Figure 5. Longitudinal average time velocity for different ratios of w/l at Ft = 0.52, (Case of one pier)

이 기술 요약은 Yasser Moussa와 Mahoud Atta가 2020년 GRAĐEVINAR에 발표한 논문 “Simulation of Scour at Bridge Supports”를 기반으로 하며, STI C&D의 기술 전문가에 의해 분석 및 요약되었습니다.

키워드

  • Primary Keyword: 교각 세굴 시뮬레이션
  • Secondary Keywords: 교량 지지대 세굴, CFD, 수치 해석, 유체 역학, SSIIM 모델, 교각 그룹 배열, 국소 세굴 깊이

Executive Summary

  • The Challenge: 교량 지지대 주변에서 발생하는 과도한 세굴(scour) 현상은 기초의 안정성을 심각하게 저해하여 교량 손상 및 붕괴의 주요 원인이 됩니다.
  • The Method: 본 연구는 개수로(open channel)에서의 실험과 3D CFD(전산유체역학) 수치 모델링(SSIIM 모델)을 병행하여, 다양한 교각 배열에 따른 세굴 발생 메커니즘을 분석했습니다.
  • The Key Breakthrough: 단일 교각보다 여러 개의 교각을 그룹으로 배열할 경우 세굴 깊이가 최대 30%까지 감소했으며, 교각 간의 종방향 및 횡방향 간격이 세굴 감소에 결정적인 영향을 미친다는 사실을 규명했습니다.
  • The Bottom Line: 최적화된 교각 그룹 배열은 교량의 구조적 안정성을 크게 향상시킬 수 있으며, CFD 시뮬레이션은 이러한 최적 설계를 위한 강력하고 신뢰성 높은 예측 도구임이 입증되었습니다.

The Challenge: Why This Research Matters for CFD Professionals

교량은 국가의 핵심 기반 시설이지만, 유수의 흐름으로 인해 교각 기초 주변의 토사가 침식되는 ‘세굴’ 현상에 항상 노출되어 있습니다. 1996년부터 2005년까지 미국에서만 1,400개 이상의 교량이 세굴 문제로 파괴되었을 정도로 이는 심각한 문제입니다. 특히, 여러 개의 교각으로 구성된 교량의 경우, 교각들 사이에서 발생하는 복잡한 와류(vortex) 상호작용 때문에 세굴 현상을 예측하기가 훨씬 더 어렵습니다. 기존의 예측 모델들은 주로 단일 교각에 초점을 맞추고 있어, 실제 다중 교각 구조물의 안전성을 정확히 평가하는 데 한계가 있었습니다. 따라서 교각의 배열과 간격이 세굴에 미치는 영향을 정량적으로 분석하고, 이를 정확히 예측할 수 있는 신뢰성 있는 방법론의 개발이 시급한 과제였습니다.

The Approach: Unpacking the Methodology

본 연구는 실험과 시뮬레이션의 상호 보완적인 접근 방식을 채택하여 연구 결과의 신뢰도를 높였습니다.

  • 실험 연구: 길이 16.2m, 폭 65cm의 직사각형 개수로 실험 장치를 사용했습니다. 수로 바닥에는 평균 입경 1.4mm의 균일한 모래를 0.12m 깊이로 깔아 실제 하천 바닥과 유사한 환경을 조성했습니다. 연구진은 단일 교각, 2×1 배열(교각 3개), 1×2 배열(교각 3개), 2×2 배열(교각 4개) 등 네 가지 교각 배열 모델을 설치하고, 유속을 변화시키며 각 조건에서 발생하는 세굴 깊이를 정밀하게 측정했습니다.
  • 수치 모델링: 3D CFD 소프트웨어인 SSIIM 모델을 사용하여 수류 및 유사 이동을 시뮬레이션했습니다. 유한 체적법(FVM)을 기반으로 Navier-Stokes 방정식을 해석했으며, 난류 모델로는 k-ε 모델을 적용했습니다. 교각 주변에는 정밀한 해석을 위해 미세 격자(fine cells)를, 그 외 영역에는 계산 효율을 위해 성긴 격자(coarser cells)를 사용하는 구조적 격자망을 구성하여(총 350x170x17 요소) 정확도와 효율성을 동시에 확보했습니다.
Figure 1. General view of laboratory apparatus and flow direction
Figure 1. General view of laboratory apparatus and flow direction

The Breakthrough: Key Findings & Data

실험과 시뮬레이션을 통해 교각 배열이 세굴 깊이에 미치는 영향에 대한 중요한 발견들이 이루어졌습니다.

