본 연구에서는 회절을 고려하여 반무한방파제 형식의 직립식 장대구조물에 작용하는 파력에 대해 검토하였다. 장대구조물에 작용하는 파력은 규칙파, 일방향 불규칙파 및 다방향 불규칙파를 대상으로 하였다. 방파제 전면 및 후면에서 발생하는 회절을 모두 고려하였다. 방파제의 상대길이(1/L)가 0인 경우 방파제에 작용하는 파력은 회절에 의해 0이 된다. 방파제의 상대길이가 1.0 이하인 경우에는 회절의 영향이 비교적 강하였으며, 방파제의 상대길이가 0.5 이상인 경우에는 방파제의 장대화 효과에 의해 작용 파력이 크게 감소하였다. 즉, 방파제의 상대길이가 1.0 이하인 경우에는 회절효과의 고려가 필요하며, 장대 방파제의 파력 감소효과를 얻기 위해서는 방파제의 상대길이가 최소 0.5 이상이어야 함을 알 수 있다.
본 연구에서는 회절을 고려하여 반무한방파제 형식의 직립식 장대구조물에 작용하는 파력에 대해 검토하였다. 장대구조물에 작용하는 파력은 규칙파, 일방향 불규칙파 및 다방향 불규칙파를 대상으로 하였다. 방파제 전면 및 후면에서 발생하는 회절을 모두 고려하였다. 방파제의 상대길이(1/L)가 0인 경우 방파제에 작용하는 파력은 회절에 의해 0이 된다. 방파제의 상대길이가 1.0 이하인 경우에는 회절의 영향이 비교적 강하였으며, 방파제의 상대길이가 0.5 이상인 경우에는 방파제의 장대화 효과에 의해 작용 파력이 크게 감소하였다. 즉, 방파제의 상대길이가 1.0 이하인 경우에는 회절효과의 고려가 필요하며, 장대 방파제의 파력 감소효과를 얻기 위해서는 방파제의 상대길이가 최소 0.5 이상이어야 함을 알 수 있다.
In this study, the wave force distribution acting on a semi-infinite and vertical-type long structure is investigated considering diffraction. An analytical solution of the wave force acting on long structures is also suggested in this study. The wave forces on long structures are evaluated for mono...
In this study, the wave force distribution acting on a semi-infinite and vertical-type long structure is investigated considering diffraction. An analytical solution of the wave force acting on long structures is also suggested in this study. The wave forces on long structures are evaluated for monochromatic, uni-directional random, and multi-directional random waves. Diffraction effects in front of the breakwater and on the lee side of the breakwater are considered. The wave force on a long structure becomes zero when the relative length of the breakwater (1/L) is zero. The diffraction effects are relatively strong when the relative length of the breakwater is less than 1.0, and the wave forces decrease greatly for long structure when the relative length of the breakwater is larger than 0.5. Therefore, it is necessary to consider diffraction effects when the relative length of the breakwater is less than 1.0, and the relative length of the breakwater must be at least 0.5 in order to obtain a reduction of wave force on long structures.
In this study, the wave force distribution acting on a semi-infinite and vertical-type long structure is investigated considering diffraction. An analytical solution of the wave force acting on long structures is also suggested in this study. The wave forces on long structures are evaluated for monochromatic, uni-directional random, and multi-directional random waves. Diffraction effects in front of the breakwater and on the lee side of the breakwater are considered. The wave force on a long structure becomes zero when the relative length of the breakwater (1/L) is zero. The diffraction effects are relatively strong when the relative length of the breakwater is less than 1.0, and the wave forces decrease greatly for long structure when the relative length of the breakwater is larger than 0.5. Therefore, it is necessary to consider diffraction effects when the relative length of the breakwater is less than 1.0, and the relative length of the breakwater must be at least 0.5 in order to obtain a reduction of wave force on long structures.
* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.
