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문제 정의
- 본 연구에서는 불규칙파가 유공구조물에 경사지게 입사하는 경우에 다양한 조건을 설정하여 수리실험을 수행하였다. 경사입사파 조건에서 유공구조물을 대상으로 입사각, 상대 유수실 폭, 유수실 내 격벽의 형상 및 존재 여부 등에 따른 제체 전면의 파고분포를 계측하여 무공구조물의 경우와 비교하였으며, 또한 규칙파를 적용한 Lee and Kim(2012)의 결과와 비교 검토하였다.
- 본 연구에서는 직립 유공구조물에 파랑이 경사지게 입사하는 경우에 유공구조물의 격벽이 파랑의 증폭 또는 저감에 미치는 영향을 분석하기 위해 수리실험을 수행하였으며, 입사파의 입사각, 파고 및 주기, 유수실내 격벽의 유무와 격벽의 형식, 유수실 폭의 변화 등에 따른 구조물 전면 및 구조물 직각방향으로의 파고를 계측하여 비교 분석하였다. 유공구조물을 대상으로 계측된 자료는 무공구조물의 실험결과와 비교하였으며, 본 연구에서 제시하는 대부분의 결과는 불규칙파를 적용한 것이다.
제안 방법
- 본 연구에서는 불규칙파가 유공구조물에 경사지게 입사하는 경우에 다양한 조건을 설정하여 수리실험을 수행하였다. 경사입사파 조건에서 유공구조물을 대상으로 입사각, 상대 유수실 폭, 유수실 내 격벽의 형상 및 존재 여부 등에 따른 제체 전면의 파고분포를 계측하여 무공구조물의 경우와 비교하였으며, 또한 규칙파를 적용한 Lee and Kim(2012)의 결과와 비교 검토하였다.
- 따라서 본 실험에서는 조파기 반대편의 수조벽에 1:12 경사의 쇄석을 배치하여 반사파를 제어하였으며, 조파기 후면은 스테인리스 재질의 소파시설을 설치하여 조파기 후면에서 발생하는 파랑을 제어하였다. 그리고 수조의 좌․우측면은 스테인리스 재질의 소파시설 및 쇄석을 설치하여 양측벽면에 의한 반사파를 제어하였다(Fig. 1 참조).
- 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. 그리고 수조의 좌․우측면은 스테인리스 재질의 소파시설 및 쇄석을 설치하여 양측벽면에 의한 반사파를 제어하였다(Fig.
- 최근 유공구조물과 경사입사파와의 상호관계해석에 대한 연구가 수치해석을 이용하여 일부 수행되고 있으나 미흡한 실정이며, 또한 수리실험자료와의 비교를 통한 검토는 실험자료의 부족 등으로 인해 거의 수행되고 있지 않다. 따라서 본 연구에서는 직립 유공구조물을 대상으로 경사입사파 내습시 구조물 전면의 파고를 수리실험을 통해 계측하고, 전면벽이 유공벽인 조건에서 유수실내 격벽의 유무와 격벽의 형상에 따른 조건과 전면벽이 무공벽인 조건을 비교하였다. 본 실험결과는 수치모형을 이용한 해석의 검증자료로 활용될 수 있기를 기대하며, 본 연구로부터 얻어진 결론을 요약하면 다음과 같다.
- 8%이다. 본 연구에서 수행한 대부분의 실험에서는 CW=0.125 m를 적용하였고, CW=0.250 m는 유수실 폭에 따른 효과를 검토하기 위해 제한적인 조건에서만 수행되었다. 그리고 단위함체의 길이(B)는 0.
- 수리실험에 사용된 조파기가 사형조파기이므로 경사입사파를 재현할 수 있으나, 입사각이 커질 경우에는 회절파로 인해 실험결과의 정확도가 저하될 수 있어 본 실험에서 입사파는 조파선에 직각방향의 일방향으로 조파하고 유공구조물 모형의 설치각도를 변경시켜 입사각(β)을 조절하였다.
- 실험모형은 조파기 전면으로부터 5 m, 조파기 측면으로부터 3m 떨어진 위치에서부터 설치하였으며, 조파기 전면으로부터 일정구간은 조파기에 의해 발생된 파랑을 유도하고, 조파기 후면으로부터 발생된 반사파가 실험영역내에 영향을 미치지 못하도록 하기 위해 불투수성 유도판을 설치하였다. Fig.
