이 기술 요약은 Sarbaini, Mudjiatko, Rinaldi가 Jom FTEKNIK (2015)에 발표한 논문 “MODEL LABORATORIUM PENGARUH VARIASI SUDUT ARAH PENGAMAN PILAR TERHADAP KEDALAMAN GERUSAN LOKAL PADA JEMBATAN DENGAN PILAR CYLINDER GROUPED”를 바탕으로, STI C&D의 기술 전문가에 의해 분석 및 요약되었습니다.
Keywords
- Primary Keyword: 교각 세굴 (Bridge Pier Scour)
- Secondary Keywords: 국부 세굴 (Local Scour), CFD 시뮬레이션 (CFD Simulation), 교량 안전 (Bridge Safety), 수리 동역학 (Hydrodynamics), 퇴적물 이동 (Sediment Transport)
Executive Summary
- The Challenge: 만곡 하천에 설치된 교량의 교각은 국부 세굴 현상으로 인해 기초가 약화되어 구조적 안정성에 심각한 위협을 받습니다.
- The Method: 실험실 수로 모델을 사용하여 그룹 원통형 교각 주변에 커튼형 보호 장치를 59°, 50°, 90°의 세 가지 각도로 설치하고, 각 조건에서 발생하는 세굴 깊이를 측정했습니다.
- The Key Breakthrough: 교각 보호 장치의 설치 각도가 세굴 깊이에 결정적인 영향을 미치며, 특정 조건에서 보호 장치의 세굴 깊이 비율(ds/b)이 최대 2.4에 도달하는 것을 확인했습니다.
- The Bottom Line: 교량의 장기적인 내구성을 확보하기 위해서는 세굴 보호 장치의 각도를 최적화하는 것이 매우 중요하며, 본 실험 데이터는 예측 CFD 모델의 정확성을 검증하는 핵심적인 기준을 제공합니다.
The Challenge: Why This Research Matters for CFD Professionals
하천에 건설된 교량, 특히 유속이 빠르고 흐름이 복잡한 만곡부에 위치한 교량의 교각은 지속적인 수리동역학적 힘과 나선형 흐름(helicoidal flow)에 노출됩니다. 이러한 힘은 교각 주변의 하상 재료를 침식시키는 국부 세굴(local scouring) 현상을 유발합니다. 세굴이 심화될 경우 교각의 기초가 노출되고 지지력이 약화되어 최악의 경우 교량 붕괴로 이어질 수 있습니다. 따라서 교각의 안정성을 확보하기 위해 다양한 형태의 보호 장치가 사용되지만, 그 효과를 극대화하기 위한 최적의 설계 기준은 여전히 중요한 연구 과제입니다. 본 연구는 보호 장치의 ‘설치 각도’라는 특정 변수가 세굴 깊이에 미치는 영향을 정량적으로 분석하여, 보다 안전하고 경제적인 교량 설계의 기초를 마련하고자 했습니다.
The Approach: Unpacking the Methodology
본 연구는 실제 하천의 복잡한 현상을 통제된 환경에서 재현하기 위해 실험실 모델을 사용했습니다. 연구의 핵심적인 방법론은 다음과 같습니다.
- 실험 장비: 재순환 퇴적물 수로(Recirculating sediment flume)를 사용하여 연속적인 흐름 조건을 구현했습니다. 수로의 크기는 길이 8m, 폭 0.8m, 높이 0.15m입니다.
- 교각 모델: 실제 Teratak Buluh 교량의 형태를 채택한 그룹 원통형(grouped cylinder) 교각 모델을 사용했습니다. 이는 2개의 그룹으로 구성되며, 그룹 1은 12개, 그룹 2는 10개의 기둥으로 이루어져 있습니다.
- 하상 재료: 캄파르(Kampar) 강 모래를 사용했으며, 입자 크기 분포는 d35 = 0.247mm, d50 = 0.298mm, d65 = 0.352mm, 비중(Gs)은 2.64입니다.
