[논문]수중구조물의 파고전달계수 산정 실험 : II. 테트라포드 피복 경사형 수중구조물

이종인; 김영일

doi:10.12652/ksce.2020.40.5.0497

[국내논문] 수중구조물의 파고전달계수 산정 실험 : II. 테트라포드 피복 경사형 수중구조물
Experimental Study on Wave Transmission Coefficients of Submerged Structure : II. Rubble-Mound Type Structure armored by Tetrapods 원문보기

KSCE Journal of Civil and Environmental Engineering Research = 대한토목학회논문집, v.40 no.5, 2020년, pp.497 - 507

이종인 (전남대학교 공과대학 토목공학과) , 김영일 (전남대학교 대학원 건축토목공학과)

초록
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Tetrapod로 피복된 경사형 수중구조물을 대상으로 파랑의 전파현상을 검토하기 위해 2차원 수리실험을 수행하였다. 수리실험은 수중구조물의 서로 다른 상대여유수심, 상대여유고, 상대상단폭 및 파형경사 등을 적용하여 수행되었다. 수리실험결과를 이용하여 경사형(부분투과형) 수중구조물에 대한 파고전달계수 산정식을 제안하였다. 제안된 경험식은 경사형 수중구조물의 파고전달계수를 충분한 정도로 예측함을 확인하였으며, 기존 경험식을 개선하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

Two-dimensional laboratory experiments were conducted in a wave flume to investigate the wave transmission phenomena of rubble-mound type submerged structures armored with Tetrapods. Different experimental conditions were included by considering relative crest depth, relative freeboard, relative crest width, wave steepness, and so on. An empirical formula was proposed to predict the wave transmission coefficients over various specifications and structural designs of the partial perforated (rubble-mound) type submerged structure from the experimental results. The proposed formula successfully predicted the wave transmission coefficients. In this study, the proposed empirical formula of the wave transmission over the rubble-mound type submerged structure was improved from the existing formula.

주제어

표/그림 (18)

그림 Fig. 1. Results of d'Angremond et al.(1996) According to Wave Length
그림 Fig. 2. Experimental Facilities
그림 Fig. 3. Schematic of Model Structure
표 Table 1. Target Wave Conditions and Water Depths
그림 Fig. 4. Photographs of Model Setup
표 Table 2. Parameters of Test Cases
그림 Fig. 5. Relative Wave Heights at Measuring Points for d = 0.3 m, R_c = 0.05 m, and W = 1 m
그림 Fig. 6. Wave Transmission Coefficients by Wave Steepness for D_n = 0.042 m
그림 Fig. 7. Wave Transmission Coefficients as a Function of the Relative Crest Width (W/Ls) According to the Different Values of R_c/d & R_c/H_s for D_n = 0.042 m. Open Circles Indicate Experimental Data. Solid and Dashed Lines Indicate the Results of the Empirical Formula [Eq. (2)]
그림 Fig. 8. Comparison between Measured Data and Empirical Formula [Eq. (2)] for D_n = 0.042 m
그림 Fig. 9. Wave Transmission Coefficients by Wave Steepness for D_n = 0.074 m
그림 Fig. 10. Wave Transmission Coefficients as a Function of the Relative Crest Width (W/L_s) According to the Different Values of R_c/d & R_c/Hs for D_n = 0.074 m. Open Circles Indicate Experimental Data. Solid and Dashed Lines Indicate the Results of the Empirical Formula [Eq. (3)]
그림 Fig. 11. Comparison between Measured Data and Empirical Formula [Eq. (3)] for D_n = 0.074 m
그림 Fig. 12. Wave Transmission Coefficients by Submerged Structure Type for R_c=0.1, R_c/H_s=0.2 & H_s/L_s=0.06
그림 Fig. 13. Comparison between Measured Data and Empirical Formula [Eq. (4)] for D_n = 0.042 m
그림 Fig. 14. Comparison between Measured Data and Empirical Formula [Eq. (4)] for D_n = 0.074 m
그림 Fig. 15. Comparison between Measured Data and Empirical Formula [Eq. (4)]
그림 Fig. 16. Comparison between This Study and d'Angremond et al.(1996) Results

