Overtopping Conditions 이 종 인 * / 김 영 택 **
Lee, Jong-In / Kim, Young-Taek
...
Abstract
This study investigates the characteristics of stem waves along a vertical structure under overtopping conditions through laboratory experiments in a wave basin. The uni-directional random waves with Bretschneider-Mitsuyasu frequency spectrum as incident waves were used. This study is focused on the reduction of wave height due to the variation of relative freeboard height () and the results for wave overtopping conditions are compared with those for non-overtopping conditions. Though the relative wave height along a vertical structure decreases with the decrease of relative freeboard, the variation of stem width is not significant. For the relative freeboard is greater than 1, the reduction effect of stem wave height by overtopping can be ignored in this experiments. The reduction effect of wave height along the structure for =0.5 is about 10% comparing with =1.5.
Keywords : stem wave, vertical structure, laboratory experiment, overtopping conditions, uni-directional random wave
...
요 지
본 연구에서는 월파조건에서 직립구조물을 따른 연파특성을 평면수조에서 수리실험을 통해 검토하였으며, 실험에 사용 된 파랑은 Bretschneider-Mitsuyasu 주파수 스펙트럼을 가지는 일방향 불규칙파이다. 주된 내용은 상대여유고()의 변화 에 따른 파고저감을 검토하는 것이며, 월파조건과 비월파조건에서의 파고계측 실험결과를 비교하였다. 상대여유고가 작아 질수록 월파의 증대로 인해 상대유의파고는 감소하였으나, 연파 폭의 변화는 거의 나타나지 않았다. 그리고 본 실험조건 내에서 상대여유고가 1보다 큰 경우는 월파에 의한 파고저감효과가 거의 없는 것으로 나타났으며, =0.5인 경우는 =1.5인 경우에 비해 구조물 전면의 파고가 약 10% 저감되는 것으로 나타났다.
핵심용어 : 연파, 직립구조물, 수리실험, 월파조건, 일방향 불규칙파
...
* 전남대학교 공학대학 해양토목공학과 부교수 (e-mail: [email protected], Tel: 061-659-7321)
Associate Professor, Dept. of Marine and Civil Engineering, Chonnam National University, Jeonnam 550-749, Korea
** 교신저자, 한국건설기술연구원 하천해안연구실 연구위원 (e-mail: [email protected], Tel: 031-910-0654)
Corresponding Author, Research Fellow, River and Coastal Research Division, Korea Institute of Construction Technology, Gyeonggi 411-712, Korea
1. 서 론
선박의 대형화 등으로 인해 적정 수심 및 충분한 항내 수역의 확보 등을 위해 외곽방파제 및 접안시설 등이 비
교적 수심이 깊은 해역에 건설되는 사례가 증가하고 있으
며, 대수심역의 구조물형식은 경제성 등을 감안하여 직립
식 구조물이 선호되고 있는 실정이다. 직립식 방파제 또
는 직립식 안벽 등과 같은 구조물은 경사식 구조물과는
달리 전면에 선박 등을 접안할 수 있는 장점이 있다. 이러 한 직립식 구조물에 파랑이 경사지게 입사하면 구조물을 따라 진행하는 연파(stem wave)가 발생하게 되며, 연파 발생으로 인해 파고가 증폭되어 월파량이 증대되는 현상 이 나타나게 되고, 이러한 파고 증폭은 직립식 구조물 저 면블록의 안정성 확보 등에도 영향을 미치게 된다.
연파특성을 검토한 기존 연구의 대부분은 직립구조물을 대상으로 월파가 발생하지 않는 조건에서 규칙파(mono- chromatic wave), 불규칙파(random wave), 고립파(solitary wave) 및 크노이드파(cnoidal wave) 등을 적용하여 수치해 석 및 수리실험을 통해 검토하였다(Perroud, 1957; Melville, 1980; Yue and Mei, 1980; Berger and Kohlhase, 1976;
Liu and Yoon, 1986; Yoon and Liu, 1989; Mase et al., 2002). 기존 연구의 주된 연구내용으로는 입사파와 구조 물이 이루는 각에 따른 변화, 파랑의 비선형성에 따른 연 파특성, 그리고 파랑특성에 따른 연파의 발달 등이다. 국 내 연구로서 이종인 등(2006)은 직립구조물을 대상으로 규칙파 조건에서 수리실험과 수치해석을 수행하여 입사 각 및 파랑의 비선형성에 따른 연파특성을 검토하였으며, 이종인 등(2008)은 일방향 불규칙파를 대상으로 수리실험 및 수치해석결과를 비교하고, 규칙파 조건의 결과와 비교 하여 입사파의 특성에 따른 차이점을 분석하였다. 그리고 유형석 등(2010)은 다방향 불규칙파에 의한 직립구조물에 서의 연파특성을 실험적으로 검토하였으며, 다방향 불규 칙파의 경우는 일방향 불규칙파에 비해 연파의 크기가 작 음을 보였다. 국내에서 수행된 연파에 대한 연구 또한 비 월파조건에서 수행되었다.
