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문제 정의
- 본 연구에서는 국내에서 일반적으로 적용하고 있는 TTP가 피복된 경사식구조물을 대상으로 처오름높이 산정을 위한 2차원 수리실험을 수행하였다. 수리실험은 사면경사 1:1.
제안 방법
- (3) 사면경사 1:1.5인 TTP 피복 경사식구조물의 처오름높이를 산정할 수 있는 산정식을 제안하였다. 본 연구에서 제안한 산정식은 중간피복층으로 콘크리트블록을 사용하는 조건에 해당하며, 이는 설계파고가 커서 고중량의 콘크리트블록이 사용되는 경우에 해당된다 할 수 있다.
- 6sec인 경우에 보다 큰 유의파고까지 실험파를 설정할 수 있었다. do 위치에서는 쇄파가 발생되지 않는 조건의 파랑만을 대상으로 실험파로 설정하였지만, 구조물 설치위치까지는 1/50의 경사면이 설치되어 있어 수심감소 등으로 인해 구조물위치에서는 쇄파가 발생되도록 하였다. 따라서 구조물 설치수심(dt), toe부에서는 비쇄파(non-breaking wave), 쇄파(breaking wave) 및 쇄파된 파(broken wave) 조건이 모두 포함된다.
- 계측기는 파랑에 의해 흔들림이 발생되지 않도록 고정하였으며, 또한 내습파에 의한 피복된 TTP의 거동으로 사면경사의 변화가 발생되지 않는지 실험시 상시 관찰하였다. 각각의 목표 유의주기별로 1,100파의 시간동안 실험파를 조파하여 계측을 수행한 후, 전반부 100파의 계측자료를 제외한 나머지 자료를 이용하여 처오름높이(Ru)를 분석하였다. 따라서 목표 유의주기가 Ts,o=1.
- 계측기는 파랑에 의해 흔들림이 발생되지 않도록 고정하였으며, 또한 내습파에 의한 피복된 TTP의 거동으로 사면경사의 변화가 발생되지 않는지 실험시 상시 관찰하였다. 각각의 목표 유의주기별로 1,100파의 시간동안 실험파를 조파하여 계측을 수행한 후, 전반부 100파의 계측자료를 제외한 나머지 자료를 이용하여 처오름높이(Ru)를 분석하였다.
- 5이고, 제체가 설치되는 구간 전면에는 1/50의 경사면이 설치되어 있다. 구조물설치수심(dt)으로 dt=40cm, 55cm, 70cm, 85cm를 본 실험에 적용하였고, 경사면은 실험수로 바닥으로부터 60cm 높이까지 설치되기 때문에 경사면이 시작되기 전의 수심(do), 즉 조파기 전면수심은 do=dt+60cm이다. Fig.
- 6sec인 경우에는 실험시간으로 3,960sec 동안 계측을 수행하였다. 그리고 피복된 TTP의 거치에 따라 처오름높이의 차이가 발생할 수 있기 때문에 결과분석 시에는 3대의 계측기에서 분석된 처오름높이를 산술평균하였다. 실험시 분석된 자료에 의하면, 3대 계측기의 상대오차는 3% 이내로 나타나 계측기 설치위치에 따른 차이는 크지 않았다.
- 각각의 목표 유의주기별로 1,100파의 시간동안 실험파를 조파하여 계측을 수행한 후, 전반부 100파의 계측자료를 제외한 나머지 자료를 이용하여 처오름높이(Ru)를 분석하였다. 따라서 목표 유의주기가 Ts,o=1.5sec인 경우에는 실험시간으로 1,650sec, Ts,o=3.6sec인 경우에는 실험시간으로 3,960sec 동안 계측을 수행하였다. 그리고 피복된 TTP의 거치에 따라 처오름높이의 차이가 발생할 수 있기 때문에 결과분석 시에는 3대의 계측기에서 분석된 처오름높이를 산술평균하였다.
- 그러나 파형경사가 작은 경우에는 상대파고(toe부에서의 파고와 구조물 전면수심의 비)에 따라 처오름높이의 차이가 크게 나타났다. 따라서 보다 정도 높은 처오름높이의 산정을 위해 상대파고별로 처오름높이 산정식을 제시하였다.
- 이는 국내 항만 및 해안구조물 설계시 파랑조건으로 유의주기를 활용하고 있기 때문이다. 따라서 본 연구에서 사용한 쇄파 유사성 매개변수 𝜉os는Eq. (3)에서 som을 sos로 대체하면 되며, sos 계산 시 유의주기에 해당하는 심해파장(Los)을 대입하면 된다.
