Experimental Study on Irregular Wave Forces Acting on a Marker Rock Installed on a Submerged Breakwater

海岸 및 港灣工學

大 韓 土 木 學 會 論 文 集

第26卷 第4B 號·2006年 7月 pp. 413 ~ 420

수중방파제 천단상의 표식암에 작용하는 불규칙파의 파력특성에 관한 실험적 연구

Experimental Study on Irregular Wave Forces Acting on a Marker Rock Installed on a Submerged Breakwater

허동수*

Hur, Dong Soo

···

Abstract

The construction of a submerged breakwater has become increasing due to their multiple effects on the coastal zone.

Recently, marker rocks have been installed on the submerged breakwater to indicate its position to the vessels instead of buoy systems, since a buoy is not only improper for the ocean view, but also its mooring system may be damaged by the impulsive wave force caused by wave breaking on the breakwater. The accurate estimation of wave forces on such rocks is deemed nec- essary for their stability design. In this study, the characteristics of irregular wave forces acting on a marker rock, which was installed on a submerged breakwater, was investigated on the basis of laboratory experiments. It was revealed that the dimen- sionless highest one-third wave force tends to decrease with increasing the installation distance of a marker rock from the lead- ing crown edge of a submerged breakwater. Also, the drag and inertia coefficients for irregular wave forces, which were obtained using the Morison equation, were investigated in relation to K.C. number.

Keywords : marker rock, irregular wave force, submerged breakwater, wave force coefficient

···

요 지

연안역에 설치되는 구조물로서 경관이나 해수 교환면에서 높은 기능을 가지고 있는 수중방파제의 건설이 증가하고 있다.

수중방파제의 경우, 천단이 정수면 아래에 위치하기 때문에 소형선박의 항해에 대한 표식으로서 일반적으로 부이가 많이 이 용되고 있으나, 경관면 뿐만 아니라 쇄파파력에 의한 계류시스템의 파단과 같은 문제점이 지적되고 있다. 이로 인해, 최근에 는 계류부이방식 대신에 자연에 가까운 경관을 창조할 수 있는 표식암을 이용하는 경우가 늘고 있으며, 이러한 표식암에 작 용하는 파력의 정확한 예측은 설계 시 매우 중요하다. 본 연구에서는 불규칙 파동장을 대상으로 표식암에 작용하는 파력특 성을 수리모형실험에 근거하여 검토하였다. 무차원 파력은 수중방파제상의 표식암 설치위치가 연안측으로 이동함에 따라 감 소하는 경향을 보였다. 또한, Morison식을 이용하여 얻어진 항력계수와 관성력계수의 변동특성이 K.C.수의 변화와 연관되어 논의되었다.

핵심용어 : 표식암, 불규칙파력, 수중방파제, 파력계수

···

1. 서 론

최근, 해안·해양구조물은 파랑제어 또는 표사제어만을 목 적으로 하는 구조물로서가 아니라 친수성이나 경관 등 구조 물의 설계 및 배치에 대하여 다기능성을 구비하도록 요구되 고 있다. 이에 따라 천단이 해면상에 있는 종래의 이안제를 대신하여 많은 기능을 가진 수중방파제의 건설기회가 늘어 나고 있다. 수중방파제는 경관면 뿐만 아니라 해수 교환면에 서도 높은 기능을 가지고 있는 반면, 천단이 정수면 아래에 있는 구조물이기 때문에 소형선박의 충돌이나 좌초 등 항해 에 지장을 줄 수 있으므로 천단상에 부이를 설치하여 그 위

치를 명시하는 경우가 많다. 하지만, 부이는 경관면에서 좋 지 않을 뿐만 아니라 쇄파파력에 의한 계류시스템의 파단 등으로 2차 피해의 문제점까지도 지적되고 있다. 이에 대해 최근에는 계류부이방식 대신에 자연에 가까운 경관을 창조 할 수 있는 표식암(Photo 1 참조)을 이용하는 경우가 증가 하고 있다. 그러나 표식암은 형상이 복잡하며, 더욱이 수중 방파제의 천단상에서는 일반적으로 쇄파 혹은 쇄파후의 파 가 작용하기 때문에 작용파력특성은 매우 복잡할 것으로 예 측된다.