본 연구에서는 직립구조물을 대상으로 월파발생 조건 에서의 연파특성을 검토하기 위해 수리실험을 수행하였 다. 수리실험은 일정 수심상에서 수행되었으며, 입사파는 일방향 불규칙파를 적용하였다. 수리실험에서 직립구조 물과 입사파가 이루는 입사각, 입사파의 주기 및 파고, 정 수면으로부터 구조물 상단까지의 높이인 여유고의 변화 등에 따른 제체 전면의 파고분포를 계측하여 그 특성을 비교 분석하였다. 또한 동일한 상대여유고 조건에서 파랑 의 비선형성이 연파특성에 미치는 영향을 분석하였다.
2. 실험시설
2.1 실험시설 및 장비
본 실험에 사용된 조파기는 다방향 불규칙파 조파기로 서 규칙파, 일방향 불규칙파 및 다방향 불규칙파의 조파 가 가능한 사형(snake-type) 조파기이다. 조파기 각 구동
부에 연결된 조파판 하나의 폭은 0.5 m, 높이는 1.1 m로서 조파기의 전체폭은 30 m이고, 조파기는 60개의 구동부로 구성되어 있으며, 전기서보피스톤식이다. 조파기는 수심 0.7 m에서 파고 0.3 m, 주기 0.5～3.0 sec의 파랑 재현이 가 능한 조파성능을 가지고 있다. 그리고 실험에 사용된 평 면수조는 길이 42 m, 폭 36 m, 높이 1.05 m이다.
본 실험에 사용된 분석장비는 컴퓨터, 증폭기 및 A/D con- verter 등으로 구성되어 있으며, 실험파 제원에 따라 생성 된 조파신호를 조파기로 송신하고, 파고계로부터 독취된 자 료를 주파수 스펙트럼 및 파고 등으로 분석하는 기능을 하 는 장치이다. 실험파 설정 및 수면변위 계측에 사용된 파고 계는 용량식파고계로서 길이는 0.6 m이고, 측정범위는 0～
± 0.3 m이며, 본 실험에서는 25대의 파고계를 사용하였다.
2.2 실험영역
월파조건에서 직립구조물을 따른 연파특성에 대한 수 리실험을 위해 전술한 평면수조 내에 길이 22 m의 직립구조물을 설치하였다(Fig. 1). 수리실험은 유한한 수 조내에서 수행되므로 구조물에 의한 반사파를 적절히 소 파시키지 못하면 실험결과의 신뢰도가 저하된다. 따라서 본 실험에서는 조파기 반대편의 수조벽에 1:12 경사의 쇄 석을 배치하여 반사파를 제어하였으며, 조파기 후면은 스 테인리스 재질의 소파시설을 설치하여 조파기 후면에서 발생하는 파랑을 제어하였다. 또한 조파기 측면벽도 반사 파의 발생이 억제되도록 소파시설을 배치하였다.
실험모형은 조파기 전면으로부터 6 m, 조파기 측면으 로부터 3 m 떨어진 위치에서부터 설치하였으며, 조파기 전면으로부터 일정구간에 조파기에 의해 발생된 파랑을 유도하고, 조파기 후면으로부터 발생된 반사파가 실험영 역내에 영향을 미치지 못하도록 하기 위해 불투수성 유도 판을 설치하였다. Fig. 1은 실험영역 및 모형설치 개념도 를 나타낸 것으로서 는 구조물과 입사파가 이루는 각이 며, 계측지점의 원점( )은 조파기 전면 6 m, 조파기 측면 3 m에 설정하였다.
3. 실험모형 및 실험조건
실험에 적용된 일정수심( )은 0.5 m이며, 본 실험에 적
용한 실험파 조건은 Table 1과 같다. 본 실험에서는 일방
향 불규칙파를 적용하였으며, Bretschneider-Mitsuyasu
스펙트럼을 주파수 스펙트럼으로 사용하였다. Table 1에
서 는 입사파의 유의파고, 는 입사파의 유
의주기, 와 는 각각 입사파의 유의주기에 해
multi-directional wave generator
42m
30m
wave guide board 6m
wave absorber x
y 22m
b pl ai n w al l
3m
gravel beach wave
absorber
Dx
Dy
Fig. 1. Experimental Setup
Cases (m)
(sec)
(m) (m) C11
0.05
1.2 2.048 1.534 0.1 0.153
10°
20° 30°
40°
0.5
C12 1.5 2.826 1.112 0.1 0.111
C13 2.1 4.295 0.732 0.1 0.073
C21
0.10
1.2 2.048 1.534 0.2 0.307
C22 1.5 2.826 1.112 0.2 0.222
C23 2.1 4.295 0.732 0.2 0.146
Table 1. Incident Wave Conditions
당하는 파장과 파수, 는 입사파와 구조물이 이루는 각이 며, 구조물에 직각으로 입사하는 조건은 =90°이다. 본 실 험에 적용된 유의파고는 =0.05 m와 =0.10 m 이고, 유의주기는 =1.2 sec, 1.5 sec 및 2.1 sec이며, 적용된 입사각( )은 =10°, 20°, 30° 및 40°이다.