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구는 Table 1에 제시된 실험파와 Table 2에 제시된 수중구조물의 기하학적 제원을 바탕으로 2차원 실험을 수행하여 경사형 수중구조물에 의한 파고전달계수를 검토하는 것이 주된 목적이다. 본 연구에서 도출되는 경사형 수중구조물의 파고전달계수는 수중 구조물간의 평면배치에 따른 개구부에서의 회절파 등의 영향은 고려되지 않은 결과로서 수중구조물에 의한 에너지감쇠 효과만 반영된 것이다.
그러나 설치수심이 깊어지게 되면, 제체사석 상부에 피복재를 피복하는 경사형 수중구조물을 적용할 필요가 있다. 본 연구에서는 제체사석 상부에 Tetrapod를 피복한 경사형 수중구조물을 대상으로 수중구조물의 설치수심, 상단여유고, 상단폭, 유의파고 및 유의주기 등을 변화시키면서 전달파고 산정을 위한 2차원 수리실험을 실시하였다. 이러한 2차원 실험결과를 이용하여 경사형 수중구조물의 파고전달계수를 산정할 수 있는 경험식을 제안하였다.
본 연구에서는 투과형 수중구조물에 대한 파고전달계수를 검토한 Lee and Bae(2020)의 성과를 확장하여 제체사석 상부에 Tetrapod가 피복된 경사형 수중구조물을 대상으로 2차원 수리실험을 수행하고 파고전달계수 산정식을 제안하는 것이 주된 목표이다. 이를 위해 입사파(유의파고 및 유의주기) 제원, 제체 설치수심, 상단여유고, 수중구조물의 폭, 피복재의 규격 등을 변화시키며 수중구조물에 의한 전달파고 계측 수리실험을 수행하였다.
본 절에서는 경사형 수중구조물의 피복재로 사용된 Tetrapod의 공칭길이가 D_n = 0.042 m인 경우에 대한 파고전달계수 산정결과를 검토하였다.
본 절에서는 경사형 수중구조물의 피복재로 사용된 Tetrapod의 공칭길이가 D_n = 0.074 m인 경우에 대한 파고전달계수 산정결과를 검토하였다.

