제 7주차 항만시설과 시설계획

제 7주차

항만시설과 시설계획

(3) 계류시설의 개요

(a) 계류시설 설계시 고려사항

▪ 계류시설은 대상으로 하는 선박의 크기를 조사하고, 필요로 하는 길이 와 전면수심을 확보하지 않으면 안 된다.

▪ 계선시설의 주요한 설계외력은 접안력, 상재하중, 토압 및 지진력이다.

- 이러한 외력과 아울러 시설의 설계를 좌우하는 것은 해저지반의 지질이나 지지력이다.

① 접안력

-배가 접안할 때에의 속도는 5∼15cm/s 정도의 저속도로서 계선안에 접근 하여 접안하고 속도는 0으로 된다.

-그때 배가 정지할 때 계류시설에 작용하는 힘이 접안력

-그 시간 적분치가 배의 질량과 속도와의 곱인 운동량과 같게 된다.

- 계선안과 접촉해서부터 배가 완전히 정지할 때까지의 시간이 짧을 때 에는 충격적인 강한 힘이 작용하고 선체나 계선안에 손상을 주는 일이 있다.

-이 때문에 방현재를 설치하여 충격력을 완화한다.

-접안력은 특히 잔교나 돌핀 등의 구조형식에서 중요하다.

② 상재하중

- 계류시설 위에 적재되는 화물의 중량으로서 잔교나 부잔교의 경우에 특히 중요하다.

- 상재하중이 크기 때문에 널말뚝식 안벽의 설계가 어렵게 되는 경우 에, 경사말뚝으로 상재하중의 연직력을 받게 하는 선반식 안벽이 적합.

③토압

- 중력식 계류시설의 최대의 외력이다.

-안벽은 해중에 높이 10m 전후의 연직한 벽을 세우고 그 배후에는 해면 상 수m 높이까지 흙이 쌓아 올려진 구조물이므로 토압이 중요

- 안벽의 배후에 사질토가 그다지 다져지지 않은 상태로 뒷채움이 되면 지진시에는 액상화 현상이 발생하고 강대한 수평력이 계선안에 작용한다.

④ 지진력

- 잔교의 상재하중이나 상판자중, 돌핀의 상부공의 자중 등에 수평력 으로서 작용하는 작용하는 일이 많다.

▪잔류수위(잔류수압)

- 계선안 배후의 지중수위는 조석에 의한 변동이 해면보다 작기 때문에 간조시에는 전면보다도 수위가 높게 되는데, 전면과의 수위차를 잔류 수위라하고 설계에서 고려한다.

-잔류수위에 의한 수압에 의해 물양장 등이 도괴되는 일이 있다.

(b) 중력식 안벽

-이 형식은 제체 자중으로 배후로부터의 토압에 저항하는 형식

- 해저지반이 양호하거나, 지반개량에 의해 소요의 지지력이 얻어지는 경우에 경제적이 된다.

- 콘크리트 구조이므로 내구성도 좋다.

- 케이슨식은 수심이 큰 경우에 사용된다.

- L형블록식은 저판상의 뒷채움 흙의 중량의 일부를 벽체중량으로 해서 수평 토압에 저항시킨다.

- 블록식은 콘크리트 블록을 쌓아올린 것이다.

- 셀블록식은 철근 콘크리트제의 사각형틀의 블록으로서, 블록을 쌓아 올린 후 내부에 사석을 채워서 중량을 늘리고 토압에 저항시킨다.

- 중력식 안벽에는 항내의 반사파를 경감하기 위해 직립소파 케이슨이나 직립소파 블록을 사용하는 일이 있다.

(c) 셀식 안벽

- 직선형 강널말뚝을 직경 10∼20m의 원주에 따라 타설하여 원형셀을 구축하고 그 속에 모래 등을 채워서 자립시킨 구조이다.

- 강널말뚝 대신으로 원호상의 강판을 사용하는 일도 많다.

