전단키형 인터로킹 케이슨 방파제의 파력분산효과

Dispersion Effects of Wave Force on Interlocking Caisson Breakwater with Shear-Key

Abstract

장대케이슨은 1함당 작용하는 평균파력이 감소하는 파력의 평활화 효과로 인해 케이슨의 활동파괴에 대한 구조안정성을 향상시킬 수 있으나, 장대케이슨은 제작 및 시공상의 이유로 사용하는데 어려움이 있다. 이에 대한 대안으로 개별 케이슨을 인접한 케이슨과 서로 인터로킹시켜 파력을 분산시키는 인터로킹 케이슨에 대한 연구가 되고 있다. 본 연구에서는 케이슨의 장대화가 가능한 전단키형 인터로킹 케이슨을 제안하고, 해석적 방법을 통해 전단키에 의한 파력분산효과를 평가하였다. 해석결과, (1) 전단키형 인터로킹 케이슨은 좌우비대칭 형상으로 인해 구조물 거동 및 파력분산효과 또한 좌우비대칭으로 나타난다. (2) 파력분산효과는 전단키의 전단경사각, 높이, 전단길이비 등 전단키의 형상보다는 각 케이슨에 작용하는 파력 분포 및 특성에 더 큰 영향을 받는다. (3) 장대화된 인터로킹 케이슨 방파제는 완전일체형 방파제와 거의 유사한 거동 및 파력분산효과를 나타낸다.

Long caisson breakwaters can improve the structural safety of a caisson due to the wave dispersion effect which reduces the average wave force acting on one caisson. However, in order to make long caissons, there are many manufacturing and construction limitations. Recently, interlocking caisson systems, which are to form a long caisson by interlocking individual caissons with adjacent caissons, have been much attention. In the present study, a interlocking caisson system with shear-keys was proposed and the wave dispersion effect according to the shear-key was evaluated analytically. As a result, (1) Because of the asymmetric shape of the interlocking caisson, the structure behavior and the wave dispersion effect of one are also asymmetric. (2) The wave dispersion effect is more influenced by the distribution and characteristics of wave acting on each caisson rather than the shape of the shear-key such as shear angle, height, shear length ratio. (3) The interlocking caisson breakwater is almost the same behavior and wave dispersion effect as a fully integrated breakwater.

1. 서론

자중에 의한 중력의 힘으로만 파랑에 저항해야 하는 중력식 케이슨 방파제의 경우 이상파랑에 의해 케이슨이 밀려나는 활동파괴가 큰 비중을 차지한다(Takayama and Higashira, 2002). 방파제는 활동피해가 발생할 경우 보수가 어렵기 때문에 사전에 활동파괴를 예방하는 조치가 필요하다. 케이슨의 활동파괴에 대한 구조안정성을 확보하기 위한 방안 중 하나는 일반적인 케이슨 길이 20~30 m 보다 긴 장대케이슨을 이용하는 것이다. 장대케이슨은 기준선 방향으로 경사지게 입사하는 파의 위상차로 인해 케이슨 1함당 작용하는 평균파력이 감소하는 파력의 평활화 효과가 발생하여 케이슨의 구조안정성을 향상시킬 수 있다(Takahashi and Shimosako, 1990). 따라서 장대케이슨이라 하면 파력의 평활화 효과로 인해 평균파력이 약 20~30 % 이상 감소하는 경우로 정의할 수 있다. 즉, Fig. 1에 나타낸 것과 같이 방파제의 길이를 l_B, 파의 입사각을 θ, 파장을 L로 나타내면 파의 입사방향에 대한 방파제의 투영길이와 파장의 비인 l_Bsinθ/L가 0.3 이상인 경우를 장대케이슨이라 할 수 있다(Kim et al., 2010). 그러나 케이슨의 길이를 길게 제작하기 위해서는 제작장 여건, 부재의 강도, 해상장비, 부등침하 등 여러 제약이 많다. 그리하여 일반적인 길이의 케이슨을 인접한 케이슨과 서로 인터로킹시켜 파력을 분산시키는 인터로킹 케이슨이 현실적 대안으로 연구되고 있다. 최근 케이슨 간의 인터로킹 효과를 얻기 위한 방법으로 케이블형, 키블록형, 요철형, 채움재형 등과 같이 다양한 개념들이 연구되고 있다(Kim et al., 2010; Seo et al., 2015; Seo et al., 2017; Park et al., 2016; Park et al., 2017). 본 연구에서는 케이슨의 측벽 및 돌출시킨 저판부에 전단키를 두어 인접 케이슨과 기준선방향으로 인터로킹시킴으로써 케이슨의 장대화가 가능한 전단키형 인터로킹 케이슨 및 전단키 형상을 제안하고, 해석적 방법을 통해 전단키에 의한 파력분산효과를 평가하였다.

