鉛直柱狀構造物에 作用하는 非線形波力과 構造物에 의한 非線形波浪變形 및 地形變動의 解析

Abstract

최근 해양과 해안의 개발의 필요성은 국가적인 문제로 인식되고 있다. 해양개발은 에너지자원의 개발뿐만 아니라 국가안보의 차원에서 점점 그 중요성이 강조되고 있으며, 특히 석유와 해저광물자원의 확보 및 식량자원의 확보는 국가에너지의 동력원 확보라는 중요한 문제와 연결되어 있다. 해안역에 설치되는 석유비축기지, 원유접안시설은 국가에너지의 공급원으로서, 컨테이너부두와 같은 항만시설은 내륙과 해양을 연결하는 물류의 중심으로서 기능을 수행하고 있다. 이러한 해안 및 해양구조물의 설계에 있어서 가장 중요한 외력의 요소 중의 하나인 파랑의 영향을 충분히 고려하여 구조물의 안정성과 작업가능성을 검토하여야 한다. 따라서, 대형연직주상구조물에 의해 발생하는 회절파를 고려한 작용파압 및 파력은 내파설계상 정확히 예측될 필요가 있다.

먼저, 본 연구에서는 복수의 대형연직주상구조물을 중심으로 구조물에 작용하는 비선형파력과 구조물에 의한 비선형파랑변형을 검토하며, 수치해석의 이론으로 1)Stokes 2차파의 경우에 대한 섭동전개법과 경계적분법에 기초한 비선형주파수영역해석법을 적용하여 연직주상구조물에 작용하는 비선형파력 및 구조물에 의한 비선형파랑변형을 해석하고, 2)파랑과 구조물과의 비선형상호간섭에 따른 복잡한 자유수면의 거동특성을 고정도로 해석할 수 있는 3차원 Navier-Stokes의 운동방정식과 자유수면추적에 3차원 VOF (Volume Of Fluid)법(Full-nonlinear해석법)을 적용하여 비쇄파 및 쇄파후의 파랑에 의한연직주상구조물에 작용하는 비선형파력 및 구조물에 의한 비선형파랑변형을 해석한다.

이상의 수치해석 이론으로부터 얻어지는 수치해의 타당성을 검증하기 위해 연직원주구조물과 파랑과의 비선형간섭에 있어서 해석해 및 2차오더의 회절산란포텐셜을유도한 Sanada(1998)의 수치해석결과와 수리실험결과를 중심으로 한 기존의 해석결과와본 수치해석결과를 비교ㆍ검토하였고, 연직원주구조물에 작용하는 파력특성에 대하여 Chakrabarti and Tam(1975)의 수리실험결과와 본 연구의 수치해석결과를 비교ㆍ검토하였다. 각각의 수치해석에 2기로 구성된 임의형상의 연직주상구조물을 적용하며, 구조물의 형상, 구조물의 배치간격, 입사파향각의 변화에 따른 비선형파력과 비선형파랑변형의 특성을 논의하였다. 그리고, Navier-Stokes의 운동방정식과 VOF법을 적용하여 경사면을 지나 일정수심역에 위치한 연직주상구조물에 대하여 파고변화 및 구조물 위치변화에 따른 쇄파후에 비선형파력의 변화특성을 검토하였다.

다음으로, 구조물의 주변에서 파동에 의한 세굴과 퇴적현상과 같은 지형변동을 규명하기 위해 3차원 Navier-Stokes의 운동방정식과 3차원 VOF법(Full-nonlinear해석법)으로부터 산정되는 저면에서의 최대유속벡터와 평균유속벡터 및 파고분포와 같은 파동장의 특성을 이용하여 원주구조물의 저면에서 발생되는 세굴과 퇴적현상에 대한 기존의 수리실험결과와 연계하여 파동장의 특성이 저면의 지형변화에 미치는 영향을 검토하였다.또한, Saito(1988)의 토사이동식에 본 해석법에 의해 산정된 유속을 적용하여 토사이동에관한 수치시뮬레이션을 수행하여 토사이동을 해석하였으며, 특히 쇄파시에 수중연직주상구조물에 의한 지형변동을 해석하고 Toe(1985)의 수리실험결과와 비교하였다.

이상의 과정으로부터 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.

(1)비쇄파시에 연직주상구조물에 작용하는 비선형파력과 구조물에 의한 비선형파랑변형

1)원형단면 및 정사각형단면을 갖는 연직주상구조물에 있어서 구조물의 전면에서는부분중복파의 영향으로 높은 수면상승고를, 구조물의 배후면에서는 상대적으로 낮은 수면상승고를 나타내었다. 또한, 구조물 전면과 배후면에서의 수면상승고의 시간변화에 위상차이를 보이며, 특히 구조물 배후면에서의 수면상승고에 대한 시간변화는 구조물간의간섭현상 및 회절산란파의 영향으로 비선형성이 크게 나타났다.

2)복수연직주상구조물에서 배치간격의 변화에 따른 구조물의 표면둘레에서 최대수면상승고는 구조물에 의한 회절산란파의 영향과 구조물간의 비선형간섭으로 복잡하게 나타나는 것을 알 수 있었다.

3)구조물의 배치간격에 따른 복수연직주상구조물에 작용하는 각 성분파력의 변화는 구조물의 배치간격이 일정거리 이상으로 되면 단수연직주상구조물의 각 성분파력에 근접하게 되는 것을 알 수 있었다.

(2)쇄파후에 연직주상구조물에 작용하는 비선형파력과 구조물에 의한 비선형파랑변형

1)구조물의 유무에 따라 쇄파파형에 변화가 발생하며, 일정수심역의 수심이 깊을수록 구조물에 의한 반사파의 영향이 더 커지고, 더불어 쇄파파형에서 변화도 크게 나타났다.

2)쇄파발생지점이 경사면에서 발생하면 일정수심역에 위치한 구조물에 작용하는 비선형파력의 감소기울기가 사면분기점후에 쇄파파형이 발생하는 경우보다 크고, 따라서 일부영역에서는 파고가 증가하여도 구조물에 작용하는 파력이 작게 나타났다.

3)쇄파발생위치에 따른 파력변화특성을 일정수심역의 수심을 변화시키면서 고찰하였고, 2)와 동일한 결과를 얻을 수 있었다.

4) 쇄파발생지점에 구조물이 근접할수록 파력의 변화기울기는 급격하게 증가하고, 멀어짐에 따라 파력의 변화기울기가 완만해지는 결과를 얻었다.

(3)연직주상구조물의 주변에서 흐름과 지형변동

1)기존의 실험결과와 본 해석법에 의해 산정된 저면최대유속, 평균유속 및 파고분포와 비교하여 세굴과 퇴적과의 연관성을 검토하였다. 구조물의 전면에서 -x축방향으로 최대유속이 발생하는 영역에서 최대세굴심이 나타나고, 유속이 감소하는 영역에서는 퇴적이 나타나며, 다시 유속이 증가하는 영역에서 세굴이 나타났다.

2)파고분포와 비교하였을 때 중복파의 Node부분에서는 세굴이, Anti-node에서는 퇴적이 일어났다.

3)본 해석법에 의해 산정된 저면유속을 기존의 토사이동식에 적용하여 쇄파 및 비쇄파시의 경우에 (수중)원주구조물의 주변에서 지형변동에 관한 수치시뮬레이션을 수행하였고, 기존의 실험결과와 세굴 및 퇴적의 경향이 대체로 잘 상응하였다.