교량 세굴 예측 최적화: 교각 형상과 희생파일이 안전과 비용을 좌우하는 방법

이 기술 요약은 Mohamed Kharbeche가 2022년 University of Windsor에서 발표한 석사 학위 논문 “The Role of Pier Shape and Aspect Ratio on Local Scour with and Without Sacrificial Piles”를 기반으로 하며, 기술 전문가를 위해 STI C&D가 분석하고 요약했습니다.

키워드

• Primary Keyword: 교량 세굴
• Secondary Keywords: CFD, 국소 세굴, 교각 형상, 종횡비, 희생파일, 세굴 방지책

Executive Summary

• 도전 과제: 기존의 교량 세굴 깊이 예측 모델은 실제보다 과도하게 예측하는 경향이 있어, 비경제적인 교각 설계와 불필요한 비용을 초래합니다.
• 연구 방법: 실험실 수로에서 다양한 형상(원형, 사각형, 유선형 등)과 종횡비(L/a = 1, 2, 4)를 가진 교각 모델을 사용하여 국소 세굴을 측정하고, 희생파일(sacrificial piles)의 효과를 비교 분석했습니다.
• 핵심 돌파구: 교각의 형상과 종횡비가 세굴 깊이에 결정적인 영향을 미치며, 뾰족한 유선형(sharp-nosed) 교각과 높은 종횡비가 세굴을 최소화하는 것으로 나타났습니다. 또한 3개의 희생파일 배열이 5개 배열보다 더 효과적인 세굴 감소를 보였습니다.
• 핵심 결론: 교각의 형상과 종횡비를 최적화하고, 효율적인 세굴 방지책을 적용함으로써 교량의 안전성을 높이고 건설 비용을 절감할 수 있습니다.

도전 과제: 이 연구가 CFD 전문가에게 중요한 이유

교량 붕괴의 약 60%는 교각 주변의 국소 세굴(local scour)과 관련이 있을 정도로, 세굴은 교량의 구조적 안정성을 위협하는 가장 큰 요인 중 하나입니다. 강물의 흐름이 교각과 상호작용하며 기초 주변의 토사를 침식시켜 지지력을 약화시키기 때문입니다.

문제는 현재 북미 표준으로 사용되는 HEC-18과 같은 경험적 세굴 예측 공식들이 종종 세굴 깊이를 과도하게 예측한다는 점입니다. 이는 교각 기초를 불필요하게 깊게 설계하게 만들어 막대한 추가 비용을 발생시킵니다. 이러한 공식들은 교각의 형상(pier shape)이나 길이 대 폭 비율인 종횡비(aspect ratio)와 같은 중요한 변수들의 영향을 충분히 고려하지 못합니다. 따라서 더 정확하고 경제적인 설계를 위해서는 이러한 변수들이 세굴 메커니즘에 미치는 영향을 정밀하게 이해하고, 희생파일과 같은 세굴 방지책의 효율성을 최적화하는 연구가 시급합니다.

연구 접근법: 방법론 분석

본 연구는 캐나다 윈저 대학교(University of Windsor)의 실험 수로(flume)에서 정밀하게 통제된 조건 하에 수행되었습니다.

• 실험 장비: 길이 10.5m, 폭 1.22m의 수평 실험 수로를 사용하여 실제 하천과 유사한 흐름 환경을 조성했습니다.
• 핵심 변수:
  • 교각 형상: 원형(Circular), 다이아몬드형(Diamond), 모서리가 둥근 사각형(Round edges), 사각형(Square), 둥근 유선형(Round nose), 뾰족한 유선형(Sharp nose) 등 다양한 형상을 테스트했습니다.
  • 교각 종횡비 (L/a): 교각의 길이(L) 대 폭(a)의 비율을 1, 2, 4로 변경하며 실험을 진행했습니다. 모든 교각의 폭(a)은 51mm로 동일하게 유지했습니다.
  • 세굴 방지책: 교각 상류에 3개 또는 5개의 희생파일(sacrificial piles)을 삼각형 형태로 배열하여 세굴 감소 효과를 비교했습니다.
• 흐름 조건: 모든 실험은 퇴적물 이동이 막 시작되는 임계유속 직전(U/Uc = 0.9)의 맑은 물 세굴(clear-water scour) 조건에서 수행되었습니다. 유속은 0.28 m/s, 수심은 0.12m로 일정하게 유지했습니다.
• 데이터 측정: 세굴이 평형 상태에 가까워지는 24시간 동안 실험을 진행한 후, 레이저 거리 측정기(LDM)를 사용하여 세굴 구멍의 중심선과 등고선 프로파일을 정밀하게 측정했습니다. 또한, 레이저 도플러 유속계(LDV)와 음향 도플러 유속계(ADV)를 사용하여 교각 주변의 유속 분포와 난류 특성을 측정했습니다.

