박우선.fm

한국해안 해양공학회논문집 /ISSN 1976-819(Print), ISSN 88-7(Online) Journal of Korean Society of Coastal and Ocean Engineers 7(5), pp. 315~33, Oct. 015 http://dx.doi.org/10.9765/kscoe.015.7.5.315 크로스케이블로결속된인터로킹케이슨방파제의파력분산특성 Dispersion Characteristics of Wave Forces on Interlocking Caisson Breakwaters by Cross Cables 서지혜 * 이진학 *, ** 박우선 *, ** 원덕희 * Ji Hye Seo*, Jin Hak Yi*, **, Woo Sun Park*, ** and Deck Hee Won* 요지 : 이상기후현상으로인해폭풍의강도가커지고, 지속시간또한길어지고있어연안피해가점차대규모화되고있다. 이러한변화에대응하기위하여기존방파제에대한평가기준과신설방파제의설계기준이강화되고있다. 최근케이슨식방파제의구조적안정성을향상시키기위하여개별케이슨이독립적으로파에저항하도록하였던방파제케이슨을서로인터로킹시키는방안이관심을받고있다. 이는각각의케이슨에작용하는힘을분산시켜이상파랑이발생할경우에도최대파력이저감되어방파제의안정성을확보할수있도록한것이다. 본연구에서는케이블을이용하여케이슨상부를방파제기준선방향으로인터로킹시켰을때의파력의분산특성에대해서분석하였다. 수치계산의효율을위해지반과연결케이블은선형스프링으로모형화하고케이슨은강체로가정한정적선형모델을개발하였다. 수치해석결과, 입사각이커질수록케이블을통하여전달되는파력비가높아지고, 인터로킹케이블의강성이클수록전달파력비가증대되어파력분산효과가높아지는특성을확인할수있었다. 핵심용어 : 인터로킹, 케이슨방파제, 수치해석, 이상파랑, 파력분산 Abstract : Damage level of coastal structures has been scaled up according to increase of wave height and duration of the storm due to the abnormal global climate change. So, the design criteria for new breakwaters is being intensified and structural strengthening is also conducted for the existing breakwaters. Recently, interlocking concept has been much attention to enhance the structural stability of the conventional caisson structure designed individually to resist waves. The interlocking caisson breakwater may be survival even if unusual high wave occurs because the maximum wave force may be reduced by phase lags among the wave forces acting on each caisson. In this study, the dispersion characteristics of wave forces using interlocking system that connect the upper part of caisson with cable in the normal direction of breakwater was investigated. A simplified linear model was developed for computational efficiency, in which the foundation and connection cables were modelled as linear springs, and caisson structures were assumed to be rigid. From numerical experiments, it can be found that the higher wave forces are transmitted through the cable as the angle of incident wave is larger, and the larger the stiffness of the interlocking cable makes larger wave dispersion effect. Keywords : interlocking, caisson breakwater, numerical analysis, unusual wave, force dispersion 1. 