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문제 정의
- 상대여유고의 변화는 여유고를 고정하고 파고 또는 수위를 변화시켜 수행할 수도 있지만, 이러한 경우에는 파랑의 비선형성이 변하게 되는 단점이 발생하게 된다. 따라서 본 실험에서는 상대여유고 설정시 입사파 조건을 고정하고 직립구조물의 여유고를 변화시켜 동일한 파랑의 비선형성을 가지는 조건에서 상대여유고의 변화에 따른 연파특성을 검토하였다.
- 본 연구에서는 직립구조물에 의한 연파특성에서 월파가 미치는 영향을 분석하기 위해 입사파와 구조물이 이루는 입사각, 입사파의 유의파고 및 유의주기, 상대여유고의 변화 등에 따른 제체 전면 및 제체 직각방향으로의 파고를 계측하여 비교 분석하였다.
- 본 연구에서는 직립구조물을 대상으로 월파가 발생되는 조건에서 경사입사파 내습시 연파특성을 상대여유고를 변화시키며 검토하였으며, 본 실험으로부터 얻어진 결론을 요약하면 다음과 같다.
- 본 연구에서는 직립구조물을 대상으로 월파발생 조건에서의 연파특성을 검토하기 위해 수리실험을 수행하였다. 수리실험은 일정 수심상에서 수행되었으며, 입사파는 일방향 불규칙파를 적용하였다.
제안 방법
- 구조물 끝단에서 발생하는 end effect가 본 계측영역에 영향을 미치지 않도록 하기 위해 실험모형을 22 m 설치한 후, 약 2 m의 불투과성 구조물을 추가로 설치하였으며, 파고는 구조물 시점으로부터 20.2 m 구간까지만 계측하였다. 본 실험에 사용된 조파기가 사형조파기이므로 경사입사파를 재현할 수 있으나, 입사각이 커질 경우에는 회절파로 인해 실험결과의 정확도가 저하될 수 있어 본 실험에서는 조파선에 직각방향으로만 파랑을 조파하고 직립 구조물 모형의 설치각도를 변경시켜 입사각(β)을 조절하였다.
- 수리실험은 유한한 수조내에서 수행되므로 구조물에 의한 반사파를 적절히 소파시키지 못하면 실험결과의 신뢰도가 저하된다. 따라서 본 실험에서는 조파기 반대편의 수조벽에 1:12 경사의 쇄석을 배치하여 반사파를 제어하였으며, 조파기 후면은 스테인리스 재질의 소파시설을 설치하여 조파기 후면에서 발생하는 파랑을 제어하였다. 또한 조파기 측면벽도 반사파의 발생이 억제되도록 소파시설을 배치하였다.
- 수리실험에서 직립구조물과 입사파가 이루는 입사각, 입사파의 주기 및 파고, 정수면으로부터 구조물 상단까지의 높이인 여유고의 변화 등에 따른 제체 전면의 파고분포를 계측하여 그 특성을 비교 분석하였다. 또한 동일한 상대여유고 조건에서 파랑의 비선형성이 연파특성에 미치는 영향을 분석하였다.
- 따라서 본 실험에서는 조파기 반대편의 수조벽에 1:12 경사의 쇄석을 배치하여 반사파를 제어하였으며, 조파기 후면은 스테인리스 재질의 소파시설을 설치하여 조파기 후면에서 발생하는 파랑을 제어하였다. 또한 조파기 측면벽도 반사파의 발생이 억제되도록 소파시설을 배치하였다.
- 본 실험에 사용된 조파기가 사형조파기이므로 경사입사파를 재현할 수 있으나, 입사각이 커질 경우에는 회절파로 인해 실험결과의 정확도가 저하될 수 있어 본 실험에서는 조파선에 직각방향으로만 파랑을 조파하고 직립 구조물 모형의 설치각도를 변경시켜 입사각(β)을 조절하였다.
- 5 m이며, 본 실험에 적용한 실험파 조건은 Table 1과 같다. 본 실험에서는 일방향 불규칙파를 적용하였으며, Bretschneider-Mitsuyasu 스펙트럼을 주파수 스펙트럼으로 사용하였다. Table 1에서 (H1/3)0는 입사파의 유의파고, (T1/3)0는 입사파의 유의주기, (L1/3)0와 (k1/3)0는 각각 입사파의 유의주기에 해당하는 파장과 파수, β는 입사파와 구조물이 이루는 각이며, 구조물에 직각으로 입사하는 조건은 β=90°이다.
- 수리실험은 일정 수심상에서 수행되었으며, 입사파는 일방향 불규칙파를 적용하였다. 수리실험에서 직립구조물과 입사파가 이루는 입사각, 입사파의 주기 및 파고, 정수면으로부터 구조물 상단까지의 높이인 여유고의 변화 등에 따른 제체 전면의 파고분포를 계측하여 그 특성을 비교 분석하였다. 또한 동일한 상대여유고 조건에서 파랑의 비선형성이 연파특성에 미치는 영향을 분석하였다.