수리실험에 적용된 단면은 무공 직립구조물로서 실험단 면 형상은 Fig. 2와 같으며, 정수면으로부터 구조물의 마루 높이, 즉 여유고( )를 다양하게 변화시키며 실험을 실시하 였다. 실험에 적용된 여유고( )는 =0.05 m, 0.075 m, 0.10
m, 0.125 m 및 0.15 m이고, Table 2는 본 실험에서 적용한
상대여유고( )를 정리한 것으로서 상대여유
고는 0.50, 0.75, 1.00, 1.25와 1.50이다. 상대여유고의 변
화는 여유고를 고정하고 파고 또는 수위를 변화시켜 수행할
수도 있지만, 이러한 경우에는 파랑의 비선형성이 변하게
되는 단점이 발생하게 된다. 따라서 본 실험에서는 상대여
유고 설정시 입사파 조건을 고정하고 직립구조물의 여유
고를 변화시켜 동일한 파랑의 비선형성을 가지는 조건에
서 상대여유고의 변화에 따른 연파특성을 검토하였다.
vertical structure
SWL variable
R
ch
0Fig. 2. Model Structure
(m) Relative freeboard [ ]
=0.05 m =0.10 m
0.050 1.0 0.50
0.075 - 0.75
0.100 2.0 1.00
0.125 - 1.25
0.150 - 1.50
Table 2. Relative Freeboard Conditions in Experiment 실험에 적용된 입사파의 파장은 =1.2 sec인 경우 에 =2.05 m, =1.5 sec인 경우에 = 2.83 m, =2.1 sec인 경우에 =4.30 m이다. 따라서 실 험에 사용된 모형길이 22m를 유의파 주기에 해당하는 유의파 장으로 무차원화하면 =1.2 sec인 경우에
≒10.7, =1.5 sec인 경우에 ≒ 7.8,
=2.1 sec인 경우에 ≒5.1에 해당된다. = 0.05 m인 조건에서 =1.2sec인 경우에 = 0.153, =1.5sec인경우에 =0.111, = 2.1 sec인 경우에 =0.073이며, =0.10 m 인 조건에서 =1.2 sec인 경우에 =0.307,
=1.5sec인경우에 =0.222, =2.1 sec인 경우에 =0.146이다.
구조물 끝단에서 발생하는 end effect가 본 계측영역에 영향을 미치지 않도록 하기 위해 실험모형을 22 m 설치한 후, 약 2 m의 불투과성 구조물을 추가로 설치하였으며, 파 고는 구조물 시점으로부터 20.2 m 구간까지만 계측하였 다. 본 실험에 사용된 조파기가 사형조파기이므로 경사입 사파를 재현할 수 있으나, 입사각이 커질 경우에는 회절 파로 인해 실험결과의 정확도가 저하될 수 있어 본 실험 에서는 조파선에 직각방향으로만 파랑을 조파하고 직립 구조물 모형의 설치각도를 변경시켜 입사각( )을 조절하
였다. 실험시 입사파는 Fig. 1의 인 위치에서, 그 리고 구조물이 설치되지 않은 조건에서 설정하였다. 실험 시 조파시간은 300 sec이며, 파고분석은 후반부 205 sec 동안 계측된 자료를 이용하였다. 조파 및 분석조건은 실 험파 설정과 계측결과 분석 시에 동일하게 적용하였다.
직립구조물과 경사입사파에 의해 발생되는 연파는 직 립구조물을 따른 방향( 방향)과 직립구조물의 직각방향 ( 방향)으로 계측을 하였다. 직립구조물을 따른 방향의 수면변위는 제체전면에서 0.05 m 떨어진 위치에서 =0.6 m 위치부터 =0.4 m 간격으로 =20.2 m까지 계측하였 으며, 직립구조물 직각방향의 수면변위는 =14 m와 = 20 m 위치에서 =0～2.0 m까지는 =0.2 m, =2.3～6.2 m까지는 =0.3 m 간격으로 계측하였다. =14 m 위치 는 C11과 C21의 경우에 ≒6.84, C12와 C22의 경 우에 ≒4.95, C13와 C23의 경우에 ≒ 3.26에 해당되며, =20 m 위치는 C11과 C21의 경우에
≒9.77, C12와 C22의 경우에 ≒7.08, C13와 C23의 경우에 ≒4.66에 해당된다.