- 핵심 변수: 교각 보호 장치(curtain type)의 설치 각도를 59°(θ1), 50°(θ2), 90°(θ3) 세 가지로 변화시켰습니다. 또한, 프루드 수(Froude number) 0.464에서 0.698 범위의 세 가지 아임계 흐름(subcritic flow) 조건을 적용하여 유속의 영향을 함께 평가했습니다. 레이놀즈 수(Reynolds number) 계산 결과, 흐름은 천이류(transition flow)와 난류(turbulence flow) 영역에 해당했습니다.

The Breakthrough: Key Findings & Data
실험을 통해 교각 보호 장치의 각도와 유속이 세굴 깊이에 미치는 영향을 정량적으로 분석했으며, 주요 결과는 다음과 같습니다.

Finding 1: 보호 장치 각도와 세굴 깊이의 직접적인 상관관계
보호 장치의 각도는 교각과 보호 장치 자체의 세굴 깊이에 직접적인 영향을 미쳤습니다. 결론(G.2)에 따르면, 교각 그룹 1의 경우, 90° 각도에서 가장 큰 세굴(ds/b = 1.5)이 발생했으며, 59° 각도에서 가장 작은 세굴(ds/b = 1.3)이 나타났습니다. 특히 주목할 점은 보호 장치 자체의 세굴입니다. 90° 각도에서 보호 장치의 세굴 깊이 비율은 2.4로 가장 컸고, 50° 각도에서는 1.5로 가장 작았습니다. 이는 보호 장치의 각도가 흐름을 교란시키는 방식에 따라 침식 에너지가 집중되는 위치와 강도가 달라짐을 명확히 보여줍니다.
Finding 2: 유동 조건과 퇴적물 이동의 연관성
더 높은 프루드 수(Froude number)를 가진 흐름, 즉 유속이 빠를수록 더 큰 입경의 퇴적물이 이동하는 것으로 확인되었습니다(결론 G.3). 쉴드(Shields) 및 휼스트롬(Hjulstorm) 다이어그램 분석 결과(그림 8, 9, 10), 실험에 사용된 모든 입자 등급은 ‘이동 영역(moving zone)’에 위치했습니다. 이는 실험 조건이 하상 재료가 지속적으로 이동하는 ‘이동상 세굴(live-bed scour)’ 환경이었음을 의미하며, 실제 홍수 시 발생하는 현상과 유사합니다. 이 결과는 유속이 세굴의 직접적인 원동력이며, 흐름의 에너지가 침식 능력과 직결됨을 입증합니다.
Practical Implications for R&D and Operations
- For Process Engineers (토목/수리 엔지니어): 본 연구는 커튼형 보호 장치의 각도가 신중하게 선택되어야 함을 시사합니다. 시공이 용이해 보이는 90° 각도가 오히려 더 큰 세굴을 유발할 수 있습니다. 이 데이터는 세굴 방지 대책을 위한 설계 가이드라인을 수립하는 데 중요한 정보를 제공합니다.
- For Quality Control Teams (인프라 검사팀): 논문의 다양한 그래프(그림 13-21)는 유속과 보호 장치 각도에 따라 세굴 패턴이 어떻게 다르게 발달하는지 보여줍니다. 이는 교량 정기 점검 시, 본 실험에서 고위험 지역으로 식별된 구역을 집중적으로 확인할 수 있는 검사 프로토콜을 개발하는 데 활용될 수 있습니다.
- For Design Engineers (교량 설계자): 연구 결과는 교각과 보호 시스템의 기하학적 구성이 세굴을 제어하는 핵심 변수임을 나타냅니다. 이 연구는 단순한 교각 형상 설계를 넘어, 보호 장치의 역할과 최적 배치에 대한 정량적 데이터를 제공함으로써 초기 설계 단계에서 중요한 고려사항을 제시합니다.
