2열잠제와 공진장치에 의한 장주기파랑의 제어에 관한 연구

Abstract

세계적으로 지진발생의 빈도가 급증하고, 이와 더불어 발생하는 지진해일의 규모도 점점 커져 막대한 인명 및 재산피해가 발생하고 있다. 이 중에서 2004년 12월 26일에 발생한 규모 9.1의 인도네시아 수마트라지진으로 인한 인도양지진해일은 대표적인 피해사례이다. 인도양지진해일로 약 22만 8천명이 사망 또는 실종되었고, 지진과 지진해일로 인하여 남아시아와 동아프리카의 14개 국가에서 약 170만명의 이재민이 발생하였다. 이러한 지진해일은 인명피해를 비롯하여 연안에 위치한 항만과 같은 주요한 사회간접자본시설물의 파괴, 침수 등에 의한 가옥피해 및 대규모의 지형변동 등을 유발시킨다. 우리나라도 동해연안에서 일본근해에 기원한 지진해일로 다소의 피해를 입었으며, 향후 일본의 지진공백역 등에서 발생될 수 있는 지진해일로 큰 피해가 예상되고 있다. 또한, 항내로 입사되는 장주기파의 주기와 항만의 고유진동주기가 같거나 비슷할 때 부진동현상이 발생한다. 이러한 부진동에 의하여 항만에서는 항만가동율의 저하, 하역과 적하작업의 중단 및 계류삭의 파단 등으로 크고 작은 피해가 발생되고 있다. 하지만, 지진해일과 부진동 등의 장주기파랑에 대한 피해를 방지하기 위하여 새로운 방파구조물을 건설하는 것보다는 기존의 파랑제어구조물의 활용 및 개량 등의 방법이 보다 경제적일 것이다. 따라서, 본 연구에서는 단주기파랑과 고립파(지진해일파) 같은 장주기파랑을 동시에 제어할 수 있는 방안으로 2열잠제와 공진장치를 제안하며, 또한 공진장치를 이용하여 단&#8226

서방파제에 공진장치를 적용한 결과에 의하면 주기가 800s 이상의 장주기에서는 공진장치의 길이 L이 길어질수록 장주기파의 제어에 효과적이었으며, 수심이 깊어질수록 주기위상의 변화가 작은 것으로 나타났다.

3) 포항신항내의 공진장치 배치안은 현 상태의 부진동을 완전히 차단하고, 300s이후로 최대파고증폭비의 위상을 이동시킴으로써 300s이내의 계류선박의 동요를 발생시키는 주기를 억제할 수 있을 것으로 판단된다.

분석하였다.

이로부터 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.

(1) 고립파(지진해일) 작용하의 잠제에 의한 파랑제어

1) 고립파와 잠제와의 상호간섭을 해석하기 위한 본 연구의 타당성을 확인할 수 있었다. 비록 한정된 범위에서 수행된 수치해석결과이지만, 2열잠제의 천단고 및 배치간격을 적절히 조절함으로써 파랑제어기능을 극대화시킬 수 있다는 것을 확인할 수 있었다. 특히, 입사파랑의 파고가 2열잠제에 의해 약 60%까지 감쇠되는 것을 알 수 있었고, 1열잠제에 비해 반사율이 약 47%정도로 증가하며, 전달율은 약 18%로 감소하였다.

2) 전반적으로 입사파랑에너지의 소산은 잠제에 의한 와동현상과 밀접한 관계를 가지며, 더불어 본 연구에서 고립파의 제어를 위해 처음으로 도입되는 2열투과성사각형잠제는 1열의 경우와 대비하여 경제적으로, 그리고 보다 효과적으로 고립파를 제어한다는 것을 알 수 있었다.

(2) 2열불투과성사각형잠제를 이용한 단주기파랑 및 고립파의 제어

1) 1열잠제보다 단면적이 훨씬 적은 2열잠제가 단주기파랑 및 고립파를 훨씬 효율적으로 제어한다.