- 본 연구에서는 직립구조물을 대상으로 월파발생 조건에서의 연파특성을 검토하기 위해 수리실험을 수행하였다. 수리실험은 일정 수심상에서 수행되었으며, 입사파는 일방향 불규칙파를 적용하였다. 수리실험에서 직립구조물과 입사파가 이루는 입사각, 입사파의 주기 및 파고, 정수면으로부터 구조물 상단까지의 높이인 여유고의 변화 등에 따른 제체 전면의 파고분포를 계측하여 그 특성을 비교 분석하였다.
- 실험모형은 조파기 전면으로부터 6 m, 조파기 측면으로부터 3 m 떨어진 위치에서부터 설치하였으며, 조파기 전면으로부터 일정구간에 조파기에 의해 발생된 파랑을 유도하고, 조파기 후면으로부터 발생된 반사파가 실험영역내에 영향을 미치지 못하도록 하기 위해 불투수성 유도판을 설치하였다. Fig.
- 직립구조물과 경사입사파에 의해 발생되는 연파는 직립구조물을 따른 방향(x 방향)과 직립구조물의 직각방향(y 방향)으로 계측을 하였다. 직립구조물을 따른 방향의 수면변위는 제체전면에서 0.
- 직립구조물을 따른 방향의 수면변위는 제체전면에서 0.05 m 떨어진 위치에서 x=0.6 m 위치부터 Δx=0.4 m 간격으로 x=20.2 m까지 계측하였으며, 직립구조물 직각방향의 수면변위는 x=14 m와 x=20 m 위치에서 y=0～2.0 m까지는 Δy=0.2 m, y=2.3～6.2 m까지는 Δy=0.3 m 간격으로 계측하였다.
대상 데이터
- 0 sec의 파랑 재현이 가능한 조파성능을 가지고 있다. 그리고 실험에 사용된 평면수조는 길이 42 m, 폭 36 m, 높이 1.05 m이다.
- 본 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.
- 본 실험에 적용된 유의파고는 (H1/3)0=0.05 m와 (H1/3)0=0.10 m이고, 유의주기는 (T1/3)0=1.2 sec, 1.5 sec 및 2.1 sec이며, 적용된 입사각(β)은 β=10°, 20°, 30° 및 40°이다.
- 수리실험에 적용된 단면은 무공 직립구조물로서 실험단면 형상은 Fig. 2와 같으며, 정수면으로부터 구조물의 마루 높이, 즉 여유고(Rc)를 다양하게 변화시키며 실험을 실시하였다. 실험에 적용된 여유고(Rc)는 Rc=0.
- 2와 같으며, 정수면으로부터 구조물의 마루 높이, 즉 여유고(Rc)를 다양하게 변화시키며 실험을 실시하였다. 실험에 적용된 여유고(Rc)는 Rc=0.05 m, 0.075 m, 0.10 m, 0.125 m 및 0.15 m이고, Table 2는 본 실험에서 적용한 상대여유고(R =Rc/(H1/3)0)를 정리한 것으로서 상대여유고는 R =0.50, 0.75, 1.00, 1.25와 1.50이다. 상대여유고의 변화는 여유고를 고정하고 파고 또는 수위를 변화시켜 수행할 수도 있지만, 이러한 경우에는 파랑의 비선형성이 변하게 되는 단점이 발생하게 된다.
- 실험에 적용된 입사파의 파장은 (T1/3)0=1.2 sec인 경우에 (L1/3)0=2.05 m, (T1/3)0=1.5 sec인 경우에 (L1/3)0= 2.83 m, (T1/3)0=2.1 sec인 경우에 (L1/3)0=4.30 m이다. 따라서 실험에 사용된 모형길이 22m를 유의파주기에 해당하는 유의파장으로 무차원화하면 (T1/3)0=1.
- 실험파 설정 및 수면변위 계측에 사용된 파고 계는 용량식파고계로서 길이는 0.6 m이고, 측정범위는 0～±0.3 m이며, 본 실험에서는 25대의 파고계를 사용하였다.
- 월파조건에서 직립구조물을 따른 연파특성에 대한 수리실험을 위해 전술한 평면수조 내에 길이(Lm) 22 m의 직립구조물을 설치하였다(Fig. 1). 수리실험은 유한한 수조내에서 수행되므로 구조물에 의한 반사파를 적절히 소파시키지 못하면 실험결과의 신뢰도가 저하된다.
성능/효과
- 1) 직립구조물 전면을 따른 상대유의파고는 상대여유고(R)가 작을수록, 입사파의 비선형성이 클수록 작아지는 것으로 나타났다. 본 실험조건 내에서 β =10°인 경우를 제외하면 R=0.
