[논문]수리모형실험 자료를 활용한 교각세굴심 산정식의 개발

장형준; 이호진; 이효상; 김성덕

doi:10.5762/kais.2020.21.1.163

초록
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우리나라는 1960년대 산업화 이후 하천 및 해상에 교량을 건설 하는 등 교통 기반시설을 활발하게 확충하였다. 교량 건설로 인하여 안정성 검토에 대한 많은 연구가 진행되고, 안정성 확보 기술이 개발되었다. 그러나 교량 상부를 중점으로 하여 기술이 개발됨에 따라 교량 하부에 대한 안정성 확보 기술 및 검사는 제한적인 실정이다. 특히 교각에서 발생하는 세굴현상은 하상에 침식 및 교량의 붕괴를 초래하기에 이에 대한 대책 수립 및 예방이 필요하다. 본 연구에서는 세굴현상에 따른 교량 피해를 예방하기 위한 기초 연구로서 교각 세굴심 산정 경험식을 개발하였다. 기존의 연구에서 진행된 수리모형실험 자료를 바탕으로 다중 선형 회귀분석을 실시하였으며, 이를 통하여 경험식을 개발하였다. 그 결과, 개발된 경험식은 0.91의 R²을 보이고 있으며, 개발된 식을 검증하기 위하여 개발에 활용되지 않은 모형실험 자료에 적용하였다. 23개 경우에 대하여 진행된 기존 모형실험의 결과와 개발된 식을 활용하여 산정된 교각 세굴심을 비교하였을 때, 약 70%인 16개 경우에서 20% 이하의 오차율 확인하였다. 이를 통하여 본 연구에서 개발된 경험식은 교각 세굴심 산정에 있어 적합한 적용성을 보인다고 판단할 수 있다. 향후 추가적인 연구를 통하여 보다 정확한 교각 세굴심 산정 경험식을 개발 할 수 있을 것이며, 세굴에 의한 교량 피해를 저감할 수 있을 것으로 기대된다.

Abstract ▼ AI-Helper

Since the industrialization in the 1960s, Korea has been expanding its transportation infrastructure, such as building bridges. Owing to bridge construction, studies on stability review have been carried out, and stability-securing technology has been developed. On the other hand, these were applied...

Since the industrialization in the 1960s, Korea has been expanding its transportation infrastructure, such as building bridges. Owing to bridge construction, studies on stability review have been carried out, and stability-securing technology has been developed. On the other hand, these were applied mainly to the upper part of the bridge, so applications to the lower part are limited. In particular, scour at the bridge pier causes erosion in the riverbed and bridge collapse. Hence, prevention studies and countermeasures are needed. In this study, an empirical formula was developed to evaluate the scour depth of a bridge, which was calculated through multiple linear regression analysis using the hydraulic model study data conducted in previous studies. The formula, which had a value of 0.91, was applied to the model test data that was not used for development to verify the developed formula. When the pier scour depths were compared in 23 cases, the error rate was less than 20% in 16 cases (70%). The empirical formula developed in this study is applicable to pier scour-depth calculations. Further research will be needed to develop a more accurate empirical formula for pier scour-depth calculations, and it is expected to reduce bridge damage caused by scour.

주제어

표/그림 (4)

표 Table 1. General information of six selected researches
표 Table 2. Variables of researches
그림 Fig. 1. Scatter plot with scour from researches and estimated by developed equations
표 Table 3. Comparison the experimental datas by Mia and Nago(2003) and the developed equation for scour depth

AI 본문요약
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문제 정의

우리나라에서는 교각 설계에 있어 적용되는 교각 세굴심 산정을 위하여 외국에서 개발된 공식을 활용하고 있다. 그러나 보다 정확한 설계 기준 제시를 위하여 본 연구에서는 통계적 방법과 기존 연구에서 진행된 수리 모형 실험 자료를 바탕으로 교각 세굴심 산정을 위한 경험식을 개발하였다. 교각 세굴심 산정 경험식을 개발하기위하여 통계 분석 프로그램인 IBM Statistical Package for the Social Science(SPSS) Statistics 20 프로그램을 활용하였으며, 다중 선형 회귀분석을 적용하였다.