한편, 표식암과 같이 고립된 구조물에 작용하는 파력에 관 한 연구는 대부분이 원주 및 연직주상체를 대상으로 하고

*

정회원·경상대학교토목환경공학부

(

해양산업연구소

)

조교수

(E-mail : [email protected])

있으며 , 구조물의 대표경이 작은 경우의 작용파력 산정식으 로서 Morison 식 (Morison et al ., 1950) 이 주로 이용되어 왔 다 . 또한 , 이와 관련하여 파력산정을 위한 파력계수 즉 , 항 력계수와 관성력계수에 관하여도 수많은 연구가 수행되어 있 다 . 하지만 , 구조물 직전에서 쇄파된 후 , 구조물에 충격쇄파 력이 작용될 경우는 , 수괴의 충돌에 의한 부가질량이 급격히 변화하므로 충격쇄파력을 표현하기 위해서는 항력과 관성력 이외에 별도로 충격쇄파력의 효과를 고려할 필요가 있는 것 으로 지적되고 있으며 , 이에 관해서도 많은 연구자에 의해 주목할 만한 연구결과들이 보고되고 있다 (Ross, 1955, 1959;

Hall, 1958; Goda et al ., 1966, 1972; Horikawa et al. , 1973; Mitsuyasu and Honda, 1973; Sawaragi ^{et al} ., 1983).

이상과 같이 원주 및 연직주상체를 대상으로 한 많은 실 험적 연구가 행해져 있지만 , 본 연구에서 대상으로 하고 있 는 표식암과 같이 단면이 변화하는 구조물에 작용하는 충격 쇄파력에 관한 연구는 극소수에 불과하다 . 배기성과 허동수

(2002) 는 실험을 통하여 표식암에 작용하는 규칙파 파력특성

을 논의하였으며 , Hur and Mizutani(2003) 와 Hur et al .

(2004) ^{은 새로운 수치해석기법을 제안하여 표식암에 작용하}

는 파력의 동적변화특성을 고찰함과 동시에 파력예측수법으 로서의 가능성을 제시하였다 . 하지만 , 이들의 연구는 모두 규 칙파를 대상으로 하고 있고 , 실해역의 파랑은 불규칙적이기 때문에 표식암에 작용하는 불규칙파의 파력특성을 명확하게 규명하는 것이 내파설계상 중요한 문제이다 .

따라서 , 본 연구에서는 투과성수중방파제 천단상의 표식암 에 작용하는 불규칙파에 의한 파력특성을 수리모형실험을 통 하여 상세히 검토한다 . ^먼저 , ^{최대파력의 특성을 고찰한 다}

음에 파력산정식으로서 Morison 식의 적용성을 검토함과 동 시에 관성력계수와 항력계수의 특성을 표식암의 형상과 관 련해 논의한다 .

2. 수리모형실험 2.1 차원해석

본 연구의 대상인 투과성수중방파제 천단상의 구조물에 작 용하는 불규칙파의 파력은 다음과 같은 물리량에 지배된다 고 생각할 수 있다 .

(1)

여기서 , ^{D는 구조물의 대표길이} , ^h

t

는 수중방파제의 바다측 경사 시작점의 수심 , x는 천단의 바다측 단부로부터의 수평 거리 , T

1/3

는 유의파주기 , H

1/3

는 유의파고 , ρ 는 유체밀도 , g 는 중력가속도 , R은 수중방파제의 천단수심 , B는 천단폭 , s 는 수중방파제의 비탈면경사 , tan α 는 해저경사 , µ 는 유체의 분자점성계수 , t는 시간 , χ 는 구조물의 형상을 나타내는 무차 원 parameter, 는 수중방파제의 공극율을 나타낸다 . 또한 ,

본 연구에서는 바다측과 육지측의 비탈면경사가 동일한 수중 방파제를 연구대상으로 하고 있다 .

식 (1) 에 Buckingham 의 π 정리를 적용해서 정리하면 , 최 종적으로 다음식을 얻는다 .