Paper Details
MODEL LABORATORIUM PENGARUH VARIASI SUDUT ARAH PENGAMAN PILAR TERHADAP KEDALAMAN GERUSAN LOKAL PADA JEMBATAN DENGAN PILAR CYLINDER GROUPED
1. Overview:
- Title: MODEL LABORATORIUM PENGARUH VARIASI SUDUT ARAH PENGAMAN PILAR TERHADAP KEDALAMAN GERUSAN LOKAL PADA JEMBATAN DENGAN PILAR CYLINDER GROUPED
- Author: Sarbaini, Mudjiatko, Rinaldi
- Year of publication: 2015
- Journal/academic society of publication: Jom FTEKNIK Volume 2 No. 2 Oktober 2015
- Keywords: local scouring, grouped cylinder pillar, angle of pillars protector, curtain type pillars protectot, depth ratio
2. Abstract:
Bridge pillars placed on meander river experience hydrodynamic flow and helecoidal force. Those force will cause local scour on pillars and pillar protectors. Pillar protectors with specified angle is expected to be able to minimize the magnitude of scouring on pillars. Laboratory model with grouped cylinder type pillars with three variation of angle of curtain type pillars protector (θ1, θ2, θ3) are used to observed the phenomenon of scouring that occured on meander river. Kampar sand with grain size of d35 = 0,247 mm, d50 = 0,298 mm, d65 = 0,352 mm and Gs = 2,64 are used as the base for the bed of the channel. Three type of subcritic flow with froude number ranged from 0,464-0,698 and yield the reynolds number occured on Fr1-Fr3 at 1658,416 thus classified as transition flow while 3081,683 and 4381,188 are classified as turbulence flow. Shield graphic showed that grain gradation used in this research is located one moving zone. The ratio of scouring depth (ds/b) of pillars protectors is highest 2,4 that occured on Fr3 θ2 and Fr1 θ3 while on the pillars is occured on Fr2 θ2 at 1,9. The results of sediment transport analysis proved that with the in crease in froude number used the bigger the size of the grain transported.
3. Introduction:
만곡 형태의 하천(meander)은 일반적으로 완만한 하상 경사를 가집니다. 만곡부 외측은 내측보다 유속이 빠르기 때문에 하상이 더 깊어지는 경향이 있으며, 원심력으로 인해 횡방향 흐름이 발생하고 주 흐름과 결합하여 나선형 흐름(helicoidal flow)을 형성합니다. 하천의 흐름은 종종 퇴적물 이동과 세굴 과정을 동반합니다. 세굴은 하천의 형태학적 영향이나 흐름을 방해하는 구조물로 인해 자연적으로 발생할 수 있습니다. 이러한 흐름 속에 위치한 교량 교각은 3차원 흐름과 흐름 패턴의 변화를 유발하여 구조물 주변에 국부적인 세굴을 일으킵니다.
4. Summary of the study:
Background of the research topic:
만곡 하천에 설치된 교량 교각은 복잡한 수리동역학적 힘에 의해 국부 세굴에 취약합니다. 이는 교량의 구조적 안정성을 위협하므로, 세굴을 최소화하기 위한 효과적인 교각 보호 장치 설계가 필요합니다.
Status of previous research:
과거 Arie Perdana Putra (2014)는 그룹 원통형 교각의 국부 세굴에 대한 실험실 모델 연구를 수행했으며, Tri Achmadi (2001)는 교각 세굴에 대한 수리 모델 연구를 진행한 바 있습니다.
Purpose of the study:
본 연구의 목적은 만곡 하천에 설치된 그룹 원통형 교각에서, 커튼형 보호 장치의 설치 각도(59°, 50°, 90°)를 변화시켰을 때 세굴 현상이 어떻게 달라지는지 규명하는 것입니다.
Core study:
실험실 수로에서 그룹 원통형 교각 모델과 세 가지 다른 각도의 보호 장치를 사용하여 국부 세굴 깊이를 측정하고, 프루드 수에 따른 흐름 조건의 변화가 세굴 및 퇴적물 이동에 미치는 영향을 분석했습니다.
5. Research Methodology
Research Design:
통제된 실험실 환경에서 교각 보호 장치의 각도라는 독립 변수가 국부 세굴 깊이라는 종속 변수에 미치는 영향을 측정하는 실험 연구 설계를 채택했습니다.
Data Collection and Analysis Methods:
수로 내에 교각 및 보호 장치 모델을 설치하고, 특정 유속(프루드 수 기준) 조건에서 일정 시간 동안 흐름을 발생시킨 후, 교각 주변의 하상 변화(세굴 깊이)를 측정했습니다. 또한, 실험 전후의 하상 재료 입도 분석을 통해 퇴적물 이동 특성을 분석했습니다.