제안 방법

② 개발된 경험식의 적용성 검토를 위하여, 경험식 개발에 활용되지 않은 기존의 실험 결과를 활용하였으며, 실험 결과와 경험식을 활용하여 산정된 세굴심을 비교 및 분석하였다. 그 결과, 활용된 23개 실험 중 약 70%에 해당하는 16개의 실험에서 기존의 연구 내용과 개발된 경험식을 통하여 산정된 세굴심이 20% 내의 오차율을 보였으며, 특히 5개 실험에서는 오차율 5% 이내의 비교적 우수한 교각 세굴심 산정 결과가 나타났다.
, b, y 및 V가 모든 연구들에서 적용되었다. 기존 연구들에서 실험 변수로 적용된 4개의 변수들이 교각 세굴심 산정에 비교적 큰 영향을 미치는 것으로 판단되어 본 연구에서는 실험 진행에 있어 가장 많이 적용된 4가지 변수들을 활용하여 교각 세굴심 산정 경험식 개발에 활용하였다.
그러나 현재 우리나라에서는 교각 세굴심 산정에 있어서 외국에서 개발된 산정공식을 그대로 사용하고 있으며, 정확한 설계기준이 미비한것이 실정이다. 따라서 본 연구에서는 교각 세굴심을 산정할 수 있는 경험식을 개발하기 위하여 기존에 이루어진 다양한 교각 세굴 실험 자료를 바탕으로 IBMStatistical Package for the Social Sciences (SPSS) 프로그램을 활용하였으며, 교각 세굴심을 종속변수로 설정하고 교각 세굴심과 연관성이 있는 인자들을 독립변수로 설정하여 다중 선형 회귀분석을 적용하였다. 이를 활용하여 개발된 경험식을 기존 실험 자료에 적용하고, 산정된 교각 세굴실과 실험을 통하여 도출된 세굴심을 분석하여 경험식의 적용성을 평가하였다.
따라서 본 연구에서는 교각 세굴심을 산정할 수 있는 경험식을 개발하기 위하여 기존에 이루어진 다양한 교각 세굴 실험 자료를 바탕으로 IBMStatistical Package for the Social Sciences (SPSS) 프로그램을 활용하였으며, 교각 세굴심을 종속변수로 설정하고 교각 세굴심과 연관성이 있는 인자들을 독립변수로 설정하여 다중 선형 회귀분석을 적용하였다. 이를 활용하여 개발된 경험식을 기존 실험 자료에 적용하고, 산정된 교각 세굴실과 실험을 통하여 도출된 세굴심을 분석하여 경험식의 적용성을 평가하였다.

대상 데이터

교각 세굴심 산정에 있어 개발된 경험식의 적용성을 분석하기 위하여 경험식 개발에 활용되지 않은 Mia andNago(2003)의 실험 자료에 적용하였으며, 산정된 세굴심 결과는 Table 3.과 같다. 또한, 실험 변수별 세굴심결과와 경험식을 활용하여 산정된 결과 사이의 오차율을 산정하였다.
그 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. 이와 같은 피해를 방지하기 위하여 기존 연구자들이 수리모형실험을 통하여 세굴에 대한 다양한 연구를 수행하였으며, 이 중 6개를 선정하여 본 연구에 활용하였다.

데이터처리

① 교각 세굴심에 비교적 큰 영향을 가지는 실험 변수들과 IBM SPSS Statistics 20 프로그램을 활용하여 교각 세굴심 산정을 위한 경험식을 개발하였다. 경험식은다중 선형 회귀분석을 통하여 개발되었으며, 개발된 경험식의 R²는 0.
그러나 보다 정확한 설계 기준 제시를 위하여 본 연구에서는 통계적 방법과 기존 연구에서 진행된 수리 모형 실험 자료를 바탕으로 교각 세굴심 산정을 위한 경험식을 개발하였다. 교각 세굴심 산정 경험식을 개발하기위하여 통계 분석 프로그램인 IBM Statistical Package for the Social Science(SPSS) Statistics 20 프로그램을 활용하였으며, 다중 선형 회귀분석을 적용하였다. 다중 선형 회귀분석은 종속변수가 2개 이상의 독립변수와연관성이 있는 경우 적용하는 회귀분석 방법으로, 경험식을 만들고자 하는 교각 세굴심을 종속변수로 설정하고 교각 세굴심과 연관성이 있는 인자들을 독립변수로 설정하여 분석을 실시하였다.
과 같다. 또한, 실험 변수별 세굴심결과와 경험식을 활용하여 산정된 결과 사이의 오차율을 산정하였다. Table 1.

성능/효과

① 교각 세굴심에 비교적 큰 영향을 가지는 실험 변수들과 IBM SPSS Statistics 20 프로그램을 활용하여 교각 세굴심 산정을 위한 경험식을 개발하였다. 경험식은다중 선형 회귀분석을 통하여 개발되었으며, 개발된 경험식의 R²는 0.91로 나타났다. 이를 통하여 개발된 경험식이 교각 세굴심과 4개의 실험 변수 사이의 상관성을 충분히 반영하고 있다고 판단할 수 있다.
② 개발된 경험식의 적용성 검토를 위하여, 경험식 개발에 활용되지 않은 기존의 실험 결과를 활용하였으며, 실험 결과와 경험식을 활용하여 산정된 세굴심을 비교 및 분석하였다. 그 결과, 활용된 23개 실험 중 약 70%에 해당하는 16개의 실험에서 기존의 연구 내용과 개발된 경험식을 통하여 산정된 세굴심이 20% 내의 오차율을 보였으며, 특히 5개 실험에서는 오차율 5% 이내의 비교적 우수한 교각 세굴심 산정 결과가 나타났다. 이를 통하여 개발된 경험식이 교각 세굴심 산정에 있어 비교적 우수한 적용성을 보인다고 판단할 수 있다.