- 실험모형을 설치하여 처오름높이 실험을 수행할 경우에 구조물 위치에서의 파고를 계측할 수 없지만, 본 연구에서는 쇄파 유사성 매개변수 계산 시 구조물 위치에서의 유의파고를 사용하게 된다. 따라서 본 연구에서는 실험 시 do 수심에서 입사파랑을 분석한 후, 실험파 설정 시 설정한 do 수심과 dt 수심에서의 파랑제원에 대한 관계식을 이용하여 구조물 위치에서의 파고를 추산하였다. 본 실험에서는 전술한 4가지 수심조건과 실험파 조건을 조합한 전체 163개 조건의 실험파를 대상으로 처오름높이 산정실험을 수행하였다.
- 수리실험에서 불규칙파를 재현할 때 목표 파랑제원과 동일하게 설정하기는 어렵다. 따라서 실험파 설정 시 목표 파랑제원에 근접하도록 실험파를 설정한 후, 결과분석시에는 목표 파랑조건이 아닌 실험에서 산정된 파랑제원을 적용하였으며, 실험파 설정위치인 do 수심에서뿐만 아니라 구조물 설치위치인 dt 수심에서도 입반사 분리기법을 적용하여 파랑제원을 산정한 후, 천수 및 쇄파 등으로 인한 변화를 분석하였다. 실험모형을 설치하여 처오름높이 실험을 수행할 경우에 구조물 위치에서의 파고를 계측할 수 없지만, 본 연구에서는 쇄파 유사성 매개변수 계산 시 구조물 위치에서의 유의파고를 사용하게 된다.
- 실험파 설정 시 입반사 분리기법을 적용하여 설정하였으며, 사용된 파고계는 용량식 파고계로서 길이는 2m이고, 측정범위는 0~±1m이며, 독취율은 50Hz이다. 또한 경사식구조물 사면에서의 처오름높이 계측을 위해 측정범위가 3m이고, 독취율이 50Hz인 처오름높이 계측기(runup gauge)인 용량식 파고계를 별도로 제작하여 활용하였다.
- 2는 본 연구에서 적용한 경사식구조물 모형의 개념도이다. 모형의 높이는 월파가 발생하지 않도록 충분히 높게 설치하였으며, 제체사석위에 1개 층의 tripod를 설치하고, 그 상부에 공칭길이(nominal length, Dn = V1/3) Dn≒9.28cm인 TTP를 정적으로 2층 피복하였으며, 피복층의 피복두께(AT)는 AT≒19.2cm이다. 그리고 경사식구조물의 사면경사(cotβ)는 cotβ=1.
- 본 연구는 사면경사 1:1.5인 TTP 피복 경사식구조물을 대상으로 처오름높이 산정실험을 수행하였으며, 동일 피복재로 피복된 조건의 기존 연구결과가 없기 때문에 주 피복층은 피복석으로 2층 피복되고, 주 피복층 하부 제체사석의 투수계수(P)가 P=0.1(주피복층 하부의 제체가 불투과성에 가까운 경우) 조건과 P=0.5(주피복층 하부의 제체가 사석으로 설치된 경우) 조건인 van der Meer and Stam(1992)의 처오름높이 산정식 결과와 본 연구의 결과를 비교하였다. 제체사석의 투수계수 P=0.
- 5인 TTP 피복 경사식구조물의 처오름높이를 산정할 수 있는 산정식을 제안하였다. 본 연구에서 제안한 산정식은 중간피복층으로 콘크리트블록을 사용하는 조건에 해당하며, 이는 설계파고가 커서 고중량의 콘크리트블록이 사용되는 경우에 해당된다 할 수 있다. 국내 항만 및 어항설계기준·해설(MOF, 2014)에는 TTP 피복 경사식구조물에 대한 처오름높이 산정식이 부재한 실정으로서 본 연구결과는 실무활용측면에서 가치가 있을 것으로 생각된다.
- 본 연구에서는 TTP로 피복된 사면경사 1:1.5의 경사식 구조물을 대상으로 처오름높이에 대한 2차원 실험을 수행한 후, 처오름높이 산정식을 제안하였으며, 주된 연구결과를 요약하면 다음과 같다.
