[논문]유수실 상부 덮개가 유공 케이슨 방파제의 전면벽 및 후면벽 파압에 미치는 영향

오상호; 지창환; 오영민; 장세철

doi:10.12652/ksce.2013.33.6.2317

유수실 상부 덮개가 유공 케이슨 방파제의 전면벽 및 후면벽 파압에 미치는 영향
Influence of Wave Chamber Slab on Wave Pressure on First and Second Wall of Perforated Caisson Breakwater 원문보기

대한토목학회논문집 = Journal of the Korean Society of Civil Engineers, v.33 no.6, 2013년, pp.2317 - 2328

오상호 (한국해양과학기술원) , 지창환 (한국해양과학기술원) , 오영민 (한국해양과학기술원) , 장세철 (한국해양과학기술원)

초록
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이 연구에서는 수리모형실험을 통해 유수실 상부 덮개가 유공 케이슨 방파제 전면벽 및 후면벽에서의 파압에 미치는 영향을 고찰하였다. 수리모형실험은 유공 케이슨의 유수실 상부 덮개가 있는 경우 및 없는 경우에 대해서 전면벽 유공률을 변화시키면서 이루어졌다. 유수실 상부가 덮개로 막혀 있을 때에는 모든 실험 조건에서 유의미하게 더 큰 파압이 취득되었으며 따라서 유수실 상부 덮개 존재에 따른 두 벽에서의 계측 파압 차이는 매우 뚜렷하게 나타났다. 그 결과 계측 파압을 적분하여 계산된 전파력의 크기 역시 상부 덮개가 있는 케이슨 방파제의 경우가 더 컸으며, 이 경우 잘 알려진 Takahashi의 파압식에 근거한 파력값을 상회하였다. 한편, 전면벽 유공률에 따라서는 방파제 전면벽 및 후면벽에서 모두 유공률이 클수록 더 큰 파압이 계측되었다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, the effect of wave chamber slab on wave pressure along the first and second wall of the perforated caisson breakwater was investigated by performing physical experiment. The experiment was performed without and with the wave chamber slab of the perforated caisson by varying the front wall porosity. The discrepancy in magnitudes of the measured wave pressure along the both walls of the perforated caisson was apparent according to the existence of the wave chamber slab as significantly greater pressures were acquired for all the test cases when the wave chamber was closed upward by the slab. As a result, the magnitudes of the total wave force calculated by integration of the measured wave pressure also were much larger for the caisson breakwater having the wave chamber slab, exceeding the value based on the well known Takahashi's formula (Takahashi and Shimosako, 1994). With respect to the porosity of the front wall, meanwhile, higher pressures were obtained with a larger porosity, at both the first and second wall of the breakwater.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서 수리모형실험을 통해 계측된 수평파압을 Takahashi의 파압 공식(Takahashi and Shimosako, 1994)과 비교하였기 때문에 이 파압 공식의 핵심적인 내용을 아래에 요약하여 제시하였다.
본 연구에서는 유공 케이슨 유수실 상부 덮개가 있는 경우 및 없는 경우에 대한 단면 수리모형실험을 수행하여 케이슨 전면벽 및 후면벽에 작용하는 파압 분포를 계측하고 그 분석 결과를 제시하였다. 그 결과 유수실 상부 덮개가 있는 경우의 전면벽 및 후면벽 파압이 그렇지 않은 경우에 비해서 뚜렷하게 크다는 것을 분명하게 확인할 수 있었으며, 이것은 상부 덮개로 인해 유수실 내부에서 미처 배출되지 못한 공기가 압축되었다가 터지는 현상에 따른 현상 때문인 것으로 분석되었다.
이러한 점을 고려하여 본 연구에서는 유수실 상부 덮개가 있는 경우 및 없는 경우에 대한 실험을 각각 수행하여 유수실 상부 덮개가 케이슨 방파제의 전면벽 및 후면벽 파압에 미치는 영향에 대하여 고찰하였다. 이를 위해서 케이슨 방파제 전면벽의 유공률을 변화시키면서 유공 케이슨 전면벽 및 유수실 내측벽에 작용하는 파압을 함께 계측하여 유수실 상부 덮개 유무에 따른 수평파압 분포 및 파력의 변화 양상을 종합적으로 검토하였다.

