[논문]회절을 고려한 반무한방파제 형식의 직립구조물에 작용하는 지점별 파력 분포

정재상; 이창훈; 조용식

doi:10.9765/kscoe.2016.28.4.240

회절을 고려한 반무한방파제 형식의 직립구조물에 작용하는 지점별 파력 분포
Distribution of Wave Forces at Points on a Vertical Structure of Semi-Infinite Breakwater Considering Diffraction 원문보기

한국해안·해양공학회논문집 = Journal of Korean Society of Coastal and Ocean Engineers, v.28 no.4, 2016년, pp.240 - 249

정재상 (한국농어촌공사 농어촌연구원) , 이창훈 (세종대학교 건설환경공학과) , 조용식 (한양대학교 건설환경공학과)

초록
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본 연구에서는 회절을 고려하여 반무한방파제 형식의 직립구조물에 작용하는 지점별 파력 분포를 검토하였다. 비쇄파 조건에서 직립구조물에 작용하는 규칙파 및 불규칙파의 파력에 대해 방파제 전, 후면의 회절을 모두 고려하여 연구하였다. 방파제의 폭이 0인 조건을 비교 대상의 기준 조건으로 채택하였다. 규칙파의 경우 방파제 두부(head of breakwater)에서는 전후면의 입사파 및 회절파가 동시에 작용하여 상대 파력이 0이 되었으며, 두부에서 멀어지면 상대 파력 1.0을 중심으로 진동하는 패턴이 나타났다. 또한 경사입사각이 증가할 경우 규칙파의 상대 파력은 감소하는 경향을 보였다. 본 연구에서는 제곱평균의 제곱근비와 파력 스펙트럼을 이용하여 불규칙파의 상대 파력을 정의하였다. 각 성분파가 갖는 임의의 위상을 고려한 경우와 고려하지 않은 경우를 비교하였으며, 그 결과는 거의 동일하게 나타났다. 불규칙파의 경우 방파제 두부 근처에서 규칙파와 마찬가지로 상대 파력이 0으로 나타났으며, 두부에서 멀어질 때에는 다양한 성분파의 합성에 의해 상대 파력 1.0을 기준으로 진동하는 패턴이 비교적 약하게 나타났다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, we investigated wave force distribution at points on a vertical structure of semi-infinite breakwater considering diffraction. Wave forces of monochromatic and random waves on a vertical structure are studied considering diffractions in front and lee side of the breakwater for non-breaking wave condition. We selected width of breakwater are 0 for reference condition. In monochromatic wave case, relative wave force becomes 0 on the head of the breakwater by acting incident wave force and diffracting wave force simultaneously and oscillating patterns of relative wave force occurs based on 1.0 as distance from the head increases. Relative wave force of monochromatic waves decreases as incident wave angle increases. Relative wave force of random waves is defined by using ratio of root mean square and wave force spectrum in this study. The case considering random phase of each wave components are compared to the case which don't consider random phase and both results are almost similar. Relative wave force of random waves is also 0 near the head of the breakwater likewise monochromatic wave. Oscillating pattern of relative wave force of random waves becomes relatively weaker for composition of each wave components as distance from the head increases.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

다방향 불규칙파의 방향 비대칭의 영향에 대해서도 검토하였다. 주 파향의 경사 입사각이 양수일 때 비대칭계수(μ)가 음수이면 방파제에 수직인 파향 성분이 넓게 분포하고, 비대칭계수가 양수이면 방파제에 수직인 파향 성분은 좁게 분포한다.
본 연구에서 비쇄파 조건에서 반무한 직립 방파제에 작용하는 파력분포 특성을 규명하였고, 파랑의 회절을 고려하여 경사 입사각이 증가함에 따라 파력이 감소하는 현상을 밝혔다. Jung et al.
본 연구에서는 기존 연구에서는 고려하지 않은 회절을 고려하여 반무한방파제 형식의 직립방파제에 작용하는 파력분포에 대한 해석해를 유도하였으며, 2차원 수치해석 모델과 비교를 통해 검토하였다. 반무한방파제 지점별 파력의 해석해는 Penney and Price(1952)에 의해 제시된 해석해를 적용하였다.
본 연구에서는 비쇄파 조건에서 규칙파에 의한 직립구조물에 작용하는 파력에 대해 검토하였다. 일반적으로 방파제에 작용하는 파력은 쇄파 조건에서 충격력 등의 작용으로 인해 더욱 커지게 된다.
본 연구에서는 입사파, 반사파, 입사파의 회절 성분, 반사파의 회절 성분을 모두 반영하여 직립방파제에 작용하는 파력의 해석해를 제시하였다. 방파제 주위에서 각 영역별 파랑 성분은 Fig.

