이 기술 요약은 M. Beg가 발표한 “Mutual interference of bridge piers placed in staggered arrangement on scour depth” 논문을 기반으로 하며, STI C&D의 기술 전문가에 의해 분석 및 요약되었습니다.
도전 과제: 엇갈림 배열로 배치된 여러 교량 교각 주변에서 발생하는 국부 세굴은 단일 교각의 경우보다 훨씬 복잡하며, 상호 간섭 효과로 인해 예측이 어려워 교량의 구조적 안정성을 위협합니다.
연구 방법: 일정한 유입 유속(흐름 강도 0.95)과 45°의 받음각 조건에서, 원형 교각의 반경 방향 간격(R/b)을 다양하게 변경하며 정교하게 통제된 수리 실험을 수행했습니다.
핵심 발견: 하류 측 교각은 상류 측 교각 지름의 6배 이상(R/b > 6) 간격으로 배치될 때, 상류 교각에서 발생하는 와류 흘림(vortex shedding)의 영향이 현저히 감소하여 세굴 심도가 안정화되는 것을 확인했습니다.
핵심 결론: 교각의 상호 간섭 효과를 최소화하고 구조적 안정성을 확보하기 위한 최적의 교각 이격 거리는 6 < R/b < 12 범위이며, 이 범위를 벗어난 근접 배치는 세굴 심도를 최대 2배 이상 증가시킬 수 있습니다.
도전 과제: CFD 전문가에게 이 연구가 중요한 이유
교량의 수명과 안전성은 교각 주변의 하상(river-bed) 안정성에 직접적으로 좌우됩니다. 물의 흐름에 의해 교각 주변의 토사가 침식되는 ‘국부 세굴(local scour)’ 현상은 교량 붕괴의 주된 원인 중 하나입니다. 특히, 여러 개의 교각이 그룹으로 배치될 경우, 각 교각이 만들어내는 유동장의 복잡한 상호작용으로 인해 세굴 과정은 단일 교각의 경우와는 완전히 다른 양상을 보입니다.
기존 연구는 대부분 단일 교각에 집중되어 있어, 교각 그룹의 상호 간섭 효과(mutual interference effect)를 정확히 예측하고 설계에 반영하는 데 한계가 있었습니다. 특히 교각이 엇갈림 배열(staggered arrangement)로 놓였을 때 발생하는 보강(reinforcing), 차폐(sheltering), 와류 흘림(vortex shedding), 편자 와류 압축(horseshoe vortex compression) 등 4가지 복합적인 현상은 세굴 심도를 예측 불가능하게 만듭니다. 이러한 기술적 불확실성은 과도한 안전율을 적용하게 만들어 건설 비용을 증가시키거나, 반대로 교량의 잠재적 위험을 간과하게 만드는 원인이 됩니다.
접근 방식: 연구 방법론 분석
본 연구는 엇갈림 배열된 교각 그룹의 상호 간섭 효과를 정량적으로 분석하기 위해 정밀하게 통제된 실험실 환경에서 수리 실험을 수행했습니다.
실험 장비 및 모델: 인도 알리가르 무슬림 대학교(AMU)의 Z.H. 공과대학 첨단 수리학 실험실에서 실험을 진행했습니다. 직경 33mm의 아연 도금 강철 원형 실린더를 교각 모델로 사용했습니다.
핵심 변수:
교각 배열: 두 개의 교각을 흐름 방향에 대해 45°의 일정한 받음각(angle of attack)을 갖는 엇갈림 배열로 배치했습니다. 이 각도는 Hannah(1978)의 연구에서 상호 간섭 효과가 가장 크게 나타나는 조건으로 보고되었습니다.
교각 간격: 두 교각 중심 간의 반경 방향 간격(R)과 교각 직경(b)의 비율인 ‘R/b’를 0, 1, 2, … , 12까지 순차적으로 변경하며 실험을 수행했습니다.
유동 조건: 흐름 강도(U/Uc)를 0.95로 설정하여 유사 이송이 없는 맑은 물 세굴(clear-water scour) 조건을 유지했습니다.
퇴적물: 중앙 입경(D50)이 0.95mm인 균일한 퇴적물을 사용했습니다.
데이터 수집: 각 실험은 10시간 동안 진행되었으며, 교각 전면부의 동적 세굴 심도를 시간 간격을 두고 측정했습니다. 실험 종료 후에는 유량을 서서히 멈추고, 포인트 게이지를 사용하여 교각 주변의 세굴공(scour hole) 전체 영역에 대한 정밀한 3차원 측정을 수행했습니다.
Figure 1. Piers of same size in placed in staggered arrangement
Figure 2. Scour and deposition patterns around two piers aligned at constant angle 45° and varying radial pier spacings R/b (A) R/b=0 (B) R/b=8
핵심 발견: 주요 결과 및 데이터
결과 1: 근접 배치(R/b ≤ 3) 시 후방 교각의 세굴 심도 급증
교각 간격이 매우 가까울 때, 특히 R/b=3에서 후방 교각의 세굴 심도가 최대치에 도달했습니다. 이는 단일 교각일 때보다 훨씬 깊은 수준입니다.
Figure 3에 따르면, R/b=0 (두 교각이 서로 붙어있는 경우)일 때 최대 세굴 심도는 단일 교각 세굴 심도(ds(i))의 2.012배에 달했습니다. 이는 두 교각이 더 넓은 단일 교각처럼 작용하기 때문입니다.
R/b=1일 때, 전방 교각과 후방 교각의 세굴 심도는 각각 ds(i)의 1.35배와 1.38배로 관찰되었습니다.
R/b=3에서 후방 교각의 세굴 심도가 가장 깊게 나타났으며, 이는 전방 교각에서 발생한 ‘와류 흘림(shed vortices)’과 두 교각 사이에서 발생하는 ‘편자 와류 압축(horseshoe vortices compression)’의 복합적인 작용이 차폐 효과(sheltering effect)를 압도하기 때문입니다.
결과 2: 최적의 이격 거리(6 < R/b < 12) 발견
교각 간격이 특정 범위를 넘어서자 상호 간섭 효과가 급격히 감소하며, 각 교각이 독립적인 단일 교각처럼 거동하는 현상이 관찰되었습니다.
Figure 3에서 볼 수 있듯이, 교각 간격이 6 < R/b < 12 범위에 있을 때, 전방 및 후방 교각의 상대 세굴 심도는 1.0에 가깝게 수렴하며 거의 일정하게 유지되었습니다. 이는 단일 교각에서 발생하는 세굴 심도와 유사한 수준입니다.
이 간격 범위에서는 전방 교각에서 발생한 와류가 후방 교각에 도달하기 전에 충분히 감쇠하여 후방 교각의 세굴을 심화시키는 영향이 “상당히 적어짐(reasonably less)”을 의미합니다.
R/b가 12에 가까워지면서, Figure 4(a,b)에 나타난 세굴공의 종단면 프로파일 길이 또한 단일 교각의 프로파일과 거의 유사해져 두 교각이 상호 간섭에서 벗어났음을 시사합니다.
R&D 및 운영을 위한 실질적 시사점
교량 설계 엔지니어: 본 연구는 교각 그룹 설계 시 최소 이격 거리에 대한 명확한 가이드라인을 제공합니다. 엇갈림 배열에서 하류 측 교각은 상류 측 교각 직경의 최소 6배 이상, 가급적 6~12배 범위 내에 배치하여 와류로 인한 추가적인 세굴 심도를 방지해야 합니다. R/b < 6인 설계는 구조적 위험을 증가시킬 수 있습니다.
구조 안전성 및 유지보수 팀: 기존 교량의 안전성 평가 시, 교각 간격이 6b 미만인 경우 상호 간섭으로 인한 추가적인 세굴 위험을 반드시 고려해야 합니다. 특히 R/b=3 근처에 배치된 교각 그룹은 집중적인 모니터링이 필요하며, 이는 정기적인 수중 음파 탐지 또는 CFD 시뮬레이션을 통한 검증의 기준이 될 수 있습니다.
CFD 해석 엔지니어: 이 실험 데이터는 교각 그룹 주변의 복잡한 유동-퇴적물 상호작용을 모델링하는 CFD 시뮬레이션의 검증(validation)을 위한 귀중한 벤치마크 자료로 활용될 수 있습니다. 특히 와류 흘림과 편자 와류의 상호작용을 정확하게 예측하는 난류 모델 및 세굴 모델 개발에 기여할 수 있습니다.
논문 상세 정보
[Mutual interference of bridge piers placed in staggered arrangement on scour depth]
1. 개요:
제목: Mutual interference of bridge piers placed in staggered arrangement on scour depth
저자: M. Beg
발행 연도: (발행 연도 정보 없음)
학술지/학회: (학술지/학회 정보 없음)
키워드: 교각 세굴, 엇갈림 배열, 상호 간섭, 와류 흘림, 수리 동역학
2. 초록:
본 연구는 일정한 받음각과 다양한 반경 방향 교각 간격으로 엇갈림 배열된 교량 교각 그룹 주변의 국부 세굴에 대한 정교하고 광범위한 실험적 연구를 다룬다. 실험은 흐름 강도 0.95의 균일한 정상류, 맑은 물 세굴 조건에서 균일한 퇴적물을 대상으로 수행되었다. 본 연구의 목적은 엇갈림 배열된 교량 교각의 상호 간섭이 세굴 심도에 미치는 영향을 조사하는 것이다. 연구 결과, 근접하게 배치된 교각들은 세굴 심도에 상당한 상호 간섭 효과를 미치는 것으로 나타났다. 전방 교각이 생성하는 와류 흘림 효과가 후방 교각에 미치는 영향이 합리적으로 감소하는 교각 직경의 6배 이상의 반경 방향 간격으로 하류 측 교각을 배치해야 함을 발견했다.
3. 서론:
세굴은 흐르는 물의 침식 작용으로 인해 하상 재료가 제거되어 하상이 낮아지는 과정이다. 국부 세굴의 경우, 구조물 부근에서 하상이 낮아진다. 단일 교각 세굴에 대한 상당한 양의 연구에도 불구하고, 많은 교량의 붕괴는 교각 그룹 세굴에 대한 이해를 심화시키는 데 대한 관심을 다시 불러일으켰다. 교각 그룹 주변의 세굴에서는 교각의 존재가 교각 자체 근처의 유동장 수리 동역학적 특성에 복잡한 상호작용을 일으켜 단일 교각 주변에서 발생하는 것과는 상당히 다른 세굴 과정의 발생 및 발달로 이어질 수 있다.
4. 연구 요약:
연구 주제의 배경:
교량 교각 주변의 국부 세굴은 교량의 구조적 안정성을 위협하는 주요 요인이다. 특히 여러 교각이 그룹으로 설치될 경우, 교각 간의 유체역학적 상호작용으로 인해 세굴 현상이 더욱 복잡해진다.
이전 연구 현황:
Timonoff (1929), Garde (1961), Hannah (1978) 등 다수의 연구자들이 교각 그룹 주변의 세굴에 대해 연구해왔다. Hannah (1978)는 45° 각도로 배치된 두 교각 주변에서 발생하는 보강(reinforcing), 차폐(sheltering), 와류 흘림(vortex shedding), 편자 와류 압축(compression of horseshoe vortices) 등 네 가지 세굴 과정을 식별했다.
연구 목적:
본 연구의 목적은 엇갈림 배열로 배치된 교량 교각 그룹의 상호 간섭이 세굴 심도에 미치는 영향을 실험적으로 규명하는 것이다. 특히, 교각 간의 반경 방향 간격 변화에 따른 세굴 심도의 변화를 정량적으로 분석하고자 한다.
핵심 연구:
일정한 흐름 조건(U/Uc = 0.95)과 45° 받음각 하에서, 두 개의 원형 교각을 엇갈림 배열로 배치하고 반경 방향 간격(R/b)을 0에서 12까지 변화시키면서 각 조건에서의 세굴 심도와 세굴공의 형태를 측정하고 분석했다.
5. 연구 방법론
연구 설계:
통제된 실험실 환경에서 수리 모형 실험을 수행했다. 단일 교각 실험 결과를 기준으로 교각 그룹의 상호 간섭 효과를 평가했다.
데이터 수집 및 분석 방법:
실험 중에는 교각 전면부에서 동적 세굴 심도를 시간별로 측정했다. 실험 종료 후에는 유량을 정지시키고, 포인트 게이지를 사용하여 세굴공의 길이, 폭, 면적 범위 등 상세한 정적 측정값을 기록했다. 세굴공과 퇴적 패턴은 사진으로 촬영되었다.
연구 주제 및 범위:
교각 모델: 직경 33mm 원형 교각
배열: 45° 받음각의 엇갈림 배열
교각 간격(R/b): 0에서 12까지 변화
유동 조건: 맑은 물 세굴 조건 (U/Uc = 0.95)
퇴적물: 중앙 입경 0.95mm의 균일한 모래
6. 주요 결과:
주요 결과:
R/b=0 (교각 접촉) 시, 세굴 심도는 단일 교각의 2.012배로 최대가 된다.
R/b>1 에서, 후방 교각의 세굴 심도는 전방 교각보다 깊어지며, 이는 전방 교각의 와류 흘림과 편자 와류 압축의 복합 효과 때문이다.
최대 세굴 심도는 R/b=3에서 발생한다.
6 < R/b < 12 범위에서, 전방 및 후방 교각의 세굴 심도는 단일 교각의 세굴 심도와 유사한 수준으로 안정화된다.
결론적으로, 상호 간섭 효과를 최소화하기 위해 하류 측 교각은 상류 측 교각과 직경의 6배 이상(6 < R/b < 12)의 간격을 두고 배치해야 한다.
Figure 목록:
Figure 1. Piers of same size in placed in staggered arrangement
Figure 2. Scour and deposition patterns around two piers aligned at constant angle 45° and varying radial pier spacings R/b (A) R/b=0 (B) R/b=8
Figure 3. Variation of scour depth at front and rear piers with radial pier spacing
Figure 4 (a). Longitudinal scour profiles through front pier
Figure 4 (b). Longitudinal scour profiles through rear pier
7. 결론:
45° 받음각으로 배치된 두 교각 주변의 세굴은 보강, 차폐, 와류 흘림, 편자 와류 압축 등 여러 효과의 영향을 받으며, 교각 간의 반경 방향 간격에 따라 특정 효과가 지배적으로 나타난다. 짧은 간격에서는 와류 흘림 효과가 지배적이어서 후방 교각의 세굴 심도가 더 깊게 유지된다. 그러나 간격이 증가함에 따라 전방 교각에서 발생한 와류는 후방 교각에 도달하지 못하게 되어 세굴 심도를 증가시키는 데 비효율적이게 된다. R/b=0에서는 세굴 심도가 단일 교각의 두 배 이상 깊지만, R/b=1에서는 전방 및 후방 교각의 세굴 심도가 각각 35%, 38% 더 깊은 수준으로 급격히 감소한다. R/b>1에서는 후방 교각의 세굴 심도가 점차 감소하여 R/b=12에서 단일 교각의 세굴 심도에 근접한다. 본 연구 결과를 바탕으로, 상류 교각에 의해 생성된 와류 흘림의 영향이 이 간격 범위에서 상당히 적기 때문에 하류 측 교각은 6 < R/b < 12 범위의 간격으로 배치되어야 한다고 결론 내릴 수 있다.
8. 참고 문헌:
Babaeyan-Koopaei, K. and Valentine, E. M. (1999). Bridge pier scour in self-formed laboratory channels, the XXVIII IAHR Congress, p. 22-27
Basak, V. Baslamish, Y. and Ergun, O. (1975). Maximum equilibrium scour depth around linear-axis square cross-section pier groups, report No. 583, State hydraulic works, Ankara, Turkey, (in Turkish).
Elliot, K.R. and Baker, C.J. (1985). Effect of Pier spacing on scour around bridge piers, Journal of Hydraulics Divn., Proc. ASCE, Vol. 111, No. 7, p. 1105-1109.
El-Taher, R.M. (1984). Experimental study on the interaction between a pair of circular cylinders normal to a uniform shear flow, J. Wind Eng. Ind. Aerodyn. 17, p. 117-132.
El-Taher, R.M. (1985). Flow around two parallel circular cylinders in a linear shear flow. J. Wind Engg. Ind. Aerodyn. Vol. 21, p. 251-272.
Garde, R.J. (1961). Local bed variation at bridge piers in alluvial channels, University of Roorkee research journal, Vol. 4, No. 1,
Garde, R.J. and Kothyari, U.C. (1995). State of art report on scour around bridge Piers, Pune, India.
Hannah, C.R. (1978). Scour at pile groups, University of Canterbury, N.Z., Civil Engineering Research Rep. No. 78-3, 92.
Kothyari, U.C. (1989). Scour around bridge piers, Ph.D. Thesis, Univ. of Roorkee, Roorkee, India.
Melville, B.W. And Chiew, Y.M. (1999). Time scale for local scour at bridge piers, J. Of Hydr. Engrg., Asce, 125(1), p. 59-65.
Mubeen Beg, (2008). Effect of Mutual interference of bridge piers on local scour, PhD Thesis, Department of Civil Engineering, Aligarh Muslim University, Aligarh, India.
Shah, B.P. (1988). Interference effects on scour depth around bridge piers, M.Tech. Thesis, Department of Civil Engineering, Indian Institute of Technology, Kanpur, India.
Timonoff, V.E. (1929). Experiments on the spacing of bridge piers in the case of parallel bridges, Hydraulic laboratory practice, edited by J.R. Freeman, Am. Soc. of mech. engrs. New York.
Vittal, N., Kothyari, U.C. and Haghighat, M. (1994). Clear water scour around bridge piers Group, J. Hydr. Engrg, ASCE, 120(11), p. 1309-1318.
전문가 Q&A: 자주 묻는 질문
Q1: 연구에서 교각의 받음각(angle of attack)을 45°로 특정한 이유는 무엇인가요?
A1: 본 연구에서는 45°의 받음각을 선택했습니다. 이는 Hannah (1978)의 선행 연구에서 이 각도에서 교각 간의 상호 간섭 효과, 특히 와류 흘림과 편자 와류의 복합적인 작용이 가장 극대화되어 세굴에 미치는 영향이 가장 크다고 보고되었기 때문입니다. 가장 가혹한 조건을 분석함으로써, 설계 시 보수적인 기준을 마련하는 데 중요한 데이터를 제공할 수 있습니다.
Q2: Figure 3에서 R/b=3일 때 후방 교각의 세굴 심도가 최대가 되는 물리적인 이유는 무엇인가요?
A2: R/b=3 근처에서 후방 교각의 세굴이 가장 심한 것은 두 가지 주요 메커니즘의 상호작용 때문입니다. 첫째, 전방 교각에서 떨어져 나온 강력한 ‘와류 흘림(shed vortices)’이 후방 교각에 직접적인 영향을 미치는 경로에 놓이게 됩니다. 둘째, 두 교각 사이의 좁은 공간으로 유동이 가속되면서 양쪽 교각에서 발생한 ‘편자 와류(horseshoe vortices)’의 안쪽 팔이 서로 압축되어 유속이 증가하고 하상 전단응력이 극대화됩니다. 이 두 효과가 결합되어 후방 교각 전면의 토사를 가장 강력하게 침식시키는 것입니다.
Q3: ‘맑은 물 세굴(clear-water scour)’ 조건으로 실험한 이유는 무엇이며, 이것이 실제 하천 조건과 어떤 차이가 있나요?
A3: 맑은 물 세굴 조건(흐름 강도 U/Uc < 1.0)은 상류로부터 유입되는 퇴적물이 없는 상태에서 오직 교각 주변의 국부적인 유동 가속에 의해서만 세굴이 발생하는 조건을 의미합니다. 이 조건은 세굴의 최대 평형 깊이를 연구하는 데 이상적이며, 교각의 기하학적 배치에 따른 순수한 수리역학적 효과를 명확히 분리하여 분석할 수 있게 해줍니다. 실제 하천에서는 상류에서 퇴적물이 공급되는 ‘유사 이송 세굴(live-bed scour)’이 발생하며, 이 경우 세굴공이 퇴적물로 다시 채워지는 동적 평형 상태에 도달하므로 최대 세굴 심도는 맑은 물 세굴보다 얕을 수 있습니다.
Q4: 본 연구 결과는 원형 교각에만 적용되나요? 사각형이나 다른 형태의 교각에도 적용할 수 있을까요?
A4: 본 연구는 직경 33mm의 원형 교각 모델을 사용하여 수행되었으므로, 결과는 원형 교각에 가장 직접적으로 적용됩니다. 사각형이나 유선형 교각의 경우, 유동 박리점과 와류 흘림의 특성이 원형 교각과 다르기 때문에 세굴의 양상과 상호 간섭 효과가 달라질 수 있습니다. 예를 들어, 모서리가 있는 사각형 교각은 더 강한 와류를 생성할 수 있어 동일한 간격에서도 더 깊은 세굴을 유발할 수 있습니다. 따라서 다른 형태의 교각에 이 결과를 직접 적용하기보다는, 본 연구의 방법론을 참고하여 추가적인 실험이나 CFD 시뮬레이션을 수행하는 것이 바람직합니다.
Q5: 교각 간격이 R/b=12 이상으로 더 멀어지면 세굴 심도는 어떻게 변할 것으로 예상되나요?
A5: 본 연구의 데이터에 따르면, R/b=12에서 두 교각의 세굴 심도는 이미 단일 교각의 세굴 심도와 거의 같아졌습니다. 이는 두 교각이 수리역학적으로 서로 독립적으로 거동하기 시작했음을 의미합니다. 따라서 간격이 R/b=12 이상으로 더 멀어지더라도 각 교각의 세굴 심도는 단일 교각의 세굴 심도 수준에서 큰 변화 없이 유지될 것으로 예상됩니다. 즉, 상호 간섭 효과는 완전히 사라진다고 볼 수 있습니다.
결론: 더 높은 품질과 생산성을 향한 길
본 연구는 엇갈림 배열된 교량 교각 주변의 복잡한 교량 교각 세굴 심도 문제를 정량적으로 분석하여, 교각의 최적 이격 거리에 대한 명확한 공학적 기준을 제시했습니다. 핵심 발견은 교각 간격이 직경의 6배 미만일 경우 상호 간섭 효과로 인해 세굴 심도가 급격히 증가하며, 특히 후방 교각의 안정성이 크게 위협받는다는 것입니다. 반면, 6배에서 12배 사이의 간격을 확보하면 이러한 위험을 효과적으로 완화하고 각 교각을 독립적인 구조물처럼 안정적으로 유지할 수 있습니다. 이 결과는 교량 설계 및 유지보수 실무에 직접적으로 적용되어 구조적 안전성을 높이고 경제적인 설계를 가능하게 할 것입니다.
(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.
연락처 : 02-2026-0442
이메일 : flow3d@stikorea.co.kr
저작권 정보
이 콘텐츠는 M. Beg의 논문 “[Mutual interference of bridge piers placed in staggered arrangement on scour depth]”를 기반으로 한 요약 및 분석 자료입니다.
이 기술 요약은 Iqbal Singh Budwal이 2021년 워털루 대학교(University of Waterloo)에 제출한 석사 학위 논문 “Influence of Soil Parameters on Local Pier Scour Depth”를 기반으로 하며, STI C&D에서 기술 전문가를 위해 분석 및 요약했습니다.
도전 과제: 현재 사용되는 교각 세굴 예측 방법들은 중요한 토질 매개변수를 간과하여 부정확한 설계와 잠재적인 교량 붕괴로 이어질 수 있습니다.
연구 방법: CFD 소프트웨어(SSIIM)를 사용한 포괄적인 수치 연구를 통해 토양의 입자 크기, 안식각, 점착력이 교각 세굴 깊이에 미치는 영향을 체계적으로 분석했습니다.
핵심 발견: 토양의 안식각과 점착력은 세굴 깊이에 극적인 영향을 미치는 것으로 나타났으며, 이들 변수의 변화는 세굴 깊이를 각각 100% 및 90% 이상 변화시켰습니다.
핵심 결론: 안전하고 비용 효율적인 교량 설계를 위해서는 상세한 토질 매개변수를 세굴 분석에 반드시 포함해야 하며, CFD 시뮬레이션은 이를 위한 가장 효과적인 도구입니다.
Figure 1.3: Flow and scour at single pier (Akib et al. 2014)
도전 과제: 이 연구가 CFD 전문가에게 중요한 이유
교량 세굴(Scour)은 교량 붕괴의 가장 주된 원인으로 지목됩니다. 흐르는 물이 교각 주변의 하상 퇴적물을 침식시키면서 기초의 지지력을 약화시키기 때문입니다. 따라서 교각의 최대 세굴 깊이를 정확하게 예측하는 것은 교량의 안전성과 경제성을 확보하는 데 매우 중요합니다.
하지만 현재까지 널리 사용되는 세굴 깊이 예측 방법들은 대부분 실험실 데이터에 기반한 경험식에 의존하고 있습니다. 이러한 경험식들은 다음과 같은 근본적인 한계를 가집니다.
스케일링 효과: 실험실의 축소 모델에서 얻은 결과는 실제 크기의 교각에 적용될 때 오차를 유발합니다.
제한된 변수: 대부분의 공식은 유속, 수심, 교각 폭과 같은 유체 및 구조적 요인에만 초점을 맞춥니다.
토질 매개변수 무시: 토양의 입자 크기(D50) 외에, 침식 저항성에 결정적인 영향을 미치는 안식각(angle of repose)이나 점착력(cohesion)과 같은 중요한 토질 매개변수들이 대부분 무시됩니다.
이러한 한계로 인해 기존의 예측은 실제보다 과도하게 보수적이어서 불필요한 건설 비용을 증가시키거나, 반대로 세굴 깊이를 과소평가하여 교량의 안전을 심각하게 위협할 수 있습니다. 본 연구는 이러한 지식의 격차를 해소하고, 특히 중요한 토질 매개변수가 세굴 깊이에 미치는 영향을 정량적으로 분석하여 보다 신뢰성 높은 예측 방법론의 필요성을 제시합니다.
연구 접근법: 방법론 분석
본 연구는 실제 현장 계측의 어려움과 실험실 연구의 스케일링 한계를 극복하기 위해 수치 시뮬레이션, 특히 CFD(전산 유체 역학) 접근법을 채택했습니다. 연구에 사용된 주요 도구는 퇴적물 이동 해석 기능이 내장된 오픈 소스 CFD 소프트웨어인 SSIIM(Sediment Simulation in Intakes with Multiblock option)입니다.
연구는 다음 두 단계로 진행되었습니다.
수치 모델 검증: 먼저, 기존에 발표된 신뢰성 있는 실험 연구(고정상 및 이동상 조건)의 결과와 SSIIM 시뮬레이션 결과를 비교하여 모델의 정확도를 검증했습니다. 이를 통해 유동장, 전단 응력, 최대 세굴 깊이 예측에 대한 모델의 신뢰성을 확보했습니다.
매개변수 연구: 검증된 모델을 사용하여 대규모 매개변수 연구를 수행했습니다. 총 128개의 시뮬레이션 케이스를 통해 다음과 같은 주요 변수들의 영향을 체계적으로 분석했습니다.
구조적 요인: 4가지 다른 직경의 원형 교각 (0.1m, 0.25m, 0.5m, 0.8m)
유동 요인: 2가지 다른 유속 강도 (I=0.5, 0.75)
토질 요인: 16가지 다른 토질 조건 (상이한 입자 크기, 안정 경사각, 점착력)
이 체계적인 접근법을 통해 각 토질 매개변수가 다른 구조 및 유동 조건 하에서 세굴 깊이에 미치는 영향을 독립적으로 정량화할 수 있었습니다.
핵심 발견: 주요 결과 및 데이터
매개변수 연구를 통해 기존 경험식들이 간과해왔던 토질 매개변수들이 교각 세굴 깊이에 얼마나 지대한 영향을 미치는지 명확히 밝혀졌습니다.
결과 1: 안정 경사각(안식각)의 극적인 영향
토양 입자가 무너지지 않고 쌓일 수 있는 최대 각도인 안정 경사각(안식각)은 세굴 구멍의 형태와 깊이를 결정하는 핵심 요소였습니다. 기준값인 30°와 비교했을 때, 안정 경사각의 변화는 세굴 깊이에 엄청난 변화를 가져왔습니다.