Research Topics and Scope:
연구는 그룹 원통형 교각, 커튼형 보호 장치, 그리고 세 가지 특정 설치 각도(59°, 50°, 90°)에 국한됩니다. 흐름 조건은 세 가지 아임계 흐름으로 제한되었으며, 하상 재료는 캄파르 강 모래를 사용했습니다.
6. Key Results:
Key Results:
- 레이놀즈 수에 근거하여, Fr1 흐름은 천이류(Re = 1658.416)로, Fr2 및 Fr3 흐름은 난류(Re > 2000)로 분류되었습니다.
- 교각 그룹 1에 대한 Fr1 시험에서, 세굴 깊이 비율(ds/b)은 59° 각도에서 1.3으로 가장 작았고, 90° 각도에서 1.5로 가장 컸습니다.
- 교각 그룹 1의 보호 장치에서는 50° 각도에서 세굴이 1.5(ds/b)로 가장 작았고, 90° 각도에서 2.4로 가장 컸습니다.
- 교각 그룹 2에서는 59°와 50° 각도에서 세굴이 1.3(ds/b)으로 가장 작았고, 90° 각도에서 1.4로 가장 컸습니다.
- 교각 그룹 2의 보호 장치에서는 50° 각도에서 세굴이 1.7(ds/b)로 가장 컸고, 90° 각도에서 1.4로 가장 작았습니다.
- 프루드 수가 증가할수록 더 큰 입경의 퇴적물이 이동하는 것으로 분석되었습니다.
Figure List:
- Gambar 1. Ilustrasi gerusan lokal di sekitar pilar jembatan
- Gambar 2. Metode pengendalian gerusan
- Gambar 3. Recirculating sediment flume
- Gambar 4. Ilustrasi 3D model pilar dan pengaman pilar jembatan (a) group pile 1, (b) group pile 2.
- Gambar 5. Sudut Pengaman Pilar
- Gambar 6. Bagan alir penelitian
- Gambar 7. Distribusi kecepatan permukaan Fr1
- Gambar 8. Grafik gerak awal butiran Shields
- Gambar 9. Grafik Shields modifikasi Breusers dan Raudkivi
- Gambar 10. Grafik gerak awal butiran Hjulstorm
- Gambar 11. Ilustrasi pola aliran pada model pilar jembatan
- Gambar 12. Posisi profil memanjang dan melintang pada pilar jembatan
- Gambar 13. Potongan memanjang Sisi Dalam, Sisi Tengah dan Sisi Luar pada Fr1 θ1
- Gambar 14. Potongan memanjang Sisi Dalam, Sisi Tengah dan Sisi Luar pada Fr2 θ1
- Gambar 15. Potongan memanjang Sisi Dalam, Sisi Tengah dan Sisi Luar pada Fr3 θ1
- Gambar 16. Potongan memanjang Sisi Dalam, Sisi Tengah dan Sisi Luar pada Fr₁ θ2
- Gambar 17. Potongan memanjang Sisi Dalam, Sisi Tengah dan Sisi Luar pada Fr2 θ2
- Gambar 18. Potongan memanjang Sisi Dalam, Sisi Tengah dan Sisi Luar pada Fr3 θ2
- Gambar 19. Potongan memanjang Sisi Dalam, Sisi Tengah dan Sisi Luar pada Fr1 θ3
- Gambar 20. Potongan memanjang Sisi Dalam, Sisi Tengah dan Sisi Luar pada Fr2 θ3
- Gambar 21. Potongan memanjang Sisi Dalam, Sisi Tengah dan Sisi Luar pada Fr3 θ3
- Gambar 22. Potongan memanjang C-C pada θ1
- Gambar 23. Potongan memanjang H-H pada θ1
- Gambar 24. Potongan memanjang C-C pada θ2
- Gambar 25. Potongan memanjang H-H pada θ2
- Gambar 26. Potongan memanjang C-C pada θ3
- Gambar 27. Potongan memanjang H-H pada θ3
- Gambar 28. Potongan melintang J-J
- Gambar 29. Potongan melintang M-M
- Gambar 30. Potongan melintang N-N
- Gambar 31. Perkembangan rasio kedalaman (d/b) terhadap fungsi waktu (t)
- Gambar 32. Hubungan d 50/d50 terhadap bilangan Froude
7. Conclusion:
실험실 모델을 통한 연구 결과, 교각 보호 장치의 각도와 흐름 조건은 국부 세굴 깊이에 상당한 영향을 미치는 것으로 나타났습니다. 레이놀즈 수 분석을 통해 흐름이 천이류 및 난류 영역에 있음을 확인했습니다. 세굴 깊이 비율(ds/b)은 보호 장치의 각도에 따라 민감하게 변화했으며, 특정 조건에서 최대 2.4에 도달했습니다. 또한, 프루드 수가 증가함에 따라 더 큰 퇴적물이 운반되는 현상을 통해 유속과 침식 에너지의 직접적인 관계를 입증했습니다. 이 결과들은 교량의 안전성 확보를 위해 세굴 보호 장치의 기하학적 설계가 매우 중요함을 강조합니다.