Fig. 1. Concept of a Long Caisson

2. 전단키형 인터로킹 케이슨의 형상 및 특징

Fig. 2에 전단키형 인터로킹 케이슨의 형상 및 특징을 나타내었다. 전단키형 인터로킹 케이슨은 일반적인 케이슨의 형상과 비교하여, 인접 케이슨과의 인터로킹을 위해 케이슨의 측벽 및 돌출시킨 저판부에 전단키(shear-key)와 전단키홈(shear-way)을 둔 형상이다(Fig. 2(a) 참조). 전단키형 인터로킹 케이슨은 수직·수평방향의 전단키에 의해 케이슨의 기준선 및 높이 2방향으로 인접한 케이슨과 인터로킹되어 케이슨의 장대화가 가능하다. 따라서 인터로킹 케이슨 방파제는 단일 장대케이슨과 같이 파력의 평활화 효과로 최대파력이 저감된다. 또한 전단키에 의한 맞물림 효과(interlocking effect)로 인해 파랑에 대한 케이슨의 활동 및 전도저항성이 향상된다(Fig. 2(b) 참조). 전단키형 인터로킹 케이슨은 기존 케이슨과 동일한 시공방법에 의해 거치되면서도 전단키에 의한 인터로킹효과와 함께 거치과정에서 전단키가 가이드 역할을 하여 거치작업이 좀 더 용이해지는 장점이 있다.

Fig. 2. Interlocking Caisson with a Shear-Key

3. 전단키 형상에 따른 파력분산효과

Fig. 3(a)에 케이슨의 전면에 작용하는 파력(F)과 이때 바닥면에 발생하는 하중방향의 밑면반력(R)을 도식화하여 나타내었다. 또한 Figs. 3(b) and (c)에는 기존 케이슨과 인터로킹 케이슨의 파력저항메커니즘을 간단히 도식화하여 나타내었다. 기존 케이슨은 각각의 케이슨이 독립적으로 거동하기 때문에 특정 케이슨(Fig. 3(b)의 #3)에 작용하는 파력과 해당 케이슨의 밑면반력은 같다. 반면, 인터로킹 케이슨은 인터로킹 효과에 의해 인접 케이슨과 일체로 거동하면서 파력에 저항한다. 따라서 특정 케이슨(Fig. 3(c)의 #3)에 작용하는 파력은 인접한 케이슨에도 분담되는 파력분산효과가 발생한다. 파력분산효과는 인터로킹 형식에 따라 다르게 나타난다. 본 연구에서는 전단키의 형상에 따른 파력분산효과를 해석적으로 평가하여 전단키 형상을 제안하였다.

Fig. 3. Wave Resistance Mechanism

3.1 해석개요

전단키의 형상에 따른 파력분산효과를 평가하기 위해 전단키의 전단경사각(shear angle, γ_S), 높이(height, h_S) 및 전단길이비(shear length ratio, R_S=w_S/W_C)를 해석변수로 설정하여 구조해석을 수행하였다(Table 1 참조). 구조해석은 상용유한요소프로그램인 ANSYS Mechanical을 사용하여 수행하였으며, 케이슨의 형상 및 제원은 Fig. 4와 같다. 케이슨 1함의 크기는 L_C 33.8 × W_C 12.4 ×H_C 19m로 설계하였으며, 전체해석모델은 총 5함으로 구성된 길이 170 m의 방파제로 가정하였다. 케이슨 본체와 사석마운드는 모두 솔리드요소(solid element)로 모델링하였으며, 각각의 물성치는 Table 2와 같다. 경계조건으로 케이슨-케이슨 사이의 접촉면은 전단키에 의한 파력분산효과만을 평가하기 위해 접촉면에 마찰계수 0을, 케이슨-사석마운드 사이의 접촉면에는 마찰계수 0.6을 적용한 접촉조건(contact condition)을 부여하였다. 또한 방파제 양단인 #1 및 #5 케이슨은 일반적으로 안정성이 높게 설계되는 점을 감안하여 고정경계조건(fixed boundary condition)을 부여하였다. 하중조건은 연직방향의 자중(W_o)과 함께, 수평방향 파력(F)은 케이슨(#3)의 전면에만 단일 케이슨에서 활동파괴가 발생하는 시점의 하중(이하, 임계하중(F_c=μW_o))의 임계하중의 2배까지 단계적으로 작용시켜 파력분산효과를 평가하였다.