- 본 연구에서는 계측된 자료로 부터 최대 처오름높이(Ru,max)에서평균 처오름높이(Ru,mean)까지를 분석하였으며, Ru,max, Ru,1%,Ru,2%, Ru,1/20, Ru,1/10, Ru,1/3, Ru,mean을 산정할 수 있는 처오름높이 산정식을 제시하였다. 여기서, Ru,1/10은 상위 10%에 해당하는 처오름높이를 평균한 처오름높이를 의미한다.
- 본 연구에서는 국내에서 일반적으로 적용하고 있는 TTP가 피복된 경사식구조물을 대상으로 처오름높이 산정을 위한 2차원 수리실험을 수행하였다. 수리실험은 사면경사 1:1.5인 TTP 피복 경사식구조물을 대상으로 하였으며, 불규칙파를 입사파로 적용하고 구조물설치 수심, 입사파고 및 입사주기 등을 변화시키며 다양한 조건의 수리실험을 수행한 후, 처오름높이 산정식을 제안하였다. 그리고본 연구로부터 산정된 결과는 적용 피복재는 다르지만 van der Meer and Stam(1992)의 결과와 비교하였다.
- 따라서 실험파 설정 시 목표 파랑제원에 근접하도록 실험파를 설정한 후, 결과분석시에는 목표 파랑조건이 아닌 실험에서 산정된 파랑제원을 적용하였으며, 실험파 설정위치인 do 수심에서뿐만 아니라 구조물 설치위치인 dt 수심에서도 입반사 분리기법을 적용하여 파랑제원을 산정한 후, 천수 및 쇄파 등으로 인한 변화를 분석하였다. 실험모형을 설치하여 처오름높이 실험을 수행할 경우에 구조물 위치에서의 파고를 계측할 수 없지만, 본 연구에서는 쇄파 유사성 매개변수 계산 시 구조물 위치에서의 유의파고를 사용하게 된다. 따라서 본 연구에서는 실험 시 do 수심에서 입사파랑을 분석한 후, 실험파 설정 시 설정한 do 수심과 dt 수심에서의 파랑제원에 대한 관계식을 이용하여 구조물 위치에서의 파고를 추산하였다.
- 수리실험은 유한한 수로 내에서 수행되기 때문에 구조물에 의한 반사파가 조파판에서 재반사되는 현상이 발생된다. 이러한 재반사파를 적절히 제어하지 못하면 실험결과의 신뢰도가 저하되므로 본 실험에서는 흡수제어를 통해 재반사파를 억제시키고, 일정 지점에서 파랑의 증폭을 상시 계측하여 분석에 활용하였다.
- 2에 도시된 경사식구조물을 대상으로 처오름높이 산정실험을 수행하였다. 주피복블록으로는 TTP를 사용하였으며, 중간피복층으로는 tripod를 적용하였다. 피복된 tripod는 입체공극율이 약 40%이고, 평면투과율이 약 23%인 거치를 적용하였다.
대상 데이터
- 따라서 본 연구에서는 실험 시 do 수심에서 입사파랑을 분석한 후, 실험파 설정 시 설정한 do 수심과 dt 수심에서의 파랑제원에 대한 관계식을 이용하여 구조물 위치에서의 파고를 추산하였다. 본 실험에서는 전술한 4가지 수심조건과 실험파 조건을 조합한 전체 163개 조건의 실험파를 대상으로 처오름높이 산정실험을 수행하였다.
- 본 연구에서는 Fig. 2에 도시된 경사식구조물을 대상으로 처오름높이 산정실험을 수행하였다. 주피복블록으로는 TTP를 사용하였으며, 중간피복층으로는 tripod를 적용하였다.
- 본 연구의 실험에 사용된 단면수로의 제원은 폭 2m, 깊이 3m,길이 100m이고, 사용된 조파기는 전기서보 피스톤식 조파기이며, 규칙파 및 불규칙파를 조파할 수 있다(Fig. 1 참조). 조파판의 폭은 1.
- 실험파 설정 시 입반사 분리기법을 적용하여 설정하였으며, 사용된 파고계는 용량식 파고계로서 길이는 2m이고, 측정범위는 0~±1m이며, 독취율은 50Hz이다.