(2)

여기서 , ν (= µ / ρ ) 는 유체의 동점성계수를 나타낸다 . 우변 제 3

항의 H

1/3

/ D는 Keulegan-Carpenter 수 (Keulegan and Carpenter, 1958, ^이하 K.C. ^{수라고 칭한다} ) ^{에 대응하는 항으로} , ^입사파

고 H

1/3

를 대신해 유속의 대표진폭 U

m

을 이용하면 U

m

T

1/3

/ D로 표현하는 것도 가능하며 , 불규칙파의 유속의 대표진폭 U

m

으로서 진폭의 1/3 최대치 U

1/3

으로 대체하는 것으로 한다 .

무차원파력 F/ ρ gH

1/3

D

²

에 관해서는 , 파력 진폭의 1/3 최대치 로 나타낸 F

1/3

/ ρ gH

1/3

D

²

를 이용하여 논의한다 . 또한 , gT

1/32

은 파장에 대응하는 항이므로 , 본론에서는 gT

1/32

을 대신해서

( L

1/3

)

0

(= gT

1/32

/(2 π )) 을 이용한 무차원량을 해석에 이용하는 것으로 한다 .

본 연구에서는 상술한 물리량 전부의 효과에 대해서 검토 하는 것은 수리모형실험의 제약상 곤란하기 때문에 D , h

t

,

R , B , s , tan α , 를 고정하여 실험을 수행하는 것으로 한다 .

따라서 본 연구의 범위 내에서는 무차원 최대파력 F

1/3

/ ρ gH

1/3

D

²

는 다음과 같은 4 개의 무차원량에 지배된다고 볼 수 있다 .

or

(3)

2.2 실험조건 및 실험방법

Fig. 1 과 같은 2 차원수조 ( 길이 30 m, 폭 0.7 m, 높이 0.9 m) 를 이용하여 실험을 실시하였다 . 수조의 바다측 단부에는

flap 형조파장치가 설치되어 있으며 , 수조 내에 일정경사

tan α =1/30 의 불투과 사면을 설치하고 , 그 위에 자갈로 수중 방파제의 모형을 설치하였다 . 그리고 정선근방에는 반사파를 없애기 위한 소파용 필터를 설치하였다 . 또한 , 수중방파제의 천단수심 ( ^R =4 cm), ^{바다측 높이} ( ^h

t

=20 cm) ^{및 바다측과 육지}

측의 비탈면경사 ( s =1/3) 를 고정하여 실험을 실시하였다 .

F=f D, h (

_t

, x, T

_1/3

, H

_1/3

, ρ , g, R, B, s, tan α , µ , t, χ , ι )

ι

F ρ gH

_1/3

D

²

---=

φ ^x gT

_1/3²

---, h

_t

gT

_1/3²

---, H

_1/3

---, D D h

_t

----, B

h

_t

----, R

h

_t

----, s, tan α , χ , ι , h

_t

gD ---, t ν

H

_1/3

---

⎝ ⎠

⎜ ⎟

⎛ ⎞

ι

F

_1/3

ρ gH

_1/3

D

²

---= ψ ^H ---, x _D

^1/3

L

_1/3

( )

₀

---, h

_t

L

_1/3

( )

₀

---, χ

⎝ ⎠

⎜ ⎟

⎛ ⎞

= ψ ′ U

_1/3

T

_1/3

---, x D

L

_1/3

( )

₀

---, h

_t

L

_1/3

( )

₀

---, χ

⎝ ⎠

⎜ ⎟

⎛ ⎞

Photo 1. Marker rocks on a submerged breakwater (in Fukui

Pref., Japan)

실험에 사용하는 표식암의 모형 ( 이하 , 구조물로 칭한다 ) 으

로서는 실제로 시공예가 있는 표식암의 형상을 이상화한 Fig.

