유공케이슨 방파제 원호파괴에 대한 하중 저항계수 산정

이준원 인천대학교 일반대학원 2021 국내석사

현재 국내에서는 혼성제 방파제가 70% 이상 설계되어 있으며, 해저지변위에 기초 사석을 경사식으로 구축하고 있다. 기존의 방파제는 결정론적 방법인 허용응력 설계법을 이용하여 설계되었으나, 지반은 공간적, 시간적인 변동성이 크기 때문에 다양한 불확실성을 내포한다. 기존 설계법의 경우 이러한 불확실성을 고려하지 않기 때문에 하중저항계수 설계법과 같은 확률론적 해석방법의 적용이 필요하다. 또한, 경사를 포함한 방파제의 경우 사면 안정성이 필수적으로 분석되어야 하지만 현재 국내 방파제 설계에서는 사면에 대한 하중저항계수 설계 기준이 없어 이에 대한 대처가 필요한 실정이다. 본 논문에서는 방파제 사면의 원호활동파괴에 대한 신뢰성 분석을 수행하고 국내의 조건에 맞는 설계기준을 설정하고자 한다. 이를 위해 확률론적 설계법인 하중저항계수 설계법(Load Resistance Factored Design)을 이용하여 경사식 방파제의 상시 및 지진조건에 따른 원호활동을 분석하였다. 분석을 진행하기 위해서 경사식 방파제인 국내의 유공케이슨 방파제의 설계자료 12개를 수집하였고, 케이슨 자중, 지반의 특성, 지진의 발생 등 다양한 조건의 불확실성을 고려하여 사면 안정 해석의 신뢰성을 분석하고 최적 하중계수와 저항계수를 산정하였다. 이때 사용된 사면안정 해석프로그램은 STABL로 변동계수를 물성에 따라 0.02~0.05로 가정하여 해석을 진행하였다. 해석은 신뢰성 Ⅰ, Ⅱ 단계인 FORM(First-order Reliability Method)과 MCS(Monte-Carlo Simulation)로 수행하였다. 결정론적 해석결과와 확률론적 해석결과를 비교하면 안전율은 거의 동일하며 상관계수도 0.8 ~ 1.0 값을 가지며 밀접한 관계를 나타내었다. 목표신뢰도지수에 적합한 최적 하중계수와 저항계수는 상시조건에서는 0.85, 1.00, 지진조건에서는 0.80, 1.00 값을 가졌다. Currently, more than 70% of the caisson breakwater is designed in Korea, and the foundation riprap is built with a slope on subsea ground. Existing breakwaters were designed using the allowable stress design method, which is a deterministic method, but because the ground has large spatial and temporal variability, it contains various uncertainties. In the case of the existing design method, this uncertainty is not considered, so it is necessary to apply a probabilistic analysis method such as the load resistance factored design method. In addition, in the case of a breakwater with a slope, slope stability must be analyzed, but the current domestic breakwater does not have a design standard for the load resistance coefficient on the slope, so it is necessary to cope with this problems. In this study, the reliability analysis of the circular failure of the slopes of the breakwater is conducted, and the appropriate design standard for domestic conditions are set. To this end, using a probabilistic design method, Load Resistance Factored Design, the circular failure the breakwater with slope was analyzed at all-times and seismic conditions. To proceed with the analysis, 12 design data of the domestic perforated-wall caisson breakwater, which is breakwater with slope, were collected, and the reliability of slope stability analysis was analyzed in consideration of the uncertainty of various conditions such as caisson self-weight, ground characteristics, and earthquake occurrence. and the optimal load factor and optimal resistance factor were calculated. STABL, which a slope stability analysis program, was used for slope stability analysis. and the analysis was performed by assuming the coefficient of variation of 0.02~0.05 depending on the properties. The analysis was performed with reliability levelⅠ, FORM (First-order Reliability Method) and levelⅡ, MCS (Monte-Carlo Simulation). When comparing the deterministic analysis results and the probabilistic analysis results, the safety factor is almost the same, and the correlation coefficient has a value of 0.8 to 1.0, indicating a close relationship. The optimal load and optimal resistance factor for the target reliability index were 0.85 and 1.00 with all-times conditions, and 0.80 and 1.00 with seismic conditions.