서론 우리나라수출 입물동량의 98% 이상을담당하고있는항만의구조적안전성확보는국가의경제발전및국민의안전과직결되어있다. 최근지구온난화등에따른기후변화로인해최대풍속이 67 m/s 이상인슈퍼태풍의내습이빈번해지고있으며, 기후예측모형별로상이하지만대부분의학계에서는한반도에영향을미칠수있는북서태평양지역에서이러한강력한열대성저기압발생이늘어나는추세가앞으로도계속될것이라고전망하고있다 (Emanuel, 013; Gleixner et al., 014). 이에태풍의규모확대 (National Typhoon Center, 011) 로인해설계파를초과하는고파랑이동반되는현상을생각해보면방파제에대한추가적인안정성확보는매우중요하다 (Fig. 1, ). 케이슨식혼성방파제의시공이많은일본의피해사례에서내구년수 50년안에파랑에의한활동피해가발생 (Takayama and Higashira, 00) 한사례를보면기후변화가진행되어이상파랑발생빈도수가증가하면방파제피해발생도더욱빈번하게일어날것이라는것을예상할수있다. 1904년이후우리나라에영향을준총 336개의태풍가운 * 한국해양과학기술원연안공학연구본부 (Corresponding author : Woo Sun Park, Coastal Engineering Division, Korea Institute of Ocean Science & Technology, 787 haean-ro, Sangnok-gu, Ansan, 1567, Korea, Tel: +8-31-400-635, Fax: +8-31-408-583, wspark@kiost.ac.kr) ** 한국해양대학교해양과학기술전문대학원 (Ocean and Technology (OST) School, Korea Maritime and Ocean University (KMOU)) 315

서지혜 이진학 박우선 원덕희 316 Fig. 1. The annual trend in the maximum wind speed of typhoon. Fig.. The annual trend in the lowest pressure of typhoon. Fig. 3. The track of typhoon Bolaven(a), satellite image(b) (KMA). 데, 기후변화의 영향을 받은 것으로 판단되는 01년 제15호 태풍 볼라벤(Bolaven)은 Fig. 3에서처럼 서해안으로 내습하 였으며, 제14호 태풍 덴빈(Tenbin)에 연이어 발생하여 피해 를 가중시켰다. 제주도를 강타한 볼라벤은 서귀포항 외항이 제 기능을 할 수 없을 정도로 동방파제 상치 콘크리트가 파 손되고 전면 TTP 대부분이 유실되는 등 막대한 피해를 가져 왔다(Fig. 4). 방파제는 한번 활동피해가 발생하면 보수가 용 이하지 않기에 사전에 활동피해를 막는 방안모색이 시급한 실 정이다. 최근 이러한 이상파랑에 대한 대응방안으로 케이슨 장대 화가 관심을 받고 있다. 케이슨을 장대화하면 케이슨의 단 위 길이 당 작용하는 최대파력을 저감할 수 있어 같은 단 면으로도 케이슨의 안정성으로 높일 수 있는 장점이 있기 때문이다(Battjes, 198; Takahashi and Fig. 4. Layout of Seowipo harbor(a). East breakwater(b), sea(c) and harbor side(d) of south breakwater. (Chae et al., 013) Shimosako, 1990). 케이슨을 일체로 길게 제작하거나 인접케이슨을 기존의 시공장비를 그대로 사용할 수 있을 뿐만 아니라 지 강결하는 경우, 장비의 용량제한으로 인한 시공상의 어 반의 부등침하에 따른 추가적인 구조문제로 부터도 자유로 려움, 지반의 부등침하에 따른 구조 안전성 확보의 어려움 울 수 있다. 등이 있어 이와 같은 방법으로는 길이 제한이 있어 실제 본 연구에서는 기존의 케이슨 방파제의 인접 케이슨을 케 적인 장대화에 따른 파력분산 효과를 얻기는 쉽지 않다. 따 이블을 이용하여 서로 체결하였을 경우에 대해서 연구하였 라서, 최근 인접 케이슨을 서로 인터로킹시켜 파력분산효 다. 즉, Fig. 5에 보인 것처럼 인접 케이슨을 케이블을 X형 과를 얻는 방법에 대한 시도가 행해지고 있다(Kim et al., 010 and 011; Hyndai Dvp, 009 and 011; Park 으로 연결한 경우의 케이블에 의한 파력분산효과와 케이블 et al., 011). 케이슨을 인터로킹시키는 방법을 사용하면 석하였다. 을 통하여 인접 케이슨으로 전달되는 힘의 특성에 대해서 분