2 의 원추대와 각추대를 이용하였다 . 먼저 , 수조상단에 고정한 지지대에 3 ^{분력계를 달고} , ^{그 아래에 구조물 모형을 매달아서}

파력의 계측을 행하였다 (Photo 2 참조 ). 이 때 , 수중방파제의

천단과 구조물 저면과의 거리는 2 mm 정도가 되도록 하였고

, 각추대의 경우는 저면의 한 변이 파봉과 평행이 되도록 설

치하였다 . 구조물 모형의 설치위치를 천단의 바다측 단부로부 터 4 개 지점 ( x =7, 17, 27, 50 cm) 으로 옮겨가면서 계측하였 다 . 발생파는 Bretschneider-Mitsuyasu 형 주파수스펙트럼을 기 대스펙트럼으로 하는 불규칙파이고 , Table 1 에 나타내는 것과 같이 9 종류의 불규칙파 신호를 입력값으로서 발생시켰다 . 따 라서 구조물 모형의 설치위치 (4 개소 ) 를 고려하면 실험조건은 각각의 구조물에 대해 전부 36 조건이 된다 .

각각의 조건에 대하여 구조물에 작용하는 수평 및 연직방 향파력 ( 수위변동은 전기용량식파고계 (C-300, C-500), 유속 은 전자유속계 (ACM-200P), 파력은 3 분력계 (LSM -5KBS) 로 계측하였다 . 수위계와 유속계의 출력은 각각 수위계직류증폭 기 (CH-306) 와 유속계증폭기 (ACM-200P), 3 분력계의 출력은 전용증폭기 (DPM -712B) 를 통해서 전기신호로 변환한 후 펜

레코더 (WR3701-6L) 에 기록함과 동시에 컴퓨터를 이용하여

샘플링타임 0.02 초 (50Hz), Data 수 5000 개로 AD 변환하여 저장하였다 . ^또한 , ^{실험 및 계측은 모두 정수상태에서 시작}

하였다 .

2.3 해석방법 및 파력산정식

표식암에 작용하는 규칙파의 수평방향 파력특성에 관한 연 구 ( 배기성과 허동수 , 2002) 에 의하면 , 유속과 가속도의 평가 위치를 구조물 전면으로 하고 , 투영면적과 체적으로서 구조 물 중심위치에서의 수위보다 아래에 있는 부분의 값을 이용

하는 것에 의해 Morison 식으로 수평방향 파력을 높은 정도

로 산정할 수 있다는 것이 보고 되어 있다 . 따라서 , 본 연 구의 대상인 불규칙파 파력에 대해서도 , 수평방향 작용파력

의 산정에 다음과 같은 Morison 식을 이용하였다 .

(4)

여기서 C

Dx

는 x방향의 항력계수 , C

Mx

은 x방향의 관성력계수 ,

u는 구조물 전면에서의 x방향 물입자유속 , 는 구조물 전면 에서의 x방향 가속도 , A ( η ), V ( η ) 는 각각 z = η 이하 부분의 파 진행방향 투영면적과 체적 , η 는 구조물 중심위치에서의 수위변동을 나타낸다 . 또한 , 가속도의 시간파형은 , 실험에서 계측된 유속의 시간변화를 Fourier 변환에 의한 주파수성분파 로 분해한 후 , 수치미분에 상당하는 수치필터를 이용하여 산 정하였다 .

Morison 식 중의 파력계수는 최소자승법을 이용하여 계산

하지만 , ^{이 때} , ^{파력계수는} , ^{이하에 나타내는} 2 ^{종류의 수법에}

의해 , 2 종류의 값을 계산하였다 .

F

_x

1

2--- ^C

^Dx

^{ρ A ( )u u C η} +

^Mx

^{ρ V ( )u η} ·

=

u · Fig. 1 Schematic sketch for hydraulic model set-up

Fig. 2 Model structures used in hydraulic model tests

Photo 2 Set-up of model structure

Table 1. Wave Conditions used for experiments

TEST Expected Generated

T

^1/3

(s) H

^1/3

(cm) T

^1/3

(s) H

^1/3

(cm) CASE1-a

1.0 2.0 0.96 1.94

CASE1-b 6.0 0.94 6.09

CASE1-c 10.0 0.96 9.97

CASE2-a

1.4 2.0 1.26 1.87

CASE2-b 6.0 1.25 5.84

CASE2-c 10.0 1.24 9.70

CASE3-a

2.0 2.0 1.72 1.79

CASE3-b 6.0 1.82 5.64

CASE3-c 10.0 1.79 9.79

Method-1 : 파력계수는, 파별해석파별로 다르다고 가정하고, 파별해석파별로 파력계수를 계산한다.