- 6 m이고, 측정범위는 0~±30 cm이며, 본 실험시 16대의 파고계를 운용하였다. 실험에서는 20Hz의 독취율로 자유수면을 계측하였다.
- 본 연구에서는 직립 유공구조물에 파랑이 경사지게 입사하는 경우에 유공구조물의 격벽이 파랑의 증폭 또는 저감에 미치는 영향을 분석하기 위해 수리실험을 수행하였으며, 입사파의 입사각, 파고 및 주기, 유수실내 격벽의 유무와 격벽의 형식, 유수실 폭의 변화 등에 따른 구조물 전면 및 구조물 직각방향으로의 파고를 계측하여 비교 분석하였다. 유공구조물을 대상으로 계측된 자료는 무공구조물의 실험결과와 비교하였으며, 본 연구에서 제시하는 대부분의 결과는 불규칙파를 적용한 것이다.
- 직립구조물과 경사입사파에 의해 발생되는 파랑증폭 현상은 구조물을 따른 방향(x방향)과 구조물 직각방향(y방향)으로 계측을 하였으며, 구조물을 따른 파고는 제체전면에서 0.05 m 떨어진 위치에서 계측하였다. 파고계가 구조물에 인접할 경우에 구조물 전면벽과 파고계 사이의 간섭으로 인해 수면이 순간적으로 상승할 수 있으며, 이는 실험측오차를 수반할 수 있기 때문에 구조물 전면으로부터 일정 간격 이격하여 파고계를 배치하였다.
대상 데이터
- 0 sec의 성능을 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(snaketype) 조파기이다. 조파기 각 구동부에 연결된 조파판 하나의 폭은 0.
- 본 실험에서 사용된 직립 유공구조물 모형은 아크릴재질로 제작하였으며, 모형의 폭(W)은 0.6 m, 높이(hb+hc)는 0.55 m이고, 길이는 20 m이다. 실험은 일정수심상에서 규칙파 및 일방향 불규칙파를 대상으로 수행하였으며, 실험에 적용된 수심(ho)은 0.
- 본 연구에서 수행한 수리실험은 유공구조물에 파랑이 경사지게 입사할 때 유공구조물의 격벽이 파랑의 증폭저감에 미치는 영향을 검토하는 것이 주된 목적이며, 이를 위해 전면벽(front wall)이 무공인 경우(case PW), 전면벽이 유공인 조건에서 격벽(side wall)이 없는 경우(case PV_NS), 격벽이 무공형태인 경우(case PV_PS), 격벽이 유공형태인 경우(case PV_VS)를 대상으로 하였다(Table 1 참조).
- 실험에 적용된 입사파 조건은 실험시 쇄파가 발생하지 않는 조건이며, 구조물과 입사파가 이루는 각(β)은 10°와 30°이다.
- 55 m이고, 길이는 20 m이다. 실험은 일정수심상에서 규칙파 및 일방향 불규칙파를 대상으로 수행하였으며, 실험에 적용된 수심(ho)은 0.45 m이다. 실험시 유공구조물 모형은 높이 0.
- 실험파 설정 및 파고계측에 사용된 파고계는 용량식파고계(모델명 CHT4-60)로서 길이는 0.6 m이고, 측정범위는 0~±30 cm이며, 본 실험시 16대의 파고계를 운용하였다.
- 유공구조물과 경사입사파와의 상호관계에 대한 수리실험을 위해 전술한 다방향 조파수조 내에 길이 20 m의 직립 유공구조물을 설치하였다. 수리실험은 유한한 수조내에서 수행되므로 구조물에 의한 반사파를 적절히 소파시키지 못하면 실험결과의 신뢰도가 저하된다.
이론/모형
- 실험에 적용된 입사파 조건은 실험시 쇄파가 발생하지 않는 조건이며, 구조물과 입사파가 이루는 각(β)은 10°와 30°이다. 그리고 불규칙파는 Bretschneider-Mitsuyasu 주파수 스펙트럼을 이용하였다. 수리실험에 사용된 조파기가 사형조파기이므로 경사입사파를 재현할 수 있으나, 입사각이 커질 경우에는 회절파로 인해 실험결과의 정확도가 저하될 수 있어 본 실험에서 입사파는 조파선에 직각방향의 일방향으로 조파하고 유공구조물 모형의 설치각도를 변경시켜 입사각(β)을 조절하였다.
