장주기파와 부진동에 대한 발생요인, 계산, 대책 등

항내의 장주기파와 부진동

 

이번 시간에는 항내의 장주기파와 부진동에 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)

 

 

항내의 장주기파 또는 부진동에 대해서는 가능한 한 현장관측을 실시하고, 그 결과를 이용하여 대응하여야 합니다. 만약 현장관측이 어려운 경우에는 수치해석 및 수리모형실험 등으로 해석할 수 있습니다. 이러한 해석을 통해 항만계획 시에는 부진동의 영향이 가능한 적게 되는 항만배치를 채택하여야 하겠습니다.

 

항내 또는 외해의 관측점에서는 주기가 1분에서 수분인 장주기의 수위변동이 나타나는 일이 있는데 이를 우리는 장주기파라 부릅니다. 선박과 계류라인으로 구성되는 진동계의 고유진동 주기와 장주기파의 주기가 거의 같을 때에는 파고가 작아도 공진현상에 의해 큰 전후이동(Sruge)을 일으켜 항만가동률에 크게 영향을 줍니다. 관측에 의해 대략 유의값으로 파고 10~15cm 이상의 장주기파가 항내에서 빈번히 발생할 경우에는 부두의 배치, 안벽형태의 변경 등과 같은 하드웨어적 대책, 또는 계류라인의 스프링 상수 조정 등과 같은 소프트웨어적인 대책을 검토하게 됩니다. 우리나라의 경우, 포항신항 등에서 이러한 현상이 우세하게 나타나고 있음이 현장관측과 항만가동기록 자료에 제시되어 있습니다.

 

항내에 주기 수 분 이상의 현저한 수위변동이 나타나는 경우에는 부진동 현상이 발생하고 있다고 볼 수 있습니다. 부진동 현상은 외해의 기압 변화에 의해서 발생하는 미소한 교란이 항내 또는 만의 고유진동에 의해서 증폭되는 것입니다. 부진동의 진폭이 현저하게 큰 경우에는 만 안쪽에서의 침수나 배수구의 역류 현상이 발생하거나 국소적으로는 빠른 유속이 발생하고 소형선의 계류라인이 절단되는 경우가 종종 있습니다.

 

 

1. 항내에서 관측되는 장주기파의 주된 발생 요인

파군 모양이 뚜렷한 파의 경우에는 Longuette-Higgins와 Stewart가 1962년에 제안한 잉여응력(Radiation stress)의 분포가 불균일하게 되기 때문에 장주기의 수위변동이 발생합니다. 이 파는 파군에 수반되어 진행하기 때문에 구속파(拘束波)라 부릅니다. 이 파는 이론상 파군속도 CG로 진행하고 그 진폭은 파군을 구성하는 풍파의 파고의 제곱에 비례합니다. 그리고 수심이 얕아지면 진폭이 크게 된다. 방파제나 갑(岬)에서 풍파의 회절이 발생하면 회절 파고가 작아지기 때문에 구속되는 장주기파도 작아집니다. 그러나 그때까지 발생된 장주기의 수위변동이 갑자기 소멸되지 않고 외견상 구속받지 않는 장주기파로 변환되어 항내에 전파합니다. 이를 자유진행장파라 부릅니다.

또, 파군 구조를 갖는 파가 쇄파되면 파고의 크기에 따라 쇄파점이 해안 또는 외해 쪽으로 이동하고 잉여응력의 경사에 시간변화가 생겨 쇄파대 내에서 자유진행장파가 발생합니다. [가또오 등, 1991]

자유진행장파로서 항내에 침입한 장주기파는 안벽이나 해빈에서 반사되어 에너지의 일부가 다시 항외로 전파합니다. 따라서 항외의 관측점에서 측정된 장주기파에는 구속파의 성분과 자유진행장파의 성분이 모두 포함되어 있습니다.

 

2. 장주기파의 하역한계파고

안벽 전면의 장주기파는 공진에 의해 선박에 진폭이 수 m인 전후이동(Surge)을 발생시키는 경우가 있어 충분한 검토가 요구됩니다. 장주기파의 하역한계파고는 주기, 선박의 제원, 계류 상황, 재하조건 등에 따라 다르나 일부 항만의 경우 관측에 의하면 유의값으로 약 10㎝〜15㎝입니다.(정원무 등, 1997).

 

3. 장주기파의 전파 계산

장주기파의 항내 전파는 외해쪽에 입사경계를 설정하고 완경사방정식, 부시네스크(Boussinesque) 방정식 또는 선형장파에 의한 계산법 등을 이용하여 계산합니다.

 

4. 장주기파의 파향

장주기파가 전파하는 경우에는 연안에서의 반사파와 중복되는 경우가 많아 파향을 결정하기 어렵습니다. 그러나 주된 장주기파의 에너지는 단주기파(풍파)의 주파향과 일치한다고 생각해도 좋다고 합니다.

 

5. 장주기파 또는 부진동에 대한 대책

장주기파가 현저한 수역에서는 항내로의 장주기파의 침입을 억제하도록 방파제 배치계획을 세우는 것이 바람직합니다. 이때 사석부의 재료입경이 클 경우에는 장주기파의 에너지가 거의 투과되므로 방파제 또는 사석부 구조에 대해 적절히 검토해야 합니다.

선박의 전후이동(Surge)을 억제하기 위해서는 계류계의 고유주기를 침입 장주기파의 주기와 약간 다르게 합니다. 이를 위해서는 계류라인의 부착 위치나 초기장력의 변경 또는 로프의 재질 개선이 바람직하나 적절한 수치계산에 의해서 그 효과를 사전에 검토하여 적절하게 대응해야 합니다.

장주기파고의 분포는 항내에서 일정하지 않으므로 계획단계시 대상 부두에서 장주기파고가 한계값을 확실히 초과할 것으로 예상될 때 부두의 위치를 변경하는 것도 바람직합니다.

 

6. 장주기파와 부진동의 구별

일반적인 항만에서는 부진동의 주기가 수 분 이상으로 장주기파의 주기보다 길어서 진동 주기의 해석에서 구별할 수 있습니다. 단, 배가 모이는 곳이나 마리나 등에서는 부진동의 주기가 2〜3분으로 짧게 되는 수가 있어 구분하기 어렵습니다. 그 경우는 외해측의 관측 결과나 주변 항만의 상황에서 적절히 판단해야 합니다.

 

지금까지 항내에 발생하는 장주기파와 부진동에 관해 알아봤습니다. 항만가동률에 큰 영향을 주는 현상이기 때문에 설계 시 꼭 반영하여 항내 소란이 줄어들 수 있도록 하여야 하겠습니다. 그리하여 보다 안전한 항만시설물을 구축하도록 하여야 하겠습니다.