논문의 표 3.7에 따르면, 안정 경사각이 30°에서 40°로 증가했을 때 세굴 깊이는 평균 145.1%까지 증가했으며, 20°로 감소했을 때는 평균 41.9% 감소했습니다. 이는 안식각이 큰 토양일수록 더 깊고 가파른 세굴이 발생할 수 있음을 의미하며, 이 매개변수를 무시하는 것은 예측에 심각한 오차를 유발할 수 있음을 보여줍니다.
Figure 1.37: Scour amplification factor for spill-through abutments and clear-water conditions (Ettema et al. 2010)
결과 2: 미소한 점착력의 막대한 세굴 억제 효과
모래에 점토나 실트 같은 미세 입자가 섞여 발생하는 점착력 또한 세굴 깊이를 결정하는 중요한 변수임이 확인되었습니다. 시뮬레이션 결과, 아주 작은 양의 점착력만으로도 토양의 침식 저항성이 크게 증가했습니다.
논문의 표 3.8에 따르면, 불과 0.5 Pa의 점착력이 추가되었을 때 세굴 깊이가 평균 90.9% 감소하는 것으로 나타났습니다. 이는 점착력을 고려하지 않는 현재의 설계 방식이 실제보다 훨씬 과도한 세굴 깊이를 예측하여 막대한 비용 낭비를 초래할 수 있음을 시사합니다.
R&D 및 운영을 위한 실질적 시사점
본 연구 결과는 교량 설계, 시공 및 유지관리와 관련된 다양한 분야의 전문가들에게 중요한 시사점을 제공합니다.
공정/토목 엔지니어: 현장별 토질 데이터(특히 안식각, 점착력) 없이 표준 경험식에만 의존하는 것은 매우 위험합니다. CFD 시뮬레이션은 이러한 현장 고유의 특성을 설계에 반영하여 신뢰도를 높일 수 있는 강력한 도구를 제공합니다.
품질 관리/지반 공학팀: 본 연구는 상세한 지반 조사의 중요성을 강조합니다. 안식각과 점착력 측정은 단순한 절차가 아니라, 정확한 세굴 위험 평가를 위한 핵심 입력 데이터입니다.
설계 엔지니어: 연구 결과는 교량 기초 설계에 직접적인 영향을 미칩니다. 이러한 토질 매개변수를 고려하면 과소 설계(붕괴 위험)와 과대 설계(불필요한 비용)를 모두 피하고, 안전하면서도 경제적인 설계를 달성할 수 있습니다.
논문 상세 정보
Influence of Soil Parameters on Local Pier Scour Depth
1. 개요:
제목: Influence of Soil Parameters on Local Pier Scour Depth (국부 교각 세굴 깊이에 대한 토질 매개변수의 영향)
저자: Iqbal Singh Budwal
발행 연도: 2021
발행 학술지/학회: A thesis presented to the University of Waterloo (워털루 대학교 제출 석사 학위 논문)
교량 세굴은 교량 기초 주변의 퇴적층이 해류, 파랑, 난류로 인해 발생하는 유체력에 의해 침식되는 현상이다. 교각, 말뚝, 교대와 같은 기초 구성 요소 주변의 세굴은 구조적 불안정성과 붕괴 가능성을 초래할 수 있다. 세굴은 교량 붕괴의 주요 원인으로 기록되어 왔으며, 따라서 안전하고 비용 효율적인 교량 설계를 위해서는 세굴의 예측, 모니터링 및 완화가 가장 중요하다. 현재 교각 세굴 추정 방법은 계산에서 토질 매개변수에 대한 정보를 적절히 사용하지 않는다. 그러나 토질 매개변수는 다른 요인들 중에서도 세굴 과정에서 중요한 역할을 한다. 토질 매개변수 입력을 무시하면 교각 세굴 깊이를 상당히 과소평가하게 되고, 과도하게 비싼 교량 기초 설계로 이어진다. 더 정확한 세굴 예측 방법을 개발하기 위해서는 입도 분포, 광물 구성, 점착력, 안식각, 공극비와 같은 토질 매개변수의 영향을 체계적으로 조사하고 이를 세굴 예측 방정식에 통합하기 위한 매개변수 연구가 필요하다. 대부분의 발표된 세굴 연구는 축소된 실험실 실험을 활용했지만, 수치 시뮬레이션을 사용한 세굴 연구도 일부 제한적으로 이루어졌다. 수치 연구는 비용이 적게 들고 체계적인 매개변수 연구를 통해 다양한 시나리오를 조사할 기회를 제공한다.
본 논문에서는 기존 교량 세굴 이론 및 세굴 추정 방법에 대한 포괄적인 검토를 수행한다. 이어서 SSIIM 소프트웨어를 사용하여 교각 세굴의 수치 시뮬레이션을 수행한다. SSIIM을 사용하여 퇴적물 매개변수가 교각 세굴에 미치는 영향을 정량화하고 가장 적절한 세굴 예측 방법에 대한 권장 사항을 제공하기 위해 매개변수 연구를 수행한다. 본 논문에서 수행된 검토는 제어 메커니즘 및 교량에서 발생하는 세굴 유형을 포함한 기존 세굴 문헌을 다룬다. 관련 토양, 유체 및 구조적 요인과 세굴에 미치는 영향을 조사한다. 세굴에 가장 영향력 있는 토양 매개변수는 입자 크기, 안식각, 점착력으로 밝혀졌다. 그러나 현재 경험적 방법에서 고려되는 유일한 토양 매개변수는 입자 크기 또는 입도이다. 또한 평형 세굴 깊이와 세굴 속도를 추정하는 데 사용되는 일반적인 경험적 방정식에 대해 자세히 논의한다. 검토는 실험실 규모 연구, 수치 모델링, 그리고 인공 신경망과 같은 소프트 컴퓨팅 기술을 다룬다. 세굴 모니터링 기술과 세굴 완화를 위한 대책에 대한 간략한 논의도 이루어진다.
3. 서론:
교량에서의 세굴 과정과 영향을 이해하는 것은 안전하고 효율적인 엔지니어링 설계에 필수적이다. 세굴은 유체력으로 인해 해양 구조물 주변의 퇴적층 물질이 침식되거나 제거되는 것으로 정의된다. 시간이 지남에 따라 세굴 과정은 교량의 측면 저항력을 약화시키며, 교량 붕괴의 약 60%를 차지하는 원인이었다. Wardhana와 Hadiprio(2003)는 1989년에서 2000년 사이 미국에서 발생한 500건의 교량 붕괴 원인을 조사하여 주된 원인을 파악했다. 홍수와 세굴이 가장 큰 기여 요인으로, 교량 붕괴의 48.31%를 차지했다. 심각한 세굴은 유효 기초 깊이를 감소시키고 기초 푸팅을 노출시킨다. 본 장에서는 교량 기초에서의 세굴 속도와 평형 깊이를 예측하는 데 사용되는 이론과 방법을 논의한다. 토양, 유체, 구조물 간의 상호작용이 세굴 현상을 유발하고 제어한다. 이 세 가지 요소에서 비롯된 요인들의 영향과 상호작용을 연구하는 것은 교량 세굴을 이해하는 데 매우 중요하다. 실험실 테스트, 수치 시뮬레이션, 다양한 데이터 기반 알고리즘이 세굴 발생 방식과 추정 최적 관행을 조사하는 데 사용되어 왔다.
4. 연구 요약:
연구 주제의 배경:
교각 세굴은 교량 안전을 위협하는 가장 큰 요인 중 하나이다. 기존의 세굴 깊이 예측 공식들은 주로 유체역학적 변수와 구조물의 기하학적 형태에만 집중하며, 세굴 저항성의 핵심인 토질의 공학적 특성을 제대로 반영하지 못하는 한계가 있다. 이로 인해 예측의 정확도가 떨어져 과소 또는 과대 설계의 문제가 발생한다.
이전 연구 현황:
과거 연구들은 대부분 실험실 수조 실험을 통해 경험식을 개발하는 데 중점을 두었다. 일부 연구에서 토질의 입자 크기(D50)나 입도 분포를 고려했지만, 안식각이나 점착력과 같은 중요한 매개변수들은 거의 다루어지지 않았다. 최근 수치 모델링(CFD) 기술이 발전하면서 세굴 현상을 모사하려는 시도가 있었으나, 유체와 퇴적물 간의 복잡한 상호작용을 정확히 모델링하는 데에는 여전히 어려움이 있다.
연구 목적:
본 연구의 목적은 다음과 같다. 1. 수치 시뮬레이션을 통해 기존에 간과되었던 주요 토질 매개변수(안식각, 점착력)가 교각 세굴 깊이에 미치는 영향을 정량적으로 분석한다. 2. 시뮬레이션 결과를 바탕으로 현재 널리 사용되는 12개의 경험적 세굴 예측 공식의 성능을 평가한다. 3. 가장 정확하고 안전한 예측 방법을 제시하고, 향후 수치 모델링의 개선 방향을 논의한다.
핵심 연구:
본 연구는 CFD 소프트웨어 SSIIM을 사용하여 총 128가지 조건에 대한 교각 세굴 시뮬레이션을 수행했다. 4가지 다른 교각 직경과 2가지 유속 조건 하에서, 3가지 핵심 토질 매개변수인 입자 크기(D50), 안정 경사각, 점착력을 체계적으로 변화시키며 최대 세굴 깊이를 계산했다. 이 결과를 통해 각 매개변수의 민감도를 분석하고, 기존 경험식들의 예측 오차(SSE, UE)를 정량적으로 평가했다.
5. 연구 방법론
연구 설계:
본 연구는 수치 시뮬레이션을 기반으로 한 매개변수 연구로 설계되었다. 먼저 SSIIM 소프트웨어의 신뢰성을 확보하기 위해, 기존에 발표된 3가지 실험 연구(Roulund et al. 2005, Melville 1975, Ahmed and Rajaratnam 1998)의 결과를 수치적으로 재현하고 비교하는 검증 단계를 거쳤다. 검증 후, 교각 직경, 유속, 토질 매개변수를 조합한 총 128개의 가상 시나리오를 설정하여 매개변수 연구를 수행했다.
데이터 수집 및 분석 방법:
데이터 생성: SSIIM 2.0 소프트웨어를 사용하여 각 시나리오에 대한 3차원 CFD 및 퇴적물 이동 시뮬레이션을 수행했다. 시간에 따른 세굴 깊이 변화를 기록하고, 최종 평형 세굴 깊이를 도출했다.
데이터 분석: 시뮬레이션으로 얻은 최대 세굴 깊이 데이터를 12개의 주요 경험식으로 계산한 예측값과 비교했다. 분석 지표로는 총 제곱 오차 합(SSE)과 과소예측 오차(UE)를 사용하여 각 공식의 정확성과 안전성을 평가했다. 또한, 안정 경사각과 점착력 변화에 따른 세굴 깊이의 변화율을 계산하여 그 영향을 정량화했다.
연구 주제 및 범위:
연구 주제: 원형 단일 교각 주변에서 발생하는 국부 세굴(Local Pier Scour)
연구 범위:
유동 조건: 유사 이동이 없는 청수 세굴(Clear-water scour) 조건
토질: 균일한 입경의 깨끗한 모래(Clean sands)
주요 변수: 교각 직경(4종), 유속 강도(2종), 토질 입자 크기(10종), 안정 경사각(5종), 점착력(5종)
6. 주요 결과:
주요 결과:
안정 경사각의 영향: 안정 경사각은 세굴 깊이에 지대한 영향을 미쳤다. 기준 각도 30° 대비 40°에서는 세굴 깊이가 최대 +145.1% 증가했고, 20°에서는 최대 -41.9% 감소했다.
점착력의 영향: 소량의 점착력(0.5 Pa)만으로도 세굴 깊이가 평균 90.9% 감소하여, 점착력이 세굴을 억제하는 데 매우 효과적임을 확인했다.
경험식 성능 평가: 12개 경험식 중 TAMU(Texas A&M University) 방법이 과소예측 없이 SSIIM 결과와 가장 근접한 예측을 제공하여 최상의 성능을 보였다. 반면, 일부 널리 사용되는 공식들은 특정 조건에서 세굴 깊이를 심각하게 과소예측할 위험이 있었다.
수치 모델링의 한계 및 가능성: SSIIM은 최대 세굴 깊이를 성공적으로 예측했지만, 미세 입자의 초기 침식률 모사나 안식각 효과를 통합적으로 모델링하는 데에는 한계를 보였다. 이는 향후 더 정교한 퇴적물 수치 모델 개발의 필요성을 시사한다.
Figure 3.19: Model 3b scour depth versus D50 with empirical equations
Figure List:
Figure 1.1: Scoured bridge foundation (MTO 1997)
Figure 1.2: Flow and scouring at a contraction (MTO 1997)
Figure 1.3: Flow and scour at single pier (Akib et al. 2014)
Figure 1.4: Flow and local scour at abutment (Richardson and Davis 2001)
Figure 1.5: Live-bed and clear-water scour over time (Richardson and Davis 2001)
Figure 1.6: Live-bed and clear-water scour comparison on time (Melville 1999)
Figure 1.7: Forces acting on a bed sediment particle (Van Rijn 1993)
Figure 1.8: Difference between scour in sands and clays (Wang et al. 2017)
Figure 1.9: Critical shear stress as a function of mean grain size (Briaud et al. 2011)
Figure 1.10: Critical velocity as a function of mean grain size (Briaud et al. 2011)
Figure 1.11: Erosion rates versus flow velocity for soils (Briaud et al. 2011)
Figure 1.12: Erosion rates versus applied shear stress for soils (Briaud et al. 2011)
Figure 1.13: Erosion function plot from EFA (Briaud et al. 2001a)
Figure 1.14: EFA detail (Briaud et al. 2001a)
Figure 1.15: Open channel flow profile (Van Rijn 1993)
Figure 3.1: Inlet and outlet erosion in model 1b (flow towards right)
Figure 3.2: Model 1a scour depth versus time
Figure 3.3: Model 1b scour depth versus time
Figure 3.4: Model 2a scour depth versus time
Figure 3.5: Model 2b scour depth versus time
Figure 3.6: Model 3a scour depth versus time
Figure 3.7: Model 3b scour depth versus time
Figure 3.8: Model 4a scour depth versus time
Figure 3.9: Model 4b scour depth versus time
Figure 3.10: Scour depth versus time for D50 = 1 mm
Figure 3.11: Scour depth versus time for D50 = 0.05 mm
Figure 3.12: Scour depth versus stable slope angle for all models
Figure 3.13: Scour depth versus D50 for all models
Figure 3.14: Model 1a scour depth versus D50 with empirical equations
Figure 3.15: Model 1b scour depth versus D50 with empirical equations
Figure 3.16: Model 2a scour depth versus D50 with empirical equations
Figure 3.17: Model 2b scour depth versus D50 with empirical equations
Figure 3.18: Model 3a scour depth versus D50 with empirical equations
Figure 3.19: Model 3b scour depth versus D50 with empirical equations
Figure 3.20: Model 4a scour depth versus D50 with empirical equations
Figure 3.21: Model 4b scour depth versus D50 with empirical equations
Figure 3.22: Scour depth versus stable slope angle for all models
Figure 3.23: SSE and UE for empirical pier scour equations
Figure 3.24: Live bed scour in model 1b
7. 결론:
본 논문은 교량 기초에서 발생하는 수축 및 국부 세굴에 대한 검토를 다루었다. 세굴 이론과 예측 방법은 영향 요인과 함께 상세히 논의되었다. 연구 범위는 교각에서의 국부 세굴 깊이 예측을 다루는 데 초점을 맞췄다. 교량 세굴 예측을 위한 기존 방법의 주요 격차는 입자 크기 이외의 토질 매개변수를 고려하지 않는다는 점이었다. Sheppard/Melville(2011) 및 HEC-18 방정식과 같은 방법은 좋은 성능을 보였지만, 토질 매개변수를 통합함으로써 크게 개선될 수 있다. 발표된 문헌을 검토한 결과, 세굴에 가장 중요한 토질 매개변수는 입자 크기, 입도, 점착력, 안식각임이 밝혀졌다. 이러한 토질 매개변수들은 운동 시작, 침식 거동, 그리고 교각에서의 최대 세굴 깊이를 제어하는 세굴 구멍의 모양을 제어하는 것으로 밝혀졌다. 더욱이, 대부분의 방법은 제한된 실험 시나리오에서 파생되었으며, 이로 인해 더 큰 구조물로 현장 세굴을 예측할 때 스케일링 효과가 부정확성을 유발한다. 따라서 현재의 설계 방법은 세굴을 과도하게 예측하여 비싼 건설 비용을 초래하는 경향이 있다. 또한, 토질 매개변수 입력의 부족은 세굴 깊이의 과소예측으로 이어져 세굴이 교량 붕괴의 가장 흔한 원인이 되었다. 더 나은 세굴 예측 방법을 개발하기 위해서는 토질 매개변수가 세굴 깊이에 미치는 영향에 대한 추가 연구가 필요했다.
8. 참고 문헌:
Lancaster, J. F., 1984, The physics of welding, Physics in Technology, 15:73-79.
Kou, S., 2003, Fusion welding processes, In: Welding Technology, 2nd Ed., John Willey & Sons Inc., NJ, USA, pp.3-36.
Steen, W.M., Mazumder, J., 2010, Laser welding: laser material processing, 4th Ed., Springer-Verlag London Limited, UK, pp. 199-250.
Merchant, V., Laser beam welding, In: Ahmed, N., editor, New developments in advanced welding, 1st Ed., Woodhead Publishing Limited, Cambridge, UK, pp. 83-84.
Kugler, T.R., 2001, Fusion front penetration: Conduction Welding, In: Ready, J.F., editor, LIA handbook of laser materials processing, 1st Ed., Magnolia Publishing Inc., FL, USA, pp. 310-312.
Matsunawa, A., 2002, Science of laser welding-mechanisms of keyhole and pool dynamics. In: ICALEO 2002 proceedings, Phoenix, LIA, Orlando, paper: 101.
Lacroix, D., Jeandel, G., Boudot, C., 1996, Spectroscopic studies of laser-induced plume during welding with a Nd:YAG laser, In: Proceedings of SPIE, 2789, pp. 221–227.
Dumord, E., Jouvard, J.M., Grevey, D., 1996, Keyhole modeling during CW Nd:YAG laser welding, In: Proceedings of SPIE, 2789, pp. 213–220.
Berkmanns, J., Faerber, M., 2005, Facts about laser technology: laser welding, http://www.laserdeal.com/, access date: January 20, 2012.
Coherent Inc., 2004, High speed welding of metals with diamond CO2 laser – stainless steels, Technical Note, http://www.coherent.de/, access date: November 15, 2011.
LWS, 2006, A technical report on the LWS flexcell cladding system, http://www.laserweldingsolutions.com/, access date: April 01, 2009.
Shannon, G., 2009, Source selection for laser welding, http://www.industrial-lasers.com/, access date: April 01, 2009.
Faerber, M., Berkmanns, J., 1996, Gases for increased laser welding productivity, In: Proceedings of the ISATA Conference, pp. 791–798.
Schuberth S, Schedin E, Fröhlich T, Ratte E., 2008, Next generation vehicle – engineering guidelines for stainless steel in automotive applications, In: Proceedings of the 6th stainless steel science and market conference, Helsinki, Finland.
Kou, S., 2003, Weld metal solidification, In: Welding Technology, 2nd Ed., John Willey & Sons Inc., NJ, USA, pp.199-207.
Han, W., 2004, Computational and experimental investigations of laser drilling and welding for microelectronic packaging, Ph.D. Dissertation, Worcester Polytechnic Institute, Worcester, MA, USA, pp. 85-87.
Buchfink, G., 2007, A world of possibilities – joining, In: Kammϋller, N.L., editor, The laser as a tool, 1st Ed., Vogel Buchverlag, Wϋrzburg, Germany, pp. 166-167.
ISO13919-1:1996, Welding – Electrons and laser beam welded joints – guidance on quality levels for imperfections – Part I: Steel, pp. 4-13.
Zhang, Y.M., Kovacevic, R., Li, L., 1996, Characterization and real time measurement of geometrical appearance of the weld pool. International Journal of Machine Tools and Manufacture, 36(7):799–816.
Bull, C.E., Stacey, K.A., Calcraft, R., 1993, Online weld monitoring using ultrasonic. Journal of Non-destructive Test, 35(2):57–64.
Tarng, Y.S., Yang, W.H., 1998, Optimization of the weld bead geometry in gas Tungsten Arc welding by the Taguchi Method. Journal of Advanced Manufacturing Technology, 14:549–54.
Benyounis, K.Y.,Olabi, A.G.,Hasmi, M.S.J., 2008, Multi-response optimization of CO2 laser welding process of austenitic stainless steel, Optics & Laser Technology, 40:76–87.
Antony, J., 2003, Introduction to industrial experimentation, In: Design of Experiments for Engineers and Scientists, Elsevier Publishing Solutions, USA, pp. 1-4.
Sudnik, W., Radaj, D., Erofeev, W., 1996, Computerized simulation of laser beam welding, modeling and verification, Journal of Physics D: Applied Physics, 29:2811-2817.
Arata, Y., Miyamoto, I., 1972, Heat processing by CO2 laser, Journal of Japan Welding Society, 41:81.
Swift-Hook, D.T., Gick, A.E.F., 1973, Penetration welding with lasers, Welding Journal Research Supplement, 52:492s–9s.
Steen, W.M., Dowden, J., Davis, M., Kapadia, P., 1988, A point and line source model of laser keyhole welding, Journal of Physics D, 21:1255–60.
Dowden, J., Davis, M., Kapadia, P., 1983, Some aspects of the fluid-dynamics of laser-welding. Journal of Fluid Mechanics, 126:123–46.
Ducharme, R., Kapadia, P., Dowden, J., 1993, A mathematical model of the defocusing of laser light above a workpiece in laser material processing. In: Farson, D., Steen, W., Miyamoto, I., editors, Proceedings of ICALEO’92, LIA, Orlando: Laser Institution of America, 75:187–97.
Kaplan, A., 1994, A model of deep penetration laser welding based on calculation of the keyhole profile, Journal of Physics D: Applied Physics, 27(9):1805–1814.
Klemens, P.G., 1976, Heat balance and flow conditions for electron beam and laser welding, Journal of Applied Physics, 47(5):2165–2174.
Chande, T., Mazumder, J., 1984, Estimating effects of processing conditions and variable properties upon pool shape, cooling rates, and absorption coefficient in laser welding, Journal of Applied Physics, 56:1981–6.
Borland, J.C., 1960, Generalized theory of super-solidus cracking in welds (and castings), British Welding Journal, 7: 508–512.
Hemsworth, B., Boniszewski, T., Eaton, N.F., 1969, Classification and definition of high temperature welding cracks in alloys, Metal Construction and British Welding Journal, 2:5–16.
Hoffmann, P., Geiger, M., 1995, Recent developments in laser system technology for welding applications, Annals of the CIRP, 44(1):151-156.
Weichiat, C., Paul, A., Pal, M., 2009, CO2 laser welding of galvanized steel sheets using vent holes, Materials and Design, 30:245–251.
Lippold, J.C., Kotecki, D.J., 2005, Welding metallurgy and weldability of stainless steel, 1st ed., John Willey & Sons, NJ, USA, pp. 63-70.
Brooks, J.A., Garrison, W.M., 1999, Weld microstructure development and properties of precipitation-strengthened martensitic stainless steels, Welding Journal, 78(8): 280s -291s
Tzeng, Y.F., 2000, Parametric analysis of the pulsed Nd:YAG laser seam-welding process, Journal of Materials Processing Technology, 102: 40-47.
Hector Jr., L.G., Chen, Y.-L., Agarwal, S., Briant. C.L., 2004, Texture characterization of autogenous Nd: YAG laser welds in AA5182-O and AA6111-T4 aluminum alloys, Metall. and Mater. Trans A, 35A:3032-3038.
Al-kazzaz, H., Medraj, M., Cao, X., Jahazi, M., Xiao, M., 2005, Effects of welding speed on Nd:YAG laser weldability of ZE41A-T5 magnesium sand castings, Proceeding of 44th annual conference of metallurgists of CIM, Light Metals:137-149.
Huang, R. S., Kang, L., Ma, X., 2008, Microstructure and phase composition of a low-power YAG laser-MAG welded stainless steel joint, Journal of Materials Engineering and Performance, 17:928–935.
Liu, Q.S., Mahdavian, S.M., Aswin, D., Ding, S., 2009, Experimental study of temperature and clamping force during Nd:YAG laser butt welding, Optics & Laser Technology,41(6):794-799
Berzins, M., Childs, T.H.C., Ryder, G.R., 1996, The selective laser sintering of polycarbonate, Annals of the CIRP, 45(1):187–190.
Childs, T.H.C., Berzins, M., Ryder, G.R., Tontowi, A.E., 1999, Selective laser sintering of an amorphous polymer: simulations and experiments. Proc. IMechE, Part B: J. Engineering Manufacture, 213:333-349.
Jin, X., Li, L., 2004, An experimental study on the keyhole shapes in laser deep penetration welding, Optics and Lasers in Engineering, 41: 779–790.
Sudnik, W., Radaj, D., Breitschwerdt, S., Erofeew, W., 2000, Numerical simulation of weld pool geometry in laser beam welding, J. Phys. D: Appl. Phys. 33: 662–671.
Antony, J., 2003, Systematic Methodology for design of experiment: Design of Experiment for Engineers and Scientists, 1st Ed., Butterworth-Heinemann Publication, MA, USA, pp. 38-39.
Kurt, B., Orhan, N., Somunkiran, I., Kaya, M., 2009, The effect of austenitic interface layer on microstructure of AISI 420 martensitic stainless steel joined by keyhole PTA welding process, Materials and Design, 30:661–664.
Ping, D.H., Ohnuma, M., Hirakawa, Y., Kadoya, Y., Hono, K., 2005, Microstructural evolution in 13Cr–8Ni–2.5Mo–2Al martensitic precipitation-hardened stainless steel, Materials Science and Engineering A, 394:285–295
Berretta, J.R., de Rossi, W., Neves, M.D.M., de Almeida, I.A., Junior, N.D.V., 2007, Pulsed Nd:YAG laser welding of AISI 304 to AISI 420 stainless steels, Optics and Lasers in Engineering, 45:960–966.
Srinivasan, P.B., 2008, Effect of laser beam mode on the microstructural evolution in AISI 410 martensitic stainless steel welds, Lasers in Engineering, 18:351–359.
Rajasekhar, A., Reddy, G.M., Mohandas, T., Murti, V.S.R., 2009, Influence of austenitizing temperature on microstructure and mechanical properties of AISI 431 martensitic stainless steel electron beam welds, Materials and Design, 30:1612–1624.
Sharifitabar, M., Halvaee, A., 2010, Resistance upset butt welding of austenitic to martensitic stainless steels, Materials and Design, 31(6):3044–3050.
Gualco, A., Svoboda, H.G., Surian, E.S., de Vedia, L. A., 2010, Effect of welding procedure on wear behaviour of a modified martensitic tool steel hardfacing deposit, Materials and Design, 31:4165–4173
Khan MMA, Romoli L, Fiaschi M, Dini G, Sarri F., 2010, Experimental investigation on laser beam welding of martensitic stainless steels in a constrained overlap joint configuration, Journal of Material Processing Technology,210:1340–53
Kou, S., 2002, Welding metallurgy, 2nd ed. John Willey & Sons Inc., NJ, USA, pp. 143- 169.
Nakagawa H, Matsuda F, Uehara T, Katayama S, Arata Y. A., 1979, New explanation for role of delta ferrite improving weld solidification crack susceptibility in austenitic stainless steel, Trans Jpn Weld Res Inst. 8:105–12.
Huang, Q., Hagstroem, J., Skoog, H., Kullberg, G., 1991, Effect of laser parameter variation on sheet metal welding, Int. J. Join. Mater., 3:79–88.
Benyounis, K.Y., Olabi., A.G., 2008, Optimization of different welding processes using statistical and numerical approaches – A reference guide, Advances in Engineering Software, 39:483–496.
