3.2 육상가옥군에 작용하는 지진해일파력
3.2.2 수치해석결과와 수리실험결과의 비교
(1) 조파 및 침수심고
Simamora et al.(2007)의수리실험을재현하기위하여전술한 Fig. 3.1과유사한 3차원수치파동수로를구축하
였다. 3차원수치파동수로에수리실험에서와같은고립파의천수변형을유도하기위한경사면과육상구조물을 동일하게 설치하였지만 수치해석에서는 계산효율의향상을 위하여수조폭을 Fig. 3.3에나타내는 바와 같이
182cm로축소·적용하였다. Fig. 3.3에나타나고있는수조폭의변화에따른수위변화를수치해석에서고려하기
위하여수리실험의수위측정지점 A1 및 A2에서측정된파고가수치해석에서동일한파고가재현되도록입사 파고를조절하였다. 또한, 호안을월류한고립파의 침수심은호안으로부터 20cm 떨어진측정지점 A3에서의 값으로비교되었다.
Fig. 3.4는측정지점 A1, A2 및 A3에서실험수위의시간변화와동일한지점에서계산수위의시간변화를
비교한것이다. Fig. 3.4(a)의결과를살펴보면수위측정지점 A1에서수리실험과수치해석상에서측정된파고는
약 3.5cm로유사하게나타났지만고립파형은수리실험의경우최대값이후로다소짧은시간에걸쳐波狀으
로줄어든다. 그리고, 수치해석의경우수리실험보다다소늦은위상인약 0.6초후에수위의최대값이관측되 며, 수위변화가수리실험에서보다약간완만하게줄어드는것으로나타났다.
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Fig. 3.2. Rayouts of onshore structures in experiments.
Fig. 3.3. Definition sketch of 3-dimensional numerical wave tank.
Fig. 3.4(b)의결과를살펴보면수위측정지점 A2에서수리실험과수치해석에서측정된파고는약 4.5cm로
유사하게나타났고, 고립파형은전술한 Fig. 3.4(a)와비슷한波狀을나타낸다. 즉, 조파된고립파의파고는수리 실험과수치해석에서모두동일하게나타났지만고립파형에서약간차이가나타나는것을알수있다. 이러한 차이는수리실험과수치해석에서조파방법의차이에기인한것으로판단된다.
１７ (a) A1
(b) A2
(c) A3
Fig. 3.4. Time variation of the water level at the measuring points A1,A2 and A3 by numerical analysis and experiment.
수리실험에서의조파방법은전술한바와같이조파판을중립위치에서뒤로당긴후에앞으로밀어조파 한반면, 수치해석의경우 조파판의중립위치에서조파소스에의해수치조파되었기때문에두조파방법에서 근본적으로위상차이가존재한다. Fig. 3.4(c)는두결과를비교하기위하여전술한약 0.6초정도의위상이동을 고려한측정지점 A3에서의침수심을나타낸것으로수리실험과수치해석에서의값이유사하게주어지는것
을알수있다. 침수심의최대값은약 2.5cm로나타났으며, 수치해석에서측정된침수심이수리실험에비하여
최대값을나타낸후에더욱완만하게감소되는것으로나타났다. 이것은전술한조파방법의차이가육상에서 침수심의변화에도일정부분의영향을미치는것으로판단된다.
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(2) 지진해일파력
육상가옥군에 작용하는지진해일파력을산정하기위하여구조물의전면에압력계를 설치하고, 구조물의 중심에서측정된 파력을사용하여다음의 결과를도출하였다. Fig. 3.5는 CASE 6에 대해 / 의 값의변화에 따 른파력의시간변화에대한수치해석결과를수리실험에의한결과와비교한것이다. 그림에서는전술한위상 차이를고려한결과이며, / =2의경우에파력작용이시작되는순간부터최대파력이나타나는동안은거의 동일한변화양상을나타내는것을알수있다. 하지만, 최대파력이측정된이후에수리실험의경우는짧은시 간에감소하지만수치해석의경우는보다완만한감소를나타낸다. 이러한현상은 / =4인경우에도나타나 지만호안으로부터보다이격되어있는 / =6, 8의경우는전술한현상은거의발생되지않고파력의변화가 유사하게나타난다. 이상의파력의시간이력에서수치해석과수리실험에서나타나는차이는근본적으로조파 방법의차이에따른것으로판단되지만파력의최대치는거의동일하게나타나는것을알수있다.
Fig. 3.6은수리실험의모든 CASE에대해측정된최대파력을동일한조건하의수치해석결과와비교한것
이다. 결과로부터호안에서의이격거리에따라지진해일파력의변화양상이약간상이하다는것을알수있다. 전체적인경향은 / 의값이증가함에따라(호안으로부터의거리가멀어질수록) 작용파력이감소하는경향
을 나타낸다. 이경향은수치해석결과및실험결과에서도동일하게나타나지만 CASE 3의경우는반대의경향
을나타내는것을알수있다. CASE 3에서주어지는역현상은 Simamora et al.(2007)에서도지적하고있는바와
같이 / 값이커짐에따라호안측의전면구조물로인하여좌우 2방향으로분리되었던흐름이일정거리의 경과후에회절현상에의하여중심부로흐름이집중되고, 이에따라작용파력이증가된것으로판단된다.