크로스케이블로결속된인터로킹케이슨방파제의파력분산특성 317. 해석모델 케이블로연결된인터로킹케이슨방파제의파력분산특성을수치적으로분석하기위하여 Fig. 5에보인바와같이파고가 A, 진동수가 ω 인규칙파가수심 h인해역에설치된인터로킹케이슨방파제에경사각 ψ 로입사하는경우를고려하였다. 여기서, 방파제기준선에직각방향을 x, 기준선방향을 y, 정수면으로부터연직방향을로가지는직교좌표계 ( xyz,, ) 를사용하였다..1 정적평형방정식파력을받는인터로킹케이슨방파제를효율적으로해석하기위하여, 케이슨은강체거동을하는것으로가정하고사석마운드를포함하는지반은 Elastic Half Space Theory에기초한 Winkler 모델로연직방향과수평방향의선형스프링으로모형화하였으며 (Newmark and Rosenblueth, 1971), 인접케이슨을서로결속하는케이블은선형스프링으로단순화하였다 (Fig. 6). 수평, 연직및회전방향에대한힘의평형조건으로부터, i- 번째케이슨에작용하는평형방정식은다음과같이구성할수있다. Fig. 5. Definition sketch for an interlocking caisson breakwater by cross cables. F x = 0 k I H k S H ξ i k I I H H c θ i k H ( ξ i 1 + ξ i+ 1 H c θ i 1 H c θ i + 1 ) = F H W (1) F z 0 k S S B V B c ζ i + k c V = ---- θ i = W W + F V () M O 0 k I S B = H H c ξ i + k c V ---- ζ i k I 3 SB H H c k c V + ---- 3 θi + k I H H c ( ξ i 1 + ξ i + 1 H c θ i 1 H c θ i + 1 ) = F W H d + Wb F W V l (3) 여기서, ξ i 와 ζ i 는각각 i-번째케이슨의 xz, 방향의변위이 S S 며, θ i 는 y축방형의회전각이다. K H 와 k V 는지반의수평, I 연직방향강성계수이며, k H 는케이슨을연결하는케이블의 W W 강성계수이다. F H 와 F V 는케이슨에작용하는수평, 연직방향의파력을의미하며, W는케이슨의중량이다. Elastic Half Space Theory에기초한 Winkler 모델을이용하면, 지반강성계수는다음과같이얻을수있다 (Newmark and Rosenblueth, 1971). S E k s B c W c H = ---------------------k 1 v T (4) Fig. 6. Simple model for an interlocking caisson breakwater. Table 1. Coefficient, k T and c s S E k s W c B V = ------------------------c c (5) 1 v s I E k c A H = ---------- c (6) L c 여기서, E s 와 v는각각지반의영계수, 포아송비를의미하며, 형상계수 k T 와종횡비 c s 는 Table 1에정리하였다. 또여기서, E c, A c 와 L c 는각각케이블의탄성계수, 단면적및한케이블의강성계수는다음과같이표현할수있다. 길이를의미한다. Aspect ratio 1.0 1.5.0 3.0 5.0 10.0 c s 1.06 1.07 1.09 1.13 1. 1.41 k T ν =0.1 ν =0. ν =0.3 ν =0.4 ν =0.5 1.00 1.01 1.0 1.05 1.15 1.5 0.938 0.94 0.945 0.975 1.050 1.160 0.868 0.864 0.870 0.906 0.950 1.040 0.79 0.770 0.784 0.806 0.850 0.940 0.704 0.69 0.686 0.700 0.73 0.940