Montgomery, D.C., 2004, Design and Analysis of Experiments, 6th ed. John Wiley and Sons, Inc., New York.
Yang, Y.K., Chuang, M.T. Lin, S.S., 2009, Optimization of dry machining parameters for high-purity graphite in end milling process via design of experiments methods, Journal of Materials Processing Technology, 209:4395– 4400.
Douglass, D.M., Wu, C.Y., 2003, Laser welding of polyolefin elastomers to thermoplastic polyolefin, In: Proceedings of the 22nd international Congress on applications of lasers & electro-optics, Jacksonville, Florida, USA, 95:118–23.
Koganti, R., Karas, C., Joaquin, A., Henderson, D., Zaluzec, M., Caliskan, A., 2003, Metal inert gas (MIG) welding process optimization for joining aluminum sheet material using OTC/DAIHEN equipment, In: Proceedings of IMECE’03, November 15–21, Washington [DC]: ASME International Mechanical Engineering Congress, pp. 409–425.
Balasubramanian, V., Guha, B., 2004, Fatigue life prediction of load carrying cruciform joints of pressure vessel steel by statistical tools. J Mater Des, 25:615–623.
Cicala, E., Duffet, G., Andrzjewski, H., Grevey, D., 2005, Optimization of T-joint properties in Al-Mg-Si alloy laser welding, 24th International Congress on Applications of Lasers and Electro-Optics, ICALEO: 543-548.
Kim, C., Choi, W., Kim, J., Rhee, S., 2008, Relationship between the weldability and the Process parameters for laser-TIG Hybrid welding of galvanized steel sheets, Materials Transactions, 49:179-186.
Datta, S., Bandyaopadhyay, A., Pal, P.K., 2008, Modeling and optimization of features of bead geometry including percentage dilution in submerged arc welding using mixture of fresh flux and fused slag, Int. J. Adv. Manuf. Technol., 36:1080–1090.
Sarsılmaz, F., Çaydaş, U., 2009, Statistical analysis on mechanical properties of friction-stir-welded AA 1050/AA 5083 couples, Int. J. Adv. Manuf. Technol., 43:248–255.
Khan M.M.A., Romoli L., Fiaschi M., Sarri F., Dini G., 2010, Experimental investigation on laser beam welding of martensitic stainless steels in a constrained overlap joint configuration, Journal of Materials Processing Technology, 210(10):1340-1353.
Zulkali, M.M.D., Ahmad, A.L., Norulakmal, N.H., 2006, Oryza sativa L. husk as heavy metal adsorbent: optimization with lead as model solution, Bioresour. Technol., 97:21–25.
Sun, Z., 1996, Feasibility of producing ferritic/austenitic dissimilar metal joints by high energy density laser beam process, International Journal of Pressure Vessels and Piping, 68:153-160.
Katayama, S., 2004, Laser welding of aluminium alloys and dissimilar metals, Weld International, 18(8):618–25.
Kaiser, E., Schafer, P., 2005, Pulse sharpening optimizes the quality of seam and spot welds. In: Lasers in manufacturing, proceeding of the third international WLT conference on lasers in manufacturing, pp. 695–698.
Li, Z., Fontana, G., 1998, Autogenous laser welding of stainless steel to free-cutting steel for the manufacture of hydraulic valves, Journal of Materials Processing Technology, 74:174–182.
Mai, T.A., Spowage, A.C., 2004, Characterisation of dissimilar joints in laser welding of steel–kovar, copper–steel and copper–aluminium, Materials Science and Engineering: A, 374:224–233.
Liu, X.B., Yu, G., Pang, M., Fan, J.W., Wang, H.H., Zheng, C.Y., 2007, Dissimilar autogenous full penetration welding of superalloy K418 and 42CrMo steel by a high power CW Nd:YAG laser, Applied Surface Science, 253:7281–7289.
Mousavi, S.A.A.A., Sufizadeh, A.R., 2009, Metallurgical investigations of pulsed Nd:YAG laser welding of AISI 321 and AISI 630 stainless steels, Materials and Design, 30:3150–3157.
Pekkarinen, J., Kujanpää, V., 2010, The effects of laser welding parameters on the microstructure of ferritic and duplex stainless steels welds, Physics Procedia, 5:517–523.
Allabhakshi, S., Madhusudhan Reddy, G., Ramarao, V.V., Phani Babu, C., Ramachandran, C.S., 2002, Studies on weld overlaying of austenitic stainless steel (AISI 304) with ferritic stainless steel (AISI 430). In: Proceedings of the national welding conference, Indian Institute of Welding, Chennai, India, Paper 8.
Pan, C., Zhang, E., 1996, Morphologies of the transition region in dissimilar austenitic–ferritic welds, Material Characterization, 36(1):5–10.
Wang, S. C., Wang, C., Tu, Y. K., Hwang, C. J., Chi, S., Wang, W. H., Cheng, W. H., 1996, Effect of Au coating on joint strength in laser welding for invar-invar packages, Electronic Components and Technology Conference, IEEE, pp. 942-945.
Cui, C., Hu, J., Gao, K., Pang, S., Yang, Y., Wang, H., Guo, Z., 2008, Effects of process parameters on weld metal keyhole characteristics with COR2R laser butt welding, Lasers in Engineering, 18:319–327.
Steem WM, Mazumder J, 2010, laser material processing, Springer-Verlag London limited, London.
Mackwood AP, Crafer RC, 2005, Thermal modeling of laser welding and related processes: a literature review, Opt Laser Technol, 37:99–115
Sun Z, Kuo M, 1998, Bridging the joint gap with wire feed laser welding, J Mater Process Technol, 87:213–222
Liu X-B, Yu G,Guo J, Gu Y-J, Pang M, Zheng C-Y, Wang H-H, 2008, Research on laser welding of cast Ni-based superalloy K418 turbo disk and alloy steel 42CrMo shaft, J Alloy Comp, 453(1–2):371–378.
Juang SC, Tarng YS, 2002, Process parameter selection for optimizing the weld pool geometry in the tungsten inert gas welding of stainless steel, J Mater Process Technol, 122:33–37
Marya M, Edwards G, Marya S, Olson DL, 2001, Fundamentals in the fusion welding of magnesium and its alloys. In: Proceedings of the seventh JWS international symposium. pp. 597–602.
Haferkamp H, Niemeyer M, Dilthey U, Trager G, 2000, Laser and electron beam welding of magnesium materials, Weld Cutt 52(8):178–80.
Haferkamp H, Bach Fr-W, Burmester I, Kreutzburg K, Niemeyer M, 1996, Nd:YAG laser beam welding of magnesium constructions. In: Proceedings of the third international magnesium conference. pp. 89–98.
Benyounis KY, Olabi AG, Hashmi MSJ, 2005, Effect of laser welding parameters on the heat input and weld-bead profile, J Mater Process Technol, 164-165:978–985.
Manonmani K, Murugan N, Buvanasekaran G, 2007, Effects of process parameters on the bead geometry of laser beam butt welded stainless steel sheets, J Adv Manuf Technol, 32(11-12):1125-1133.
Elangovan K, Balasubramanian V, 2008, Developing an empirical relationship to predict tensile strength of friction stir welded AA2219 aluminium alloy joints, J Mater Eng Perform, 17:820–830.
Moradi M, Ghoreishi M, 2010, Influences of laser welding parameters on the geometric profile of NI-base superalloy Rene 80 weld-bead, Int J Adv Manuf Technol, doi: 10.1007/s00170-010-3036-1.
Padmanaban G, Balasubramanian V, 2010, Optimization of laser beam welding process parameters to attain maximum tensile strength in AZ31B magnesium alloy, Opt Laser Technol, 42:1253–1260
Rajakumar S, Muralidharan C, Balasubramanian V, 2010, Optimization of the friction-stir-welding process and the tool parameters to attain a maximum tensile strength of AA7075-T6 aluminium alloy, J Eng Manuf, 224:1175–1191.
Ruggiero A, Tricarico L, Olabi AG, Benyounis KY, 2011, Weld-bead profile and costs optimization of the CO2 dissimilar laser welding process of low carbon steel and austenitic steel AISI316, Opt Laser Technol, 43:82–90.
Myers RH, Montgomery DC, 2002, Response Surface Methodology: Process and Product Optimization Using Designed Experiments, Wiley, New York.
Robinson TJ, Wulff SS, 2006, Response surface approaches to robust parameter design. In: Khuri AI (ed) Response surface methodology and related topics, World Scientific, Singapore, pp. 123-157.
Gunaraj V, Murugan N, 1999, Application of response surface methodologies for predicting weld base quality in submerged arc welding of pipes, J Mater Process Technol, 88:266–275.
Chang W. S., Na S.J., 2002, A study on the prediction of the laser weld shape with varying heat source equations and the thermal distortion of a small structure in micro-joining, Journal of Material Processing Technology, 120:208 – 214.
Goldak J. A., Chakravarti M. B., 1984, A new finite element model for welding heat source, Metallurgical and Materials Transactions B, 15B:299–305.
Su W., Haiyan Z., Yu W., Xiaohong Z., 2004, A new heat source model in numerical simulation of high energy beam welding, Transaction China Welding Institute, 25:91–94.
Kazemi K., Goldak J. A., 2009, Numerical simulation of laser full penetration welding, Computational Materials Science, 44:841–849
Siva Shanmugam N., Buvanashekaran G., Sankaranarayanasamy K., 2012, Some studies on weld bead geometries for laser spot welding process using finite element analysis, Materials and Design, 34:412–426
Balasubramanian K.R., Siva Shanmugam N., Buvanashekaran G., Sankaranarayanasamy K., 2008, Numerical and experimental investigation of laser beam welding of AISI 304 stainless steel sheet, Advances in Production Engineering and Management, 3(2):93–105
Sabbaghzadeh J., Azizi M., Torkamany M.J., 2008, Numerical and experimental investigation of seam welding with a pulsed laser. Journal of Optics and Laser Technology, 40:289–296
Kruth J.P., Froyen L., Rombouts M., Van Vaerenbergh J., Mercells P., 2003, New Ferro Powder for Selective Laser Sintering of Dense Parts, CIRP Annals – Manufacturing Technology, 52/1: 139–142.
Romoli L., Tantussi G., Dini G., 2007, Layered Laser Vaporization of PMMA Manufacturing 3D Mould Cavities, CIRP Annals -Manufacturing Technology, 56/1: 209-212.
Vollertsen F., Walther R., 2008, Energy balance in laser-based free form heading, CIRP Annals – Manufacturing Technology 57/1: 291–294.
Mills K.C., Su Y., Li Z., Brooks R.F., 2004, Equations for the Calculation of the Thermo-physical Properties of Stainless Steel, ISIJ International, Vol. 44, No. 10, pp. 1661–1668.
Ahmad, N., Bihs, H., Myrhaug, D., Kamath, A., & Arntsen, Ø. (2018). Three-dimensional numerical modelling of wave-induced scour around piles in a side-by-side arrangement. Coastal Engineering (Amsterdam), 138, 132–151. https://doi.org/10.1016/j.coastaleng.2018.04.016
Ahmed, F., & Rajaratnam, N. (1998). Flow around Bridge Piers. Journal of Hydraulic Engineering (New York, N.Y.), 124(3), 288–300. https://doi.org/10.1061/(ASCE)0733-9429(1998)124:3(288)
Akib, S., Jahangirzadeh, A., & Basser, H. (2014). Local scour around complex pier groups and combined piles at semi-integral bridge. Vodohospodársky Časopis, 62(2), 108–116. https://doi.org/10.2478/johh-2014-0015
Alemi, M., & Maia, R. (2018). Numerical Simulation of the Flow and Local Scour Process Around Single and Complex Bridge Piers. International Journal of Civil Engineering, 16(5), 475–487. https://doi.org/10.1007/s40999-016-0137-8
Amini Baghbadorani, D., Beheshti, A., & Ataie-Ashtiani, B. (2017). Scour hole depth prediction around pile groups: review, comparison of existing methods, and proposition of a new approach. Natural Hazards (Dordrecht), 88(2), 977–1001. https://doi.org/10.1007/s11069-017-2900-9
Amini, A., Melville, B., Ali, T., & Ghazali, A. (2012). Clear-Water Local Scour around Pile Groups in Shallow-Water Flow. Journal of Hydraulic Engineering (New York, N.Y.), 138(2), 177–185. https://doi.org/10.1061/(ASCE)HY.1943-7900.0000488
Annandale, G. (1995). Erodibility. Journal of Hydraulic Research. 33. 471-494.
Annandale, G., Smith, S., Nairns, R., & Jones, J. (1996). Scour power. Civil Engineering (New York, N.Y. 1983), 66(7), 58–60.
Annandale, G. (2000). Prediction of scour at bridge pier foundations founded on rock and other earth materials. Transportation Research Record, 2(1696), 67–70.
Ataie-Ashtiani, B., & Beheshti, A. (2006). Experimental Investigation of Clear-Water Local Scour at Pile Groups. Journal of Hydraulic Engineering (New York, N.Y.), 132(10), 1100–1104. https://doi.org/10.1061/(ASCE)0733-9429(2006)132:10(1100)
Ataie-Ashtiani, B., Baratian-Ghorghi, Z., & Beheshti, A. (2010). Experimental Investigation of Clear-Water Local Scour of Compound Piers. Journal of Hydraulic Engineering (New York, N.Y.), 136(6), 343–351. https://doi.org/10.1061/(ASCE)0733-9429(2010)136:6(343)
Babu, M., Sundar, V., & Rao, S. (2003). Measurement of scour in cohesive soils around a vertical pile – simplified instrumentation and regression analysis. IEEE Journal of Oceanic Engineering, 28(1), 106–116. https://doi.org/10.1109/JOE.2002.808198
Barbhuiya, A., & Dey, S. (2004). Local scour at abutments: A review. Sadhana (Bangalore), 29(5), 449–476. https://doi.org/10.1007/BF02703255
Bieniawski, Z. T. (1989). Engineering rock mass classifications: a complete manual for engineers and geologists in mining, civil, and petroleum engineering. John Wiley & Sons.
Bierawski, L., & Maeno, S. (2006). DEM-FEM Model of Highly Saturated Soil Motion Due to Seepage Force. Journal of Waterway, Port, Coastal, and Ocean Engineering, 132(5), 401–409. https://doi.org/10.1061/(ASCE)0733-950X(2006)132:5(401)
Bonnefille, R. (1963). Essais de synthese des lois du début d’entrainement des sédiments sous l’action d’un courant en regime continu. Bull. du Centre de Rech. et d’ess. de Chatou. 5. 17-22.
Brandimarte, L., Montanari, A., Briaud, J., & D’Odorico, P. (2006). Stochastic Flow Analysis for Predicting River Scour of Cohesive Soils. Journal of Hydraulic Engineering (New York, N.Y.), 132(5), 493–500. https://doi.org/10.1061/(ASCE)0733-9429(2006)132:5(493)
Breusers H N C 1963 Discussion of ’Sediment transportation mechanics: erosion of sediment’ by Task Force on Preparation of Sedimentation Manual.J. Hydraul. Div, Am. Soc. Civ. Eng. 89: 277–281
Breusers, H., Nicollet, G., & Shen, H. (1977). Local Scour Around Cylindrical Piers. Journal of Hydraulic Research, 15(3), 211–252. https://doi.org/10.1080/00221687709499645
Briaud, J., Ting, F., Chen, H., Gudavalli, R., Perugu, S., & Wei, G. (1999). SRICOS: Prediction of Scour Rate in Cohesive Soils at Bridge Piers. Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering, 125(4), 237–246. https://doi.org/10.1061/(ASCE)1090-0241(1999)125:4(237)
Briaud, J., Ting, F., Chen, H., Cao, Y., Han, S., & Kwak, K. (2001a). Erosion Function Apparatus for Scour Rate Predictions. Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering, 127(2), 105–113. https://doi.org/10.1061/(ASCE)1090-0241(2001)127:2(105)
Briaud, J., Chen, H., Kwak, K., Han, S., & Ting, F. (2001b). Multiflood and Multilayer Method for Scour Rate Prediction at Bridge Piers. Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering, 127(2), 114–125. https://doi.org/10.1061/(ASCE)1090-0241(2001)127:2(114)
Briaud, J., Chen, H., Li, Y., & Nurtjahyo, P. (2004). SRICOS-EFA Method for Complex Piers in Fine-Grained Soils. Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering, 130(11), 1180–1191. https://doi.org/10.1061/(ASCE)1090-0241(2004)130:11(1180)
Briaud, J., Chen, H., Li, Y., Nurtjahyo, P., & Wang, J. (2005). SRICOS-EFA Method for Contraction Scour in Fine-Grained Soils. Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering, 131(10), 1283–1294. https://doi.org/10.1061/(ASCE)1090-0241(2005)131:10(1283)
Briaud, J., Brandimarte, L., Wang, J., & D’Odorico, P. (2007). Probability of scour depth exceedance owing to hydrologic uncertainty. Georisk, 1(2), 77–88. https://doi.org/10.1080/17499510701398844
Briaud J.-L., Chen H.-C., Chang K.-A., Oh S.J., Chen S., Wang J., Li Y., Kwak K., Nartjaho P., Gudaralli R., Wei W., Pergu S., Cao Y.W., Ting F (2011). Summary Report: The SRICOS–EFA Method. Texas A&M University
Briaud, J., & Govindasamy, A. (2014). Application of the Observation Method for Scour to Two Texas Bridges. In Geo-Congress 2014 (pp. 2640–2654). https://doi.org/10.1061/9780784413272.255
Briaud, J., Gardoni, P., & Yao, C. (2014). Statistical, Risk, and Reliability Analyses of Bridge Scour. Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering, 140(2), 4013011–. https://doi.org/10.1061/(ASCE)GT.1943-5606.0000989
Briaud, J. (2015a). Scour Depth at Bridges: Method Including Soil Properties. I: Maximum Scour Depth Prediction. Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering, 141(2), 4014104–. https://doi.org/10.1061/(ASCE)GT.1943-5606.0001222
Briaud, J. (2015b). Scour Depth at Bridges: Method Including Soil Properties. II: Time Rate of Scour Prediction. Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering, 141(2), 4014105–. https://doi.org/10.1061/(ASCE)GT.1943-5606.0001223
Brooks, H. N. (1963), discussion of “Boundary Shear Stresses in Curved Trapezoidal Channels”, by A. T. Ippen and P. A. Drinker, ASCE Journal of Hydraulic Engineering, Vol. 89, No. HY3
Chen, G., Schafer, B., Lin, Z., Huang, Y., Suaznabar, O., Shen, J., & Kerenyi, K. (2015). Maximum scour depth based on magnetic field change in smart rocks for foundation stability evaluation of bridges. Structural Health Monitoring, 14(1), 86–99. https://doi.org/10.1177/1475921714554141
Chen, Q., Yang, Z., & Wu, H. (2019). Evolution of Turbulent Horseshoe Vortex System in Front of a Vertical Circular Cylinder in Open Channel. Water (Basel), 11(10), 2079–. https://doi.org/10.3390/w11102079
Chen, S., Tfwala, S., Wu, T., Chan, H., & Chou, H. (2018). A hooked-collar for bridge piers protection: Flow fields and scour. Water (Basel), 10(9), 1251–. https://doi.org/10.3390/w10091251
Cheng, Nian-Sheng. (2015). Representative Grain Size and Equivalent Roughness Height of a Sediment Bed. Journal of Hydrologic Engineering. 142. 10.1061/(ASCE)HY.1943-7900.0001069.
Chiew, Y., & Melville, B. (1987). Local scour around bridge piers. Journal of Hydraulic Research, 25(1), 15–26. https://doi.org/10.1080/00221688709499285
Coleman, S., Lauchlan, C., & Melville, B. (2003). Clear-water scour development at bridge abutments. Journal of Hydraulic Research, 41(5), 521–531. https://doi.org/10.1080/00221680309499997
Coleman, S. (2005). Clearwater Local Scour at Complex Piers. Journal of Hydraulic Engineering (New York, N.Y.), 131(4), 330–334. https://doi.org/10.1061/(ASCE)0733-9429(2005)131:4(330)
Dargahi, B. (1987). ‘‘Flow field and local scouring around a pier.’’ Bulletin No. TRITA-VBI-137, Hydraulic Laboratory, Royal Institute of Technology, Stockholm, Sweden.
Dargahi, B. (1989). The turbulent flow field around a circular cylinder. Experiments in Fluids, 8(1-2), 1–12. https://doi.org/10.1007/BF00203058
Dargahi, B. (1990). Controlling Mechanism of Local Scouring. Journal of Hydraulic Engineering (New York, N.Y.), 116(10), 1197–1214. https://doi.org/10.1061/(ASCE)0733-9429(1990)116:10(1197)
Debnath, K., Nikora, V., Aberle, J., Westrich, B., & Muste, M. (2007). Erosion of Cohesive Sediments: Resuspension, Bed Load, and Erosion Patterns from Field Experiments. Journal of Hydraulic Engineering (New York, N.Y.), 133(5), 508–520. https://doi.org/10.1061/(ASCE)0733-9429(2007)133:5(508)
Debnath, K., & Chaudhuri, S. (2010a). Bridge Pier Scour in Clay-Sand Mixed Sediments at Near-Threshold Velocity for Sand. Journal of Hydraulic Engineering (New York, N.Y.), 136(9), 597–609. https://doi.org/10.1061/(ASCE)HY.1943-7900.0000221
Debnath, K., & Chaudhuri, S. (2010b). Laboratory experiments on local scour around cylinder for clay and clay–sand mixed beds. Engineering Geology, 111(1), 51–61. https://doi.org/10.1016/j.enggeo.2009.12.003
Debnath, K., Chaudhuri, S., & Manik, M. (2014). Local scour around abutment in clay/sand-mixed cohesive sediment bed. ISH Journal of Hydraulic Engineering, 20(1), 46–64. https://doi.org/10.1080/09715010.2013.835103
Deng, L., & Cai, C. (2010). Bridge Scour: Prediction, Modeling, Monitoring, and Countermeasures—Review. Practice Periodical on Structural Design and Construction, 15(2), 125–134. https://doi.org/10.1061/(ASCE)SC.1943-5576.0000041
Dey, S. (1999). Time-variation of scour in the vicinity of circular piers. Proceedings of the Institution of Civil Engineers. Water, Maritime and Energy, 136(2), 67–75. https://doi.org/10.1680/iwtme.1999.31422
Dey, S. (2003) “Threshold of sediment motion on combined transverse and longitudinal sloping beds”, Journal of Hydraulic Research, Vol. 41, No. 4, pp. 405-415.
Ehteram, M., & Mahdavi Meymand, A. (2015). Numerical modeling of scour depth at side piers of the bridge. Journal of Computational and Applied Mathematics, 280, 68–79. https://doi.org/10.1016/j.cam.2014.11.039
Escauriaza, C., & Sotiropoulos, F. (2011). Initial stages of erosion and bed form development in a turbulent flow around a cylindrical pier. Journal of Geophysical Research: Earth Surface, 116(F3). https://doi.org/10.1029/2010JF001749
Ettema, R., Constantinescu, G., & Melville, B. (2017). Flow-Field Complexity and Design Estimation of Pier-Scour Depth: Sixty Years since Laursen and Toch. Journal of Hydraulic Engineering (New York, N.Y.), 143(9), 3117006–. https://doi.org/10.1061/(ASCE)HY.1943-7900.0001330
Froehlich, D.C. (1988) Analysis of On-Site Measurements of Scour at Piers. In: Abt, S.R. and Gessler, J., Eds., Hydraulic Engineering—Proceedings of the 1988 National Conference on Hydraulic Engineering, American Society of Civil Engineers, New York, 534-539.
Froehlich, D. C. (1989). Local scour at bridge abutments. In Proceedings of the 1989 national conference on hydraulic engineering (pp. 13-18).
Ge, L., & Sotiropoulos, F. (2005a). 3D Unsteady RANS Modeling of Complex Hydraulic Engineering Flows. I: Numerical Model. Journal of Hydraulic Engineering (New York, N.Y.), 131(9), 800–808. https://doi.org/10.1061/(ASCE)0733-9429(2005)131:9(800)
Ge, L., Lee, S., Sotiropoulos, F., & Sturm, T. (2005b). 3D Unsteady RANS Modeling of Complex Hydraulic Engineering Flows. II: Model Validation and Flow Physics. Journal of Hydraulic Engineering (New York, N.Y.), 131(9), 809–820. https://doi.org/10.1061/(ASCE)0733-9429(2005)131:9(809)
Govindasamy, A., Briaud, J., Kim, D., Olivera, F., Gardoni, P., & Delphia, J. (2013). Observation Method for Estimating Future Scour Depth at Existing Bridges. Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering, 139(7), 1165–1175. https://doi.org/10.1061/(ASCE)GT.1943-5606.0000838
Guan, D., Chiew, Y., Wei, M., & Hsieh, S. (2019). Characterization of horseshoe vortex in a developing scour hole at a cylindrical bridge pier. International Journal of Sediment Research, 34(2), 118–124. https://doi.org/10.1016/j.ijsrc.2018.07.001
Hamzah M. Beakawi Al-Hashemi, Omar S. Baghabra Al-Amoudi, A review on the angle of repose of granular materials, Powder Technology, Volume 330, 2018, Pages 397-417, ISSN 0032-5910, https://doi.org/10.1016/j.powtec.2018.02.003.
Huang, W., Yang, Q., & Xiao, H. (2009). CFD modeling of scale effects on turbulence flow and scour around bridge piers with Ansys-Fluent. Computers & Fluids, 38(5), 1050–1058. https://doi.org/10.1016/j.compfluid.2008.01.029
Ismail, A., Jeng, D., Zhang, L., & Zhang, J. (2013). Predictions of bridge scour: Application of a feed-forward neural network with an adaptive activation function. Engineering Applications of Artificial Intelligence, 26(5-6), 1540–1549. https://doi.org/10.1016/j.engappai.2012.12.011
Jahangirzadeh, A., Basser, H., Akib, S., Karami, H., Naji, S., & Shamshirband, S. (2014). Experimental and numerical investigation of the effect of different shapes of collars on the reduction of scour around a single bridge pier. PloS One, 9(6), e98592–e98592. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0098592
Jain, S. C. (1981). Maximum clear-water scour around circular piers. Journal of the Hydraulics Division, 107(5), 611-626.
Jain, S. C., and Fischer, E. E. (1979). “Scour around bridge piers at high Froude numbers.” FHWA-RD- 79-104, Federal Highway Administration, U.S. Dept. of Transportation, Washington, DC.
Jiang, H., Cheng, L., & An, H. (2017). On numerical aspects of simulating flow past a circular cylinder. International Journal for Numerical Methods in Fluids, 85(2), 113–132. https://doi.org/10.1002/fld.4376
Jones, J. S., & Sheppard, D. M. (2000). Local scour at complex pier geometries. In Building Partnerships (pp. 1-9).
Karami, H., Basser, H., Ardeshir, A., & Hosseini, S. (2014). Verification of numerical study of scour around spur dikes using experimental data. Water and Environment Journal: WEJ, 28(1), 124–134. https://doi.org/10.1111/wej.12019
Kaya, A. (2010). Artificial neural network study of observed pattern of scour depth around bridge piers. Computers and Geotechnics, 37(3), 413–418. https://doi.org/10.1016/j.compgeo.2009.10.003
Keaton, J. (2013). Estimating erodible rock durability and geotechnical parameters for scour analysis. Environmental & Engineering Geoscience, 19(4), 319–343. https://doi.org/10.2113/gseegeosci.19.4.319
Keaton, J. R. (2011). Modified Slake Durability Test Applicability for Soil. In International Symposium on Erosion and Landscape Evolution (ISELE), 18-21 September 2011, Anchorage, Alaska (p. 7). American Society of Agricultural and Biological Engineers.