Finding 1: 교각 그룹 배열이 단일 교각보다 세굴 방지에 월등히 효과적

연구 결과, 모든 교각 그룹 배열은 단일 교각에 비해 국소 세굴 깊이를 현저히 감소시키는 것으로 나타났습니다. 최적의 간격으로 배치되었을 때, 각 배열별 세굴 깊이 감소율은 다음과 같습니다. – 1×2 배열: 단일 교각 대비 20% 감소 – 2×1 배열: 단일 교각 대비 30% 감소 – 2×2 배열: 단일 교각 대비 24% 감소

이는 상류 측 교각이 희생 파일(sacrificial pile) 역할을 하여 하류 측 교각으로 향하는 유속과 와류의 에너지를 약화시키기 때문입니다. 이 결과는 교각을 그룹으로 설계하는 것이 교량의 장기적인 안정성 확보에 매우 유리함을 시사합니다.

Finding 2: 교각 간격이 세굴 깊이를 결정하는 핵심 변수

교각 그룹 내에서 교각 간의 상대적 거리는 세굴 깊이에 지대한 영향을 미쳤습니다. – 1×2 배열 (흐름 방향으로 길게 배치): 흐름 방향의 간격(x₀)이 멀어질수록 세굴 깊이가 감소했습니다. 이는 상류 교각이 하류 교각을 효과적으로 보호하는 ‘차폐 효과’가 커지기 때문입니다. – 2×1 및 2×2 배열 (흐름에 수직 방향으로 넓게 배치): 흐름에 수직인 방향의 간격(y₀)이 세굴 깊이에 더 큰 영향을 미쳤습니다. 간격이 너무 좁으면 교각 사이에서 와류가 강하게 집중되어 오히려 세굴이 심화될 수 있으며, 적절한 간격을 유지하는 것이 중요합니다.

본 연구는 이러한 관계를 정량화하여 각 배열에 대한 최적의 간격을 제시하고, 이를 바탕으로 Froude 수와 교각 간격비를 변수로 하는 새로운 경험적 예측 방정식을 개발했습니다. 이 방정식들은 실험 데이터와 95% 이상의 높은 결정계수(R²)를 보이며 뛰어난 예측 정확도를 입증했습니다.

Figure 5. Longitudinal average time velocity for different ratios of w/l at Ft = 0.52, (Case of one pier)
Figure 5. Longitudinal average time velocity for different ratios of w/l at Ft = 0.52, (Case of one pier)

Practical Implications for R&D and Operations

  • For Civil/Hydraulic Engineers: 본 연구는 교각 그룹의 최적 배열과 간격이 세굴을 최대 30%까지 줄일 수 있음을 보여줍니다. 이는 교량 기초 설계 시 안전성을 높이고 잠재적으로는 건설 비용을 절감할 수 있는 구체적인 가이드라인을 제공합니다.
  • For Structural Integrity Teams: 논문의 데이터(예: Figure 7, 10, 13)는 Froude 수와 교각 간격에 따라 세굴 깊이가 어떻게 변하는지를 명확히 보여줍니다. 이는 기존 교량의 안전성 평가 및 유지보수 계획 수립 시 중요한 참고 자료가 될 수 있습니다.
  • For Bridge Design Engineers: 연구 결과는 초기 설계 단계에서부터 교각의 배열을 단순한 하중 분산 목적이 아닌, 수리적 안정성을 고려한 적극적인 세굴 방지 요소로 활용할 수 있음을 시사합니다. 특히 CFD 시뮬레이션은 다양한 설계안의 세굴 위험도를 사전에 평가하는 데 매우 유용한 도구가 될 수 있습니다.

Paper Details

Simulation of Scour at Bridge Supports

1. Overview:

  • Title: Simulation of Scour at Bridge Supports
  • Author: Yasser Moussa, Mahoud Atta
  • Year of publication: 2020
  • Journal/academic society of publication: GRAĐEVINAR 72 (9)
  • Keywords: local scour, hydraulic structure, piers, group of piles, SSIM

2. Abstract:

Groups of piers are used on bridges to minimise scour around bridge supports. The prediction of scour around piers due to interaction of vortices around bridge piers is more complex compared to scour prediction around a single pier. Four arrangements of bridge piers with different spaces in the lateral and longitudinal directions are investigated under clear water conditions to observe scour generation around bridge foundations. The experimental study is performed in a rectangular open channel. A 3D numerical study based on fluid dynamics is also conducted. Results show that different pier group arrangements produce smaller scour holes than a single pier.