핵심 돌파구: 주요 발견 및 데이터

발견 1: 교각 형상과 종횡비가 세굴 깊이를 극적으로 변화시킴

교각의 형상과 종횡비는 세굴 깊이를 결정하는 가장 중요한 요소임이 입증되었습니다.

• 형상의 영향: 뾰족한 유선형(sharp-nosed) 교각이 모든 종횡비에서 가장 낮은 세굴 깊이를 보였습니다. 반면, 직각 모서리를 가진 사각형 교각(L/a=1)은 원형 교각보다 66% 더 깊은 최대 세굴 깊이(dse/a = 1.75)를 기록했습니다(표 4.2 참조). 이는 흐름의 박리(flow separation)를 최소화하는 유선형 설계가 말굽 와류(horseshoe vortex)의 강도를 약화시켜 세굴을 억제함을 의미합니다.
• 종횡비의 영향: 동일한 형상에서는 종횡비(L/a)가 증가할수록 세굴 깊이가 감소했습니다. 예를 들어, 뾰족한 유선형 교각의 경우 종횡비가 1에서 4로 증가했을 때 세굴 깊이는 26% 감소했습니다. 이는 교각 길이가 길어질수록 하류의 후류 와류(wake vortex)가 약화되기 때문입니다.

발견 2: ‘더 적은 것이 더 효과적이다’ – 3개 희생파일의 우수성

희생파일은 효과적인 세굴 방지책이지만, 파일의 개수와 배열이 효율성을 좌우했습니다. 놀랍게도 3개의 희생파일을 사용한 배열(Series C)이 5개를 사용한 배열(Series B)보다 더 뛰어난 세굴 감소 효과를 보였습니다.

• 표 4.5에 따르면, 뾰족한 유선형 교각(L/a=2)의 경우, 3개 희생파일 배열은 5개 배열에 비해 24% 더 높은 세굴 감소율을 보였습니다. 이는 파일 사이의 간격이 넓어져 상류에서 발생한 세굴 퇴적물이 교각 주변으로 더 원활하게 이동 및 퇴적되어 주 교각을 보호하는 효과를 낳기 때문으로 분석됩니다. 본 연구에서 관찰된 최대 세굴 감소율은 모서리가 둥근 사각형 교각(L/a=4)에 3개의 희생파일을 적용했을 때 기록된 64%였습니다.

R&D 및 운영을 위한 실질적 시사점

• 공정 엔지니어: 교량 설계 시, 단순히 폭이 좁은 교각보다는 종횡비가 높은 유선형 교각을 채택하는 것이 세굴을 최소화하는 데 훨씬 효과적일 수 있습니다. 이는 기초 공사 비용을 직접적으로 절감하는 요인이 됩니다.
• 품질 관리팀: 본 연구에서 개발된 새로운 세굴 예측 공식(논문의 식 4.7)은 기존 HEC-18 공식보다 교각 형상과 종횡비의 영향을 더 정밀하게 반영합니다. 이를 활용하면 기존 교량의 세굴 위험도를 더 정확하게 평가하고, 우선순위에 따른 유지보수 계획을 수립할 수 있습니다.
• 설계 엔지니어: 사각형과 같이 흐름 박리가 심한 형상은 피하고, 뾰족하거나 둥근 유선형 설계를 초기 단계부터 고려해야 합니다. 또한 희생파일 방지책을 설계할 때, 파일의 개수보다는 최적의 간격과 배열을 통해 흐름을 제어하고 퇴적물 이동을 유도하는 것이 더 경제적이고 효과적일 수 있습니다.

논문 상세 정보

The Role of Pier Shape and Aspect Ratio on Local Scour with and Without Sacrificial Piles

1. 개요:

• 제목: The Role of Pier Shape and Aspect Ratio on Local Scour with and Without Sacrificial Piles (희생파일 유무에 따른 교각 형상과 종횡비가 국소 세굴에 미치는 영향)
• 저자: Mohamed Kharbeche
• 발표 연도: 2022
• 발표 학회/저널: University of Windsor (석사 학위 논문)
• 키워드: Pier shape, Aspect ratio, Local scour, Sacrificial piles, Scour reduction

2. 초록:

교각 주변의 세굴 과정은 복잡하여 비경제적인 교각 설계와 불필요한 비용을 초래합니다. 이는 현재 사용되는 세굴 예측 방법들이 세굴 깊이를 과도하게 예측하기 때문입니다. 교각 형상 및 종횡비와 같은 여러 세굴 측면은 교각 설계에서 충분히 고려되지 않아 추가적인 연구가 필요합니다. 또한, 교각을 보호하고 세굴 깊이를 줄이기 위해 세굴 방지책이 사용됩니다. 본 연구의 첫 번째 목표는 교각 선단부 형상과 종횡비의 복합적인 효과가 세굴 형상에 미치는 영향을 연구하는 것입니다. 두 번째 목표는 교각 전면에 위치한 두 가지 다른 희생파일 배열이 세굴 감소에 미치는 효과를 더 잘 이해하는 것입니다. 실험은 다양한 교각 형상과 종횡비로 수행되었습니다. 사용된 형상은 둥근 유선형, 뾰족한 유선형, 모서리가 둥근 사각형 및 사각형이며, 세 가지 종횡비(L/a = 1, 2, 4)를 가진 교각에 적용되었습니다. 또한, 두 개의 삼각형 희생파일 배열을 사용하여 희생파일이 세굴 감소에 미치는 역할을 연구했습니다. L/a = 4인 뾰족한 유선형 교각이 최소 세굴 깊이를 기록했습니다. 또한, 삼각형 배열의 세 개의 희생파일이 최대 세굴 감소를 가져왔습니다. 본 연구와 이전 실험 결과를 사용하여 새로운 세굴 예측 방법이 개발되었습니다. 박리 속도, 교각 형상 및 종횡비가 방정식에 통합되었습니다. 이러한 매개변수들은 세굴에 영향을 미치는 중요한 요인으로 조사되고 발견되었습니다.

3. 서론:

세굴은 교량, 특히 유압 공학 인프라 실패의 주요 원인 중 하나입니다. 교각 기초 주변의 퇴적물이 제거되면서 구조적 무결성이 영향을 받습니다. 북미에서는 교량 붕괴의 50% 이상이 세굴 또는 세굴 관련 문제로 인해 발생합니다. Shirhole과 Holt(1991)는 미국에서 800건 이상의 교량 붕괴를 조사했으며, 60%의 실패가 교각 주변의 하상 세굴 및 수로 불안정성과 관련이 있음을 발견했습니다. 교량 붕괴는 교체 또는 수리 비용으로 인해 추가적인 비용을 발생시킵니다. 캐나다에서도 2013년 앨버타에서 폭우로 인한 홍수로 캐나다 태평양 철도 교량이 세굴로 붕괴되는 사고가 발생했습니다. 현재 널리 사용되는 HEC-18(CSU) 방정식은 교각 형상 계수(K1)를 포함하지만, 종횡비(L/a)의 효과를 명시적으로 다루지 않아 예측에 한계가 있습니다. 따라서 본 연구는 교각 형상, 종횡비, 그리고 희생파일과 같은 세굴 방지책의 효과를 종합적으로 분석하여 보다 정확한 세굴 예측과 경제적인 설계를 위한 기초 자료를 제공하고자 합니다.

4. 연구 요약:

연구 주제의 배경:

교량 교각 주변의 국소 세굴은 교량의 안전과 수명에 직접적인 영향을 미치는 중요한 문제입니다. 현재의 설계 기준은 종종 보수적이어서 과도한 안전율을 적용하게 되고, 이는 건설 비용 증가로 이어집니다.

이전 연구 현황:

대부분의 이전 연구는 원형 교각에 초점을 맞추었으며, 사각형이나 유선형과 같은 비원형 교각, 특히 다양한 종횡비를 가진 교각에 대한 연구는 상대적으로 부족했습니다. 또한 희생파일의 효과에 대한 연구는 많았지만, 다양한 교각 형상과 결합하여 그 효율성을 체계적으로 분석한 연구는 드물었습니다.

연구 목적:

1. 교각의 선단부 형상(round-nosed, sharp-nosed, round-edged)이 세굴 형상에 미치는 영향을 분석합니다.
2. 교각의 종횡비(L/a)가 세굴 깊이에 미치는 영향을 조사합니다.
3. 5개 및 3개의 희생파일을 삼각형으로 배열했을 때의 세굴 감소 효과를 탐구합니다.
4. 본 연구 결과와 기존 문헌을 바탕으로 개선된 세굴 예측 방법을 개발합니다.

핵심 연구:

실험실 수로에서 다양한 형상과 종횡비를 가진 교각 모델을 설치하고, 통제된 유속 하에서 24시간 동안 세굴을 발생시킨 후 그 형상을 측정했습니다. 일부 실험에서는 교각 상류에 희생파일을 설치하여 방지책의 효과를 정량적으로 평가했습니다. 유동장 특성을 파악하기 위해 LDV와 ADV를 사용한 유속 측정도 병행되었습니다.

5. 연구 방법론

연구 설계:

본 연구는 세 가지 시리즈의 실험으로 구성되었습니다. – Series A: 희생파일이 없는 상태에서 10가지 다른 교각 형상 및 종횡비 조합에 대한 세굴 실험을 수행했습니다. – Series B: Series A에서 사용된 교각 중 L/a=2, 4인 교각에 5개의 희생파일을 적용하여 세굴 감소 효과를 측정했습니다. – Series C: 동일한 교각에 3개의 희생파일을 적용하여 Series B와 효과를 비교했습니다.

