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문제 정의
- 특히, 위에서 언급한 것처럼 국내 실정 상 시급히 요청되고 있는 이중유수실 케이슨 방파제의 설계 시 활용할 수 있는 파압식이 개발되지는 못하였다. 이러한 점을 고려하여 본 연구에서는 이중유수실 케이슨 방파제에 작용하는 수평파력을 정밀하게 계측하는 수리실험을 수행하고 단일유수실 케이슨의 경우와 비교하여 파가 케이슨 방파제에 작용할 때의 위상에 따라서 각 벽체에 작용하는 파력의 저감 효과를 분석하였다. 본 논문에 제시된 결과는 향후 현업 실무에서 적용할 수 있는 이중유수실파압 공식을 개발하는데 중요한 기본 자료로서 활용될 수 있을 것으로 기대된다.
제안 방법
- 25 m, 폭 1 m)에서 수행되었다. Fig. 1에 보인 것처럼 효율적인 실험을 위해서 수조의 종방향으로 연직 분할판을 설치하여 수조를 폭 0.6 m 의 광수로와 폭 0.4 m의 협수로로 분할하여 광수로에는 방파제 모형을 설치하였고, 협수로에서는 통과 입사파를 계측하였다. 모형 방파제는 조파기로부터 25 m 떨어진 위치에 설치되었으며, 방파제 전면 바닥면은 평평하게 재현되었다.
- 5 cm, 폭 59 cm, 길이 70 cm이며, 투명 아크릴로 제작되어 사석 마운드 위에 설치되었다. Fig. 2에 보인 것처럼 유수실 수를 1개 또는 2개로 변화시킬 수 있도록 방파제 모형을 제작하였다. Fig.
- 모든 계측 자료를 PC의 저장장치에 기록한 시간 간격(sampling rate)은 800 Hz였다. 또한, 실험이 진행되는 동안 비디오 촬영을 함께 진행하여 자료 분석 시 활용하였다.
- 본 연구에서는 단면 수리모형실험을 수행하여 단일 및 이중유수실 케이슨 방파제에 작용하는 수평파력을 로드셀을 이용하여 계측하고, Takahashi and Shimosako(1994)의 방법을 준용하여 파의 위상별로 케이슨 전면벽, 후면벽 및 중간 벽(이중유수실의 경우)에 작용하는 최대 수평파력을 분석 및 비교하였다. 본 연구를 통해서 이중유수실 케이슨의 2개 유수실 전체 폭이 단일유수실의 폭과 동일한 경우 이중유수실 케이슨에 작용하는 총파력이 더 작음을 확인할 수 있었다.
- 한편, 파 작용 시 케이슨 벽에 작용하는 힘을 직접 계측하기 위해서 1축 하중계 (load cell)를 이용한 파력 계측 시스템을 구성하여 전면벽의 무공부 및 유공부, 중간벽(이중유수실의 경우)과 후면벽, 그리고 상치구조물에 작용하는 파력을 독립적으로 각각 측정하였다. 실험 수심(d)은 모형 설치 위치에서 55 cm였으며 주기 (T)는 0.77~2.70 s, 파고(H)는 2.8~24.8 cm 범위에서 서로 다른 총 37개의 규칙파를 60초 동안 조파하였다. 모든 계측 자료를 PC의 저장장치에 기록한 시간 간격(sampling rate)은 800 Hz였다.
- 1에 보인 것처럼 수조 내에 배치하였다. 한편, 파 작용 시 케이슨 벽에 작용하는 힘을 직접 계측하기 위해서 1축 하중계 (load cell)를 이용한 파력 계측 시스템을 구성하여 전면벽의 무공부 및 유공부, 중간벽(이중유수실의 경우)과 후면벽, 그리고 상치구조물에 작용하는 파력을 독립적으로 각각 측정하였다. 실험 수심(d)은 모형 설치 위치에서 55 cm였으며 주기 (T)는 0.
대상 데이터
- 1. Experimental setup (unit: mm).
- 본 실험에서는 총 14개의 파고계를 사용하였으며 Fig. 1에 보인 것처럼 수조 내에 배치하였다. 한편, 파 작용 시 케이슨 벽에 작용하는 힘을 직접 계측하기 위해서 1축 하중계 (load cell)를 이용한 파력 계측 시스템을 구성하여 전면벽의 무공부 및 유공부, 중간벽(이중유수실의 경우)과 후면벽, 그리고 상치구조물에 작용하는 파력을 독립적으로 각각 측정하였다.