318 서지혜 이진학 박우선 원덕희. 케이슨에작용하는파력 파가방파제에경사지게입사하게되면, 각케이슨의최대파력은위상차를갖고작용하게된다. 본연구에서는인터로킹케이슨에작용하는설계파력을이위상차를고려하여다음과같이정의하였다. W F H F G W = H γ d ; F V 여기서, F W W H, F V = 수평및연직방향설계파력 ; F G G H, F V = Goda 파압 (Goda, 010) 분포를면적분한수평및연직방향파력 ; γ d = 위상차가고려된저감계수를의미한다. 저감계수 γ d 는 Fig. 7에보인바와같이케이슨으로구성된무한방파제에경사로입사하는선형파에대한속도포텐셜을이용하여결정하였다 [ 부록참조 ]. 즉, γ d = γ cosδ = F V G γ d (7) (8) 연결한방파제를시험대상으로선정하였다 (Fig. 8). 유의주기 15s, 유의파고 9m 파를재현주기 50년설계파로설정하였으며, 입사각변화에따른파력분산특성을파악하기위해방파제기준선으로부터각각 10, 0, 30도로입사하는 3가지경우를고려하였다. 또한, 연결케이블의강성이분산효과에미 치는영향을살펴보기위하여지반의강성계수 ( 케이블의강성계수 ( ) 값대비 ) 가각각 0.1, 0., 0.3 으로변화하는경 우에대한해석을수행하였다. 하중케이스 (Load Case) 는케이슨각각에최대설계파력 ( = 57 MN) 이작용될경우, 즉, 10 개의하중케이스 F H G k H I (LC1~LC10) 을사용하였다. Fig. 9에각하중케이스의작용파력분포를최대설계파력으로무차원화하여입사각변화에따라제시하였다. 입사각이커짐에따라작용파력의기울기가급격하게증가하며, 입사각 0 o 및 30 o 의경우에는작용파력이크게변하여몇몇의케이슨에서작용파력이반대가되는것을확인할수있다. k H S 여기서, sin kw -------------------- csinψ γ = ---------------------------- ; δ = ky (9) kw c sinψ i sinψ -------------------- 3. 수치해석결과 인터로킹에의한파력분산특성을파악하기위하여케이슨 γ 는케이슨면내압력의위상차효과를나타낸다. 3. 수치해석결과 3.1 수치해석조건 인접케이슨결합에따른파력분산효과를살펴보기위하여수심 15 m에케이슨 (B c 0 m W c 0 m H c 0 m) 10함을 Fig. 7. Definition sketch for calculating wave force acting on the i-th caisson considering phase lags. Fig. 8. Definition of caisson numbers. Fig. 9. Distribution of normalized wave forces acting on the greakwater with three different wave attack angles.

크로스 케이블로 결속된 인터로킹 케이슨 방파제의 파력분산특성 을 통하여 직접 지반으로 전달되는 수평파력과 케이블 장력 의 변화를 살펴보았다. 319 10도인 경우는 1% 이내, 0도인 경우는. ~ 4.9%, 30도인 경우는 4.6 ~ 6.7%의 하중분산효과를 보였으며(Fig. 10 a ~ c), 입사각이 30도인 경우 강성비가 0.1이면 4.6 ~ 6.7%, 강 3..1 지반으로 전달되는 수평파력 성비가 0.이면 8. ~ 11.4%, 0.3이면 11.6 ~ 14.7%로 하중 케이슨에 작용하는 수평파력이 지반으로 전달되는 정도는 분산효과가 증대되었다(Fig. 10 c, f, i). 수평방향 지반스프링의 반력으로 판단할 수 있다. Fig. 10에 하중분산효과가 크지 않은 것은 현재 해석은 선형모델을 이 입사각, 케이슨 연결케이블 강성 및 하중케이스 변화에 따른 용하여 설계하중 이내에서만 해석을 실시하였기 때문이다. 지 지반 수평반력을 최대 수평파력으로 무차원화하여 제시하였다. 반의 스프링을 마찰저항력을 고려한 비선형 스프링으로 모델 그림을 보면, 입사각과 연결 케이블의 강성이 클수록 직접 링하고 설계파 이상의 이상고파랑에 대하여 해석으로 수행한 지반으로 전달되는 수평 파력이 감소됨을 알 수 있다. 즉, 연 다면 하중분산효과는 급격히 증대될 것으로 예상된다. 즉, 각 결 케이블을 통하여 인접 케이슨으로 전달되는 힘이 커져 분 케이슨의 수평방향 최대 저항력이 마찰저항력으로 제한되기 산효과가 증대됨을 알 수 있다. 강성비가 0.1일 때 입사각이 때문에 초과되는 하중은 연결 케이블을 통하여 인접 케이슨 Fig. 10. Variations of transmitting forces to the seabed.

