Figure 1. Flow and scour pattern around a cylindrical pier.

이 기술 요약은 Afshin Jahangirzadeh 외 저자가 2014년 PLOS ONE에 발표한 논문 “Experimental and Numerical Investigation of the Effect of Different Shapes of Collars on the Reduction of Scour around a Single Bridge Pier”을 기반으로 합니다. STI C&D의 기술 전문가에 의해 분석 및 요약되었습니다.

키워드

  • Primary Keyword: 교각 세굴 감소
  • Secondary Keywords: 교각 칼라, 수리 실험, SSIIM 2.0, CFD 시뮬레이션, 세굴 깊이 예측

Executive Summary

  • 도전 과제: 교각 주변에서 발생하는 세굴 현상은 전 세계적으로 매년 막대한 교량 손상을 유발하며, 이는 심각한 안전 문제와 경제적 손실로 이어집니다.
  • 연구 방법: 직사각형 및 원형 두 가지 형태의 칼라(collar)를 사용하여 교각 세굴을 줄이는 효과를 수리 실험과 3차원 CFD 모델(SSIIM 2.0) 시뮬레이션을 통해 비교 검증했습니다.
  • 핵심 돌파구: 직사각형 칼라가 원형 칼라보다 세굴 깊이 감소에 더 효과적이었으며, 하상 아래에 설치했을 때 최대 79%의 세굴 감소 효과를 보였습니다.
  • 핵심 결론: CFD 시뮬레이션은 교각 세굴 현상을 높은 정확도로 예측할 수 있으며, 칼라의 형상, 크기, 설치 위치가 세굴 방지에 결정적인 영향을 미친다는 사실을 정량적으로 입증했습니다.

도전 과제: 왜 이 연구가 CFD 전문가에게 중요한가?

홍수로 인한 교량 붕괴는 교통 시스템 마비, 인명 피해 등 돌이킬 수 없는 결과를 초래하는 재앙입니다. 미국에서는 지난 30년간 1,000개 이상의 교량이 붕괴되었으며, 그중 60%가 교각 기초의 세굴과 관련이 있었습니다. 교각 세굴은 교각 주변에 복잡한 와류 시스템(vortex systems)이 형성되면서 발생합니다. 특히 교각 전면에서 발생하는 말발굽 와류(horseshoe vortex)는 세굴을 일으키는 주요 메커니즘으로 알려져 있습니다.

이러한 문제를 해결하기 위해 립랩(riprap), 매트리스 등 다양한 보호 공법이 사용되지만, 흐름을 제어하는 칼라(collar)와 같은 구조물은 보다 근본적인 해결책을 제시할 수 있습니다. 하지만 어떤 형태와 크기의 칼라를 어느 위치에 설치해야 가장 효과적인지에 대한 포괄적인 데이터는 부족했습니다. 본 연구는 실험과 CFD 시뮬레이션을 결합하여 이 문제에 대한 명확하고 실용적인 해답을 제시하고자 했습니다.

연구 접근법: 방법론 분석

본 연구는 말레이야 대학교(University of Malaya)의 수리 실험실에서 수행된 물리적 실험과 3차원 CFD 모델인 SSIIM 2.0을 이용한 수치 시뮬레이션을 병행했습니다.