- 실험에 사용한 케이슨 방파제 모형은 전체 높이 53.5 cm, 폭 59 cm, 길이 70 cm이며, 투명 아크릴로 제작되어 사석 마운드 위에 설치되었다. Fig.
- 실험은 한국해양과학기술원(KIOST)에 있는 단면 조파수조 (길이 53 m, 높이 1.25 m, 폭 1 m)에서 수행되었다. Fig.
성능/효과
- Figs. 7~9에 보인 전면벽 및 후면벽 작용 파력의 경우와는 달리 중간벽에 작용하는 최대 수평파력은 대체로 Goda 파압식에 의한파력 산정값의 20~40%에 분포하여 상대적으로 매우 작았다 . 이처럼 중간벽에 작용하는 최대 수평파력이 현저하게 작은 이유는 중간벽은 전면벽처럼 파가 처음으로 부딪치면서 큰 에너지를 전달하는 구조물이 아니면서, 동시에 유공 형식이기 때문에 후면벽처럼 유수실 내로 침투한 파에 의한 파력에 최종적으로 저항하는 구조물도 아니기 때문이다.
- 6에서 FH가 최대가 되는 시점에 해당한다. Table 1으로부터 본 실험에서는 단일 유수실 케이슨 작용 파력이 Goda 파압공식에 의한 산정 결과의 93.4%에 해당함을 알 수 있으며, 이는 무공케이슨에 비해서 6.6% 파력이 저감되는 효과가 있음을 나타낸다. 이중유수실 케이슨의 경우 최대 수평파력 계측값이 Goda 파압공식에 의한 수평파력 대비 84.
- 9% 작게 나타났다. 또한 H/h의 값이 증가함에 따라서 단일 및 이중유수실 케이슨의 무차원파력이 대체로 증가하는 경향을 나타내었다.
- 한편, 후면벽에서의 수위가 최대가 될 때에 대응되는 Crest IIb의 위상에서도 첨두값의 크기가 단일유수실 케이슨의 경우에 비해서 다소 감소하였으며, Crest I부터 Crest IIb까지의 시간 동안 파력이 완만하게 상승하는 경향을 보였다. 또한, 전면벽 첨두가 나타난 Crest I으로부터 Crest IIb까지의 시차가 단일유수실 케이슨의 경우에 비해서 증가한 것을 확인할 수 있다. 이처럼 이중유수실 케이슨의 경우 단일유수실 케이슨에 비해서 후면벽 작용 파력이 감소하며, 첨두값에 이르기까지의 시간이 지체되는 현상은 유수실 내부에 침투한 파의 에너지 일부가 중간벽에서 소산되기 때문일 것으로 추정할 수 있다.
- 본 연구에서는 단면 수리모형실험을 수행하여 단일 및 이중유수실 케이슨 방파제에 작용하는 수평파력을 로드셀을 이용하여 계측하고, Takahashi and Shimosako(1994)의 방법을 준용하여 파의 위상별로 케이슨 전면벽, 후면벽 및 중간 벽(이중유수실의 경우)에 작용하는 최대 수평파력을 분석 및 비교하였다. 본 연구를 통해서 이중유수실 케이슨의 2개 유수실 전체 폭이 단일유수실의 폭과 동일한 경우 이중유수실 케이슨에 작용하는 총파력이 더 작음을 확인할 수 있었다. 이러한 파력 저감 효과는 이중유수실 케이슨의 경우 전면벽 유공부를 통과하여 유수실 내로 침투한 파 에너지가 중간벽에서 추가적으로 소산되면서 후면벽에 부딪치기까지의 시간이 더욱 지연되어 전면벽 및 후면벽에서 수평파력이 최대가 되는 위상 사이의 시간 차가 더 크게 되기 때문에 발생하는 것이다.
- 본 연구에서도 Takahashi and Shimosako(1994)와 유사한 방법으로 케이슨 각 부재에 작용하는 수평파력을 개별적으로 측정할 수 있는 계측시스템을 구성하였기 때문에 단일유수실 케이슨 전면벽의 유공부 및 무공부, 그리고 후면벽에 작용하는 수평파력을 파의 위상에 따라서 Goda의 파압공식과 비교하는 것이 가능하였다. 이에 더하여 이중유수실 케이슨의 경우에는 전면벽과 후면벽 사이에 위치한 중간벽에 작용하는 파력에 대해서도 동일한 분석을 수행하는 것이 가능하였다.