데이터 수집 및 분석 방법:

수집된 세굴 프로파일 데이터는 dse/a(상대 세굴 깊이)로 무차원화하여 비교 분석했습니다. 희생파일의 효과는 방지책이 없을 때의 세굴 깊이(dseo)와 있을 때의 세굴 깊이(dse)를 비교하여 세굴 감소율(rde)로 정량화했습니다. ADV로 측정한 유속 데이터는 교각 주변의 흐름 박리 속도(separation velocity)를 분석하는 데 사용되었으며, 이는 새로운 세굴 예측 공식 개발에 활용되었습니다.

연구 주제 및 범위:

본 연구는 맑은 물 세굴 조건 하에서 단일 교각 주변의 국소 세굴에 초점을 맞추었습니다. 교각의 형상, 종횡비, 그리고 희생파일의 개수 및 배열이 주요 변수입니다. 교각의 경사(skewness)나 군집 교각(pier groups)의 효과는 본 연구의 범위에 포함되지 않습니다.

6. 주요 결과:

주요 결과:

• 교각 형상은 세굴 깊이에 큰 영향을 미칩니다. L/a=4인 뾰족한 유선형 교각은 원형 교각 대비 25%의 세굴 감소를 보인 반면, L/a=1인 사각형 교각은 66%의 세굴 증가를 보였습니다.
• 교각의 종횡비가 증가할수록 상대 세굴 깊이(dse/a)는 감소합니다. 둥근 유선형 교각의 경우, L/a가 1에서 4로 증가하자 세굴 깊이는 21% 감소했습니다.
• 희생파일은 효과적인 세굴 방지책이며, 3개 파일 배열이 5개 파일 배열보다 더 높은 세굴 감소율을 보였습니다. 최대 64%의 세굴 감소 효과가 관찰되었습니다.
• 교각 형상, 종횡비, 흐름 박리 속도를 고려한 새로운 세굴 예측 공식을 개발했으며, 이 공식은 기존 HEC-18 공식보다 실험 데이터와 더 잘 일치하는 경향을 보였습니다.

Figure 목록:

• Figure 1.1: Scour-related bridge failure in Alberta, Canada (CTV News, 2013)
• Figure 2.1: Description of flow structures around a pier (Hodi, 2009).
• Figure 2.2: Collar (Plan and side views) (Tafarojnoruz et al., 2012).
• Figure 2.3: Schematic of the sacrificial piles in a transverse arrangement (Tafarojnoruz et al., 2012).
• Figure 3.1: Schematic of the horizontal laboratory flume used for the experiments (modified from (Williams, 2019))
• Figure 3.2: Streamwise velocity profiles in the presence and in the absence of the 3 mm rod placed in the sand bed.
• Figure 3.3: ASTM sieve analysis for bed sediment used in the experiments
• Figure 3.4: Point measurements of a centerline profile
• Figure 3.5: Location of the ADV and LDV for the tests in the absence of the pier.
• Figure 3.6: Location of the ADV for tests with 5 and 3 sacrificial piles (B6, B7, B8, C8, C9, and C10)
• Figure 3.7: Location of the ADV for the tests (A4, A8, A9, and A10) to get the separation velocity.
• Figure 3.8: Different pier shapes and L/a ratios.
• Figure 3.9: Schematic of the five sacrificial piles used in Series B
• Figure 3.10: Schematic of the three sacrificial piles used in Series C
• Figure 4.1: Streamwise velocity U profiles for tests B6, B7, and B8 with five sacrificial piles compared to tests E and L in the absence of the pier
• Figure 4.2: Streamwise velocity U profiles for tests C8, C9, and C10 with three sacrificial piles compared to tests E and L in the absence of the pier
• Figure 4.3: Reynolds shear stress profiles for tests B6, B7, and B8 with five sacrificial piles compared to test E in the absence of the pier
• Figure 4.4: Reynolds shear stress profiles for tests C8, C9, and C10 with three sacrificial piles compared to test E in the absence of the pier.
• Figure 4.5: Centerline profiles of the piers with L/a =1 (A1, A2, A3, and A4).
• Figure 4.6: Centerline profiles of the piers with L/a =2 (A5, A6, and A7).
• Figure 4.7: Centerline profiles of the piers with L/a =4 (A8, A9, and A10).
• Figure 4.8: Contour profiles of the piers with L/a =1 (A1, A2, A3, and A4)
• Figure 4.9: Contour profiles of the piers with L/a =2 (A5, A6, and A7)
• Figure 4.10: Contour profiles of the piers with L/a = 4 (A8, A9, and A10)
• Figure 4.11: Centerline profiles of round-nosed piers (A1: L/a = 1, A5: L/a = 2, and A8: L/a = 4)
• Figure 4.12: Centerline profiles of sharp-nosed piers (A2: L/a = 1, A6: L/a = 2, and A9: L/a = 4)
• Figure 4.13:Centerline profiles of round-edged piers (A3: L/a = 1, A7: L/a = 2, and A10: L/a = 4)
• Figure 4.14: Contour profiles of round-nosed piers (A1: L/a = 1, A5: L/a = 2, and A8: L/a = 4).
• Figure 4.15: Contour profiles of sharp-nosed piers (A2: L/a = 1, A6: L/a = 2, and A9: L/a = 4)
• Figure 4.16: Contour profiles of round-nosed piers (A3: L/a = 1, A7: L/a = 2, and A10: L/a = 4)
• Figure 4.17: Centerline profiles for piers with L/a = 2 with and without five sacrificial piles (tests A5, A6, and A7 without sacrificial piles, and tests B5, B6, and B7 with five sacrificial piles)
• Figure 4.18: Centerline profiles for piers with L/a = 4 with and without five sacrificial piles (tests A8, A9, and A10 without sacrificial piles, and tests B8, B9, and B10 with five sacrificial piles)
• Figure 4.19: Contour profiles for piers with L/a = 2 with and without five sacrificial piles (tests A5, A6, and A7 without sacrificial piles, and tests B5, B6, and B7 with five sacrificial piles)
• Figure 4.20: Contour profiles for piers with L/a = 4 with and without five sacrificial piles (tests A8, A9, and A10 without sacrificial piles, and tests B8, B9, and B10 with five sacrificial piles).
• Figure 4.21: Centerline profiles for piers with L/a = 2 with and without three sacrificial piles (tests A5, A6, and A7 without sacrificial piles, and tests C5, C6, and C7 with three sacrificial piles).
• Figure 4.22: Centerline profiles for piers with L/a = 4 with and without three sacrificial piles (tests A8, A9, and A10 without sacrificial piles, and tests C8, C9, and C10 with three sacrificial piles)
• Figure 4.23: Contour profiles for piers with L/a = 2 with and without three sacrificial piles (tests A5, A6, and A7 without sacrificial piles, and tests C5, C6, and C7 with three sacrificial piles).
• Figure 4.24: Contour profiles for piers with L/a = 4 with and without three sacrificial piles (tests A8, A9, and A10 without sacrificial piles, and tests C8, C9, and C10 with three sacrificial piles)
• Figure 4.25: Centerline profiles for L/a = 2 in Series B and Series C with five and three sacrificial piles (tests: B5, B6, and B7 with five sacrificial piles, and tests C5, C6, and C7 with three sacrificial piles)
• Figure 4.26: Centerline profiles for L/a = 4 in Series B and Series C with five and three sacrificial piles (tests: B8, B9, and B10 with five sacrificial piles, and tests C8, C9, and C10 with three sacrificial piles)
• Figure 4.27: Contour profiles for piers with L/a = 2 in Series B and Series C with five and three sacrificial piles (tests B5, B6, and B7 with five sacrificial piles, and tests C5, C6, and C7 with three sacrificial piles)
• Figure 4.28: Contour profiles for piers with L/a = 4 in Series B and Series C with five and three sacrificial piles (tests B8, B9, and B10 with five sacrificial piles, and tests C8, C9, and C10 with three sacrificial piles)
• Figure 4.30: Separation velocity profiles for different pier shapes and L/a ratios.
• Figure 4.30: Equilibrium scour depth alteration with L/a
• Figure 4.31: Measured vs predicted dse/a values grouped by investigation using Equation 4.7.
• Figure 4.32: Measured vs predicted dse/a values grouped by investigation using HEC-18 equation

7. 결론:

본 연구는 교각의 형상과 종횡비가 국소 세굴에 미치는 영향을 체계적으로 규명했습니다. – 교각 형상 및 종횡비: 뾰족한 유선형 교각과 높은 종횡비가 세굴을 최소화하는 반면, 사각형 교각은 세굴을 크게 증가시킵니다. 세굴 깊이는 종횡비가 증가함에 따라 감소하는 경향을 보입니다. – 세굴 방지책: 희생파일은 효과적인 방지책이며, 3개 파일 배열이 5개 파일 배열보다 더 효율적일 수 있습니다. 종횡비가 높은 교각일수록 희생파일의 세굴 감소 효과도 증가했습니다. – 새로운 예측 모델: 교각 형상과 종횡비, 그리고 흐름 박리 속도를 통합한 새로운 세굴 예측 모델은 기존 모델보다 더 정확한 예측을 제공할 가능성을 보여주었습니다. 이러한 결과들은 교량 설계 시 더 안전하고 경제적인 결정을 내리는 데 중요한 공학적 통찰력을 제공합니다.