  • 실험 장비: 길이 12m, 폭 30cm, 깊이 45cm의 수로(flume)에서 실험이 진행되었습니다. 교각은 직경 3cm의 원통형 플렉시글라스로 제작되었으며, 하상 재료는 평균 입경(d50) 0.8mm의 균일한 모래를 사용했습니다.
  • 주요 변수:
    • 칼라 형태: 직사각형(Rectangular) 및 원형(Circular)
    • 칼라 크기 (W/D): 2.0, 2.5, 3.0, 3.5 (W: 칼라 폭/직경, D: 교각 직경)
    • 칼라 설치 높이 (Z/D): -0.5 (하상 아래), 0.0 (하상 표면), 0.5 (하상 위) (Z: 하상 표면으로부터의 거리)
  • 흐름 조건: 유사 이송이 거의 발생하지 않는 한계 유속(clear-water condition)에 가까운 U/Uc = 0.95 조건에서 최대 72시간 동안 실험하여 평형 세굴 상태에 도달하도록 했습니다.
  • 수치 모델: 3차원 CFD 모델인 SSIIM 2.0을 사용하여 교각 및 칼라 주변의 유동과 세굴 현상을 시뮬레이션했습니다. k-ε 난류 모델과 Van Rijn의 유사 이송 공식을 사용하여 실험 결과를 검증하고 추가 분석을 수행했습니다.
Figure 1. Flow and scour pattern around a cylindrical pier.
Figure 1. Flow and scour pattern around a cylindrical pier.

핵심 돌파구: 주요 발견 및 데이터

발견 1: 직사각형 칼라, 원형보다 우수한 세굴 감소 성능 입증

실험 결과, 두 종류의 칼라 모두 상당한 세굴 감소 효과를 보였지만, 직사각형 칼라의 성능이 더 뛰어났습니다.

Figure 2. Schematic view of the experimental flume and single bridge pier.
Figure 2. Schematic view of the experimental flume and single bridge pier.
  • Table 1에 따르면, 최적 조건에서 원형 칼라를 사용했을 때 최대 세굴 감소율(Rp)은 71.5%였던 반면, 직사각형 칼라를 사용했을 때는 최대 79.2%에 달했습니다.
  • 연구진은 이러한 차이가 동일한 폭(W)을 가질 때 직사각형 칼라의 표면적이 더 넓고, 모서리 부분이 하강 흐름을 효과적으로 차단하여 말발굽 와류를 약화시키기 때문이라고 분석했습니다. 이는 칼라의 형상이 세굴 방지 성능에 직접적인 영향을 미친다는 것을 명확히 보여줍니다.

발견 2: 칼라 설치 위치와 크기가 성능의 핵심

칼라의 효과를 극대화하기 위해서는 형상뿐만 아니라 설치 위치와 크기 선택이 매우 중요합니다.

  • 설치 위치: 모든 실험 조건에서 칼라를 하상 표면 아래(Z/D = -0.5)에 설치했을 때 가장 큰 세굴 감소 효과를 보였습니다. Figure 4와 Figure 5는 하상 아래에 설치된 칼라(Z/D = -0.5, 흰색 삼각형)가 하상 표면에 설치된 칼라(Z/D = 0, 검은색 사각형)보다 세굴 깊이를 현저히 줄이는 것을 보여줍니다.
  • 최적 크기: 칼라의 폭(W)이 교각 직경(D)의 3.0배에서 3.5배(W/D = 3.0 ~ 3.5)일 때 가장 효과적이고 경제적인 것으로 나타났습니다. 이 범위를 초과하여 칼라 크기를 늘려도 세굴 감소 효과는 미미하게 증가하여(약 1.7%), 건설 비용을 고려할 때 이 크기 범위가 최적의 선택임을 시사합니다.

R&D 및 운영을 위한 실질적 시사점

  • 수리/공정 엔지니어: 본 연구는 교각 세굴 방지를 위한 칼라 설계 시 직사각형 형태를 우선적으로 고려하고, 하상 아래(Z/D = -0.5)에 교각 직경의 3.0~3.5배 크기로 설치하는 것이 가장 효과적이라는 명확한 가이드라인을 제공합니다.
  • 품질 관리/검사 팀: SSIIM 2.0 CFD 모델이 실제 실험 결과를 높은 정확도로 예측할 수 있음을 입증했습니다. 이는 향후 다양한 교량 설계 및 유동 조건에 대한 세굴 위험성을 물리적 실험 없이도 사전에 평가하고 검증하는 데 신뢰성 높은 도구로 활용될 수 있음을 의미합니다.
  • 설계 엔지니어: 본 연구에서 도출된 세굴 깊이 감소 예측 공식(Eq. 10, 11)은 설계 초기 단계에서 칼라의 제원(Ac/AT)과 설치 위치(Z/D)에 따른 세굴 방지 효과를 신속하게 예측할 수 있는 실용적인 도구를 제공합니다. 이를 통해 보다 안전하고 경제적인 교량 설계가 가능해집니다.