Table 1. Analysis Parameters

Table 2. Material Properties

Fig. 4. Parameter Analysis Model

3.2 해석결과

3.2.1 전단키 형상에 따른 거동특성

최대파력(F=2F_c)이 작용할 때, 전단키 형상에 따른 구조물의 변형분포는 Fig. 5와 같다. 방파제 구조물의 변형은 파력방향 오른편에서 더 크게 발생하고, 파력이 작용하는 #3 케이슨은 평면상에서 반시계방향으로 회전하는 거동을 보인다. 이는 전단키형 인터로킹 케이슨이 좌우비대칭 형상으로 되어있기 때문이다. 케이슨의 돌출된 저판부가 바로 인접한 케이슨의 바닥면 아래에 위치할 경우 인접 케이슨의 자중에 의한 구속효과가 추가로 발생한다.

Fig. 5. Deformation Results (5 Caissons, F = 2F_c )

전단키의 형상에 따른 구조물의 최대변위는 Fig. 6과 같다. Fig. 6에서 X 및 Y 변위는 각각 케이슨의 활동 및 전도 변위를 나타낸다. X 및 Y 최대변위는 전단경사각이 클수록 증가하고, 수직(0°)에 가까울수록 감소하였다. 전단경사각에 따른 최대변위의 변화기울기는 전단경사각 45°이상에서 크게 증가하는 경향을 나타내었다(Fig. 6(a)). 따라서 전단키의 전단경사각은 30°이하로 설계하는 것이 유리할 것으로 판단된다. 전단키의 높이 및 전단길이비 변화에 따른 X 및 Y 최대변위는 일정하였다(Figs. 6(b) and (c)). 따라서 전단키 설계시 전단키의 높이 및 전단길이비는 케이슨 측벽 및 격벽의 두께와 위치 등 제작 및 시공성만을 고려하여 설계하면 될 것으로 판단된다.

Fig. 6. Maximum Displacement Results (F = 2F_c )

3.2.2 전단키 형상에 따른 반력분포

최대파력(F=2F_c)이 작용할 때, 각 케이슨의 밑면반력 R을 파력 F로 나눈 케이슨별 반력분포비 R_F를 Fig. 7에 나타내었다. 반력분포는 하중이 작용하는 #3 케이슨을 중심으로 좌우비대칭 분포를 나타내고, #4 케이슨이 #2 케이슨보다 약 1.8배 정도 더 큰 파력을 분담하였다. 이는 앞에서도 설명한 것과 같이, 좌우비대칭인 케이슨의 형상으로 인해 반력분포 또한 비대칭분포를 나타내고, 상대적으로 구속이 약한 쪽으로 변형 및 반력이 더 크게 발생한다.

Fig. 7. Reaction Force Distribution Ratio (F = 2F_c )

#3 케이슨의 작용파력 F와 밑면반력 R₃의 관계를 Fig. 8에 나타내었다. Fig. 8의 가로축은 작용파력을 임계하중으로 나눈 파력비(F/F_c)를 나타내고, 세로축은 작용파력을 임계하중으로 나눈 파력비(R₃/F)를 나타낸다. 밑면반력비는 파력비가 커질수록 감소하는 경향을 나타내어, 인터로킹에 의한 파력분산효과는 파력이 클수록 더 커지는 것을 확인하였다. 또한, 임계하중 이하(F/F_c ≤ 1)에서도 인터로킹에 의한 파력분산효과가 최소 10 % 이상 발생하였다. 전단키의 전단경사각(30°이하), 높이, 전단길이비에 관계없이 거의 일정한 파력분산효과를 나타내었다.

