교량을 건설함에 있어 물의 흐름에 영향을 받는 교량 하부 구조물에 대한 토질 및 구조역학적 기초 분석은 충분하지만 수리현상으로 발생하는 세굴의 안정성 검토는 미흡한 실정이다. 또한 교각세굴심 산정에 있어 해외 교각세굴심 산정식을 활용하고 있기에 국내 하천의 유역 특성을 반영한 교각세굴심을 정도 높게 산정하는데 미흡하다. 본 연구에서는 현재 우리나라 하천설계 기준에 적용되고 있는 CSU(1993)공식 뿐만 아니라 세굴심 산정에 있어 불확실성을 고려하기 위하여 다른 교각 세굴심 산정식을 추가로 적용하여 세굴심을 산정한 후 각각의 공식들 간에 적용성을 검토하였다. 검토 결과 기존 사용되고 있는 9개의 교각세굴심 산정식으로 산정된 교각 세굴심 깊이와 수리 모형실험을 바탕으로 측정된 세굴심과 비교하였을 경우 SSE(%)는 최소 2.08%, 최대 91.23%, SSEn(%)은 최소 0.19%, 최대 415.91%의 차이를 보이고 있음을 확인하였다. 그 결과, 교각세굴심 산정식 간에도 많은 차이가 있음을 확인하였다. 본 연구의 결과는 향후 하천설계에 있어 정도 높은 세굴심을 산정함에 활용할 수 있을 것으로 기대된다.
교량을 건설함에 있어 물의 흐름에 영향을 받는 교량 하부 구조물에 대한 토질 및 구조역학적 기초 분석은 충분하지만 수리현상으로 발생하는 세굴의 안정성 검토는 미흡한 실정이다. 또한 교각세굴심 산정에 있어 해외 교각세굴심 산정식을 활용하고 있기에 국내 하천의 유역 특성을 반영한 교각세굴심을 정도 높게 산정하는데 미흡하다. 본 연구에서는 현재 우리나라 하천설계 기준에 적용되고 있는 CSU(1993)공식 뿐만 아니라 세굴심 산정에 있어 불확실성을 고려하기 위하여 다른 교각 세굴심 산정식을 추가로 적용하여 세굴심을 산정한 후 각각의 공식들 간에 적용성을 검토하였다. 검토 결과 기존 사용되고 있는 9개의 교각세굴심 산정식으로 산정된 교각 세굴심 깊이와 수리 모형실험을 바탕으로 측정된 세굴심과 비교하였을 경우 SSE(%)는 최소 2.08%, 최대 91.23%, SSEn(%)은 최소 0.19%, 최대 415.91%의 차이를 보이고 있음을 확인하였다. 그 결과, 교각세굴심 산정식 간에도 많은 차이가 있음을 확인하였다. 본 연구의 결과는 향후 하천설계에 있어 정도 높은 세굴심을 산정함에 활용할 수 있을 것으로 기대된다.
The basic analysis of Soil and structural mechanics for the bridge substructure affected by the flow of water is sufficient in the construction of such bridges, but the stability of scour resulting from hydraulic phenomena is insufficient. In addition, it is not enough to estimate the scour depth of...
The basic analysis of Soil and structural mechanics for the bridge substructure affected by the flow of water is sufficient in the construction of such bridges, but the stability of scour resulting from hydraulic phenomena is insufficient. In addition, it is not enough to estimate the scour depth of the bridge which reflects the watershed characteristics of the domestic river because it uses the formula for calculating the scour depth of the overseas piers in calculating the scour depth of the bridge. In this study, the application of the CSU (1993) formula, which is currently applied to the national river design criteria, was reviewed between the two formulas after calculating the scour after calculating the scour by applying another bridge deck scour calculation formula to take into account the uncertainty in the calculation of scour. In this study, in addition to the CSU (1993) formula, which is currently applied to Korean river design criteria, another scour depth calculation formula is applied to calculate uncertainty in scour depth calculation, was reviewed between the two formulas. The review confirmed that the SSE (%) showed a difference of at least 2.08%, up to 91.23%, and SSEn(%) at least 0.19%, up to 415.91%, when compared to the measured depth of the pier based on the hydraulic model experiment and the depth of the pier calculated with the nine scour depth formulas in use. In other words, it is confirmed that there are many differences between the scouring formulas of piers. The results of this study are expected to be used to estimate scour depth in future river design.