논문 상세 정보

Experimental and Numerical Investigation of the Effect of Different Shapes of Collars on the Reduction of Scour around a Single Bridge Pier

1. 개요:

  • 제목: Experimental and Numerical Investigation of the Effect of Different Shapes of Collars on the Reduction of Scour around a Single Bridge Pier
  • 저자: Afshin Jahangirzadeh, Hossein Basser, Shatirah Akib, Hojat Karami, Sareh Naji, Shahaboddin Shamshirband
  • 발행 연도: 2014
  • 발행 학술지/학회: PLOS ONE
  • 키워드: 교각, 세굴, 칼라, CFD, SSIIM 2.0, 실험 연구

2. 초록:

교각 주변의 세굴 현상은 전 세계적으로 매년 막대한 피해를 유발합니다. 칼라는 교각 주변의 세굴 깊이와 부피를 줄이는 중요한 방법 중 하나로 간주됩니다. 본 연구에서는 실험적 및 수치적 방법을 사용하여 직사각형과 원형이라는 두 가지 다른 모양의 칼라가 단일 교각 주변의 세굴 감소에 미치는 영향을 조사했습니다. 실험은 말레이야 대학교의 수리 실험실에서 수행되었습니다. 교각과 칼라 주변의 세굴은 3차원 CFD 모델인 SSIIM 2.0을 사용하여 수치적으로 시뮬레이션하여 모델의 적용 가능성을 검증했습니다. 결과에 따르면 두 종류의 칼라 모두 세굴 깊이를 상당히 감소시켰지만, 직사각형 칼라는 세굴 깊이를 79% 감소시켜 원형 칼라에 비해 더 나은 성능을 보였습니다. 또한, 하상 아래에 칼라를 사용하면 교각 주변의 세굴 깊이가 가장 많이 감소하는 것으로 관찰되었습니다. 결과는 또한 SSIIM 2.0 모델이 단일 교각 및 칼라 주변의 세굴 현상을 충분한 정확도로 시뮬레이션할 수 있음을 보여줍니다. 실험 및 수치 결과를 사용하여 원형 및 직사각형 칼라에 노출된 교각 주변의 세굴 깊이를 예측하기 위한 두 가지 새로운 방정식이 개발되었습니다.

3. 서론:

홍수 후 교량 붕괴는 교통 시스템 중단, 인명 피해 등 돌이킬 수 없는 결과를 초래하는 재앙입니다. 미국에서는 지난 30년간 1,000개 이상의 교량이 붕괴되었으며, 그중 60%가 교량 기초의 세굴과 관련이 있었습니다. 세굴 구멍 발생의 핵심 요인은 교각 주변의 복잡한 와류 시스템입니다. 흐름이 교각 전면에 부딪히면 역압력 구배가 발생하여 3차원 경계층 분리가 일어나고, 이로 인해 하강 흐름이 발생합니다. 이 하강 흐름과 경계층 분리의 상호 작용은 말발굽 모양의 와류 시스템을 형성하며, 이는 교각 기초에서 국부 세굴의 주요 메커니즘으로 알려져 있습니다. 교각을 세굴로부터 보호하기 위해 다양한 방법과 대책이 연구되어 왔으며, 이는 크게 보호공법(armoring)과 유동 변경법(flow-altering)으로 나뉩니다.

4. 연구 요약:

연구 주제의 배경:

교각 세굴은 교량의 안전성을 위협하는 심각한 문제이며, 이를 방지하기 위한 효과적인 대책 마련이 시급합니다.