4. 실험결과 및 분석
본 연구에서는 직립구조물에 의한 연파특성에서 월파 가 미치는 영향을 분석하기 위해 입사파와 구조물이 이루 는 입사각, 입사파의 유의파고 및 유의주기, 상대여유고의 변화 등에 따른 제체 전면 및 제체 직각방향으로의 파고 를 계측하여 비교 분석하였다.
Figs. 3∼5는 C21, C22 및 C23 실험 안에 대해 입사각과 상대여유고의 변화에 따른 직립구조물 전면을 따른( 방향) 상대유의파고를 각각 비교 도시한 것이다. 전체적으로 상대여 유고()가 작을수록 상대유의파고 는 감소하 는 경향을 보이며, 이는 상대여유고가 감소함으로 인해 월 파의 증대되는 것이 주요 원인이라 할 수 있다. 그리고 입 사각이 증가함에 따라 상대유의파고는 증가하였다. 이는 비월파조건의 연파특성 연구결과와 동일한 경향이라 할 수 있으며, 상대여유고에 따른 상대유의파고의 변화는 전반적 으로 입사각이 증가함에 따라 그 변화폭이 증대됨을 알 수 있다. 이러한 상대여유고에 따른 상대유의파고의 변화를 정량적으로 검토하기 위해 Fig. 3에 도시된 입사각별 상대 여유고별 계측값 전체를 대상으로 비교하였다. 즉, 의 변화 에 따라 계측된 유의파고 합( )과 =1.50인
경우에 계측된 유의파고 합(
)의 비인 상대파
고비(
)로 비교하였다. 전
체 계측구간 중에서 상대여유고별 상대유의파고의 변화가
0.0 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 6.0 7.0 8.0 9.0 10.0
x / (L 1/3 ) 0
(a) =10°
0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0
0.0 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 6.0 7.0 8.0 9.0 10.0
x / (L 1/3 ) 0 H 1 /3 /( H 1 /3 ) 0
R=0.50 R=0.75 R=1.00 R=1.25 R=1.50
(b) =20°
0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0
0.0 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 6.0 7.0 8.0 9.0 10.0
x / (L 1/3 ) 0 H 1 /3 /( H 1 /3 ) 0
R=0.50 R=0.75 R=1.00 R=1.25 R=1.50
(c) =30°
0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0
0.0 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 6.0 7.0 8.0 9.0 10.0
x / (L 1/3 ) 0 H 1 /3 /( H 1 /3 ) 0
R=0.50 R=0.75 R=1.00 R=1.25 R=1.50
(d) =40°
Fig. 3. Relative significant wave heights along the wall for C21
0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0
0.0 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 6.0 7.0 8.0
x / (L 1/3 ) 0 H 1 /3 /( H 1 /3 ) 0
R=0.50 R=0.75 R=1.00 R=1.25 R=1.50
(a) =10°
0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0
0.0 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 6.0 7.0 8.0
x / (L 1/3 ) 0 H 1 /3 /( H 1 /3 ) 0
R=0.50 R=0.75 R=1.00 R=1.25 R=1.50
(b) =20°
0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0
0.0 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 6.0 7.0 8.0
x / (L 1/3 ) 0 H 1 /3 /( H 1 /3 ) 0
R=0.50 R=0.75 R=1.00 R=1.25 R=1.50
(c) =30°
0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0
0.0 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 6.0 7.0 8.0
x / (L 1/3 ) 0 H 1 /3 /( H 1 /3 ) 0
R=0.50 R=0.75 R=1.00 R=1.25 R=1.50
(d) =40°
Fig. 4. Relative Significant Wave Heights along the Wall for C22
0.0 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0
x / (L 1/3 ) 0
(a) =10°
0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0
0.0 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0
x / (L 1/3 ) 0 H 1 /3 /( H 1 /3 ) 0
R=0.50 R=0.75 R=1.00 R=1.25 R=1.50
(b) =20°
0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0