- 3sec 간격, 목표 유의파고(Hs,o) Hs,o=12~36cm 범위에서 ΔHs,o=4cm 간격의 목표 파랑을 대상으로 Bretschneider-Mitsuyasu 스펙트럼을 적용한 불규칙파 조건으로 설정하였다. 실험파는 경사면이 시작되기 전의 위치인 do 위치에서 진행파 관점으로 설정하였으며, do 위치에서는 쇄파가 발생하지 않는 조건의 파랑을 대상으로 하였다. 다시 말해 do 위치에서는 각 실험파의 목표 유의주기별로 쇄파가 발생되지 않는 목표 유의파고까지 실험파를 설정함에 따라 목표 유의주기별로 설정된 최대 유의파고는 차이가 있으며, Ts,o=1.
- 실험파는 목표 유의주기(Ts,o) Ts,o=1.5~3.6sec 범위에서 ΔTs,o=0.3sec 간격, 목표 유의파고(Hs,o) Hs,o=12~36cm 범위에서 ΔHs,o=4cm 간격의 목표 파랑을 대상으로 Bretschneider-Mitsuyasu 스펙트럼을 적용한 불규칙파 조건으로 설정하였다.
- 처오름높이 계측기를 TTP가 피복된 사면으로부터 약 0.5cm이격하여 3대를 설치하였다. 즉, 실험수로의 폭이 2m이기 때문에 수로중앙부에 1대, 수로중앙부에서 좌우로 50cm 이격된 위치에 각각 1대씩을 설치하였다.
데이터처리
- 5인 TTP 피복 경사식구조물을 대상으로 하였으며, 불규칙파를 입사파로 적용하고 구조물설치 수심, 입사파고 및 입사주기 등을 변화시키며 다양한 조건의 수리실험을 수행한 후, 처오름높이 산정식을 제안하였다. 그리고본 연구로부터 산정된 결과는 적용 피복재는 다르지만 van der Meer and Stam(1992)의 결과와 비교하였다.
성능/효과
- (2) 입사파의 파형경사가 큰 경우에는 상대 처오름높이가 일정값에 수렴하며, 이는 기존 연구결과와 동일한 경향이다. 그러나 파형경사가 작은 경우에는 상대파고(toe부에서의 파고와 구조물 전면수심의 비)에 따라 처오름높이의 차이가 크게 나타났다.
- )별로 구분하는 것이 적절하다고 판단되었다. 따라서 본 연구에서 수행된 실험조건 범위내에서 (H/d)t=0.45~0.56, (H/d)t=0.36~0.45, (H/d)t=0.27~0.36, (H/d)t=0.14~0.27 조건으로 구분하여 상대 처오름높이를 분석하고 최적 산정식을 도출하였다. 전체적인 경향을 살펴보면 동일한 𝜉os인 값에서도 파형경사가 큰 조건에서 더 큰 상대 처오름높이가 나타남을 알 수 있다.
- 본 연구에서 수행된 실험결과를 여러 조건으로 분석해본 결과, 전술한 바와 같이 상대파고((H/d)t)별로 구분하는 것이 적절하다고 판단되었다. 따라서 본 연구에서 수행된 실험조건 범위내에서 (H/d)t=0.
- 27 조건으로 구분하여 상대 처오름높이를 분석하고 최적 산정식을 도출하였다. 전체적인 경향을 살펴보면 동일한 𝜉os인 값에서도 파형경사가 큰 조건에서 더 큰 상대 처오름높이가 나타남을 알 수 있다. 이는 Ahrens(1979)이 수행한 사면경사 1:1.
후속연구
- 1의 결과에 보다 부합되는 것으로 판단된다. 따라서 추후 중간피복층의 구성재료에 따른 처오름높이 검토가 필요할 것으로 판단된다. 쇄파 유사성매개변수(surf-similarity parameter) 𝜉os가 작을 때, 즉 파형경사가 큰 경우에는 상대 처오름높이는 일정값에 수렴하는 반면, 파형경사가 작은 경우에는 동일한 𝜉os값에서도 다양한 상대 처오름높이가 분포한다.
- 본 연구는 사면경사가 1:1.5인 조건만을 대상으로 한 결과이기 때문에 향후 사면경사 1:2 조건과 중간피복층이 사석으로 설치되는 조건 등에 대한 연구도 필요할 것으로 판단된다. 그리고 최근 설계파랑 증대에 따른 기존 경사식구조물의 보강사업이 활발하게 진행됨을 감안할 때 피복층의 두께가 처오름높이의 저감에 미치는 영향에 대한 검토도 수행하여 저감정도를 정량적으로 제시할 필요가 있다.
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