Method-2 : 파력계수는, 하나의 시계열 기록 내에서는 일정 하다고 가정하고, 하나의 시계열 기록에 대해서 하나의 파력 계수를 계산한다.

또한, 본 연구에서는 파별해석법으로 zero-down cross 법 을 이용하였다.

3. 최대파력의 특성

Fig. 3은 x방향의 무차원 1/3최대파력 F

x1/3

/ ρ gH

1/3

D

²

의 무 차원거리 x/(L

1/3

)

0

((L

1/3

)

0

은 T

1/3

에 대응하는 심해파장)에 따 른 변동특성을 나타내고 있다. 또한, Table 1에 나타내고 있 는 것과 같이, 그림 중의 CASE1, CASE2, CASE3은 각각 유의파주기의 차이를, a, b, c는 유의파고의 차이를 나타내며, a(그림중 사각기호에 해당)는 비쇄파의 조건이다. Fig. 3으로 부터 수중방파제 천단상의 바다측 단부로부터 x/(L

1/3

)

0

<0.1의 범위에서 F

x1/3

/ ρ gH

1/3

D

²

가 가장 큰 것을 알 수 있다. 그 후, x/(L

1/3

)

0

가 커짐에 따라 Fx

1/3

/ ρ gH

1/3

D

²

은 감소한다. 즉, 수중 방파제 천단상의 바다측 단부 부근에서 입사파의 쇄파로 인 해 큰 파력이 작용한다. 이것은 그림 중 사각기호로 표시된 비쇄파의 경우, 천단상의 바다측 단부에서 그다지 큰 값이 나타나지 않은 것으로부터도 확인할 수 있다. 또한, Fx

1/3

/ ρ gH

1/3

D

²

은 유의파주기에 비례하여 커지는 경향이 있다.

Fig. 3에 도시된 값은 불규칙파의 1/3최대치에 대한 값으 로서, 규칙파의 경우(배기성과 허동수, 2002)와 같이 항상 충격쇄파가 작용하는 것처럼 큰 값으로는 나타나지 않지만, 파별해석파에 대한 값은 규칙파와 같은 정도의 값을 보일

것으로 판단된다.

또한, 구조물 형상의 차이에 따른 차를 보면, 각추대의 경 우가 원추대의 경우보다 약 1.4배정도 작용파력이 커지며, 파압이 작용하는 구조물 전면에 곡률을 가지는 형상이 파력 의 면에서 유리하다는 것을 확인할 수 있다.

4. 파력계수의 산정법

Fig. 4에 CASE2-b의 실험조건에서 원추대의 설치위치가 x/(L

1/3

)

0

=0.03인 경우에 대하여 2.3절에서 설명한 Method-1 과 Method-2의 양 수법에 의해 얻어진 파력계수와 K.C.수 의 관계를 나타낸다. Method-1에 의한 파별해석법의 항력계 수는 K.C.수가 작아짐에 따라 커지고, 역으로 K.C.수가 커 지면 일정치에 가까워지는 경향이 보인다. 한편, 관성력계수 는, 값의 범위에 따라 차이는 있지만 K.C.수에 의한 변화는 거의 없이 일정치로 간주할 수 있다. 하지만, 양 계수 모두 K.C.수가 작은 영역에서 분산범위가 넓어지는 것을 알 수 있다.

일반적으로 K.C.수가 작은 범위에서는 관성력이 탁월하고, 항력계수에 포함되어 있는 오차가 상대적으로 커지는 것이 원 주(Sarpkaya and Isaacson, 1981) 및 구체(Mizutani, 1994) 에 작용하는 파력에 대해서 지적되어 있지만, Fig. 4(b)의 관 성력계수에서도 분산이 확인되고, 또한 후술하는 것과 같이 수중방파제 천단상의 표식암에 작용하는 파력은 K.C.수가 작 은 범위에서 항력이 탁월한 경우도 있는 것을 고려하면, 표식 암에 작용하는 불규칙파의 파력은, 파별로 탁월파력성분 및 그 비율이 변화하기 때문에 이와 같이 K.C.수가 작은 범위에 서 양 계수가 분산하는 결과를 보였다고 판단된다.