The basic analysis of Soil and structural mechanics for the bridge substructure affected by the flow of water is sufficient in the construction of such bridges, but the stability of scour resulting from hydraulic phenomena is insufficient. In addition, it is not enough to estimate the scour depth of the bridge which reflects the watershed characteristics of the domestic river because it uses the formula for calculating the scour depth of the overseas piers in calculating the scour depth of the bridge. In this study, the application of the CSU (1993) formula, which is currently applied to the national river design criteria, was reviewed between the two formulas after calculating the scour after calculating the scour by applying another bridge deck scour calculation formula to take into account the uncertainty in the calculation of scour. In this study, in addition to the CSU (1993) formula, which is currently applied to Korean river design criteria, another scour depth calculation formula is applied to calculate uncertainty in scour depth calculation, was reviewed between the two formulas. The review confirmed that the SSE (%) showed a difference of at least 2.08%, up to 91.23%, and SSEn(%) at least 0.19%, up to 415.91%, when compared to the measured depth of the pier based on the hydraulic model experiment and the depth of the pier calculated with the nine scour depth formulas in use. In other words, it is confirmed that there are many differences between the scouring formulas of piers. The results of this study are expected to be used to estimate scour depth in future river design.
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문제 정의
본 논문에서는 현재 우리나라 하천설계 기준에 적용되고 있는 CSU(1993)공식 뿐만 아니라 세굴심 산정에 있어 불확실성을 고려하기 위하여 다른 교각 세굴심 산정식을 추가로 적용하여 세굴심을 산정하였으며, 각각의 공식들 간에 적용성을 검토하였다. 그러나 교량의 형태, 교량의 설치 위치, 하천의 특성 등 세굴심에 영향을 주는 인자들이 다양하여 정확한 세굴심을 예측하는 것에는 많은 어려움이 있다.
본 연구는 국부세굴의 깊이를 산정하기 위하여 기존의 수리 모형실험으로 얻은 수리특성 및 교각제원 등의 자료를 바탕으로 9가지 세굴심 산정식에 적용하였다. 또한 이를 바탕으로 교각주위에서 측정된 세굴심과 비교 및 검토를 수행하여 다음과 같은 결론을 도출하였다.
본 연구에서는 교각세굴심 산정식에 의해서 계산된 세굴심과 수리 모형실험을 통해 측정된 세굴심을 비교분석하여 국내 여건에 적합한 세굴심 산정식을 선별하고 산정식의 적용성을 검토하였다. 교각 세굴심 산정식은 하천설계기준(2011)에서 이용되고 있는 Chitalen(1962), Shen Ⅰ(1966), Shen-KarakiⅢ(1969), Coleman(1971), Neill(1973), UGSG(1975), Bsasik- Basamily-Ergun(1987), Froehlich(1987) 및 CSU(1993) 총 9개의 세굴심 산정식을 적용하였다.
가설 설정
이러한 세굴현상으로 인하여 수로바닥을 구성하고 있는 하상재료의 다양성에 따라 세굴형태의 차이도 크게 나타난다. 응집성이 있거나 다져진 흙은 결합구조가 느슨한 흙에 비하여 세굴에 보다 강하지만 응집력이 있거나 자갈로 구성된 수로바닥은 며칠 만에 최대 세굴심에 도달하게 된다. 또한 하천에서 구조물 건설로 인한 수리학적 특성 변화에 의한 영향으로 교각 및 교대의 세굴이 발생하여 과도하게 진행 될 경우 막대한 피해가 발생한다.
제안 방법
본 연구에서는 세굴현상으로 발생하는 교각 주변의 세굴심을 산정하기 위하여 기존 제안된 9개의 세굴심 산정식을 아래 Table 1에 나타내었으며, 세굴심 산정식들은 주로 교각의 폭, 유속, 수심, 평균입경 등의 인자로 구성되어 있다.
이러한 세굴심 산정식의 결과들도 크게는 수배의 차이를 보이고 있기에 세굴심 산정식을 검토하는 것이 필수적이다. 이에 국내 하천에 적용할 수 있는 정도 높은 교각 세굴심을 산정하기 위하여 수리실험에 의하여 측정된 세굴심 자료와 교각세굴심 산정식의 적용결과를 비교·검토를 수행하였다.
대상 데이터
본 연구에서는 교각세굴심 산정식을 활용하여 계산한 9개의 세굴심과 7개 수리 모형실험을 통해 측정된 351개의 세굴심을 비교하여 Fig. 2와 같은 결과를 도출하였다.
본 연구에서는교각세굴심 산정식의 적용성을 검토하고 Table 2와 같이 기존 연구된 수리모형실험을 통해 측정된 실험자료 중 7개를 선별하여 공식에 적용하였으며, 개별 실험 자료의 특징을 살펴보면 다음과 같다.
이론/모형
본 연구에서는 교각세굴심 산정식에 의해서 계산된 세굴심과 수리 모형실험을 통해 측정된 세굴심을 비교분석하여 국내 여건에 적합한 세굴심 산정식을 선별하고 산정식의 적용성을 검토하였다. 교각 세굴심 산정식은 하천설계기준(2011)에서 이용되고 있는 Chitalen(1962), Shen Ⅰ(1966), Shen-KarakiⅢ(1969), Coleman(1971), Neill(1973), UGSG(1975), Bsasik- Basamily-Ergun(1987), Froehlich(1987) 및 CSU(1993) 총 9개의 세굴심 산정식을 적용하였다.
