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가설 설정
- 이 표에서 Rc는 방파제의 마루높이이다. 평평한 바닥에서 실험한 VWRU 실험은 broken wave 조건인 반면 본 실험은 breaking wave 조건이므로 VWRU 실험에서 피해가 작을 것이다. 마운드 형태에서도 차이를 보이는데, 필터층이 없고 코어 쇄석의 크기가 큰 VWRU 실험이 마운드의 투수성이 크기 때문에 피해가 작을 것이다.
제안 방법
- 94 s이다. Curve-fitting으로 구한 피해곡선에서 피해가 일어나기 시작하는 시점(N0=0), 피해가 어느 정도 진행된 시점 (N0=0.5), 그리고 피해가 많이 진행된 시점(N0=1.5)에서의 안정수를 구하고 이에 해당되는 surf similarity parameter를 계산한다.
- 쇄기파의경우 구조물의 경사에 따라 다른 거동을 나타낸다. Surf similarity parameter가 구조물의 경사에 의한 영향을 완전히 나타내지는 않지만, 권파와 비슷한 방법으로 쇄기파에 대한 공식을 유도하였다. 파형경사의 영향을 고려하기 위해 \(H_s/∆D_n=c_1ξ_z^{d_1}\) 형태로 가정하고 c1=f(#,cotθ)의 형태로 볼 수 있다.
- 각 실험은 주기 T=2 s와 H=5 cm의 규칙파 조건에서 15분간 Rakuna-IV의 안정화를 거친 후 수행되었으며, 실제 실험은 전체 3000파를 조파하여 1000파와 3000파에서의 피해를 측정하였다. 피해는 육안과 캠코더를 이용하여 측정하였다.
- =유의주기이다. 각 파랑조건 별로 주파수가 다른 100개의 정현파 성분을 중첩하여 스펙트럼을 재현하였으며, 400 파를 관측하여 스펙트럼 보정을 수행하였다. 실제 피해 실험에서는 더 많은 파를 발생시키게 되는데, 앞에서 관측한 400 파를 반복해서 조파하는 것이 아니라, 보정된 100개의 성분파에 무작위 위상을 부여하고 이들을 중첩하여 원하는 시간만큼 조파하기 때문에 (즉, #; 0 ≤ εi<2π)조파 시간이 증가함에 따라 유의파고에 대한 최대파고의 비가 증가한다.
- )의 조합으로 표현하였다. 또한 권파와 쇄기파에 대하여 각각 한 가지씩 총 두 종류의 공식을 제안하였다.
- 안정공식은 surf similarity parameter의 값에 따라 권파와 쇄기파에 대한 두 개의 공식으로 되어 있으며, 둘 중 안정수를 크게 계산하는 공식을 사용한다. 또한 사용자의 편의를 위하여 권파와 쇄기파의 경계가 되는 critical surf similarity parameter를 제시하였다.
- 마지막으로, Hudson 공식에서 사용되는 안정계수(KD)에 익숙한 기술자들에게 Rakuna-IV의 안정성을 설명하기 위하여, Fig. 11에 보인 바와 같이 대표적인 권파와 쇄기파 조건에 대하여 유의파고의 변화에 따른 Rakuna-IV의 소요중량을 계산하고, 이를 몇몇 다른 안정계수를 사용한 Hudson 공식의 결과와 비교하였다. ρa= 2,300 kg/m3, cotθ=0.
- 한편, VWRU 실험 결과에 대해서는 본 연구에서 구한 안정공식이 안정수를 과소산정하는 경향을 보였는데, 이는 VWRU 실험이 평평한 바닥에서 실시 되어 쇄파의 영향이 포함되지 않았고, 또한 마운드의 투수성이 크기 때문인 것으로 판단된다. 마지막으로, Hudson 공식에서 사용되는 안정계수에 익숙한 기술자들에게 Rakuna-IV 의 안정성을 설명하기 위하여, 대표적인 권파와 쇄기파 조건에 대하여 유의파고의 변화에 따른 Rakuna-IV의 소요중량을 계산하고, 이를 몇몇 다른 안정계수를 사용한 Hudson 공식의 결과와 비교하였다. 그 결과, 상대피해 N0=0.