Fig. 3 Dimensionless highest one-third wave forces in

horizontal direction Fig. 4 Comparison of wave force coefficients between

Methods -1 and -2 for a truncated cone

Method-1의 항력계수는 K.C.수가 커짐에 따라 일정치에 수렴해 가지만, Method-2의 항력계수는 Method-1의 수렴값 에 거의 일치하는 것을 Fig. 4(a)로부터 확인할 수 있다. 또 한, Method-2의 관성력계수는, 약간 분산되어 있는 Method- 1의 값들을 평균한 것과 거의 비슷한 값을 보인다.

K.C.수의 변화에 따라 Method-2에 의해 얻어진 불규칙파 파력계수의 변동특성을 규칙파에 대한 값과 비교한 결과를 Fig. 5에 나타낸다. Fig. 5(a)와 (b)는 각각 항력계수와 관성 력계수의 경우이며, 여기에 이용된 규칙파의 결과들은 배기 성과 허동수(2002)의 연구를 참조하였다.

Fig. 5(a)를 보면, 어떤 파에 대해서도 항력계수는 K.C.수 의 감소에 따라 커지지만, 규칙파의 값과 비교하면 불규칙파 의 값이 약간 작은 경향이 있다. 이것은, 시계열전체에서 계 수를 평가하면, 항력이 탁월한 파도 증가해서 항력계수에 포

함되는 상대적인 오차가 작아져서 분산이 작아질 뿐만 아니 라, Method-2의 항력계수는 Fig. 4에서 나타낸 바와 같이 Method-1의 K.C.수가 큰 범위의 파에 대한 값에 근접한다.

이로 인해, 동일의 K.C.수에 대하여 규칙파와 비교하면 약간 작은 값을 보인다고 판단된다.

Fig. 5(b)에 나타낸 관성력계수의 경우를 보면, 항력계수의 경우에 비해 K.C.수에 대한 의존성은 작지만, 규칙파의 관성 력계수는 K.C.수의 증가와 함께 약간 감소하는 반면, Method-2에 의한 불규칙파의 값은 약간 증가해 가는 경향이 있다. 즉, K.C.수가 작은 범위에서 Method-2에 의한 불규칙 파의 관성력계수는 규칙파에 비해 약간 작은 값을 가진다.

다음으로, Method-1과 Method-2에 의하여 얻어진 파력계 수를 이용하여 계산된 파력에 대해서 검토한다. Fig. 6은 불 규칙파를 대상으로 한 실측파력과 계산파력의 시간파형을 비 교한 하나의 예로서, 그림 중 실선과 점선은 각각 Method- 1과 Method-2에 의한 파력계수를 이용하여 얻어진 파력의 시간파형을 나타내고 있다. Fig. 6에서 Method-1에 의한 파 력계수를 이용하여 계산된 파력의 시간파형이 Method-2에 의한 파형보다 실측파력의 피크값을 비롯한 시간파형을 보 다 잘 재현하고 있는 것을 알 수 있다. 즉, 파별해석파별로 계수를 변화시켜서 파력을 계산하는 것이 정도적인 면에서 이점을 가진다고 할 수 있다. 하지만, 실용적인 면에서 살펴 보면 계산량이 증대되는 것과 하나하나의 파마다 적당한 계 수를 정해줘야 하는 등, 반드시 좋은 방법이라고 단정하기는 어렵다. 이러한 점들을 고려한다면, Fig. 6에서 알 수 있는 바와 같이, Method-2에 의한 시간파형도 실측파형과의 차는 그다지 크지 않고, 실용적으로는 충분하다고 할 수 있다.

