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문제 정의
- 본 연구에서는 부산 인근의 소규모 어항에 내습하는 다양한 주기를 가진 평상파와 월파가 발생하는 설계파를 대상으로 회파블록케이슨 방파제의 반사율과 월류하는 수괴의 월파량 및 파응집부 및 소파관 내부에 작용하는 파력의 특성을 무공케이슨 방파제와 비교수리실험을 통하여 정량적으로 파악하고자 한다.
제안 방법
- 구조물로부터 한 파장 이상 떨어진 지점에 위치한 두 개의 파고계는 입⋅반사파를 분리하여 구조물 입사파 조건 및 구조물의 반사율을 계측하는 용도로 사용하였다.
- 제체에 도달한 입사파는 제체로부터 반사하게 되므로 제체에서 유의파장 이상 떨어진 지점에 적절한 간격을 두고 2개의 파고계를 설치하여 이들의 계측결과인 파형기록에 의해서 FFT (Fast Fourier transform)법을 사용해서 성분파의 진폭을 구하고, 이러한 성분파로부터 입⋅반사파의 진폭을 구한 후, Periodogram을 평활화 함으로써 입⋅반사파의 스펙트럼을 추정할 수 있다. 그리고 스펙트럼의 분리 추정치는 발산하지 않는 주파수 범위에서만 유효하며 파고계 간격은 유효 주파수 범위 내에 포함된 에너지가 전체 에너지의 90% 이상이 되도록 결정하였다.
- 조파수조 저면 바닥에 미끌림 장치를 설치하여 파력이 작용할 동안 구조물 저면과 기초사석간에 발생할 수 있는 마찰력을 최소화하였다. 그리고 파압계 센서는 폭 80cm, 높이 49cm의 케이슨 상단에서 6.13cm 떨어진 지점부터 전면벽의 중심선을 따라 12.25cm 간격으로 4개를 부착하여 파압을 계측하였다.
- 구조물로부터 한 파장 이상 떨어진 지점에 위치한 두 개의 파고계는 입⋅반사파를 분리하여 구조물 입사파 조건 및 구조물의 반사율을 계측하는 용도로 사용하였다. 그리고 형상이 복잡한 회파블록 방파제의 수평파력은 3분력 하중계(3-component load cell)를 사용하여 계측하였으며, 형상이 가장 단순한 무공케이슨 방파제를 대상으로 하중계와 파압계를 이용하여 계측된 파력을 비교함으로써 하중계를 검증하였다.
- 부산 인근 소규모 어항에 내습하는 펑상파 및 설계파를 대상으로 방파제 전면벽에 투수성의 주름진 중공부를 갖는 회파블록케이슨의 수리학적 특성(반사계수, 월파량)과 내파안정성(파력)을 파악하기 위하여 불투수성의 무공케이슨과 비교 수리모형실험을 수행한 결과, 다음과 같은 결론을 얻을 수 있다.
- 실험파 작용 시 무공 및 회파블록 케이슨 전면벽에 작용하는 수평파력을 계측하기 위해 2.3절에서 전술한 것과 같이 3분력 하중계로 파력계측시스템을 구성하여 500Hz로 수평파력의 시계열을 독취하였다. 그리고 3분력 하중계의 계측결과를 검증하기 위해 무공케이슨 전면에 Fig.
- 여기서 입⋅반사파 분리에는 주기별로 상호 적정한 간격을 두고 설치된 두 개의 파고계로 계측된 파형기록을 이용하는 방법을 사용하였다(Goda and Suzuki, 1976).
- 월파량은 호안 및 방파제 설계 시 가장 중요한 실험인자 중의 하나이다. 월파량에 대한 실험은 불규칙파의 파군을 대상으로 200~300파를 연속적으로 작용시켜 파랑이 월류하는 제체의 상부와 하류측 저수통 사이에 설치된 도수로를 통하여 저수통에 도달하는 물의 총량을 펌핑하여 회수된 물의 총 무게를 3회 이상 반복하여 계측한 후, 산술평균한 값을 단위폭당 평균월파량으로 나타내었다.
대상 데이터
- 본 실험에서 구조물 상단에 설치된 3분력 하중계는 국산 Dacell사 제품으로 모델명은 MC 123-3-1000이다. 최대 출력 전압은 ±10V이며 이 값이 X, Z 방향의 파력 ±1,000N과 Y 방향의 200N‧m에 대응한다.
- 부산 인근 소규모 어항을 대상으로 조사된 50년 빈도 설계파, 평상파와 약최고 만조위 및 평균해면을 모형 축척 1/25로 하여 실험파 제원 및 실험수위를 설정하여 Table 1에 제시하였다.
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2.5 실험조건
실험단면의 기본적인 형태는 Fig. 3과 같이 무공케이슨(Nonporous caisson) 및 회파블록케이슨(Porous 15% caisson) 방파제이다.
- 실험은 동서대학교 수리실험실에 있는 길이 35m, 폭 0.8m 그리고 높이 1.2m인 조파수조에서 수행하였다. 조파판은 피스톤 형태로 규칙파 및 불규칙파를 조파시킬 수 있으며 PC로 조파기를 제어시킨다.
이론/모형
- 3절에서 전술한 것과 같이 3분력 하중계로 파력계측시스템을 구성하여 500Hz로 수평파력의 시계열을 독취하였다. 그리고 3분력 하중계의 계측결과를 검증하기 위해 무공케이슨 전면에 Fig. 2과 같이 4개의 박막형 파압계를 부착하고 파압의 시계열을 독취하여 직사각형법칙(Martin et al., 1999)으로 적분하여 수평파력을 구하였으며 시계열에 포함된 Noise를 Butter worth filter로 제거하여 사용하였다.