- 해저지반이 연약한 경우에도 근입을 깊게 함으로써 배후로부터의 토압에 저항 시킬 수가 있다.

(d) 널말뚝식 안벽

- 널말뚝 판을 해저에 타설하고, 그 상부와 배후의 버팀공을 tie load로서 연결한 구조이다.

- 널말뚝은 근입부분의 흙의 횡저항에 의해 하부가 고정되는 형태 - 버드수심이 얕을 때에는 콘크리트 널말뚝이 사용되는 일이 있고, 대수심일 때에는 강관말뚝이 널말뚝으로서 사용된다.

- 널말뚝식 계선안은 해저지반의 토질이 어느 정도 양호하면 단기간 에 건설되는 것이 특징이다.

(e) 선반식 계선안

- 이것은 널말뚝식 계선안의 버팀공과 tie load 대신에 복수의 군 말뚝을 설치하고 널말뚝과 군말뚝의 정부(頂部)를 콘크리트 상판으로 연결한 구조이다

- 군말뚝은 상재하중의 연직하중을 지탱하는 것과 함께 토압의 수평력에도 저항한다.

- 제2차 세계대전 전에는 유렵 제국을 비롯해서 시공예가 많았 지만, 근년은 공사가 복잡하게 되기 때문에 거의 채택되지 않고 있다.

(f) 잔교

- 강관말뚝, 통주(筒柱) 또는 각주(脚柱)로 상판을 지지하는 구조이다.

- 육지로부터 돌출하는 경우와 육안에 평형으로 건설하는 경우가 있는데, 특히 후자를 횡잔교라 한다.

-또, 각주식의 횡잔교로서 상판을 생략한 구조를 detached- pier라 한다.

- 잔교는 해저지반이 연약해서 중력식 계선안이 건설될 수 없는 장소에 축조된다.

- 횡잔교의 경우에는 육안과의 접속부에 토류벽을 설치하고 거기와는 도판 으로 연접하는 것이 보통이다.

(g) 돌핀

- 대형 탱커등 유체․ 분체(粉体)의 화물을 수송하는 배를 계류하기 위한 시 설로서 수개의 군말뚝 또는 각주의 구조이다.

- 바다를 헤엄쳐 다니는 돌고래(dolphin)가 해면에서 서있는 형태에서 이름 이 붙여졌다고 한다.

(h) 부잔교

:

- 이러한 곳에서는 상자형의 부체(pontoon)를 체인 등으로 계류하고 육지와는 도교로써 연결한 구조의 부잔교가 사용된다.

- 폰툰은 철근 콘크리트, 강판, FRP 등으로 조성된다.

- 여객선이나 훼리의 접안을 위해 설치되는 시설이다.

(i) 계선부표

- 박지내의 일정한 장소에 배를 계류하기 위한 시설로서, 직경 2∼3m 의 부표(bouy)를 체인으로 해저의 앵커에 계류시킨 것이다.

- 주로 선석 대기의 부표박을 위해 사용된다.

- 이전에는 부선에 의한 해상 하역을 위해서도 이용되었다.

▪

(j) 부대설비

: 계선시설에는 방충공(防衝工), 계선주(繫船柱), 차막이, 조명설비, 기타가 부설된다.

▪ 방충공

- 선박접안 때의 충격력을 완화하기 위한 설비로서, 계류선박이 파나 바람으로 동요해서 계선안에 직접 충돌하는 일을 방지한다.

- 방충공의 주체는 방현재(Fender)이다.

- 오래된 시설에는 목각재를 사용하기도 하였지만, 1950년대 후반 부터는 고무제의 방현재가 개발되어 널리 사용되고 있다.

▪ 계선주

: 계선안의 상단에 부착되는 주철제의 짧은 주이고, 여기에 배의 계류색을 매는 것이다.

- 통상시의 계류를 위해서 수제선 근처에 설치하는 곡주와 폭풍 시의 계류를 위한 직주가 있다.