8. References:
- Achmadi, Tri. 2001. Model Hidraulik Gerusan Pada Pilar Jembatan. Tesis. Semarang: Universitas Diponegoro.
- Alabi, P.D. 2006. Time Development of Local Scour at A Bridge Pier Fitted With A Collar. Tesis. Canada: University of Saskatchewan.
- Arie, P.P. 2014. Model Laboratorium Gerusan Lokal Pada Pilar Jembatan Tipe Grouped Cylinder. Skripsi. Pekanbaru : Universitas Riau.
- Breusers, H.N.C. and Raudkivi, A.J. 1991. Scouring. IAHR Hydraulic Structure Design Manual. Rotterdam: A.A. Belkema.
- Ikhsan, C dan Solichin. 2008. Analisis Susunan Tirai Optimal Sebagai Proteksi Pada Pilar Jembatan Dari Gerusan Lokal. Media Teknik Sipil/Juli 2008 : 85–90.
- Istiarto. 2012. Materi Kuliah Transport Sedimen. Yogyakarta: UGM.
- Laursen, E.M. and Toch A. 1956. Scour Around Bridge Piers and Abutments. Iowa Highway Research Board Bulletin No. 4 :1-60.
- Legono, 1988, Diktat Teknik Sungai, UGM, Yogyakarta.
- Melville, B.W. 1975. Local Scour at Bridge Sites. Tesis. New Zealand: University of Auckland.
- Mudjiatko. 2000. Pengaruh Meander Sungai Terhadap Perubahan Konfigurasi Dasar dan Seleksi Butiran Sedimen. Yogyakarta.
- Nichols, Gary. 2009. Sedimentology and Stratigraphy. United Kingdom: Wiley-Blackwell.
- Rinaldi dan Yulistiyanto, B. 2001. Model Fisik Pengendalian Gerusan Di Sekitar Abutmen Jembatan. Forum Teknik Sipil No. X/2-Agustus 2001 : 139–149.
- Triatmodjo, B. 1996. Hidraulika II. Yogyakarta: Beta Offset.
- Wibowo, O.M. 2007. Pengaruh Aliran Terhadap Gerusan Lokal Di Sekitar Pilar Jembatan. Skripsi. Semarang : Universitas Negeri Semarang.
Expert Q&A: Your Top Questions Answered
Q1: 교각 보호 장치 실험에 59°, 50°, 90°라는 특정 각도를 선택한 이유가 무엇인가요?
A1: 논문에서는 이 세 가지 각도(θ1=59°, θ2=50°, θ3=90°)를 변수로 사용하여 실험을 수행했다고 명시하고 있으나, 이 특정 값들을 선택한 이론적 배경이나 이유는 구체적으로 설명하지 않았습니다. 이 연구는 주어진 각도 변화에 따른 세굴 현상을 관찰하고 정량화하는 데 초점을 맞춘 것으로 보입니다.
Q2: 연구에서 천이류와 난류 흐름이 모두 관찰되었는데, 이러한 흐름 특성의 차이가 세굴 결과에 어떤 영향을 미쳤나요?
