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문제 정의
- 유공케이슨의 소파특성에 대한 다양한 연구가 수행되었지만, 유공부의 형상에 따른 검토는 상대적으로 미흡한 실정이다. 따라서 본 연구에서는 유공부의 형상(종 slit과 횡 slit)에 따른 반사특성을 직각 입사파 및 경사 입사파를 대상으로 실험적으로 검토하였다. 직각 입사파 조건에서는 각 유공부 형상별로 3개의 유공율을 적용하여 유공율, 유공부 형상 및 파형경사에 따른 반사특성을 검토하였다.
- 본 연구에서는 부분 유공케이슨의 유공부 형상, 유공율과 상대유수실 폭에 따른 반사특성을 검토하기 위해 2차원 실험을 수행하였다. 2차원 실험은 Fig.
- Table 3에 제시된 바와 같이 유의주기 4가지 조건을 적용하였으며, 동일 조건을 대상으로 3회 이상 반복실험을 수행하여 계측된 결과를 산술평균하여 결과를 도시하였다. 입사각, 유공부 형상, 유의주기 및 유의파고 등을 다양하게 적용하여 실험을 수행하였기 때문에 많은 계측자료가 존재하지만, 본 논문에서는 대표적인 결과를 제시하고 검토하고자 한다.
제안 방법
- 모든 실험에 적용된 일방향 불규칙파는 Bretschneider-Mitsuyasu 주파수 스펙트럼을 적용하여 재현하였으며, 입사파는 구조물이 설치되기 전의 조건, 즉 통과파 관점에서 설정하였다. 2차원 실험에서는 모형구조물이 설치되지 않는 협수로에서 구조물 설치 위치, 3차원 실험에서는 Fig. 1(b)에 도시된 기준점(reference point)에서 입사파를 상시 계측하여 과도한 반사파의 발생유무를 확인하였다. 그리고 구조물 등에 의해 발생되는 반사파가 계측영역내로 전파되는 것을 최소화하기 위해 다양한 소파시설을 충분히 배치하였다.
- 본 실험은 전면벽의 유공 형상에 따른 차이점을 검토하는 것이 주된 목적이기 때문에 x방향으로의 계측을 위주로 수행하였다. Table 3에 제시된 바와 같이 유의주기 4가지 조건을 적용하였으며, 동일 조건을 대상으로 3회 이상 반복실험을 수행하여 계측된 결과를 산술평균하여 결과를 도시하였다. 입사각, 유공부 형상, 유의주기 및 유의파고 등을 다양하게 적용하여 실험을 수행하였기 때문에 많은 계측자료가 존재하지만, 본 논문에서는 대표적인 결과를 제시하고 검토하고자 한다.
- 경사 입사파조건에서 파랑과 유공케이슨의 상호작용에 의한 파고저감효과를 검토하기 위해 3차원 실험을 수행하였으며, 3차원 실험은 모형제작경비 등의 제약으로 인해 각각의 slit 형상별로 1개의 유공율만을 대상으로 하였다. 본 연구에서는 무공구조물(case PW), 종 slit(case VP30)과 횡 slit(case HP30) 실험안을 대상으로 하였다.
- 경사 입사파를 대상으로 한 실험에서는 유공율이 약 30%인 VP30과 HP30 실험안을 대상으로 하였으며, 각각의 모형 연장은 20m이다. 구조물 전면을 따른 파고계측은 구조물 전면벽으로부터 0.05m 이격하여 0.4m 간격으로 파고계를 배치한 후 실시하였으며, 구조물 끝단효과(end effect)를 감안하여 계측구간은 모형상 x=0m~18.8m로 설정하였다(Fig. 1b 참조). 본 실험은 전면벽의 유공 형상에 따른 차이점을 검토하는 것이 주된 목적이기 때문에 x방향으로의 계측을 위주로 수행하였다.
- 직각 입사파 조건에서는 각 유공부 형상별로 3개의 유공율을 적용하여 유공율, 유공부 형상 및 파형경사에 따른 반사특성을 검토하였다. 그리고 경사 입사파 조건에서 무공케이슨과 유공케이슨을 대상으로 입사각, 유공부의 형상, 상대유수실 폭에 따른 제체 전면의 파고분포를 비교 검토하였다.