0.0 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0
x / (L 1/3 ) 0 H 1 /3 /( H 1 /3 ) 0
R=0.50 R=0.75 R=1.00 R=1.25 R=1.50
(c) =30°
0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0
0.0 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0
x / (L 1/3 ) 0 H 1 /3 /( H 1 /3 ) 0
R=0.50 R=0.75 R=1.00 R=1.25 R=1.50
(d) =40°
Fig. 5. Relative Significant Wave Heights Along the Wall for C23
Cases Incident angle ( )
=0.50 =0.75 =1.00 =1.25
C21
10° 0.94 0.98 1.0 1.0
20° 0.92 0.97 0.99 1.0
30° 0.90 0.95 0.99 0.99
40° 0.92 0.96 0.98 1.0
C22
10° 0.93 0.98 1.0 1.0
20° 0.89 0.94 0.98 1.0
30° 0.87 0.93 0.97 0.99
40° 0.91 0.95 0.98 1.0
C23
10° 0.91 0.97 0.99 0.98
20° 0.86 0.91 0.96 0.99
30° 0.86 0.91 0.95 0.99
40° 0.88 0.93 0.97 0.99
Table 3. Ratio of Relative Wave Height ( ) along a Vertical Wall for C21, C22 and C23
가장 큰 구간을 대상으로 비교할 수도 있으나, 전체 구간을 대상으로 하는 것이 의미가 있는 것으로 판단하였다. 물론 실제 구조물 설계시에는 구조물의 연장에 따라 일부구간의 값을 대상으로 검토할 수도 있을 것이다. Fig. 3은 C21 ( =0.10 m, =1.2 sec)의 결과로서 =20°인 조 건에서 =0.50인 경우에 =0.92, =0.75인 경우에
=0.97, =1.00인 경우에 =0.99, =1.25인 경우에
=1.0으로 분석되었으며, =30°인 조건에서 =0.50인 경우 에 =0.90, =0.75인 경우에 = 0.95, =1.00인 경우에
=0.99, =1.25인 경우에 =0.99로 분석되었다. 그리고 Fig. 5는 C23( =0.10 m, =2.1 sec)의 결과로서
=20°인 조건에서 =0.50인 경우에 =0.86, =0.75인 경우에 =0.91, =1.00인 경우에 =0.96, =1.25인 경 우에 =0.99로 분석되었으며, =30°인 조건에서 =0.50 인 경우에 =0.86, =0.75인 경우에 =0.91, =1.00인 경우에 =0.95, =1.25인 경우에 =0.99로 분석되었다.
Figs. 3∼5에서 각 조건에 해당되는 상대여유고별 상대파 고비( )를 정리한 것이 Table 3이다. 전체적으로 상대여 유고가 감소할수록, 입사각이 증가할수록 월파량이 증대되 어 상대파고비는 감소하였으며, 또한 입사파의 비선형성이 작을수록 상대파고비는 감소하는 것으로 나타났다. 본 실험 조건 내의 결과로부터 =10°인 경우를 제외하면 =0.50인 경우는 비월파조건 대비 약 10% 내외, =0.75인 경우는 약 5% 내외의 파고가 저감되고 =1.00 이상에서는 저감효과 가 미미한 것으로 분석되었다. 또한 동일한 입사각 및 상대 여유고 조건이라 할지라도 입사파의 주기가 길어질수록 구
조물 전면에서의 파고저감 정도는 증가하였으며, 이는 김 영택 등(2012)에서 주기가 길어질수록 월파량이 증대된다 는 내용과 일치하는 결과라 할 수 있다.
Figs. 6∼8은 C21, C22 및 C23 실험 안에 대해 입사각 과 상대여유고의 변화에 따른 직립구조물 직각방향( 방 향)으로의 상대유의파고를 각각 비교 도시한 것으로서 전 체적으로 입사각이 증가할수록 연파의 폭은 감소함을 알 수 있다. Fig. 6은 C21 조건의 ≒6.84 위치에서 직립 구조물 직각방향으로의 상대유의파고를 비교 도시한 것으 로서 연파의 폭( )은 =10°인 경우에 ≒1.9,
=20°인 경우에 ≒1.0, =30°인 경우에
≒0.6, =40°인 경우에 ≒0.4이다. Fig. 7은 C22 조건의 ≒4.95 위치에서의 상대유의파고로서 연 파의 폭( )은 =10°인 경우에 ≒1.6, =20°
인 경우에 ≒0.9, =30°인 경우에 ≒
0.5, =40°인 경우에 ≒0.4이다. 그리고 Fig. 8은
C23 조건의 ≒3.26 위치에서의 상대유의파고로서
연파의 폭( )은 =10°인 경우에 ≒1.1, =20°인
경우에 ≒0.8, =30°인경우에 ≒0.5, =
40°인 경우에 ≒0.3이다. 입사각 ≤20°인 경우
는 입사파의 주기가 길어질수록 연파의 폭은 감소하는 반
면, ≥30°인 경우는 입사파의 주기에 관계없이 거의 동일
한 연파의 폭을 보인다. Figs. 6∼8은 고정된 =14 m 위치
에서 구조물 직각방향으로의 상대유의파고를 도시한 것이
기 때문에 입사파의 주기에 대응하는 상대거리( )
는 주기가 길어질수록 짧아지게 된다. 따라서 ≤20°인 경
0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5
y / (L 1/3 ) 0
(a) =10°
0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0
