[논문]TTP 피복 경사식 구조물의 전달파고계수 산정에 관한 수리실험

김영택; 이종인

doi:10.9765/kscoe.2017.29.4.198

TTP 피복 경사식 구조물의 전달파고계수 산정에 관한 수리실험
Hydraulic Experiments on Wave Transmission Coefficients for Rubble Mound Structure Armored with Tetrapods 원문보기

한국해안·해양공학회논문집 = Journal of Korean Society of Coastal and Ocean Engineers, v.29 no.4, 2017년, pp.198 - 205

김영택 (한국건설기술연구원 수자원.하천연구소) , 이종인 (전남대학교 공학대학 해양토목공학과)

초록
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본 연구에서는 상치콘크리트가 설치된 TTP 피복 경사식 구조물에 대한 전달파고계수 산정식을 도출하기 위하여 2차원 수리실험을 실시하였다. 기존에 제시된 경사식 구조물에 대한 전달파고계수 산정식은 대부분 국외에서 수행된 저천단 구조물에 대한 연구성과이다. 기존 연구에서는 피복재로 대부분 피복석이 적용되었고, 상치콘크리트가 설치되어 있지 않은 경우이다. 이로 인해 국내 경사제 설계시 적용되는 단면형상과는 많은 차이가 발생한다. 본 연구에서는 국내 경사식 구조물의 설계동향에 부합하는 전달파고계수 산정식을 제시하였으며, 파형경사의 영향 및 상치콘크리트 전면에 거치되는 TTP의 거치 열수에 따른 변화를 고려하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

Two-dimensional hydraulic model experiments on rubble mound structure armoring with the tetrapods and the superstructure were conducted to investigate wave transmission characteristics under irregular wave conditions. The previous studies about the wave transmission coefficients dealt with the low crested structures, therefore the rock was the main armor units and the superstructure was not constructed. In this study, the new empirical design formula for the wave transmission coefficient about rubble mound structure with the tetrapods and the superstructure was suggested and the effects of wave steepness and the row of the tetrapods in front of the superstructure could be considered.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 TTP(Tetrapods)가 피복된 투과성 경사식구 조물을 대상으로 불규칙파를 적용한 2차원 수리실험을 실시하였다. 입사파고, 주기, 수심 및 구조물 제원(상치콘크리트폭, 피복재 거치 열 수) 등을 변화시키면서 전달파고계수 산정을 위한 실험을 실시하였다.
기존에 수행된 경사식 구조물에 대한 전달파고계수는 대부분 저천단 구조물에 대한 연구성과로서 상치콘크리트가 설치되어 있지 않은 조건이고, 또한 주피복재로 대부분 피복석이 사용된 경우이다. 본 연구에서는 국내에서 경사제 설계시 가장 많이 적용되는 단면형상(TTP 거치, 상치콘크리트 설치, 사면경사 1:1.5)을 대상으로 전달파고계수 산정식을 제안하였다. 본 실험을 통하여 도출된 결과를 요약하면 다음과 같다.
입사파고, 주기, 수심 및 구조물 제원(상치콘크리트폭, 피복재 거치 열 수) 등을 변화시키면서 전달파고계수 산정을 위한 실험을 실시하였다. 본 연구에서는 수행된 수리실험결과를 이용하여 평균 전달파고계수 산정식을 제안하고, 각 설계요소(구조물 제원 및 파랑조건)의 영향을 고려할 수 있는 영향계수를 제시하고자 한다.
상치콘크리트의 안정성 확보 및 소파효과에 의한 월파량 저감, 이를 통한 마루높이의 조정 등을 목적으로 상치콘크리트 전면에 거치되는 TTP의 거치 열 수를 조정할 수 있다. 본 절에서는 상치콘크리트 전면에 거치되는 TTP의 거치 열 수에 따른 전달파고계수를 분석하였다. 특히 경사제에 TTP를 적용할 경우 설계에 많이 적용되는 사례를 감안하여 거치 열수가 2~4인 조건을 적용하였다.
(1967), Goda(1969), Takahashi(2002), Kim and Lee(2015)는 직립제 및 혼성제를 대상으로 한 전달파고계수 산정식을 sine 함수 형태로 제안하였으며, Heijn(1997)은 지수함수의 형태로 제시하였다. 본연구의 대상구조물인 경사제에 대한 전달파고계수는 제체 투과파가 포함된 결과이며, van der Meer(1990a, b) 및 Melito and Melby(2002) 등이 제시한 선형함수 형태로 전달파고계 수를 분석하고자 한다.