- 그리고 입사파와 구조물이 이루는 각(β)은 β=10°, 20° 및 30°를 적용하였다.
- 또한 경사 입사파에 의한 부분 유공케이슨의 반사특성을 검토하기 위해 3차원 실험을 수행하였다. 3차원 실험에 사용된 조파기는 다방향 불규칙파 조파기로서 규칙파, 일방향 불규칙파 및 다방향 불규칙파의 조파가 가능한 사형(snake-type) 조파기이다.
- 모든 실험에 적용된 일방향 불규칙파는 Bretschneider-Mitsuyasu 주파수 스펙트럼을 적용하여 재현하였으며, 입사파는 구조물이 설치되기 전의 조건, 즉 통과파 관점에서 설정하였다. 2차원 실험에서는 모형구조물이 설치되지 않는 협수로에서 구조물 설치 위치, 3차원 실험에서는 Fig.
- 1(a)에 도시된 수로를 이용하였으며, 실험수로는 길이 56m, 높이 2m, 폭 1m이고, 전기서보 피스톤식 조파기가 설치되어 있다. 본 실험수로는 규칙파 및 불규칙파를 조파할 수있으며, 수로 내에서 구조물 설치로 인한 반사파와 조파판에서 발생하는 재반사파를 효과적으로 제어하기 위해 수로 폭 1m를 폭 0.6m와 폭 0.4m로 분할하였다. 분할된 수로에서 실험모형은 폭 0.
- 2(a, b)는 각각 측면도와 평면도로서 모형의 주요 제원은 Table 1에 제시되어 있다. 본 실험에서는 사용되는 실험시설의 제원을 감안하여 2차원과 3차원 실험에 사용된 모형을 서로 다른 축척을 적용하여 제작하였다. 즉, 실험결과의 신뢰성 향상을 위해 2차원 모형은 3차원 모형에 비해 보다 크게 제작하였다(Table 1 참조).
- 본 연구에서는 부분 유공케이슨의 유공부 형상에 따른 소파특성을 검토하기 위해 2차원 및 3차원 실험을 수행하였다. 파랑이 구조물에 직각으로 입사하는 2차원 실험에서는 반사계수 도출을 통한 유공부 형상 및 유공율에 따른 소파특성을 위주로 검토하였고, 3차원 실험에서는 경사입사파에 대한 부분 유공케이슨의 소파특성을 제체 전면의 파고분포를 계측하여 검토하였다.
- 본 연구에서는 유공부 형상, 상대유수실 폭, 파형경사 등에 따른 유공케이슨의 소파특성을 2차원 및 3차원 실험을 통해 고찰하였다. 본 실험으로부터 도출된 결론을 요약하면 다음과 같다.
- 4m로 분할하였다. 분할된 수로에서 실험모형은 폭 0.6m의 수로에 설치하여 제반 자료를 취득하고, 폭 0.4m의 수로에서는 입사파의 설정 및 보정을 수행하였다.
- 실험파는 각 실험별(2차원 및 3차원 실험)로 구분하여 적용하였다(Table 3 참조). 2차원 실험은 전면벽의 유공부 형상, 유공율 및 상대유수실 폭 등에 따른 소파특성을 평가하는 것이 주된 목적이기 때문에 입사파의 주기를 다양하게 적용하였다.
- 유수실이 1개인 유공케이슨을 대상으로 전면벽의 slit 형상, 유공율(P) 및 상대유수실 폭에 따른 반사특성을 실험적으로 검토하였다. 실험에 사용된 모형구조물의 형상을 도시한 것이 Fig.
- 전면벽의 유공부 형상, 유공율 및 상대유수실 폭에 따른 부분 유공케이슨의 반사특성을 2차원 실험을 통해 검토하였다.