이전 연구 현황:

칼라를 이용한 세굴 방지 연구는 다수 있었으나, 다양한 형상(직사각형, 원형)과 설치 위치(하상 위, 표면, 아래)에 따른 성능을 종합적으로 비교하고, 이를 CFD 시뮬레이션으로 검증한 연구는 부족했습니다.

연구 목적:

실험과 수치 해석을 통해 직사각형 및 원형 칼라의 형상, 크기, 설치 위치가 단일 원형 교각의 세굴 감소에 미치는 영향을 정량적으로 평가하고 비교 분석하는 것입니다. 또한, CFD 모델(SSIIM 2.0)의 세굴 현상 예측 정확도를 검증하고, 실용적인 세굴 깊이 예측 공식을 개발하는 것을 목표로 합니다.

핵심 연구:

  • 두 가지 형태(원형, 직사각형), 네 가지 크기(W/D = 2.0, 2.5, 3.0, 3.5), 세 가지 설치 높이(Z/D = -0.5, 0, 0.5)의 칼라에 대한 수리 실험 수행.
  • 3차원 CFD 모델 SSIIM 2.0을 사용하여 실험 조건을 시뮬레이션하고, 실험 결과와 비교하여 모델 검증.
  • 실험 및 수치 해석 결과를 바탕으로 칼라의 성능을 비교 분석하고, 최적의 설계 조건 도출.
  • 칼라가 있을 때의 세굴 깊이 감소율을 예측할 수 있는 새로운 경험식 제안.

5. 연구 방법론

연구 설계:

본 연구는 통제된 실험실 환경에서의 수리 실험과 컴퓨터를 이용한 수치 시뮬레이션을 결합한 비교 연구로 설계되었습니다.

데이터 수집 및 분석 방법:

  • 수리 실험: 수로 내에 교각과 칼라를 설치하고 정해진 유속 조건에서 72시간 동안 세굴을 발생시킨 후, 모래 표면 측정기(sand surface meter)를 사용하여 평형 상태에 도달한 하상 변화를 정밀하게 측정했습니다.
  • 수치 시뮬레이션: SSIIM 2.0 소프트웨어를 사용하여 실험과 동일한 조건의 3차원 격자망을 생성하고, RANS(Reynolds-averaged Navier-Stokes) 방정식과 k-ε 난류 모델을 풀어 유동장을 계산했습니다. 유사 이송은 Van Rijn 공식을 사용하여 부유사 및 소류사를 모두 계산했습니다.

연구 주제 및 범위:

연구는 단일 원형 교각에 설치된 원형 및 직사각형 칼라의 세굴 감소 효과에 초점을 맞춥니다. 흐름 조건은 유사 이동이 거의 없는 청수 세굴(clear-water scour) 조건으로 한정되었습니다.

6. 주요 결과:

주요 결과:

  • 세굴은 실험 초기 20%의 시간 동안 전체 세굴 깊이의 약 80%가 발생하며, 시간이 지남에 따라 발생률이 감소했습니다.
  • 칼라를 하상 아래(Z/D = -0.5)에 설치하는 것이 하상 표면이나 위에 설치하는 것보다 세굴 감소 효과가 훨씬 컸습니다.
  • 직사각형 칼라는 최대 79.2%의 세굴 감소율을 보여, 원형 칼라(최대 71.5%)보다 더 효과적이었습니다.
  • 경제성과 효율성을 고려한 최적의 칼라 폭(W)은 교각 직경(D)의 3.0배에서 3.5배 사이였습니다.
  • SSIIM 2.0 모델은 k-ε 난류 모델(RNG 확장 포함)과 Van Rijn의 유사 이송 공식을 사용할 때 실험 결과와 가장 잘 일치했으며, 교각 세굴 현상을 정확하게 시뮬레이션할 수 있음을 확인했습니다.
  • 실험 및 수치 해석 결과를 바탕으로 원형 및 직사각형 칼라에 대한 세굴 깊이 감소율 예측 공식(Eq. 10, 11)을 개발했습니다.