가설 설정

모형 방파제 위쪽에는 높이 10cm인 상치 구조물을 설치하였다. 본 실험 대상 방파제의 제원은 특정한 적용 지역을 염두에 두고 선정된 것은 아니지만, 실험 축척을 1:40으로 가정하여 모형 제원 및 실험 조건 결정 시 활용하였다. Fig.

제안 방법

Table 2에서 T_s는 유의파주기, H_s는 유의파고, s는 파형경사를 각각 나타낸다. 각 실험파 조건 별로 1000파에 해당하는 시간 동안 조파하여 파고 및 파압 데이터를 취득하였으며, 분석 보조 목적으로 활용하기 위하여 계측이 진행되는 동안 방파제 모형 측면에서 비디오 촬영을 수행하였다.
9에는 20개의 모든 실험파 조건에 대해서 유공 전면벽에서 계측된 상위 4개 파압의 평균 분포(#)를 계산하고 이를 적분하여 총파력(F_First)을 계산한 후 이를 Takahashi의 파압식에 의해 구해지는 파력(F_Takahashi)으로 무차원화한 값을 파형경사(s)에 관하여 나타내었다. 단, 총파력 계산 시에는 전면벽 유공부의 유공률에 따른 단면적 감소를 고려하여 계산을 수행하였다. Fig.
유공 케이슨 후면벽의 경우 일반적으로 파봉이 후면벽에 위치하는 위상에서 가장 큰 파압이 발생하기 쉬우며, 실제로 Takahashi 파압식에서도 이러한 조건(Takahashi and Shimosako (1994)에서 Crest IIb에 해당)에서 후면벽 파압이 가장 크게 계산된다. 따라서 본 연구에서도 유수실 후면벽에서 계측된 파압을 Crest IIb 조건에서의 Takahashi 파압식과 비교하였다. Fig.
방파제 전·후면으로부터의 사석 마운드 길이는 모두 21cm로 동일하였다. 방파제는 유수실이 1개인 유공 방파제 형식이며, 전면 유공벽의 유공률(P)은 20, 25, 30%로 변화시키고 유수실 상부 덮개는 열거나 닫을 수 있도록 제작되었다. Fig.
본 논문에서는 Crest I, Crest IIa 및 Crest IIb 위상에 대하여 전면벽의 유공부(λS) 및 무공부(λL), 그리고 후면벽(λR)에 대한 조정계수 값을 Table 1에 제시하였다.
실험 수심은 모형 설치 위치에서 55 cm였고, 실험파는 Bretschneider-Mitsuyasu 스펙트럼을 이용하여 조파하였다. 파고 및 주기가 서로 다른 총 20개의 실험파를 조파하였으며, Table 2에 실험파의 제원을 요약하여 나타내었다.
25 m, 폭 1 m)에서 수행되었다. 실험을 효율적으로 수행하기 위해서 수조의 종방향으로 연직 분할판을 설치하여 수조를 폭 0.6m 의 광수로와 폭 0.4m의 협수로로 분할하여 광수로에는 방파제 모형을 설치하였고, 협수로에서는 통과 입사파를 계측하였다. 모형 방파제는 조파기로부터 36m 떨어진 평평한 곳에 설치되었으며, 방파제 전면 해저 경사는 1/40로 재현되었다.
유공 케이슨 후면벽에 작용하는 파압에 대해서도 전면벽의 경우와 마찬가지로 초과확률 0.4%에 대응되는 상위 4개 파압 분포를 찾고 이를 평균한 파압(#)과 Takahashi의 파압식을 비교하는 분석을 수행하였다. 유공 케이슨 후면벽의 경우 일반적으로 파봉이 후면벽에 위치하는 위상에서 가장 큰 파압이 발생하기 쉬우며, 실제로 Takahashi 파압식에서도 이러한 조건(Takahashi and Shimosako (1994)에서 Crest IIb에 해당)에서 후면벽 파압이 가장 크게 계산된다.
이러한 점을 고려하여 본 연구에서는 유수실 상부 덮개가 있는 경우 및 없는 경우에 대한 실험을 각각 수행하여 유수실 상부 덮개가 케이슨 방파제의 전면벽 및 후면벽 파압에 미치는 영향에 대하여 고찰하였다. 이를 위해서 케이슨 방파제 전면벽의 유공률을 변화시키면서 유공 케이슨 전면벽 및 유수실 내측벽에 작용하는 파압을 함께 계측하여 유수실 상부 덮개 유무에 따른 수평파압 분포 및 파력의 변화 양상을 종합적으로 검토하였다.
나머지 1개의 파고계는 방파제 전면에서의 처오름 계측에 사용하였다. 파압계는 Fig. 3에 보인 것처럼 유공 케이슨 전면벽(P2~P7) 및 유수실 벽(P10~P15)에 각각 6개씩을 설치하였으며, 상치콘크리트 최상부(P1)에 1개, 유수실 바닥(P8)에 1개, 유수실 상부 덮개(P9)에 1개를 추가로 설치하여 총 15개를 설치하였다. 유수실 상부 덮개가 없는 경우에는 P9 파압계는 설치되지 않았다.