제안 방법

(3) 본 연구에서는 경사형 수중구조물을 대상으로 2가지 규격의 피복재(Tetrapod)를 적용하여 전달파고 산정을 위한 2차원 수리실험을 실시하였다. 그리고 2가지 규격의 Tetrapod 실험 결과를 통합하여 상대여유수심(R_C/d), 상대여유고(R_C/H_S), 파형경사(H_S/L_S) 및 상대 상단폭(W/L_S)을 무차원 변수로 한 다중회귀분석을 실시하고 다음과 같은 경사형 수중구조물의 파고전달계수(K_T) 산정식을 제안하였다.
(3) 본 연구에서는 경사형 수중구조물을 대상으로 2가지 규격의 피복재(Tetrapod)를 적용하여 전달파고 산정을 위한 2차원 수리실험을 실시하였다. 그리고 2가지 규격의 Tetrapod 실험 결과를 통합하여 상대여유수심(R_C/d), 상대여유고(R_C/H_S), 파형경사(H_S/L_S) 및 상대 상단폭(W/L_S)을 무차원 변수로 한 다중회귀분석을 실시하고 다음과 같은 경사형 수중구조물의 파고전달계수(K_T) 산정식을 제안하였다.
즉, 동일 수심조건에서 유의주기가 상대적으로 짧은 경우에는 Table 1에 제시된 최대 유의파고 이하 조건까지 실험파를 설정하였다. 그리고 실험파는 수중구조물 위치가 아닌 쇄파가 발생하지 않는 위치, 즉 Fig. 2에서 해저경사가 시작되기 전의 위치에서 목표 스펙트럼을 재현하고, 구조물 위치에서의 유의파고를 분석하였다. Table 1에 제시된 파랑제원은 목표 파랑제원이며, 실험결과 분석시에는 실험파 설정시 수중구조물 위치에서의 파랑제원을 이용하였다.
따라서 본 연구에서는 0.4≤x/LS≤1.2 범위에 위치하는 계측파고를 평균한 파고와 입사파고의 비로 파고 전달계수를 산정하였다.
35임을 제시하였다. 본 실험에서는 Lee and Bae (2020)가 제시한 무차원 변수의 범위가 포함되도록 실험파, 설치 수심, 여유고 및 수중구조물 상단폭 등을 설정하였다.
본 연구에서는 경사형 수중구조물의 피복재로 사용되는 Tetrapod의 크기에 관계없는 산정식의 도출을 위해 공칭길이 D_n = 0.042 m와 D_n = 0.074 m인 실험결과를 통합하여 파고전달계수 산정식을 추가로 도출하였으며, 산정식은 Eq. (4)와 같다.
본 연구에서는 피복재의 규격에 따른 파고전달계수의 변화를 검토하기 위해 공칭길이 D_n = 0.042 m와 D_n = 0.074 m인 Tetrapod를 이용하여 실험을 수행하고, 각각의 공칭길이에 해당하는 파고전달계수 산정식을 도출하였다. 각각의 공칭길이에 해당하는 파고전달계수 산정식인 Eqs.
실험파의 유의주기(significant wave period, LS) 및 유의 파고(significant wave height, HS)는 각각 LS= 1.0 ~ 3.0 sec, HS= 0.02 ~ 0.22 m 범위이며, 유의주기는 ΔLS= 0.2 sec 간격, 유의파고는 ΔHS = 0.02 m 간격으로 설정하였다.
본 연구에서는 제체사석 상부에 Tetrapod를 피복한 경사형 수중구조물을 대상으로 수중구조물의 설치수심, 상단여유고, 상단폭, 유의파고 및 유의주기 등을 변화시키면서 전달파고 산정을 위한 2차원 수리실험을 실시하였다. 이러한 2차원 실험결과를 이용하여 경사형 수중구조물의 파고전달계수를 산정할 수 있는 경험식을 제안하였다.
본 연구에서는 투과형 수중구조물에 대한 파고전달계수를 검토한 Lee and Bae(2020)의 성과를 확장하여 제체사석 상부에 Tetrapod가 피복된 경사형 수중구조물을 대상으로 2차원 수리실험을 수행하고 파고전달계수 산정식을 제안하는 것이 주된 목표이다. 이를 위해 입사파(유의파고 및 유의주기) 제원, 제체 설치수심, 상단여유고, 수중구조물의 폭, 피복재의 규격 등을 변화시키며 수중구조물에 의한 전달파고 계측 수리실험을 수행하였다. 실험조건별로 계측된 전달파고 자료로부터 여러 가지 무차원 변수를 이용하여 파고전달계수 산정식을 제안하고, 기존 연구 성과와 비교하였다.
본 실험에서 자유수면 계측에 활용된 파고계는 용량식으로서 전체 12대의 파고계를 설치하여 계측하였다. 파고계 2대는 수중구조물 전면에 설치하여 입사파 확인 및 반사계수를 분석하였으며, 10대의 파고계는 수중구조물 상부 및 후면에 설치하여 자유수면을 계측하고, 파고를 분석하는데 활용되었다.

