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불규칙 파랑 비선형 천수 과정 수치해석 - 천수 단계별 파고분포 변화를 중심으로
Numerical Analysis of Nonlinear Shoaling Process of Random Waves - Centered on the Evolution of Wave Height Distribution at the Varying Stages of Shoaling Process 원문보기

한국해안·해양공학회논문집 = Journal of Korean Society of Coastal and Ocean Engineers, v.32 no.2, 2020년, pp.106 - 121  

김용희 (서울시립대학교 토목공학과) ,  조용준 (서울시립대학교 토목공학과)

초록
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항 외곽시설 신뢰성 설계가 합리적으로 구현하기 위해서는 우리나라 해양환경 특성이 반영된 확률모형이 필요하며 이러한 시각에서 본 연구에서는 천 해역 확률모형 개발을 위한 기초연구의 일부로 불규칙 파랑 천수 과정을 수치 모의하였다. 수치 모의는 자연해안에서 흔히 관측되는 사주가 원빈에 형성된 해안을 대상으로 수행하였으며 파랑모형은 spatially filtered Navier-Stokes Eq., LES[Large Eddy Simulation], one equation dynamic Smagorinsky turbulence closure 등으로 구성하였다. 불규칙 파랑은 우리나라 동해안에서 관측되는 너울 특성을 반영하기 위해 다양한 첨두 증강계수를 지니는 JONSWAP 스펙트럼과 random phase method를 사용하여 모의하였다. 파고분포의 모수는 먼저 수치 모의에서 관측된 자유수면 시계열 자료threshold crossing method로 파별 해석[wave by wave analysis]하여 개별 파랑을 특정하고, 이어 이렇게 특정된 파마루와 파곡 빈도 해석결과로부터 산출하였다. 모의결과 현재 천 해역 파고분포를 대표하는 수정 Glukhovskiy 파고분포는 큰 파고와 작은 파고 발생확률은 과다하게, 중간 크기 파고 발생확률은 과소하게 평가하는 것으로 모의 되었으며, 이에 반해 본 논문에서 제시된 파고분포의 경우 일치도가 상당하였다. 또한, 전술한 수정 Glukhovskiy 파고분포와의 간극은 쇄파역에서 제일 현저하게 관측되어 수정 Glukhovskiy 파고분포를 쇄파역 언저리에 거치되는 외곽시설 신뢰성 설계에 적용하는 일은 지양되어야 할 것으로 판단된다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

In order to make harbor outskirt facilities robust using the reliability-based design, probabilistic models of wave heights at varying stage of shoaling process optimized for Korean sea waves are prerequisite. In this rationale, we numerically simulate the nonlinear shoaling process of random waves ...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 최근 대형화되는 선박으로 인해 무역항의 경우 항 외곽시설은 수심이 25 m 내외의 해역에 거치되나, 소규모 어항의 경우 외곽시설의 상당 부분은 여전히 수심이 5 m 내외인 천해역에 거치되기 마련으로 소규모 어항 신뢰성 설계를 구현하기 위해서는 천수와 천수 최종단계에서 진행되는 쇄파를 반영한 천해역 확률모형 개발이 시급해 보인다. 그러나 우리나라의 경우 WINK(Jeong et al., 2018)에서 확인할 수 있듯 확률모형 개발에 필요한 장기 천해역 파고 관측자료가 가용하지 않은 경우가 대부분으로 본 논문에서는 장기 천해역 파고 관측자료의 부재로 인한 어려움을 해결하기 위해 불규칙파랑의 천수 과정을 수치 모의하였다. 수치 모의는 아직 개발의 손길이 미치지 못해 자연해안의 여러 성정을 지니는 우리나라 동해안 맹방 해빈 관측자료를 토대로 원빈 해역에 사주가 형성된 해안을 대상으로 수행되며, 이 과정에서 파랑모형은 spatially filtered Navier-Stokes Eq.
  • 이러한 시각에서 본 논문에서는 신뢰성 설계 합리적 구현에 필요한 천해역 확률모형 개발을 위한 기초연구의 일부로 불규칙 파랑의 천수 과정을 수치 모의하였다. 수치 모의는 자연 해빈에서 흔히 관측되는 사주가 원빈에 형성된 해안을 대상으로 수행하였으며 이 과정에서 파랑모형은 spatially filtered Navier-Stokes Eq.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
우리나라의 항 외곽시설 신뢰성 설계 시 외국의 확률모형을 관행적으로 수용해서는 안되는 이유는? , 2019; Chang and Cho, 2019).이러한 차이로 인해 우리나라 동해안에서는 장주기의 너울이 우세한 미국과는 달리 상당히 다양한 주기의 너울이 관측되며 이러한 파랑특성은 해안구조물의 피로 거동에 상당한 영향을 미칠 수 있다(Cho and Kim, 2019; Park and Cho,2019). 이러한 구조적 차이에도 불구하고 아직 여명기에 불과한 우리나라 신뢰성 설계는 전술한 미국 혹은 유럽에서 선호되는 확률모형을 단순 수용하여 진행된 것으로 보이나 이러한 관행은 상당한 오류를 초래할 수 있어 전술한 확률모형에 우리나라 해양환경 특성을 담아내려는 노력이 필요하다(Kim et al.
Rayleigh 파고분포란 무엇인가? Rayleigh 파고분포는 현재 해안공학 계에 가장 널리 알려진 확률모형으로, 선형모형임에도 불구하고 심해 불규칙 파랑의 경우 일치도가 상당하다(Longuet-Higgins, 1952). 그러나 항 외곽시설이 거치되는 수심이 유한한 해역의 경우 천수, 굴절 등과 같은 변형으로 인해 파랑의 비선형성은 무시할 수 없을 정도로 증가하여 파고분포는 상당한 변화를 겪는다(Choiand Cho, 2019).
신뢰성 설계의 구조적 장점은 무엇인가? 최근 항 외곽시설은 기존의 결정론적 설계에서 벗어나 신뢰성 설계로 이행되고 있으며, 이러한 추이는 결정론적 설계과정에서 수행되는 주관적 판단을 배제함으로써 합리적 설계를 가능하게 하는 신뢰성 설계의 구조적 장점에 기인한다(PIANC, 1992). 전술한 신뢰성 설계의 장점이 구현되기 위해서는 항 외곽시설에 작용하는 외력과 내구성을 가늠하는 파랑이라는 무작위 사상에 대한 확률모형이 필요하며, 현재 문헌에서 빈번하게 언급되는 파고분포를 정리하면 다음과 같다.
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  23. Suh, K.D., Kweon, H.M. and Yoon, H.D. (2003). Calculation of expected damage to breakwater armor blocks considering variability in wave direction. Journal of Korean Society of Coastal and Ocean Engineers, 15(1), 21-32. 

  24. van Vledder G.P., Ruessink, G. and Rijnsdorp, D.P. (2013). Individual wave height distributions in the coastal zone: Measurements and simulations and the effect of directional spreading. In Coastal Dynamics 2013: 7th International Conference on Coastal Dynamics, Arcachon, France. 

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