Khalid, M., Muzzammil, M., & Alam, J. (2019). A reliability-based assessment of live bed scour at bridge piers. ISH Journal of Hydraulic Engineering, 1–8. https://doi.org/10.1080/09715010.2019.1584543
Khan, M., Azamathulla, H., Tufail, M., & Ab Ghani, A. (2012). Bridge pier scour prediction by gene expression programming. Proceedings of the Institution of Civil Engineers. Water Management, 165(9), 481–493. https://doi.org/10.1680/wama.11.00008
Kocaman, S., Seckin, G., & Erduran, K. (2010). 3D model for prediction of flow profiles around bridges. Journal of Hydraulic Research, 48(4), 521–525. https://doi.org/10.1080/00221686.2010.507340
Kumar, A., Kothyari, U., & Ranga Raju, K. (2012). Flow structure and scour around circular compound bridge piers – A review. Journal of Hydro-Environment Research, 6(4), 251–265. https://doi.org/10.1016/j.jher.2012.05.006
Lagasse PF, Clopper PE, Zevenbergen LW et al (2007) National cooperative highway research program (NCHRP Report 593): countermeasures to protect bridge piers from scour. Transportation research Board, Washington DC
Larras, J. (1963). Profondeurs Maximales d’Erosion des Fonds Mobiles Autour des Piles en Rivere. Ann. Ponts Chaussees, 133, 411-424.
Laursen, E. M., & Toch, A. (1956). Scour around bridge piers and abutments (Vol. 4). Ames, IA: Iowa Highway Research Board.
Laursen, E. M., 1960, Scour at Bridge Crossings, ASCE Hyd. Div. Jour., V 89, No. Hyd 3, May.
Laursen, E M. (1963) An analysis of relief bridge scour. [Journal Article]. ASCE Journal of Hydraulic Division, 89(HY3), 93-109.
LEE, T., JENG, D., ZHANG, G., & HONG, J. (2007). Neural network modeling for estimation of scour depth around bridge piers. Journal of Hydrodynamics. Series B, 19(3), 378–386. https://doi.org/10.1016/S1001-6058(07)60073-0
Liang, F., Wang, C., Huang, M., & Wang, Y. (2017). Experimental observations and evaluations of formulae for local scour at pile groups in steady currents. Marine Georesources & Geotechnology, 35(2), 245–255. https://doi.org/10.1080/1064119X.2016.1147510
Liang, F., Wang, C., & Yu, X. (2019). Widths, types, and configurations: Influences on scour behaviors of bridge foundations in non-cohesive soils. Marine Georesources & Geotechnology, 37(5), 578–588. https://doi.org/10.1080/1064119X.2018.1460644
Link, O., Mignot, E., Roux, S., Camenen, B., Escauriaza, C., Chauchat, J., Brevis, W., & Manfreda, S. (2019). Scour at bridge foundations in supercritical flows: An analysis of knowledge gaps. Water (Basel), 11(8), 1656–. https://doi.org/10.3390/w11081656
Lu, J., Hong, J., Su, C., Wang, C., & Lai, J. (2008). Field Measurements and Simulation of Bridge Scour Depth Variations during Floods. Journal of Hydraulic Engineering (New York, N.Y.), 134(6), 810–821. https://doi.org/10.1061/(ASCE)0733-9429(2008)134:6(810)
Manes, C., & Brocchini, M. (2015). Local scour around structures and the phenomenology of turbulence. Journal of Fluid Mechanics, 779, 309–324. https://doi.org/10.1017/jfm.2015.389
Melville, B. W. (1975). ‘‘Local scour at bridge sites.’’ Rep. No. 117, Dept. of Civil Engineering, School of Engrg., Univ. of Auckland, Auckland, New Zealand.
Melville, B., & Raudkivi, A. (1977). FLOW CHARACTERISTICS IN LOCAL SCOUR AT BRIDGE PIERS. Journal of Hydraulic Research, 15(4), 373–380. https://doi.org/10.1080/00221687709499641
Melville, B. (1984). Live-bed Scour at Bridge Piers. Journal of Hydraulic Engineering (New York, N.Y.), 110(9), 1234–1247. https://doi.org/10.1061/(ASCE)0733-9429(1984)110:9(1234)
Melville, B., & Sutherland, A. (1988). Design Method for Local Scour at Bridge Piers. Journal of Hydraulic Engineering (New York, N.Y.), 114(10), 1210–1226. https://doi.org/10.1061/(ASCE)0733-9429(1988)114:10(1210)
Melville, B. (1992). Local Scour at Bridge Abutments. Journal of Hydraulic Engineering (New York, N.Y.), 118(4), 615–631. https://doi.org/10.1061/(ASCE)0733-9429(1992)118:4(615)
Melville, B., & Raudkivi, A. (1996). Effects of Foundation Geometry on Bridge Pier Scour. Journal of Hydraulic Engineering (New York, N.Y.), 122(4), 203–209. https://doi.org/10.1061/(ASCE)0733-9429(1996)122:4(203)
Melville, B. (1997). Pier and Abutment Scour: Integrated Approach. Journal of Hydraulic Engineering (New York, N.Y.), 123(2), 125–136. https://doi.org/10.1061/(ASCE)0733-9429(1997)123:2(125)
Melville, B., & Chiew, Y. (1999). Time Scale for Local Scour at Bridge Piers. Journal of Hydraulic Engineering (New York, N.Y.), 125(1), 59–65. https://doi.org/10.1061/(ASCE)0733-9429(1999)125:1(59)
Melville, B. W., and Coleman, S. E. (2000). Bridge scour, Water Resources, Colo.
Ministry of Transportation of Ontario (MTO). 1997. Drainage Management Manual, Ministry of Transportation Ontario. Drainage and Hydrology Section, Transportation Engineering Branch, Quality and Standards Division.
Mohamed, T., Noor, M., Ghazali, A., & Huat, B. (2005). Validation of Some Bridge Pier Scour Formulae Using Field and Laboratory Data. American Journal of Environmental Sciences, 1(2), 119–125. https://doi.org/10.3844/ajessp.2005.119.125
Mohamed, Y., Abdel-Aal, G., Nasr-Allah, T., & Shawky, A. (2013). Experimental and theoretical investigations of scour at bridge abutment. Journal of King Saud University. Engineering Sciences, 28(1), 32–40. https://doi.org/10.1016/j.jksues.2013.09.005
Nagel, T., Chauchat, J., Bonamy, C., Liu, X., Cheng, Z., & Hsu, T. (2020). Three-dimensional scour simulations with a two-phase flow model. Advances in Water Resources, 138, 103544–. https://doi.org/10.1016/j.advwatres.2020.103544
Najafzadeh, M., Barani, G., & Hessami Kermani, M. (2013a). GMDH based back propagation algorithm to predict abutment scour in cohesive soils. Ocean Engineering, 59, 100–106. https://doi.org/10.1016/j.oceaneng.2012.12.006
Najafzadeh, M., Barani, G., & Azamathulla, H. (2013b). GMDH to predict scour depth around a pier in cohesive soils. Applied Ocean Research, 40, 35–41. https://doi.org/10.1016/j.apor.2012.12.004
Namaee, M., & Sui, J. (2019). Local scour around two side-by-side cylindrical bridge piers under ice-covered conditions. International Journal of Sediment Research, 34(4), 355–367. https://doi.org/10.1016/j.ijsrc.2018.11.007
Nasr-Allah, T., Moussa, Y., Abdel-Aal, G., & Awad, A. (2016). Experimental and numerical simulation of scour at bridge abutment provided with different arrangements of collars. Alexandria Engineering Journal, 55(2), 1455–1463. https://doi.org/10.1016/j.aej.2016.01.021
National Cooperative Highway Research Program, 2010b, “Estimation of Scour Depth at Bridge Abutments,” NCHRP Project 24-20, Draft Final Report, Transportation Research Board, National Academy of Science, Washington, D.C. (Ettema, R., T. Nakato, and M. Muste).
Neill, C. R. 1964. Local scour around bridge piers. Council of Alberta, Highway and River Eng. Div., Alberta, Canada.
Neill, C. R. (ed) (1973). RTAC Guide to Bridge Hydraulics, University of Toronto Press.
Nielsen, A., Liu, X., Sumer, B., & Fredsøe, J. (2013). Flow and bed shear stresses in scour protections around a pile in a current. Coastal Engineering (Amsterdam), 72, 20–38. https://doi.org/10.1016/j.coastaleng.2012.09.001
Olabarrieta, M., Medina, R., & Castanedo, S. (2010). Effects of wave–current interaction on the current profile. Coastal Engineering (Amsterdam), 57(7), 643–655. https://doi.org/10.1016/j.coastaleng.2010.02.003
Olsen, Nils Reidar B. (2018). SSIIM User’s Manual. Department Of Civil and Environmental Engineering the Norwegian University of Science and Technology
Olsen, Nils Reidar B. (1999). Class Notes: Computational; Fluid Dynamics in Hydraulic and Sedimentation Engineering. Department Of Civil and Environmental Engineering the Norwegian University of Science and Technology
Pal, M., Singh, N., & Tiwari, N. (2011). Support vector regression based modeling of pier scour using field data. Engineering Applications of Artificial Intelligence, 24(5), 911–916. https://doi.org/10.1016/j.engappai.2010.11.002
Pandey, M., Ahmad, Z., & Sharma, P. (2018). Scour around impermeable spur dikes: a review. ISH Journal of Hydraulic Engineering, 24(1), 25–44. https://doi.org/10.1080/09715010.2017.1342571
Park, C., Park, H., & Cho, Y. (2017). Evaluation of the applicability of pier local scour formulae using laboratory and field data. Marine Georesources & Geotechnology, 35(1), 1–7. https://doi.org/10.1080/1064119X.2014.954658
Patankar, S. V. (1980) “Numerical Heat Transfer and Fluid Flow”, McGraw-Hill Book Company New York
Qi, W., & Gao, F. (2014). Physical modeling of local scour development around a large-diameter monopile in combined waves and current. Coastal Engineering (Amsterdam), 83, 72–81. https://doi.org/10.1016/j.coastaleng.2013.10.007
Qi, M., Li, J., & Chen, Q. (2016). Comparison of existing equations for local scour at bridge piers: parameter influence and validation. Natural Hazards (Dordrecht), 82(3), 2089–2105. https://doi.org/10.1007/s11069-016-2287-z
Rambabu, M., Rao, S., & Sundar, V. (2003). Current-induced scour around a vertical pile in cohesive soil. Ocean Engineering, 30(7), 893–920. https://doi.org/10.1016/S0029-8018(02)00063-X
Raudkivi, A., & Ettema, R. (1985). Scour at Cylindrical Bridge Piers in Armored Beds. Journal of Hydraulic Engineering (New York, N.Y.), 111(4), 713–731. https://doi.org/10.1061/(ASCE)0733-9429(1985)111:4(713)
Rhie, C.-M and Chow, W.L. (1983) “Numerical study of the turbulent flow past and airfoil with trailing edge separation”, AIAA Journal, Vol. 21, No. 11.
Richardson, E., & Lagasse, P. (1996). Stream Stability and Scour at Highway Bridges. Water International, 21(3), 108–118. https://doi.org/10.1080/02508069608686502
Richardson EV, Davis SR (2001) Evaluating scour at bridges. Hydraulic engineering circular no. 18 (HEC-18), Report no. FHWA: NHI 01-001, Federal Highway Administration, Washington, DC
Richardson, J., & Panchang, V. (1998). Three-Dimensional Simulation of Scour-Inducing Flow at Bridge Piers. Journal of Hydraulic Engineering (New York, N.Y.), 124(5), 530–540. https://doi.org/10.1061/(ASCE)0733-9429(1998)124:5(530)
Roulund, A., Sumer, B., Fredsøe, J., & Michelsen, J. (2005). Numerical and experimental investigation of flow and scour around a circular pile. Journal of Fluid Mechanics, 534, 351–401. https://doi.org/10.1017/S0022112005004507
Salaheldin, T., Imran, J., & Chaudhry, M. (2004). Numerical Modeling of Three-Dimensional Flow Field Around Circular Piers. Journal of Hydraulic Engineering (New York, N.Y.), 130(2), 91–100. https://doi.org/10.1061/(ASCE)0733-9429(2004)130:2(91)
Salim, M. and J.S. Jones, 1995, “Effects of Exposed Pile Foundations on Local Pier Scour,” Proceedings ASCE Water Resources Engineering Conference, San Antonio, TX.
Salim, M. and J.S. Jones, 1996, “Scour Around Exposed Pile Foundations,” Proceedings ASCE North American and Water and Environment Congress, ’96, Anaheim, CA (also issued as FHWA Memo).
Salim, M. and J.S. Jones, 1999, Scour Around Exposed Pile Foundations,” ASCE Compendium, Stream Stability and Scour at Highway Bridges, Richardson and Lagasse (eds.), Reston, VA.
Schlichting, H. (1979) “Boundary layer theory”, McGraw-Hill.
Sheppard, D., & Miller, W. (2006). Live-Bed Local Pier Scour Experiments. Journal of Hydraulic Engineering (New York, N.Y.), 132(7), 635–642. https://doi.org/10.1061/(ASCE)0733-9429(2006)132:7(635)
Sheppard, D., Demir, H., & Melville, B. (2011). Scour at wide piers and long skewed piers. Transportation Research Board.
Sheppard, D., Melville, B., & Demir, H. (2014). Evaluation of Existing Equations for Local Scour at Bridge Piers. Journal of Hydraulic Engineering (New York, N.Y.), 140(1), 14–23. https://doi.org/10.1061/(ASCE)HY.1943-7900.0000800
Sheppard, D., Odeh, M., & Glasser, T. (2004). Large Scale Clear-Water Local Pier Scour Experiments. Journal of Hydraulic Engineering (New York, N.Y.), 130(10), 957–963. https://doi.org/10.1061/(ASCE)0733-9429(2004)130:10(957)
Shields, A. (1936). Application of similarity principles and turbulence research to bed-load movement (translated version). Mitteilungen der Preußischen Versuchsanstalt für Wasserbau.
Smith, W.L., 1999, “Local Structure-Induced Sediment Scour at Pile Groups,” M.S. Thesis, University of Florida, Gainesville, FL.
Sonia Devi, Y., & Barbhuiya, A. (2017). Bridge pier scour in cohesive soil: a review. Sadhana (Bangalore), 42(10), 1803–1819. https://doi.org/10.1007/s12046-017-0698-5
Sturm, T., Ettema, R., & Melville, B. (2011). Evaluation of bridge-scour research abutment and contraction scour processes and prediction. National Cooperative Highway Research Program, Transportation Research Board of the National Academies.
Sumer, B., Fredsøe, J., & Christiansen, N. (1992a). Scour Around Vertical Pile in Waves. Journal of Waterway, Port, Coastal, and Ocean Engineering, 118(1), 15–31. https://doi.org/10.1061/(ASCE)0733-950X(1992)118:1(15)
Sumer, B. M., Christiansen, N., and Fredsoe, J. (1992b). “Time scale of scour around a vertical pile.” Proc., 2nd Int. Offshore and Polar Engrg. Conf., International Society of Offshore and Polar Engineers, San Francisco, Calif., Vol. III, 308-315.
Sumer, B., Christiansen, N., & Fredsøe, J. (1993). Influence of Cross Section on Wave Scour around Piles. Journal of Waterway, Port, Coastal, and Ocean Engineering, 119(5), 477–495. https://doi.org/10.1061/(ASCE)0733-950X(1993)119:5(477)
Sumer, B., & Fredsøe, J. (1998). Wave Scour around Group of Vertical Piles. Journal of Waterway, Port, Coastal, and Ocean Engineering, 124(5), 248–256. https://doi.org/10.1061/(ASCE)0733-950X(1998)124:5(248)
Sumer, B., & Fredsøe, J. (2001). Wave Scour around a Large Vertical Circular Cylinder. Journal of Waterway, Port, Coastal, and Ocean Engineering, 127(3), 125–134. https://doi.org/10.1061/(ASCE)0733-950X(2001)127:3(125)
Sumer, B., Whitehouse, R., & Tørum, A. (2001). Scour around coastal structures: a summary of recent research. Coastal Engineering, 44(2), 153–190. https://doi.org/10.1016/S0378-3839(01)00024-2
Sumer, B., Hatipoglu, F., & Fredsøe, J. (2007). Wave Scour around a Pile in Sand, Medium Dense, and Dense Silt. Journal of Waterway, Port, Coastal, and Ocean Engineering, 133(1), 14–27. https://doi.org/10.1061/(ASCE)0733-950X(2007)133:1(14)
Toth, E., & Brandimarte, L. (2011). Prediction of local scour depth at bridge piers under clear-water and live-bed conditions: Comparison of literature formulae and Artificial Neural networks. Journal of Hydroinformatics, 13(4), 812–824. https://doi.org/10.2166/hydro.2011.065
Van Rijn, L. C. (1993). Principles of sediment transport in rivers, estuaries and coastal seas.
Vanoni, V.A., ed., 1975, Sedimentation Engineering: American Society of Civil Engineers, Manuals and Reports on Engineering Practice, No. 54, 745 p.
Wang, C., Yu, X., & Liang, F. (2017). A review of bridge scour: mechanism, estimation, monitoring and countermeasures. Natural Hazards (Dordrecht), 87(3), 1881–1906. https://doi.org/10.1007/s11069-017-2842-2
Wardhana, K., & Hadipriono, F. (2003). Analysis of Recent Bridge Failures in the United States. Journal of Performance of Constructed Facilities, 17(3), 144–150. https://doi.org/10.1061/(ASCE)0887-3828(2003)17:3(144)
White, C. M. (1940). The Equilibrium of Grains on the Bed of a Stream. Proceedings of the Royal Society of London. Series A, Mathematical and Physical Sciences, 174(958), 322–338. https://doi.org/10.1098/rspa.1940.0023
Whitehouse, R. (2004). Marine scour at large foundations. In: Second international conference on scour and erosion (ICSE-2), Singapore
Wu, Peng. Hirshfield, Faye. Sui, Jue-yi. (2015). Local scour around bridge abutments under ice covered condition-an experimental study. International Journal of Sediment Research, 30(1), 39–47. https://doi.org/10.1016/S1001-6279(15)60004-X
Wu, P., Balachandar, R., & Sui, J. (2016). Local Scour around Bridge Piers under Ice-Covered Conditions. Journal of Hydraulic Engineering (New York, N.Y.), 142(1), 4015038–. https://doi.org/10.1061/(ASCE)HY.1943-7900.0001063
Wu, W., Rodi, W., & Wenka, T. (2000). 3D Numerical Modeling of Flow and Sediment Transport in Open Channels. Journal of Hydraulic Engineering (New York, N.Y.), 126(1), 4–15. https://doi.org/10.1061/(ASCE)0733-9429(2000)126:1(4)
Xiong, W., Cai, C., Kong, B., & Kong, X. (2016). CFD Simulations and Analyses for Bridge-Scour Development Using a Dynamic-Mesh Updating Technique. Journal of Computing in Civil Engineering, 30(1), 4014121–. https://doi.org/10.1061/(ASCE)CP.1943-5487.0000458
Yalin, M. S. (1971). Theory of hydraulic models. Macmillan International Higher Education.
Yankielun, N., & Zabilansky, L. (1999). Laboratory Investigation of Time-Domain Reflectometry System for Monitoring Bridge Scour. Journal of Hydraulic Engineering (New York, N.Y.), 125(12), 1279–1284. https://doi.org/10.1061/(ASCE)0733-9429(1999)125:12(1279)
Zaid, M., Yazdanfar, Z., Chowdhury, H., & Alam, F. (2019). Numerical modeling of flow around a pier mounted in a flat and fixed bed. Energy Procedia, 160, 51–59. https://doi.org/10.1016/j.egypro.2019.02.118
Zanke, U., Hsu, T., Roland, A., Link, O., & Diab, R. (2011). Equilibrium scour depths around piles in noncohesive sediments under currents and waves. Coastal Engineering (Amsterdam), 58(10), 986–991. https://doi.org/10.1016/j.coastaleng.2011.05.011
Zhao, M., Zhu, X., Cheng, L., & Teng, B. (2012). Experimental study of local scour around subsea caissons in steady currents. Coastal Engineering (Amsterdam), 60(1), 30–40. https://doi.org/10.1016/j.coastaleng.2011.08.004
Zheng, S., Zheng, S., Xu, Y., Xu, Y., Cheng, H., Cheng, H., Wang, B., Wang, B., Lu, X., & Lu, X. (2018). Assessment of bridge scour in the lower, middle, and upper Yangtze River estuary with riverbed sonar profiling techniques. Environmental Monitoring and Assessment, 190(1), 1–13. https://doi.org/10.1007/s10661-017-6393-5
Zhu, H., Zhou, Z., Yang, R., & Yu, A. (2007). Discrete particle simulation of particulate systems: Theoretical developments. Chemical Engineering Science, 62(13), 3378–3396. https://doi.org/10.1016/j.ces.2006.12.089
Zhu, H.P. Zhou, Z.Y. Hou, Q.F. Yu A.B. (2011). Linking discrete particle simulation to continuum process modelling for granular matter： Theory and application. Particuology, 9(4), 342–357. https://doi.org/10.1016/j.partic.2011.01.002
Zhu, Zw., Liu, Zq.. (2012). CFD prediction of local scour hole around bridge piers. Journal of Central South University, 19(1), 273–281. https://doi.org/10.1007/s11771-012-1001-x
전문가 Q&A: 자주 묻는 질문
Q1: 이 연구에서 SSIIM 소프트웨어를 선택한 이유는 무엇입니까?
A1: SSIIM은 오픈 소스 CFD 소프트웨어이면서도 퇴적물 이동 해석을 위한 기능이 내장되어 있어 세굴 시뮬레이션에 이상적인 도구였습니다. 특히 입자 크기, 안식각, 점착력 등 다양한 토질 매개변수를 모델에 직접 입력하고 그 영향을 분석할 수 있는 유연성을 제공했기 때문에 본 연구의 목적에 가장 적합했습니다.
Q2: 연구 결과, 미세 모래(0.05mm)의 초기 침식률이 시뮬레이션에서 예상보다 낮게 나타났습니다. 이는 수치 모델에 대해 무엇을 시사합니까?
A2: 이는 SSIIM 모델이 침식률을 계산할 때 사용하는 ‘활성 퇴적층(active sediment layer)’ 두께가 D50(중앙 입경)을 기본값으로 사용하기 때문일 가능성이 높습니다. 미세 입자로 구성된 토양은 입자 단위가 아닌 덩어리(chunk) 단위로 침식될 수 있는데, 현재 모델이 이러한 물리적 현상을 완벽하게 포착하지 못함을 시사합니다. 따라서 시간에 따른 세굴 변화와 미세 토양의 침식 메커니즘을 더 정확히 모사하기 위한 수치 모델의 개선이 필요합니다.
Q3: 연구가 청수 세굴(clear-water scour) 조건에 국한된 이유는 무엇입니까?
A3: 청수 세굴은 유사(sediment)의 유입이 없어 침식만 발생하므로, 명확한 최대 평형 세굴 깊이에 도달합니다. 이는 수치 시뮬레이션에서 결과를 분석하고 비교하기에 더 용이한 조건입니다. 반면, 유사 이동이 활발한 유수 세굴(live-bed scour)은 침식과 퇴적이 반복되는 복잡한 주기적 거동을 보여, 특정 시점의 최대 깊이를 정의하기 어렵기 때문에 초기 연구 범위에서는 제외되었습니다.
Q4: 경사면의 임계 전단 응력 감소를 모델링하기 위해 Brooks(1963) 공식을 사용했지만, 그 매개변수가 실제 측정된 안식각과 직접적으로 일치하지 않았습니다. 이것의 의미는 무엇입니까?
A4: 이는 경사면 효과에 대한 현재의 경험적 모델이 가진 한계를 보여줍니다. 최적의 수치 매개변수는 물리적 특성을 직접 입력해서가 아니라, 실험 결과와 일치하도록 맞추는 과정을 통해 찾아졌습니다. 이는 향후 안식각과 같은 물리적 특성을 직접 입력하여 토사의 붕괴(sand slide)와 임계 전단 응력 감소를 통합적으로 계산할 수 있는 더 견고한 퇴적물 모델이 필요함을 의미합니다.
Q5: 테스트한 12개의 경험식 중 어떤 것이 가장 성능이 좋았으며, 그 이유는 무엇입니까?
A5: TAMU(Texas A&M University) 방법이 가장 우수한 성능을 보였습니다. 이 방법은 안전에 치명적인 과소예측 사례가 없으면서도 SSIIM 시뮬레이션 결과와 가장 근접한 예측값을 제공했습니다. 이는 TAMU 방법이 다른 오래된 공식들보다 더 많은 토질 및 유동 매개변수를 고려하여 현실을 더 잘 반영하기 때문인 것으로 분석됩니다.
결론: 더 높은 품질과 생산성을 향한 길
본 연구는 토양의 안식각과 점착력 같은 매개변수가 교각 세굴 깊이를 결정하는 데 있어 부차적인 요소가 아닌 핵심적인 역할을 한다는 것을 수치적으로 증명했습니다. 이러한 요인들을 무시한 기존의 예측 방식은 부정확하고 잠재적으로 위험한 설계를 초래할 수 있습니다. CFD 시뮬레이션은 이러한 실제 현장의 복잡성을 설계에 통합하여 안전성과 경제성을 동시에 확보할 수 있는 필수적인 도구입니다.
(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.
연락처 : 02-2026-0442
이메일 : flow3d@stikorea.co.kr
저작권 정보
이 콘텐츠는 Iqbal Singh Budwal의 논문 “Influence of Soil Parameters on Local Pier Scour Depth”를 기반으로 한 요약 및 분석 자료입니다.
이 기술 요약은 Kuo-Wei Liao 외 저자가 2016년 SpringerPlus에 발표한 논문 “A probabilistic bridge safety evaluation against floods”를 바탕으로 STI C&D의 기술 전문가들이 분석하고 요약한 내용입니다.
도전 과제: 기존의 결정론적 교량 안전성 평가는 홍수 시 수위, 유속, 세굴 깊이 등 불확실한 요인들의 영향을 충분히 반영하지 못해 예측하지 못한 붕괴로 이어질 수 있습니다.
해결 방법: 본 연구는 HEC-RAS 기반의 확률론적 수리학 시뮬레이션과 베이지안 최소제곱 지지벡터기계(Bayesian LS-SVM)를 결합하여 응답 표면을 구축하고, 이를 몬테카를로 시뮬레이션(MCS)으로 분석하는 새로운 확률론적 접근법을 제안합니다.
핵심 돌파구: 제안된 접근법은 직접적인 몬테카를로 시뮬레이션에 필요한 3,000개의 샘플 대신 단 150개의 샘플만으로도 동일한 정확도의 교량 파괴 확률을 효율적으로 계산할 수 있음을 입증했습니다.
핵심 결론: 불확실성을 고려한 확률론적 CFD 및 AI 기반 접근법은 교량과 같은 핵심 사회 기반 시설의 홍수 저항 신뢰도를 보다 정확하고 효율적으로 평가하는 강력한 도구입니다.
도전 과제: 왜 이 연구가 CFD 전문가에게 중요한가
대만에서는 교량의 홍수 안전성 평가를 위해 예비 점검 평가 양식(PIEF)을 사용하는 2단계 절차를 따릅니다. 이 평가에서 가장 큰 가중치를 차지하는 항목은 세굴 깊이로, 교량 안전에 가장 큰 영향을 미치는 요인으로 간주됩니다. 그러나 기존의 설계 방식은 특정 재현 기간(예: 100년 빈도 홍수)에 대한 결정론적 수치(고정된 유속 및 수위)를 사용합니다.
이러한 결정론적 접근법은 태풍 모라꼿 당시 보강 공사를 마친 솽위안 교량이 붕괴된 사례에서 볼 수 있듯이, 설계 기준을 초과하는 극한 재해에 대한 안전성을 보장하지 못합니다. 수위, 유속, 국소 세굴 깊이, 토질 특성, 풍하중 등 수많은 변수들은 본질적으로 불확실성을 내포하고 있습니다. 따라서 이러한 불확실성을 체계적으로 고려하고 교량 시스템 전체의 신뢰도를 평가할 수 있는 확률론적 접근법의 도입이 시급한 과제입니다.