위의 그림들과 같이 수리 모형실험을 통하여 얻은 세굴심과 교각세굴심 산정식에 적용하여 얻은 세굴심과의 그래프를 수치적으로 표현하기 위해 Eq. (1)과 같은 방정식을 사용해 SSE(Sum of Squared errors)를 이용하였다.
성능/효과
3. 현재 우리나라 하천설계 기준에 주로 활용되고 있는 CSU(1993) 교각 세굴심 산정식과 본 논문을 통해 국내 하천에 적용성을 확인한 Coleman(1971), Froehlich(1987) 교각세굴심 산정식이 국내 하천특성을 반영하여 가장 유사한 세굴심을 예측 할 수 있음을 확인하였다.
1. 기존 사용되고 있는 9개의 교각세굴심 산정식으로 산정된 교각 세굴심 깊이와 수리 모형실험을 바탕으로 측정된 세굴심과 비교하였을 경우 SSE(%)는 최소 2.08%, 최대 91.23%, SSEn(%)은 최소 0.19%, 최대 415.91%의 차이를 보이고 있음을 확인하였다. 따라서 교각세굴심 산정식 간에도 많은 차이가 있음을 확인하였다.
산정 결과는 Table 3과 같으며, SSE(%)와 SSen(%)수치의 최솟값과 최댓값의 편차가 각각 91.23%, 415.91% 의 차이가 나는 것을 확인하여 세굴심 산정 공식들 간에 많은 차이가 발생하고 있음을 확인하였다. 또한 실험에서 측정된 세굴심과 가장 차이가 많이 나는 식으로는 Chitale(1962) 나타남을 확인하였으며, 다른 산정식에 비하여 SSE(%)와 SSEn(%) 값이 큰 차이를 나타내고 있다.
2와 같은 결과를 도출하였다. 세굴산정식을 활용하여 계산된 9개의 세굴심과 수리 모형실험을 통하여 측정된 351개의 세굴심을 분석한 결과, CSU공식, Froehlich공식 및 Colman공식으로 측정된 결과값이 45도 선상에 가까이 있어 관측값과 유사한 경향을 보이고 있음을 확인하였고, 나머지 6개 산정식은 45선에 집중되지 않고 흩어져 있는 결과를 나타내어 국개 하천에 적절하지 못한 산정식으로 판단된다.
후속연구
그러나 교량의 형태, 교량의 설치 위치, 하천의 특성 등 세굴심에 영향을 주는 인자들이 다양하여 정확한 세굴심을 예측하는 것에는 많은 어려움이 있다. 따라서 본 연구의 성과인 수리 모형실험결과를 바탕으로한 세굴심 산정식 비교분석 결과는 향후 하천설계에 있어 정도높은 세굴심을 산정함에 활용할 수 있을 것으로 기대되며, 추가적인 연구를 통하여 안전한 하천관리의 기초자료로서 제시하고자 한다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
우리나라에서 다수의 교량이 건설된 이유는 무엇인가?
우리나라는 도시화 및 산업화가 급격히 진행되어 교통시설의 개발 및 확대가 증가하면서 하천 및 해상에 다수의 교량이 건설되었다. 이러한 교량을 건설함에 있어 교량 상부 구조물에 대한 구조적 안정성 검토는 비교적 적절하게 시행되고 있으나 물의 흐름이 발생하는 하부 구조물에 대해서는 기초 해석에 대해서만 검토가 시행되기에 수리현상으로 발생하는 세굴의 안정성 검토는 제대로 이루어지지 못 하고 있다.
세굴이란 무엇인가?
세굴은 하천에서 흐르는 유체의 힘에 의해 제방 구성 물질 및 하상재료가 이동 및 제거되어 수로 단면이 확대되는 현상으로 정의된다. 이러한 세굴현상으로 인하여 수로바닥을 구성하고 있는 하상재료의 다양성에 따라 세굴형태의 차이도 크게 나타난다.
하천에서 구조물 건설로 인한 수리학적 특성 변화에 의한 영향을 줄 수 있는 세굴은 어떻게 분류하는가?
또한 하천에서 구조물 건설로 인한 수리학적 특성 변화에 의한 영향으로 교각 및 교대의 세굴이 발생하여 과도하게 진행 될 경우 막대한 피해가 발생한다. 이러한 세굴은 일반적으로 장기간에 걸쳐 하천의 흐름에 의해 발생되는 장기하상저하(long term degradation), 교량 등 구조물 건설로 인해 기존의 흐름단면이 축소되어서 발생되는 단면축소세굴(contractive scour), 수로의 통수단면 중 일부분에서 일어나는 형태로써 교대와 교각주위에서 와류로 인해 발생되는 국부세굴(local scour)등 3가지 종류로 분류 된다.
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