대상 데이터

5cm 구간이며, 이는 케이슨 높이의 50%에 해당한다. 모형 방파제 위쪽에는 높이 10cm인 상치 구조물을 설치하였다. 본 실험 대상 방파제의 제원은 특정한 적용 지역을 염두에 두고 선정된 것은 아니지만, 실험 축척을 1:40으로 가정하여 모형 제원 및 실험 조건 결정 시 활용하였다.
모형 방파제의 제원은 Fig. 3에 보인 것처럼 높이 55 cm, 폭 59cm, 길이 70cm이며, 투명 아크릴로 제작되어 높이 5.5cm의 사석 마운드 위에 설치되었다. 방파제 전·후면으로부터의 사석 마운드 길이는 모두 21cm로 동일하였다.
수리모형실험은 한국해양과학기술원 2차원 조파수조(길이 53 m, 높이 1.25 m, 폭 1 m)에서 수행되었다. 실험을 효율적으로 수행하기 위해서 수조의 종방향으로 연직 분할판을 설치하여 수조를 폭 0.
3.2 계측기기 및 실험방법

실험에는 총 10개의 파고계를 사용하였으며, 조파기 수심에서의 입사파 및 모형이 설치된 수심에서의 통과파 계측에 각각 3개씩을, 방파제 모형 전면에서의 반사율 계측에 3개를 사용하였다. 나머지 1개의 파고계는 방파제 전면에서의 처오름 계측에 사용하였다.
실험 수심은 모형 설치 위치에서 55 cm였고, 실험파는 Bretschneider-Mitsuyasu 스펙트럼을 이용하여 조파하였다. 파고 및 주기가 서로 다른 총 20개의 실험파를 조파하였으며, Table 2에 실험파의 제원을 요약하여 나타내었다. Table 2에서 T_s는 유의파주기, H_s는 유의파고, s는 파형경사를 각각 나타낸다.

데이터처리

유공 케이슨에 작용하는 파압 분석은 Oh et al.(2013)과 마찬가지로 실험 조건별로 전체 취득 자료 중에서 초과확률 0.4%에 대응되는 평균 파압(#)을 계산하고 이를 Takahashi and Shimosako(1994)가 제안한 유공케이슨 방파제에 대한 파압 공식과 비교하였다. 이것은 기본적으로 Takahashi의 파압 공식이 Goda의 파압식을 확장한 형태이며, Goda의 파압공식은 초과확률 0.
마지막으로, Fig. 14에는 20개 전체 실험파 조건에 대해서 후면벽에서 계측된 상위 4개 파압의 평균 분포(#) 및 Takahashi 파압식을 이용한 파력 계산값을 비교하여 제시하였다. Fig.