Fig. 1 Collapse of Shuangyuan Bridge (2009/8/10) (photo courtesy of Apple Daily)
접근법: 연구 방법론 분석
본 연구는 불확실한 요인들이 교량 안전에 미치는 영향을 파악하기 위해 확률론적 접근법을 채택했습니다. 이 문제의 비선형성과 복잡성으로 인해 기존의 최우추정점(MPP) 기반 신뢰도 분석은 부적합하다고 판단하고, 샘플링 기반의 접근법을 선택했습니다. 계산 효율성을 높이기 위해 다음과 같은 다단계 방법론을 적용했습니다.
성능 함수 정의: 교량의 안전성을 평가하기 위해 말뚝 전단 응력, 말뚝 축 응력, 말뚝머리 수평 변위, 지지력, 인발력 등 5가지 한계 상태에 대한 성능 함수를 정의했습니다.
불확실성 변수 모델링:
수리학적 변수 (수위, 유속): HEC-RAS 모델을 사용하여 유량과 매닝 조도계수를 확률 변수로 처리하는 확률론적 시뮬레이션을 수행하여 수위와 유속의 변동성과 분포를 파악했습니다.
국소 세굴 깊이: 기존에 널리 사용되는 7개의 경험식을 적용하여 국소 세굴 깊이를 계산하고, 이를 통해 세굴 깊이의 통계적 분포를 도출했습니다.
기타 변수: 토질 특성(SPT-N 값)과 풍하중 또한 확률 변수로 고려했습니다.
응답표면법(RSM) 구축: 계산 비용이 많이 드는 직접적인 몬테카를로 시뮬레이션(MCS)을 대체하기 위해, 베이지안 최소제곱 지지벡터기계(Bayesian LS-SVM)를 사용하여 5개의 성능 함수를 근사하는 응답 표면을 구축했습니다. 이 과정에서 라틴 하이퍼큐브 샘플링(LHD)을 통해 효율적으로 훈련 데이터를 생성했습니다.
신뢰도 분석: 구축된 응답 표면을 기반으로 몬테카를로 시뮬레이션을 수행하여 교량 시스템의 파괴 확률을 계산하고, 그 정확성과 변동성을 직접 MCS 결과와 비교하여 검증했습니다.
돌파구: 주요 발견 및 데이터
발견 1: 계산 효율성의 획기적인 향상
본 연구의 가장 중요한 발견은 제안된 응답표면법(RSM)이 교량 신뢰도 평가의 계산 비용을 극적으로 줄일 수 있다는 점입니다. 직접적인 몬테카를로 시뮬레이션(MCS)은 목표 변동계수(COV) 5% 미만을 달성하기 위해 3,000개의 샘플이 필요했습니다.
반면, 표 7에서 볼 수 있듯이 베이지안 LS-SVM을 이용한 RSM 접근법은 단 150개의 샘플(μ ± 3σ 범위)만으로도 MCS와 동일한 파괴 확률(2.32 x 10⁻¹)을 계산했으며, 변동계수(COV)는 0.01로 오히려 더 안정적이었습니다. 5%의 오차를 허용할 경우, 샘플 크기를 80개까지 줄여도 신뢰도 높은 결과를 얻을 수 있어, 기존 방식 대비 계산 시간을 획기적으로 단축할 수 있습니다.
Fig. 2 The pressure distribution of water flow
발견 2: 베이지안 LS-SVM을 통한 예측 정확도 및 안정성 확보
응답 표면의 정확도는 신뢰도 분석 결과에 직접적인 영향을 미칩니다. 표 6은 샘플 크기에 따른 응답 표면의 정확도(RMSE)와 파괴 확률을 보여줍니다. 샘플 크기가 50개에서 150개로 증가함에 따라, 말뚝머리 변위에 대한 RMSE는 3.45%에서 0.32%로 감소했으며, 계산된 파괴 확률은 MCS 결과에 수렴했습니다.
특히, 그림 9는 결정론적 분류기인 LS-SVM과 확률론적 분류기인 베이지안 LS-SVM의 차이를 명확히 보여줍니다. 베이지안 LS-SVM은 단순히 ‘안전’ 또는 ‘파괴’로 분류하는 대신, 0과 1 사이의 확률 값을 제공하여 보다 섬세하고 현실적인 예측을 가능하게 합니다. 이는 결과의 변동성을 줄이는 데 크게 기여했으며, 샘플 크기 50의 경우 COV를 0.09(LS-SVM)에서 0.03(Bayesian LS-SVM)으로 감소시켰습니다.
R&D 및 운영을 위한 실질적 시사점
토목/수리 엔지니어: 이 연구는 결정론적 안전율 기반의 설계를 넘어, 세굴과 같은 복잡한 현상을 다룰 때 보다 현실적인 확률론적 위험 평가로 전환할 수 있는 강력한 프레임워크를 제공합니다.
인프라 계획 및 관리자: 제안된 방법의 효율성은 더 많은 수의 교량에 대한 확률론적 평가를 가능하게 하여, 보수보강 우선순위 결정 및 자원 배분에 있어 더 나은 정보에 기반한 의사결정을 지원합니다.
CFD 해석 전문가: 본 논문은 수리학 시뮬레이션(HEC-RAS), 머신러닝(LS-SVM), 통계적 방법(MCS)을 결합하여 복잡하고 불확실한 실제 문제를 해결하는 강력한 하이브리드 접근법의 성공 사례를 보여줍니다.
논문 정보
A probabilistic bridge safety evaluation against floods (홍수에 대한 확률론적 교량 안전성 평가)
1. 개요:
제목: A probabilistic bridge safety evaluation against floods
저자: Kuo-Wei Liao, Yasunori Muto, Wei-Lun Chen and Bang-Ho Wu
하천 교량 안전성 평가에 대한 불확실한 요인들의 영향을 추가적으로 파악하기 위해 확률론적 접근법이 채택되었다. 이는 체계적이고 비선형적인 문제이므로, MPP 기반의 신뢰도 분석은 적합하지 않다. 몬테카를로 시뮬레이션(MCS)이나 중요도 샘플링과 같은 샘플링 접근법이 자주 채택된다. 샘플링 접근법의 효율성을 높이기 위해, 본 연구는 베이지안 최소제곱 지지벡터기계를 활용하여 응답 표면을 구축한 후 MCS를 수행하여 더 정밀한 안전 지수를 제공한다. 교량의 홍수 저항 신뢰도에 영향을 미치는 여러 요인이 있지만, 이전의 경험과 연구들은 교량 자체의 신뢰도가 핵심적인 역할을 한다는 것을 보여준다. 따라서 본 연구의 목표는 다섯 가지 한계 상태를 포함하는 선택된 교량의 시스템 신뢰도를 분석하는 것이다. 여기서 고려되는 확률 변수는 수면 표고, 유속, 국소 세굴 깊이, 토질 특성 및 풍하중을 포함한다. 처음 세 변수는 하천 수리학에 깊이 영향을 받기 때문에, 확률론적 HEC-RAS 기반 시뮬레이션을 수행하여 해당 확률 변수들의 불확실성을 포착한다. 우리 해법의 정확성과 변동성은 제안된 접근법의 적용 가능성을 보장하기 위해 직접 MCS로 확인된다. 수치 예제의 결과는 제안된 접근법이 효율적으로 정확한 교량 안전성 평가를 제공하고 만족스러운 변동성을 유지할 수 있음을 나타낸다.
3. 서론:
대만에서 홍수에 대한 교량 안전성 평가는 종종 2단계 절차로 이루어진다. 첫 번째 단계는 예비 점검 평가 양식(PIEF)을 통해 교량 안전성을 검토하는 것이다. PIEF의 전체 평가 점수가 사전 정의된 기준을 충족하지 못하면, 교량의 안전을 보장하기 위해 푸시오버 분석과 같은 고급 조사로 평가를 진행해야 한다. PIEF는 교량 안전에 잠재적 위협이 되는 여러 항목으로 구성된다. 각 평가 항목에는 상대적 중요도를 나타내는 가중치가 할당된다. 모든 가중치의 합은 100이다. Chern 등이 제안한 PIEF의 항목에는 세굴 깊이, 기초 유형, 하천 흐름의 공격각, 하천 제방 및 바닥의 보호 시설 유무, 상류 댐의 유무가 포함된다. 모든 항목 중에서 세굴 깊이가 가장 높은 가중치를 가지며 가장 영향력 있는 요인으로 간주된다. 따라서 본 연구의 목표는 세굴된 교량의 안전성을 조사하는 것이다.
4. 연구 요약:
연구 주제의 배경:
기존의 결정론적 교량 설계 및 평가는 태풍 모라꼿과 같은 극한 홍수 사상에 대한 불확실성을 충분히 고려하지 못하여 교량 붕괴로 이어졌다. 특히 세굴 깊이는 교량 안전에 가장 큰 영향을 미치는 요인으로, 이에 대한 불확실성을 정량화하고 시스템 전체의 신뢰도를 평가할 필요가 있다.
이전 연구 현황:
많은 연구자들이 확률론적 접근법을 사용하여 교량 안전성을 평가해왔다. 예를 들어, Carturan 등은 확률론적 유한요소법을 사용했고, Wu 등은 최우추정점(MPP) 기반 신뢰도 방법을 사용했다. 그러나 복잡하고 비선형적인 교량 파괴 문제, 특히 세굴로 인해 경계 조건이 변하는 문제에 MPP 기반 접근법을 적용하기는 어렵다. 최근에는 계산 비용이 큰 샘플링 방법의 대안으로 응답표면법(RSM)이 많이 활용되고 있다.
연구의 목적:
본 연구의 목적은 수위, 유속, 세굴 깊이, 토질, 풍하중 등 다양한 불확실성 요인을 고려하여 홍수에 대한 교량의 시스템 신뢰도를 평가하는 효율적이고 정확한 확률론적 분석 프레임워크를 구축하는 것이다. 이를 위해 베이지안 LS-SVM 기반의 응답표면법과 몬테카를로 시뮬레이션을 결합한 새로운 접근법을 제안하고 그 유효성을 검증하고자 한다.
핵심 연구:
본 연구의 핵심은 (1) HEC-RAS를 이용한 확률론적 수리 분석을 통해 수위 및 유속의 불확실성 포착, (2) 다수의 경험식을 이용한 국소 세굴 깊이의 불확실성 모델링, (3) 베이지안 LS-SVM을 이용한 5가지 한계 상태(말뚝 전단 응력, 축 응력, 수평 변위, 지지력, 인발력)에 대한 응답 표면 구축, (4) 구축된 응답 표면 기반의 몬테카를로 시뮬레이션을 통한 시스템 신뢰도 분석이다.
5. 연구 방법론
연구 설계:
본 연구는 실제 붕괴 사례인 솽위안 교량을 대상으로 사례 연구를 수행했다. 확률 변수들의 통계적 특성을 정의하고, 이를 바탕으로 베이지안 LS-SVM을 이용해 응답 표면을 구축한 후, MCS를 통해 시스템 파괴 확률을 계산했다. 제안된 방법의 정확성과 효율성은 대규모 샘플을 사용한 직접 MCS 결과와 비교하여 검증되었다.
데이터 수집 및 분석 방법:
수리학적 데이터: HEC-RAS 모델을 사용하여 유량 및 매닝 조도계수를 확률 변수로 입력하여 수위와 유속 데이터를 생성했다.
세굴 깊이 데이터: 7개의 서로 다른 경험식과 시뮬레이션된 수리 데이터를 사용하여 270개의 세굴 깊이 샘플을 생성하고 통계적 특성을 분석했다.
지반 데이터: 현장 지질 보고서의 표준관입시험(SPT-N) 값을 기반으로 토질 특성의 분포를 정의했다.
신뢰도 분석: 라틴 하이퍼큐브 샘플링으로 생성된 데이터를 사용하여 베이지안 LS-SVM 모델을 훈련시키고, 이를 기반으로 몬테카를로 시뮬레이션을 수행하여 파괴 확률과 변동계수(COV)를 계산했다.
연구 주제 및 범위:
본 연구는 홍수로 인한 하천 교량의 기초 및 하부 구조 안전성에 초점을 맞춘다. 고려된 확률 변수는 수면 표고, 유속, 국소 세굴 깊이, 풍하중, 토질 특성이다. 시스템 신뢰도는 5개의 주요 한계 상태(말뚝 전단, 축력, 변위, 지지력, 인발력)를 고려한 직렬 시스템으로 가정하여 평가되었다.
6. 주요 결과:
주요 결과:
제안된 베이지안 LS-SVM 기반 응답표면법은 직접 MCS 대비 샘플 크기를 3000개에서 150개로 획기적으로 줄이면서도 동일한 정확도의 파괴 확률을 도출하여 계산 효율성을 크게 향상시켰다.
분석 대상 교량의 100년 빈도 홍수에 대한 파괴 확률은 2.3 x 10⁻¹로, 국제표준화기구(ISO)의 권고 기준치(1.00 x 10⁻³)를 크게 상회하여 신뢰도가 부족함을 보였고, 이는 실제 붕괴 사건과 일치하는 결과이다.
베이지안 LS-SVM은 표준 LS-SVM에 비해 신뢰도 계산 결과의 변동성(COV)을 유의미하게 감소시켜(샘플 50개 기준, 0.09 → 0.03) 더 안정적인 예측을 제공했다.
교량의 사용성능(말뚝머리 변위) 한계 상태 함수는 유속과 세굴 깊이에 대해 매우 비선형적인 관계를 보였으며, 이는 샘플링 기반의 확률론적 접근법이 필수적임을 시사한다.
Figure 목록:
Fig. 1 Collapse of Shuangyuan Bridge (2009/8/10) (photo courtesy of Apple Daily)
Fig. 2 The pressure distribution of water flow
Fig. 3 The equivalent force of water pressure when pile head is free: a the original pile; b, c the equivalent pile, d pile with equivalent force
Fig. 4 The equivalent force of water pressure when pile head is restrained: a the original pile; b, c the equivalent pile, d pile with equivalent force
Fig. 5 Using superposition to calculate pile demand: a the original pile; b the equivalent pile, c pile with original external force only, d pile with equivalent force only
Fig. 6 Water surface profile and the analyzed cross section
Fig. 7 Results of local scour depth using empirical formulae
Fig. 8 The flowchart of the proposed reliability analysis
Fig. 9 Two established classifiers for the pile head displacement
Fig. 10 Detailed information for the Bayesian LS-SVM classifier in Fig. 9. a Square abcd, b square efhg
7. 결론:
대만에서는 결정론적 교량 설계 또는 평가 과정이 종종 채택된다. 모라꼿 태풍 이후, 엔지니어들은 매개변수의 불확실성을 고려하기 위해 확률론적 접근법이 필요하다는 것을 깨달았다. 따라서 본 연구는 이러한 필요를 충족시키기 위해 정확하고 효율적인 신뢰도 방법론을 구축한다. 교량 붕괴는 복잡한 시스템 문제이며, 다양한 유형의 사건을 고려해야 한다. 문헌과 이전 연구에서 제안된 PIEF를 바탕으로, 교량 하부 구조의 안전성은 교량 신뢰도에서 가장 중요한 요인 중 하나이며 본 연구의 범위이다. 고려된 확률 변수에는 수면 표고, 유속, 국소 세굴 깊이, 풍하중 및 토질 특성이 포함된다. 이러한 변수들의 변동을 포착하기 위해 확률론적 수리 분석과 현장 조사 데이터가 사용된다. 베이지안 LS-SVM은 응답 표면을 구축하기 위해 채택되며, LHS를 사용하여 샘플을 생성한다. 직접 MCS의 결과와 비교하여 제안된 방법의 정확성과 변동성이 확인된다.
8. 참고 문헌:
Adarsh S, Reddy MJ (2013) Reliability analysis of composite channels using first order approximation and Monte Carlo simulations. Stoch Environ Res Risk Assess 27:477–487
Alipour A, Shafei B, Shinozuka M (2013) Reliability-based calibration of load and resistance factors for design of RC bridges under multiple extreme events: scour and earthquake. J Bridge Eng 18:362–371
Carturan F, Islami K, Pellegrino C (2012) Reliability analysis and in-field investigation of a r.c. bridge over river Adige in Verona, Italy. Bridge Maintenance, Safety, Management, Resilience and Sustainability 2850–2855
Chern JC, Tsai IC, Chang KC (2007) Bridge monitoring and early warning systems subjected to scouring. Directorate General of highways
Davis-McDaniel C, Chowdhury M, Pang WC, Dey K (2013) Fault-tree model for risk assessment of bridge failure: case study for segmental box girder bridges. J Infrastruct Syst 19(3):326–334
Fischenich C, Landers M (1999) Computing scour. U.S. Army Engineer Research and Development Center, Vicksburg
HEC-18 (2012) Hydraulic engineering circular no. 18. US Department of Transportation, Washington
Jain SC (1981) Maximum clear-water scour around cylin-drical piers. J Hydraul Eng ASCE 107(5):611–625
Jain SC, Ficher EE (1980) Sour around bridge piers at high flow velocities. J Hydraul Eng-ASCE 106:1827–1842
Li TC, Liu JB, Liao YJ (2011) A discussion on bridge-closure according to the water stage. Sino-Geotech 127(1):79–86
Liao KW, Chen WL, Wu BH (2014) Reliability analysis of bridge failure due to floods, life-cycle of structural systems. In: Life-cycle of structural systems: design, assessment, maintenance and management, pp 1636–1640
Liao KW, Lu HJ, Wang CY (2015) A probabilistic evaluation of pier-scour potential in the Gaoping River Basin of Taiwan. J Civ Eng Manag 21(5):637–653
Ministry of Transportation and Communications R. O. C (2009) The bridge design specifications. A government report
Myers RH, Montgomery DC (2002) Response surface methodology: process and product optimization using designed experiments. Wiley, New York
Natural Resources Conservation Service of United States Department of Agriculture (2010) The national engineering handbook. Natural Resources Conservation Service of United States Department of Agriculture, Washington
NCREE (2010) A pilot project for building a bridge detection system via advanced technology. Directorate General of Highways, Taipei
Neill CR (1965) Measurements of bridge scour and bed changes in a flooding sand-bed river. In: Proceedings of the Institution of Civil Engineers, London, England
Saydam D, Frangopol DM, Dong Y (2013) Assessment of risk using bridge element condition ratings. J Infrastruct Syst 19(3):252–265
Sheen SW (2012) Flood frequency analysis of watersheds in Taiwan. J Soil Water Conserv Technol 7(1):11–21
Shen HW, Shneider VR, Karaki SS (1966) Mechanism of local scour. Colorado State University, Colorado
Shen HW, Shneider VR, Karaki SS (1969) Local scour around bridge piers. J Hydraul Eng ASCE 95:1919–1940
Sun Z, Wang C, Niu X, Song Y (2016) A response surface approach for reliability analysis of 2.5 DC/SiC composites turbine blade. Compos. Part B Eng. 85:277–285
Sung YC, Wang CY, Chen C, Tsai YC, Tsai IC, Chang KC (2011) Collapse analysis of Shuanyang bridge caused by Morakot Typhoon. Sino-Geotech 127:41–50
Suykens JAK, Gestel TV, Brabanter JD, Moor BD, Vandewalle J (2002) Least squares support vector machines. World Scientific, Singapore
Wang H, Wang CY, Chen CH, Lin C, Wu TR (2011) An integrated evaluation on flood resistant capacity of bridge foundations. Sino-Geotech 127:51–60
Water Resources Agency (2009) Analyses of rainfall and flow discharge for Typhoon Morakot. A government report
Wu SJ, Yang JC, Tung YK (2011) Risk analysis for flood-control structure under consideration of uncertainties in design flood. Nat Hazards 58(1):117–140
Wu TR, Wang H, Ko YY, Chiou JS, Hsieh SC, Chen CH, Lin C, Wang CY, Chuang MH (2014) Forensic diagnosis on flood-induced bridge failure. II: framework of quantitative assessment. J Perform Constr Facil 28(1):85–95
Zhao W, Qiu Z (2013) An efficient response surface method and its application to structural reliability and reliability-based optimization. Finite Elem Anal Des 67:34–42
Zhao B, Tung YK, Yeh KC, Yang JC (1997) Reliability analysis of hydraulic structures considering unit hydrograph uncertainty. Stoch Hydro Hydraul 11:33–50
Zhao YG, Zhong WQ, Ang AH-S (2007) Estimating joint failure probability of series structural systems. J Eng Mech ASCE 133(5):588–596
Expert Q&A: 전문가의 질문과 답변
Q1: 왜 이 연구에서는 최우추정점(MPP) 기반의 FORM 대신 몬테카를로 시뮬레이션(MCS)과 같은 샘플링 접근법을 선택했나요?
A1: 논문에 따르면, 교량의 홍수 안전성 문제는 매우 비선형적이고 복잡합니다. 특히, 세굴이 발생하면 말뚝의 지지 조건이 바뀌어 성능 함수 자체가 변경되어야 합니다. 이러한 복잡성 때문에 단일 최우추정점을 찾는 MPP 기반 접근법은 부적합하다고 판단되었고, 전체 설계 공간을 탐색하는 샘플링 기반 접근법이 더 적절한 선택이었습니다.
Q2: 교량 안전성에 영향을 미치는 핵심적인 불확실성 변수들은 무엇이었나요?
A2: 본 연구에서는 다섯 가지 주요 불확실성 변수를 고려했습니다. 초록과 본문에 명시된 바와 같이, 이는 수면 표고, 유속, 국소 세굴 깊이, 토질 특성(SPT-N 값으로 대표), 그리고 풍하중입니다. 이 중 처음 세 가지 변수는 하천 수리학과 직접적으로 관련되어 있어 HEC-RAS를 이용한 확률론적 시뮬레이션으로 불확실성을 모델링했습니다.
Q3: 수위와 유속과 같은 수리학적 조건의 불확실성은 어떻게 정량화되었나요?
A3: 논문 9페이지에 따르면, 확률론적 HEC-RAS 시뮬레이션을 사용했습니다. 이 시뮬레이션에서는 하천 유량과 매닝(Manning’s) 조도계수를 결정론적 값이 아닌 확률 변수로 처리했습니다. 이를 통해 수위와 유속에 대한 확률 분포를 생성하여 수리학적 조건의 내재된 불확실성을 신뢰도 분석에 반영할 수 있었습니다.
Q4: 연구 결과에서 도출된 파괴 확률(100년 빈도 홍수에 대해 2.3 x 10⁻¹)은 어느 정도 수준의 위험을 의미하나요?
A4: 논문 17페이지에서는 이 파괴 확률이 국제표준화기구(ISO)에서 제안하는 허용 기준치인 1.00 x 10⁻³보다 훨씬 높다고 언급합니다. 이는 분석 대상 교량이 충분한 신뢰도를 확보하지 못했음을 의미하며, 실제로 태풍 모라꼿 당시 붕괴된 사건과 일치하는 공학적 결론입니다.
Q5: 표준 LS-SVM 대신 베이지안 LS-SVM을 사용한 주된 이점은 무엇이었나요?
A5: 논문 16페이지에서 두 방법론을 비교한 결과, 파괴 확률 계산 자체는 큰 차이가 없었지만, 베이지안 LS-SVM이 결과의 변동성(COV)을 크게 줄였습니다. 그림 9에서 볼 수 있듯이, 표준 LS-SVM이 ‘안전’ 또는 ‘파괴’라는 결정론적 결과를 내놓는 반면, 베이지안 LS-SVM은 0과 1 사이의 ‘파괴 확률’을 제공합니다. 이러한 확률론적 분류 방식이 더 안정적이고 신뢰성 있는 예측을 가능하게 했습니다.
결론: 더 높은 품질과 생산성을 향한 길
기존의 결정론적 방식으로는 예측하기 어려운 교량 붕괴 문제를 해결하기 위해, 본 연구는 CFD 수치해석, AI(머신러닝), 그리고 통계적 기법을 융합한 혁신적인 접근법을 제시합니다. 베이지안 LS-SVM을 활용한 응답표면법은 교량 홍수 안전성 평가에 필요한 막대한 계산 비용을 획기적으로 줄이면서도 높은 정확도를 유지할 수 있음을 입증했습니다. 이는 불확실성이 큰 자연재해에 대비하여 사회 기반 시설의 안전을 확보하는 데 중요한 공학적 통찰을 제공합니다.
STI C&D는 최신 산업 연구 결과를 적용하여 고객이 더 높은 생산성과 품질을 달성할 수 있도록 돕는 데 전념하고 있습니다. 이 논문에서 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.
연락처 : 02-2026-0442
이메일 : flow3d@stikorea.co.kr
저작권 정보
이 콘텐츠는 “Kuo-Wei Liao” 외 저자의 논문 “A probabilistic bridge safety evaluation against floods”를 기반으로 한 요약 및 분석 자료입니다.
이 기술 요약은 B.A. Vijayasree와 T.I. Eldho가 발표한 “Experimental study of scour around bridge piers of different arrangements with same aspect ratio” 논문을 기반으로 하며, STI C&D의 기술 전문가에 의해 분석 및 요약되었습니다.
The Challenge: 교량 교각 주변에서 발생하는 세굴(scour) 현상은 구조물의 안정성을 위협하는 주요 원인이며, 이를 최소화하기 위한 최적의 교각 배열 설계는 매우 중요한 과제입니다.
The Method: 동일한 형상비(aspect ratio)를 가진 세 가지 다른 교각 배열(2열 원형, 3열 원형, 단일 타원형) 주변의 세굴 패턴을 실험용 수조(flume)에서 비교 분석했습니다.
The Key Breakthrough: 단일 타원형(oblong) 교각은 동일한 형상비를 가진 2열 원형 교각 배열에 비해 세굴 부피를 55% 이상 감소시키는 것으로 나타났습니다.
The Bottom Line: 교량 설계 시 여러 개의 작은 교각을 사용하는 것보다 단일 고체 교각을 사용하는 것이 국부 세굴을 줄이는 데 훨씬 효과적이며, 이는 장기적인 유지보수 및 보호 비용을 절감할 수 있는 잠재력을 가집니다.
The Challenge: Why This Research Matters for CFD Professionals
교량 교각 주변의 세굴은 전 세계 엔지니어들이 직면한 중대한 문제입니다. 교각과 같은 장애물은 흐름을 방해하여 말굽 와류(horse-shoe vortex)와 후류 와류(wake vortex)와 같은 복잡한 3차원 유동 구조를 형성합니다. 이러한 와류는 하상 바닥의 전단 응력을 증가시켜 퇴적물을 침식시키고, 교각 기초를 약화시켜 교량의 안전을 위협합니다.
특히, 교량 상부 구조물의 폭이 넓은 경우, 이를 지지하기 위해 길쭉한 교각이나 여러 개의 교각을 설치해야 합니다. 그러나 교각의 배열 방식에 따라 유동 패턴과 세굴 양상이 크게 달라지기 때문에, 안전하고 경제적인 지지 구조를 설계하기 위해서는 이러한 차이를 명확히 이해해야 합니다. 본 연구는 동일한 형상비를 갖는 여러 교각 배열과 단일 교각의 세굴 특성을 비교하여, 어떤 설계가 세굴을 최소화하는 데 더 효과적인지에 대한 해답을 제시합니다.
Figure 1. Horse-shoe vortex and wakes formation at a bridge pier.
The Approach: Unpacking the Methodology
본 연구는 인도 공과대학교 봄베이(IITB)의 수리학 실험실에 있는 길이 7.5m, 폭 0.3m, 깊이 0.6m의 수조에서 수행되었습니다. 실험 조건의 핵심은 다음과 같습니다.
하상 재료: 비중 2.66, 중앙 입경(d50) 0.8mm의 석영 모래를 사용했습니다.
교각 모델: 길이 대 폭의 비율, 즉 형상비(L/B)가 5로 동일한 세 가지 배열을 실험했습니다.
2열 원형 교각: 직경 0.03m의 원형 교각 두 개를 직렬로 배열.
3열 원형 교각: 직경 0.03m의 원형 교각 세 개를 직렬로 배열.
단일 타원형 교각: 폭 0.03m, 길이 0.15m의 둥근 모서리를 가진 단일 고체 교각.
유동 조건: 하상에서 퇴적물 이동이 일어나지 않는清水세굴(clear-water scour) 조건에서 실험을 진행했으며, 유속은 3차원 음향 도플러 유속계(ADV)를 사용하여 측정했습니다.