- 배의 크기에 따라서 계류색의 치수가 결정되어 있으므로 계선 주도 그것에 따른 크기의 것이 설치된다.

(k) 방식(防蝕)

: 계선시설에는 강널말뚝이나 강관 등 강재가 꽤 많이 사용된다.

-강재는 부식작용에 의해 마모하고, 방치하면 강도가 저하해서 시설이 도괴된다.

- 부식작용은 조간대 (간조면과 만조면의 사이)와 그 위의 비말대 에서 크고, 0.1∼0.3mm/년의 속도로 부식이 진행된다.

- 이러한 부식작용의 방지가 방식이다.

▪방식

:조간대와 비말대는 콘크리트 등으로 피복하고 해중부분은 전기방식 을 행한다.

<流電양극방식>

- 전기방식으로서는 강재에 대해서 양극으로 되는 알루미늄 합금 조각 등을 곳곳에 부착하고, 이 양극이 먼저 용출함으로써 강재의 부식을 방지하는 방법

<부식여유>

- 방식을 행하지 않는 때는 예정의 공용기간 내에 상정되는 부식량을 예측하고, 그 부분만큼의 두께를 더한 강재를 사용한다. 이 두께의 증분을 부식여유라 한다.

제7주차

항만시설(방파제)의 설계(1)

1. 개요

1-1 방파제의 구조 양식

- 경사제, 직립제, 혼성제

• 경사제(rubble mound breakwater)는 사석 또는 콘크 리트 블록을 해중에 투입하여 양면이 자연경사가 되 도록 만든 방파제

• 직립제(upright breakwater)는 큰크리트 단괴, 콘크리 트 블록 또는 캐이슨(caisson) 등의 연직체를 세워 만 든 방파제

• 혼성제(composite break water)는 사석 마운드 위에

직립부를 설치한 것으로, 경사제와 직립제를 혼성한

것

• 에너지를 소모시키는 방법에는 두 가지가 있음 - 하나는 쇄파에 의한 방법이고,

- 다른 하나는 반사시키는 방법

• 일반적으로 경사제는 쇄파에 의하여 파랑의 에너지 를 제지

• 직립제와 혼성제는 쇄파 또는 반사에 의하여 에너지 를 제지하는 경우가 많음.

• 쇄파와 반사는 방파제의 형상과 전면수심, 그리고 쇄

파의 특성에 따라 결정됨.

• 직립제와 혼성제의 경우는 방파제의 전면수심이 깊 고 월파하지 않으면 중복파가 생길 경우가 많음

• 파고를 H, 직립제 또는 혼성제 직립부의 전면수심을 d라 하면 , d≥2H인 경우는 중복파가 생기고, d≤2H인 경우는 방파제 전면에 쇄파가 생김.

• 실제로 구조양식을 선정할 때는 파랑 특성, 조차, 수

심, 공사 규모, 시공 조건, 해저 지질, 공사재료의 입

수조건, 작업가능일수 등 여러 가지를 고려

1-2. 방파제의 높이

• 방파제의 높이는 공사비와 항내정온도에 관계하므로 파고, 조위, 방파제의 구조, 공사비, 항내 박지의 수면적 등을

종합적으로 고려하여 결정

• 방파제의 높이를 결정하는 일반적인 기준

- 대형선박이 입항하는 항만에 있어서는 항내 수면적이 넓고

다소의 월파를 허용하는 경우는 대조평균고조면 상방으로

0.6H를 방파제의 정점 표고로 하는 경우가 많음

- 고조현상이 있는 항만에서는 대조평균고조면상에 이 고조에 의한 편위를 가한 해면으로부터 0.6H 위의 점을 정점으로 함.

여기서 H는 방파제 전면의 설계파고(유의파)

- 방파제의 안쪽을 이용하는 경우 또는 항내수면적이 좁고, 소형선박이 정박하는 경우는 많은 파고를 허용할 수가 없다.

이 경우는 대조평균고조면으로부터 1.25H 위의 점을 방파제 의 정점표고로 함.