후속연구

국내에서 가장 많이 사용되고 있는 CSU 세굴심 산정공식 같은 경우 실측치의 200% 이하의 오차율을 가지고 있으며, 현재 까지도 세굴심 산정에 있어서 가장 합리적인 식으로 사용되고 있다[15]. 따라서 실내 모형 실험을 통하여 개발된 경험식은 교각 세굴심 산정에 있어 활용 가능성이 있는 기초연구라고 판단되며, 향후 실측 세굴 자료들을 이용하여 적용한다면 우수한 연구 결과를 도출할 수 있을 것으로 기대된다.
향후 보다 확대된 실험 결과와 국내의 하천 하상재료의 특성을 반영하여 실시된 실험을 바탕으로 추가적인 연구가 필요할 것으로 판단된다. 또한 추가적인 연구를 통하여 국내 하천 특성을 반영한 교각 세굴심 산정 경험식이 개발될 수 있을 것으로 기대된다.
향후 보다 확대된 실험 결과와 국내의 하천 하상재료의 특성을 반영하여 실시된 실험을 바탕으로 추가적인 연구가 필요할 것으로 판단된다. 또한 추가적인 연구를 통하여 국내 하천 특성을 반영한 교각 세굴심 산정 경험식이 개발될 수 있을 것으로 기대된다.

참고문헌 (15)

Kang, J. G, "Bridge scour depth investigation of small and medium streams in Korea", Master's thesis, Myongji University, Korea, Feb. 1999. DOI: https://doi.org/10.1007/s00163-010-0086-1
Kang, J. G, "Development and application of real-time bridge scour monitoring system", Ph.D thesis, Myongji University, Korea, Dec, 2001.
Sim, O. B, "An experimental study on prediction of local scour depth around a cylindrical bridge pier with circular collar", Ph.D thesis, Hongik University, Korea, Jun, 2002.
Park, J. W, "Application evaluation of equation by the scour depth estimation in bight river", Master's thesis, Kangwon National University, Korea, Feb, 2012.
Shen, H. W, Schneider, V. R. and Karaki, S. S, Mechanics of local scour, U.S., Department of Commerce, National Bureau of Standards, Institute for Applied Technology, Gaithersburg, Maryland, 1966.
Nakagawa, H, Nezu, I. and Ueda, H, "Turbulence of open channel flow over smooth and rough beds", Proceding of Japan Society of Civil Engineers, No. 241, pp. 155-168, Dec, 1964.
Raudkivi, A. J. and Ettema, R, "Clear-water scour at cylindrical piers", Journal of Hydraulic Engineering, Vol. 109, No. 3, pp. 338-350, Jan, 1983. DOI: https://doi.org/10.1061/(ASCE)0733-9429(1983)109:3(338)

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Dey, S, Bose, S. K., and Sastry, G. N, "Clearwater scour at circular piers: a model", Journal of Hydraulic Engineering, Vol. 121, No. 12, pp. 869-876, Dec, 1995. DOI: https://doi.org/10.1061/(ASCE)0733-9429(1995)121:12(869)

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Melville, B. and Chiew, Y, "Time Scale for Local Scour at Bridge Piers" Journal of Hydraulic Engineering. Vol. 125, No. 1, pp. 59-65, Jan, 1999. DOI: https://doi.org/10.1061/(ASCE)0733-9429(1999)125:1(59)

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Mia, M. and Nago, H, "Design method of time-dependent local scour at circular bridge pier", Journal of Hydraulic Engineering, Vol. 129, No. 6, pp. 420-427, May, 2003. DOI: https://doi.org/10.1061/(ASCE)0733-9429(2003)129:6(420)

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Sheppard, D. M., Odeh, M., and Glasser, T. Large Scale Clear-water Local Pier Scour Experiment. Journal of Hydraulics Engineering. Vol. 130, No. 10, pp. 957-963, Oct, 2004.

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Sheppard.D. M and Miller. W, "Live-bed local pier scour experiments", Journal of Hydraulic Engineering, Vol. 132, No. 7, pp. 635-642, Jul, 2006. DOI: https://doi.org/10.1061/(ASCE)0733-9429(2006)132:7(635)

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Lai. J, Chang, W., and Yen, C, "Maximum local scour depth at bridge piers under unsteady flow", Journal of Hydraulic Engineering, Vol. 135, No. 7, pp. 609-614, Feb, 2009. DOI: https://doi.org/10.1061/(ASCE)HY.1943-7900.0000044

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Seong, T. J, Understanding and applying modern basic statistics, p. 598, hakjisa, 2019.
The Countermeasures against the Scouring in Highway Bridges Report, Korea Expressway Corporation, Korea.

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