문제 정의
일반적으로 파고가 비교적 큰 고파랑이 내습할 경우에는 비선형 효과와 충격파압 효과의 영향이 회절 효과보다 더욱 클 것이다. 따라서, 본 연구에서는 파고가 비교적 작은 경우에 대해 회절효과를 고려하여 연구하였으며, 이경우 비선형성이 약하기 때문에 선형파 이론을 채택하였다. 회절을 고려한 규칙파의 감소파력비는 2절에서 해석적으로 유도되며, 3절에서는 규칙파 및 불규칙파를 대상으로 한 수치 해석 결과를 제시한다.
본 연구에서는 다방향 불규칙파의 비대칭 효과에 대해서도 추가로 검토하였다. 다방향 불규칙파의 방향 비대칭성은 Lee et al.
본 연구에서는 입사파, 반사파, 입사파의 회절성분, 반사파의 회절성분을 모두 반영하여 직립방파제에 작용하는 파력의 해석해를 제시한다.
본 연구에서는 회절을 고려한 반무한방파제 형식의 직립식장대구조물에 작용하는 파력에 대해 해석해를 이용하여 검토 하였다. 파력의 해석해는 선형파 이론과 Penney and Price(1952)의 해석해를 적용하였다.
제안 방법
다방향 불규칙파의 감소파력비 계산을 위해 , Δf=0.005, Δβ=1.0o를 적용하여 45개 주기성분 및 181개의 방향성분으로 나누어 계산하였다.
하지만 실제 해역에서는 방파제 전면에서도 회절에 의한 영향이 존재한다. 따라서 본 연구에서는 방파제 전면의 회절까지 추가하여 연구를 수행하였다. 입사파랑은 규칙파, 일방향 불규칙파, 다방향 불규칙파를 대상으로 한다.
먼저 장대구조물의 상대길이에 따른 규칙파의 감소파력비를 계산하였다. 아래 그림에서 실선은 방파제 전, 후면의 회절을 모두 고려한 경우이며, 일점쇄선은 전면에서의 회절만을 고려한 경우이다.
본 연구에서 개발한 감소파력비의 해석해를 검증하기 위하여 파랑의 회절이 고려된 파랑식인 완경사방정식을 사용하여 수치해석을 수행하여 감소파력비의 해석해와 수치해를 비교 하였다. 본 연구에서 사용한 완경사방정식은 Radder and Dingemans(1985)가 개발한 쌍곡선형 완경사방정식이다.
본 절에서는 회절을 고려한 불규칙파의 감소파력비를 계산 하였다. 일방향 및 다방향 불규칙파의 감소파력비는 각각 다음 식과 같이 정의한다.
대상 데이터
본 그림에서 L은 파장, l은 장대구조물의 길이, β는 구조물 법선에 수직인 선과 입사 파향선과의 교각을 뜻하며, h 는 평균수심, η는 자유수면변위를 나타낸다. 본 연구에서 고려한 장대 방파제는 물리적으로 길게 제작되거나 방파제 길이방향으로 구속이 확실한 경우를 대상으로 하며, 장대 방파제의 상대길이(#)는 길이방향으로 구속된 구간의 길이를 의미한다.
파력의 해석해는 선형파 이론과 Penney and Price(1952)의 해석해를 적용하였다. 입사파랑은 규칙파, 일방향 불규칙파 및 다방향 불규칙파를 대상으로 하였으며, 파랑 조건은 비쇄파 조건이다. 본 연구에서 제시한 장대구조물 파력의 해석해는 규칙파 조건에서 완경사방정식의 결과와 비교하였으며, 매우 일치하는 결과를 보였다.
이론/모형
다방향 불규칙파의 방향 비대칭성은 Lee et al.(2010)이 제안한 비대칭 방향분포함수를 적용하여 재현 하였다. 비대칭계수에 따른 방향스펙트럼의 에너지 분포는 Fig.
또한 공간미분항을 차분할 때 2차의 중앙차분법을 사용하였다. 구조물에서의 반사파를 흡수하기 위하여 계산영역의 사방 경계에서 스폰지층을 두었고, 구조물의 상류경계에 곡선조파기법을 사용하였다. 수치해석기법과 곡선조파기법에 대한 자세한 설명이 Lee and Yoon(2007)에 있다.