- 본 연구에서는 일반적인 사석 경사제 위에 2층으로 피복한 Rakuna-IV에 대하여 파랑 조건과 구조물의 경사를 변화시켜 가면서 51 가지 경우에 대한 실험을 실시하여 Tetrapod에 대한 Suh and Kang (2012) 공식의 형태로 안정공식을 제안한다. 바닥 경사는 1:25를 사용하였으며, 안정공식은 상대피해, 파의 개수, 구조물의 경사, 파형경사의 함수로 권파와 쇄기파에 대하여 제안된다.
- 본 연구에서는 다양한 파랑조건과 구조물 경사에 대한 수리 실험을 수행하여 사석 방파제 위에 피복한 Rakuna-IV에 대한 안정공식을 유도하였다. 안정공식은 surf similarity parameter의 값에 따라 권파와 쇄기파에 대한 두 개의 공식으로 되어 있으며, 둘 중 안정수를 크게 계산하는 공식을 사용한다.
- 본 연구에서는 일반적인 사석 경사제 위에 2층으로 피복한 Rakuna-IV에 대하여 파랑 조건과 구조물의 경사를 변화시켜 가면서 51 가지 경우에 대한 실험을 실시하여 Tetrapod에 대한 Suh and Kang (2012) 공식의 형태로 안정공식을 제안한다. 바닥 경사는 1:25를 사용하였으며, 안정공식은 상대피해, 파의 개수, 구조물의 경사, 파형경사의 함수로 권파와 쇄기파에 대하여 제안된다.
- 세 가지의 사면 경사각을 사용하여 실험을 수행하였다: cotθ =1.33, 1.5 및 2.0이며, θ는 수평면으로부터 사면의 경사각이다.
- 실험은 Table 2에 나타낸 바와 같이 평균주기를 Tz=1.1~2.1 s, 유의파고를 Hs=8.5~20.5 cm의 범위 내에서 변화시켜 가면서, 각 구조물 경사 별로 17 가지씩 수행하여 총 51 가지 실험을 수행하였다. 실험에 사용한 파형경사의 범위는 sz=Hs/L0=0.
- 안정공식의 정확성을 검토하기 위하여, 본 실험 결과 및 VWRU 실험 결과와 비교하였다. 본 실험 결과와는 일치지수 0.
- 방파제는 바닥경사가 끝나는 지점에서 10 cm 뒤에서부터 설치되었다. 조파기로부터 12 m 떨어진 지점부터 수로를 폭 0.6 m와 0.4 m로 분할하여, 방파제는 폭 0.6 m 수로에 설치하고 입사파를 측정하기 위한 파고계는 폭 0.4 m 수로에 설치하였다. 비록 폭 0.
- 2)에서 관측하고 여기에 천수효과를 곱하여 방파제 위치에서의 파고를 계산하였다. 천수효과는 방파제를 설치하지 않은 상태에서 보정된 스펙트럼을 파랑조건 별로 조파하고 바닥경사를 지난 후 측정한 유의파고와 바닥 경사를 지나기 전에 측정한 유의파고의 비로 계산하였다.
- 구조물 전면에서 파랑의 거동은 매우 복잡하여 방파제 위치에서의 입사파랑을 관측하기 어렵다. 파고는 조파기로부터 15 m 떨어진 지점(Fig. 2)에서 관측하고 여기에 천수효과를 곱하여 방파제 위치에서의 파고를 계산하였다. 천수효과는 방파제를 설치하지 않은 상태에서 보정된 스펙트럼을 파랑조건 별로 조파하고 바닥경사를 지난 후 측정한 유의파고와 바닥 경사를 지나기 전에 측정한 유의파고의 비로 계산하였다.