0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5
y / (L 1/3 ) 0 H 1 /3 /( H 1 /3 ) 0
R=0.50 R=0.75 R=1.00 R=1.25 R=1.50
(b) =20°
0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0
0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5
y / (L 1/3 ) 0 H 1 /3 /( H 1 /3 ) 0
R=0.50 R=0.75 R=1.00 R=1.25 R=1.50
(c) =30°
0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0
0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5
y / (L 1/3 ) 0 H 1 /3 /( H 1 /3 ) 0
R=0.50 R=0.75 R=1.00 R=1.25 R=1.50
(d) =40°
Fig. 6. Relative Significant Wave Heights Normal to the Wall at ≒6.84 for C21
0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0
0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5
y / (L 1/3 ) 0 H 1 /3 /( H 1 /3 ) 0
R=0.50 R=0.75 R=1.00 R=1.25 R=1.50
(a) =10°
0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0
0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5
y / (L 1/3 ) 0 H 1 /3 /( H 1 /3 ) 0
R=0.50 R=0.75 R=1.00 R=1.25 R=1.50
(b) =20°
0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0
0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5
y / (L 1/3 ) 0 H 1 /3 /( H 1 /3 ) 0
R=0.50 R=0.75 R=1.00 R=1.25 R=1.50
(c) =30°
0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0
0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5
y / (L 1/3 ) 0 H 1 /3 /( H 1 /3 ) 0
R=0.50 R=0.75 R=1.00 R=1.25 R=1.50
(d) =40°
Fig. 7. Relative Significant Wave Heights Normal to the Wall at ≒4.95 for C22
0.0 0.3 0.6 0.9 1.2 1.5
y / (L 1/3 ) 0
(a) =10°
0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0
0.0 0.3 0.6 0.9 1.2 1.5
y / (L 1/3 ) 0 H 1 /3 /( H 1 /3 ) 0
R=0.50 R=0.75 R=1.00 R=1.25 R=1.50
(b) =20°
0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0
0.0 0.3 0.6 0.9 1.2 1.5
y / (L 1/3 ) 0 H 1 /3 /( H 1 /3 ) 0
R=0.50 R=0.75 R=1.00 R=1.25 R=1.50
(c) =30°
0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0
0.0 0.3 0.6 0.9 1.2 1.5
y / (L 1/3 ) 0 H 1 /3 /( H 1 /3 ) 0
R=0.50 R=0.75 R=1.00 R=1.25 R=1.50
(d) =40°
Fig. 8. Relative Significant Wave Heights Normal to the Wall at ≒3.26 for C23
우에는 입사파의 주기가 길어질수록 상대적으로 연파가 충 분히 발달하지 못한 위치이기 때문에 연파의 폭이 차이가 나는 것이며, ≥30°인 경우는 기존 연구결과와 같이 구조 물 시점으로부터 약 2파장 이내에서 연파가 대부분 발달되 기 때문에 입사파의 주기에 따른 연파의 폭의 차이는 크지 않았다. Figs. 6∼8에서 상대여유고가 낮아짐에 따라 상대 유의파고는 작게 나타남을 알 수 있다. 직립구조물을 따른 방향( 방향)과 마찬가지로 ≤0.75인 경우에는 파고저감 이 명확하게 나타나지만 그 이외의 경우에는 저감효과는 크 지 않았고, 이러한 저감효과 또한 연파의 폭 범위 내에서만 발생하는 것을 알 수 있으며, 월파발생으로 인한 연파의 폭 의 변화는 거의 발생하지 않는 것으로 나타났다. 그리고 구 조물에 인접할수록 파고저감이 크며, 구조물로부터 멀어질 수록 저감효과는 감소하는 것을 알 수 있다.
Figs. 9 and 10은 C21 조건에 대해 상대여유고별 입사 각의 변화에 따른 상대유의파고의 변화를 각각 구조물 전 면과 직각방향을 따라 비교 도시한 것으로서 상대여유고 와 입사각이 증가할수록 상대유의파고는 증가함을 알 수 있다. 그리고 =10°인 경우를 제외하고, ≥20°인 경우 에는 ≒5 이상에서 입사각에 따른 구조물 전면 ( 방향)의 파고변화는 크지 않은 것으로 나타났다(Fig.