8. 참고문헌:

1. Azevedo, M. L., Leite, F.C., and Lima, M.M.C.L. (2014). “Experimental study of scour around circular and elongated piers with and without pier slot”. National Conference of Fluid Mechanics, Thermodynamics, and Energy, Porto, Portugal: MEFTE, 209-2015.
2. Beg, M. (2010). “Characteristics of Developing Scour Holes around Two Piers Placed in Transverse Arrangement” . International Conference on Scour and Erosion, San Francisco, USA, 76-85.
3. Breusers, H.N.C., Nicollet, G., and Shen, H.W. (1977). “Local Scour around Cylindrical Piers”. Journal of Hydraulic Research, 15(3), 211-252.
4. Chabert, J. and Engeldinger, P. (1956). “Study of Scour around Bridge Piers”. Rep. Prepared for the National Laboratory of Hydraulic, Chatou, France.
5. Chanson, H., Trevethan, M., and Aoki, S. (2005). “Acoustic Doppler Velocimeter (ADV) in a small estuarine system:Field experience and Despiking”, Proceeding of 31st Biennal IAHR Congress, Seoul, South Korea, Theme E2, Paper 0161, 3954-3966.
6. Chavan, R., Venkataramana, B., and Acharya, P. (2018). “Comparison of scour and flow characteristics around circular and oblong bridge piers in seepage affected alluvial channels”. Journal of Marine Science and Application, 254-264,https://doi.org/10.1007/s11804-018-0016-6.
7. Chiew, Y. (1984). “Local Scour at Bridge Piers”. PhD Thesis, Auckland, New Zealand: School of Engineering, University of Auckland.
8. CTV News. (2013). “Calgary bridge failure caused by flooding.” Accessed from CTV News, Canada: https://www.ctvnews.ca/canada/calgary-bridge-failure-caused-by-flooding-cp1.1343758.
9. D’Alessandro, C. (2013). “Effect of Blockage on Circular Bridge Pier Local Scour”. M.A.Sc. Thesis, Faculty of Engineering, University of Windsor, Canada.
10. Dargahi, B. (1990). “Controlling Mechanism of local scouring”. Journal of Hydraulic Engineering, 116(10), 1197-1214.
11. Debnath, K. and Chaudhuri, S. (2012). “Local scour around non-circular piers in clay-sand mixed cohesive sediment beds”. Engineering Geology, 151, 1-14.
12. Diab, R., Link, O., and Zanke, U. (2010). “Geometry of developing and equilibrium scour holes at bridge piers in gravel” . Canadian Journal of Civil Engineering , 37(4), 544-552.
13. Ettema, R., Kirkil, G., and Muste, M. (2006 ). “Similitude of Large-Scale Turbulence in Experiments on Local Scour at Cylinders”. Journal of Hydraulic Engineering, 132(1), 33-40 https://doi.org/10.1061/(ASCE)07339429(2006)132:7(635).
14. Ettema, R., Melville, B.W., and Constantinescu, G. (2011). “Evaluation of Bridge Scour Research: Pier Scour Processes and Predictions”. Project 24-27(01), National Cooperative Highway Research Program Web-Only 175. Transportation Research Board of the National Academies: http://onlinepubs.trb.org/onlinepubs/nchrp/nchrp_w175.pdf.
15. Figliola, R. and Beasley, D. (2011). “Theory and Design for Mechanical Measurements: Fifth Edition”. USA: John Wiley and Sons, Inc.
16. Guo, J. (2012). “Pier Scour in Clear Water for Sediment Mixtures”. Journal of Hydraulic Research, 50(1), 18-27.
17. Haque, A., Rahman, M., Islam, T., and Hussain, A. (2007). “Scour Mitigation at Bridge Piers using Sacrificial Piles”. International Journal of Sediment Reserve, 21(1), 49-59.
18. Hodi, B. (2009). “Effect of blockage and densimetric Froude number on circular bridge pier local scour”. M.A.Sc. Thesis, Faculty of Engineering, University of Windsor, Canada.
19. Kalkert, C. and Kayser, C. J. (2006). “Laser Doppler Velocimetry Technique”. University of San Diego, California.
20. Karim, M and Chang, F.F. (1972). “An Experimental Study of Reducing Scour around Bridge Piers using Piles”. Rep. South Dakota Dept. of Highways.
21. Kayaturk, S., Kökpinar, M., and Gönüs, M. (2004). “Effect of Collar on Temporal Development of Scour around Bridge Abutment”. International Conference of Scour and Erosion (ICSE 2), Singapore, Nanyang Technological University, 14-17.
22. Kharbeche, M., Balachandar, R., and Williams, P. (2021). “Effect of gap width and pile diameter on efficacy of sacrificial piles for scour mitigation”. International Conference on Scour and Erosion, Washington- DC (To be published).
