기후변화로 인해 파랑에 의한 해안의 피해는 전세계적으로 점차 증가하고 있으며, 이에 대응하기 위한 새로운 방재구조물의 연구도 활발히 진행되고 있다. 최근에는 고파랑에 대응하기 위해 한국에서는 방파제에 콘크리트 케이슨을 사용하는 경우가 많아지고 있으나, 고비용과 많은 요구조건으로 인해 소파블록의 필요성도 증가하고 있다. 1950년 Tetrapod 개발 이후 해외뿐만 아니라 국내에서도 많은 형태의 소파블록들이 개발되었으나, 체계적으로 개발되지 못해 소수의 소파블록만이 사용되고 있다. 그러나 기존의 소파블록은 많은 장점에도 불구하고, 8 m 이상의 고파랑에 적용하기 어려운 문제점을 가지고 있다. 새로운 소파블록은 최근의 개발방향에 맞추어진 설계지침에 따라 개발되었으며, 많은 형상의 후보들이 만들어졌다. 본 논문에서는 이중 한 개 형상을 선택하여 수리모형실험을 실시하였다. 신형 소파블록은 경제성을 고려하여 1층적으로 개발되었으나, 영문자 A와 V가 겹쳐진 구조로 적층 두께는 1.5층적에 가깝다. 신형소파블록은 이런 적층 두께와 높은 설치 밀도로 인해 2층적 소파블록에 비해 조금 높은 월파량을 보여주었다. 신형소파블록은 위아래는 높은 인터락킹을 가지고 있으나, 좌우로는 약한 지지력을 가지고 있다. 수리모형실험 결과 파고 9 m에서도 안정성이 검증되었다.
기후변화로 인해 파랑에 의한 해안의 피해는 전세계적으로 점차 증가하고 있으며, 이에 대응하기 위한 새로운 방재구조물의 연구도 활발히 진행되고 있다. 최근에는 고파랑에 대응하기 위해 한국에서는 방파제에 콘크리트 케이슨을 사용하는 경우가 많아지고 있으나, 고비용과 많은 요구조건으로 인해 소파블록의 필요성도 증가하고 있다. 1950년 Tetrapod 개발 이후 해외뿐만 아니라 국내에서도 많은 형태의 소파블록들이 개발되었으나, 체계적으로 개발되지 못해 소수의 소파블록만이 사용되고 있다. 그러나 기존의 소파블록은 많은 장점에도 불구하고, 8 m 이상의 고파랑에 적용하기 어려운 문제점을 가지고 있다. 새로운 소파블록은 최근의 개발방향에 맞추어진 설계지침에 따라 개발되었으며, 많은 형상의 후보들이 만들어졌다. 본 논문에서는 이중 한 개 형상을 선택하여 수리모형실험을 실시하였다. 신형 소파블록은 경제성을 고려하여 1층적으로 개발되었으나, 영문자 A와 V가 겹쳐진 구조로 적층 두께는 1.5층적에 가깝다. 신형소파블록은 이런 적층 두께와 높은 설치 밀도로 인해 2층적 소파블록에 비해 조금 높은 월파량을 보여주었다. 신형소파블록은 위아래는 높은 인터락킹을 가지고 있으나, 좌우로는 약한 지지력을 가지고 있다. 수리모형실험 결과 파고 9 m에서도 안정성이 검증되었다.
Coastal hazards such as high waves are expected to increase due to global climate change. Therefore, we investigated new armor unit structures for disaster prevention. Recently, a concrete caisson has been used in many breakwaters against high waves in South Korea, but the demand for concrete armor ...
Coastal hazards such as high waves are expected to increase due to global climate change. Therefore, we investigated new armor unit structures for disaster prevention. Recently, a concrete caisson has been used in many breakwaters against high waves in South Korea, but the demand for concrete armor unit has increased due to the high cost and many installation requirements. Though many new armor units have been developed over the world since Tetrapod in 1950, few have been used due to lack of systematical development. The representative armor units in current use have many advantages, but they cannot be applied to waves higher than 8 m. One of the new armor units developed by the design guide based on recent trend and hydraulic model experiments were conducted. The new armor unit was developed as a single layer due to cost effectiveness. However, the thickness is close to 1.5 times by overlapping the alphabet A and V. It showed higher overtopping compared to a double layer because of the thickness and the high packing density. It has a high interlocking vertically but low horizontally. It shows good stability at 9 m in model testing.