Figure 목록:

  • Figure 1. Flow and scour pattern around a cylindrical pier.
  • Figure 2. Schematic view of the experimental flume and single bridge pier.
  • Figure 3. Time required for the expansion of the scour for a pier without a collar.
  • Figure 4. Longitudinal profiles of the bed changes around the bridge pier with the circular collars: a) W/D = 2, b) W/D = 2.5, c) W/D = 3, d) W/D = 3.5 (scale, 1:5).
  • Figure 5. Longitudinal profiles of the bed changes around the bridge pier with the rectangular collars: a) W/D = 2, b) W/D = 2.5, c) W/D = 3, d) W/D = 3.5 (scale, 1:5).
  • Figure 6. Comparison of the performances of the circular and the rectangular collars.
  • Figure 7. Two developed grids in SSIIM 2.0 grid editor for a single bridge pier.
  • Figure 8. The effect of non-dimensional parameters of a circular collar on percentage reduction; a) Ac/AT b) Z/D.
  • Figure 9. Comparison of measured and predicted values for a) a circular collar and b) a rectangular collar.

7. 결론:

  1. 평형 시간의 처음 20% 동안 세굴의 약 80%가 관찰되었습니다. 또한, 최대 세굴률은 실험 초기 몇 시간 동안 발생했으며, 세굴률은 시간이 지남에 따라 감소했습니다.
  2. 하상 아래에 설치된 칼라는 하상 위나 표면에 설치된 칼라보다 세굴 깊이를 더 많이 감소시켰습니다.
  3. 직사각형 칼라는 말발굽 와류와 상승 흐름을 제어하고 약화시켜 세굴 깊이를 줄이는 데 원형 칼라보다 더 효과적이었습니다.
  4. 최대 세굴 감소를 위한 가장 좋고 경제적인 칼라의 치수는 W=3D에서 W=3.5D 범위인 것으로 밝혀졌습니다.
  5. 원통형 교각 주변의 유사 이송을 계산하기 위한 RNG 확장이 포함된 k-ε 난류 모델은 실험 측정값과 가장 잘 일치했습니다.
  6. 7d50의 거칠기 값은 실험 결과와 가장 잘 일치했습니다.
  7. 원통형 교각 주변의 하상 변화를 계산하고 측정한 결과, Van Rijn의 유사 이송 공식으로 제공된 결과가 실험 결과와 가장 잘 일치했습니다.
  8. 획득한 실험 및 수치 데이터를 바탕으로, 칼라가 세굴 감소 비율에 미치는 영향을 예측하기 위한 두 가지 새로운 방정식이 개발되었습니다.

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    전문가 Q&A: 자주 묻는 질문

    Q1: 수치 시뮬레이션에 SSIIM 2.0 모델을 선택한 특별한 이유가 있나요?

    A1: 네, SSIIM 2.0은 3차원 CFD 모델로, 부유사와 소류사를 포함한 유사 이송 현상을 모두 계산할 수 있기 때문입니다. 이 모델은 유한 체적법(finite-volume approach)을 사용하여 Navier-Stokes 방정식을 해석하고 k-ε 난류 모델을 적용하므로, 교각 주변의 복잡한 3차원 유동 및 세굴 메커니즘을 모사하는 데 매우 적합합니다.

    Q2: 논문에서 수치 모델에 대한 민감도 분석을 언급했는데, 주요 결과는 무엇이었나요?

    A2: 민감도 분석 결과, 몇 가지 중요한 최적화 조건을 발견했습니다. 첫째, 더 조밀한 격자(136×33×11)가 더 높은 정확도를 보였습니다. 둘째, 하상 조도를 7d50(평균 입경의 7배)으로 설정했을 때 실험 결과와 가장 잘 맞았습니다. 마지막으로, 난류 모델은 RNG 확장을 포함한 k-ε 모델을, 유사 이송 공식은 Van Rijn의 공식을 사용했을 때 실험 데이터와 가장 높은 일치도(R²=0.89)를 보였습니다.