- 입사파랑으로는 다음과 같이 Goda(1985)에 의해 수정된 Bretschneider-Misuyasu 스펙트럼을 사용하였다.
성능/효과
- (1) 무월파조건에서 실험 대상구조물과 상관없이 파형경사가 클 수록 반사율이 작게 나타나며 동일한 파형경사에서는 주기가 길 수록 반사율이 크게 나타난다. 또한 투수성을 갖는 회파블록케이슨의 반사율은 무공케이슨의 계측결과보다 약간 작게 나타남을 알 수 있다.
- (2) 월파조건에서 실험 대상구조물과 상관없이 유의파고가 크고 유의주기가 길 수록 월파량이 증가하여 나타난다. 그리고 공극을 갖는 중공단면 형태의 회파블록케이슨에서 계측된 월파량은 무공케이슨의 계측결과보다 적게 나타난다.
- (3) 실험 대상구조물과 상관없이 동일한 파고조건에서 주기가 길 수록 최대파력이 증가하고 회파블록케이슨에 작용하는 수평파력은 무공케이슨의 계측결과보다 모든 파력실험조건에서 크게 계측되며, 이는 회파블록의 중공부에서 약간의 충격파가 발생하는 것으로 판단된다.
- 계측결과를 보면 비교 대상구조물과 관계없이 유의파고가 크고 유의주기가 길 수록 월파량은 많이 계측된다. 또한 월파되는 모든 실험조건에서 전반적으로 회파블록 케이슨이 무공케이슨보다 월파량이 적게 계측되는 결과를 확인할 수 있으며 이는 무월파 조건에서 계측한 반사율의 계측결과와 밀접한 관계가 있음을 알 수 있다.
- 또한 월파되는 모든 실험조건에서 전반적으로 회파블록 케이슨이 무공케이슨보다 월파량이 적게 계측되는 결과를 확인할 수 있으며 이는 무월파 조건에서 계측한 반사율의 계측결과와 밀접한 관계가 있음을 알 수 있다. 그리고 유의파고 H1/3=10cm에서 회파블록의 계측결과는 무공케이슨에 비해 월파량이 많이 감소되어 나타났으나 고월파 조건(H1/3=12cm)에서는 회파블록의 공극으로 인한 월파량의 감소효과가 다른 입사조건과 비교하여 상대적으로 적게 나타난다.
- 6에 도시하였다. 두 개의 계측시스템에서 얻어진 최대수평파력값과 파력 시계열의 위상이 거의 일치하였으며, 미끌림 장치의 상대적으로 파력계측에 크게 영향을 미칠 수 있는 작은 파력이 작용하는 시각에서도 파력이 거의 유사하게 나타나므로 미끌림 장치는 파력이 모형 구조물에 작용할 때, 하중계에서 비교적 큰 변위가 발생하는 파랑조건에서 불가피하게 사용해야 할 보조장치임을 알 수 있다.
- 계측결과를 보면 비교 대상구조물과 관계없이 유의파고가 크고 유의주기가 길 수록 월파량은 많이 계측된다. 또한 월파되는 모든 실험조건에서 전반적으로 회파블록 케이슨이 무공케이슨보다 월파량이 적게 계측되는 결과를 확인할 수 있으며 이는 무월파 조건에서 계측한 반사율의 계측결과와 밀접한 관계가 있음을 알 수 있다. 그리고 유의파고 H1/3=10cm에서 회파블록의 계측결과는 무공케이슨에 비해 월파량이 많이 감소되어 나타났으나 고월파 조건(H1/3=12cm)에서는 회파블록의 공극으로 인한 월파량의 감소효과가 다른 입사조건과 비교하여 상대적으로 적게 나타난다.
- (1) 무월파조건에서 실험 대상구조물과 상관없이 파형경사가 클 수록 반사율이 작게 나타나며 동일한 파형경사에서는 주기가 길 수록 반사율이 크게 나타난다. 또한 투수성을 갖는 회파블록케이슨의 반사율은 무공케이슨의 계측결과보다 약간 작게 나타남을 알 수 있다.
- 반사율의 계측결과를 살펴보면 주기별로 파형경사가 클수록 반사율은 작게 나타나며, 동일한 파형경사에서도 주기가 길 수록 반사율은 크게 나타난다. 무공케이슨과 회파블록케이슨의 반사율을 비교해 보면, 모든 실험조건에서 회파블록케이슨의 반사율이 무공케이슨보다 작게 나타남을 알 수 있다. 이는 블록전면의 소파관으로 입사되는 파랑에너지가 소파관 내에 일부 포획되고 또한 내부 주름관에서 파랑에너지가 감쇠된 결과라 판단된다.
- 반사율의 계측결과를 살펴보면 주기별로 파형경사가 클수록 반사율은 작게 나타나며, 동일한 파형경사에서도 주기가 길 수록 반사율은 크게 나타난다. 무공케이슨과 회파블록케이슨의 반사율을 비교해 보면, 모든 실험조건에서 회파블록케이슨의 반사율이 무공케이슨보다 작게 나타남을 알 수 있다.
- 비교 대상구조물과 상관없이 동일한 파고조건에서 주기가 증가하면 할수록 최대수평파력이 증가하였고, 무월파 및 약간 월파하는 실험조건에서 회파블록에 작용하는 최대 수평파력은 무공케이슨에 작용하는 최대파력보다 대체적으로 크게 계측되므로 회파블록의 중공부에서 약간의 충격파가 발생하는 것으로 판단된다.
- 조파수조 저면 바닥에 미끌림 장치를 설치하여 파력이 작용할 동안 구조물 저면과 기초사석간에 발생할 수 있는 마찰력을 최소화하였다. 그리고 파압계 센서는 폭 80cm, 높이 49cm의 케이슨 상단에서 6.
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