Coastal hazards such as high waves are expected to increase due to global climate change. Therefore, we investigated new armor unit structures for disaster prevention. Recently, a concrete caisson has been used in many breakwaters against high waves in South Korea, but the demand for concrete armor unit has increased due to the high cost and many installation requirements. Though many new armor units have been developed over the world since Tetrapod in 1950, few have been used due to lack of systematical development. The representative armor units in current use have many advantages, but they cannot be applied to waves higher than 8 m. One of the new armor units developed by the design guide based on recent trend and hydraulic model experiments were conducted. The new armor unit was developed as a single layer due to cost effectiveness. However, the thickness is close to 1.5 times by overlapping the alphabet A and V. It showed higher overtopping compared to a double layer because of the thickness and the high packing density. It has a high interlocking vertically but low horizontally. It shows good stability at 9 m in model testing.
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문제 정의
그러나 체계적인 개발과정의 부족으로 일부 방파제에서 시험적으로만 사용되었다. 본 연구에서는 새로운 소파블록을 제안하고, 수리모형 실험을 통하여 안정성을 입증하였다.
수리적 성능이 매우 우수한 Dolosse의 경우 몸체에 비해 가느다란 부재로 연결되어 있어 구조적으로 약한 단점을 가지고 있다. 이러한 문제점을 해결하기 위해 본 연구에서는 Dolosse에 가해지는 정적 및 동적외력을 분석한 후 최대 인장응력을 추정할 수 있는 방법을 연구하였다[8].
제안 방법
신형 소파블록은 경제성을 고려하여 1층적으로 개발되었으며, 영문자 AV형태로 뻗어 나온 다리를 이웃 소파블록에 끼워 넣는 형태의 인터락킹을 사용하여 결속력을 최대로 높였다. 1층적의 최대 단점인 슬라이딩에 의한 전면 파괴를 방지하기 위해, 다른 1층적 소파블록의 사례를 참고하여 방파제의 하단부위에 소 단을 설치하는 것으로 보강하였다.
오랜 기간의 제작 노하우를 가진 Tetrapod와 경쟁하기 위해서는 경제성이 가장 중요한 요소였으며, 이런 이유로 신형 소파블록은 1층적으로 개발되었다. 구조적으로 안정적인 8각 형태의 다리를 가지고 있으며, 인터락 킹을 고려하여 4개 이상의 다리를 갖도록 하였다. 일반적으로 다리 길이가 길수록 모멘트에 의해 쉽게 부러지는 이유로, 각 다리의 중간부가 위아래로 접합이 되도록 하여 외력이 가해지는 다리 길이가 줄어들도록 하였다.
방파제 파괴를 결정하는 기준은 3가지로 소파블록의 부피 V1/3 이상 사면에서 빠져나올 경우, 소파블록의 떨림(rocking)이 크게 발생한 경우, 슬라이딩이 발생하여 소파블록이 크게 이동한 경우를 파괴 상황으로 간주하여 실험을 중단한다. 실제 바다에서는 물속에서 위와 같이 소파블록의 운동을 모니터링을 할 수 없기에, 큰 파랑이 발생한 전후를 기준으로 5%이상의 소파블록이 이동한 경우 파괴가 시작된 것으로 간주한다.
최근 급격하게 진행되는 기후변화에 의한 고파랑에 대응하고자 새로운 소파블록 개발의 필요성이 높아지고 있다. 신형 소파블록의 개발은 기존의 연구결과를 바탕으로 파랑에너지 소산에 유리한 형상의 특성을 분석하여 개발에 적용하였다. 신형 소파블록은 경제성을 고려하여 1층적으로 개발되었으며, 영문자 AV형태로 뻗어 나온 다리를 이웃 소파블록에 끼워 넣는 형태의 인터락킹을 사용하여 결속력을 최대로 높였다.
AV 블록이 끼워지는 방향으로는 맞물림이 매우 놓은 반면 횡방향으로는 주변 블록과 결합력이 없어 이에 대한 보완이 필요할 것으로 보인다. 이를 위해 Fig. 6(C)와 같이 AV 블록을 번갈아 설치하여 횡방향으로 결속력이 증가되는 적층방법을 시도하였다.
4의 형상을 가지고 3D 프린터를 사용하여 모형을 제작한 후, 각 부분들의 최적 크기와 길이를 결정하였다. 제작된 모형들을 가지고 방파제에 설치된 후 안정성이 높도록 인터락킹 방법을 다양하게 시도한 후, Fig. 6과 같은 3가지 최적의 적층 방법을 사용하여 수리 모형 실험을 실시하였다.
