설계파 개요 및 산정방법

설계파 개요 및 산정방법

이번 시간에는 항만 설계 시 설계파의 개요 및 산정방법에 대하여 알아보도록 하겠습니다.

 

해안 및 항만 구조물의 설계에 적용하는 파랑 제원을 설계파(Design Wave)라고 하며, 항만 설계의 경우 50년 재현 빈도의 유의파를 주로 사용합니다.

 

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심해설계파

해안 및 항만 구조물 설치 위치에서의 천해설계파를 결정하기 위하여 먼저 심해설계파를 결정하여야 합니다. 과거에는 기왕 최대의 파랑을 설계파로 적용하는 경우가 많았지만 최근에는 극치 통계분석을 바탕으로 재현빈도 50~100년에 대한 확률 파고를 설계파고로 채택하는 추세입니다. 심해설계파 결정을 위한 파랑 자료의 통계기간은 시설물의 기능, 구조, 내용년수 등을 감안하여 적절하게 정합니다. 심해파의 제원은 시설물에 큰 영향을 미칠 것으로 예상되는 주방향마다 설정하여야 합니다.

 

대상 자료는 10년 이상의 파랑 실측자료를 대상으로 하는 것이 바람직합니다. 실측자료를 이용해서 심해파를 추정할 때 실측 파고가 파의 굴절이나 천수 변형 등의 영향을 받은 경우에는 굴절계수와 천수계수 등을 고려하여 심해파로 환산하며, 파량의 변화를 고려하여야 합니다. 실측치의 유의파고가 실측지점 수심의 1/2 이상일 때에는 쇄파의 영향을 고려하여야 합니다.

파랑 실측자료가 없는 경우에는 30년 이상의 기상자료를 이용하여 추산치를 구하고, 이를 파랑 실측치와 보정하여 사용합니다. 기상자료에서 구한 파랑 추산치를 실측자료로 보정할 경우, 실측자료는 태풍 또는 계절풍 등에 의해 큰 파가 발생한 자료를 포함하여야 합니다. 기상자료에 의한 추산기간 이외에도 특이한 기록이 있는 경우 이를 고려합니다. 현지 실측자료가 전혀 없는 경우 또는 매우 한정된 조건의 경우에는 자연조건이 유사한 인접지역의 실측자료를 참고하여 구할 수 있습니다.

 

설계심해파는 재현빈도와 구조물의 내용년수에 기초하여 발생확률(Occurrence Probability)에서 구하는 것이 바람직합니다. 어떤 발생확률을 선택할 것인지는 구조물의 기능, 중요도, 투자효과 등을 고려하여 결정합니다. 발생확률이란 임의 재현빈도의 파고보다 더 큰 파고가 내용년수의 기간내에 적어도 한 번 발생할 확률입니다.

심해설계파를 결정할 때에는 대상 시설물에 인접한 기존 구조물의 외력 또는 재해에 관한 기존자료를 참고할 필요가 있습니다.

 

심해설계파의 제원은 16방위마다 설정하는 것이 바람직하지만, 파고가 작고 시설물에 대한 영향이 명백하게 작다고 예상되는 파향은 제외합니다. 불규칙파의 성분파 중에서 에너지가 가장 큰 파의 방향을 주파향이라 한다.

 

천해설계파

결정된 각 파향별 심해설계파를 적용해서 천수, 굴절, 회절, 반사, 쇄파 등의 천해변형 효과를 고려하여 대상 지점의 천해설계파 제원을 산출합니다. 대상 지점에 특수 여건이 있는 경우에는 이를 고려하여야 합니다. 예를 들면, 반사파 또는 우각부에서의 파고 증대 등의 영향이 있는 경우, 그리고 강한 유속이 파랑 전파에 상당한 영향을 줄 수 있는 경우들을 충분히 검토합니다.

산정된 천해설계파에 대해서 파력, 월파 등 시설에 대한 파의 작용을 계산합니다. 조위가 낮을 때에 파력이 커지는 경우가 있으므로 조차가 큰 해역에서는 여러가지 조위 조건에 대하여도 검토합니다. 각 방향별 검토 결과로부터 파의 작용이 최대로 되거나 시설물과 배후시설에 가장 불리하게 작용하는 천해설계파 제원을 설계에 적용합니다.

 

장기간의 파랑 실측자료 또는 기상자료에 의해 추산한 값을 실측치로 보정한 파랑 자료를 기초로 하여 상시 파랑과 이상시 파랑 특성을 통계 분석합니다.

 

흔히 평상파라고 부르는 상시 파랑 조건은 조사·설계자에 따라 주관적으로 결정되어 자주 혼동을 초래합니다. 이러한 파랑 조건에는 다음과 같은 것들이 있습니다.

1. 16방위별로 파고가 상위 2.5%에 해당되는 파 : 항만가동율 약식 평가에 사용

2. 계절별 대표 파향의 파고를 평균한 파 : 퇴적물이동 수치실험에 사용

3. 풍랑주의보 발효 기준인 파고 3m인 파 : 소파 또는 해수소통 구조물 설계에 사용

4. 기타의 용도로 설계자가 산정하는 통계적인 파

항만가동율, 소파시설물 평가 및 설계 등에 이용되는 상시 파랑의 특성에 대하여는, 해당 수역에 영향을 줄 수 있는 파향을 대상으로 파고-주기 계급별 출현빈도 분포표 또는 파향별 파고-주기 결합분포도를 작성하여 최다 빈도를 보이는 파고-주기 구간을 기준으로 용도에 맞도록 검토·적용합니다.

 

설계파는 이상시 파랑자료에 대하여 적절한 통계처리방법으로 발생확률을 추정하고, 재현빈도에 상응하는 파랑으로 결정합니다. 확률 파고를 추정할 때 파고 자료는 극치 시계열 분포에서 구하는 방법과 매년의 최대치를 사용하는 방법이 있습니다. 일반적으로 장기간의 연최대치를 극치분석하여 확률파고를 분석합니다. 재현빈도는 산정한 값을 초과하는 파랑이 나타날 수 있는 평균적인 년수입니다. 예를 들면, 6m 이상의 파고가 M년에 1회 비율로 나타난다면 파고 6m의 재현빈도는 M년입니다.

 

파랑자료의 극치분석을 통하여 발생확률을 추정하고 재현빈도에 상응하는 빈도별 설계파를 결정합니다. 확률 파고에 대응하는 주기에 대해서는 극치분석에 사용된 파랑자료의 파고와 주기 관계로부터 적정하게 결정합니다. 확률 파고 추정방법을 이용하여 임의 재현빈도에 대한 파고를 추정하기 위한 통계자료의 특성, 후보 분포함수의 선정, 자료와의 관계식 도출, 분포함수의 적합성을 측정하는 통계지표 등에 대하여는 Goda(1988) 또는 ACES Technical Reference(1992) 등에 상세하게 기술되어 있으며 프로그램 이용도 가능합니다.

 

해안, 항만시설물의 천해설계파를 구하기 위한 심해설계파는 한국해양연구원(2005)이 제시한 결과를 참고할 수 있으며, 실제로 적용할 때는 대상 시설의 우치, 시설물 입구가 열린 방향, 시설물 주변의 해저지형 등 현장 특성을 고려하여 적용합니다.

 

지금까지 항만설계 시 설계파의 개요 및 산정방법에 대하여 알아보았습니다. 항만설계 시 가장 필요한 단계이므로 개념을 잘 이해하고 숙지하여야 하겠습니다. 오늘도 여러분에게 조금이나마 도움이 되었기를 바라며 이상 마치겠습니다. ^^