2) 1열잠제의 경우에 천단고가 높을수록, 그리고 천단폭이 넓을수록 고립파의 제어기능이 향상되지만, 천단고가 미치는 영향이 천단폭의 경우보다 훨씬 크다. 또한, 2열잠제의 경우에 이격거리에 따라 파랑제어기능이 변화하며, 특히 고립파를 최적으로 제어할 수 있는 유효거리가 존재함을 확인하였다.

(3) 공진장치를 이용한 단주기파랑과 고립파의 제어

1) 공진장치의 유무에 따른 배후역에서의 제어능은 단주기파랑과 고립파에 대한 탁월하다는 것을 알 수 있었다.

2) 유효거리 를 변화시켜 검토한 결과에 의하면 제어대상의 고립파에 대한 공진장치의 최적치수가 존재함을 확인할 수 있었지만 향후 수리실험과 같은 보다 다각도의 심층적인 연구가 필요할 것으로 판단된다.

(4) 실해역에서 공진장치를 이용한 부진동의 제어

1) 모델항만에 적용된 공진장치는 공진장치의 길이 L와 중앙부폭 B를 적절히 조절함으로써 파장이긴 주기에 의한 부진동을 효과적으로 제어할 수 있는 것으로 나타났다.

2) 직사각형의 형상을 갖는 감천항의 동&#8729

분석하였다. 또한, 부진동에 대해서는 2차원타원형완경사방정식을 기초로한 유한요소모델인 상용소프트웨어 SMS (Surface water Modeling System)의 CGWAVE MODULE을 적용하였고, 직사각형만을 모델링한 모델항만에서 Ippen 과 Goda(1963)가 수행한 선형파이론의 해석해와 비교&#8226

분석하여 본 수치해석법의 타당성을 검증하였다. 이로부터 단주기파랑의 제어에 있어서 최소반사율을 나타내는 2열잠제의 조건을 검토하였고, 고립파에 대해서는 2열잠제의 천단고, 천단폭, 이격거리 및 입사파고 등을 변화시켜 1열 불투과성사각형잠제에 의한 결과와의 대비를 통하여 고립파의 3차원파랑제어특성을 검토하였다.

다음으로, 고파랑의 단주기파랑, 고립파 및 부진동을 동시에 저감시키기 위한 저감공으로 단주기파랑에 대해 기연구개발된 공진장치를 기설의 방파제 항구부에 부착하는 공법을 검토하였다. 수치해석에 있어서 단주기파랑에 대해서는 연직선Green함수에 기초한 특이점분포법을, 고립파에 대해서는 3차원수치파동수로를 이용하는 3차원혼상류해석법을 각각 적용하여, 기존의 수치해석결과 및 실험결과와 비교&#8226

장주기파랑과 더불어 부진동현상도 제어할 수 있는 방안을 모색하고자 한다.

먼저, 고립파(지진해일파)에 대한 2열투과성사각형잠제의 파랑제어기능에 대하여 유체장에 대한 Navier-Stokes방정식과 자유수면을 효과적으로 추적할 수 있는 VOF법을 기초방정식으로 사용하는 2차원수치파동수로를 적용하여 수치적으로 검토한다. 고립파의 조파는 수치파동수로의 계산영역내에 설치된 수치조파기(내부조파소스)를 이용하였으며, 구조물에 의한 고립파의 파랑변형을 논한 기존의 연구결과와 본 해석결과를 비교하였다. 또한, 단주기파랑과 고립파를 동시에 저감시키기 위한 방안으로 2열불투과성사각형잠제의 파랑제어능을 수치적으로 검토하였다. 단주기파랑에 대해서는 Green공식에 기초한 경계적분방정식법을, 고립파에 대해서는 3차원수치파동수로를 이용하는 3차원혼상류해석법을 각각 적용하였고, 기존의 수치해석결과 및 고립파의 특성과 비교&#8226