[논문]교각세굴심 산정 공식의 통계적 특성

이호진; 장형준; 허태영

doi:10.21729/ksds.2019.12.3.51

초록
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최근 이상기후로 인한 집중호우, 대규모 태풍 등의 증가로 국지성 집중호우의 발생빈도가 높아지고 있다. 이로 인하여 국내 중소규모 하천의 유량이 급격하게 증가함에 따라 교량의 안전성에 영향을 미치고 있으며, 세굴에 대한 위험성도 증가하고 있다. 그러나 국내 교량건설기술에서는 교각 세굴심을 산정하기 위하여 해외의 교각 세굴심 산정식을 활용하고 있어 국내 하천의 유역특성을 반영하지 못하고 있는 실정이다. 따라서 본 연구는 세굴현상에 따른 교량피해를 예방하기 위한 기초연구로써, 수리모형실험을 통해 측정된 실험자료와 국내에 적용되고 있는 세굴 산정식들간의 비교 분석을 수행하였다. 또한 실험자료와 세굴 산정식의 통계분석을 통하여 Coleman(1971) 공식이 가장 우수하게 세굴심을 산정하고 있는 것을 확인하였다. 본 연구의 결과는 향후 하천설계 및 교량설계에 있어 보다 정확한 교각 세굴심을 산정하는데 활용 될 수 있을 것으로 기대된다.

Abstract ▼ AI-Helper

In recent years, the occurrence of localized torrential rain has increased due to the increase in heavy rainfall and massive typhoons caused by abnormal weather. As a result, the flow rate of small and medium-sized rivers in Korea is rapidly increasing, affecting the safety of bridges and increasing...

In recent years, the occurrence of localized torrential rain has increased due to the increase in heavy rainfall and massive typhoons caused by abnormal weather. As a result, the flow rate of small and medium-sized rivers in Korea is rapidly increasing, affecting the safety of bridges and increasing the risk of scour. However, the domestic bridge construction technology does not reflect the watershed characteristics of domestic rivers because the bridge scour depth calculation formula developed overseas is used to calculate the bridge scour depth. Therefore, this study is a basic study for prevention of bridge damage according to scouring phenomenon, and a comparative analysis was performed between the experimental data measured through hydraulic model test and the scour depth formulas applied in Korea. In addition, the statistical analysis between experimental data and scour depth formula shows that Coleman's (1971) formula estimates the best scour depth. The results of this study are expected to be used to calculate more accurate bridge scour depth in river design and bridge design.

주제어

표/그림 (3)

표 Table 1. Prediction formulas of scour depth around pier
표 Table 2. General information of 7 selected researches
표 Table 3. Results based on statistical evaluation criteria

AI 본문요약
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문제 정의

이 중 국부세굴은 하천의 통수단면 중 구조물에 의하여 흐름이 차단된 단면 주위에서 일어나는 현상으로 교대 및 교각 주위의 와류에 의하여 발생하며 최근 국부세굴에 의한 교량 파손 및 붕괴로 인하여 많은 피해가 발생 하고 있다. 따라서 본 연구에서는 주요 3가지 세굴 현상 중 하천구조물에 가장 많은 세굴피해를 발생시키는 국부세굴에 관한 피해를 방지하고자 국부세굴에 대한 연구를 수행하였다.
본 연구에서는 크게는 수배에 이르는 결과차이를 나타내는 교각 세굴심 산정공식의 특성을 검토하기 위해, 하천의 수리학적 특성을 반영한 수리모형실험에서 측정된 교각 세굴 실험자료와 교각 세굴심 산정식의 적용결과를 활용하였다. 또한 이를 바탕으로 통계분석 수행하였으며 국내 중·소규모 하천에 적합한 세굴 공식을 선정하였다.

가설 설정

이러한 세굴 현상은 하상재료의 다양성에 따라 다양한 세굴형태로 타나나며 세굴형태의 차이도 크게 발생한다. 하상재료 중 결합구조가 느슨한 흙보다 다짐이 적절하게 이루어진 흙은 상대적으로 세굴현상에 강하지만 자갈과 같은 재료로 구성된 하상은 최대 세굴심이 짧은 시간에 도달하는 양상을 갖는다. 또한 하천에 구조물 건설시 발생하는 하상면의 수리학적 특성 변화에 의한 영향으로 교량에 세굴이 과도하게 진행 될 경우 막대한 피해가 발생한다.