대상 데이터

2에서 해저경사가 시작되기 전의 위치에서 목표 스펙트럼을 재현하고, 구조물 위치에서의 유의파고를 분석하였다. Table 1에 제시된 파랑제원은 목표 파랑제원이며, 실험결과 분석시에는 실험파 설정시 수중구조물 위치에서의 파랑제원을 이용하였다. 그리고 실험파는 목표 파랑제원에 최대한 근접하도록 반복하여 설정하였으며, 국토교통연구인프라운영원(KOCED, 2019)에서 제시한 설정방법을 이용하였다.
2는 단면수로의 개념도이다. 본 실험에서 자유수면 계측에 활용된 파고계는 용량식으로서 전체 12대의 파고계를 설치하여 계측하였다. 파고계 2대는 수중구조물 전면에 설치하여 입사파 확인 및 반사계수를 분석하였으며, 10대의 파고계는 수중구조물 상부 및 후면에 설치하여 자유수면을 계측하고, 파고를 분석하는데 활용되었다.
여기서, D_n은 공칭길이(nominal length)로서 D_n = V^1/3이며, V는 피복재의 체적이다. 본 실험에서는 Tetrapod를 2층 피복함으로서 피복재 높이(A_T)는 A_T = 0.09 m( D_n = 0.042 m 인 경우)와 A_T = 0.17 m(D_n = 0.074 m인 경우)이다. 따라서, 본 실험에 적용된 피복재의 높이(A_T)와 수중구조물의 전체 높이(h_S)의 비는 A_T= 0.
3에서 d는 수중구조물 선단에서의 설치수심, R_C는 여유고(수중구조물 상단으로부터 정수면까지의 높이), W는 수중구조물의 상단폭, A_T는 수중구조물의 피복재 높이, A_R은 수중구조물의 제체사석 높이, h_S는 수중구조물의 전체 높이이다. 본 실험에서는 피복재로 Tetrapod를 활용하였으며, 피복재의 사면경사는 1:1.5로 고정하였다.
본 실험은 전남대학교 해안항만실험센터 단면수로에서 수행되었으며, 사용된 단면수로의 제원은 폭 1 m, 길이 50 m, 높이 1.3 m이며, 전기서보피스톤식 조파기가 설치되어 있고, 규칙파 및 불규칙파를 조파할 수 있다. 또한 조파판 전면에 부착된 파고계를 이용하여 독취한 자료를 바탕으로 반사파 흡수식 제어가 가능하고 수로 양쪽 끝부분에 소파시설이 설치되어 있다.
3 참조). 실험에는 2가지 크기(D_n = 0.042 m, D_n = 0.074 m)의 Tetrapod를 적용하였으며, 이는 동일 피복재의 경우라도 크기에 따른 파고전달계수의 변화를 분석하기 위한 것이다. 여기서, D_n은 공칭길이(nominal length)로서 D_n = V^1/3이며, V는 피복재의 체적이다.

데이터처리

경사형 수중구조물의 피복재로 사용된 Tetrapod의 공칭길이가 D_n = 0.074 m인 경우의 실험결과를 이용하여 다중회귀분석을 실시하였고, 도출된 파고전달계수 산정식은 Eq. (3)과 같다.
경사형 수중구조물의 피복재로 사용된 Tetrapod의 공칭길이가 D_n =0.042 m인 경우의 실험결과로부터 R_C/d, R_C/H_S, H_S/L_S 및 W/L_S의 무차원 변수를 이용하여 다중회귀분석을 실시하였고, 도출된 파고전달계수 산정식은 Eq. (2)와 같다.
이를 위해 입사파(유의파고 및 유의주기) 제원, 제체 설치수심, 상단여유고, 수중구조물의 폭, 피복재의 규격 등을 변화시키며 수중구조물에 의한 전달파고 계측 수리실험을 수행하였다. 실험조건별로 계측된 전달파고 자료로부터 여러 가지 무차원 변수를 이용하여 파고전달계수 산정식을 제안하고, 기존 연구 성과와 비교하였다.