- 종 slit의 경우에는 정수면에 접하는 부분에 대해 유공율을 산정하여도 되지만, 횡 slit의 경우에는 이를 적용할 수 없기 때문이다. 전술한 바와 같이 실험시설 등의 제약으로 인해 2차원 실험과 3차원 실험시 동일한 모형을 사용할 수 없어 원형을 서로 다른 축척을 적용하여 실험모형을 제작하였다.
- 직각 입사조건에서 유공부의 형상에 따른 반사특성을 검토하기 위해 전면벽이 종 slit과 횡 slit인 유공 1실 케이슨을 대상으로 하였으며, 각각의 slit 형상별로 3가지의 유공율을 적용하였다. 종 slit의 경우에 P=20.
- 따라서 본 연구에서는 유공부의 형상(종 slit과 횡 slit)에 따른 반사특성을 직각 입사파 및 경사 입사파를 대상으로 실험적으로 검토하였다. 직각 입사파 조건에서는 각 유공부 형상별로 3개의 유공율을 적용하여 유공율, 유공부 형상 및 파형경사에 따른 반사특성을 검토하였다. 그리고 경사 입사파 조건에서 무공케이슨과 유공케이슨을 대상으로 입사각, 유공부의 형상, 상대유수실 폭에 따른 제체 전면의 파고분포를 비교 검토하였다.
- 본 연구에서는 부분 유공케이슨의 유공부 형상에 따른 소파특성을 검토하기 위해 2차원 및 3차원 실험을 수행하였다. 파랑이 구조물에 직각으로 입사하는 2차원 실험에서는 반사계수 도출을 통한 유공부 형상 및 유공율에 따른 소파특성을 위주로 검토하였고, 3차원 실험에서는 경사입사파에 대한 부분 유공케이슨의 소파특성을 제체 전면의 파고분포를 계측하여 검토하였다.
대상 데이터
- 본 연구에서는 부분 유공케이슨의 유공부 형상, 유공율과 상대유수실 폭에 따른 반사특성을 검토하기 위해 2차원 실험을 수행하였다. 2차원 실험은 Fig. 1(a)에 도시된 수로를 이용하였으며, 실험수로는 길이 56m, 높이 2m, 폭 1m이고, 전기서보 피스톤식 조파기가 설치되어 있다. 본 실험수로는 규칙파 및 불규칙파를 조파할 수있으며, 수로 내에서 구조물 설치로 인한 반사파와 조파판에서 발생하는 재반사파를 효과적으로 제어하기 위해 수로 폭 1m를 폭 0.
- 또한 경사 입사파에 의한 부분 유공케이슨의 반사특성을 검토하기 위해 3차원 실험을 수행하였다. 3차원 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.
- 경사 입사파조건에서 파랑과 유공케이슨의 상호작용에 의한 파고저감효과를 검토하기 위해 3차원 실험을 수행하였으며, 3차원 실험은 모형제작경비 등의 제약으로 인해 각각의 slit 형상별로 1개의 유공율만을 대상으로 하였다. 본 연구에서는 무공구조물(case PW), 종 slit(case VP30)과 횡 slit(case HP30) 실험안을 대상으로 하였다. 3차원 실험에 적용된 모형의 연장은 모형상 20m이며, 모형의 배치는 Fig.
- 1m로서 조파기의 전체 폭은 30m이고, 전기서보 피스톤식이다. 실험에 사용된 평면수조는 길이 42m, 폭 36m, 높이 1.05m이다. Fig.
- 실험파 설정 및 파고계측에 사용된 파고계는 용량식 파고계로서 길이는 0.6m이고, 측정범위는 0~±0.3m이며, 독취율은 20Hz이다.
성능/효과
- (1) 파랑이 직각으로 입사하는 경우, 유공부 형상에 따른 반사계수는 유사한 유공율에서 횡 slit인 경우가 종 slit인 경우에 비해 약간 작게 계측되었으나 그 차이는 크지 않았으며, 적정 상대유수실 폭은 0.1~0.15인 것으로 분석되었다.
- (2) 유공케이슨의 반사특성은 입사파고에 따라 차이가 발생한다. 즉, 파형경사가 큰 경우가 작은 경우에 비해 약간 낮은 반사계수를 보였으며, 구조물 설계시 이를 고려할 필요가 있다.