3. Introduction:

교량 지지대 주변의 과도한 세굴은 기초의 침하를 증가시키고 교각 및 교대에 손상을 일으킬 수 있습니다. 세굴은 일반적으로 일반 세굴, 수축 세굴, 국소 세굴의 세 가지 유형으로 분류됩니다. 국소 세굴은 교량 기초에서 발생하며, 교각 및 교대의 배열, 흐름 특성 및 형상에 따라 달라지는 동적 과정입니다. 파일 그룹은 하천 및 해양 구조물을 지지하는 기초로 널리 사용되며, 이러한 파일 주변의 세굴은 교량의 하중 저항 능력을 감소시켜 위험을 초래할 수 있습니다. 본 논문은 교량 교각의 횡방향 및 종방향 간격을 변화시켜가며 교량 기초에서 형성되는 세굴에 미치는 영향을 실험적 및 수치적으로 규명하는 것을 목표로 합니다.

4. Summary of the study:

Background of the research topic:

교량 지지대 주변의 세굴 현상은 교량의 구조적 안정성을 위협하는 주요 요인입니다. 특히 여러 개의 교각으로 이루어진 교량의 경우, 교각 간 와류의 상호작용으로 인해 세굴 예측이 매우 복잡해집니다.

Status of previous research:

많은 연구가 단일 교각 주변의 세굴 형성에 초점을 맞추어 왔으며(예: HEC-18 방정식), 교각 그룹의 세굴에 대한 연구는 상대적으로 제한적이었습니다. 일부 연구에서 교각 그룹의 배열이 세굴에 영향을 미친다는 점을 보고했지만, 횡방향 및 종방향 간격을 체계적으로 변화시키며 그 효과를 정량적으로 분석한 연구는 부족했습니다.

Purpose of the study:

본 연구의 목적은 네 가지 다른 교각 배열(단일, 2×1, 1×2, 2×2)에서 횡방향 및 종방향 간격을 변화시켰을 때 국소 세굴의 생성에 미치는 영향을 실험과 3D CFD 시뮬레이션을 통해 명확히 규명하는 것입니다.

Core study:

핵심 연구 내용은 개수로 실험을 통해 다양한 교각 배열 및 간격 조건에서 세굴 깊이를 측정하고, 이 결과를 3D CFD 모델(SSIIM)의 시뮬레이션 결과와 비교 검증하는 것입니다. 이를 통해 교각 배열이 세굴에 미치는 영향을 정량적으로 분석하고, 세굴 깊이를 예측할 수 있는 새로운 경험적 방정식을 제안했습니다.

5. Research Methodology

Research Design:

본 연구는 실험적 연구와 수치적 시뮬레이션을 결합한 설계 방식을 채택했습니다. 네 가지 교각 배열(단일 교각, 2×1, 1×2, 2×2 그룹)을 대상으로 횡방향(y) 및 종방향(x) 간격을 체계적으로 변경하며 각 조건에서의 세굴 깊이를 측정하고 분석했습니다.

Data Collection and Analysis Methods:

  • 실험 데이터: 개수로에서 6시간 동안 실험을 진행하여 평형 세굴 깊이의 85% 이상에 도달한 후, 0.10mm 정확도의 포인트 게이지를 사용하여 하상 지형과 세굴 깊이를 측정했습니다. Froude 수는 0.20에서 0.60 범위에서 다양하게 적용되었습니다.
  • 수치 데이터: 3D CFD 모델인 SSIIM을 사용하여 유속, 압력, 난류 에너지, 세굴 깊이 등을 계산했습니다. 시뮬레이션 결과는 실험 데이터와 비교하여 검증되었으며, 평균 절대 오차는 약 5%로 높은 신뢰도를 보였습니다.

Research Topics and Scope:

연구 범위는 맑은 물 조건(clear-water conditions) 하에서의 국소 세굴로 한정됩니다. 교각의 형상은 직사각형이며, 총 단면적은 모든 배열에서 동일하게 유지되었습니다. 연구는 교각의 배열(arrangements)과 교각 간의 상대적 간격(spacing)이 세굴 깊이에 미치는 영향에 초점을 맞추었습니다.