23. Lagasse, P.F. (2007). “Countermeasures to Protect Bridge Piers from Scour”. Washington DC: Transportation Research Board: National Cooperative Highway Research Program (NCHRP) Rep. No. 593.
24. Lima, M. (2014). “Shallow water flow around an elongated bridge pier”. National Conference of Fluid Mechanics, Thermodynamics, and Energy, Porto, Portugal: MEFTE, 215-221.
25. Masjedi, A., Shafaei Bejestan, M, and Esfandi, A.(2010). “Reduction of Local Scour at a Bridge Pier Fitted with a Collar in a 180 Degree Flume Bend (Case Study: Oblong Pier)”. International Journal of Sediment Research, 25(2010), 304-312: DOI: 10.1016/S1001-6058(10)60012-1.
26. Melville, B. and Chiew, Y.M. (1999). “Time Scale for Local Scour at Bridge Piers”. Journal of Hydraulic Engineering , 125(1) 59-65.
27. Melville, B. and Coleman, S. (2000). “Bridge Scour, Colorado”. Water Resources Publication.
28. Melville, B. and Hadfield, A. (1999). “Use of Sacrificial Piles as Pier Scour Countermeasures “. Journal of Hydraulic Engineering , 125(11): 1221-1224.
29. Obeid, Z. and Al-Shukur, A.-H. (2016). “Experimental Study of Bridge Pier Shape to Minimize Local Scour”. International Journal of Civil Engineering and Technology, 7(2016), 162-171.
30. Padgett, J., DesRoches, R., Nielson, B., Yashinsky, M., Kwon, O-S, Burdette, N., and Tavera, Ed. (2008). Bridge damage and repair costs from hurricane Katrina. Journal of Bridge Engineering, 13(1): 6-14, DOI: 10.1061/ASCE1084-0702200813:16.
31. Paice, C., Hey, R.D., Whitbread, J., (1993). “Protection of bridge piers from scour”. Presented at the bridge management 2: Inspection, maintenance assessment and repair. Papers presented at the second international conference on bridge management held April 1993L 1993, University of Surrey, Guildford, Proc., Hydraulic Engineering Conference, Dubrovnik, Yugoslavia, pp. 1061–1069.
32. Parker, Melville, B., G., Voigt, R.L, and Toro-Escobar, C. (1998). “Countermeasures to Protect Bridge Piers from Scour”. Washington, D.C.: User’s guide, National Cooperative Highway Research Program, Transportation Research Board, National Research Council.
33. Roy, C. (2017). “Effect of bridge pier geometry on local scour”. International Journal of Earth Sciences and Engineering, 10(2), 374-377, DOI:10.21276/ijee.2017.10.0234.
34. Shen, H.W., Schneider, V.R., and Karaki, S. (1966). “Mechanics of Local Scour”.
35. Tafarojnoruz, A., Gaudio, R., and Colomino, F.(2012). “Evaluation of Flow-Altering Countermeasures against Bridge Pier”. Amercian Society of Civil Engineers, 138(3): 297-305, doi/10.1061/%28ASCE%29HY.19437900.0000512.
36. Tseng, M-H., Yen, C-L., and Song, C.S. (2000). “Computation of three-dimensional flow around square and circular piers”. International Journal for Numerical Methods in Fluids, 34: 207-227, https://onlinelibrary.wiley.com/doi/epdf/10.1002/10970363%2820001015%2934%3A3%3C20%3A%3AAID-FLD31%3E3.0.CO%3B2-R.
37. Vijayasree, B.A, Eldo, T.I., and Ahmad, N. (2017). “Influence of bridge pier shape on flow field and scour geometry”. International Journal of Rivr Basin Management , 17(1), 109-129, https://doi.org/10.1080/15715124.2017.1394315.
38. Wang, H., Tang, H., Liu, Q., and Wang, Y. (2016). “Experimental and Numerical Investigations on the Performance of Sacrificial Piles in Reducing Local Scour around Pile Groups”. National Hazards, 85(3), 1417-1435.
39. Williams, P. (2014). “Scale effect on design estimation of scour depths at piers”. M.A.Sc. Thesis, Faculty of Engineering, University of Windsor, Canada.
40. Williams, P., Bolisetti, T., and Balachandar, R. (2016). “Evaluation of governing parameters on scour geometry”. Canadian Journal of Civil Engineering, 44(1): 48 – 58.
41. Williams, P. (2019). “The role of approach flow and blockage on local scour around circular cylinders with and without countermeasures”. PhD. Thesis, Faculty of Engineering, University of Windsor, Canada.
42. Zarrati, A.R., Nazariha, M., and Mashahir, M.B. (2006). “Reduction of Local Scour in the Vicinity of Bridge Pier Groups using Collars and Riprap. Journal of Hydraulic Engineering, 132(2): 154-162.