    Q3: 실험에서 평형 세굴 상태(equilibrium scour condition)는 어떻게 결정되었나요?

    A3: 평형 세굴 상태를 확인하기 위해 명확한 기준을 적용했습니다. 24시간 동안 세굴 깊이의 변화가 교각 직경의 5% 이하일 때 평형 상태에 도달한 것으로 간주했습니다. 모든 실험은 이 상태를 확실히 달성하기 위해 총 72시간 동안 수행되었습니다.

    Q4: 직사각형 칼라가 원형 칼라보다 더 효과적인 물리적 메커니즘은 무엇인가요?

    A4: 논문은 두 가지 주요 이유를 제시합니다. 첫째, 동일한 ‘폭(W)’을 기준으로 할 때 직사각형 칼라는 원형보다 더 넓은 표면적을 가져 하상을 더 효과적으로 보호합니다. 둘째, 직사각형의 날카로운 모서리가 말발굽 와류를 유발하는 하강 흐름(downward flow)을 더 효과적으로 차단하고 약화시키는 역할을 하기 때문입니다.

    Q5: 본 연구에서 개발된 새로운 예측 공식(Eq. 10, 11)의 실용적인 의의는 무엇인가요?

    A5: 이 공식들은 엔지니어에게 매우 실용적인 도구를 제공합니다. 복잡한 CFD 시뮬레이션을 매번 수행하지 않고도, 칼라의 기하학적 형상(순수 면적 비율 Ac/AT)과 설치 위치(Z/D)만으로 예상되는 세굴 깊이 감소율을 신속하게 예측할 수 있습니다. 이는 교량 설계 초기 단계에서 데이터에 기반한 효율적인 세굴 방지 대책을 수립하는 데 큰 도움이 됩니다.

    결론: 더 높은 품질과 생산성을 향한 길

    교각 세굴은 교량의 안전과 수명을 위협하는 지속적인 문제입니다. 본 연구는 직사각형 칼라를 하상 아래에 최적의 크기로 설치하는 것이 교각 세굴 감소에 가장 효과적인 방법임을 실험과 CFD 시뮬레이션을 통해 명확히 입증했습니다. 특히, 검증된 CFD 모델은 미래의 교량 설계 및 유지보수 과정에서 위험을 예측하고 최적의 해결책을 찾는 데 강력한 도구가 될 수 있음을 보여주었습니다.

    STI C&D는 최신 산업 연구 결과를 적용하여 고객이 더 높은 생산성과 품질을 달성할 수 있도록 돕는 데 전념하고 있습니다. 이 백서에서 논의된 과제가 귀사의 운영 목표와 일치한다면, 저희 엔지니어링 팀에 연락하여 이러한 원칙을 귀사의 구성 요소에 어떻게 구현할 수 있는지 알아보십시오.

    (주)에스티아이씨앤디에서는 고객이 수치해석을 직접 수행하고 싶지만 경험이 없거나, 시간이 없어서 용역을 통해 수치해석 결과를 얻고자 하는 경우 전문 엔지니어를 통해 CFD consulting services를 제공합니다. 귀하께서 당면하고 있는 연구프로젝트를 최소의 비용으로, 최적의 해결방안을 찾을 수 있도록 지원합니다.

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    저작권 정보

    • 이 콘텐츠는 “Afshin Jahangirzadeh” 외 저자의 논문 “Experimental and Numerical Investigation of the Effect of Different Shapes of Collars on the Reduction of Scour around a Single Bridge Pier”를 기반으로 한 요약 및 분석 자료입니다.
    • 출처: https://doi.org/10.1371/journal.pone.0098592

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