제안 방법

본 논문에서는 현재 우리나라 하천설계 기준에 적용되고 있는 CSU(1993)공식 뿐만 아니라 교각 세굴심 산정에 있어 불확실성을 고려하기 위하여 다른 교각 세굴심 산정식을 추가로 적용하였으며, 통계분석을 단순선형회귀모형을 통해 검토하였다. 그러나 교량의 형태, 교량의 설치 위치, 하천의 특성 등 세굴심에 영향을 주는 인자들이 다양하여 정확한 세굴심을 예측하는 것에는 많은 어려움이 있다.
본 연구는 정도 높은 국부세굴의 깊이를 산정하기 위하여 기존의 수리 모형실험으로 얻은 수리특성 및 교각제원 등의 자료를 바탕으로 8가지 세굴심 산정식에 적용 한 결과와 수리 모형실험 결과를 바탕으로 통계분석을 수행 하여 다음과 같은 결론을 도출하였다.
본 연구에서는 세굴현상으로 발생하는 교각 주변의 세굴심을 산정하기 위하여 기존 제안된 8개의 세굴심 산정식을 아래 Table 1에 나타내었으며, 세굴심 산정식들은 주로 교각의 폭, 유속, 수심, 평균입경 등의 인자로 구성되어 있다(Park and Park, 2017; Min et al., 2019).

대상 데이터

본 연구에서는 크게는 수배에 이르는 결과차이를 나타내는 교각 세굴심 산정공식의 특성을 검토하기 위해, 하천의 수리학적 특성을 반영한 수리모형실험에서 측정된 교각 세굴 실험자료와 교각 세굴심 산정식의 적용결과를 활용하였다. 또한 이를 바탕으로 통계분석 수행하였으며 국내 중·소규모 하천에 적합한 세굴 공식을 선정하였다. 연구에 사용된 교각 세굴심 산정 식은 총 8개로써 국내 하천설계기준(2011)에서 이용되고 있는 산정식인 CSU(1993) 외 7개의 산정식을 활용하였다.
본 연구에서는 교각 세굴심 산정식의 적용성을 검토하고자 기존 연구된 수리모형실험을 통해 측정된 실험자료 중 7개를 선별하여 공식에 적용하였다. 개별 실험 자료의 특징은 Table 2와 같다(Dey et al.

데이터처리

각 교각 세굴심 산정공식의 유효성을 판단할 기준이 될 통계량의 평가기준은 평균절대백분위오차(MAPE), 부등계수(U),부분편의(FB), 기하평균평의(MG), 기하분산(GV), 정규화된 평균제곱오차(NMSE), 동의지표(IOA)의 7개 항목을 사용하였다.
본 연구에서는 기존 세굴심 공식을 평가하기 위하여 평균절대백분위오차(MAPE : Mean Absolute Percentage Error), 부등계수(U), 부분편의(FB), 기하평균평의(MG), 기하분산(GV), 정규화된 평균제곱오차(NMSE), 동의지표(IOA)를 활용하였으며, 각각의 식은 아래와 같다. 여기서 y_i는 모형실험을 통한 측정 세굴심, x_i는 세굴 경험식을 이용한 계산 값, n은 비교자료의 개수를 의미한다.
실제 측정된 세굴심 값과 계산된 세굴심 예측 값을 통계량과 모형에 의한 평가를 통해 다양한 분석을 실시하였다. 분석에 사용된 교각 세굴심 산정공식은 Chitale(1962), Shen I(1966), Shen-Karaki III(1969), Coleman(1971), Neill(1973), BsasikBasamily-Ergun(1987), Froehlich(1987) 및 CSU(1993)를 활용하였다.

이론/모형

실제 측정된 세굴심 값과 계산된 세굴심 예측 값을 통계량과 모형에 의한 평가를 통해 다양한 분석을 실시하였다. 분석에 사용된 교각 세굴심 산정공식은 Chitale(1962), Shen I(1966), Shen-Karaki III(1969), Coleman(1971), Neill(1973), BsasikBasamily-Ergun(1987), Froehlich(1987) 및 CSU(1993)를 활용하였다.
또한 이를 바탕으로 통계분석 수행하였으며 국내 중·소규모 하천에 적합한 세굴 공식을 선정하였다. 연구에 사용된 교각 세굴심 산정 식은 총 8개로써 국내 하천설계기준(2011)에서 이용되고 있는 산정식인 CSU(1993) 외 7개의 산정식을 활용하였다.