제안 방법

3. 상치콘크리트가 설치된 TTP 피복 경사제 단면에 대한 전달파고계수 산정식을 van der Meer(1990a, b) 및 Melito and Melby(2002)의 제안식과 같은 선형함수 형태로 제시하였으며, 파형경사 및 상치콘크리트 전면에 거치되는 TTP의거치 열 수(어깨 폭)에 따른 영향을 추가하였다.
Fig. 2의 단면에서 상치콘크리트 전면에 거치되는 TTP의거치 열 수가 2개인 경사제 단면을 대상으로 상치콘크리트의 폭에 따른 전달파고계수를 비교하였다. 본 연구의 실험결과에서도 전반적으로 Seelig(1980)의 연구와 유사한 경향이 나타남을 알 수 있다.
특히 경사제에 TTP를 적용할 경우 설계에 많이 적용되는 사례를 감안하여 거치 열수가 2~4인 조건을 적용하였다. 그리고 결과의 분석을 위하여거치열 수에 대한 설치폭(W)을 실험에 적용된 피복재의 공칭길이(D_n)로 무차원화하여 분석하였다.
1 참조). 그리고 수로 내에서 구조물 설치로 인한 반사와 조파판에서 발생하는 재반사를 효과적으로 제어하기 위해 수로 폭 1.2 m를 폭 0.8 m(광폭수로) 와 폭 0.4 m(협수로)로 분할하였다. 분할된 수로에서 실험모형은 폭 0.
3 m의 관으로 연결되어 있어 수위차의 발생이 최소화 될 수 있도록 하였다. 그리고 자유수면계측은 용량식 파고계를 사용하였다. Fig.
4 m의 수로에서는 입사파의 설정 및 계측을 수행하였다. 또한 흡수식 조파를 실시하여 구조물로부터 반사되어온 파가 조파기에서 재반사 되는 현상을 최소화하였다. 수로 전면 30 m 구간을 강화유리로 처리하여 실험장면 관찰이 용이하도록 되어있으며, 수로 양쪽 끝 부분에는 여러 겹의 다공성 구조로 형성된 소파장치가 설치되어 있다.
즉, 상치콘크리트의 폭이 증가함에 따라 전달파고계수는 약간 감소하였으나, 그 차이는 매우 작은 것을 알 수 있다. 본 실험에서는 상치콘크리트의 폭이 넓어진 만큼 제체 폭이 넓어진 단면을 적용하였다. 본 실험에 적용한 실험조건 내에서 제체 폭의 변화에 따른 투과파가 전달파고계수에 대한 영향은 크지 않으며, 상치콘크리트에서의 월파량에 의한 전달파고계수가 지배적인 영향임을 알 수 있다.
van der Meer(1990a, b) 및 Melito and Melby(2002)는 상대여유고가 0에서부터 일정 구간까지 증가할 때 전달파고계수가 선형적으로 감소하며, 이후 상대여유고가 증가해도 전달파고계수의 변화는 크지 않은 것으로 결과를 제시하였다. 본 연구의 결과도 이와 동일한 경향이 나타나는 것을 알 수 있으며, 파형경사에 따른 전달파고계수를 분석하였다.
본연구에서는 상대여유고 조건이 약 6인 경우까지 실험을 수행하였지만, 이 후 실험결과의 분석에서는 실제 설계에 적용할 수 있는 범위에 해당하는 조건(0.3 ≤ Rc/Hs ≤2)을 대상으로 결과를 분석하고자 한다.
4 m(협수로)로 분할하였다. 분할된 수로에서 실험모형은 폭 0.8 m의 수로에 설치하여 제반 자료를 취득하고, 폭 0.4 m의 수로에서는 입사파의 설정 및 계측을 수행하였다. 또한 흡수식 조파를 실시하여 구조물로부터 반사되어온 파가 조파기에서 재반사 되는 현상을 최소화하였다.
월파 발생시 구조물 후면의 수위가 순간적으로 상승할 수 있으므로, 전달파고는 수위 상승량을 제거하고 분석하였으며, Fig. 2와 Table 1은 각각 본 실험에서 적용한 실험모형 및 실험조건이다. Table 1에서 목표 파고(Hs)와 주기(Ls)는 구조물 설치 위치에서의 값이다.
월파 및 투과파에 의한 전달파 발생시 구조물 배후면에서 순간적인 수위상승으로 인하여 구조물 전후 면의 수위차가 발생할 수 있다. 이를 저감하기 위하여 수로 끝단의 다공성 소파시설은 광폭수로와 협수로가 연결되어 있으며, 또한 수로 양쪽 끝단은 직경 0.3 m의 관으로 연결되어 있어 수위차의 발생이 최소화 될 수 있도록 하였다. 그리고 자유수면계측은 용량식 파고계를 사용하였다.
본 연구에서는 TTP(Tetrapods)가 피복된 투과성 경사식구 조물을 대상으로 불규칙파를 적용한 2차원 수리실험을 실시하였다. 입사파고, 주기, 수심 및 구조물 제원(상치콘크리트폭, 피복재 거치 열 수) 등을 변화시키면서 전달파고계수 산정을 위한 실험을 실시하였다. 본 연구에서는 수행된 수리실험결과를 이용하여 평균 전달파고계수 산정식을 제안하고, 각 설계요소(구조물 제원 및 파랑조건)의 영향을 고려할 수 있는 영향계수를 제시하고자 한다.
본 절에서는 상치콘크리트 전면에 거치되는 TTP의 거치 열 수에 따른 전달파고계수를 분석하였다. 특히 경사제에 TTP를 적용할 경우 설계에 많이 적용되는 사례를 감안하여 거치 열수가 2~4인 조건을 적용하였다. 그리고 결과의 분석을 위하여거치열 수에 대한 설치폭(W)을 실험에 적용된 피복재의 공칭길이(D_n)로 무차원화하여 분석하였다.