성능/효과

본 연구에서는 유공 케이슨 유수실 상부 덮개가 있는 경우 및 없는 경우에 대한 단면 수리모형실험을 수행하여 케이슨 전면벽 및 후면벽에 작용하는 파압 분포를 계측하고 그 분석 결과를 제시하였다. 그 결과 유수실 상부 덮개가 있는 경우의 전면벽 및 후면벽 파압이 그렇지 않은 경우에 비해서 뚜렷하게 크다는 것을 분명하게 확인할 수 있었으며, 이것은 상부 덮개로 인해 유수실 내부에서 미처 배출되지 못한 공기가 압축되었다가 터지는 현상에 따른 현상 때문인 것으로 분석되었다. 특히, 전면벽 유공률이 클수록 많은 물이 유수실 내부로 침투하여 더 빠르고 강한 공기 압축 현상을 발생시킬 가능성이 높으며 이러한 이유로 대체로 유공률 증가에 따라 더 큰 파압이 계측된 것으로 파악된다.
13(b))에는 전반적으로는 유공률이 증가함에 따라 5~15% 정도 더 큰 파압이 계측되는 경향이 나타났으며, 이는 전면벽에서 나타났던 결과와 같은 경향이었다. 그러나 정수면 바로 아래에 위치한 파압계(P12)에서만큼은 다른 계측점에 비해서 1.5~2배 정도 되는 매우 큰 파압이 계측되었으며, 또한 유공률이 작을수록 상대적으로 더 큰 파압이 나타났다. 또한 Fig.
4%)에서 모두 이러한 강력한 파압 작용 현상이 관측되었다. 녹화된 비디오 관측 영상을 관찰해 본 결과 방파제 전면에서 쇄파가 발생하면서 권파(plunging)와 유사한 형태로 직접 유수실 내로 물이 침투하면서 후면벽에 직접 물이 부딪칠 때 이러한 현상이 발생하기 쉬우며, 유수실 상부덮개가 존재하는 경우 유수실 내에서 순간적으로 물이 갇히기 때문에 상부덮개가 없는 경우에 비해서 상대적으로 더 큰 파압이 계측된 것으로 분석되었다.
정수면 바로 아래에 위치한 파압계(P12) 계측 자료를 제외하면 유공률에 따른 파압 크기는 2%이내에 불과하였다. 다만, 정수면 바로 아래에 위치한 파압계(P12)에서는 유공률이 20%인 경우(P=0.2)의 평균파압 분포가 가장 크게 나타났는데, 최대 파압(p_0.1%)의 값이 다른 유공률 조건(P=0.25 또는 0.3)에 비해서 30% 이상 크게 계측됨에 따른 결과이다. 이러한 현상은 P=0.
10(b)) 경우 모두 상위 4개 계측 파압의 값이 큰 편차를 보이지 않았다. 또한, 계측파압의 크기는 상부 덮개가 없는 경우와 있는 경우 모두 Takahashi 파압식과 비교적 잘 일치하는 경향을 나타내었다. 한편, Fig.
이로부터 유수실 상부 덮개가 존재하는 경우 유공 케이슨 전면벽에 작용하는 파력이 Takahashi의 파압식에 비해서 더 크며, 그 상대적인 차이는 파형경사가 커짐에 따라서 더욱 증가하게 됨을 알 수 있다. 또한, 파압의 결과와 마찬가지로 유공률 증가에 따라서 전면벽 작용 파력이 커지게 됨을 확인할 수 있었다. P=0.
5~8에서 보인 것처럼 유수실 상부 덮개 유무에 따른 유공 전면벽의 파압 분포는 분명한 차이를 나타내었다. 모든 실험 조건에 대해서 유수실 상부 덮개가 존재하는 경우의 파압 크기가 더 크게 나타났으며 일부 실험파에서는 Takahashi의 파압식에 비해서 2~3배 더 큰 지점별 파압이 계측되기도 하였다. 이처럼 유수실 상부 덮개가 존재하는 경우의 파압이 일관되게 크게 계측되는 이유는 상부 덮개가 존재하는 경우 전면벽 유공부를 통해서 배출되지 못하고 남은 유수실 내 공기가 압축되었다가 갑자기 터지면서 이로 인해 발생되는 압력이 유수실 벽체 및 상부 덮개에 전달되기 때문인 것으로 파악된다.
5이상 되는 큰 값을 나타내기도 하였으며, 이것은 위에서 언급한 것처럼 정수면 근처에서 매우 강한 충격파적 파압이 1~2회 정도 후면벽에 작용하게 됨에 따른 결과이다. 반면에, 상부 덮개가 존재하는 경우에는 F_Second/F_Takahashi의 값이 대체로 1보다는 큰 값을 나타내었으며 파형경사(s)가 증가함에 따라 급격하게 커지는 경향을 보였다. 이러한 결과는 앞서 F_First/F_Takahashi에 대한 계산 결과와 매우 유사한 경향이지만, 전면벽 작용 파력(F_First)에 비해서 후면벽 작용 파력(F_Second)이 상대적으로 파형경사가 작은 경우(s < 0.
이러한 결과는 앞서 FFirst/FTakahashi에 대한 계산 결과와 매우 유사한 경향이지만, 전면벽 작용 파력(FFirst)에 비해서 후면벽 작용 파력(FSecond)이 상대적으로 파형경사가 작은 경우(s < 0.04)에는 Takahashi 파압식에 의한 결과(FTakahashi)와 더 유사한 반면 파형경사가 커지게 되면(s≥0.04) 오히려 FTakahashi와의 편차가 더 커지는 경향을 나타내었다.