가설 설정

5(1+cos β')와 비교하였다. 본 연구에서 직립방파제의 반사율 K_r은 완전반사 조건인 1.0으로 가정하였다.

제안 방법

15(b)에 도시하였다. 경과한 시각이 2초 간격으로 0초에서 10초까지의 상대파력을 검토하였는데, 제곱 평균 제곱근 비를 이용한 상대 파력은 Fig. 15에서 보는 바와 같이 파력 스펙트럼을 이용한 상대 파력을 중심으로 위 아래로 진동하는 형태로 분포하였다. 이는 제곱 평균 제곱근 비를 이용할 경우 시간에 따라 바뀌는 회절파 성분의 위상 정보가 포함되어 있기 때문이다.
다방향 불규칙파의 상대 파력을 회절의 영향을 고려하지 않은 파력과 회절을 고려한 파력의 제곱 평균 제곱근 비와 파력 스펙트럼을 함께 이용하여 정의하였다. 제곱 평균 제곱근비와 파력 스펙트럼을 이용한 결과를 비교하였으며, 두 결과는 거의 일치하였다.
다방향 불규칙파의 파력 계산을 위해서 주기는 0.05 Hz에서 0.41 Hz까지 Δf = 0.02Hz 를 적용하였으며, 방향은 -180도에서 +180도까지 Δβ=1°를 적용하여 총 6,498개의 성분파로 분해하여 계산한 후 합성하였다.
반무한방파제 형식의 직립구조물에 작용하는 불규칙파의 상대 파력을 검토하였다. 수심은 10 m로 두고 유의파고는 1m로 두었다.
방파제 단위 폭당 파력은 파압을 바닥에서부터 평균해수면까지 적분하여 구할 수 있다. 본 연구에서 방파제 전면에서 후면으로 작용하는 파력의 방향을 + 로 두었다. 방파제 전면 및 후면에서의 단위 폭당 파력(즉, P_f와 P_l)은 다음과 같다.
본 연구에서 입사파랑으로 규칙파와 다방향 불규칙파를 적용하였다. 다방향 불규칙파의 상대 파력의 정의를 위해 제곱 평균의 제곱근 비(ratio of root mean square)의 개념과 파력 스펙트럼비를 이용하였다.
1절에서 제시한 규칙파의 상대 파력을 이용하여 계산할 수 있다. 즉, 불규칙파를 구성하는 에너지스펙트럼을 각각의 규칙파로 분해하여 2.1절에서 제시한 상대 파력을 계산하고 이를 재합성하는 방법을 사용하였다. 규칙파의 경우 진폭만으로 상대 파력을 결정할 수 있다.

대상 데이터

반무한방파제 지점별 파력의 해석해는 Penney and Price(1952)에 의해 제시된 해석해를 적용하였다. 방파제 전면 및 후면의 회절성분을 모두 고려하였으며, 입사파랑은 규칙파와 불규칙파를 대상으로 하였다. 기존 연구에서는 완전반사 조건에서 반무한방파제 전면의 상대 파력은 1.

데이터처리

다방향 불규칙파의 상대 파력을 회절의 영향을 고려하지 않은 파력과 회절을 고려한 파력의 제곱 평균 제곱근 비와 파력 스펙트럼을 함께 이용하여 정의하였다. 제곱 평균 제곱근비와 파력 스펙트럼을 이용한 결과를 비교하였으며, 두 결과는 거의 일치하였다. 불규칙파 역시 주파향각이 증가할수록 상대 파력은 전반적으로 감소하였다.