- 각 실험은 주기 T=2 s와 H=5 cm의 규칙파 조건에서 15분간 Rakuna-IV의 안정화를 거친 후 수행되었으며, 실제 실험은 전체 3000파를 조파하여 1000파와 3000파에서의 피해를 측정하였다. 피해는 육안과 캠코더를 이용하여 측정하였다. Rakuna-IV는 공칭치수(Dn) 이상 밀려나거나 이탈한 경우, 이탈하였다가 다시 제 자리로 돌아가는 경우, 그리고 180° 이상 회전하는 경우에 피해로 간주하였다.
- 한편 Vietnam Water Resources University(이하 VWRU, 2011)에서는 일반 사석 방파제 위에 2층으로 피복한 Rakuna-IV에 대하여, Tetrapod의 안정공식을 제안한 Van der Meer (1988)와 같이 쇄기파(surging wave) 조건에서 파의 주기, 상대피해 및 폭풍지속시간을 고려한 안정공식을 제안하였다. 하지만 권파(plunging wave)의 조건과 구조물 경사에 의한 영향을 고려하지 않았으며, 평평한 수조 바닥 위에 구조물을 설치하여 실험함으로써 바닥 경사의 영향이 배제되었다.
대상 데이터
- 피복한 Rakuna-IV 중 실험수조 벽면에 맞닿아 블록간 맞물림 효과를 기대하기 어려운 블록의 경우 다른 색을 사용하고 고정시켜서 피해가 발생하지 않도록 하였으며, 피해 계산 면적에도 포함시키지 않았다. 구조물 경사 1.33, 1.5 및 2.0의 단면적은 788, 848, 1036 cm2 이고, 블록의 개수는 374, 407, 495개를 각각 사용하였다.
- 5 cm의 범위 내에서 변화시켜 가면서, 각 구조물 경사 별로 17 가지씩 수행하여 총 51 가지 실험을 수행하였다. 실험에 사용한 파형경사의 범위는 sz=Hs/L0=0.025~0.057, surf similarity parameter의 범위는 2.13~5.19로서 권파와 쇄기파조건을 모두 포함하도록 실험조건을 설정하였다. 여기서 L0=gTz2/ (2π)는 평균주기에 대한 심해파장이며, surf similarity parameter는 # 로 정의된다.
- 실험은 서울대학교 건설환경공학부 수리해안공학실험실에서 수행하였다. Fig.
- 연구에 사용된 Rakuna-IV는 두 층으로 피복하여 실험을 수행하였고, 제원은 공칭치수 Dn=3.81 cm; 단위중량 ρa=2.3 g/cm3; 무게 W=127.1 g; 공극률(porosity)은 56.5%이다.
- 2는 실험수조의 단면과 파고계의 위치를 나타낸다. 조파수조는 총 36 m의 길이, 폭 1.0 m, 그리고 1.2 m의 깊이이다. 조파기는 피스톤 타입으로 수조의 왼쪽에 설치되어 있으며 수조의 양 끝에는 곡면으로 된 소파제가 설치되어 있다.
데이터처리
- 7}\), c2=f(#)의 형태로 가정할 수 있다. 계수 d2는 일정한 상대피해에 대한 안정수와 관측된 안정수를 사용하여 회귀분석을 통해 구했으며 평균값 d2=0.71을 결정하였다. 다시 c2=c3N00.
- 02의 형태로 나타낼 수 있다. 회귀분석으로 계수 a2를 구하기 위하여, 일정한 상대피해에 대해서 피해곡선으로부터 읽어 들인 안정수와 관측된 안정수(즉 Table 2의 자료)를 모두 사용하였다. 각 경우에 이 값은 각각 9.
이론/모형
- 4 m 수로에 설치하였다. 비록 폭 0.4 m 수로에는 방파제가 설치되지 않아도 바닥경사나 소파제로부터 오는 반사파가 생기므로 세 개의 파고계를 이용해 수면변위를 측정하고 Suh et al. (2001)의 방법을 이용해 입사파와 반사파를 분리해 입사파를 취득하였다. 수심은 방파제 위치에서 0.
- 실험에 적용된 스펙트럼은 modified Bretschneider-Mitsuyasu spectrum (Goda 2010)이 사용되었다. 이는 Pierson-Moskowitz spectrum과 동일하며 다음과 같다.