이론/모형

Table 1에 제시된 파랑제원은 목표 파랑제원이며, 실험결과 분석시에는 실험파 설정시 수중구조물 위치에서의 파랑제원을 이용하였다. 그리고 실험파는 목표 파랑제원에 최대한 근접하도록 반복하여 설정하였으며, 국토교통연구인프라운영원(KOCED, 2019)에서 제시한 설정방법을 이용하였다.
수중구조물로 인한 쇄파 등으로 발생되는 수중구조물 후면에서의 수위상승은 filtering 기법을 이용하여 제거 하였으며, 수위상승분이 제거된 자유수면 자료로부터 영점상향교차법(zero-up crossing method)을 이용하여 파고를 분석하였다. 본 분석방법은 Lee and Bae(2020)의 방법과 동일하다.
2 범위에 위치하는 계측파고를 평균한 파고와 입사파고의 비로 파고 전달계수를 산정하였다. 수중구조물로 인한 쇄파 등으로 발생되는 수중구조물 후면에서의 수위상승은 filtering 기법을 이용하여 제거 하였으며, 수위상승분이 제거된 자유수면 자료로부터 영점상향교차법(zero-up crossing method)을 이용하여 파고를 분석하였다. 본 분석방법은 Lee and Bae(2020)의 방법과 동일하다.

성능/효과

(1) 상대여유고(RC/HS)가 RC/HS≤0.5인 경우에는 파형경사에 관계없이 유사한 파고전달계수가 산정되었으며, 상대여유고가 증가하게 되면 기존 연구들과 같이 파형경사가 커질수록 파고 전달계수는 증가하였다.
(2) 동일 피복재의 경우에도 피복재의 규모에 따른 파고전달계수의 차이를 보였으며, 이는 피복재를 통한 투과파의 차이에 기인한다. 즉, 동일한 공극율을 가지는 피복재의 경우에도 규격이 클수록 상대적으로 큰 파고전달계수가 나타났다.
일부 조건에서 파형경사가 큰 경우에 Eq. (2)에 의한 결과가 실험결과보다 약간 큰 파고전달계수를 보이지만 전체적으로 실험 결과와 산정식에 의한 결과가 잘 일치하는 것으로 나타났다. 그리고 W/L_S≥0.
(3)에 의한 결과를 비교한 것으로서 전체적으로 경험식이 실험결과를 잘 예측하고 있지만, W/LS>0.8에서는 실험결과가 일정한 파고전달계수값을 보이는데 반해 경험식에 의한 값은 W/LS가 증가할수록 약간 감소하는 경향을 보인다.
Figs. 6(a) and 6(b)는 상대여유수심이 R_C/d=0.13인 조건의 파고전달계수를 도시한 것으로서 상대여유고가 R_C/H_S=0.36~0.42인 경우에는 파형경사에 따른 파고전달계수는 유사하게 나타났고, R_C/H_S=0.83인 경우에는 파형경사에 따른 차이를 보였다. 즉, 상대여유고가 작은 경우에는 파형경사에 따른 파고전달계수의 차이는 크지 않고 상대 상단폭(W/L_S)에 따라 변하는 것을 알 수 있다.
따라서, 본 실험에 적용된 피복재의 높이(AT)와 수중구조물의 전체 높이(hS)의 비는 AT= 0.09 m인 경우에 AT/hS=0.26~0.45, AT= 0.17 m인 경우에 AT/hS =0.38~0.85 범위이며, 대부분의 실험조건은 AT/hS≤0.5이다.
그리고 투과형보다는 경사형 수중구조물인 경우가 피복재 규격에 따른 파고전달계수의 차이는 근소하지만 작게 나타났다. 또한 동일한 상대 상단폭(W/L_S) 조건에서 투과형에 비해 경사형 수중구조물의 파고전달계수가 작게 산정되었다. 이는 경사형 수중구조물은 제체사석 상부에 피복재가 피복되는 형상이기 때문에 제체를 통한 투과파가 제체 전체가 피복재로 구성된 투과형 수중구조물보다 감소하는 영향으로 판단된다.
본 연구에서는 제체사석 상부에 피복재를 피복한 경사형 수중구조물에 대한 파고전달계수 산정식을 제안하였으며, 동일 조건에서 투과형에 비해 보다 작은 파고전달계수를 보였다. 추후 본 연구를 확장하여 불투과형 수중구조물에 대한 파고전달계수 산정식을 제안하고자 한다.
042 m인 경우보다 약간 큰 상대파고가 계측되었다. 전체적으로 수중구조물에 의한 수심 감소로 인해 수중구조물 전사면에서는 파고가 증가하였다가 수중구조물 상단에서의 쇄파로 인해 파고가 급격하게 감쇠됨을 알 수 있다. 그리고 수중구조물 후면 선단으로부터 약 0.
(2) 동일 피복재의 경우에도 피복재의 규모에 따른 파고전달계수의 차이를 보였으며, 이는 피복재를 통한 투과파의 차이에 기인한다. 즉, 동일한 공극율을 가지는 피복재의 경우에도 규격이 클수록 상대적으로 큰 파고전달계수가 나타났다.