- 2) 직립구조물 직각방향으로의 상대유의파고 또한 상대여유고가 낮아짐에 따라 작게 나타남을 알 수 있었으며, 월파로 인한 연파 저감효과는 연파의 폭 범위 내에서만 발생하는 것을 알 수 있었다. 그리고 R≤0.
- 3) 입사파의 비선형성이 커질수록 연파의 크기는 작게나타난 반면, 연파의 폭은 증가하였다. 그러나 입사각이 β ≥30°인 경우에는 입사파의 비선형성에 따른 연파 폭의 변화는 크지 않았다.
- 4) 직립구조물 설계 시 상대여유고가 R≥1.0인 경우는 월파에 의한 파고변화가 크지 않기 때문에 비월파조건의 경우와 동일하게 취급해도 될 것으로 판단된다.
- 75인 경우에는 파고저감이 명확하게 나타나지만 그 이외의 경우에는 저감효과는 크지 않았고, 이러한 저감효과 또한 연파의 폭 범위 내에서만 발생하는 것을 알 수 있으며, 월파발생으로 인한 연파의 폭의 변화는 거의 발생하지 않는 것으로 나타났다. 그리고 구조물에 인접할수록 파고저감이 크며, 구조물로부터 멀어질 수록 저감효과는 감소하는 것을 알 수 있다.
- 0인 경우에는 비월파조건과 비교해 볼 때 연파저감효과는 크지 않았다. 그리고 월파발생으로 인한 연파의 폭의 변화는 거의 발생하지 않는 것으로 나타났으며, 구조물에 인접할수록 파고저감이 크고, 구조물로부터 멀어질수록 저감효과는 감소하는 것을 알 수 있었다.
- 그리고 입사각이 증가할수록 연파의 폭은 감소함을 알 수 있으며, β ≤20°인 조건에서는 입사파의 비선형성에 따른 연파의 폭의 차이가 비교적 크게 나타나는 반면, β ≥30°인 조건에서는 그 차이가 크지 않았다.
- 0 이상에서는 파고저감효과가 미미한 것으로 분석되었다. 동일한 입사각 및 상대여유고 조건에서 입사파의 주기가 길어질수록 구조물 전면에서의 파고저감 정도는 증가하였다.
- 본 실험 조건 내의 결과로부터 β =10°인 경우를 제외하면 R=0.50인 경우는 비월파조건 대비 약 10% 내외, R=0.75인 경우는 약 5% 내외의 파고가 저감되고 R=1.00 이상에서는 저감효과가 미미한 것으로 분석되었다.
- 본 실험조건 내에서 β =10°인 경우를 제외하면 R=0.50인 경우는 비월파조건 대비 약 10% 내외, R=0.75인 경우는 약 5% 내외의 파고가 저감되고 R=1.0 이상에서는 파고저감효과가 미미한 것으로 분석되었다.
- 따라서 입사파의 비선형성은 C21 > C22 > C23 순이다. 실험결과에서 알 수 있는 바와 같이 입사파의 비선형성이 작을수록 상대유의파고는 크게 나타남을 알 수 있다. Figs.
- 3∼5에서 각 조건에 해당되는 상대여유고별 상대파고비(RH)를 정리한 것이 Table 3이다. 전체적으로 상대여유고가 감소할수록, 입사각이 증가할수록 월파량이 증대되어 상대파고비는 감소하였으며, 또한 입사파의 비선형성이 작을수록 상대파고비는 감소하는 것으로 나타났다. 본 실험 조건 내의 결과로부터 β =10°인 경우를 제외하면 R=0.
- 3∼5는 C21, C22 및 C23 실험 안에 대해 입사각과 상대여유고의 변화에 따른 직립구조물 전면을 따른(x방향)상대유의파고를 각각 비교도시한 것이다. 전체적으로상대여유고(R)가 작을수록 상대유의파고(H1/3/(H1/3)0)는 감소하는 경향을 보이며, 이는 상대여유고가 감소함으로 인해 월파의 증대되는 것이 주요 원인이라 할 수 있다. 그리고 입사각이 증가함에 따라 상대유의파고는 증가하였다.
- 직립구조물을 따른 방향(x방향)과 마찬가지로 R≤0.75인 경우에는 파고저감이 명확하게 나타나지만 그 이외의 경우에는 저감효과는 크지 않았고, 이러한 저감효과 또한 연파의 폭 범위 내에서만 발생하는 것을 알 수 있으며, 월파발생으로 인한 연파의 폭의 변화는 거의 발생하지 않는 것으로 나타났다.
후속연구
- 전 체 계측구간 중에서 상대여유고별 상대유의파고의 변화가 가장 큰 구간을 대상으로 비교할 수도 있으나, 전체 구간을 대상으로 하는 것이 의미가 있는 것으로 판단하였다. 물론 실제 구조물 설계시에는 구조물의 연장에 따라 일부구간의 값을 대상으로 검토할 수도 있을 것이다. Fig.
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