전문가 Q&A: 자주 묻는 질문

Q1: 왜 실제 하천의 ‘유사 이동 조건(live-bed)’이 아닌 ‘맑은 물 세굴(clear-water)’ 조건에서 실험을 수행했나요?

A1: 맑은 물 세굴 조건은 상류에서 퇴적물이 공급되지 않는 상태로, 교각 주변에서 발생할 수 있는 최대 잠재 세굴 깊이를 평가하는 데 사용됩니다. 이 조건은 교량 설계 시 가장 보수적이고 안전한 기준을 설정하는 데 필수적입니다. 따라서 본 연구에서는 다양한 교각 형상과 방지책의 성능을 극한 조건에서 비교 평가하기 위해 이 방법을 선택했습니다.

Q2: 5개보다 3개의 희생파일이 더 효과적인 물리적 메커니즘은 무엇인가요?

A2: 이는 파일 사이의 간격과 관련이 있습니다. 5개 파일 배열은 간격이 좁아 흐름을 강하게 막는 ‘장벽’처럼 작용하여 파일 바로 앞에서 강한 세굴을 유발할 수 있습니다. 반면, 3개 파일 배열은 간격이 더 넓어 흐름을 완전히 막기보다는 적절히 분산시키고 약화시킵니다. 이로 인해 희생파일 주변에서 발생한 퇴적물이 하류의 주 교각 주변으로 더 효과적으로 이동 및 퇴적되어, 주 교각의 기초를 보호하는 ‘자연적인 방어막’을 형성하는 데 더 유리했던 것으로 분석됩니다.

Q3: 새로 제안된 세굴 예측 공식은 기존 HEC-18 표준과 비교하여 어떤 점이 개선되었나요?

A3: HEC-18 공식은 주로 교각 폭과 유속에 의존하며, 교각 형상을 단일 보정 계수(K1)로 단순화합니다. 하지만 본 연구에서 제안된 새로운 공식(식 4.7)은 여기에 더해 교각 종횡비(L/a)와 흐름 박리 속도(separation velocity)를 반영하는 새로운 무차원수(Fds)를 도입했습니다. 이는 세굴의 주원인인 말굽 와류의 강도에 직접적인 영향을 미치는 물리적 현상을 더 정밀하게 모델링하여, 특히 유선형이나 종횡비가 큰 교각에 대해 기존 공식보다 더 정확한 예측을 제공할 수 있습니다.

Q4: 교각의 종횡비(L/a)가 증가하면 왜 세굴이 감소하나요?

A4: 교각의 종횡비가 증가하면, 즉 교각이 흐름 방향으로 길어지면, 교각 측면을 따라 흐르는 물의 흐름이 더 안정화되고 흐름 박리 지점이 하류로 이동합니다. 이는 교각 바로 뒤에 형성되는 후류 와류(wake vortices)의 강도와 주기적인 와류 방출(vortex shedding)을 약화시키는 효과를 가져옵니다. 후류 와류 역시 세굴에 기여하는 요인이므로, 이것이 약화되면 교각 하류의 세굴이 줄어들고 전반적인 세굴 구멍의 크기가 감소하게 됩니다.

Q5: 흐름 박리 속도(separation velocity)를 측정한 이유는 무엇인가요?

A5: 흐름 박리 속도는 교각 측면에서 흐름이 표면에서 떨어져 나가기 시작하는 지점의 속도로, 세굴을 일으키는 가장 강력한 메커니즘인 말굽 와류의 형성과 강도에 직접적인 영향을 미칩니다. 본 연구에서는 교각 형상에 따라 이 박리 지점과 속도가 어떻게 변하는지를 측정함으로써(그림 4.29 참조), 각기 다른 형상이 왜 다른 세굴 깊이를 보이는지에 대한 물리적 근거를 파악했습니다. 이 데이터는 더 정확한 세굴 예측 모델을 개발하는 데 핵심적인 역할을 했습니다.

결론: 더 높은 품질과 생산성을 위한 길

교량 세굴은 피할 수 없는 자연 현상이지만, 그 영향을 최소화하는 것은 공학 기술에 달려 있습니다. 본 연구는 교각의 형상을 유선형으로 설계하고 종횡비를 높이는 것만으로도 세굴을 크게 줄일 수 있으며, 희생파일과 같은 방지책은 ‘많이’ 설치하는 것보다 ‘어떻게’ 배열하는지가 더 중요하다는 실질적인 증거를 제시합니다. 이러한 통찰력은 더 안전하고 경제적인 교량 설계를 가능하게 합니다.

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저작권 정보

• 이 콘텐츠는 Mohamed Kharbeche의 논문 “The Role of Pier Shape and Aspect Ratio on Local Scour with and Without Sacrificial Piles”를 기반으로 한 요약 및 분석 자료입니다.
• 출처: https://scholar.uwindsor.ca/etd/8791

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