후속연구

5의 범위 이다. 본 산정식은 무차원 변수들의 적용범위를 크게 벗어나지 않는 조건에서 외삽이 가능할 것으로 판단된다.
본 연구에서는 제체사석 상부에 피복재를 피복한 경사형 수중구조물에 대한 파고전달계수 산정식을 제안하였으며, 동일 조건에서 투과형에 비해 보다 작은 파고전달계수를 보였다. 추후 본 연구를 확장하여 불투과형 수중구조물에 대한 파고전달계수 산정식을 제안하고자 한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	수중구조물의 역할은 무엇인가?	연안침식 대책공법으로 국내에서 일반적으로 적용하고 있는 수중구조물(submerged structure)은 내습파를 구조물 상단에서 쇄파시켜 파랑에너지를 감소시키는 기능을 하며, 이러한 파랑 감쇠효과를 얻기 위해서는 낮은 상단수심과 비교적 넓은 폭의 수중구조물이 요구된다. 기존 설계사례를 분석해 보면 설치수심이 낮아 제체의 대부분을 콘크리트이형블록(Tetrapod)으로 구성한 투과형 수중구조물이 대부분이며, 구조물 설치수심이 상대적으로 깊은 일부 조건에서 제체사석 상부에 콘크리트이형블록을 피복한 경사형 수중구조물이 적용되고 있다.
	국내의 연안침식 대책공법과 관련하여 기존 수중구조물 설계사례로는 대부분 무엇이 차지하는가?	연안침식 대책공법으로 국내에서 일반적으로 적용하고 있는 수중구조물(submerged structure)은 내습파를 구조물 상단에서 쇄파시켜 파랑에너지를 감소시키는 기능을 하며, 이러한 파랑 감쇠효과를 얻기 위해서는 낮은 상단수심과 비교적 넓은 폭의 수중구조물이 요구된다. 기존 설계사례를 분석해 보면 설치수심이 낮아 제체의 대부분을 콘크리트이형블록(Tetrapod)으로 구성한 투과형 수중구조물이 대부분이며, 구조물 설치수심이 상대적으로 깊은 일부 조건에서 제체사석 상부에 콘크리트이형블록을 피복한 경사형 수중구조물이 적용되고 있다.
	국내에서 구조물 설치수심이 상대적으로 깊은 일부 조건에서는 수중구조물로 무엇이 적용되고 있는가?	연안침식 대책공법으로 국내에서 일반적으로 적용하고 있는 수중구조물(submerged structure)은 내습파를 구조물 상단에서 쇄파시켜 파랑에너지를 감소시키는 기능을 하며, 이러한 파랑 감쇠효과를 얻기 위해서는 낮은 상단수심과 비교적 넓은 폭의 수중구조물이 요구된다. 기존 설계사례를 분석해 보면 설치수심이 낮아 제체의 대부분을 콘크리트이형블록(Tetrapod)으로 구성한 투과형 수중구조물이 대부분이며, 구조물 설치수심이 상대적으로 깊은 일부 조건에서 제체사석 상부에 콘크리트이형블록을 피복한 경사형 수중구조물이 적용되고 있다.

참고문헌 (12)

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상세보기
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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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