식 (22), (23)의 시간미분항을 차분할 때 4차의 Adams-Bashforth predictor and corrector 기법을 사용하였다. 또한 공간미분항을 차분할 때 2차의 중앙차분법을 사용하였다. 구조물에서의 반사파를 흡수하기 위하여 계산영역의 사방 경계에서 스폰지층을 두었고, 구조물의 상류경계에 곡선조파기법을 사용하였다.
본 연구에서 개발한 감소파력비의 해석해를 검증하기 위하여 파랑의 회절이 고려된 파랑식인 완경사방정식을 사용하여 수치해석을 수행하여 감소파력비의 해석해와 수치해를 비교 하였다. 본 연구에서 사용한 완경사방정식은 Radder and Dingemans(1985)가 개발한 쌍곡선형 완경사방정식이다. 지배 방정식은 다음과 같다.
는 수평미분연산자이다. 식 (22), (23)의 시간미분항을 차분할 때 4차의 Adams-Bashforth predictor and corrector 기법을 사용하였다. 또한 공간미분항을 차분할 때 2차의 중앙차분법을 사용하였다.
입사파랑은 규칙파, 일방향 불규칙파, 다방향 불규칙파를 대상으로 한다. 장대구조물에 작용하는 파력의 해석해는 선형파 이론과 Penney and Price(1952)가 제시한 회절의 해석해를 이용하여 유도하였다. 일반적으로 파고가 비교적 큰 고파랑이 내습할 경우에는 비선형 효과와 충격파압 효과의 영향이 회절 효과보다 더욱 클 것이다.
파랑의 주파수 스펙트럼으로는 다음과 같이 표현된 JONSWAP(Joint North Sea Wave Project) 스펙트럼을 적용 하였다(Hasselmann et al., 1973; Goda, 2000).
본 연구에서는 회절을 고려한 반무한방파제 형식의 직립식장대구조물에 작용하는 파력에 대해 해석해를 이용하여 검토 하였다. 파력의 해석해는 선형파 이론과 Penney and Price(1952)의 해석해를 적용하였다. 입사파랑은 규칙파, 일방향 불규칙파 및 다방향 불규칙파를 대상으로 하였으며, 파랑 조건은 비쇄파 조건이다.
회절을 고려한 파력분포 해석을 위해 선형파 이론과 Penney and Price(1952)의 해석해를 이용하여 파력식을 유도하였다. 수치해석을 위한 변수 및 구조물에 대한 설명은 Fig.
위에서 R은 입사파, 반사파, 방파제 전후면의 회절파 파력을 모두 고려한 규칙파의 감소 파력비(reduced force ratio)로 정의된다. 회절파의 파력 성분인 B와 C의 적분식은 사다리꼴 방법이나 4차 Runge-Kutta 방법 등을 이용하여 수치적으로 계산할 수 있다. 장대구조물의 상대길이(I/L )가 0에 접근할 때 A는 1이 되고, B와 C는 -0.
성능/효과
각 해석 결과를 보면 비대칭계수(µ)가 -0.3인 경우 감소파력비가 가장 크게 계산되 었다.
0에 수렴한다. 반면, 다방향 불규칙파의 감소파력비는 비스듬히 입사하는 파랑성분이 다수 존재하기 때문에 구조물의 상대길이가 증가할수록 감소하는 경향을 보였다. 구조물 전면에서의 회절만을 고려할 경우 구조물의 상대길이가 0인 경우 감소파력비는 0.
해석해에 의한 결과들은 완경사방정식에 의한 수치해석 결과와 대부분 매우 일치하는 경향을 보였다. 방파제의 길이가 0.5 L인 경우에는 방파제의 길이가 짧고 완경사방정식의 격자 구성 한계에 따라 폭 0인 방파제의 구현이 불가능하여 해석해의 결과가 수치해에 비해 약 10% 작게 계산되었다.