데이터 수집: 약 8시간 동안 실험을 진행하여 평형 세굴 상태에 도달한 후, 수조의 물을 빼고 포인트 게이지(point gauge)를 사용하여 세굴된 하상의 단면을 정밀하게 측정했습니다.
Figure 2. Three arrangements of piers used in the present study.
이러한 통제된 실험 설계를 통해 각 교각 배열이 세굴 패턴에 미치는 영향을 직접적으로 비교할 수 있었습니다.
The Breakthrough: Key Findings & Data
실험 결과, 교각의 배열 방식이 세굴의 깊이와 부피에 결정적인 영향을 미친다는 사실이 명확하게 드러났습니다.
Finding 1: 단일 고체 교각의 압도적인 세굴 감소 효과
가장 주목할 만한 발견은 단일 타원형 교각이 다중 원형 교각 배열에 비해 세굴을 현저하게 줄인다는 것입니다. Figure 14와 Table 2의 데이터에 따르면, 단일 타원형 교각에서 발생한 세굴 부피(1.38×10⁻³ m³)는 2열 원형 교각(3.11×10⁻³ m³)에 비해 55.63%나 감소했습니다. 3열 원형 교각으로 변경했을 때도 세굴 부피가 21.5% 감소했지만, 단일 교각의 효과에는 미치지 못했습니다. 이는 동일한 지지 면적을 가질 때, 유선형의 단일 구조가 유동 저항과 와류 생성을 최소화하여 세굴을 억제하는 데 훨씬 효과적임을 의미합니다.
Finding 2: 교각 배열에 따른 유동장 복잡성 및 세굴 패턴 변화
이러한 차이는 유동장의 복잡성에서 기인합니다. 다중 교각 배열의 경우, 상류 교각에서 발생한 후류 와류가 하류 교각 전면의 말굽 와류 형성에 간섭합니다. 이 복잡한 상호작용으로 인해 각 교각 주변의 세굴 패턴이 달라집니다. 반면, 단일 타원형 교각은 고체 벽면이 후류 와류의 발달을 약화시키고, 주로 교각 전면의 말굽 와류에 의해 세굴이 발생합니다. 이 말굽 와류의 강도가 다중 교각의 경우보다 약해져 전체적인 세굴 깊이와 부피가 줄어듭니다. Figure 12의 세굴 등고선도는 이러한 차이를 시각적으로 보여주며, 단일 교각의 세굴 구멍이 더 작고 집중되어 있음을 확인할 수 있습니다.
Practical Implications for R&D and Operations
For Civil/Hydraulic Engineers: 본 연구는 교량 설계 시 다중 교각 배열 대신 단일 고체 교각을 선택하는 것이 세굴 깊이와 부피를 크게 줄일 수 있는 효과적인 전략임을 시사합니다.
For Structural Integrity Managers:Figure 12와 Table 2의 데이터는 교각 구성이 세굴 구멍의 형상에 직접적인 영향을 미친다는 것을 보여줍니다. 이는 교량 기초의 검사 및 모니터링 기준을 개발하는 데 중요한 정보가 됩니다.
For Design Engineers: 연구 결과는 교각 배열이 교량 초기 설계 단계에서 세굴을 최소화하기 위한 핵심 변수임을 강조합니다. 단일 타원형 교각을 채택하는 것은 값비싼 세굴 방지 대책의 필요성을 줄일 수 있는 선제적인 조치가 될 수 있습니다.
Paper Details
Experimental study of scour around bridge piers of different arrangements with same aspect ratio
1. Overview:
Title: Experimental study of scour around bridge piers of different arrangements with same aspect ratio
Author: B.A.Vijayasree, T.I. Eldho
Year of publication:
Journal/academic society of publication:
Keywords: Scour, bridge piers, horse-shoe vortex, wake vortex, aspect ratio, flume study
2. Abstract:
교각 주변의 세굴은 교량이 흐름을 방해할 때 형성되는 말굽 와류에 의해 발생하는 문제로, 교량 엔지니어들이 직면한 어려운 과제입니다. 말굽 와류의 거동은 교각의 배열에 따라 달라집니다. 유동 패턴은 다중 교각 그룹과 단일 고체 교각에서 서로 다르며, 이로 인해 다른 세굴 패턴이 생성됩니다. 본 논문에서는 동일한 형상비를 가진 다른 배열의 교각 주변 세굴을 실험용 수조에서 조사했습니다. 연구된 세 가지 배열 모두 형상비(L/B)가 5입니다. 실험용 수조는 길이 7.5m, 폭 0.3m, 깊이 0.6m이며 재순환 설비를 갖추고 있습니다. 결과에 따르면, 세굴 부피는 다중 교각 조합에 비해 단일 고체 교각 주변에서 상당히 감소했습니다. 또한, 교각의 조합으로 인해 유동장이 복잡해졌습니다.
3. Introduction:
교각 주변의 세굴은 전 세계 엔지니어들이 직면한 주요 과제입니다. 흐르는 물에 교각과 같은 장애물이 놓이면, 그 상류에서 역압력 구배가 발생합니다. 이로 인해 경계층이 3차원적으로 분리되며, 높은 난류, 표면 롤러, 하강류, 말굽 와류, 후류 와류가 형성되어 국부적인 유동 구조에 의해 하상 재료가 침식됩니다. 말굽 와류는 구조물 바닥 주변의 전단 응력을 증가시켜 퇴적물 이동을 유발하며, 후류 와류는 이동된 퇴적물을 세굴 구멍 밖으로 운반하는 데 기여합니다. 교량 건설 시에는 강의 폭, 상부 구조물의 폭, 지지 구조물의 형태 등 여러 요소를 고려해야 합니다. 특히 넓은 도로/철도를 지지하기 위해서는 길쭉한 교각이나 다중 교각이 필요하므로, 이러한 구조물 주변의 유동 및 세굴 특성을 이해하는 것이 중요합니다.
4. Summary of the study:
Background of the research topic:
교각 세굴은 교량의 구조적 안정성을 위협하는 핵심적인 수리학적 현상입니다. 유동 중 장애물로 인해 발생하는 복잡한 와류 시스템이 국부적인 하상 침식을 유발합니다.
Status of previous research:
여러 연구자들이 단일 및 다중 원형 교각 주변의 세굴 현상을 조사했습니다. Melville과 Chiew(1999)는 원통형 교각에서의 시간적 세굴 깊이 발달을 연구했으며, Beg(2010, 2015) 등은 횡방향 및 직렬 배열된 두 교각 주변의 세굴 구멍 특성을 연구했습니다. 하지만 동일한 형상비를 가진 다른 배열(다중 vs. 단일)의 세굴 특성을 직접 비교한 연구는 부족했습니다.
Purpose of the study:
본 연구의 목적은 동일한 형상비(L/B=5)를 갖는 세 가지 다른 교각 배열(2열 원형, 3열 원형, 단일 타원형) 주변의 세굴 패턴을 실험적으로 조사하고 비교하는 것입니다. 이를 통해 어떤 배열이 세굴을 최소화하는 데 더 효과적인지 규명하고자 합니다.
Core study:
실험용 수조에서 세 가지 교각 배열 모델을 설치하고, 통제된 유동 조건 하에서 시간에 따른 세굴 깊이, 최종 세굴 구멍의 형상 및 부피를 측정했습니다. 각 배열에서 나타나는 유동 구조와 세굴 메커니즘의 차이점을 분석하여 설계에 대한 실질적인 시사점을 도출했습니다.
5. Research Methodology
Research Design:
동일한 형상비(L/B=5)를 가진 세 가지 교각 배열(2열 원형, 3열 원형, 단일 타원형)을 독립 변수로 설정하고, 종속 변수인 세굴 깊이, 세굴 구멍의 길이, 폭, 부피를 측정하는 비교 실험 연구 설계를 채택했습니다.
Data Collection and Analysis Methods:
유속 측정: 3차원 음향 도플러 유속계(ADV) ‘Vectrino’를 사용하여 유동장을 측정했습니다.
세굴 측정: 평형 상태 도달 후, 포인트 게이지를 사용하여 세굴된 하상의 3차원 지형을 측정했습니다.
데이터 분석: 측정된 데이터를 바탕으로 시간별 세굴 깊이 변화 그래프, 종방향 및 횡방향 세굴 단면도, 3차원 세굴 등고선도를 작성하고, 세굴 부피를 계산하여 각 배열의 특성을 정량적으로 비교 분석했습니다.
Research Topics and Scope:
본 연구는 실험실 규모의 수조에서 清水세굴(clear-water scour) 조건 하에 고정된 하상 재료(d50=0.8mm)와 단일 유량 조건에서 수행되었습니다. 연구 범위는 동일 형상비를 가진 세 가지 특정 교각 배열의 국부 세굴 특성 비교에 한정됩니다.
6. Key Results:
Key Results:
2열 원형 교각에서 3열 원형 교각으로 변경 시, 세굴 부피는 21.5% 감소했습니다.
2열 원형 교각에서 단일 타원형 교각으로 변경 시, 세굴 부피는 55.63% 감소했습니다.
단일 타원형 교각의 상류단 최대 세굴 깊이(0.047m)는 다중 원형 교각(약 0.065m)에 비해 약 28% 감소했습니다.
다중 교각 배열에서는 상류 교각의 후류 와류가 하류 교각의 말굽 와류와 간섭하여 복잡한 유동장과 세굴 패턴을 형성하는 반면, 단일 교각은 상대적으로 단순한 유동장과 예측 가능한 세굴 패턴을 보였습니다.
Figure List:
Figure 1. Horse-shoe vortex and wakes formation at a bridge pier.
Figure 2. Three arrangements of piers used in the present study.
Figure 3. Schematic diagram of the experimental flume.
Figure 4. Grain size distribution of bed material.
Figure 5. Temporal variation of the piers for twin circular pier arrangement (ds is scour depth; b is diameter of pier).
Figure 6. Scour along longitudinal direction for twin circular piers.
Figure 7. Temporal variations of the piers for three circular pier arrangement (ds is scour depth; b is diameter of pier).
Figure 8. Scour along longitudinal direction for three circular piers.
Figure 9. Temporal variation of scour at oblong pier(ds is scour depth; b is diameter of pier).
Figure 10. Scour along longitudinal direction for oblong pier.
Figure 11 Photograph of Scour hole: (a) twin circular pier arrangement; (b) three circular piers arrangement; (c) oblong pier.
Beg, M. 2010.Characteristics of developing scour holes around two piers placed in transverse arrangement. Proceedings of International Conference on Scour and Erosion 2010(ICSE-5), pp 76-85.
Beg, M. & Beg, S. (2015) Scour hole characteristics of two unequal size bridge piers in tandem arrangement, ISH Journal of Hydraulic Engineering, 21:1, 85-96, DOI: 10.1080/09715010.2014.963176.
Das, S. and Mazumder, A.2015.Turbulence flow field around tow eccentric circular piers in scour hole. International Journal of River Basin Management, 13:3,343-361, DOI: 10.1080/15715124.2015.1012515.
Izadinia, E., Heidarpour, M., & Schleiss, A.J. 2013.Investigation of turbulence flow and sediment entrainment around a bridge pier. Stoch.Environ Res Risk Assess, 27; 1303-1314.DOI 10.1007/s00477-012-0666-x.
Kothyari, U., Garde, R., & Ranga Raju, K. 1992.Temporal Variation of Scour around Circular Bridge Piers. J. Hydraul.Eng., 10.1061/ (ASCE) 0733-9429(1992)118:8(1091), 1091-1106.
Maity, H. & Mazumder, B. S. 2014, Experimental investigation of the impacts of coherent flow structures upon turbulence properties in regions of crescentic scour. Earth Surf.Process.Landforms, 39: 995-1013. doi: 10.1002/esp.3496
Manes, C & Brocchini, M 2015. Local scour around structures and the phenomenology of turbulence. J.Fluid Mech. vol. 779, pp. 309-324. Cambridge University Press 2015 doi:10.1017/jfm.2015.389.
Melville, B.W. & Chiew, Y.M. (1999). Time scale for local scour at bridge piers. Journal of Hydraulic Engineering; ASCE, 125(1): 59-65.
Yang, S., Yan, W., Wu, J., Tu, C, and Luo, D, 2016.Numerical investigation of vortex suppression regions for three staggered circular cylinders. European Journal of Mechanics B/Fluids 55 (2016) 207-214.
Expert Q&A: Your Top Questions Answered
Q1: 모든 교각 배열에서 형상비(aspect ratio)를 5로 동일하게 설정한 이유는 무엇인가요?
A1: 형상비를 5로 통일한 것은 실험의 변수를 교각의 ‘배열 방식’ 하나로 제어하기 위함입니다. 만약 형상비가 달랐다면, 세굴 결과의 차이가 배열 방식 때문인지, 아니면 교각의 전체적인 길이 대 폭 비율의 차이 때문인지 명확히 구분할 수 없었을 것입니다. 이 통제된 접근법을 통해 각 배열 방식이 세굴에 미치는 순수한 영향을 정량적으로 평가할 수 있었습니다.
Q2: Figure 5에서 2열 원형 교각의 두 번째 교각에서 나타나는 세굴 깊이 곡선이 불규칙한 이유는 무엇인가요?
A2: 논문에 따르면, 이는 상류의 첫 번째 교각에서 침식된 모래 입자들이 초기에 하류의 두 번째 교각 앞에 형성된 세굴 구멍에 퇴적되었다가, 시간이 지나면서 다시 침식되어 떠내려가기 때문입니다. 이러한 퇴적과 재침식 과정이 반복되면서 두 번째 교각의 시간별 세굴 깊이 곡선에 일시적인 불규칙성이 나타난 것입니다.
Q3: 연구에서는 단일 고체 교각이 더 낫다고 결론 내렸습니다. 이는 재료비 증가 가능성을 고려한 것인가요?
A3: 네, 그렇습니다. 결론 부분에서 이 점을 명시적으로 다루고 있습니다. 논문은 “재료비 측면에서 단일 고체 교각이 비경제적으로 보일 수 있지만, 필요한 세굴 방지 비용을 절감함으로써 이를 보상할 수 있다”고 언급합니다. 즉, 초기 재료비는 더 높을 수 있지만, 장기적인 안정성 확보와 세굴 방지 공사 비용 감소를 고려하면 전체 생애주기 비용(LCC) 측면에서 더 경제적일 수 있다는 의미입니다.
Q4: 수조 폭과 교각 폭의 비율인 차폐율(blockage ratio)이 약 10이라는 점은 어떤 의미를 가지나요?
A4: 이는 실험 결과의 신뢰도를 높이기 위한 중요한 설정입니다. 논문은 Shen 등(1969)의 연구를 인용하여, 수조 벽면이 세굴 패턴에 미치는 영향을 최소화하려면 수조 폭이 교각 직경의 최소 8배 이상 되어야 한다고 언급합니다. 차폐율을 약 10으로 설정함으로써, 실험 결과가 좁은 수조의 경계 효과가 아닌, 실제 강과 같이 넓은 개수로에서의 교각 주변 유동 특성을 잘 대표하도록 보장한 것입니다.
Q5: 3열 교각 실험(Figure 7)에서 세 번째 교각의 세굴 깊이가 초기에 음수 값을 보이는 이유는 무엇인가요?
A5: 이는 실험 시작 직후, 첫 번째와 두 번째 교각에서 침식된 모래가 세 번째 교각 전면에 쌓였기 때문입니다. 이로 인해 해당 지점의 하상고가 일시적으로 원래보다 높아지는 퇴적 현상(accretion)이 발생하여, 세굴 깊이가 음수(-) 값으로 기록된 것입니다. 시간이 더 흐르면서 퇴적된 모래가 다시 침식되기 시작하면서 세굴 깊이 곡선은 양수 값으로 전환됩니다.
Conclusion: Paving the Way for Higher Quality and Productivity
본 연구는 교량의 구조적 안정성을 위협하는 교각 세굴 문제를 해결하기 위해 어떤 교각 설계가 더 우수한지에 대한 명확한 실험적 증거를 제공합니다. 핵심 결론은 동일한 형상비를 가질 때, 여러 개의 교각을 사용하는 것보다 유선형의 단일 고체 교각을 사용하는 것이 세굴을 55% 이상 줄일 수 있다는 것입니다. 이는 교량 설계 단계에서 세굴 위험을 근본적으로 줄여 장기적인 안전성을 확보하고 유지보수 비용을 절감할 수 있는 중요한 통찰을 제공합니다.
(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.
연락처 : 02-2026-0442
이메일 : flow3d@stikorea.co.kr
Copyright Information
This content is a summary and analysis based on the paper “Experimental study of scour around bridge piers of different arrangements with same aspect ratio” by “B.A.Vijayasree, T.I. Eldho”.
이 기술 요약은 Panagiotis Michalis 외 저자가 2015년 Smart Materials and Structures에 발표한 논문 “Wireless monitoring of scour and re-deposited sediment evolution at bridge foundations based on soil electromagnetic properties”를 기반으로 하며, STI C&D의 기술 전문가에 의해 분석 및 요약되었습니다.
키워드
Primary Keyword: 교량 세굴 모니터링
Secondary Keywords: 무선 센서, 토양 전자기 특성, 구조 건전성 모니터링, 홍수 피해 예방, 실시간 모니터링
Executive Summary
도전 과제: 교량 세굴은 구조물 붕괴의 주요 원인이지만, 기존의 검사 방식은 비용이 많이 들고 홍수 시에는 적용이 불가능하여 실시간 대응이 어렵습니다.
해결 방법: 주변 토양의 유전율(dielectric permittivity) 변화를 감지하는 전자기 센서가 통합된 새로운 무선 프로브를 개발했습니다.
핵심 돌파구: 이 센서는 세굴 깊이, 퇴적물 재퇴적 과정을 정확하게 감지할 뿐만 아니라, 기존의 다져진 토양과 느슨하게 재퇴적된 퇴적물을 구별할 수 있어 기초의 하중 지지 능력에 대한 중요한 정보를 제공합니다.
핵심: 이 저비용 실시간 모니터링 시스템은 구조적 붕괴 위험에 대한 조기 경보를 제공하여 교량 안전을 획기적으로 개선할 수 있는 대안을 제시합니다.
도전 과제: 이 연구가 CFD 전문가에게 중요한 이유
최근 기후 변화로 인해 극심한 강우와 돌발 홍수가 빈번해지면서, 수로에 건설된 교량은 세굴(scour)로 인한 붕괴 위험에 크게 노출되어 있습니다. 세굴은 교량 기초 주변의 하상 토양이 물의 흐름에 의해 침식되는 현상으로, 구조적 불안정을 야기하여 치명적인 붕괴로 이어질 수 있습니다.
기존의 교량 안전 점검은 주로 잠수부의 육안 검사에 의존하는데, 이는 비용과 시간이 많이 소요될 뿐만 아니라, 유속이 빠른 홍수 기간에는 안전 문제로 수행 자체가 불가능합니다. 더 큰 문제는 홍수 후 세굴로 파였던 공간이 느슨한 퇴적물로 다시 채워지는 경우입니다. 이 재퇴적된 토양은 원래의 다져진 토양만큼의 지지력을 갖지 못해 작은 규모의 홍수에도 쉽게 다시 유실되어 구조물의 안전을 심각하게 위협합니다. 하지만 기존의 사후 검사 방식으로는 이렇게 ‘숨겨진’ 세굴을 발견하기 어렵습니다. 이러한 기술적 한계는 교량의 안전성을 평가하고 유지보수 계획을 수립하는 데 있어 중대한 난제로 남아있었습니다.
접근 방식: 방법론 분석
본 연구는 토양의 전자기적 특성, 특히 유전율(dielectric permittivity)의 차이를 이용한 새로운 모니터링 개념을 제시합니다. 물(유전율, ɛw ≈ 80)은 건조한 토양 입자(ɛs = 3 ÷ 5)나 공기(ɛa ≈ 1)에 비해 월등히 높은 유전율 값을 가집니다. 이 원리를 이용하여, 연구팀은 여러 개의 전자기 센서가 내장된 프로브를 개발했습니다.
이 프로브는 진폭 영역 반사 측정법(Amplitude Domain Reflectometry, ADR) 기술을 사용합니다. 각 센서는 주변 매질(토양 또는 물)의 유전율에 따라 임피던스가 변하는 커패시터 역할을 합니다. 센서가 토양에 묻혀 있을 때와 물에 노출되었을 때의 유전율 차이로 인해 반사되는 신호의 진폭이 크게 달라지며, 이를 통해 세굴 발생 여부를 감지할 수 있습니다.
이 시스템의 실효성을 검증하기 위해 다음과 같은 실험을 수행했습니다. 1. 정적 세굴 시뮬레이션: 실험실 내 원통형 탱크에서 다양한 종류의 토양(자갈, 모래)과 수질 조건(담수, 염수) 하에 인위적으로 토양을 제거하며 센서의 반응을 측정했습니다. 2. 실시간 수로 실험(Flume Experiments): 실제 하천 환경과 유사하게 조성된 대형 수로에서 물의 흐름을 발생시켜 실시간으로 세굴 및 퇴적 현상을 유도하고, 무선으로 연결된 센서 프로브를 통해 데이터를 수집 및 분석했습니다.
이 접근법을 통해 센서는 세굴 깊이의 변화뿐만 아니라, 재퇴적된 토양의 밀도 변화까지 감지하여 교량 기초의 안정성에 대한 보다 정밀한 정보를 제공할 수 있습니다.
돌파구: 주요 발견 및 데이터
발견 1: 세굴 및 퇴적에 대한 높은 민감도와 정확한 감지
실시간 수로 실험 결과, 개발된 센서 시스템은 세굴 및 퇴적 과정의 미세한 변화를 매우 민감하게 감지했습니다. 예를 들어, 굵은 모래 혼합물로 진행된 실험에서(그림 19a), 초기에는 토양 속에 묻혀 있던 센서 S2와 S3는 약 27 이하의 낮은 유전율 값을 보였습니다.
실험 시작 1시간 후, 세굴 깊이가 7.2cm에 도달하자 센서 S2의 유전율 값은 물의 유전율 값인 75까지 급격히 상승하여 해당 지점이 완전히 물에 노출되었음을 명확히 보여주었습니다.
실험 시작 2.5시간 후, 세굴이 15.7cm까지 깊어지자 센서 S3의 유전율 값 역시 75까지 상승했습니다.
실험 시작 5시간 후, 인위적으로 퇴적을 유도하자 S3와 S2의 유전율 값은 각각 37과 34로 다시 감소하여, 해당 위치가 다시 퇴적물로 채워졌음을 성공적으로 감지했습니다.
이러한 결과는 센서가 수중 하상 변화를 실시간으로 정확하게 추적할 수 있음을 입증합니다.
Figure 1: (a) Permittivity values obtained in various porosity conditions and (b) electromagnetic fringing field generated between 2 electrodes penetrating the external medium outside the access tube.
발견 2: 기존 토양과 재퇴적된 토양의 밀도 차이 식별
본 연구의 가장 중요한 성과는 세굴 감지를 넘어, 재퇴적된 토양의 물리적 특성까지 추정할 수 있다는 점입니다. 센서가 측정한 유전율 값을 토양 혼합 모델(soil mixing model)에 적용하여 토양의 건조 밀도(dry density)를 추정했습니다.
굵은 모래 실험에서(그림 20a), 세굴 전 센서 S2와 S3 위치의 초기 토양 밀도는 각각 1.5 g/cm³와 1.6 g/cm³로 측정되었습니다.
세굴 후 재퇴적이 완료된 시점에서, 동일한 위치의 토양 밀도는 각각 1.2 g/cm³와 1.3 g/cm³로 현저히 낮아졌습니다.
이는 재퇴적된 퇴적물이 기존의 다져진 원지반 토양보다 훨씬 느슨한 상태임을 의미하며, 이는 교량 기초의 지지력 감소와 직결되는 매우 중요한 정보입니다. 이 센서 시스템은 단순히 하상 높이의 변화뿐만 아니라, 지반의 공학적 특성 변화까지 감지할 수 있는 잠재력을 보여주었습니다.
Figure 2: Small-scale off-the-shelf probe equipped with wireless interface.
R&D 및 운영을 위한 실질적 시사점
공정 엔지니어 (토목/구조 엔지니어)에게: 이 연구는 홍수 후 긴급 복구나 사후 대응이 아닌, 지속적인 모니터링을 통한 선제적 유지보수 전략을 가능하게 합니다. 세굴 위험이 감지되면 즉각적인 보강 조치를 취하여 대규모 붕괴를 예방할 수 있습니다.
품질 관리팀 (인프라 자산 관리자)에게: 논문의 그림 19와 20의 데이터는 세굴과 재퇴적에 따른 유전율 및 밀도 변화를 명확히 보여줍니다. 이는 교량 기초의 건전성 상태를 실시간으로 평가하고, 위험 등급을 정량화하여 한정된 예산 내에서 가장 시급한 구조물부터 검사 및 보수를 진행하는 데 중요한 기준을 제공할 수 있습니다.
설계 엔지니어 (교량 설계자)에게: 실제 현장에서 수집된 장기적인 세굴 및 퇴적 동역학 데이터는 기존의 경험적 설계 공식을 보완하고, 더 안전하고 내구성 있는 교량 기초를 설계하는 데 귀중한 자료로 활용될 수 있습니다.
논문 상세 정보
Wireless monitoring of scour and re-deposited sediment evolution at bridge foundations based on soil electromagnetic properties
1. 개요:
제목: Wireless monitoring of scour and re-deposited sediment evolution at bridge foundations based on soil electromagnetic properties (토양 전자기 특성에 기반한 교량 기초의 세굴 및 재퇴적 퇴적물 변화 무선 모니터링)
저자: Michalis, Panagiotis and Tarantino, Alessandro and Tachtatzis, Christos and Judd, Martin D
유압 구조물은 교통 인프라에서 가장 취약한 요소입니다. 최근 강수량 증가는 심각하고 빈번한 돌발 홍수를 유발했으며, 이로 인해 교량은 세굴로 인한 붕괴 위험이 높아졌습니다. 본 연구는 구조적 붕괴가 임박했음을 조기 경보하는 시스템을 지원하기 위해, 교량 기초 부근의 세굴 깊이 변화와 퇴적물 퇴적 과정을 측정하는 새로운 센서를 제시합니다. 모니터링 시스템은 주변 교량 기초의 유전율 변화를 감지하도록 설계된 전자기 센서가 통합된 프로브로 구성됩니다. 이 프로브는 무선 인터페이스를 갖추고 있으며, 다양한 토양 유형과 실제 설치 환경에서 흔히 발생할 수 있는 온도 및 수질 염도 조건 하에서 세굴 및 퇴적물 퇴적을 감지하는 능력을 평가받았습니다. 또한 원지반 퇴적물과 재퇴적된 퇴적물을 구별할 수 있는 새로운 방법론이 개발되어 기초의 하중 지지 능력에 대한 중요한 정보를 제공합니다. 실험적 접근법은 ‘정적’ 세굴 시뮬레이션과 실시간 개방 수로 실험을 사용하여 검증되었습니다. 결과는 이 센서가 수중 하상 변화에 매우 민감하며, 기존 장비에 대한 경제적이고 정확한 구조 건전성 모니터링 대안을 제공할 수 있음을 나타냅니다.
3. 서론:
최근 몇 년간 전 세계적으로 발생한 심각하고 빈번한 홍수로 인해 교량은 세굴로 인한 붕괴 위험이 높아졌습니다. 세굴은 구조물 기초 주변의 하상이 침식되어 구조적 불안정을 초래하고 궁극적으로 치명적인 붕괴를 일으키는 현상입니다. 홍수로 인한 세굴은 교량 붕괴의 주요 원인으로, 인명 손실, 교통 두절 및 막대한 경제적 손실을 초래합니다. 세굴은 대부분의 유압 구조물에서 사용 기간 동안 발생할 것으로 예상됩니다. 예를 들어 영국에는 9,000개 이상의 주요 수로 교량과 거의 95,000개의 교량 경간 및 암거가 세굴 과정에 취약합니다. 2003년까지 교대 및 교각 세굴은 130건 이상의 철도 교량 붕괴와 관련된 가장 흔한 원인으로 확인되었습니다. 영국 철도 구조물에 대한 세굴 피해만 해도 연평균 1백만 파운드가 넘는 것으로 추정됩니다. 미래 예측에 따르면 유럽 전역의 극심한 홍수 빈도는 2050년까지 두 배로 증가할 것으로 예상되며, 이는 고속도로 및 철도 인프라에 중대한 영향을 미칠 것입니다.