6. Key Results:

Key Results:

  • 모든 교각 그룹 배열은 단일 교각보다 작은 세굴공을 생성했습니다.
  • 최적의 배열 조건에서 1×2, 2×1, 2×2 교각 그룹은 단일 교각 대비 세굴 깊이를 각각 20%, 30%, 24% 감소시켰습니다.
  • 1×2 교각 그룹에서는 흐름 방향의 간격(종방향)이 세굴 깊이에 지배적인 영향을 미쳤습니다.
  • 2×1 및 2×2 교각 그룹에서는 흐름에 수직인 방향의 간격(횡방향)이 세굴 깊이에 더 큰 영향을 미쳤습니다.
  • 각 교각 배열에 대해 세굴 깊이를 예측하는 새로운 경험적 방정식이 제안되었으며, 이는 실험 데이터와 높은 상관관계(R² > 0.94)를 보였습니다.
  • 3D CFD 모델(SSIIM)의 시뮬레이션 결과는 실험 데이터와 잘 일치하여, 교각 주변 세굴 현상을 예측하는 데 유용한 도구임이 입증되었습니다.

Figure List:

  • Figure 1. General view of laboratory apparatus and flow direction
  • Figure 2. Arrangements of experimental models
  • Figure 3. Layout of model grids
  • Figure 4. One pier case: Relationship between Ft and ds/yt for different w/l
  • Figure 5. Longitudinal average time velocity for different ratios of w/l at Ft = 0.52, (Case of one pier)
  • Figure 6. Predicted results of Eq. (9) versus measured data for different w/l
  • Figure 7. Relationship between F₁ = and d/y, for case of 2×1 and different x and yo
  • Figure 8. Average velocity vectors around piers away from bed by 0.01 of water depth for F₁ = 0.50: a) x = 0,58, y = 0,58; b) x = 1,16, y = 0,58; c) x = 0,58, y = 1,16
  • Figure 9. Measured versus predicted of Eq. (10) for case of 2×1 arrangements
  • Figure 10. Relationship between F₁ and d/y, for case of 1×2 and different x and yo
  • Figure 11. Average velocity vectors around piles (Case of 1×2 arrangements) away from bed by 0.01 of water depth for F₁ = 0.50
  • Figure 12. Measured versus predicted (Eq. (11)) for case of 1×2 arrangements
  • Figure 13. The relationship between F, and d/y, for case of 2×2 and different x and yo
  • Figure 14. Average velocity vectors around piers (Case of 1×2 arrangements) away from bed by 0.01 of water depth for F₁ = 0.50: a) x = 0,5, y = 0,5; b) x = 0,50, y = 1,0; c) x = 1,5, y = 0,50
  • Figure 15. Measured versus predicted results of Eq. (12) for case of 2×2 arrangements
  • Figure 16. Verification of numerical model for different cases of a) w/l (relative widths of one pier case), and b) arrangements of pier groups

7. Conclusion:

본 연구는 실험과 수치 해석을 통해 교각의 배열과 간격이 국소 세굴 깊이에 미치는 영향을 성공적으로 규명했습니다. 연구 결과, 단일 교각보다 최적화된 교각 그룹을 사용하는 것이 세굴을 최소화하는 데 훨씬 효과적임을 입증했습니다. 특히, 2×1 배열에서 최대 30%의 세굴 깊이 감소 효과를 확인했습니다. 또한, 흐름 방향에 따른 교각 간격(1×2 배열)과 흐름에 수직인 교각 간격(2×1, 2×2 배열)이 각각 세굴에 미치는 지배적인 영향이 다름을 밝혔습니다. 본 연구에서 제안된 경험적 예측 방정식들은 실험 데이터와 잘 일치했으며, 3D CFD 모델 역시 실험 결과를 성공적으로 재현하여 그 신뢰성을 입증했습니다. 이러한 결과들은 교량 기초 설계 시 안전성과 경제성을 동시에 향상시킬 수 있는 중요한 공학적 지침을 제공합니다.

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Expert Q&A: Your Top Questions Answered

Q1: 이 연구에서 수치 시뮬레이션 도구로 SSIIM 모델을 선택한 특별한 이유가 있습니까?