본 연구를 통해 장대구조물의 상대길이가 1.0 이하인 경우에는 회절의 영향을 고려하여야 하며, 장대구조물의 상대 길이가 최소 0.5 이상이 되어야 구조물의 장대화 효과를 이용할 수 있음을 알 수 있다. 하지만 장대구조물의 상대길이가 어느 정도이어야 파력의 감소효과가 충분하며, 적정한지에 대해서는 파력 감소효과에 의한 장대구조물의 공사비 절감효과와 결부한 경제성 분석을 통해 추가로 연구하여야 할것으로 판단된다.
입사파랑은 규칙파, 일방향 불규칙파 및 다방향 불규칙파를 대상으로 하였으며, 파랑 조건은 비쇄파 조건이다. 본 연구에서 제시한 장대구조물 파력의 해석해는 규칙파 조건에서 완경사방정식의 결과와 비교하였으며, 매우 일치하는 결과를 보였다.
이상의 분석을 통해 장대구조물의 상대길이가 1.0 이하인 경우에는 회절의 영향을 반드시 고려하여야 하며, 장대구조물의 상대길이가 최소 0.5 이상이 되어야 감소파력비가 감소하기 시작하여 구조물의 장대화 효과를 이용할 수 있음을 알수 있다.
해석해의 결과 중 규칙파의 감소파력비는 완경사방정식의 결과와 비교하였는데, 거의 유사한 결과를 보였다. 즉, 본 연구에서 제시한 해석해가 이론적으로 타당함을 알 수 있다.
(2010)에 의해 수행된 회절을 고려하지 않은 경우에는 주파향의 입사각이 0o 일 때 비대칭계수의 변화에 따른 감소파력비의 변화가 거의 없었다. 하지만 회절을 고려한 본 연구에서는 주파향의 입사각이 0일 때 비대칭 계수가 음수인 경우 감소파력비가 크게 계산되었다. 이는 비대칭계수가 음수인 경우 – 방향의 입사파랑 성분이 우세하며, 따라서 회절의 영향을 적게 받으므로 감소파력비가 크게 계산되었다.
완경사방정식에 의한 결과는 그림에서 심볼로 나타내었다. 해석해에 의한 결과들은 완경사방정식에 의한 수치해석 결과와 대부분 매우 일치하는 경향을 보였다. 방파제의 길이가 0.
5는 입사각이 60o 인 경우의 결과이며, 전반적으로 입사각 30인 경우와 유사한 경향을 보였다. 해석해의 결과 중 규칙파의 감소파력비는 완경사방정식의 결과와 비교하였는데, 거의 유사한 결과를 보였다. 즉, 본 연구에서 제시한 해석해가 이론적으로 타당함을 알 수 있다.
후속연구
5 이상이 되어야 구조물의 장대화 효과를 이용할 수 있음을 알 수 있다. 하지만 장대구조물의 상대길이가 어느 정도이어야 파력의 감소효과가 충분하며, 적정한지에 대해서는 파력 감소효과에 의한 장대구조물의 공사비 절감효과와 결부한 경제성 분석을 통해 추가로 연구하여야 할것으로 판단된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
해안지역에서 방파제 붕괴나 월파에 의한 침수피해 등이 발생하는 이유는 무엇인가?
최근 기후변화 등에 의해 우리나라에 영향을 미치는 태풍은 해마다 늘어나고 있으며, 이들 태풍에 의한 고파랑으로 해안지역에서 방파제 붕괴나 월파에 의한 침수피해 등이 발생하고 있다. 일본의 경우 방파제의 피해 유형으로 활동(sliding) 이 가장 많으며, 약 66%를 차지하는 것으로 보고되었다 (Takayama and Higashira, 2002).
Traetteberg(1968)가 최초로 발견한 것은 무엇인가?
과거 Traetteberg(1968)는 장대구조물의 경우 구조물의 길이에 따른 평균 파력이 감소한다는 사실을 최초로 발견하였다. 국내에서는 Kim et al.
방파제 활동피해 발생의 주 원인은 무엇인가?
우리나라에서도 최근 동해안 및 남해안에서 고파랑에 의한 방파제 활동피해사례가 보고되었다. 일반적으로 이와 같은 직립방파제의 활동 피해는 주로 예상치 못한 고파랑 내습에 의해 발생한다. 고파랑 내습시에는 파랑의 비선형 효과와 충격 파압의 효과가 크게 작용하며, 방파제 주변에서 회절, 굴절 등의 파랑 변형이 발생 하여 이를 정확히 예측하기는 매우 어렵다.