대상 데이터

단면 수리실험은 한국건설기술연구원의 폭 1.2 m, 높이 1.5 m, 길이 50 m의 수로에서 수행되었으며, 단면수로에는 전기서보 피스톤식 조파기가 설치되어 있고, 규칙파 및 불규칙 파를 조파할 수 있다(Fig. 1 참조). 그리고 수로 내에서 구조물 설치로 인한 반사와 조파판에서 발생하는 재반사를 효과적으로 제어하기 위해 수로 폭 1.
본 단면 수리실험에 적용된 실험단면은 TTP 피복 경사식단면으로서 실험단면 형상은 Fig. 2와 같다. 경사식 구조물 외측에는 1:1.
4 m이다. 상치콘크리트 전면에 거치되는 TTP의 열수는 2열, 3열 및 4열로 변화시켰으며, 각각의 거치열 수에 따른 TTP의 거치 폭(W)은 각각 0.126 m, 0.202 m,0.278 m에 해당한다. 경사제 속채움 사석의 크기는 D50 =10.
실험파는 Bretschneider-Mitsuyasu 주파수 스펙트럼을 적용한 불규칙파 조건을 적용하였으며, 실험에 적용된 목표 유의 파고(Hs)는 Hs = 0.05 m, 0.075 m, 0.1 m, 0.125 m 및 0.15 m이고, 유의주기(Ts)는 각각의 수심별로 유의파장(Ls)이 2 m, 2.5 m, 3 m, 3.5 m 및 4m가 되도록 설정하였다. 전달파고 계측을 위해 상치콘크리트 항내측 선단으로부터 0.

이론/모형

5 m 및 4m가 되도록 설정하였다. 전달파고 계측을 위해 상치콘크리트 항내측 선단으로부터 0.5 m, 1 m, 2 m, 3 m, 3.5 m, 4 m 및 5 m 지점에 파고계를 설치하였고(Fig. 1의 6번~12번 파고계), 입사파는 Fig. 1의 협수로 내 구조물 설치 위치에 파고계를 설치하고 2점법(Goda and Suzuki, 1976)을 적용하여 분석하였다(Fig. 1의 4번과 5번 파고계). Fig.