이론/모형

(1973)이 제안한 JONSWAP 스펙트럼을 사용하고, 방향스펙트럼으로 방향의 비대칭을 고려한 Lee et al.(2010)의 방향 분포 함수를 사용하였다.
그리고, 부호로 표현된 그림은 불규칙파 각 성분파의 위상을 고려한 제곱 평균 제곱근 비를 이용한 경우이다. 다방향 불규칙파 해석을 위해 첨두신장계수(peak enhancement factor)로 3.3을 사용하고 방향 분포 계수(directional spreading parameter)로 10을 사용하였다.
본 연구에서 입사파랑으로 규칙파와 다방향 불규칙파를 적용하였다. 다방향 불규칙파의 상대 파력의 정의를 위해 제곱 평균의 제곱근 비(ratio of root mean square)의 개념과 파력 스펙트럼비를 이용하였다. 제 2장에서는 회절을 고려한 반무한방파제에 작용하는 규칙파의 파력에 대해 기술하고, 제 3장에서는 회절을 고려한 반무한방파제에 작용하는 다방향 불규칙파의 파력특성에 대해 기술하였다.
본 연구에서는 기존 연구에서는 고려하지 않은 회절을 고려하여 반무한방파제 형식의 직립방파제에 작용하는 파력분포에 대한 해석해를 유도하였으며, 2차원 수치해석 모델과 비교를 통해 검토하였다. 반무한방파제 지점별 파력의 해석해는 Penney and Price(1952)에 의해 제시된 해석해를 적용하였다. 방파제 전면 및 후면의 회절성분을 모두 고려하였으며, 입사파랑은 규칙파와 불규칙파를 대상으로 하였다.
경사 입사파를 조파하기 위해 직선조파기법을 쓰면 90° 각도의 두 조파선이 만나는 지점에서 파랑에너지가 과다하게 또는 과소하게 생성되어 에너지 불연속에 의한 회절이 발생한다. 이러한 문제를 최소화하기 위하여 Lee and Yoon(2007)이 제안한 곡선조파기법을 사용하였다. 해석해와 완경사방정식에 의한 수치해가 거의 일치하여 본 연구에서 제시한 해석해가 타당함을 확인하였다.
따라서 본 연구의 결과는 비쇄파 조건에서 방파제 구조물의 길이가 충분히 길지 않은 일반 방파제에 적용될 수 있다. 파력분포 계산을 위해 선형파 이론과 Penney and Price(1952)가 제시한 회절의 해석해를 이용하였다.
4~6에 도시하였다. 해석해의 정확성을 검증하기 위해 Radder and Digemans(1985)가 제시한 쌍곡선형 완경사방정식을 이용한 수치해도 함께 비교하였다. 경사 입사파를 조파하기 위해 직선조파기법을 쓰면 90° 각도의 두 조파선이 만나는 지점에서 파랑에너지가 과다하게 또는 과소하게 생성되어 에너지 불연속에 의한 회절이 발생한다.
회절을 고려한 파력분포 해석을 위해 선형파 이론과 Penney and Price(1952)의 회절에 대한 해석해를 이용하여 파력식을 유도하였다. 수치해석을 위한 변수 및 구조물에 대한 설명은 Fig.

성능/효과

규칙파에 대한 검토 결과 방파제 전면에 작용하는 상대 파력은 파랑의 경사 입사각이 증가하고 방파제 두부로부터의 거리(y/L)가 가까울수록 감소하였다. 방파제 두부로부터의 거리 (y/L)가 0이거나 입사각이 90°인 경우에는 방파제 전면의 상대 파력은 0.
그리고, 규칙파와 같이 전반적으로 주파향각 (βp)이 증가할수록 상대 파력은 감소하는 경향을 보였다.
따라서 본 연구에서 제안한 파력의 비는 eiωt항 및 e-iksinβ항이 1인 경우에도 성립하므로 상대 파력의 최대값으로 볼 수 있다.
본 연구에서 수행한 다양한 검토 결과 반무한방파제의 경우 회절을 고려하면 방파제에 작용하는 파력이 방파제 위치에 따라 큰 변화를 보였다. 따라서, 향후 반무한방파제와 같이 회절의 영향이 큰 구조물을 설계할 때 회절의 영향을 고려하는 것이 바람직할 것이다.
해석 결과 각 성분파의 재곱 평균 제곱근 비를 이용한 상대 파력과 파력 스펙트럼을 이용한 상대 파력은 거의 일치하였다. 일방향 불규칙파랑의 경우 임의의 위상을 고려한 제곱평균 제곱근 비의 경우 좀 더 불규칙한 파력 특성을 보였는데, 이는 일방향 불규칙파의 경우 다방향 불규칙파에 비해 구성하는 파랑 성분의 숫자가 적어서 각 성분파의 위상이 미치는 영향이 좀 더 크기 때문인 것으로 판단된다.
이러한 문제를 최소화하기 위하여 Lee and Yoon(2007)이 제안한 곡선조파기법을 사용하였다. 해석해와 완경사방정식에 의한 수치해가 거의 일치하여 본 연구에서 제시한 해석해가 타당함을 확인하였다. 방파제의 두부(즉, y/L = 0)에서 방파제에 작용하는 총 파력(즉, |P_t|)은 방파제의 앞·뒤 폭이 0인 조건에서 전면에 작용하는 입사파의 파력과 후면에서 작용하는 회절파의 파력이 상쇄되어 0이 된다.

