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문제 정의
- Ru,1%/Hs,t와 Ru,2%/Hs,t의 경우에는 Fig. 3(a)와 같이 HD=0.27~0.56 범위에 대해 하나의 회귀식으로도 표현이 가능하겠지만, 본 연구에서는 정도 높은 처오름높이 산정식의 제시를 위해 이를 구분하였다. van der Meer and Stam (1992)에서 도시된 Ru,2%/Hs,t의 실험결과를 살펴보면 상대 처오름높이를 HD (=Hs,t /dt) 구분 없이 하나의 회귀식으로 표시하였으며, 실험자료 또한 회귀식 주변에 분포한다.
- 본 연구에서는 TTP로 피복된 사면경사 1:2.0의 경사식구조물을 대상으로 처오름높이에 대한 2차원 실험을 수행한 후 처오름높이 산정식을 제안하였고, 피복층의 두께증가에 따른 처오름높이의 저감효과에 대해 실험적으로 검토하였다. 주된 연구결과를 요약하면 다음과 같다.
- 본 연구에서는 국내에서 일반적으로 적용하고 있는 TTP가 피복된 경사식구조물을 대상으로 처오름높이 산정을 위한 2차원 수리실험을 수행하였다. 수리실험은 사면경사 cotβ=2.
- 본 연구에서는 피복층의 두께 증가에 따른 처오름높이의 저감효과를 실험적으로 검토하였다. 전술한 바와 같이 TTP가 2층 및 4층 피복된 경우를 대상으로 하였으며, 4층 피복 조건의 피복층 두께는 2층 피복조건에 비해 약 2배이다.
제안 방법
- (2) 기존 경사식구조물을 보강하기 위해 기존 피복층 상부에 추가적인 피복재를 피복하는 사례가 증가하고 있으며, 피복층 증대에 따른 처오름높이의 저감효과에 대해 실험적으로 검토하였다. 파형경사가 큰 경우에는 저감효과가 크지 않지만, 주 피복층의 두께가 약 2배가 될 때 처오름높이는 평균적으로 약 5% 저감되는 것으로 검토되었다.
- 3cm인 TTP를 정적으로 2층 피복하였다. 구조물 설치수심(dt)은 dt=40cm, 55cm, 70cm를 적용하였으며, Dn≒9.3cm인 TTP를 정적으로 2층 피복한 피복층의 두께(AT)는 AT≒19.2cm이다. 실험파는 목표 유의주기(Ts,0) Ts,0=1.
- 5 조건보다 처오름높이가 30~50% 범위에서 증가함을 알 수 있었다. 그리고 제안된 산정식은 구조물 전면에서의 상대파고(=유의파고/전면수심) 변수를 도입함으로서 구조물 전면에서의 쇄파효과를 고려할 수 있도록 하였다.
- 그리고 피복층 두께의 증가가 처오름높이의 저감에 미치는 효과를 검토하기 위해 cotβ=1.5와 2.0을 대상으로 2차원 수리실험을 추가로 수행한 후, 피복층의 두께증가에 따른 처오름높이의 평균 저감율을 제시하였다.
- 실험파 설정시 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)를 별도로 제작하여 활용하였다.
- 본 연구에서는 계측된 자료로 부터 최대 처오름높이(Ru,max)에서 평균 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 제안하였다. 여기서, Ru,1/10은 상위 10%에 해당하는 처오름높이를 평균한 처오름높이를 의미한다.
- 본 연구에서 적용한 실험은 불규칙파를 적용하였기 때문에 쇄파 정도가 서로 다르더라도 유의파고는 유사한 조건이 존재하며, 이러한 조건에서 서로 유사한 상대처오름높이를 보이는 것이다. 본 연구에서는 상대적으로 수심이 깊은 d0 위치에서 쇄파가 발생되지 않는 조건까지 실험파를 설정하였고, 1/50의 해저경사면을 따라 전파하면서 고파고 조건의 경우에는 자연스럽게 쇄파가 발생되도록 하였다. 이러한 효과가 본 실험결과에 반영된 것으로 판단된다.
- 이러한 경향은 Ru,max/Hs,t가 Ru,mean/Hs,t에 비해 뚜렷하게 나타나며, 이는 파형경사가 큰 경우(또는 Hs,t /dt가 큰 경우)에는 불규칙파 성분 중 고파랑성분이 구조물 전면에서 미리 쇄파됨으로 인해 나타나는 현상이라 판단된다. 본 연구에서는 상대파고 범위를 4가지로 구분하여 결과를 제시하였으며, 상대파고의 범위구분은 실험결과를 가장 잘 표현할 수 있는 적정범위로 설정하였다.