성능/효과

- 상대여유고가 작은 경우, 즉 월파량이 많은 경우에는 파형경사가 증가할수록 전달파고계수가 증가하는 경향이 나타났다.
- 상대여유고가 큰 경우, 즉 월파량이 적은 경우에는 경사면에 거치된 소파블록 및 제체 내에서의 소파 등으로 인해 파형경사가 증가할수록 전달계수가 감소하는 경향이 나타났다.
1. 상치콘크리트의 폭에 따른 전달파고계수의 차이는 크지 않은 것으로 나타났으며, 동일 상대여유고 조건에서 상치콘크리트의 설치유무에 따른 전달파고계수는 상치콘크리트가 설치된 경우에 상대적으로 작게 나타났다.
2. 파형경사를 이용하여 전달파고계수를 분석하였으며, 기존 연구성과와 동일한 특성이 도출되었다.
본 실험에서는 상치콘크리트의 폭이 넓어진 만큼 제체 폭이 넓어진 단면을 적용하였다. 본 실험에 적용한 실험조건 내에서 제체 폭의 변화에 따른 투과파가 전달파고계수에 대한 영향은 크지 않으며, 상치콘크리트에서의 월파량에 의한 전달파고계수가 지배적인 영향임을 알 수 있다.
실험결과에서 추세선(평균값)을 중심으로 일부 실험결과의 분산이 발생하고 있으나, 전체적인 경향은 TTP의 거치 열 수가 증가함에 따라 전달파고계수가 선형적으로 감소함을 알 수 있다(Fig. 9 참조). Fig.
1과 같이 수로 좌측 끝단에는 소파제가 설치되어 있어 대부분의 반사파는 소파제에 의하여 흡수가 되지만, 광폭수로에 모형이 설치되고, 협수로는 통과파가 진행할 경우 협수로의 입사파가 광폭수로로 투과되어 파랑이 발생할 수 있다. 이러한 영향을 본 실험조건을 적용하여 무월파 및 무투과파조건의 직립제를 대상으로 검증실험을 수행하였으며, 그 결과 협수로의 영향으로 최대 2%의 전달파고계수가 발생하는 것으로 계측되었으나, 보수적인 설계측면에서 이를 포함하여 결과를 분석하였다.
25를 기준으로 상대 여유고가 작은 경우에는 파형경사가 증가함에 따라 전달파고계수가 증가하며, 상대여유고가 큰 경우에는 파형경사가 증가할수록 전달파고계수는 감소하는 것을 알 수 있다. 전체적으로 상대여유고에 따른 전달파고계수의 감소 차이(기울기)는 유사하며, y축 절편에 해당하는 전달파고계수가 파형경사에 따라 변하는 것을 알 수 있다. 따라서 파형경사를 고려한 전달파고계수 산정식은 식(6)과 같이 나타낼 수 있다.
본 연구의 실험결과에서도 전반적으로 Seelig(1980)의 연구와 유사한 경향이 나타남을 알 수 있다. 즉, 상대여유고가 작은 경우, 즉 입사파고에 비하여 구조물의 마루높이가 낮을 때에는 파형경사가 증가할수록 전달파고계수가 크게 나타나며, 상대여유고가 큰 경우에는 파형경사가 작을 때 전달파고계수가 크게 나타났다(Fig. 6(a, b) 참조).
파형경사에 따른 전달파고계수는 4.1절에서 설명한 바와 같이 상대여유고 Rc/Hs ≈ 1.25를 기준으로 상대 여유고가 작은 경우에는 파형경사가 증가함에 따라 전달파고계수가 증가하며, 상대여유고가 큰 경우에는 파형경사가 증가할수록 전달파고계수는 감소하는 것을 알 수 있다.

후속연구

4. 본 논문에서는 상치콘크리트의 높이와 거치 블록의 종류를 한가지로 고정한 조건에 대한 실험을 통하여 결과를 도출하였으며, 상치콘크리트의 높이 변화에 대한 추가 연구 및 분석이 필요할 것으로 생각된다. 본 연구의 성과는 TTP 피복 경사제에 있어 상치콘크리트와 TTP의 거치 높이가 동일한 조건에 대하여 개략적인 전달파고계수 산정에 이용될 수 있을 것이다.
본 논문에서는 상치콘크리트의 높이와 거치 블록의 종류를 한가지로 고정한 조건에 대한 실험을 통하여 결과를 도출하였으며, 상치콘크리트의 높이 변화에 대한 추가 연구 및 분석이 필요할 것으로 생각된다. 본 연구의 성과는 TTP 피복 경사제에 있어 상치콘크리트와 TTP의 거치 높이가 동일한 조건에 대하여 개략적인 전달파고계수 산정에 이용될 수 있을 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	전달계수의 예측은 무슨 역할을 하는가?	항만구조물을 설계함에 있어 구조물에 대한 반사계수와 전달계수 등을 산정 또는 예측하는 것은 기본적인 설계항목이며, 적절한 전달계수의 예측은 구조물의 마루높이 선정에 있어 중요한 역할을 한다. 마루높이의 선정은 항만의 기능 확보 및 경제성 확보 측면에서 중요한 설계인자이며, 입사파고, 허용 월파량 및 전달파고 관점에서 결정되는 것이 일반적이다.
	전달파고계수 산정식에 피복석을 적용하고, 상치콘크리트가 설치되어있지 않을 경우 단면형상은 어떻게 나타나는가?	기존 연구에서는 피복재로 대부분 피복석이 적용되었고, 상치콘크리트가 설치되어 있지 않은 경우이다. 이로 인해 국내 경사제 설계시 적용되는 단면형상과는 많은 차이가 발생한다. 본 연구에서는 국내 경사식 구조물의 설계동향에 부합하는 전달파고계수 산정식을 제시하였으며, 파형경사의 영향 및 상치콘크리트 전면에 거치되는 TTP의 거치 열수에 따른 변화를 고려하였다.
	항만구조물을 설계함에 있어 가장 기본적인 설계항목은 무엇인가?	항만구조물을 설계함에 있어 구조물에 대한 반사계수와 전달계수 등을 산정 또는 예측하는 것은 기본적인 설계항목이며, 적절한 전달계수의 예측은 구조물의 마루높이 선정에 있어 중요한 역할을 한다. 마루높이의 선정은 항만의 기능 확보 및 경제성 확보 측면에서 중요한 설계인자이며, 입사파고, 허용 월파량 및 전달파고 관점에서 결정되는 것이 일반적이다.

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표제어: PCR

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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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