- 연약지반 위에 방파제를 축조하였을 때는 지반의 침하량

을 고려하여 미리 높여 놓는 것이 바람직함.

2. 경사제

2-1. 구조

• 경사제는 사용하는 재료에 따라 사석제, 콘크리트 블록제, 사 석콘크리트 블록제 등으로 구분

• 사석제는 사석을 손쉽게 구할 수 있으면 가장 경제적

• 콘크리트 블록제는 필요한 크기의 사석을 쉽게 구할 수 없는 경우 콘크리트 블록을 만들어서 사석대신 사용

• 사석큰크리트 블록제는 제체내부를 비교적 작은 사석을 사용

하고, 파력의 작용을 많이 받는 표면에 대형콘트리트 블록을

피복하는 양식

• 경사제의 단면은 수심, 파력 및 사용 재료의 크기 등 에 의하여 결정

- 항외쪽의 파력을 많이 받는 해면 부근의 경사면의 경사도는 1:2에서 1:3 사이가 많고,

- 수중의 파력을 적게 받는 부분과 항내쪽의 경사도

는 대체적으로 1:1.5에서 1:1 정도

• Iribarren과 Hudson은 활동 조건으로부터 사면 위에서 안정한 쇄석의 중량에 대한 공식을 다음과 같이 제안

여기서, W: 사석 또는 블록의 최소중량[kg]

: 사석 또는 블록의 단위중량 [ ] : 사석 또는 블록의 비중

H: 구조물 전면의 파고[m]

: 사석 사이의 마찰계수

K': 피복재의 형상 또는 피해율등에 의해 결정 되 는 계수

ws

rs

µ

/m3

kg

2-2. 경사제의 피복석 블록의 안정중량

• Hudson은 K'를 결정하기 위하여 마찰계수 를 실험에서 구하였다.

µ

• Hudson은 실험 결과에 의하여사석 및 TTP에 적용할 수 있는 다음과 같은 새로운 공식을 제안

이 식은 비파괴, 비월파 때의 공식이며 기호는 다음과 같다.

: 비파괴피해율1% 이하 때의 파고 [m]

: 안전계수(stability coefficent)이며 피복재의 형상, 조도, 적재방법 및 피해율등에 따라 변화하는 계수.

=0

HD

KD

• Hudson이 여러 가지의 경우에 대하여 실험한 결과

에 의하면 는 표 4-2와 같다.

2-3. 경사제의 설계

• 경사제에 파랑이 작용하여 파괴되는 양상

- 하나하나의 사석 또는 블록이 파력에 의하여 떠서 경사면 위로 굴러떨어져 산란하는 경우

- 제체 전체가 어떤 면에 연해서 활동하는 경우

- 지반이 약할 때 방파제와 지반을 포함하는 원호활동면에 연한 파괴양 경우

• 하나하나의 사석 또는 블록이 산란하는 문제는 Hudson의 수 정식으로 안전한 사석의 무게를 계산할 수 있음

• 세 번째의 원호활동면에 연한 파괴는 지반의 토질 역학적인

검토에서 확인할 수 있음.

• 두번 째의 안정 문제는 다음과 같은 2면에 대한 활동에서 검토할 수 있음.

- 즉, 그림 4-5에 있어서 AB면과 AC면에 연한 활동이 검토되어야 한다.

파력 P가 작용할 때, AB면에 연한 안정 조건은 다음과 같다.

- 그리고, AC면에 연한 안정 조건은 다음과 같다.

• 방파제에 상용되고 있는 쇄석의 단위체적당의 무게

[ ]

• 【예제 4-1】 그림 4-6과 같은 경사제에 있어서 윗단 의 폭 B를 구하라. 윗단 폭 B를 AB면의 활동조건에 서 구하고, 이 폭에 대하여 AC면에 대한 안정성을 검 토하라.

그림 4-6. 경사제

• 《해》 AB면보다 위에 있는 쇄석의 길이 1m당 체적

은

•

• 다음에는 B= 6.23[m]으로 설계했을 때의 AC면에 연한 활동에 대하여 검토하기로 한다.

