부체 및 수면 부근 구조물에 작용하는 파력

부체에 작용하는 파력

이번 시간에는 부체에 작용하는 파력에 대하여 알아보도록 하겠습니다.

 

작성될 내용을 좀 더 자세히 알아보고 싶으신 분들은 관련 설계기준을 다운 및 확인할 수 있는 아래 사이트를 확인하시기 바랍니다.!!

 

항만기술기준 정보시스템 (portcals.go.kr)

 

 

부체, 수중에 설치되는 대형 고립 구조물에 작용하는 파력은 구조물의 크기, 단면형상 등에 따라 크게 변하므로 수치계산 또는 수리모형실험 등으로 산정하여야 합니다.

 

파장보다 큰 대형의 고립 구조물에 작용하는 파력은 보통 항력이 무시되기 때문에 속도포텐셜(Velocity potential)을 이용해서 산정할 수가 있습니다. 단순한 형상의 구조물에서는 해석적인 개략식으로 파력을 정할 수 있으나 구조물이 복잡하면 경계적분요소법이나 유한요소법에 의한 수치계산법으로 구조물에 가해지는 파력을 계산하여야 합니다. 그러나 쇄파력 등은 수리모형실험 등에서 산정하게 됩니다.

 

1. 수면 부근에 떠있는 물체에 작용하는 파력

가. 물체가 고정된 경우

파장에 비해서 물체의 직경이 커지면 항력은 무시할 정도로 작아 파력 식은 질량력으로만 표시할 수 있습니다. 아래 참고 그림과 같은 기중기선 등과 같이 폰툰(Pontoon)형 물체에 작용하는 전·후면의 압력을 계산하여 물체에 가해지는 힘을 구하게 됩니다.

폰툰형 선박에 작용하는 파력

이와 같이 하면 폰툰형의 선박 길이가 파장의 1/2인 때에 최대의 파력이 발생하게 됩니다. 가장 간단한 예로, 폰툰형 선박에 의한 파랑의 산란을 무시하고 선박의 앞면에 파봉이 있어 정수면에서 0.6H의 높이까지 수면이 상승하고, 후면에는 파곡이 있어 정수면 아래 0.4H의 깊이까지 수면이 하강한 상태를 생각하면 그 파력은 아랙 식으로 구해집니다.

폰툰형 선박에 작용하는 파력 산정식

단, 폰툰형 선박의 폭이 넓을 경우에는 그 앞면에서 산란파에 의한 파랑이 중복되어 수면이 높아지므로 위 식으로 구해지는 값보다도 20~30% 더 커지게 됩니다. 보다 엄밀한 파력은 속도포텐셜로 표시되는 적분방정식으로부터 계산되어 집니다.

 

나. 다소 이동이 허용되는 경우

부유방파제 등과 같이 부체가 계류라인으로 계류되어 있을 때에 작용하는 파력에 관해서는 몇 개의 수리모형실험을 했을 뿐 별로 잘 알려지 있지 않습니다. 따라서 될 수 있는 대로 수리모형실험으로 작용하는 파력을 검토할 필요가 있습니다. 또한 부체를 계류하는 겨우는 (부체+계류밧줄)의 고유주기가 짧으면 파랑에 의해서 공진이 일어나는 수도 있으므로 이 점을 검토합니다.

 

수면 부근의 구조물에 작용하는 파력

수면 부근의 수평판 저면에는 해상조건이나 구조물의 형상에 따라 충격적인 파력이 작용하는 경우가 있으므로 이러한 경우에는 수리모형실험 등과 같은 방법으로 충격적인 양압력을 산정하여야 합니다.

 

잔교의 상부공이나 말뚝식 돌핀 상부공 등과 같이 정수면 부근의 구조물로서 특히 수면과 거의 평행한 구조물은 상승하는 파면이 저면에 충돌하여 충격적인 파력(이하 양압력이라 함)이 작용할 위험성이 있습니다. 특히, 파고가 크고 정수면과의 간격이 작은 경우에는 큰 충격력이 됩니다. 또, 파가 중복파로 되어 작용하는 경우 파면의 상승속도가 크게 되어 충격력도 크게 됩니다. 이러한 구조물의 저면에는 충격적인 양압력 외에 보통의 충격력이 아닌 양압력도 작용하는 것에 주의할 필요가 있습니다.

 

수면 부근의 수평한 판에 작용하는 충격력인 양압력은 판의 저면이 평탄한 경우에는 파면이 충돌하는 속도와 그 면과 판이 이루는 각도에 의하여 변화하게 됩니다. 아래 참고 그림(a)과 같이 파면과 판이 이루는 각이 어느정도 있는 경우에는 파면이 판의 저면을 따라 나타나고 그림과 같은 분포 형상의 파압이 작용합니다.

이 파압은 시간이 짧고 급하게 커지는 것이 특징입니다. 한편, 파면과 판이 이루는 각이 아래 참고 그림(b)과 같이 0º에 가까울 때는 공기층이 파면과 판과의 사이에 갇혀 이 공기층의 압축에 의한 압력이 그림과 같은 분포 형상으로 발생합니다. 이 파압은 시간적으로는 짧은 주기의 감쇄진동파형이 되는 것이 특징입니다.

수평판의 저면에 보 등이 있는 잔교의 경우에는 보에 의하여 파면이 교란되어 양압력의 발생이 복잡하게 됩니다. 또 보에 의하여 공기층이 갇혀 압축되는 경우도 있습니다. 수평판 저면의 형상에 의한 양압력의 변화를 고려하여야 합니다.

파면과 수평판의 충돌

 

지금까지 부체 및 수면 부근 구조물에 작용하는 파력에 대하여 알아보았습니다. 우리가 여름에 바지 등에 놀러가면 흔히 볼 수 있는 폰툰에 작용하는 힘을 알아보는 계기가 되었습니다. 모든 시설은 그냥 만들어지는 것이 없다는 생각도 하게되었습니다!! 그럼 이만~!!