Fig. 7은 Method-2에 의한 파력계수를 이용해서 Morison 식으로 계산한 불규칙파 파력의 시간변화로부터 얻어진 1/3 최대치와 1/10최대치를 실험치와 비교한 결과이다. 그림으로 부터, 횡축의 무차원 실측파력이 작은 범위에서 계산치와 실 험치의 차이가 약간 넓게 분포하고 있지만, 무차원 실측파력 이 커짐에 따라서 계산치와 실험치 간의 일치는 양호한 것 으로 판단된다. 계산치와 실험치의 차이는, Fig. 8에 보이고 있는 것처럼 주로 K.C.수에 의해 크게 지배된다. K.C.수가 약 4이하의 범위에서 계산치와 실험치의 차는 커지는 것을 알 수 있다. 이것은, Fig. 4에서 설명한 것처럼, K.C.수가 작은 영역에서 파별로 탁월한 파력성분과 그 비율이 변화하 기 때문에 항력계수 및 관성력계수가 분산함에도 불구하고,

Fig. 5 Comparison of wave force coefficients between regular wave and irregular wave acting on a truncated cone

Fig. 6 Time variations of measured wave force (

^o

), calculated wave force ( ─ ) with Method-1 and calculated wave force ( … ) with

Method-2 in case of a truncated cone

양 계수를 일정치로 근사하기 때문에 생기는 영향이라고 판 단된다. 하지만, 계산치와 실험치의 차는, Fig. 8의 Er을 이 용하여 보정할 수 있으므로, Method-2에 의한 계수를 이용 한 파력의 산정이 더욱 실용적이라고 판단된다. 따라서 다음 장에서는 Method-2에 의해 얻어진 파력계수에 대해서 고찰 하기로 한다.

5. 파력계수의 특성 5.1 항력계수

Fig. 9는 Method-2에 의한 항력계수 C

Dx

와 K.C.수의 관

계를 나타낸다. Fig. 9(b)에 표시된 각추대의 항력계수 C

Dx

는 Fig. 9(a)의 원추대의 값보다도 약각 큰 값을 가지지만, K.C.수의 변화에 따른 C

Dx

의 변동특성은 비슷하며, K.C.수가 4이하의 범위에서는 K.C.수의 증가와 더불어 감소하며, K.C.

수가 4이상의 영역에서는 K.C.수에 거의 영향을 받지 않고 일정치로 간주할 수 있다. 또한, 그림 중 사각기호로 표시된 비쇄파의 경우, C

Dx

의 값이 약간 넓게 분포하고 있는 것을 알 수 있다.

5.2 관성력계수

Method-2에 의해 얻어진 관성력계수 C

Mx

와 K.C.수의 관 계를 Fig. 10에 나타내며, Fig. 10(a)와 (b)는 각각 원추대 와 각추대에 대한 결과를 보여주고 있다. Fig. 10으로부터 관성력계수 C

Mx

는 K.C.수의 증가에 따라 약간 커지는 경향 을 보이지만, 항력계수 CDx의 경우에 비해 K.C.수에 대한 의존성은 그다지 크지 않으며 거의 일정치에 가까운 값을 가지는 것을 확인할 수 있다. 또한, 구조물 형상의 영향에 관해서 살펴보면, K.C.수가 3~6의 범위에서 각추대의 경우 가 큰 값을 보이고 있다.

5.3 항력과 관성력의 비

Fig. 11은 Method-2에 의해 얻어진 항력계수와 관성력계 수를 사용하여 계산된 항력과 관성력의 비 Fdx

1/3

/Fix

1/3

과 K.C.수의 관계에 대해서 나타내고 있으며, Fig. 11(a)는 원 추대, Fig. 11(b)는 각추대의 경우이다. 여기서, Fdx

1/3

와 Fix

1/3

는 각각 1/3최대항력과 1/3최대관성력을 나타내며, 각각 의 시간파형에서 얻어진 값이다.

전반적으로, K.C.수가 작은 범위에서 항력의 비율이 커지 며, K.C.수의 증가에 따라 항력의 비율이 감소하여 관성력이 지배적인 상황으로 변화한다. 불규칙파동장에서의 이러한 경

Fig. 7 Comparison between measured wave force and calculated wave force

Fig. 8 Relationship between K.C. number and error obtained from measured and calculated wave forces

Fig. 9 Relationship between drag coefficient obtained using

Method-2 and K.C. number

향은 지금까지 보고 되어 있는 직립원주(Sarpkaya and Isaacson, 1981) 및 수중구체(Mizutani, 1994)에 작용하는 파력특성과는 차이가 있으며, 규칙 파동장에서 표식암에 작 용하는 파력특성(배기성과 허동수, 2002)과 동일한 경향을 보인다. 본 연구에서 대상으로 하고 있는 종류의 구조물은