30 서지혜 이진학 박우선 원덕희 으로 전달되기 때문이다. 11 a ~ c), 입사각이 30도인 경우 강성비가 0.1이면 18.5%, 3.. 연결 케이블 장력 c, f, i). 또, Fig. 8의 하중 곡선과 비교하여 보면, 케이블에 케이슨과 케이슨을 연결하는 케이블에 작용하는 장력을 한 작용하는 최대장력은 인접케이슨에 작용하는 파력차가 가장 케이슨에 작용하는 최대 설계파력으로 나눈 값을 Fig. 11에 큰 위치, 즉 하중곡선 기울기가 가장 급한 곳에서 발생함을 제시하였다. 그림을 보면 입사각이 증가할수록, 그리고 연결 알 수 있다. 이는 케이블의 장력이 케이슨의 상대변위에 비 케이블의 강성계수가 증가할수록 장력이 증가함을 알 수 있 례하기 때문이다. 0.이면 33.3%, 0.3이면 45.7%로 장력이 증대되었다(Fig. 11 다. 즉, 강성비가 0.1일 때 입사각이 10도인 경우는 4.8%, 0 앞에서 살펴본 수평지반반력과 케이슨의 장력의 정성적인 도인 경우는 13.0%, 30도인 경우는 18%로 나타났으며(Fig. 특징을 자세히 살펴보기 위하여 특정 하중조건(LC1)에서 입 Fig. 11. Variations of tensions in connecting cables.

크로스케이블로결속된인터로킹케이슨방파제의파력분산특성 31 Fig. 1. Transmitting forces to the seabed & tensions in connecting cables for LC1. 사각과강성비에따라비교하여도시하였다 (Fig. 1). Fig. 11 과 Fig. 1의결과를보면입사각이클수록파력분산효과가증대됨을알수있고분산효과를높이기위해서는케이블의강성을크게하는것이필요함을알수있다. 그러나강성이증가함에따라담당하중증가율이감소는하지만케이블의강성 ( 단면적 ) 을증가하면담당해야할장력도따라서증가하게된다. 따라서, 분산되는하중에따른적정한규모의케이블강성설계가필요하다. 4. 결론 본연구에서는이상파랑에대한대응방안으로고려되고있는케이블연결에의한인터로킹방파제의파력분산효과를살펴보기위하여, 선형정적해석모델을구축하였으며, 이를이용하여수치실험을실시하였다. 총 10함의케이슨으로구성된방파제를대상으로주요설계변수인설계파의입사각과연결케이블의강성변화에따라수치해석을수행하였다. 도출된주요결과를요약하면다음과같다. -입사각이증가하면파력분산효과와연결케이블의장력이증가한다. -연결케이블강성이증가하면파력분산효과가증가하며, 케이블장력도증가한다. -연결케이블의최대장력은케이슨에작용하는파력을연 결한곡선의기울기가가장급한곳에서발생한다. 방파제케이슨에설계파보다큰이상고파랑이내습하면특정케이슨에설계파력보다큰파력이작용될수있다. 이러한경우, 인터로킹효과에의해방파제는활동에안전할수있다. 이와같이이상고파랑이작용하는경우는본논문에서제시한경향과는다른거동을보이게된다. 따라서, 설계파보다큰파가경사로입사하는경우의인터로킹케이슨방파제의응답특성을알기위해서는지반수평방향지반반력의비선형특성및충격쇄파의효과를고려한비선형동적해 석이필요하다. 인터로킹케이슨방파제를경제적으로설계하기위해서는단위케이슨이아닌방파제전체의관점에서의접근이필요하다. 감사의글 본연구는 관리형해상처분장건설기술개발 (PE9934) 의연구비지원에의해수행되었습니다. References Battjes, J.A. (198). Effect of short-crestedness on wave loads on long structures, Applied Ocean Research, 4(3), 165-17, 198. Chae, J.W. et al. (013). Extreme Waves Generated by Typhoon

3 서지혜 이진학 박우선 원덕희 Bolaven (0115) in Southern Korean Waters, Proc. 7th Int. Conf. on Asian and Pacific Coasts, 996-1001. Dalrymple, R. A., and Dean, R. G. (1991). Water wave mechanics for engineers and scientists. Prentice-Hall, Emanuel, K.A. (013). Downscaling CMIP5 climate models shows increased tropical cyclone activity over the 1st century, Proceedings of the National Academy of Sciences, 110(30), 119-14. Gleixner, S., Keenlyside, N., Hodges, K. I., Tseng, W. L., and Bengtsson, L. (014). An inter-hemispheric comparison of the tropical storm response to global warming, Climate Dynamics, 4(7-8), 147-157. Goda, Yoshimi. (010). Random Seas and Design of