부진동 실험의 개요 및 실험과정

부진동 실험

이번 시간에는 항만설계 시 부진동 실험에 대하여 알아보도록 하겠습니다.

 

 

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항만기술기준 정보시스템 (portcals.go.kr)

 

 

먼저, 호수나 항구에서 수면의 느린 진동을 부진동 또는 세이시(Seiche)라 합니다. 부진동은 천해파이면서 정상파(Standing Wave)입니다. 아마도 가장 잘 알려진 부진동은 욕조에서 볼 수 있는 출렁거리는 파동일 것입니다. 자연에서 부진동이 생길 수 있는 경우는 여러가지가 있습니다.

 

부진동의 원인으로는

1. 폭풍이나 강한 바람이 갑자기 정지해서 해파가 낮아지고, 그 물이 다시 평형을 이루려고 할 때 발생

2. 어떤 분지에서 장소에 따라 상당한 대기압차가 있을 때 형성

실험개요

부진동 실험에서는 해당 항만의 탁월주기를 계산하고 항만계획안에 대한 예측실험을 실시하여 부진동 현상으로 인한 하역 작업의 지연과 계류삭의 절단 등 악영향을 최소화하는 대안을 수립하여야 합니다. 부진동 모형의 지배방정식은 기존의 완경사방정식(Berkhoff(버코프)), 1972) 대신 고차의 수심 변화항과 저면에서의 마찰 손실이 포함된 확장형 완경사방정식이 사용됩니다.

 

실험과정

부진동 모형은 항내 지형과 구조물 반사 및 개방경계에서의 입사 등을 실제적으로 모의하기 위하여 삼각형 유한요소 격자망을 구성하는 것이 일반적입니다. 단주기파의 변형에 관한 일련의 수치실험과 수리모형실험 결과와의 비교를 통하여 파장 당 필요한 삼각형 요소의 수는 10개 정도입니다. 경사진 해안선이나 방파제와 같은 해안 경계는 일반적으로 파 에너지 흡수체로 작용하며, 이를 고려하기 위하여 고체 경계면을 따라서 부분반사 경계조건을 적용하게 됩니다.

 

장주기파의 입력조건을 보다 정확하게 설정하기 위해서는 입사 경계 인근의 다수 정점에서 파고와 파향을 동시에 관측한 자료가 필요합니다. 그러나 장주기파의 파향을 정확하게 측정할 수 있는 기기나 그 분석 방법이 확립되어 있지 않습니다. 또한 파고의 경우도 다수의 측정 기기가 필요하고 측정 센서의 반응 속도 등 여러가지 요인으로 관측이 쉽지 않습니다. 따라서 수치모형의 수립·보정시에는 파향과 조위를 가정하고 실험을 실시하는 것이 일반적입니다. 즉 여러 파향에 대하여 항내 공진 특성을 검토하여 부진동에 가장 큰 영향을 미치는 파향을 검토하여야 합니다.

 

주 파향이 결정되면 장주기파의 주기별로 항만 완공 후의 공진 특성을 실험하여, 평면 배치의 변경 또는 소파시설 설치 등, 부진동 영향이 최소화될 수 대안을 검토하여야 합니다. 아래 첫번째 그림은 울산신항내 임의 정점에서 장주기파의 주기 및 파향에 따른 증폭비 변화를 계산한 결과이고, 두번째 그림은 울산신항 남방파제 건설후 파향 ESE, 주기 8.11분의 장주기파가 입사할 때의 증폭비 분포를 계산한 결과입니다.

 

장주기파의 주기와 파향에 따른 증폭비 계산 예

장주기파의 증폭비 분포 계산 예(울산신항)

 

 

지금까지 항만설계 시 부진동 실험에 대하여 알아보았습니다. 해수면의 진동에 대한 내용이 다소 생소하긴 하지만, 위 내용 및 좀더 자세한 사항을 알아 두시면 항만설계 시 많은 도움이 되리라 생각됩니다. 오늘도 조금이나마 도움이 되었기를 바라며 이상 마치겠습니다.~