부분유공케이슨 방파제로부터의 불규칙파의 반사

박재길 서울대학교 대학원 2004 국내석사

기존의 전유공케이슨 방파제로부터의 파의 반사를 계산하기 위하여 개발된 Suh and Park (1995)의 해석모형을 케이슨 전면 하부의 연직벽을 경사가 매우 급한 경사벽으로 가정함으로써, 부분유공케이슨 방파제에 적용이 가능한 Suh (1996)의 규칙파에 대한 해석모형이 개발되었다. 본 연구에서는 Suh (1996)의 규칙파 모형에 대하여 불규칙파의 적용성을 알아보기 위해 유의파고와 유의주기를 달리하고 유수실 폭을 변화시켜가며 실험을 수행하였고, 그 결과를 주파수 평균한 반사율과 B/L_(c) ( B는 유수실 폭, L_(c)는 유수실 내심에서의 파장)의 관계를 이용하여 분석하고 해석모형과 실험결과의 반사율을 비교하였다. 수리모형실험은 수심이 50 cm인 수조내에 마운드 및 부분유공케이슨을 설치하고 Bretschneider-Mitsuyasu 스펙트럼을 이용하여 불규칙파를 생성한 후, 최소자승법에 기초한 3점 분리법(Park et al., 1992)을 통해 입,반사파를 분리하였다. 취득한 실험 자료를 분석한 결과 B/L_(c)가 0.17부근에서 주파수 평균한 반사율이 최소가 되는 것으로 나타났으며 이는 해석모형의 예측과도 일치한다. 이 값은 관성저항의 영향을 무시한 경우의 0.25보다 작으며, 거의 동일한 조건에서의 규칙파 실험 연구인 Park et al. (1993)의 0.2보다 작은 값이다. 한편 파형경사가 커질수록 반사율이 작아지고, 반사율이 파의 주기에 의존하는 성향을 보였다. 하지만 반사율이 작은 곳에서는 해석모형이 실험 자료에 비해 다소 과소산정하고 반사율이 큰 곳에서는 그 반대의 현상이 나타남을 확인하였다. 또한 해석모형은 반사율이 증가함에 따라 에너지 소산계수를 과소산정하였다. 해석모형과 실험 자료의 이러한 반사율 차이는 유공벽에서 에너지 손실을 증가시키는 소멸파의 영향을 무시했기 때문인 것으로 보인다. 실험 자료 분석을 통해 Suh (1996)의 해석모형을 불규칙파에 적용하는 것이 타당함을 확인하였다. Suh and Park (1995) developed an analytical model to calculate wave reflection from a conventional fully perforated caisson breakwater. Suh (1996) extended the model to a partially perforated caisson breakwater by approximating the vertical wall of the lower part of the front face of the caisson as a very steep sloping wall. In this study, experiments were made for irregular waves of various significant wave heights and periods that propagate normally to a partially perforated caisson breakwater on the rubble mound in order to examine the applicability of the Suh (1996)’s regular wave model. Experimental data were compared with the analytical model using the frequency-averaged reflection coefficient. The wave reflection becomes minimum when B/L_(c) is approximately 0.17 (in which B=wave chamber width, L_(c)=wave length inside the wave chamber). This is slightly smaller than the theoretical value 0.25 based on the assumption of negligible inertial resistance and the value 0.2 that suggested by previous researches. It was found that the larger the wave steepness, the smaller the wave reflection and the wave reflection depends on wave frequency. The reflection coefficient estimated by the model is larger than that of experiment and vice versa. The model also underestimates the energy loss coefficients as wave reflection becomes larger. These differences seem to occur because analytical model neglects the evanescent waves near the breakwater, which increase the energy loss at the partially perforated wall. Through the experimental examination, it was verified that Suh (1996)'s regular wave model could be successfully applied to irregular waves.

Comparative study of design methods for sliding of perforated wall caisson breakwater

김남훈 서울대학교 대학원 2014 국내석사

케이슨 방파제를 설계함에 있어서 방파제의 주요 파괴 모드인 활동에 대하여 안전율을 이용하는 결정론적 설계법이 사용되어 왔다. 하지만 구조물에 작용하는 하중과 구조물의 저항력 등에 대한 불확실성을 안전율이라는 간단하지만 경험적인 상수를 대신하기 때문에 활동량에 대한 정량적, 상대적인 평가가 어려워 구조물을 과대 혹은 과소 설계할 가능성을 내포하고 있다. 이러한 설계변수의 불확실성을 확률적 개념으로 고려하여 케이슨의 활동량을 계산하는 성능 설계법이 제안되고 있다. 무공케이슨 방파제의 성능 설계법은 과거 여러 연구자들에 의해 연구가 진행되어 왔으며, 현재 그 틀이 거의 잡혀져 있다 해도 과언이 아니다. 반면, 유공케이슨 방파제의 경우 전면의 유공벽 구조에 의한 파력 감쇄에 따라 구조물의 안정성이 증대되는 효과가 있음에도 불구하고 이와 관련된 연구는 국내∙외적으로 아직 많이 이루어지지 않았다. 본 연구에서는 기존의 무공케이슨 방파제의 성능 설계법 이론을 유공케이슨 방파제에 확장, 적용하여 이론의 적용 가능성 여부를 판단한다. 또한 결정론적 설계법의 결과와 비교 분석하여 합리적인 설계법을 결정 한다. 이는 유공케이슨 방파제의 성능 설계법에 대한 기준을 제시하기 위해 수행되는 기초 연구이다. 따라서 향후 유공케이슨 방파제의 성능 설계에 매우 중요한 지표가 될 것으로 예상된다. In the design of a caisson breakwater against sliding, the deterministic design method has been used with consideration of certain margin of safety factor. However, it is difficult to quantitatively and comparatively evaluate the sliding distance using the safety factor because of the uncertainty of the design variables. It may cause the over- or under-design of the structure. Therefore, it is required to develop probabilistic design methods (e.g., performance-based design method) to consider the uncertainties of the design variables by computing the sliding distance of the caisson. The performance-based design method of a solid-wall caisson breakwater has been investigated by many researchers and its framework is almost completed. On the other hand, researches on a perforated-wall caisson breakwater have been scarcely made despite the fact that it has greater structural safety due to decreased impulsive wave force at the perforated-wall. In this study, the conventional performance-based design method of the solid-wall caisson breakwater has been expanded and applied to the perforated-wall caisson breakwater in order to examine the feasibility of its application. In addition, a comparative analysis is made between the deterministic design method and performance-based design method. It will serve as a basic research to standardize the criteria of the performance-based design method of a perforated-wall caisson breakwater. Moreover, it is expected to be an important and useful tool in designing a stable perforated-wall caisson breakwater in the future.