Fig. 8. Wave Force–Reaction Force Relationship of #3 Caisson​​​​​​​

4. 인터로킹 케이슨 방파제의 파력분산효과

4.1 해석개요

전단키의 인터로킹효과에 의해 장대화된 케이슨 방파제의 파력분산효과를 평가하기 위하여 제3장에서 검토한 케이슨 제원 및 전단키 형상(Table 1의 Case 3)을 사용하여, 총 15함으로 구성된 길이 510 m의 방파제에 대한 구조해석을 수행하였다(Fig. 9 참조). 케이슨-케이슨 및 케이슨-사석마운드 사이의 접촉면 경계조건은 각각 마찰계수 0, 0.6을 적용한 접촉조건을, 방파제 양단의 #1 및 #15 케이슨에는 고정경계조건을 부여하였다. 구조해석을 위한 파력은 Fig. 10에 나타낸 것과 같이, 상용프로그램인 ANSYS AQWA를 사용하여 각 케이슨의 전면에 수직으로(X축 방향) 작용하는 최대파력을 수치해석을 통해 평가하였다. 수치해석을 위한 해상조건은 최대파고 8 m, 수심(M.S.L) 15 m로 가정하고, 입사각은 파가 방파제의 전면에 수직(θ= 0°) 및 경사(θ=30°)지게 입사하는 경우 2가지로 검토하였다. 또한, 완전일체형 방파제에 대해서도 해석을 수행하여 인터로킹 케이슨 방파제의 파력분산효과와 비교하였다. 완전일체형 방파제는 케이슨 사이의 접촉면이 완전 일체화되는 것으로 간주하여 강접조건(bonded condition)을 부여하고 나머지 조건은 인터로킹 케이슨 방파제와 동일하게 적용하였다.

Fig. 9. Analysis Model for Caisson Breakwaters ​​​​​​​

Fig. 10. Numerical Analysis Results

4.2 해석결과

입사각에 따른 구조물의 변형분포 및 밑면반력분포를 각각 Figs. 11 and 12에 나타내었다. Fig. 12의 □ 표시는 각 케이슨의 전면에 작용하는 파력을, △ 및 ◇ 표시는 완전일체형 및 인터로킹 케이슨 방파제에서 각 케이슨의 밑면반력을 나타낸다. 방파제 구조물의 변형 및 밑면반력결과를 통해, 전단키에 의해 인터로킹된 케이슨 방파제는 완전일체형 방파제와 거의 유사한 거동 및 파력분산효과를 나타내는 것을 확인하였다. 인터로킹 케이슨 방파제에서 입사각에 따른 최대파력 저감효과는 입사각 0°에서는 3.8 %, 입사각 30°에서는 12.3 %로 나타났다(Fig. 12 참조). 이는 각 케이슨에 작용하는 파력의 차가 입사각 30°에서 더 컸기 때문으로, 인접한 케이슨 간 작용하는 파력의 차가 클수록 인터로킹에 의한 파력분산효과가 큰 것을 확인하였다.

Fig. 11. Deformation Results (15 Caissons)

Fig. 12. Wave Force and Reaction Force Results​​​​​​​

5. 결 론

본 연구에서는 케이슨의 장대화가 가능한 전단키형 인터로킹 케이슨을 제안하였다. 또한, 전단키 형상에 따른 파력분산효과 및 장대화된 인터로킹 케이슨 방파제의 파력분산효과를 해석적 방법을 통해 평가하여 다음의 결론을 얻었다.

(1) 전단키형 인터로킹 케이슨은 좌우비대칭 형상으로 인해 구조물 거동 및 파력분산효과 또한 좌우비대칭으로 나타난다.

(2) 파력분산효과는 전단키의 전단경사각, 높이, 전단길이비 등 전단키의 형상보다는 각 케이슨에 작용하는 파력 분포 및 특성에 더 큰 영향을 받는다.

(3) 장대화된 인터로킹 케이슨 방파제는 완전일체형 방파제와 거의 유사한 거동 및 파력분산효과를 나타낸다. 이를 통해 전단키형 인터로킹 케이슨은 장대케이슨을 대신하여 사용가능할 것으로 판단된다.

(4) 파력분산효과를 케이슨 설계에 활용하기 위해서는, 다양한 형태의 입사파에 대한 해석 및 실험을 통해 파력분산효과를 정량적으로 평가하고, 수식화하기 위한 연구가 필요할 것으로 판단된다.

감사의 글

본 연구는 한국해양과학기술진흥원의 해양수산환경기술개발사업인 “모듈러 호안 구조물 기술 개발” 과제를 통해 수행된 연구결과 중 일부임을 밝히며, 연구비 지원에 감사드립니다.

본 논문은 2018 CONVENTION 논문을 수정·보완하여 작성되었습니다.