4. 연구 요약:
연구 주제의 배경:
교량 붕괴의 주된 원인인 세굴 현상은 기후 변화로 인한 홍수 빈도 증가로 인해 그 위험성이 더욱 커지고 있습니다. 기존의 시각적 검사 방법은 비용과 시간, 안전상의 문제로 한계가 명확하며, 특히 홍수 후 재퇴적된 토양으로 인해 숨겨진 위험을 파악하기 어렵습니다.
이전 연구 현황:
과거에는 지진파 반사 프로파일링, 지표 투과 레이더(GPR), 음향 측심기 등 다양한 지구물리학적 방법이 세굴 측정에 사용되었습니다. 또한, 시간 영역 반사 측정법(TDR)이나 광섬유 브래그 격자(FBG) 센서를 영구적으로 설치하는 방식도 연구되었으나, 높은 비용, 내구성, 복잡한 데이터 처리 등의 문제로 현장 적용이 제한적이었습니다.
연구 목적:
본 연구의 목적은 토양의 전자기적 특성을 이용하여 세굴 및 퇴적 과정을 실시간으로 모니터링할 수 있는 저비용의 새로운 무선 센서 기술의 성능을 평가하는 것입니다. 특히, 원지반 토양과 지지력이 약한 재퇴적 토양을 구별하는 방법론을 개발하여 교량 기초의 안정성에 대한 보다 정확한 정보를 제공하고자 합니다.
핵심 연구:
연구의 핵심은 진폭 영역 반사 측정법(ADR) 기술을 기반으로 한 다중 센서 프로브를 개발하고, 이를 무선 통신 모듈과 결합하여 실시간 원격 모니터링 시스템을 구축하는 것입니다. 이 시스템을 이용해 (1) 다양한 환경 조건(토양 종류, 염도, 온도)에서의 센서 민감도 평가, (2) 토양 밀도 추정을 위한 혼합 모델 보정, (3) 실제와 유사한 흐름 조건 하에서의 실시간 세굴 및 퇴적 추적 능력 검증을 수행했습니다.
5. 연구 방법론
연구 설계:
본 연구는 실험실 기반의 기초 성능 평가와 실제 환경을 모사한 동적 성능 검증의 두 단계로 설계되었습니다. 첫째, 센서의 기본 교정 및 환경 변수(염도, 온도)에 대한 민감도를 평가했습니다. 둘째, 다양한 밀도로 다져진 토양 샘플을 통해 유전율과 토양 밀도 간의 관계를 정립하는 모델을 보정했습니다. 셋째, ‘정적’ 세굴 테스트를 통해 여러 토양 유형에서 센서의 반응을 확인했습니다. 마지막으로, 대형 수로(flume)에서 실제 물의 흐름을 이용한 실시간 세굴 및 퇴적 실험을 수행하여 시스템의 종합적인 성능을 검증했습니다.
데이터 수집 및 분석 방법:
데이터는 프로브에 장착된 각 센서로부터 전압 신호 형태로 수집되었습니다. 이 전압 값은 제조사가 제공한 6차 다항식을 사용하여 유전율(permittivity)로 변환되었습니다. 수집된 유전율 데이터는 보정된 2상 혼합 모델(two-phase mixing model)을 통해 토양의 공극률(porosity) 및 건조 밀도(dry density)로 계산되었습니다. 모든 데이터는 저전력 무선 노드(AdvanticSys CM 5000)를 통해 실시간으로 기지국(노트북)에 전송되어 기록 및 분석되었습니다. 수로 실험 중 실제 세굴 깊이는 버니어 포인트 게이지를 사용하여 주기적으로 측정하여 센서 데이터와 비교 검증했습니다.
연구 주제 및 범위:
연구는 교량 기초 주변의 세굴 및 재퇴적 현상을 모니터링하는 새로운 무선 센서 기술의 개발 및 검증에 초점을 맞췄습니다. 연구 범위는 (1) 센서의 교정 및 염도/온도 영향 평가, (2) 토양 밀도와 유전율 간의 관계 모델링, (3) 다양한 토양(중간 자갈, 굵은 모래, 중간 모래)에서의 정적/동적 세굴 감지 능력 평가를 포함합니다. 실험은 담수 및 고농도 염수(35 ppt) 조건에서 수행되었습니다.
6. 주요 결과:
주요 결과:
센서는 유전율 값 1(공기)부터 80(물)까지의 범위에서 매우 정확한 측정이 가능함을 검증했습니다. 염도가 높은 물에서는 측정값의 포화 현상이 나타났으나, 토양과 물을 구별하는 데는 충분한 신호 변화를 보였습니다.
토양 밀도가 증가함에 따라 측정된 유전율 값이 예측대로 증가하는 것을 확인했으며, 이를 통해 토양의 다짐 상태를 평가할 수 있는 가능성을 입증했습니다.
실시간 수로 실험에서 센서는 수 cm 단위의 세굴 및 퇴적 변화를 성공적으로 추적했습니다.
가장 중요한 결과로, 센서는 세굴 전의 다져진 토양(예: 밀도 1.6 gr/cm³)과 세굴 후 느슨하게 재퇴적된 토양(예: 밀도 1.3 gr/cm³)을 밀도 차이를 통해 명확하게 구별해냈습니다.
Figure 목록:
Figure 1: (a) Permittivity values obtained in various porosity conditions and (b) electromagnetic fringing field generated between 2 electrodes penetrating the external medium outside the access tube.
Figure 2: Small-scale off-the-shelf probe equipped with wireless interface.
Figure 3: Sensing electronics placed at each sensor location, adapted from [21].
Figure 4: Wireless node components.
Figure 5: (a) Wireless probe used in the experimental scour tests and (b) real-time wireless data transmission to the base station.
Figure 6: Anticipated amplitude response of the sensors during scour and sedimentation processes.
Figure 7: Evaluation of the probe in various solvents.
Figure 8: Experimental set up for soil density tests.
Figure 9: (a) Experimental setup and (b) sensor position during ‘static’ scour tests.
Figure 10: Flume experimental set up.
Figure 11: (a) Position of sensors in the riverbed segment; (b) wireless node location downstream of the scour probe and data transmission to the base station at the entrance of the flume.
Figure 12: Measured and predicted voltage output in solvents with known dielectric constant values.
Figure 13: Sensor response in various salinity conditions.
Figure 14: Temperature influence on the sensor output when immersed in (a) fresh water and (b) saline water of 35 ppt.
Figure 15: (a) Density effect on the sensor output and (b) optimum factor a for estimated and experimental permittivity values obtained with non-linear least square error analysis.
Figure 16: (a) Sensor permittivity outputs and (b) estimated soil porosity (n) values obtained for the optimum a factor during ‘static’ scour tests.
Figure 17: Measured and estimated permittivity values for the sensor embedded in (a) gravel (b) coarse sand and (c) medium sand sediments using saline water of 35 ppt.
Figure 18: Permittivity values obtained in (a) coarse sand and (b) medium sand sediments during the saturation process of the riverbed segment.
Figure 19: Measured permittivity values and scour depth during flume experiments in (a) coarse sand mixture and (b) medium sand sediments. The measured scour depth and the location of each sensor along the probe length are also presented for each flume test.
Figure 20: Estimated density values and scour depth during flume experiments in (a) coarse sand mixture and (b) medium sand sediments. The measured scour depth and the location of each sensor along the probe length are also presented for each flume test.
7. 결론:
본 연구는 교량 기초의 세굴 및 퇴적 변화를 지속적으로 모니터링할 수 있는 새로운 기술을 제시했습니다. 진폭 영역 반사 측정법(ADR)을 이용한 이 시스템은 상용 프로브와 무선 인터페이스를 결합하여 실시간 원격 모니터링을 가능하게 합니다.
체계적인 실험을 통해 센서의 교정 곡선, 염도 및 온도에 대한 민감도를 평가했습니다. 특히, 다양한 밀도 조건에서 얻은 실험 데이터를 바탕으로 토양 혼합 모델을 보정하여, 센서 신호로부터 토양의 공극률 및 밀도를 추정할 수 있음을 보였습니다. 이는 원지반 토양과 지지력이 약한 재퇴적 토양을 구별하는 핵심적인 기능입니다.
실시간 수로 실험에서 ADR 센서 플랫폼은 세굴 및 퇴적 과정에 대해 높은 민감도를 보였으며, 재퇴적된 퇴적물이 더 낮은 밀도(더 높은 유전율)를 갖는다는 것을 성공적으로 감지했습니다. 제안된 센싱 기술은 기존의 세굴 검사 방법에 비해 더 경제적이고 정확하며 실시간 대응이 가능한 대안을 제공할 수 있습니다. 본 연구 결과는 이 ADR 센서를 교량 구조 건전성 모니터링 시스템에 통합하여 기초의 하상 변화에 대한 핵심 정보를 제공하는 현장 적용의 중요한 지침이 될 것입니다.
Figure 6: Anticipated amplitude response of the sensors during scour and sedimentation processes.
8. 참고 문헌:
Wardhana K and Hadipriono F 2003 Analysis of Recent Bridge Failures in the United States J. Perform. Constr. Facil. 17(3) 144–150
Richardson E V and Davis S R 2001 Evaluating scour at bridges FHWA NHI 01-001: Hydr. Engrg. Circular No. 18 4th Ed. US Department of Transportation Washington DC
Rail Safety and Standards Board 2004 Impact of scour and flood risk on railway structures Rail Safety & Standards Board Infrastructure Integrity Research Project Number T112 London UK
Rail Safety and Standards Board 2005 Safe Management of Railway Structures Flooding & Scour Risk Rail Safety & Standards Board Research Programme Engineering London UK
Jongman B, Hochrainer-Stigler S, Feyen L, Aerts J C J H, Mechler R, Botzen W J W, Bouwer L M, Pflug G, Rojas R and Ward P J 2014 Increasing stress on disaster risk finance due to large floods Nature Climate Change 4 264–268
Hunt B E 2009 Monitoring scour critical bridges NCHRP synthesis 396 Transportation Research Board Washington DC
Arjwech R, Everett M E, Briaud J-L, Hurlebaus S, Medina-Cetina Z, Tucker S and Yousefpour N 2013 Electrical resistivity imaging of unknown bridge foundations Near Surface Geophysics 11(6) 591-598
Gorin S R and Haeni F P 1989 Use of surface-geophysical methods to assess riverbed scour at bridge piers US Geological Survey Water-Resources Investigations Rep. No. 88-4212 Federal Highway Administration Hartford CT
Placzek G and Haeni F P 1995 Surface-geophysical techniques used to detect existing and infilled scour holes near bridge piers Water Resources Investigations Report 95-4009 US Geological Survey Storrs CT
Forde M C, McCann D M, Clark M R, Broughton K J, Fenning P J and Brown A 1999 Radar measurement of bridge scour NDT & E Int. 32(8) 481–492
Mueller D S and Landers N M 1999 Portable Instrumentation for Real-time Measurement of Scour at Bridges Federal Highway Administration Report FHWA-RD-99-085 McLean VA
Schall J D and Price G R 2004 Portable Scour Monitoring Equipment NCHRP Report 515 Transportation Research Board Washington DC
Yankielun N and Zabilansky L 1999 Laboratory Investigation of Time-Domain Reflectometry System for Monitoring Bridge Scour J. Hydraul. Eng. 125(12) 1279–1284
Yu X and Yu X 2009 Time Domain Reflectometry Automatic Bridge Scour Measurement System: Principles and Potentials Structural Health Monitoring 8(6) 463-476
Lin Y B, Lai J S, Chang K C and Li L S 2006 Flood scour monitoring system using fiber Bragg grating sensors Smart Mater. Struct. 15(6) 1950–1959
Zarafshan A, Iranmanesh A and Ansari F 2012 Vibration-Based Method and Sensor for Monitoring of Bridge Scour J. Bridge Eng.17(6) 829–838
Whalley W R, Dean T J and Izzard P 1992 Evaluation of the Capacitance Technique as a Method for Dynamically Measuring Soil Water Content J. Agric. Engng. Res. 52 147-155
Roth K R, Schulin R, Fluhler H and Attinger W 1990 Calibration of Time Domain Reflectometry for Water Content Measurement using a Composite Dielectric Approach Water Res. Res. 26(10) 2267-2273
Birchak J R, Gardner C G, Hipp J E and Victor J M 1974 High dielectric constant microwave probes for sensing soil moisture Proc. IEEE 62(1) 93–98
Dobson M C, Ulaby F T, Hallikainen M T and El-Rayes M A 1985 Microwave dielectric behavior of wet soil part II: Dielectric mixing models IEEE Trans. Geoscience and Remote Sensing GE-23(1) 35-46
Delta-T Devices Ltd 2006 Moisture content sensor and related methods International Patent Publication WO 2006/064266 A1
Delta-T Devices Ltd 2008 User Manual for the Profile Probe: type PR2 Cambridge UK
Maryott A A and Smith E R 1951 Table of dielectric constants of pure liquids Circular 514 Washington US
Michalis P, Saafi M and Judd D M 2013 Capacitive Sensors for Offshore Scour Monitoring Proc. of the ICE – Energy 166(4) 189–196
Michalis P, Saafi M and Judd D M 2012 Integrated Wireless Sensing Technology for Surveillance and Monitoring of Bridge Scour Proceedings of the 6th Int. Conference on Scour and Erosion Paris France 27-31 August 2012 395-402
Stogryn A 1971 Eqs. for Calculating the Dielectric Constant of Saline Water IEEE Trans. On Microwave Theory and Techniques 19(8) 733-736
Weitz A M, Grauel W T, Keller M and Veldkamp E 1997 Calibration of TDR technique using undisturbed soil samples from humid tropical soils of volcanic origin Water Res. Res. 33(6) 1241-1249
Yu C, Warrick A W, Conklin M H, Young M H and Zreda M 1997 Two- and three-parameter calibrations of time domain reflectometry for soil moisture measurement Water Res. Res. 33 2417-2421
Whalley W R 1993 Considerations on the use of time domain reflectometry (TDR) for measuring soil water content J. Soil Sci. 44 (1) 1–9
Expert Q&A: 전문가 질의응답
Q1: 물의 염도가 센서 정확도에 어떤 영향을 미칩니까? 현장 적용 시 문제가 될 수 있나요?
A1: 논문의 그림 13과 14에 따르면, 물의 염도가 15 ppt 이상으로 높아지면 센서가 측정할 수 있는 유전율 값의 상한선에 도달하여(포화 상태), 염도 변화에 따른 유전율 변화를 정확히 측정하기는 어렵습니다. 하지만, 염도가 높은 물의 유전율 값조차도 토양의 유전율 값과는 매우 큰 차이를 보입니다. 따라서 센서가 토양에 묻혀 있다가 염수가 있는 물에 노출될 때 발생하는 신호 변화는 매우 뚜렷하므로, 세굴 발생 여부를 감지하는 데는 전혀 문제가 없습니다.
Q2: 토양 혼합 모델에서 기하학적 매개변수 ‘α’ 값의 중요성은 무엇이며, 어떻게 결정되었나요?
A2: 매개변수 ‘α’는 토양, 물, 공기가 혼합된 매질 내에서 전기장의 방향성을 나타내는 중요한 요소입니다. 이 값을 정확히 알아야 측정된 유전율로부터 토양의 공극률과 밀도를 역으로 계산할 수 있습니다. 본 연구에서는 다양한 밀도로 다져진 모래 샘플에 대한 실험을 통해(그림 15 참조), 비선형 최소 제곱 오차 회귀 분석을 이용하여 최적의 α 값으로 0.478을 도출했습니다. 이 값은 기존 문헌에서 보고된 0.46~0.50 범위와 일치하여 모델의 신뢰성을 높여줍니다.
Q3: 이 시스템이 원지반의 다져진 토양과 홍수 후 느슨하게 재퇴적된 퇴적물을 실제로 구별할 수 있습니까?
A3: 네, 이것이 이 시스템의 핵심적인 장점입니다. 논문의 그림 20에서 볼 수 있듯이, 수로 실험에서 세굴이 발생하기 전의 원지반 토양은 상대적으로 높은 밀도(1.5~1.7 gr/cm³)를 보였습니다. 하지만 세굴 후 퇴적물이 다시 쌓인 후에는 동일한 위치의 토양 밀도가 1.2~1.4 gr/cm³로 현저히 낮아졌습니다. 센서는 이 밀도 차이를 유전율 값의 차이로 감지하므로, 단순히 하상 높이의 복원이 아닌, 지반의 공학적 품질 저하까지 파악할 수 있습니다.
Q4: 센서의 무선 통신 거리는 어느 정도이며, 실제 교량 환경에 적용하기에 충분한가요?
A4: 논문 8페이지에 따르면, 사용된 무선 센서 노드(AdvanticSys CM 5000)는 온보드 안테나를 사용하여 장애물이 없는 공간에서 35m의 통신 범위를 제공합니다. 이는 교각이나 교대 근처에 설치된 센서 프로브에서 교량 상부나 제방에 설치된 기지국까지 데이터를 전송하기에 대부분의 중소 규모 교량 환경에서 충분한 거리입니다. 더 넓은 범위가 필요한 경우 외부 안테나나 중계 노드를 사용하여 확장이 가능합니다.
Q5: 센서가 정적인 실험실 환경이 아닌, 실제와 같은 동적 흐름 조건 하에서 어떻게 검증되었나요?
A5: 연구팀은 길이 12m, 폭 0.4m의 대형 개방 수로(flume)를 이용하여 실제 하천과 유사한 환경을 조성했습니다(섹션 4.4 참조). 펌프를 이용해 최대 1.30 m/s의 유속을 발생시켜 모래 하상에서 실시간으로 세굴이 일어나도록 유도했습니다. 센서는 이 역동적인 환경 속에서 7시간 동안 지속적으로 데이터를 전송했으며, 그 결과는 주기적으로 측정한 실제 세굴 깊이와 매우 잘 일치하여 동적 조건에서의 신뢰성과 성능을 입증했습니다.
결론: 더 높은 품질과 생산성을 위한 길
교량 기초의 세굴은 예측하기 어렵고 기존 방식으로 감지하기 힘들어 심각한 인명 및 재산 피해를 야기하는 재해입니다. 본 연구에서 제시된 토양 전자기 특성 기반의 교량 세굴 모니터링 시스템은 이러한 문제를 해결할 획기적인 돌파구를 제공합니다. 이 기술은 저비용으로 실시간 데이터를 제공할 뿐만 아니라, 눈에 보이지 않는 위험, 즉 지지력이 약화된 재퇴적 토양의 존재까지 감지하여 교량 안전 관리를 한 차원 높은 수준으로 끌어올립니다.
STI C&D는 최신 산업 연구를 적용하여 고객이 더 높은 생산성과 품질을 달성할 수 있도록 돕는 데 전념하고 있습니다. 이 논문에서 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.
연락처 : 02-2026-0442
이메일 : flow3d@stikorea.co.kr
저작권 정보
이 콘텐츠는 “Panagiotis Michalis” 외 저자의 논문 “Wireless monitoring of scour and re-deposited sediment evolution at bridge foundations based on soil electromagnetic properties”를 기반으로 한 요약 및 분석 자료입니다.
이 기술 요약은 Zahraa F. Hassan 외 저자가 2020년 Civil Engineering Journal에 발표한 논문 “Effect of Interaction between Bridge Piers on Local Scouring in Cohesive Soils”를 기반으로 합니다. 이 자료는 STI C&D가 AI의 도움을 받아 기술 전문가를 위해 분석하고 요약한 것입니다.
도전 과제: 현대의 장경간 교량은 단일 교각 대신 교각 그룹을 사용하지만, 점성토 지반에서 교각 간 상호작용이 국부 세굴에 미치는 영향은 명확히 규명되지 않아 교량 기초의 불안정성을 야기할 수 있습니다.
연구 방법: 실험실 수로(flume)에서 점토-모래 혼합 지반에 두 개의 원형 직렬 교각(in-line piers)을 설치하고, 교각 간격을 다양하게 변경하며 세굴 깊이와 패턴을 측정하는 수리 실험을 수행했습니다.
핵심 발견: 최대 세굴 깊이는 교각 직경의 2배 간격에서 발생하며, 이는 단일 교각보다 10% 더 깊은 수치입니다. 반면, 하류 측 교각은 상류 측 교각의 보호 효과(sheltering effect)로 인해 세굴이 감소했습니다.
핵심 결론: 교각 간격은 세굴 패턴을 근본적으로 바꾸는 핵심 설계 변수이며, 기존의 일부 세굴 예측 공식은 이러한 직렬 교각 배치에서 세굴 깊이를 과대평가할 수 있습니다.
도전 과제: 이 연구가 CFD 전문가에게 중요한 이유
교량 기초 주변의 국부 세굴은 구조적 불안정성과 붕괴의 주요 원인입니다. 이 때문에 교각 세굴 메커니즘을 이해하는 것은 설계에 있어 필수적입니다. 대부분의 기존 연구는 비점착성 토양(모래, 자갈)에 설치된 단일 교각에 초점을 맞추어 왔습니다.
그러나 현대의 교량 설계는 넓은 경간을 지지하기 위해 단일 교각이 아닌 교각 그룹을 사용하는 것이 일반적입니다. 교각 그룹 주변의 흐름과 세굴 패턴은 교각 간의 복잡한 상호작용으로 인해 단일 교각의 경우와는 매우 다릅니다. 특히, 입자 간의 화학적, 물리적 결합력이 세굴 저항성에 큰 영향을 미치는 점성토 지반에서의 교각 그룹 세굴에 대한 연구는 거의 전무한 실정이었습니다. 이러한 지식의 공백은 교량 기초 설계의 정확성과 안전성에 심각한 위험 요소로 작용해왔습니다. 본 연구는 바로 이 문제를 해결하기 위해 시작되었습니다.
연구 접근법: 방법론 분석
본 연구는 교각 상호작용이 국부 세굴에 미치는 영향을 규명하기 위해 정밀하게 통제된 실험실 수리 실험을 수행했습니다.
Figure 1. A schematic representation of the flume used in the experiments
실험 장비: 이란 아미르카비르 공과대학교(Amirkabir University of Technology)의 다공성 매체 연구소에 위치한 길이 14m, 폭 1m, 깊이 1m의 직사각형 단면 수로(flume)를 사용했습니다. 유량은 수로 출구의 예연 위어(sharp crested rectangular weir)로 측정되었습니다.
교각 모델: 직경(D) 5cm의 원형 플렉시글라스 교각 모델을 사용했으며, 단일 교각 실험과 두 개의 교각을 흐름 방향과 평행하게 배치한 직렬(탠덤) 교각 실험을 진행했습니다.
지반 조건: 세굴 실험을 위해 카올리나이트 점토 30%와 균일한 세립사(d50=0.15mm) 70%를 건조 중량 기준으로 혼합한 점성토를 사용했습니다. 이 혼합물은 자연 점성토와 유사한 점착 결합을 형성하도록 3시간 동안 포화시켰습니다.
실험 조건: 모든 실험은 유사 이동이 없는 한계 유속 조건(clear water scour)에서 수행되었습니다. 접근 유속은 실드(Shield) 방법을 사용하여 모래 입자의 임계 속도에 가깝게 설정했으며(V/Vc = 0.94), 유량은 37.5 l/s, 수심은 15cm로 일정하게 유지했습니다. 각 실험은 24시간 동안 지속하여 더 이상 유사 이동이 관찰되지 않는 평형 상태에 도달하도록 했습니다.
주요 변수: 직렬 교각 실험에서 교각 중심 간 간격(Sp)을 교각 직경(D)의 2배, 2.5배, 3배, 4배, 6배, 8배(Sp = 2D, 2.5D, 3D, 4D, 6D, 8D)로 변경하며 실험을 수행했습니다.
Figure 2. A graphical representation of the two in-line circular pier models arrangement
핵심 발견: 주요 결과 및 데이터
결과 1: 교각 간격이 상류 측 교각의 최대 세굴 깊이를 결정
실험 결과, 두 개의 직렬 교각 중 상류 측 교각의 세굴 깊이는 교각 간격에 따라 크게 달라졌습니다. 특히 가장 위험한 조건은 교각 간격이 가장 좁을 때 나타났습니다.
Table 2의 데이터에 따르면, 교각 간격(Sp)이 교각 직경(D)의 2배(Sp/D = 2)일 때, 상류 측 교각의 세굴 깊이(ds1)는 67mm로 측정되었습니다. 이는 단일 교각의 세굴 깊이(ds)인 61mm보다 약 10% 더 깊은 값으로, 실험된 모든 간격 중에서 가장 큰 세굴 깊이를 기록했습니다. 이는 두 교각의 세굴공이 서로 간섭하면서 토사 제거를 강화하는 ‘보강 효과(reinforcement effect)’ 때문으로 분석됩니다. 간격이 3D 이상으로 멀어지면서 이 효과는 감소했고, 4D 이상에서는 단일 교각의 세굴 깊이에 수렴하는 경향을 보였습니다.
결과 2: 하류 측 교각을 보호하는 ‘보호 효과(Sheltering Effect)’
상류 측 교각은 하류 측 교각으로 향하는 유속을 감소시키는 방패 역할을 했습니다. 이로 인해 하류 측 교각의 세굴은 모든 실험 조건에서 단일 교각보다 작게 나타났습니다.
Table 2에서 하류 측 교각의 세굴 깊이(ds2)와 단일 교각 세굴 깊이(ds)의 비율(ds2/ds)을 보면, 이 값은 0.62에서 0.97 사이로 항상 1보다 작았습니다. 특히 간격이 8D로 가장 멀어졌을 때, 하류 측 교각의 세굴 깊이는 38mm로 단일 교각의 62% 수준까지 감소하여 보호 효과가 가장 뚜렷하게 나타났습니다. 이는 상류 측 교각이 하류 측 교각 주변의 와류(horseshoe vortex) 형성을 약화시키기 때문입니다. Figure 3의 세굴공 패턴은 이러한 상호작용과 보호 효과를 시각적으로 명확하게 보여줍니다.
R&D 및 운영을 위한 실질적 시사점
토목/설계 엔지니어: 이 연구는 교량 기초 설계 시 교각 간격을 매우 신중하게 고려해야 함을 시사합니다. 특히 교각 직경의 2배 간격이 상류 측 교각에 가장 불리한 세굴 조건을 유발한다는 점은 핵심적인 설계 제약 조건이 될 수 있습니다. 반면, 하류 측 교각에 대한 보호 효과를 정량적으로 활용하면 해당 교각의 기초 설계를 최적화할 수 있는 가능성을 열어줍니다.
품질 관리 및 유지보수 팀: 논문의 Figure 3에 제시된 다양한 간격별 세굴공 패턴은 직렬 교각을 가진 교량의 정기 점검 시 중요한 시각적 참고 자료가 될 수 있습니다. 실제 현장에서 관찰된 세굴 패턴이 실험 결과와 크게 다를 경우, 이는 예상치 못한 수리 조건이나 지반 특성의 변화를 의미할 수 있으므로 정밀 진단의 필요성을 시사합니다.
CFD 해석 엔지니어: 본 연구의 실험 데이터는 점성토 지반에서의 다중 교각 세굴 모델링을 위한 귀중한 검증(Validation) 자료를 제공합니다. 특히 기존 세굴 예측 공식(TAMU-scour method)이 결과를 과대평가했다는 점은, 점성토의 침식 특성을 더 정확하게 반영하는 새로운 수치 모델 개발의 필요성을 강조합니다.