9). ≒9.77 지점에서 구조물 직각방향으로 상대 여유고별 입사각의 변화에 따른 상대유의파고를 도시한 Fig. 10에서 입사각이 증가함에 따라 연파의 폭은 감소함 을 다시 한번 확인할 수 있다. Fig. 11은 입사파의 주기변 화에 따른 상대유의파고의 변화를 검토하기 위해 =0.75 인 경우에 C21, C22 및 C23 조건의 결과를 입사각별로 비 교한 것이다. C21, C22 및 C23는 입사파고는 동일하지만 주기가 변하는 경우로서 C21은 =1.2 sec, C22는
=1.5 sec, C23은 =2.1 sec이다. 따라서 입사 파의 비선형성은 C21 > C22 > C23 순이다. 실험결과에서 알 수 있는 바와 같이 입사파의 비선형성이 작을수록 상 대유의파고는 크게 나타남을 알 수 있다. Figs. 12 and 13 은 입사파의 파고변화에 따른 상대유의파고의 변화를 검 토하기 위해 =1.0인 경우에 C11과 C21 조건의 결과를 입사각별로 비교한 것이다. C11과 C21은 주기는 동일하 지만 입사파고가 변하는 경우로서 C11은 =0.05 m, C21은 =0.10 m이다. 구조물 전면을 따른 상대유의 파고를 비교한 Fig. 12를 살펴보면 입사파의 비선형성이 큰 경우(C21)가 작은 경우(C11)에 비해 상대유의파고가 작 게 나타남을 알 수 있고, ≥30°인 조건에서는 입사파의 비선형성에 따른 파고변화가 ≤20°인 조건에 비해 크지 않음을 알 수 있으며, 이는 입사각이 증가할수록 반사파의
영향이 상대적으로 커지기 때문인 것으로 판단된다. Fig.
13은 구조물 직각방향으로의 상대유의파고를 비교한 것 으로서 구조물 전면을 따른 방향의 결과와 같이 입사파의 비선형성이 증가함에 따라 상대유의파고는 작게 나타났 다. 입사파의 비선형성이 큰 경우(C21)가 작은 경우(C11) 에 비해 구조물 전면의 상대유의파고는 작게, 연파의 폭 은 넓게 나타남을 알 수 있다. 그리고 입사각이 증가할수 록 연파의 폭은 감소함을 알 수 있으며, ≤20°인 조건에 서는 입사파의 비선형성에 따른 연파의 폭의 차이가 비교 적 크게 나타나는 반면, ≥30°인 조건에서는 그 차이가 크지 않았다.
5. 결 론
본 연구에서는 직립구조물을 대상으로 월파가 발생되 는 조건에서 경사입사파 내습시 연파특성을 상대여유고 를 변화시키며 검토하였으며, 본 실험으로부터 얻어진 결 론을 요약하면 다음과 같다.
1) 직립구조물 전면을 따른 상대유의파고는 상대여유 고()가 작을수록, 입사파의 비선형성이 클수록 작아 지는 것으로 나타났다. 본 실험조건 내에서 =10°인 경우를 제외하면 =0.50인 경우는 비월파조건 대비 약 10% 내외, =0.75인 경우는 약 5% 내외의 파고 가 저감되고 =1.0 이상에서는 파고저감효과가 미 미한 것으로 분석되었다. 동일한 입사각 및 상대여 유고 조건에서 입사파의 주기가 길어질수록 구조물 전면에서의 파고저감 정도는 증가하였다.
2) 직립구조물 직각방향으로의 상대유의파고 또한 상 대여유고가 낮아짐에 따라 작게 나타남을 알 수 있 었으며, 월파로 인한 연파 저감효과는 연파의 폭 범 위 내에서만 발생하는 것을 알 수 있었다. 그리고
≤ 0.75인 경우에는 파고저감이 명확하게 나타나지 만, ≥ 1.0인 경우에는 비월파조건과 비교해 볼 때 연파저감효과는 크지 않았다. 그리고 월파발생으로 인한 연파의 폭의 변화는 거의 발생하지 않는 것으 로 나타났으며, 구조물에 인접할수록 파고저감이 크 고, 구조물로부터 멀어질수록 저감효과는 감소하는 것을 알 수 있었다.
3) 입사파의 비선형성이 커질수록 연파의 크기는 작게
나타난 반면, 연파의 폭은 증가하였다. 그러나 입사
각이 ≥30°인 경우에는 입사파의 비선형성에 따른
연파 폭의 변화는 크지 않았다.
1/3 0
(a) =0.5
0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0
0.0 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 6.0 7.0 8.0 9.0 10.0
x / (L 1/3 ) 0
H 1 /3 /( H 1 /3 ) 0
beta=10 deg. beta=20 deg. beta=30 deg. beta=40 deg.
(b) =0.75
0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0
0.0 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 6.0 7.0 8.0 9.0 10.0
x / (L 1/3 ) 0
H 1 /3 /( H 1 /3 ) 0
beta=10 deg. beta=20 deg. beta=30 deg. beta=40 deg.