- 2는 본 연구에서 적용한 경사식구조물 모형의 개념도이며, 모형의 높이는 월파가 발생하지 않도록 충분히 높게 설치하였다. 본 연구에서는 크게 두가지 조건의 실험을 실시하였다. 첫 번째는 Lee and Bae (2015)의 연구를 확장하여 보다 완만한 사면경사(cotβ=2.
- 본 절에서는 사면경사 cotβ=2.0인 TTP 피복 경사식구조물을 대상으로 처오름높이 산정실험을 수행하였으며, cotβ=1.5인 조건과 비교하였다.
- 수리실험은 사면경사 cotβ=2.0인 TTP 피복 경사식구조물을 대상으로 하였으며, 불규칙파를 입사파로 적용하고 구조물 설치수심, 입사파고 및 입사주기 등을 변화시키며 다양한 조건의 수리실험을 수행한 후, 처오름높이 산정식을 제안하고 cotβ=1.5인 결과와 비교하였다.
- 실험파는 목표 유의주기(Ts,0) Ts,0=1.5~3.6sec 범위에서 ΔTs,0=0.3sec 간격, 목표 유의파고(Hs,0) Hs,0=12~32cm 범위에서 ΔHs,0=4cm 간격으로 목표 파랑을 설정하였다.
- 실험파는 목표 유의주기(Ts,0) Ts,0=1.5~3.6sec 범위에서 ΔTs,0=0.3sec 간격, 목표 유의파고(Hs,0) Hs,0=12~36cm 범위에서 ΔHs,0=4cm 간격으로 목표 파랑을 설정하였다.
- 수리실험은 유한한 수로내에서 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.
- 5인 조건과 비교하였다. 처오름높이 산정을 위해 설정된 실험파 주기별로 1,100파를 조파한 후 후반부 1,000파를 대상으로 자유수면자료를 분석하였으며, Lee and Bae (2015)에 기술된 바와 같이 3개의 처오름높이 계측기에서의 분석자료를 산술평균하였다.
- 첫 번째는 Lee and Bae (2015)의 연구를 확장하여 보다 완만한 사면경사(cotβ=2.0)가 처오름높이에 미치는 영향에 대한 실험을 수행하였고, 두 번째는 피복층의 두께증가에 따른 처오름높이의 변화를 검토하기 위해 사면경사 cotβ=1.5와 cotβ=2.0을 대상으로 실험을 실시하였다.
- 피복층의 두께영향을 검토한 두 번째 실험에서는 Dn≒9.3cm인 TTP가 2층 피복(피복두께 19.2cm)된 상부에 Dn≒10.9cm인 TTP를 추가로 2층 피복(피복두께 22cm)한 후 실험을 실시하였다. 따라서 적용모형에서의 피복층 두께(AT)는 AT≒41.
대상 데이터
- 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.
- 사면경사의 영향을 검토하기 위한 첫 번째 실험은 사면경사 cotβ=2.0을 대상으로 공칭길이(nominal length, Dn = V1/3 ) Dn≒9.3cm인 TTP를 정적으로 2층 피복하였다.
- 실험파 설정시 입반사 분리기법을 적용하여 설정하였으며, 사용된 파고계는 용량식 파고계로서 길이는 2m이고, 측정범위는 0~±1m이며, 독취율은 50Hz이다.
- 본 연구에서는 피복층의 두께 증가에 따른 처오름높이의 저감효과를 실험적으로 검토하였다. 전술한 바와 같이 TTP가 2층 및 4층 피복된 경우를 대상으로 하였으며, 4층 피복 조건의 피복층 두께는 2층 피복조건에 비해 약 2배이다. 4층 피복을 대상으로 한 실험조건은 Table 1을 참조할 수 있다.
이론/모형
- 따라서, Hs,t /Ls,0는 동일 수심에서의 유의파고와 유의파장이 아니기 때문에 가상 파형경사(fictitious wave steepness)라 할 수 있다. Lee and Bae (2015)에서 적용한 분석방법과 같이 구조물 선단부에서의 상대파고(Hs,t /dt, HD)를 이용하여 실험결과를 구분하여 분석하였다. 여기서 Hs,t /dt(=HD)는 구조물 선단부에서의 유의파고와 수심의 비로서 Hs,t /dt가 크다는 것은 동일 수심조건에서 입사파의 파고가 큼을 의미한다.