참고문헌 (21)
Allsop, N.W.H. and Calabrese, M. (1998). Impact loadings on vertical walls in directional seas, Proc. 26th Int. Conf. Coastal Eng., Copenhagen, Denmark, 2056-2068.
Allsop, N.W.H., Vicinanza, D. and McKenna, J.E. (1996). Wave forces on vertical composite breakwaters, Report SR 443, HR Wallingford.
Battjes, J.A. (1982). Effects of short-crestedness on wave loads on long structures. Applied Ocean Res., 4(3), 165-172.
Burcharth, H.F. and Liu, Z. (1999). Force reduction of short crested non-breaking waves on caissons, MASTIII PROVERBS, Probabilistic Design Tools for Vertical Breakwaters, MAS3-CT95-0041, IIa, Chapter 4.3, 1-26.
Frigaard, P., Burcharth, H.F. and Kofoed, J.P. (1998). Wave impacts on caisson breakwaters situated in multidirectionally breaking seas, Proc. 26th Int. Conf. Coastal Eng., Copenhagen, Denmark, 1959-1970.
Goda, Y. (2000). Random Seas and Design of Maritime Structures, World Scientific.
Hasselmann, K. et al. (1973). Measurements of wind-wave growth and swell decay during the Joint North Sea Wave Project (JONSWAP), Deutsches Hydrographisches Zeitschrift, 8(12). 1-95. (in German).
Jung, J.-S., Kim, B.-H., Kim, H.-J. and Cho, Y.-S. (2010). Calculation of the peak-delay force reduction parameter of multidirectional random waves acting on a long caisson breakwater, J. Korean Society of Water Resources Association, 43(10), 843-850 (in Korean).
Jung, J.-S., Lee, C. and Cho, Y.-S. (2011). Effects of directional asymmetry of random wave loads on long structures, The 6th Iint. Conf. on Asian and Pacific Coasts, Hong Kong, 1695-1702.
Kim, B.-H., Park, W.-S., Lee, J.-W. and Jung, J.-S. (2010). Making long caisson breakwater using interlocking system, the Magazine of the Korean Society of Civil Engineers, 58(12), 65-72 (in Korean).
Lee, C., Jung J.-S. and Haller, M.C. (2010). Asymmetry in directional spreading function of random waves due to refraction, ASCE J. Waterway, Port, Coast. Ocean Eng., 136(1), 1-9.
Martinelli, L., Lamberti, A. and Fgiraard, P. (2007). Effect of shortcrestedness and obliquity on non-breaking and breaking wave forces applied to vertical casson breakwaters, Coastal Eng. J., JSCE, 49(2), 173-203.
Park, S.-H., Park, W.-S. and Kim, H.S. (2011a). Evaluation of structural behavior for interlocking breakwater, 2011 Joint Conference of KAOSTS, 1915-1918 (in Korean).
Park, W.-S., Park S.-H. and Jang S.-C. (2011b). Dynamic analysis model of interlocking breakwater systems for wave loadings, 2011 Joint Conference of KAOSTS, 2247-2249 (in Korean).
Penney, W.G. and Price, A.T. (1952). The diffraction theory of sea waves by breakwaters and the shelter afforded by breakwaters, Philos. Trans. R. Soc. London, A(244), 236-253.
Takahashi, S. (2002). Design of vertical breakwaters. Port and Airport Res. Inst.
Takahashi, S. and Shimisako, K. (1990). Reduction of wave force on a long caisson of vertical breakwater and its stability. Report No. 685, The Port and Harbour Res. Inst. (in Japanese).
Takayama, T. and Higashira, K. (2002). Statistical analysis on damage characteristics of breakwaters, J. Ocean Development. 18, 263-268. (in Japanese).
Traetteberg, A. (1968). The effects of wave crests on wave forces. Proc. of the Int. Conf. on Coastal Eng., 11, 934-939.
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.