- (3) 경사 입사파조건에서 유공율이 유사할 경우, 유공부 형상(종 slit과 횡 slit)에 따른 제체 전면의 파고 차이는 거의 발생하지 않았다. 전체적으로 무공케이슨에 비해 유공케이슨의 상대파고가 낮게 나타남을 확인하였으며, 이는 구조물 저면부의 안정성 확보 및 운영측면 등에서 유공케이슨이 유리함을 의미한다.
- (4) 직각 입사와 같이 경사 입사의 경우에도 상대유수실 폭이 감소하게 되면 제체 전면의 파고는 증폭되었으며, 실제 유공케이슨 설계시 일반적으로 적용되고 있는 유수실 폭을 감안할 때 설계파 조건보다는 평상파 조건에서 유공케이슨의 효용성이 크다고할 수 있다.
- CW/LS≤0.05인 경우는 유공율에 따른 반사계수의 차이는 크지 않았으나, CW/LS≥0.05인 조건에서는 본 연구에서 수행한 실험안 중 P≒30%의 소파효과가 가장 우수하게 나타났다.
- 050인 조건에 비해 상대파고가 증가하였음을 알 수 있다. 또한 상대유수실 폭이 감소함에 따라 입사각의 증가에 따른 상대파고의 증가경향은 감소하는 것으로 분석되었다.
- 국내연구로서 편종근(1980)은 삼중 유공벽식 케이슨 방파제와 Jarlan형에 대하여 각각의 유공벽에 작용하는 파력에 대한 실험을 수행하였으며, 파력의 크기는 주기보다는 파고의 영향을 많이 받고, 유공간벽 보다는 전면벽과 후면벽에서 파력이 크게 작용함을 보였다. 또한 전면벽의 유공율이 작고, 입사파의 파형경사가 커질수록 전면벽에 작용하는 파력의 크기가 증가함을 밝혔다.
- 여기서, LS는 입사파의 유의주기에 대응하는 파장이다. 본 실험조건 내에서 최소 반사계수는 기존 연구결과와 유사한 CW/LS=0.1~0.15 범위에서 계측되었으며, 유공율에 따른 최소 반사 계수 발생 위치의 변화는 거의 나타나지 않았다. 전체적으로 CW/LS ≥0.
- 본 실험조건 범위내에서 CW/LS>0.05인 경우에는 제체 전면에서 파랑증폭은 발생하지 않았으며, 이러한 현상은 구조물 전면 근고부의 안정성 확보, 선박 접안시의 동요 저감 등의 측면에서 유리하게 작용하게 될 것이다.
- 전체적으로 CW/LS ≥0.1인 경우에 횡 slit(HP series)의 반사계수가 종 slit(VP series)의 결과보다 약간 작게 계측됨을 알 수 있다.
- 3로 나타났다. 전체적으로 CW/LS=0.050인 조건에 비해 상대파고가 증가하였음을 알 수 있다. 또한 상대유수실 폭이 감소함에 따라 입사각의 증가에 따른 상대파고의 증가경향은 감소하는 것으로 분석되었다.
- (3) 경사 입사파조건에서 유공율이 유사할 경우, 유공부 형상(종 slit과 횡 slit)에 따른 제체 전면의 파고 차이는 거의 발생하지 않았다. 전체적으로 무공케이슨에 비해 유공케이슨의 상대파고가 낮게 나타남을 확인하였으며, 이는 구조물 저면부의 안정성 확보 및 운영측면 등에서 유공케이슨이 유리함을 의미한다.
- 횡 slit과 종 slit에 대한 차이를 검토해 보기 위해 x/LS>10인 구간을 대상으로 계측된 상대파고를 산술평균하여 비교해 보면, β=10°인 경우에 HP30이 VP30의 약 88%, β=20°인 경우에 약 92 %, β=30°인 경우에 약 96%의 상대파고가 산정됨으로서 횡 slit에 의한 상대파고가 약간 작게 나타났다.
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