천당상에서와 같이 상당히 수심이 얕은 수역에 설치되며, 이 러한 조건에서 K.C.수가 큰 영역에서의 불규칙파는 그 파군 의 대부분이 쇄파의 조건이 되어, 쇄파에 따른 충격적인 쇄 파력이 작용하는 상황에 가까워진다. 이러한 상황에서는, 큰 운동량을 가진 파봉이 구조물에 충돌하고, 그 운동량의 작용 으로 인해 큰 파력이 발생된다고 생각된다. 즉, K.C.수가 큰 경우에 관성력이 탁월해 진다고 할 수 있다.

한편, K.C.수가 3보다 작은 범위에서는 항력이 탁월하며, 그 대부분이 비쇄파(그림 중 사각기호)의 경우이다. 이것은 다음과 같이 설명될 수 있다. 비쇄파의 경우, 수위변동은 유 속의 위상과 거의 일치하지만, 가속도의 위상은 이들보다도 선행한다. 즉, 관성력이 최대로 되는 최대가속도의 작용 시 에는 수위가 아직 낮기 때문에 관성력이 작용하는 체적이 작은 것에 반해, 항력이 최대로 되는 최대유속의 작용 시에 는 수위도 함께 최고로 되어 항력이 작용하는 단면이 커진 다. 하지만, K.C.수가 크고 쇄파가 작용하는 조건이 되면, 수위변동과 가속도의 위상 차이는 상당히 줄어들게 되어 관 성력이 작용하는 구조물의 수중체적도 커지는 결과를 가져 온다.

이상과 같이, 수중방파제의 천단과 같은 수심이 얕은 영역 에 큰 수위변동의 영향을 받는 구조물이 설치된 경우, 작용 파력 및 파력계수의 특성은, 통상의 구조물과는 다른 특성을 가지고 있으며, 수위변동의 영향을 적절히 평가하는 것이 내 파설계상 상당히 중요하다는 것을 알 수 있다.

6. 결 론

본 연구에서는 표식암에 작용하는 불규칙파 파력특성을 상 세한 수리모형실험에 의해 논의하였다. 즉, 해저경사 1/30의 사면상의 수중방파제 천단상에 설치된 표식암에 작용하는 불 규칙파 파력을 작용파의 유의파고와 유의파주기를 변화시켜 가면서 계측하여, 파력의 통계치 및 파력계수 등의 기본 특 성량을 표식암의 형상과 관련시켜 명확히 밝힘과 동시에, 표 식암에 작용하는 불규칙파 파력의 예측수법에 대해서 검토 하였다. 이로부터 얻어진 중요한 사항을 본 논문의 결론으로 하여 아래에 기술한다.

1. 수중방파제 천단상의 바다측 단부로부터 x/(L

1/3

)0<0.1의 범 위에서 1/3최대파력은 가장 커지며, 입사파에 대하여 곡면을 가지는 원추대의 경우가 각추대에 비해 작용파력이 작다.

2. 불규칙파의 관성력계수는, K.C.수의 변화에 관계없이 거의 일정치에 가까운 값을 가진다. 또한, 개개의 파의 평균치 (Method-1)와 시계열 전체에서 정의한 값(Method-2)은 거 의 동일하다.

3. Method-2에 의한 항력계수는, K.C.수가 큰 영역에서 Method-1의 항력계수가 수렴할 때의 값과 거의 일치하며, 규칙파의 값에 비해 약간 작은 값을 가진다.

4. K.C.수가 작은 범위(K.C.<3)에서는, 항력의 비율이 비교적 크지만, K.C.수의 증가에 따라 항력의 비율은 감소하여 관성력이 지배적인 상황으로 변화한다.

5. Method-2에 의한 파력계수를 Morison식에 대입하여 얻어 진 1/3최대파력 및 1/10최대파력의 계산치는 실측치를 좋 은 정도로 산정할 수 있다.

Fig. 10 Relationship between inertia coefficient obtained using Method-2 and K.C. number

Fig. 11 Comparison between drag and inertia coefficients

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( 접수일 : 2006.2.8/ 심사일 : 2006.3.30/ 심사완료일 : 2006.4.24)