후속연구

따라서, 향후에는 3차원 수리모형실험과 Hur et al.(2006)과 같은 Navier-Stokes 방정식을 지배방정식으로 하는 3차원 수치해석 등을 이용하여 쇄파 조건에서 작용하는 파력에 대한 연구가 추가로 수행되어야 할 것이다.
(2015)의 연구는 장대구조물에 작용하는 평균 파력에 대한 연구인 반면 본 연구는 장대구조물이 아닌 일반 구조물에 작용하는 지점별 파력에 대한 연구이다. 따라서 본 연구의 결과는 비쇄파 조건에서 방파제 구조물의 길이가 충분히 길지 않은 일반 방파제에 적용될 수 있다. 파력분포 계산을 위해 선형파 이론과 Penney and Price(1952)가 제시한 회절의 해석해를 이용하였다.
본 연구에서 수행한 다양한 검토 결과 반무한방파제의 경우 회절을 고려하면 방파제에 작용하는 파력이 방파제 위치에 따라 큰 변화를 보였다. 따라서, 향후 반무한방파제와 같이 회절의 영향이 큰 구조물을 설계할 때 회절의 영향을 고려하는 것이 바람직할 것이다. 하지만 보다 정밀한 설계 적용을 위해서는 수리모형실험, 현장관측 등 다양한 추가 검토가 필요할 것으로 판단된다.
따라서, 회절이 발생하는 경우 방파제 전·후 양면에 작용하는 총 파력을 설계파로 사용하는 것이 더욱 타당할 것이다.
15를 통해 볼 때, 파력 스펙트럼을 이용한 상대 파력은 제곱평균 제곱근비를 이용한 상대 파력의 평균값을 나타내므로 충분히 파력 검토에 활용할 수 있다. 좀 더 보수적인 파력 검토를 위해서는 제곱 평균 제곱근 비를 이용하는 것도 충분히고려할 필요가 있을 것이다.
따라서, 향후 반무한방파제와 같이 회절의 영향이 큰 구조물을 설계할 때 회절의 영향을 고려하는 것이 바람직할 것이다. 하지만 보다 정밀한 설계 적용을 위해서는 수리모형실험, 현장관측 등 다양한 추가 검토가 필요할 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	파랑이 어떤 경우에 파력이 작아지는가?	일반적으로 파랑이 방파제에 경사지게 입사할 경우 방파제에 작용하는 파력은 수직으로 입사하는 경우에 비해 작다고 알려져 있다. Tanimoto et al.
	Tanimoto et al는 무엇을 통해 파랑이 경사지게 입사할수록 파력이 감소한다는 사실을 알아냈는가?	Tanimoto et al.(1976)는 일련의 수리모형실험을 통해 파랑이 방파제에 경사지게 입사할수록 파력이 더욱 감소한다는 사실을 밝혔으며, 이를 통해 기존의 Goda(1974) 가 제시한 수직 입사 파력식에 0.5(1+cos β)항을 곱하여 수정하였다.
	방파제 주위의 회절 성분은 어떠한가?	2와 같다. 방파제의 전면(Region I)에는 입사파, 반사파, 입사파의 회절 성분 및 반사파의 회절 성분이 존재하고, 방파제의 후면(Region II)에는 입사파 및 반사파의 회절 성분이 존재한다.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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