A1: SSIIM 모델은 물과 유사(sediment)의 이동을 동시에 시뮬레이션할 수 있는 3D 모델이기 때문에 본 연구에 매우 적합했습니다. 유한 체적법과 k-ε 난류 모델을 사용하여 교각 주변의 복잡한 3차원 유동 및 와류 구조, 그리고 그로 인한 하상 변화를 효과적으로 해석할 수 있습니다. 실험 결과를 검증하고, 실험만으로는 관찰하기 어려운 유동장 내부의 상세한 정보를 얻는 데 결정적인 역할을 했습니다.

Q2: 기존의 HEC-18 방정식과 본 연구에서 제안된 방정식의 가장 큰 차이점은 무엇입니까?

A2: HEC-18 방정식은 주로 단일 교각의 세굴 깊이를 예측하는 데 사용되며, 본 연구에서도 폭과 길이 비(w/l)가 1.0인 단일 교각의 경우 비교적 정확한 결과를 보였습니다. 하지만 다른 형상비나 교각 그룹의 경우에는 세굴 깊이를 과대평가하는 경향이 있었습니다. 본 연구에서 제안된 방정식들은 교각 그룹의 배열(2×1, 1×2, 2×2)과 교각 간의 상대적 간격(x₀/y₀)을 주요 변수로 포함하여, 복잡한 상호작용을 고려한 훨씬 더 정밀하고 특화된 예측을 제공한다는 점에서 큰 차이가 있습니다.

Q3: 2×1 삼각 배열에서 세굴 깊이를 줄이는 데 가장 큰 영향을 미친 요인은 무엇이었습니까?

A3: 2×1 배열에서는 흐름에 수직인 방향의 간격(y₀)이 세굴 깊이에 가장 지배적인 영향을 미쳤습니다. 논문의 Figure 8에서 볼 수 있듯이, y₀가 증가함에 따라 교각 사이의 와류 강도가 약해지면서 세굴 깊이가 감소했습니다. 이는 교각을 흐름에 수직 방향으로 적절히 이격시키는 것이 와류의 집중을 막고 세굴을 줄이는 데 효과적임을 의미합니다.

Q4: 수치 모델의 격자(grid)는 어떻게 설계하여 정확도를 확보했나요?

A4: 논문의 Figure 3에 나타난 바와 같이, 수치 모델의 정확도를 높이기 위해 핵심 분석 영역인 교각 주변에는 매우 조밀한 격자(fine cells)를 집중적으로 배치했습니다. 반면, 교각에서 멀리 떨어진 영역에는 상대적으로 성긴 격자(coarser cells)를 사용하여 전체 계산 시간을 최적화했습니다. 이러한 비균일 격자 설계를 통해 교각 주변의 급격한 유속 및 압력 변화를 정밀하게 포착하면서도 계산의 효율성을 유지할 수 있었습니다.

Q5: 2×1 배열에서 세굴이 30% 감소했다는 결과의 실질적인 공학적 의미는 무엇입니까?

A5: 세굴 깊이가 30% 감소한다는 것은 교량 기초의 안정성이 대폭 향상된다는 것을 의미합니다. 이는 교량 설계 시 더 작은 규모의 기초를 사용하거나 값비싼 세굴 방지 공법의 필요성을 줄여 건설 비용을 절감할 수 있는 가능성을 열어줍니다. 또한, 기존 교량의 보강 공사 시에도 최적의 교각 배열을 적용하여 장기적인 유지보수 비용을 줄이고 교량의 수명을 연장하는 데 기여할 수 있습니다.

Conclusion: Paving the Way for Higher Quality and Productivity

교량 지지대 주변의 세굴 문제는 교량의 안전을 위협하는 지속적인 과제입니다. 본 연구는 단일 교각이 아닌 최적화된 교각 그룹 배열을 통해 세굴을 최대 30%까지 효과적으로 저감할 수 있음을 명확히 보여주었습니다. 특히, 교각 세굴 시뮬레이션은 다양한 설계안의 수리적 안정성을 사전에 정밀하게 평가하고 최적의 설계를 도출하는 데 필수적인 도구임이 입증되었습니다. 이러한 연구 결과는 더 안전하고 경제적인 교량 건설을 위한 중요한 공학적 통찰을 제공합니다.

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  • 연락처 : 02-2026-0442
  • 이메일 : flow3d@stikorea.co.kr

Copyright Information

  • This content is a summary and analysis based on the paper “Simulation of Scour at Bridge Supports” by “Yasser Moussa, Mahoud Atta”.
  • Source: https://doi.org/10.14256/JCE.2506.2018

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