(c) =1.0
0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0
0.0 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 6.0 7.0 8.0 9.0 10.0
x / (L 1/3 ) 0
H 1 /3 /( H 1 /3 ) 0
beta=10 deg. beta=20 deg. beta=30 deg. beta=40 deg.
(d) =1.25
0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0
0.0 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 6.0 7.0 8.0 9.0 10.0
x / (L 1/3 ) 0
H 1 /3 /( H 1 /3 ) 0
beta=10 deg. beta=20 deg. beta=30 deg. beta=40 deg.
(e) =1.5
Fig. 9. Relative Significant Wave Heights along the Wall by Incident Angle for C21
0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0
0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5
y / (L 1/3 ) 0
H 1 /3 /( H 1 /3 ) 0
beta=10 deg. beta=20 deg. beta=30 deg. beta=40 deg.
(a) =0.5
0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0
0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5
y / (L 1/3 ) 0
H 1 /3 /( H 1 /3 ) 0
beta=10 deg. beta=20 deg. beta=30 deg. beta=40 deg.
(b) =0.75
0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0
0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5
y / (L 1/3 ) 0
H 1 /3 /( H 1 /3 ) 0
beta=10 deg. beta=20 deg. beta=30 deg. beta=40 deg.
(c) =1.0
0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0
0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5
y / (L 1/3 ) 0
H 1 /3 /( H 1 /3 ) 0
beta=10 deg. beta=20 deg. beta=30 deg. beta=40 deg.
(d) =1.25
0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0
0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5
y / (L 1/3 ) 0
H 1 /3 /( H 1 /3 ) 0
beta=10 deg. beta=20 deg. beta=30 deg. beta=40 deg.
(e) =1.5
Fig. 10. Relative Significant Wave Heights Normal to the Wall by Incident Angle at ≒9.77 for C21
0.0 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 6.0 7.0 8.0 9.0 10.0
x / (L 1/3 ) 0
(a) =10°
0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0
0.0 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 6.0 7.0 8.0 9.0 10.0
x / (L 1/3 ) 0 H 1 /3 /( H 1 /3 ) 0
C21 C22 C23
(b) =20°
0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0
0.0 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 6.0 7.0 8.0 9.0 10.0
x / (L 1/3 ) 0 H 1 /3 /( H 1 /3 ) 0
C21 C22 C23
(c) =30°
0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0
0.0 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 6.0 7.0 8.0 9.0 10.0
x / (L 1/3 ) 0 H 1 /3 /( H 1 /3 ) 0
C21 C22 C23
(d) =40°
Fig. 11. Relative Significant Wave Heights along the Wall by Wave Period for =0.75
0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0
0.0 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 6.0 7.0 8.0 9.0 10.0
x / (L 1/3 ) 0 H 1 /3 /( H 1 /3 ) 0
C11 C21
(a) =10°
0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0
0.0 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 6.0 7.0 8.0 9.0 10.0
x / (L 1/3 ) 0 H 1 /3 /( H 1 /3 ) 0
C11 C21
(b) =20°
0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0
0.0 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 6.0 7.0 8.0 9.0 10.0
x / (L 1/3 ) 0 H 1 /3 /( H 1 /3 ) 0
C11 C21
(c) =30°
0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0
0.0 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 6.0 7.0 8.0 9.0 10.0
x / (L 1/3 ) 0 H 1 /3 /( H 1 /3 ) 0
C11 C21
(d) =40°
Fig. 12. Relative Significant Wave Heights along the Wall by Wave Nonlinearity for =1.0
0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5
y / (L 1/3 ) 0
(a) =10°
0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0
0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5
y / (L 1/3 ) 0 H 1 /3 /( H 1 /3 ) 0
C11 C21
(b) =20°
0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0
0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5
y / (L 1/3 ) 0 H 1 /3 /( H 1 /3 ) 0
C11 C21
(c) =30°
0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0
0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5
y / (L 1/3 ) 0 H 1 /3 /( H 1 /3 ) 0
C11 C21
(d) =40°
Fig. 13. Relative Significant Wave Heights Normal to the Wall by Wave Nonlinearity at ≒9.77 for =1.0
4) 직립구조물 설계 시 상대여유고가 ≥1.0인 경우는 월파에 의한 파고변화가 크지 않기 때문에 비월파조 건의 경우와 동일하게 취급해도 될 것으로 판단된다.
감사의 글
본 연구는 한국해양과학기술진흥원 지원과제인 “기후 변화대응 항만설계기준 개선 방안연구(1단계)” 과제의 성 과임을 밝히며, 국토해양부 및 한국해양과학기술진흥원 의 지원에 감사드립니다.
REFERENCES