- 6% 파력이 저감되는 효과가 있음을 나타낸다. 이중유수실 케이슨의 경우 최대 수평파력 계측값이 Goda 파압공식에 의한 수평파력 대비 84.4%였으며, 단일 유수실보다 더 큰 15.6%의 파력감소 효과를 나타내었다. 한편, 이 두 값을 비교하면 이중유수실 케이슨의 무차원 수평파력이 단일유수실에 비해서 9.
- 6에서 중간벽의 파력 첨두값은 전면벽 유공부 및 후면벽에서의 첨두값에 비해서는 작음을 확인할 수 있으며 이에 관해서는 다음 장에서 보다 자세히 설명하였다. 한편, Fig. 6에 제시된 총 파력 시계열을 Fig. 5와 비교해 보면 전체적으로 총파력이 매우 완만하게 상승하였다가 감소하는 경향이 나타나며, Crest IIa 및 Crest IIb 위상에서의 첨두값이 매우 미약하게 나타남을 확인할 수 있다. 이 경우에도 총 파력의 첨두값은 후면벽에서의 Crest IIa 위상에서 나타나는 것으로 보이지만, Fig.
- 6%의 파력감소 효과를 나타내었다. 한편, 이 두 값을 비교하면 이중유수실 케이슨의 무차원 수평파력이 단일유수실에 비해서 9.6% 작았다. 이 값이 바로 위에서 살펴본 결과 (평균적으로 #의 값이 #에 비해서 8.
- 무엇보다 유수실 내에 침투한 파가 후면벽에 부딪칠 때 나타나게 되는 crest IIa에 해당하는 첨두가 뚜렷하게 관찰되지 않았으며, 첨두값의 크기도 단일유수실 케이슨의 경우에 비해서 작은 편이었다. 한편, 후면벽에서의 수위가 최대가 될 때에 대응되는 Crest IIb의 위상에서도 첨두값의 크기가 단일유수실 케이슨의 경우에 비해서 다소 감소하였으며, Crest I부터 Crest IIb까지의 시간 동안 파력이 완만하게 상승하는 경향을 보였다. 또한, 전면벽 첨두가 나타난 Crest I으로부터 Crest IIb까지의 시차가 단일유수실 케이슨의 경우에 비해서 증가한 것을 확인할 수 있다.
후속연구
- 이러한 선행 연구들은 공통적으로 유수실 수가 한 개보다 두 개 이상인 방파제 구조가 구조물에 작용하는 전체 파력을 저감시키는 효과가 있음을 보였다. 그러나 각 논문에 제시된 방파제의 형상이 서로 크게 다르며, 실험 또는 현장관측이 수행된 조건이 다양하지 못하기 때문에 어떠한 종합적인 결론이 도출되지는 못하였다. 특히, 위에서 언급한 것처럼 국내 실정 상 시급히 요청되고 있는 이중유수실 케이슨 방파제의 설계 시 활용할 수 있는 파압식이 개발되지는 못하였다.
- 이러한 점을 고려하여 본 연구에서는 이중유수실 케이슨 방파제에 작용하는 수평파력을 정밀하게 계측하는 수리실험을 수행하고 단일유수실 케이슨의 경우와 비교하여 파가 케이슨 방파제에 작용할 때의 위상에 따라서 각 벽체에 작용하는 파력의 저감 효과를 분석하였다. 본 논문에 제시된 결과는 향후 현업 실무에서 적용할 수 있는 이중유수실파압 공식을 개발하는데 중요한 기본 자료로서 활용될 수 있을 것으로 기대된다.
- 이러한 파력 저감 효과는 이중유수실 케이슨의 경우 전면벽 유공부를 통과하여 유수실 내로 침투한 파 에너지가 중간벽에서 추가적으로 소산되면서 후면벽에 부딪치기까지의 시간이 더욱 지연되어 전면벽 및 후면벽에서 수평파력이 최대가 되는 위상 사이의 시간 차가 더 크게 되기 때문에 발생하는 것이다. 향후 마운드의 높이, 방파제 전면 수심, 케이슨 전면벽 유공률 등이 본 수리실험 조건과 다른 추가 실험을 수행하여본 연구에서 얻어진 결과를 검증할 필요가 있으며, 이를 바탕으로 설계 현업에서 활용할 수 있는 이중유수실 파압 공식을 개발할 필요가 있다.
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