- AC면에 연한 滑動에 대한 안정은 다음 식에서 구함

따라서 AC면에 연한활동도 안전함.

3. 혼성제 방파제의 설계

3-1. 혼성제의 구조양식

• 수심이 깊은 곳에 많이 적용하는 양식

• 직립제의 구조양식에 따라 다음과 같이 분류

ii) 케이슨식

iii) 소파공부 케이슨식 iv) 직립소파식

3-2. 혼성제의 특징

• 혼성제는 직립부에서 강력한 파력에 저항하고, 사석 부는 직립부를 안전하게 지지하는 기초역할

• 따라서 직립부의 높이와 사석부의 두께의 비는 혼성 제의 특성을 나타내는 조건이 된다.

• 그리고 쇄석부의 정면수심의 크기에 따라 쇄파가 되 는 경우도 있고 중복파가 되는 경우도 있음

• 사석부의 높이는 파력외에 수심, 지질, 공사비 등을

고려하여 결정.

그림 4-10. 혼성제 구조

3-3. 혼성제의 설계

• 혼성제의 안정계산은 직립부와 기초사석부를 나누어 서 별도로 계산

• 직립부에 대하여는 다음사항을 검토 - 전도(over turn)

- 활동(sliding)

- 저면의 지지력(bearing)

• 기초사석부에 대하여는

- 사석부의 경사면에 연한 활동 - 기초사석의 필요 중량 및 층수

- 제체 전체의 원호활동에 대하여 검토해야 한다.

• 파압

- 혼성제에 작용하는 파압에는 중복파가 작용할 때 의 파압과 쇄파가 작용할 때의 파압이 있다.

- 중복파에 의한 파압은 Sainflou 공식으로 계산

할 수 있다.

<중복파의 파압>

- 그림 4-16(a)는 중복파의 파봉이 방파제 벽면과 만날 때의 경우 이며, 파압분포는 dbe이고, 안쪽의 정수압 abc가 반대쪽에서 작용하므로 제체에 작용하는 파압은 결국 dace이다.

- 그림(b)는 파곡이 벽면과 만나는 경우이며, 이 때의 중복파의 파압은 dbe 와 같은 분포로 작용하게 되고, 항내쪽에 abc의 분포를 가진 정수압이 작용하므로 결국 제체에는 항내에서 항외쪽으로 aced의 압력분포로서 작용하게 된다_.

그림 4-16

<쇄파의 파압분포>

- 쇄파가 작용할 때는 다음과 같은 Minikin의 공식과 히로이 - 공식으로 계산

• 부력

- 정수면 이하 부분의 제체에는 부력이 작용

- 그리고, 항내외의 수면차가 있는 경우는 양쪽의 수위를 연결한 선 이하의 제체에 부력이 작용한 다고 생각한다.

- 특히, 제체의 윗단이 정수면으로부터 H+ho(중복

파)보다 낮을 때, 또는 1.25H(쇄파)보다 낮을 때

는 월파를 하게 되므로 이 때는 제체 전체가 부

력을 받는다고 생각한다.

• 양압력

- 방파제의 윗단이 충분히 높아서 월파가 생기지 않을 경우는 직립부의 저면에는 양압력이 작용 한다.

- 양압력은 저면에서 위로 작용하므로 직립제의 무게를 감소시키는 역할을 하게 된다.

- 양압력의 강도는 직립제 저면의 항외 끝단에서 가장 크고, 항내 저면 끝단에서 0인 3각형분포 라고 생각한다.

- 항외 저면 끝단에 있어서의 양압력의 강도는 다

음 식으로 구한다.

- 중복파인 경우는(Sainflou 식)

- 쇄파인 경우는

- 그림 (b)는 월파하는 경우이며, 부력이 제체 전체에 작용한다고 하고 그 대 신 저면에는 양압력이 작용하지 않는다.