후속연구

이러한 점을 고려해볼 때 Takahashi의 파압식으로는 예측할 수 없는 매우 큰 파압이 케이슨 방파제에 작용하는 것을 방지하기 위해서 유수실 상부 덮개가 존재하는 유공 케이슨 형식은 가급적 채택하지 않는 것이 바람직하지만 불가피한 경우 파형경사가 큰 파 작용 시의 충격적인 파압을 가능한 피할 수 있도록 설계 시 많은 주의를 기울이는 것이 필요할 것이다. 다만, 본 연구에서 제시된 파압 계측 결과는 국부적인 부재 설계 관점에서 의미있게 적용하는 것이 바람직하며 유수실 상부 덮개가 있을 경우의 유공 케이슨 방파제 자체의 안정성을 검토하기 위해서는 로드셀등을 이용하여 파 작용에 따른 파력을 직접 계측한 수리모형실험을 수행할 필요가 있다.
5 이상 되는 값을 보이기도 하였다. 이러한 점을 고려해볼 때 Takahashi의 파압식으로는 예측할 수 없는 매우 큰 파압이 케이슨 방파제에 작용하는 것을 방지하기 위해서 유수실 상부 덮개가 존재하는 유공 케이슨 형식은 가급적 채택하지 않는 것이 바람직하지만 불가피한 경우 파형경사가 큰 파 작용 시의 충격적인 파압을 가능한 피할 수 있도록 설계 시 많은 주의를 기울이는 것이 필요할 것이다. 다만, 본 연구에서 제시된 파압 계측 결과는 국부적인 부재 설계 관점에서 의미있게 적용하는 것이 바람직하며 유수실 상부 덮개가 있을 경우의 유공 케이슨 방파제 자체의 안정성을 검토하기 위해서는 로드셀등을 이용하여 파 작용에 따른 파력을 직접 계측한 수리모형실험을 수행할 필요가 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	Takahashi의 파압 공식은 어떤 형태인가?	Takahashi의 파압 공식은 무공 직립벽에 대하여 제안된 Goda의 파압식을 유공 케이슨 방파제에 적용 가능하도록 확장한 형태이다. 무공 직립벽과는 달리 유공 케이슨의 경우 각 부재에 작용하는 최대 파압이 파의 위상(phase)에 따라 다르게 작용할 수 있기 때문에 파압 공식도 파의 중요한 위상 별로 다르게 평가될 필요가 있으며(Tanimoto and Takahashi, 1994), Takahashi 파압 공식에서는 Fig.
	유수실 유공 방파제에 상부 덮개가 있을 경우 어떤 문제가 발생하는가?	특히, Takahashi의 파압 공식은 상부 덮개가 없는 단일 유수실 유공 방파제에 대한 수리모형실험 결과에 근거하고 있기 때문에 상부 덮개가 존재하는 경우에 대해서는 적용하기가 어렵다. 일반적으로는 유수실 상부 덮개가 있을 경우 유수실 내 파압이 더 커지며 상부 덮개에타상력이 작용하는 등 부정적인 효과가 많기 때문에 가급적 유수실상부 덮개가 없는 형태의 방파제를 설계하는 것이 바람직한 것으로 알려져 있다. 그러나 현장 여건 및 특수한 필요가 있는 경우에는 유수실 상부 덮개를 막는 형태의 방파제 시공을 고려해야 하는 경우도 생기게 되며, 이러한 경우 어느 정도로 파압의 크기를 산정하는 것이 타당한지 결정하는데 많은 어려움이 있다.
	Takahashi의 파압 공식의 단점은 무엇인가?	특히, Takahashi의 파압 공식은 상부 덮개가 없는 단일 유수실 유공 방파제에 대한 수리모형실험 결과에 근거하고 있기 때문에 상부 덮개가 존재하는 경우에 대해서는 적용하기가 어렵다. 일반적으로는 유수실 상부 덮개가 있을 경우 유수실 내 파압이 더 커지며 상부 덮개에타상력이 작용하는 등 부정적인 효과가 많기 때문에 가급적 유수실상부 덮개가 없는 형태의 방파제를 설계하는 것이 바람직한 것으로 알려져 있다.

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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].

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