그동안 일본으로부터 소파블록 개발의 영향을 받은 이유로 국내에서는 2층적 소파블록만이 고려 대상이었다. 하지만 본 연구에서 보이는 바와 같이 기존 소파블록의 성능을 뛰어넘는 1층적 소파블록 개발이 성공적으로 진행되었으며 이를 바탕으로 방파제의 표준 단면을 제안하였다. 이러한 연구 결과를 토대로 국내에서도 전 세계 개발 추세를 따라 1층적 소파블록 개발을 촉구하는 계기가 되기를 기대한다.
대상 데이터
5). 30톤 무게의 소파블록을 대상으로 실험 축척은 1:50 이며, 실험에 사용된 모형 방파제의 제원은 높이 0.7 m, 전면 경사 1:1.5, 수심 0.4 m 이다. 실험에 사용된 모형 소파블록의 부피는 100 cm3 이며 무게는 230 g 이다.
수리모형 실험은 길이 36 m, 폭 1 m의 2차원 수조에서 실시하였다(Fig. 5). 30톤 무게의 소파블록을 대상으로 실험 축척은 1:50 이며, 실험에 사용된 모형 방파제의 제원은 높이 0.
4 m 이다. 실험에 사용된 모형 소파블록의 부피는 100 cm3 이며 무게는 230 g 이다. 입사파랑은 BretschneiderMitsuyasu spectrum의 불규칙파를 조파하였으며, 입반사파 분리를 위해 3개의 파고계를 사용하였다.
실험에 사용된 입사 파고는 파고 6 m부터 시작하여 500개의 파를 발생한 후, 소파블록의 피해가 없을 경우 0.5 m씩 증가하여 다시 500개의 파를 방파제에 작용한다. 입사파의 주기는 13초를 목표로 하였다.
실험에 사용된 모형 소파블록의 부피는 100 cm3 이며 무게는 230 g 이다. 입사파랑은 BretschneiderMitsuyasu spectrum의 불규칙파를 조파하였으며, 입반사파 분리를 위해 3개의 파고계를 사용하였다. 소파블록의 최대 성능 평가를 위한 실험이어서 월파 발생으로 인한 파력 에너지가 손실되지 않도록, 월파 방지를 위한 높이로 방파제가 설치되었다.
이론/모형
수리모형 실험은 새롭게 개발된 AV 블록의 수리적 안정성을 확인하기 위한 것으로, 입사 파고를 점점 증가 시켜 최대 파고를 확인하는 것이다. 소파블록에 대한 수리적 안정성은 일명 KD라고 불리는 Hudson stability coefficient를 사용하였다(식 1).
입사파의 주기는 13초를 목표로 하였다. 이런 작업을 비쇄파 한계인 9 m까지 반복하여 실시하며, 중간에 소파블록의 피해가 발생한 경우 실험을 중단하고 사용된 최대파를 Hudson 공식에 적용하여 최종 KD 값을 산출하게 된다.
성능/효과
(1) 원형보다 각진 형태가 파력 감쇠에 효과적이다.
동일한 소파블록을 가지고 배치를 달리하여, 전면에서 보았을 경우 A 방식은 영문자 A 형태가 되도록, B 방식은 영문자 V 형태로, C 방식은 영문자 A와 V를 번갈아 가며 배치하였다. 각각의 방식이 선택된 이유는, 입사 파랑의 run-up 현상을 고려하면 영문자 V 형상의 꺾기는 부분이 쇄기처럼 작용하여 소파성능이 증가될 것으로 예상하여 결정되었다.
개발된 신형 소파블록은 기존 소파블록의 한계를 넘어선 파고 9 m에서도 높은 안정성을 보여주었다. 기존 소파블록과 비교시 작은 무게로 높은 파랑에 안정성을 가질수 있어 높은 경제성을 보여줄 것으로 생각된다.
AV 블록은 1층적으로 개발되어 방파제 사면을 따라 슬라이딩이 발생할 위험이 큰 이유로 toe 부분에 소단을 설치하여 이에 대한 보강을 하였다. 새롭게 개발된 AV 블록의 경우, 다수의 중간 블록을 대상으로 적합성을 조사한 결과 Tri-beam 이 가장 적합한 것으로 결정되었다(Fig. 8).
실험 결과 세 가지 거치 방법(Fig. 6) 모두에서 파고 한계인 9 m까지 피해가 발생하지 않았다. 월파량을 비교하였을 경우 거치 방법 A와 B가 비슷하며, 거치 방법 C가 다소 작은 값을 보여주었다.