- 실험파는 Bretschneider-Mitsuyasu 스펙트럼을 적용한 불규칙파 조건으로 설정하였으며, 실험파 설정방법 및 분석시 적용 파랑조건과 처오름높이 실험방법 및 분석방법 등에 대한 내용은 Lee and Bae (2015)를 참조할 수 있다.
성능/효과
- (1) 본 연구에서는 사면경사 1:2.0인 TTP 피복 경사식구조물의 처오름높이를 산정할 수 있는 산정식을 제안하였으며, 사면경사 1:1.5 조건보다 처오름높이가 30~50% 범위에서 증가함을 알 수 있었다. 그리고 제안된 산정식은 구조물 전면에서의 상대파고(=유의파고/전면수심) 변수를 도입함으로서 구조물 전면에서의 쇄파효과를 고려할 수 있도록 하였다.
- (3) 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 실무 활용측면에서 가치가 있을 것으로 생각된다.
- )가 작을수록 처오름높이가 작게 나타남을 알 수 있으며, 상대파고가 작다는 것은 파랑의 비선형성이 상대적으로 작다는 것을 의미한다. 내습파의 비선형성이 작음으로 인해 사면에 작용하는 파랑의 충격량이 작아 경사식구조물을 타고 처오르는 파랑이 피복층과 제체사석으로의 투과정도가 증가하여 상대파고가 큰 경우보다 처오름높이가 감소하는 것으로 판단된다.
- 본 연구는 경사식구조물의 처오름높이 산정을 위한 연구이며, 피복층의 두께 증가에 따른 처오름높이의 저감효과는 약 5%로 크지 않았다. 그러나 피복층 두께의 증가에 따른 월파량 저감효과는 보다 더 크게 나타날 것으로 예상된다.
- 본 연구에서는 TTP 피복층의 두께 증대에 따른 처오름높이의 저감효과는 평균 약 5% 정도 나타났다. 그러나 이러한 저감효과가 월파량의 저감효과와 동일하지는 않다.
- 상대 처오름높이는 분석된 처오름높이를 구조물 선단부(toe부)에서의 유의파고로 나눈 값이다. 실험결과를 전체적으로 살펴볼 때 쇄파 유사성 매개변수(surf similarity parameter, #가 증가할수록 상대 처오름높이가 비교적 넓게 분포함을 알 수 있다. 여기서 Hs,t는 구조물 선단부(toe부)에서의 유의파고이며, Ls,0은 유의주기에 해당하는 심해 파장이다.
- 27 조건에서는 약 4% 정도로 처오름높이가 작게 분석되었다. 전술한 저감효과를 전체 평균해 보면, 피복층의 두께가 2배 증가할 경우에 약 5%의 저감효과가 있는 것으로 나타났다. 따라서 본 연구에서는 Eq.
- 전체적으로 ξ0s가 작을 때에는 피복층의 두께증가 효과가 크지 않지만, ξ0s가 증가할수록 피복층 두께의 증가로 인한 처오름높이 감소가 뚜렷하게 나타난다.
- 전체적으로 사면경사 cotβ=1.5의 경우, HD=0.27~0.56 조건에서는 L4가 L2에 비해 평균 약 5%, HD=0.14~0.27 조건에서는 약 6% 정도 처오름높이가 작게 분석되었다.
- (2) 기존 경사식구조물을 보강하기 위해 기존 피복층 상부에 추가적인 피복재를 피복하는 사례가 증가하고 있으며, 피복층 증대에 따른 처오름높이의 저감효과에 대해 실험적으로 검토하였다. 파형경사가 큰 경우에는 저감효과가 크지 않지만, 주 피복층의 두께가 약 2배가 될 때 처오름높이는 평균적으로 약 5% 저감되는 것으로 검토되었다. 본 연구에서 수행한 실험조건 내에서 사면경사에 따른 저감효과는 유사하게 나타났다.
후속연구
- 그러나 피복층 두께의 증가에 따른 월파량 저감효과는 보다 더 크게 나타날 것으로 예상된다. 이는 피복층의 두께가 증가하게 되면, 상치콘크리트 전면의 소단부 폭도 증가하기 때문에 월파량 측면에서는 저감효과가 보다 우수할 것으로 판단되며, 추후 제계적인 수리실험을 통해 제시할 예정이다.
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