파의 최대월파량과 마루높이 관계를 확률적으로 해석하였다. 이하에 직립식 방파제의 개별파 최대월파량을 산정하기 위한 수학적 모형을 제시하였다. 또한 3절과 4절에 각각 신뢰성 해석모형
개별파 최대월파량을 이용하여 직립식 방파제의 마루높이를 산정할 수 있는 신뢰성 해석 모형이 제시되었다. 입사파랑이 작용하는 시간 동안 월파되는 파랑의 개수와 상대마루높이 그리고 평균월파유량의 함수로 정의되는 개별파 최대월파량과 그 허용치를 이용하여 신뢰함수를 수립하였다. 또한 각 확률변수들의 불확실성을 고려하면서 해석범위를 확대할 수 있는 방법이 제시되었다.
입사 유의파고와 실험에 의하여 결정되는 관련 경험계수들을 확률변수로 고려하여 Level III MCS 기법으로 신뢰성 해석을 수행하였다. 장봉파 및 단봉파 조건에서 입사파향, 직립식 방파제의 구조형식 그리고 개별파 최대월파량의 허용수준을 변화시키면서 상대마루높이에 따른 파괴확률을 산정하였다.
한편 Fig. 6에 이미 제시된 허용 평균월파유량에 따른 최소 상대마루높이 산정 결과와 개별파 최대월파량 개념으로 수행된 신뢰성 해석 결과를 비교하였다. 동일조건에서 최소 상대 마루높이에 해당하는 신뢰성 해석의 파괴확률을 비교하였다.

대상 데이터

신뢰성 해석을 수행하기 전에 관련 변수들을 상수로 고려하는 결정론적 방법으로 먼저 개별파 최대월파량에 대한 거동특성을 해석하였다. Franco and Franco(1999)가 사용한 단봉파(short-crested waves) 조건과 동일하게 입사조건으로 H_s= 2.5m, T_m= 5.0s 그리고 N_w= 3,000를 사용하였다. 직립식 방파제의 법선에 대하여 β = 45^o로 입사하는 파랑이 약 4시간 동안 작용하는 조건이다.

데이터처리

또한 각 확률변수들의 불확실성을 고려하면서 해석범위를 확대할 수 있는 방법이 제시되었다. 입사 유의파고와 실험에 의하여 결정되는 관련 경험계수들을 확률변수로 고려하여 Level III MCS 기법으로 신뢰성 해석을 수행하였다. 장봉파 및 단봉파 조건에서 입사파향, 직립식 방파제의 구조형식 그리고 개별파 최대월파량의 허용수준을 변화시키면서 상대마루높이에 따른 파괴확률을 산정하였다.

이론/모형

Table 4. Minimum relative freeboard and its probability of failure evaluated by MCS reliability model.
수학적으로 확률변수들의 변화량을 산정하기가 불가능하다. 따라서 본 연구에서는 식 (9)를 해석하기 위하여 Level III MCS(Monte-Carlo Simulation) 기법을 사용하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	월파는 무엇의 상호작용에 의해서 나타나는 현상인가?	해안 구조물과 입사파랑의 상호작용에 의해서 나타나는 중요한 현상 중 하나가 월파(overtopping)이다. 방파제와 같은 해안 구조물의 마루높이는 일반적으로 월파량을 기준으로 결정하게 된다.
	해안 구조물의 마루높이는 무엇을 기준으로 결정하는가?	해안 구조물과 입사파랑의 상호작용에 의해서 나타나는 중요한 현상 중 하나가 월파(overtopping)이다. 방파제와 같은 해안 구조물의 마루높이는 일반적으로 월파량을 기준으로 결정하게 된다. 마루높이가 너무 낮으면 입사파랑을 효과적으로 차단해야 하는 해안 구조물의 기능성이 약화될 수 있고, 반대로 너무 높으면 건설 비용이 비싸 질 뿐만 아니라 조망이 나빠질 수 있다.
	마루높이를 결정하는데 필요한 실제 월파량을 정확히 예측하는 것이 쉽지 않은 이유는 무엇인가?	현재 허용월파유량의 개념에 따라 적정 마루높이를 결정하고 있으나 실제 월파량을 정확히 예측하는 것이 쉽지 않다. 이는 월파 현상이 다른 어떤 문제보다도 수리학적으로 복잡하기 때문이다. 현재까지도 많은 연구자들이 월파량을 정확히 예측하기 위한 연구를 수행하고 있다.