성능/효과

1. 기존 사용되고 있는 8개의 교각세굴심 산정식으로 산정된 교각 세굴심과 수리 모형실험을 바탕으로 측정된 세굴심과 단순선형회귀모형을 통해 분석 결과 Coleman(1971) 방법과 Froehlich(1987) 방법이 MAPE, U, FB, MG, GV, NMSE,IOA 통계방법에서 각각 최우수 및 우수한 결과를 나타내었다.
2. 교각 세굴심 산정공식과 수리모형 실험결과 활용한 상관관계를 분석한 결과 CSU(1993), Coleman(1971), Froehlich(1987) 방법이 각각 0.9476, 0.9458, 0.9383으로 나타남을 확인하였으며, CSU, Coleman, Froehlich 교각 세굴심 산정공식이 정도 높은 세굴심을 예측할 수 있음을 확인하였다.
다음으로 우수한 교각 세굴심 산정 방법은 Froehlich 방법으로 MAPE, U, FB, MG, VG, NMSE, IOA의 값이 각각 64.2487, 0.0131, 0.0027, 1.1003, 1.0092, 0.1971, 0.9995으로 모든 값들이 다른 방법에 비해 상대적으로 매우 작았으며 상관계수 값은 0.9383으로 모든 방법 중 3번째로 크게 나타났다.
또한 상관계수 값이 0.9458로 모든 방법 중 2번째로 크게 나타난 것을 확인하여 Coleman 방법이 교각 세굴심 산정에 있어서 가장 우수한 방법으로 나타난 것을 확인하였다.
Table 3은 통계량의 평가기준에 의한 결과이며, 각 수치 옆 괄호 값은 순위를 나타내고 있다. 통계 분석 결과 교각 세굴심산정공식 중 가장 유효한 방법은 Coleman 방법이 선택되었으며, MAPE, U, FB, MG, GV, NMSE, IOA의 값이 각각 58.3798, 0.0213, -0.0038, 1.0213, 1.0004, 0.1663, 0.9994, 0.9458로 가장 작거나 두 번째로 작은 결과를 보였다.

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 성과는 우리나라 하천에 가장 적합한 세굴심 산정공식 개발에 유용한 정보를 제공할 것으로 판단된다. 또한 추가적인 연구를 통하여 안전한 하천관리의 기초자료로서 활용될 것이다.
따라서 본 연구의 성과는 우리나라 하천에 가장 적합한 세굴심 산정공식 개발에 유용한 정보를 제공할 것으로 판단된다. 또한 추가적인 연구를 통하여 안전한 하천관리의 기초자료로서 활용될 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	세굴의 분류는 무엇이 있는가?	이러한 세굴은 일반적으로 크게 하천 구조물 건설 등의 영향으로 흐름단면이 축소되어 발생되는 단면축소세굴, 오랜 시간 동안 하천 흐름에 의해 발생되는 장기하상저하, 교각주위와 교대에 와류로 인해 발생되는 국부세굴로 분류 할 수 있다. 이 중 국부세굴은 하천의 통수단면 중 구조물에 의하여 흐름이 차단된 단면 주위에서 일어나는 현상으로 교대 및 교각 주위의 와류에 의하여 발생하며 최근 국부세굴에 의한 교량 파손 및 붕괴로 인하여 많은 피해가 발생 하고 있다.
	세굴이란 무엇인가?	세굴은 하천흐름에 의해 하상재료 및 제방사면 구성 물질이 침식되는 현상으로 정의되며 수중에 구조물을 만들면 그에 접하는 토사가 물의 흐름에 의해 세굴되어 구조물의 안정성에 영향을 미친다. 이러한 세굴 현상은 하상재료의 다양성에 따라 다양한 세굴형태로 타나나며 세굴형태의 차이도 크게 발생한다.
	세굴은 교량 안전성에 어떤 영향을 끼치는가?	세굴은 하상변동에서 교각의 기초를 노출시켜 지지력을 떨어뜨리기 때문에 교량 붕괴 등의 문제를 야기한다. 교량 안전성에 영향을 주는 세굴에 대한 연구와 실험이 활발하게 이루어지고 있으나 지형, 구조물의 형태 및 하상재료 등에 따라 그 차이가 상이하다.

참고문헌 (16)

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Mia, M. and Nago, H. (2003). Design Method of Time Dependent Local Scour at Circular Bridge Pier. Journal of Hydraulic Engineering. ASCE. 129: 420-427.

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Min, B. Y., Chang, H. J., Lee, H. J., and Kim, S. D. (2019). Review on Applicability of Local Scour Depth Calculation Formula in River. Korean Society of Disaster &Security. 12(1): 1-9.
Park, C. W. and Park, H. I. (2017). Evaluation of the Applicability of Pier Local Scour Formulae Using Laboratory and Field Data. Marine Georesources and Geotechnology. 35: 1-7.

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Park, J. W. (2012). Application Evaluation of Equation by the Scour Depth Estimation in Bight River. M. S. Dissertation. Kangwon University.
Sheppard, D. M., Odeh, M., and Glasser, T. (2004). Large Scale Clear-water Local Pier Scour Experiment. Journal of Hydraulics Engineering. ASCE. 130: 957-963.

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Sheppard, D. M. and Miller, W. (2006). Live-bed Local Scour Pier Experiment, Journal of Hydraulic Engineering. ASCE. 132: 635-642.

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You, J. S. (1997). In-Situ Measurement and Applicability of Bridge Scouring Depths. M. S. Dissertation. Myongji University.

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