Maritime Structures. World Scientific, 708. Hyndai Dvp. company. (009). Report of Alternative-design of Counter Facilities Construction at Yeongil Bay Port in Pohang (Stage -1) Hyndai Dvp. company. (011). Report of Basic Design of South- Breakwater at Yeongil Bay Port in Pohang (Stage 1 on Zone 1) Kim, B.H., Lee, J.W., Park, W.S. and Jung, J.S. (010). Making Long Caisson Breakwater Using interlocking System, KSCE J. Civil Engrg., 58(1), 65-71. Kim, B.H., Kim, J.S., Park, S.Y. and Kim, J.W. (011). Design Case of the 3D Interlocking Breakwater, Proc. KAOSTS '11 Conf., 1903-1906. Korea Hydrographic and Oceanographic Administration (KHOA). (01). Data report of typhoon Bolaven (0115). la. National Typhoon Center. (011). Typhoon White Book, 11-1360016-000001-01. Newmark, Nathan M. and Rosenblueth, Emilio. (1971). Fundamentals of Earthquake Engineering, Prentice Hall, Inc. Park, S.H., Park, W.S. and Kim, H.S. (011). Evaluation of Structural Behavior for Interlocking Breakwater, Proc. KAOSTS '11 Conf., pp. 1915-1918. Park, W.S., Yi, J.H., Won, D.H., and Seo, J.H. (013). Dispersion Characteristics of Wave Forces on Interlocking Caisson Breakwaters, Proc. KSCDP '13 Conf., 70. Takahashi, S., and Shimosako, K. (1990). Reduction of wave force on a long caisson of vertical breakwater and its stability. Technical Notes No. 685, Port and Harbour Research Institute, Yokosuka, Japan. Takayama, T. and Higashira, K. (00). Statistical analysis on damage characteristics of breakwaters. Proc. of Ocean Development Conf., 18, 63-68. (in Japanese). Received 16 July, 015 Revised 0 September, 015 Accepted 1 September, 015

크로스케이블로결속된인터로킹케이슨방파제의파력분산특성 33 부록 : 파력저감계수, γ d 결정 무한벽에경사로입사하는부분중복파에대한속도포텐셜 (Φ) 은다음과같이주어진다 (Dalrymple and Dean, 1991). Φ( xyzt,, ; ) = Re gh ------ φ( xy, )---------------------------- coshk( z+ h) e iωt (A1) ω coshkh F H S = 여기서, W c y i + ------ W c y i ------ o [ p dz] dy h = ρ f g H ---1 ( + K R )W c h--------------- tanhkh γ sin( ωt δ) kh (A3) 여기서, φ( xy, ) e ikx cosψ ikx cosψ = ( + K R e )e ikysinψ, K R 은반사계수, ψ 은파랑의입사각을의미한다. 케이슨에작용하는동수압은선형화된베르누이방정식에의하여다음과같이표현되며, Φ p = ρ f ------ t i번째케이슨에작용하는파력, 적분하여산정할수있다. 즉, F H S (A) 는이를작용면에대해 sin------------------- kw csinθ γ = --------------------------- ; δ = ky (A4) kw c sinθ i sinθ ------------------- 식 (7) 의저감계수 γ d 는기준케이슨 ( y i = 0 ) 에최대하중이작용하는때의 i번째케이슨의파력을연직방향최대압력분포를케이슨전면에적용하여구한파력에대한비로정의할수있다. 즉, γ d = γ cosδ (A5)