참고문헌 (27)

이철응 (2003). 월파에 대한 경사식 해안 구조물의 신뢰성 해석. 한국해안.해양공학회논문집, 15(4), 214-223.
오정은, 서경덕, 권혁민 (2006). 호안에서의 월파에 대한 신뢰성 해석. 한국해안.해양공학회논문집, 18(1), 69-83.
Ahrens, J.P. and Heimbaugh, M.S.m. (1988). Seawall overtopping model. Proc. 21st. Int. Coast. Engrg. Conf., ASCE, 795-806.
Allsop, N.W.H. (2005). Analysis of overtopping hazards. CLASH WP6, HR Wallingford, U.K.
Allsop, N.W.H. and Besely, P.B. and Madurini, L. (1995). Overtopping performance of vertical and composite breakwaters, seawalls, and low reflection alternatives. Paper to Final MCS PW, Alderney, U.K.
Allsop, N.W.H. and Franco, C. (1992). MAST G6-S Coastal Structures Topic R3: Performance of rubble moud breakwaters. Paper 3.12 to G6-S Final Workshop.
Aminti, P. and Franco, L. (1988). Wave overtopping on rubble mound breakwaters. Proc. 21st. Int. Coast. Engrg. Conf., ASCE, 770-781.
Besely, P.B. (1999). Overtopping of seawalls-design and assessment manual. Technical Report W178, Environmental Agency, Bristol, U.K.
Beseley, P.B. and Allsop, N.W.H. (2000). Wave overtopping of coastal and shoreline structures. Handbook of Coast. Engrg., Herbich (ed.) 6.1-6.21.
Bradbury, A.P. and Allsop, N.W.H. (1988). Hydraulic effects of breakwater crown walls. Design of Breakwaters ICE, London, 385-396.
Bruce, T., Allsop, N.W.H. and Pearson, J. (2001). Violent overtopping of seawalls-extended prediction method. Proc. of Int. Conf. on Breakwaters, coastal structures and coastline, ICE, 245-255.
CEM(Coastal Engineering Manual) (2006). Coastal Engineering Research Center, US Army Corps Engineers, Washington, DC.
De Waal, J.P. and Van der Meer, J.W. (1992). Wave run-up and overtopping on coastal structures. Proc. 23rd. Int. Coast. Engrg. Conf., ASCE, 1759-1771.
Franco, C. and Franco, L. (1999). Overtopping formulas for caisson breakwaters with nonbreaking 3D waves. J. of Waterway, Port, Coast., and Ocn. Engrg., ASCE, 125(2), 98-108.
Franco, L., Gerloni, M. and Van der Meer, J.W. (1994). Wave overtopping on vertical and composite breakwaters. Proc. 24th. Int. Coast. Engrg. Conf., ASCE, 1030-1044.
Hebsgaard, M., Sloth, P. and Juhl, J. (1998). Wave overtopping of rubble mound breakwaters. Proc. 26th. Int. Coast. Engrg. Conf., ASCE, 2235-2248.
Hedges, T.S. and Reis, M.T. (1998). Random wave overtopping of simple sea walls: a new regression model. Water, Maritime and Energy Journal, ICE, 130, 1-10.

상세보기
Lee, C.E. and Kwon, H.J. (2009). Reliability analysis and evaluation of partial safety factors for random wave overtopping. KSCE Journal of Civil Engrg., KSCE, 13(1), 7-14.

상세보기
Li, C.Q. and Zhao, J.M. (2010). Time-dependent risk assessment of combined overtopping and structural failure for reinforced concrete structures. J. of Waterway, Port, Coast., and Ocn. Engrg., ASCE, 136(2), 97-103.

상세보기
Owen, M.W. (1980). Design of seawalls allowing for wave overtopping. Rep. EX924, HR Wallingford, Wallingford, U.K.
Pedersen, J. (1996). Experimental study of wave forces and wave overtopping on breakwater crown walls. Series paper 12, Hydraulic & Coastal Engineering Laboratory, Aalborg University, Denmark.
Pullen, T., Allsop, N.W.H., Bruse, T., Kortenhaus, A., Schuttrumpf, H. and Van der Meer, J.W. (2007). EurOtop-Wave overtopping of sea defences and related structures. Assessment manual. www.overtopping-manual.com, Die Kuste. Heft 73.
Su, J.C., Liu, C.I. and Kuo, C.T. (1992). Application of Weibull distribution for irregular wave overtopping. Proc. of 6th IAHR Symp. on Stochastic Hyd., Taipei, Taiwan.
TAW (2002). Technical report wave run-up and wave overtopping at dikes. Technical Advisory Committee on Flood Defence, Netherlands.
Van der Meer, J.W. (1992). Wave run-up and overtopping at dikes. Report H638, Delft Hydraulics Ltd., Delft, Netherlands.
Van der Meer. J.W. and Janssen, J.P.F.M. (1994). Wave runup and wave overtopping at dikes and revetments. Delft Hydraulic Pub. No. 485, Netherlands.
Verhaeghe, H. (2005). Neural network prediction of wave overtopping at coastal structures. Ph.D. Thesis, University of Gent, Netherlands.

저자의 다른 논문 :

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].

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증