전체적으로는수치해석결과가실험의경우보다다소큰값을나타내며, 이것은수치해석에서는바닥마찰 을고려할수없기때문에흐름속도에서의감쇠가발생되지 않기때문인것으로판단된다. 고립파는조파된 이후경사면에서천수변형을일으키고, 호안을월류하여선단부가단파상으로육상구조물에작용한다. 이러한 과정에서비감쇠의흐름속도로부터산정되는수치해석의결과는 / 가커짐에따라수리실험에비하여최대 파력이크게된다.
그리고, 구조물에작용하는파력에서구조물의배치가작용파력에큰영향을미치는것을알수있다. 측 정대상구조물의 바로 전면에 구조물이 존재하는 CASE 2와 전면이 열려 있고 좌우로 구조물이 존재하는
CASE 4를비교하면동일한위치에서작용한파력이 2배정도의차이가나는것을확인할수있다. 또한, 전면
에구조물이존재하는경우가구조물이존재하지않는경우에비하여구조물에작용하는최대파력이감소하
는것을확인할수있다. 특히, 전면에구조물이존재하지않는 CASE 1의경우는다른 CASE에비하여전체적
으로큰최대파력을나타내고있다. 특히, CASES 2와 4에서 / =2~4인호안으로부터짧은이격거리의경우에
측정된파력이 CASE 1의 / =6~8인이격거리가먼경우보다작용파력이낮게측정되었으며, 가옥군으로이
루어진 CASE 6의경우는 / 의값이증가함에따라파력이급격히감소하고있는것을볼수있다. 이러한
결과들로부터호안으로부터의이격거리보다전면에구조물의존재가파력의감쇠효과에는더큰영향을미치 는것으로나타났다.
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이상의결과들에서 / 의값이큰부분에서수리실험과수치해석사이에다소의차이가주어지는 CASE 도있지만수치해석은수리실험에서측정된지진해일파력을잘재현하고있는것으로판단되고, 특히전체적 인변화경향과값의변화추이는두결과에서매우유사한것으로판단된다.
(a) / =2
(b) / =4
(c) / =6
２０ (d) / =8
Fig. 3.5. Time variation of the wave force in CASE 6 according to the change of / .
(a) CASE 1 (b) CASE 2
(c) CASE 3 (d) CASE 4
(e) CASE 5 (f) CASE 6
Fig. 3.6. Comparison of the maximum tsunami forces for all CASES.
Fig. 3.7은본연구에서검토한 CASE 6에서 시간에따른수위변동(침수)를나타낸 3차원결과로고립파의
조파후 경과시간 9.6초, 10.0초, 10.6초, 11.584초에서 상황을나타낸다.
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Fig. 3.7. Time evolution of the computed water level fluctuation in the CASE 6.
3.2.3 지진해일파력의 추정
육상구조물에 작용하는 지진해일파력의 추정에서 일본과 미국 등의 설계지침(Dames and Moore(1980) ; CCH(2000) ; Asakura et al.(2000) ; FEMA-CCM(2005) ; ASCE(2006))에따르면정수압적인평가방법과동수압적인 평가방법이제안되어있다. 본연구에서는동수압적인평가방법으로수치해석을통해얻어진육상에서의침수 심과유속으로부터지진해일파력을추정하여수치해석의유용성을검토한다. Fig. 3.8은전술한 CASE 1의파력 측정지점에구조물이존재하지않는경우에침수심과유속에대한시간이력을나타낸다. 그림을살펴보면육 상부에서의유속은유체가측정지점에도달하는순간에급격히상승하며, 시간의경과에따라감소하는경향 을나타낸다. 또한, 침수심의경우수심이측정되기시작된이후의시간에서최대값을나타내고있으며, 유체 는육상에서전파거리가길수록지반과의상호작용등에의해유체분리현상과 soliton분열현상이발생되는것 을확인할수있다. 따라서, 호안으로부터이격거리가멀어질수록비정상흐름이발달하게되고, 복잡한수면형 과유속분포를나타내게된다. 또한, 최대침수심과최대유속이측정되는시간은동일하지않으며, 어느정도의 위상차가발생한다는것을알수있다.
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(1) 정수압적인 지진해일파력의 추정
육상구조물에작용하는지진해일파력의평가에사용되는 Asakura et al.(2000) 및 CCH(2000) 등이제안하고 있는정수압적인추정식의경우는육상에구조물이존재하지않는때의침수심만으로지진해일파력을산정할 수있고, 압력분포는 정수압분포로 표현된다. 현재까지 육상구조물에 작용하는지진해일파력의 산정에대해 다음과같은식이제안·사용된다.
(3.1) 여기서, 은최대침수심, 는파압이작용하는 구조물의 폭이며, 값에 대해 Asakura et al.(2000) 및
CCH(2000) 등은육상구조물의경우에 =4.5, Tanimoto et al.(1984)은해중방파제의경우에 =3.3을각각제안하
고있다.
Fig. 3.9에서는 Fig. 3.8의각지점에서측정된최대침수심과 Tanimoto et al.(1984) 및 Asakura et al.(2000) 등이 제안한 값으로산정된지진해일파력을수치해석에서측정된지진해일파력으로무차원화한값을제시하였다. 여기서, 세로축의 는최대침수심과 값으로산정된식(3.1)에의한지진해일파력이며, 는수치해석에서 측정된지진해일파력이다. 그림을살펴보면전체적으로 Asakura et al.(2000)의지진해일파력의산정식( =4.5)은
Tanimoto et al.(1984)의산정식( =3.3)에비하여지진해일파력을크게평가하며, 또한산정식의결과는수치해석
결과보다큰값을나타내는것을알수있다.