- 2 m 간격으로 파고를 계측하였다. 실험시 조파시간은 300 sec로서 T=0.9 sec인 경우에 약 333파, T=1.6 sec인 경우에 약 188파에 해당되며, 계측파고는 후반부 205 sec(T=0.9 sec의 경우에 약 228파, T=1.6 sec인 경우에 약 128파) 동안 계측된 자료를 영점상향교차법(zero-up-crossing method)으로 분석하였다.
성능/효과
- (1) 방파제 및 안벽 등과 같은 항만구조물 설계시 유공형 구조물을 적용하는 주된 이유 중의 하나는 유공부와 유수실에서의 에너지 소파효과를 이용하여 반사파를 저감시키기 위함이며, 직각 입사뿐만 아니라 경사입사파 조건에서도 유공형 구조물에 의한 소파효과를 확인할 수 있었다. 또한 입사각이 작을수록 소파효과는 큰 것으로 검토되었다
- (2) 경사입사파 내습시, 무공구조물과는 달리 격벽이 있는 유공구조물의 경우에는 제체 전면에서 낮은 상대파고가 분포함을 알 수 있었으며, 본 연구에서 수행한 실험파 조건내에서 상대 유수실 폭 CW*=0.101인 경우는 H*≤1, CW*=0.042인 경우는 H*≤1.5 범위로 제체 전면의 파고가 분포하였다.
- (3) 유공구조물인 경우에 유수실내 격벽의 존재가 파랑발달을 억제하는데 매우 중요함을 보였으며, 유수실내 격벽은 무공형 또는 다열 slit 형태의 유공형을 적용하는 것이 소파효과 증대에 유리함을 확인하였다. 즉, 본 실험으로부터 도출된 결과에 의하면 격벽이 유공형이지만 다열 slit 형태가 아닌 비교적 큰 하나의 사각형 형태로 설계하는 것은 다열 slit 형태에 비해 경사입사파의 파랑증폭을 억제하는데 미흡할 것으로 판단된다.
- 전체적으로 R1 실험파의 경우보다 평균 상대파고가 크게 나타났으며, 이는 입사파의 주기가 상대적으로 길기 때문에 CW*가 감소하여 소파효과가 떨어지기 때문이다. R1의 결과인 Fig. 3에서 격벽이 존재하는 경우는 유공구조물 전면의 상대파고가 전체적으로 1 이하로 계측되었으며, 이는 유공구조물의 파랑증폭 억제효과가 우수함을 의미한다 할 수 있다. R2는 R1에 비해 입사파의 주기가 길어짐으로 인해, 즉 상대 유수실 폭이 감소함에 따라 격벽이 존재하는 유공구조물의 경우에도 실험조건 내에서 구조물 전면의 상대파고는 1 이상으로 나타났으며, 상대 유수실 폭이 감소함에 따라 무공구조물 전면의 상대파고와의 차이는 R1에 비해 감소하였다.
- R2는 R1에 비해 입사파의 주기가 길어짐으로 인해, 즉 상대 유수실 폭이 감소함에 따라 격벽이 존재하는 유공구조물의 경우에도 실험조건 내에서 구조물 전면의 상대파고는 1 이상으로 나타났으며, 상대 유수실 폭이 감소함에 따라 무공구조물 전면의 상대파고와의 차이는 R1에 비해 감소하였다. 전체적으로 입사각이 증가할수록, 상대 유수실 폭이 작을수록 상대파고는 크게 나타났다. 그리고 R1과 R2 조건 모두 유공구조물의 격벽이 존재하는 경우에 격벽이 유공형태인 경우(PV_VS)가 무공형태인 경우(PV_PS)에 비해 전체적으로 약간 작은 상대파고를 보였으나 그 차이는 크지 않았다.
- (3) 유공구조물인 경우에 유수실내 격벽의 존재가 파랑발달을 억제하는데 매우 중요함을 보였으며, 유수실내 격벽은 무공형 또는 다열 slit 형태의 유공형을 적용하는 것이 소파효과 증대에 유리함을 확인하였다. 즉, 본 실험으로부터 도출된 결과에 의하면 격벽이 유공형이지만 다열 slit 형태가 아닌 비교적 큰 하나의 사각형 형태로 설계하는 것은 다열 slit 형태에 비해 경사입사파의 파랑증폭을 억제하는데 미흡할 것으로 판단된다.
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