- 안정공식은 Suh and Kang (2012)의 Tetrapod에 대한 안정공식과 마찬가지로 블록의 안정성과 관련된 무차원 변수들 (Hs/∆Dn, ξz, cotθ 및 #)의 조합으로 표현하였다.
- 안정공식의 유도는 Suh and Kang (2012)의 Tetrapod의 안정공식 유도방법과 거의 비슷한 방법을 사용하였다. 우선 Table 2의 실험결과의 안정수와 폭풍지속시간에 따른 상대피해를 각 주기별로 나타내고 그 예를 Fig.
- 그러나 스펙트럼 자체는 관측된 파의 개수에 따라 변하지 않는다. 한편, 관측된 입사파랑 기록으로부터 유의파고, 유의주기 및 평균주기를 계산하기 위해서는 zero-crossing method를 사용하였다.
성능/효과
- 마지막으로, Hudson 공식에서 사용되는 안정계수에 익숙한 기술자들에게 Rakuna-IV 의 안정성을 설명하기 위하여, 대표적인 권파와 쇄기파 조건에 대하여 유의파고의 변화에 따른 Rakuna-IV의 소요중량을 계산하고, 이를 몇몇 다른 안정계수를 사용한 Hudson 공식의 결과와 비교하였다. 그 결과, 상대피해 N0=0.3의 경우 권파와 쇄기파에 대한 Rakuna-IV의 중량은 Hudson 공식에서 안정계수 12 및 17을 사용한 결과와 비슷하였다. 그러나, 보다 정확한 안정계수를 산정하기 위해서는 입사파고를 단계적으로 증가시켜 가면서 피해가 발생하는 파고를 찾아내는 추가적인 실험이 필요하다.
- 쇄기파의 경우 앞에서 설명한 바와 같이 동일한 실험조건에 대하여 VWRU(2011) 실험에서는 피해가 작게 관측되었다. 본 실험 결과만을 안정공식과 비교했을 때, 쇄기파에 대해서는 공식과 실험결과가 비교적 잘 맞는 반면, 권파에 대해서는 다소 산포도가 큰 것을 알 수 있다.
- 5에 대한 쇄기파 조건에 국한된 실험 결과이다. 본 연구에서 수행한 실험의 결과만을 이용하여 일치지수를 구해 보면 0.82의 일치지수를 보인다. 일치지수는 관측치와 계산치의 일치 정도를 나타내기 위해서 Willmott(1981)가 제안한 지수이다.
- 마루높이 측면에서는 VWRU 실험이 마루 높이가 높기 때문에 피해가 클 것이다. 이를 종합적으로 판단해 볼 때 마루높이보다 바닥경사와 마운드의 투수성이 더 큰 영향을 미쳐서 본 실험보다 VWRU 실험에서 피해가 작게 관측된 것으로 생각된다.
- 82로 높은 정확성을 나타냈다. 한편, VWRU 실험 결과에 대해서는 본 연구에서 구한 안정공식이 안정수를 과소산정하는 경향을 보였는데, 이는 VWRU 실험이 평평한 바닥에서 실시 되어 쇄파의 영향이 포함되지 않았고, 또한 마운드의 투수성이 크기 때문인 것으로 판단된다. 마지막으로, Hudson 공식에서 사용되는 안정계수에 익숙한 기술자들에게 Rakuna-IV 의 안정성을 설명하기 위하여, 대표적인 권파와 쇄기파 조건에 대하여 유의파고의 변화에 따른 Rakuna-IV의 소요중량을 계산하고, 이를 몇몇 다른 안정계수를 사용한 Hudson 공식의 결과와 비교하였다.
후속연구
- 3의 경우 권파와 쇄기파에 대한 Rakuna-IV의 중량은 Hudson 공식에서 안정계수 12 및 17을 사용한 결과와 비슷하였다. 그러나, 보다 정확한 안정계수를 산정하기 위해서는 입사파고를 단계적으로 증가시켜 가면서 피해가 발생하는 파고를 찾아내는 추가적인 실험이 필요하다.
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