실험 결과를 토대로 기존 소파블록의 성능과 비교 하면, 그동안 국내에서 가장 많이 사용된 Tetrapod의 경우 안정성을 유지하기 위해 최고 파고 8 m에서 소파블록한 개의 무게가 60톤이 필요하지만, 새롭게 개발된 AV 블록은 최대 파고 9 m에서 30톤 정도만 필요하여 매우 경제적이라고 할 수 있다. 참고로 제주 서귀포항에 복구용으로 사용되는 Dolos2의 경우 파고 9 m에서 50톤의 무게가 요구된다.
후속연구
하지만 본 연구에서 보이는 바와 같이 기존 소파블록의 성능을 뛰어넘는 1층적 소파블록 개발이 성공적으로 진행되었으며 이를 바탕으로 방파제의 표준 단면을 제안하였다. 이러한 연구 결과를 토대로 국내에서도 전 세계 개발 추세를 따라 1층적 소파블록 개발을 촉구하는 계기가 되기를 기대한다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
기존의 소파블록의 단점은 무엇인가?
1950년 Tetrapod 개발 이후 해외뿐만 아니라 국내에서도 많은 형태의 소파블록들이 개발되었으나, 체계적으로 개발되지 못해 소수의 소파블록만이 사용되고 있다. 그러나 기존의 소파블록은 많은 장점에도 불구하고, 8 m 이상의 고파랑에 적용하기 어려운 문제점을 가지고 있다. 새로운 소파블록은 최근의 개발방향에 맞추어진 설계지침에 따라 개발되었으며, 많은 형상의 후보들이 만들어졌다.
안정성 형성을 기준으로 소파블록을 분류하시오.
소파블록은 적층방법에 따라 1층적 (single layer)와 2층적 (double layer)로 구분되며, 또한 정적 (uniform)과 난적 (random)으로도 구분된다. 안정성을 형성하는 방법에 따라 자중형, 마찰형, 결속형(interlocking)으로 나누어진다.
콘크리트 케이슨의 문제점은 무엇인가?
기후변화로 인해 파랑에 의한 해안의 피해는 전세계적으로 점차 증가하고 있으며, 이에 대응하기 위한 새로운 방재구조물의 연구도 활발히 진행되고 있다. 최근에는 고파랑에 대응하기 위해 한국에서는 방파제에 콘크리트 케이슨을 사용하는 경우가 많아지고 있으나, 고비용과 많은 요구조건으로 인해 소파블록의 필요성도 증가하고 있다. 1950년 Tetrapod 개발 이후 해외뿐만 아니라 국내에서도 많은 형태의 소파블록들이 개발되었으나, 체계적으로 개발되지 못해 소수의 소파블록만이 사용되고 있다.
참고문헌 (9)
J. S. Park, K. Kang, H.-S. Kang, Y.-H. Kim, Projection of the Future Wave Climate Changes over the Western North Pacific, Journal of Korean Society of Coastal and Ocean Engineers, Vol.25, No.5, pp. 267-275, Oct. 2013. DOI: http://dx.doi.org/10.9765/KSCOE.2013.25.5.267
J. A. Melby. Core-Loc concrete armor units-Technical Report CHL-97-4, p.33, US Army Corps of Engineers, 1997.
L. Vanhoutte. Hydraulic stability of Cubipod armour units in breaking conditions, p.135, Polytechnic University of Valencia, 2008.
M. Young, J. Hayman-Joyce, S.H. Kim. Use of single layer concrete armour units as toe reinforcement, Proceeding of International Conference on Coastal Engineering, p.48-59, 2012. DOI: http://dx.doi.org/10.9753/icce.v33.structures.48
J.R. Medina, J. Molines, M. Gomez-Martin. Influence of armour porosity on the hydraulic stability of cube armour layers, Ocean Engineering, 88, p.289-297, 2014. DOI: http://dx.doi.org/10.1016/j.oceaneng.2014.06.012
P. Bakker, A. Berge, R. Hakenberg, M. Klabbers, M. Muttray. Development of concrete breakwater armour units, Proc of 1st Coastal Esturary and Offshore Engineering Specialty Conference, 2003.
M. Muttray, B. Reedkjk, M. Kabbers. Development of an innovative breakwater armour unit, Proceedings of the 16th Australasian Coastal and Ocean Engineering Conference, 2003.
H.F. Burcharth, G.L. Howell, Z. Liu. On the determination of concrete armor unit stresses including specific results related to Dolosse, Coastal Engineering, 15, p.107-165, 1991. DOI: http://dx.doi.org/10.1016/0378-3839(91)90044-H
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