A2: 연구 결과는 프루드 수(Fr1, Fr2, Fr3)에 따라 제시되었으며, 이는 각기 다른 흐름(천이류, 난류)에 해당합니다. 전반적으로 프루드 수가 높은 난류 조건(Fr2, Fr3)에서 세굴 깊이가 더 깊어지는 경향이 나타났습니다. 예를 들어, θ1 각도 조건에서 프루드 수가 증가함에 따라 만곡부 중앙과 내측의 세굴이 심화되는 것을 그림 13, 14, 15에서 확인할 수 있습니다. 이는 흐름의 에너지가 클수록 침식 능력이 강해진다는 것을 의미합니다.
Q3: 이 실험에서 ‘그룹 원통형’ 교각 타입을 사용한 것의 중요성은 무엇인가요?
A3: 본 연구에서 사용된 그룹 원통형 교각 모델은 실제 ‘Teratak Buluh’ 교량의 형태를 채택한 것입니다. 이는 실험 결과가 특정 실제 구조물과 직접적인 연관성을 갖도록 하여 연구의 실용성을 높입니다. 또한, 본문(C. Hubungan Pola Aliran Terhadap Pola Gerusan)에서는 그룹 교각의 경우 단일 교각에 비해 후류 와류(wake vortices)가 작게 형성되어 세굴 패턴에 영향을 미친다고 언급하고 있어, 교각의 형태가 세굴 메커니즘을 이해하는 데 중요한 요소임을 보여줍니다.
Q4: 쉴드(Shields) 및 휼스트롬(Hjulstorm) 다이어그램 분석 결과, 모든 퇴적물이 ‘이동 영역’에 있었다는 것은 무엇을 의미하나요?
A4: 이는 실험이 진행되는 동안 하상 재료가 흐름에 의해 지속적으로 움직이는 ‘이동상 세굴(live-bed scour)’ 조건에서 수행되었음을 의미합니다. 이는 하상 재료가 움직이지 않는 한계 유속 이하에서 발생하는 ‘정지상 세굴(clear-water scour)’과 구분되는 중요한 조건입니다. 이동상 세굴은 실제 하천의 홍수 시 발생하는 현상과 더 유사하며, 퇴적물의 유입과 유출이 동시에 일어나므로 더 복잡한 세굴 과정을 나타냅니다.
Q5: 만곡부의 내측, 중앙, 외측에서 세굴 패턴이 다르게 나타나는 이유는 무엇인가요?
A5: 서론에서 설명하듯이, 만곡 하천에서는 원심력의 영향으로 외측의 유속이 내측보다 빠릅니다. 이로 인해 외측 하상이 더 깊어지는 경향이 있습니다. 또한, 주 흐름과 함께 2차 흐름인 나선형 흐름(helicoidal flow)이 발생하여 바닥의 퇴적물을 내측으로 이동시키는 복잡한 흐름 구조가 형성됩니다. 이러한 복합적인 흐름 특성 때문에 만곡부의 위치에 따라 세굴과 퇴적이 다르게 나타나는 것입니다.
Conclusion: Paving the Way for Higher Quality and Productivity
본 연구는 교각 보호 장치의 설치 각도가 교각 세굴을 제어하는 데 얼마나 중요한 설계 변수인지를 실험 데이터를 통해 명확하게 보여주었습니다. 90°와 같은 단순한 각도가 오히려 더 큰 세굴을 유발할 수 있다는 사실은, 세심한 수리동역학적 분석 없이는 최적의 설계를 달성하기 어렵다는 점을 시사합니다.
이러한 물리적 실험은 CFD 시뮬레이션 모델의 정확성을 검증하는 데 필수적인 데이터를 제공합니다. CFD 해석을 활용하면 본 연구에서 다룬 세 가지 각도 외에도 훨씬 더 광범위한 각도, 유속, 교각 형상 조합을 빠르고 비용 효율적으로 탐색하여 진정한 최적의 설계안을 도출할 수 있습니다.
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Copyright Information
- This content is a summary and analysis based on the paper “MODEL LABORATORIUM PENGARUH VARIASI SUDUT ARAH PENGAMAN PILAR TERHADAP KEDALAMAN GERUSAN LOKAL PADA JEMBATAN DENGAN PILAR CYLINDER GROUPED” by “Sarbaini, Mudjiatko, Rinaldi”.
- Source: Jom FTEKNIK Volume 2 No. 2 Oktober 2015
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