그림 4-17

pu

• 직립부의 안정계산

- 직립부의 활동에 대한 안정은 다음 식이 성립되 어야 한다.

여기서, P : 방파제 단위길이에 작용하는 파력

W : 부력을 뺀 단위길이당의 제체의 무게 : 직립부와 기초쇄석 사이의 마찰계수, =0.6∼0.8 정도

: 안전율, 1.2이상

µ µ

- 전도에 대해서는 다음 식이 성립 되어야 한다.

여기서, t : 직립부의 항내 끝단에서 W의 작용선까지의 거리 y : 직립부 저면으로부터 파력 P의 작용선까지의 높이 : 전도에 대한 안전율, F₀

그림 4-18

- 제체 저면의 지지력에 대해서는 다음과 같이 취 급한다. 제체의 단위길이당의 중량 W와 파력 P

의 합력 R에 대한 지반의 반력은 다음과 같다

(그림 4-18).

만일 즉 合力 R이 중앙 점에 작용하는 경우는

3 1

위에서 계산한 응력이 쇄석부의 지지력보다 작으면 안전하다.

• 기초사석부의 안정

- 활동에 대한 안정 : 직립부에 파력이 작용하면, 기초사석부의 어떤 면에 연하여 활동하는 경우도 있다.

- 그림과 같은 제체에서는 BC면에 연해서 가장 활동하기 쉬우므로, 사석부의 BC면에 대해서 활동에 대한 안정을 검토

- BC면에 연한 활동에 대한 안정 조건.

[예제 4-2】 그림 4-20과 같은 혼성제에 있어서 H=4.3m가 작용할 때의 안정을 검토하여라. 여기서 직립부콘크리트의 단위중량을 2.4 , 기초 쇄석부의 단위중량을 1.59 , 간극비를 0.4g로 한다.

/ m3

t / m3

t

그림 4-20

해》 앞에서 설명한 바와 같이 의경우는 중복파 가 되고,

따라서 쇄파가 작용한다고 생각할 수 있다.

〉2 H

d

-쇄파의 파압분포

-그림4-21

- 직립부에 작용하는 파력계산

• Minikin 공식 이용

파장이 L=113m(수심과 주기를 이용하여 계산)

- 최대 충격쇄파압

-충격압의 합력은

-정수압의 합력은

• 廣井공식

- 정수면상 1.25 H 점을 구하면 1.25 H = 1.25×4.3 = 5.38>3

따라서 직립부 전체에 쇄파가 작용한다.

- 부력 및 양압력

Minikin 공식에 있어서는 파랑이 직립제를 월류하지 않

으므로 직립부에는 부력과 양압력이 작용한다.

다음에 히로이 공식에 있어서는 파랑이 정수면으로부터 1.25H까지 올라간다고 생각하므로

1.25×4.3［m］=5.38［m］

이것은 직립부 윗단의 높이 3m 보다 크므로 이 경우는 파 랑이 월류하게 된다. 그림 4-17(b)의 경우와 동일하며, 직립 부 전체에 부력이 작용한다고 생각한다. 부력

따라서 직립부의 수중 무게는

WB

- 직립부의 활동

• Minikin의 공식

안전율이 1.2 보다 크므로 충분하다.

• 히로이 공식

Minikin 公式과 별 차이가 없다 .

- 직립부의 전도

y는 직립제 바닥으로부터 파력 P의 작용선까지의

높이이다.

그림 4-21

• Minikin 공식

따라서 파력의 합력 P의 작용점 y는

• 히로이 공식

- 직립부저면의 지지력

• Minikin 공식

W

의 작용선으로부터 W와 P의 합력의 작용선이 저면

과 만나는 점까지의 거리 e를 구하면

따라서 P와 W의 合力이 저면중앙 외에 작용하게 되므로 저면에 작용하는 압축응력은

3 1

• 히로이 공식

- 기초사쇄석부의 안정

그림에서 ABC 부분의 사석의 수중 무게는