논문 상세 정보
Effect of Interaction between Bridge Piers on Local Scouring in Cohesive Soils
1. 개요:
제목: Effect of Interaction between Bridge Piers on Local Scouring in Cohesive Soils
저자: Zahraa F. Hassan, Ibtisam R. Karim, Abdul-Hassan K. Al-Shukur
발표 연도: 2020
발표 학술지/학회: Civil Engineering Journal
키워드: Tandem Piers, In-line Piers, Bridge Pier Interaction, Cohesive Soils, Sand-clay Bed
2. 초록:
교각에서의 국부 세굴은 교량 기초 침식의 주요 원인 중 하나입니다. 초기 연구들은 주로 단일 교각에서의 세굴에 초점을 맞추었지만, 현대의 교량 설계는 상부 구조를 지지하기 위해 단일 교각보다는 교각 그룹을 사용하는 경우가 많습니다. 교각 그룹 주변의 흐름과 세굴 패턴은 상호작용 효과로 인해 단일 교각의 경우와 다릅니다. 교량 교각 그룹 주변의 국부 세굴에 대한 문헌 검토 결과, 점성토 지반에 설치된 교각 그룹 주변의 국부 세굴은 연구되지 않았으며, 대부분의 세굴 연구는 비점착성 토양에서의 세굴과 관련이 있었습니다. 본 연구의 목적은 점성토에 설치된 다양한 간격을 가진 두 개의 직렬(탠덤) 원형 교각 간의 상호작용이 국부 세굴에 미치는 영향을 조사하는 것입니다. 이 효과를 조사하기 위해 한계 유속 세굴 조건 하에서 일련의 실험실 수로 실험이 수행되었습니다. 본 연구는 점성토 지반에서 교각 그룹 주변의 세굴을 실험적으로 조사한 첫 번째 연구입니다. 두 직렬 교각의 상류 측 교각에서 최대 세굴 깊이는 교각 직경의 2배 간격에서 발생했으며, 하류 측 교각에서의 세굴은 보호 효과로 인해 감소했고, 간섭 효과는 교각 직경의 3배보다 큰 교각 간격에서 감소하는 것으로 나타났습니다. 최근의 교각 세굴 방정식을 사용하여 점성토 내 두 직렬 교각의 세굴 깊이를 추정하고, 추정된 값을 실험실에서 측정된 세굴 깊이와 비교했습니다. 비교 결과, 제안된 세굴 방정식은 상류 및 하류 교각 모두에서 세굴 깊이를 과대평가하는 것으로 나타났습니다.
3. 서론:
교량의 교각 및 교대 주변의 국부 세굴은 구조적 불안정성과 붕괴의 주요 위험 요소입니다. 국부 세굴은 침식 가능한 지반에 교량 교각과 교대가 건설될 때, 흐르는 물의 침식 작용으로 인해 주변 토양이 파여나가면서 발생합니다. 따라서 교량 기초의 세굴 메커니즘에 대한 이해는 설계 목적을 위해 반드시 고려되어야 합니다. 교량 교각 세굴에 대한 연구는 1950년대부터 수행되어 왔으며, 다양한 관점과 조건 하에서 교각 주변의 국부 세굴 깊이를 평가하기 위한 수많은 설계 방법과 예측 방정식이 개발되었습니다. 단일 교량 교각 주변의 세굴 및 흐름 구조에 대한 연구는 상당수 있지만, 교각 그룹 주변의 세굴 및 유동장에 대한 연구는 상대적으로 적습니다.
4. 연구 요약:
연구 주제의 배경:
현대의 장경간 교량은 상부 구조물을 지지하기 위해 단일 교각보다 교각 그룹을 사용하는 것이 일반적입니다. 교각 그룹에서의 세굴 과정은 흐름 구조의 상호작용으로 인해 더 복잡하며, 결과적으로 세굴 패턴이 단일 교각의 경우와 다릅니다.
이전 연구 현황:
대부분의 교각 세굴 연구는 비점착성 토양(모래/자갈)에 초점을 맞추어 왔습니다. 점성토에서의 세굴은 흐름 구조 외에 토양 입자 간의 화학적, 물리적 결합력이 저항력으로 작용하여 더 복잡합니다. 점성토 지반의 교각 그룹 세굴에 대한 연구는 거의 보고된 바가 없습니다. Li (2015)의 연구가 유일하게 점성토 내 교각 그룹을 다루었으나, 나란히 배치된 교각에 한정되었고 세굴공 패턴이나 상호작용 효과에 대한 상세한 설명은 없었습니다.
연구 목적:
본 연구는 점성토 지반에 설치된 두 개의 직렬(탠덤) 원형 교각 간의 상호작용이 국부 세굴공에 미치는 영향을 물리적 모델링과 실험실 실험을 통해 규명하는 것을 목표로 합니다.
핵심 연구 내용:
단일 교각 및 다양한 간격(2D, 2.5D, 3D, 4D, 6D, 8D)을 가진 두 개의 직렬 교각에 대한 수리 실험을 수행했습니다. 점토-모래 혼합토로 조성된 지반에서 24시간 동안 한계 유속 세굴 조건으로 실험을 진행하여 최종 세굴공의 형상과 최대 세굴 깊이를 측정했습니다. 측정된 데이터와 기존 세굴 예측 공식(TAMU-scour method)의 예측치를 비교 분석했습니다.
5. 연구 방법론
연구 설계:
본 연구는 실험실 환경에서 통제된 변수를 사용하여 교각 상호작용 효과를 정량적으로 측정하는 실험적 연구 설계를 채택했습니다. 단일 교각 실험을 기준(baseline)으로 설정하고, 직렬 교각의 간격을 주요 변수로 하여 세굴 깊이의 변화를 비교 분석했습니다.
데이터 수집 및 분석 방법:
각 실험 종료 후, 수로의 물을 천천히 배수하고 레이저 측정기(laser-meter)를 사용하여 교각 주변의 지반 고도를 정밀하게 측정했습니다. 이를 통해 각 교각 주변의 세굴 깊이와 세굴공의 3차원 형상 데이터를 수집했습니다. 수집된 데이터는 단일 교각의 결과와 비교하여 상호작용 효과를 분석하는 데 사용되었습니다.
연구 주제 및 범위:
연구 주제: 점성토 지반에 설치된 두 개의 직렬 원형 교각의 상호작용이 국부 세굴에 미치는 영향.
연구 범위:
지반 조건: 카올리나이트 점토와 세립사 혼합토.
수리 조건: 한계 유속 세굴(Clear-water scour).
교각 배열: 직렬(탠덤) 원형 교각.
교각 간격(Sp/D): 2, 2.5, 3, 4, 6, 8.
6. 주요 결과:
주요 결과:
상류 측 교각의 최대 세굴 깊이는 교각 간격이 직경의 2배(Sp/D = 2)일 때 발생했으며, 이는 단일 교각의 세굴 깊이보다 10% 더 컸습니다.
하류 측 교각의 세굴 깊이는 상류 측 교각의 보호 효과(sheltering effect)로 인해 모든 간격 조건에서 단일 교각의 경우보다 항상 작았습니다.
교각 간 상호작용 효과는 간격이 직경의 3배(Sp/D > 3)를 초과하면 감소하기 시작했습니다.
하류 측 퇴적구(sediment deposition hill)의 형태는 단일 교각의 경우보다 직렬 교각의 경우에 더 넓고 다른 형상으로 형성되었습니다.
Briaud가 제안한 TAMU-scour 예측 방법은 본 실험의 상류 및 하류 교각 세굴 깊이를 모두 과대평가하는 것으로 나타났습니다.
Figure 3. Scour hole patterns at circular single pier and two in-line piers with variable Sp in cohesive soil. (a) Single (b) Sp=2D (c) Sp=2.5D (d) Sp=3D (e) Sp=4D (f) Sp=6D (g) Sp=8D
Figure 이름 목록:
Figure 1. A schematic representation of the flume used in the experiments
Figure 2. A graphical representation of the two in-line circular pier models arrangement
Figure 3. Scour hole patterns at circular single pier and two in-line piers with variable Sp in cohesive soil. (a) Single (b) Sp=2D (c) Sp=2.5D (d) Sp=3D (e) Sp=4D (f) Sp=6D (g) Sp=8D
Figure 4. Sediment deposition at the downstream of the scour hole for the case of single pier and two inline piers with different spacing
Figure 5. Estimated vs. measured scour depths at upstream pier of two in-line iers.
Figure 6. Estimated vs. measured scour depths at downstream pier of two in-line piers
7. 결론:
본 연구는 점성토 지반에 설치된 두 개의 직렬 교각 주변의 국부 세굴에 대한 실험적 연구를 통해 교각 상호작용 효과를 규명했습니다. 실험 결과, 상류 측 교각의 세굴 깊이는 단일 교각보다 클 수 있으며, 특히 교각 간격이 직경의 2.5배 미만일 때 최대 세굴(단일 교각 대비 10% 증가)이 발생했습니다. 간격이 직경의 3배 이상으로 증가하면 상류 측 교각의 세굴 깊이는 단일 교각의 경우에 가까워졌습니다. 하류 측 교각은 모든 실험에서 보호 효과로 인해 세굴이 감소했습니다. 이러한 결과는 교각 그룹의 경우 세굴 패턴과 유사 이송 특성이 단일 교각과 근본적으로 다르다는 것을 보여줍니다. 또한, 최근에 제안된 TAMU-scour 방법은 점토-모래 지반의 직렬 교각 세굴 깊이를 과대평가하는 것으로 나타나, 점성토의 침식 특성을 고려한 예측 모델의 개선이 필요함을 시사합니다.
8. 참고 문헌:
Laursen, Emmett M., and Arthur Toch. “Scour around bridge piers and abutments.” Vol. 4. Ames, IA: Iowa Highway Research Board, (1956).
Hannah, C. R. “Scour at pile groups.” Research Rep. No. 78-3, Civil Engineering, Univ. of Canterbury, New Zealand. (1978).
Elliott, Keith R., and Christopher J. Baker. “Effect of pier spacing on scour around bridge piers.” Journal of Hydraulic Engineering 111, no. 7 (1985): 1105-1109. doi:10.1061/(asce)0733-9429(1985)111:7(1105).
Nazariha, Mehrdad. “Design relationships for maximum local scour depth for bridge pier groups.” Thesis, University of Ottawa (Canada), (1996).
Zarrati, A. R., M. Nazariha, and M. B. Mashahir. “Reduction of Local Scour in the Vicinity of Bridge Pier Groups Using Collars and Riprap.” Journal of Hydraulic Engineering 132.2 (2006): 154–162. doi:10.1061/(asce)0733-9429(2006)132:2(154).
Heidarpour, Manouchehr, Hossein Afzalimehr, and Elham Izadinia. “Reduction of Local Scour around Bridge Pier Groups Using Collars.” International Journal of Sediment Research 25, no. 4 (December 2010): 411-422. doi:10.1016/s1001-6279(11)60008-5.
Ataie-Ashtiani, B., and A. Aslani-Kordkandi. “Flow Field around Side-by-Side Piers with and Without a Scour Hole.” European Journal of Mechanics – B/Fluids 36 (November 2012): 152–166. doi:10.1016/j.euromechflu.2012.03.007.
Saghravani, S.F., and A. Azhari. “Simulation of Clear Water Local Scour Around a Group of Bridge Piers Using an Eulerian 3D, Two-Phase Model.” Progress in Computational Fluid Dynamics, An International Journal 12, no. 5 (2012): 333. doi:10.1504/pcfd.2012.049097.
Ataie-Ashtiani, Behzad, and Abolfazl Aslani-Kordkandi. “Flow Field around Single and Tandem Piers.” Flow, Turbulence and Combustion 90, no. 3 (December 27, 2012): 471-490. doi:10.1007/s10494-012-9427-7.
Beg, Mubeen, and Salman Beg. “Scour Hole Characteristics of Two Unequal Size Bridge Piers in Tandem Arrangement.” ISH Journal of Hydraulic Engineering 21, no. 1 (2014): 85–96. doi:10.1080/09715010.2014.963176.
Kim, Hyung, Min Roh, and Mohamed Nabi. “Computational Modeling of Flow and Scour around Two Cylinders in Staggered Array.” Water 9, no. 9 (2017): 654. doi:10.3390/w9090654.
Keshavarzi, Alireza, Chij Kumar Shrestha, Bruce Melville, Hadi Khabbaz, Mohsen Ranjbar-Zahedani, and James Ball. “Estimation of Maximum Scour Depths at Upstream of Front and Rear Piers for Two in-Line Circular Columns.” Environmental Fluid Mechanics 18, no. 2 (2018): 537-550. doi:10.1007/s10652-017-9572-6.
Das, Rajib, Subhasish Das, Hasanur Jaman, and Asis Mazumdar. “Impact of Upstream Bridge Pier on the Scouring Around Adjacent Downstream Bridge Pier.” Arabian Journal for Science and Engineering 44, no. 5 (2018): 4359-4372. doi:10.1007/s13369-018-3418-5.
Debnath, Koustuv, and Susanta Chaudhuri. “Bridge Pier Scour in Clay-Sand Mixed Sediments at Near-Threshold Velocity for Sand.” Journal of Hydraulic Engineering 136, no. 9 (September 2010): 597-609. doi:10.1061/(asce)hy.1943-7900.0000221.
Li, Y. (2002). “Bridge pier scour and contraction scour in cohesive soils on the basis of flume tests.” Ph.D. Dissertation, Texas A&M University, College Station, TX.
Kho, K. T., Valentine, E., & Glendinning, S. (2004). An experimental study of local scour around circular bridge piers in cohesive soils. In Proceedings 2nd International Conference on Scour and Erosion (ICSE-2). November 14.-17., 2004, Singapore.
Dey, Subhasish, Anders Helkjær, B. Mutlu Sumer, and Jørgen Fredsøe. “Scour at Vertical Piles in Sand-Clay Mixtures under Waves.” Journal of Waterway, Port, Coastal, and Ocean Engineering 137, no. 6 (November 2011): 324-331. doi:10.1061/(asce)ww.1943-5460.0000095.
Ansari, S. A., U. C. Kothyari, and K. G. Ranga Raju. “Influence of Cohesion on Scour around Bridge Piers.” Journal of Hydraulic Research 40, no. 6 (November 2002): 717-729. doi:10.1080/00221680209499918.
Igarashi, Tamotsu. “Characteristics of the Flow Around Two Circular Cylinders Arranged in Tandem: 1st Report.” Bulletin of JSME 24, no. 188 (1981): 323-331. doi:10.1299/jsme1958.24.323.
Gao, Yangyang, Stephane Etienne, Xikun Wang, and Soon Keat Tan. “Experimental Study on the Flow around Two Tandem Cylinders with Unequal Diameters.” Journal of Ocean University of China 13, no. 5 (July 9, 2014): 761-770. doi:10.1007/s11802-014-2377-z.
Tafarojnoruz, Ali, Roberto Gaudio, and Francesco Calomino. “Bridge Pier Scour Mitigation under Steady and Unsteady Flow Conditions.” Acta Geophysica 60, no. 4 (April 28, 2012): 1076–1097. doi:10.2478/s11600-012-0040-х.
Briaud, Jean-Louis. “Scour Depth at Bridges: Method Including Soil Properties. I: Maximum Scour Depth Prediction.” Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering 141, no. 2 (February 2015): 04014104. doi:10.1061/(asce)gt.1943-5606.0001222.
Briaud, Jean-Louis, F. C. K. Ting, H. C. Chen, Y. Cao, S. W. Han, and K. W. Kwak. “Erosion function apparatus for scour rate predictions.” Journal of geotechnical and geoenvironmental engineering 127, no. 2 (2001): 105-113. doi:10.1061/(asce)1090-0241(2001)127:2(105).
Expert Q&A: 전문가 Q&A
Q1: 각 실험을 24시간 동안 수행한 이유는 무엇인가요?
A1: 논문에 따르면, 24시간이라는 실험 기간은 “교각 주변에서 더 이상 관찰되는 유사 이동이 없는 상태에 도달하기에 충분한” 시간이었습니다. 이는 측정된 세굴 깊이가 특정 흐름 조건에서 도달할 수 있는 최종적인 평형 세굴 깊이 또는 그에 매우 근접한 값임을 보장하기 위함입니다. 이를 통해 일시적인 현상이 아닌 안정된 상태의 세굴 결과를 얻을 수 있었습니다.
Q2: TAMU-scour 방법이 실험 결과를 과대평가한 구체적인 이유는 무엇일까요?
A2: 논문에서는 두 가지 가능성을 제시합니다. 첫째, 세굴 깊이 예측에 사용된 임계 프루드 수(critical pier Froude number)가 점토-모래 혼합토 전체의 침식 저항성이 아닌, 혼합토 내 모래 입자의 이동 개시 유속을 기준으로 계산되었기 때문일 수 있습니다. 점토의 점착력은 실제 임계 유속을 더 높여 세굴을 감소시키므로, 모래 기준의 계산은 세굴을 과대평가할 수 있습니다. 둘째, TAMU 공식은 최대 평형 세굴 깊이에 도달할 만큼 충분히 오랫동안 일정한 흐름이 지속된다고 가정하는데, 24시간의 실험 조건이 이론적인 최대 평형 상태와는 다소 차이가 있을 수 있습니다.
Q3: 점성토에서는 세굴이 교각 측면에서 시작된다고 언급되었는데, 비점착성 토양(모래)과 어떤 차이가 있나요?
A3: 논문은 Debnath와 Chaudhuri [14]의 연구를 인용하며, 비점착성 토양에서는 세굴이 주로 교각 전면에서 시작된다고 설명합니다. 반면, 점성토에서는 “토양의 전단 저항력과 흐름에 의해 발생하는 전단 응력의 조합 효과”가 세굴 시작 위치를 결정합니다. 이 조합 효과가 교각 측면에서 가장 임계점에 도달하기 때문에, 세굴이 측면에서 시작되어 하류로 전파되는 특징을 보입니다.
Q4: 교각 간격이 멀어질수록 상호작용 효과는 어떻게 변하나요?
A4: 연구 결과, 교각 간격이 직경의 3배(Sp/D > 3)를 초과하면서 상호작용 효과가 감소하기 시작했습니다. 특히 간격이 직경의 4배(Sp/D > 4) 이상이 되면, 상류 측 교각의 세굴 깊이는 단일 교각의 세굴 깊이와 거의 같아졌습니다. 이는 두 교각이 수리적으로 서로 독립적인 개체처럼 거동하기 시작했음을 의미합니다.
Q5: 단일 교각과 직렬 교각의 경우, 하류 측 퇴적 지형에서 가장 큰 시각적 차이점은 무엇이었나요?
A5: 논문의 Figure 4에 따르면, 단일 교각의 경우 하류에 형성된 퇴적구(sediment deposit)는 “단순하고 크기가 작았던(simple and little)” 반면, 두 개의 직렬 교각의 경우에는 “더 넓게 확장되었고(extended wider)” 다른 형상을 가졌습니다. 이는 교각 그룹이 주변의 유사 이송 메커니즘을 근본적으로 변화시킨다는 것을 시각적으로 보여주는 중요한 결과입니다.
결론: 더 높은 품질과 생산성을 위한 길
본 연구는 점성토 지반에서 직렬 교각의 간격이 교량 교각 세굴에 미치는 복잡한 영향을 명확히 보여주었습니다. 교각 직경의 2배 간격에서 최대 세굴이 발생한다는 사실과 기존 예측 모델이 실제 현상을 과대평가할 수 있다는 점은 교량 기초의 안전성과 경제성을 모두 고려해야 하는 엔지니어에게 중요한 통찰을 제공합니다.
이러한 정밀한 수리 현상을 이해하고 예측하는 것은 더 안전하고 효율적인 교량 설계를 위한 필수 과정입니다.
(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.
연락처 : 02-2026-0442
이메일 : flow3d@stikorea.co.kr
저작권 정보
이 콘텐츠는 Zahraa F. Hassan 등의 논문 “Effect of Interaction between Bridge Piers on Local Scouring in Cohesive Soils”을 기반으로 한 요약 및 분석 자료입니다.
이 기술 요약은 Cut Suciatina Silvia, Muhammad Ikhsan, Azwanda가 작성하여 Journal of Civil Engineering Forum (2021)에 발표한 학술 논문 “The Effect of Bridge Piers on Local Scouring at Alue Buloh Bridge Nagan Raya Regency”를 기반으로 합니다. STI C&D의 기술 전문가들이 분석하고 요약했습니다.
키워드
Primary Keyword: 국부 세굴
Secondary Keywords: 교량 안정성, 수리 분석, 유사 이송, 교각 세굴, 하천 공학
Executive Summary
도전 과제: 강을 가로지르는 교량의 교각은 물의 흐름을 방해하여 교각 주변의 하상 토양을 침식시키는 국부 세굴을 유발하며, 이는 교량의 구조적 안정성을 심각하게 위협하고 붕괴로 이어질 수 있습니다.
연구 방법: 인도네시아 Nagan Raya Regency의 Alue Buloh 교량 현장에서 실제 세굴 깊이를 측정하고, 이 측정값을 Froehlich, Lacey, Colorado State University(CSU)의 세 가지 경험적 예측 공식 결과와 비교 분석했습니다.
핵심 발견: 현장에서 측정된 최대 국부 세굴 깊이는 1.68m였으며, Froehlich 방법으로 예측한 값(1.68m)이 현장 측정값과 정확히 일치하여 가장 높은 신뢰도를 보였습니다. 반면, CSU 방법은 2.43m, Lacey 방법은 4.47m로 예측하여 실제와 상당한 차이를 보였습니다.
핵심 결론: 교량 설계 시 국부 세굴 깊이를 예측할 때, 현장 조건(교각 형태, 유속, 퇴적물 입경 등)을 종합적으로 고려하는 경험적 모델(본 연구에서는 Froehlich 방법)을 선택하는 것이 교량의 안전성을 확보하는 데 매우 중요합니다.
도전 과제: CFD 전문가에게 이 연구가 중요한 이유
교량은 현대 사회의 필수적인 기반 시설이지만, 그 수중 구조물인 교각과 기초는 끊임없이 자연의 도전에 직면합니다. 특히 강물의 흐름을 방해하는 교각의 존재는 필연적으로 수리학적 변화를 야기합니다. 교각 상류에서는 말발굽 와류(horseshoe vortex)와 하강류(downflow)가 발생하여 교각 주변 하상의 퇴적물을 강력하게 침식시키고 운반합니다. 이러한 현상을 ‘국부 세굴(Local Scour)’이라고 부릅니다.
국부 세굴이 지속되면 교각 기초가 노출되고 지지력을 상실하여, 최악의 경우 교량 전체의 붕괴로 이어질 수 있습니다. 이는 막대한 경제적 손실과 인명 피해를 초래할 수 있는 심각한 문제입니다. 따라서 교량 설계 및 유지 관리 단계에서 국부 세굴의 깊이를 정확하게 예측하고 적절한 보호 공법을 적용하는 것은 무엇보다 중요합니다. 하지만 세굴 현상은 하천의 형태, 유량, 퇴적물의 특성, 교각의 형상 등 매우 복잡한 요인들의 상호작용으로 발생하기 때문에 그 예측이 매우 어렵습니다. 이 연구는 이러한 기술적 난제를 해결하기 위해 실제 현장 데이터와 널리 사용되는 경험적 예측 모델들을 비교 검증하여, 가장 신뢰성 있는 예측 방법을 찾는 것을 목표로 합니다.
연구 접근법: 방법론 분석
본 연구는 실제 현장 데이터와 경험적 공식을 결합하여 국부 세굴 깊이를 분석하는 체계적인 접근법을 사용했습니다.
현장 조사 및 데이터 수집:
위치: 인도네시아 Nagan Raya Regency, Seunagan 지역의 Alue Buloh 교량.
측정 항목: 교각의 폭(4m), 교각 간 거리(50m), 교각 형상(Round nose), 유속, 흐름 깊이, 하상 고도 등을 2020년 1월부터 4월까지 측정했습니다.
유속 측정: 유속계 사용이 불가능하여, 20m 거리를 부표(buoy)가 흘러가는 시간을 스톱워치로 측정하여 표면 유속(L/T)을 계산했습니다.
퇴적물 샘플링: 하천의 좌안, 중앙, 우안 9개 지점에서 퇴적물 샘플을 채취했습니다.
실험실 분석:
입도 분석: 채취한 퇴적물 샘플을 체 분석(sieve analysis)하여 입경 분포를 파악했습니다. 분석 결과, 평균 입경인 D50은 0.91mm, D95는 4.35mm로 나타났습니다.
수문 분석:
설계 홍수량 산정: Krueng Seunagan 유역의 강우 데이터와 지형도를 바탕으로 Nakayasu 합성 단위 유량도법(Nakayasu Synthetic Unit Hydrograph method)을 사용하여 설계 홍수량을 계산했습니다. 100년 빈도 첨두 홍수량(Qp100)은 1513 m³/sec로 산정되었습니다.
국부 세굴 깊이 분석:
측정된 현장 데이터와 산정된 설계 홍수량을 바탕으로 다음 세 가지 경험적 공식을 사용하여 국부 세굴 깊이를 계산하고 현장 측정값과 비교했습니다.
Lacey 방법: 홍수량과 퇴적물 계수(Lacey clay factor)를 기반으로 하는 공식.
Colorado State University (CSU) 방법: 교각 형상, 흐름 각도, 하상 조건, 유속비 등을 종합적으로 고려하는 가장 널리 사용되는 공식 중 하나.
핵심 발견: 주요 연구 결과 및 데이터
결과 1: 현장 측정과 경험적 공식 간의 예측 정확도 비교
연구의 가장 중요한 발견은 세 가지 경험적 공식의 예측 결과가 실제 현장에서 측정된 세굴 깊이와 상당한 차이를 보였다는 점입니다. 특히 Froehlich 방법의 예측 정확도가 매우 뛰어났습니다.
현장 측정: Alue Buloh 교량의 5번 세그먼트, 2번 및 3번 지점(station)에서 최대 세굴 깊이가 각각 1.65m와 1.68m로 측정되었습니다.
Froehlich 방법 예측: 100년 빈도 홍수량(Qp100)을 적용했을 때, 세굴 깊이는 1.68m로 계산되어 현장 최대 측정값과 정확히 일치했습니다.
CSU 방법 예측: 동일한 조건에서 세굴 깊이는 2.43m로 예측되어, 현장 값보다 약 45% 깊게 예측했습니다.
Lacey 방법 예측: 세굴 깊이는 4.47m로 예측되어, 현장 값보다 약 2.6배 이상 과대평가했습니다.
이러한 결과는 교각 형상, 흐름 깊이, 입경 등 다양한 수리학적 변수를 고려하는 Froehlich 및 CSU 방법이 단순히 유량만을 주로 고려하는 Lacey 방법보다 더 신뢰성 있는 결과를 제공함을 시사합니다. 특히 본 연구 지역의 조건에서는 Froehlich 방법이 최적의 예측 도구임이 입증되었습니다.
결과 2: 설계 홍수량 및 주요 수리 매개변수 산정
정확한 세굴 깊이 예측을 위해 선행된 수문 분석 결과 또한 중요한 의미를 가집니다.
설계 홍수량: Nakayasu 방법을 통해 Krueng Seunagan 유역의 100년 빈도 첨두 홍수량(Qp100)은 1513 m³/sec로 산정되었습니다. 이는 세굴 깊이 계산의 핵심 입력값으로 사용되었습니다.
주요 수리 조건: 분석에 사용된 주요 매개변수는 흐름 깊이 3.06m, 프루드 수(Froude number) 0.29, 교각 폭 4m, D50 입경 0.91mm였습니다.
논문 표 8 (Table 8): 이 표는 교각 주변 여러 지점(S3, S4, S5, S6)에서의 세굴 깊이 분석 결과를 보여줍니다. P3 교각의 S5 지점에서 Froehlich 방법(1.68m)과 CSU 방법(2.9m) 모두 최대 세굴이 발생하는 것으로 나타나, 특정 위치에서의 집중적인 침식 현상을 확인할 수 있습니다.
R&D 및 운영을 위한 실질적 시사점
수리/토목 엔지니어: 이 연구는 특정 하천 조건에서 Froehlich 방법이 국부 세굴 깊이를 매우 정확하게 예측할 수 있음을 보여줍니다. 교량 기초 설계 시, 여러 경험적 공식을 비교 검토하고 현장 특성에 가장 적합한 모델을 선택하는 것이 안전하고 경제적인 설계를 위해 필수적입니다.
구조 안전 관리팀: 논문의 표 8 데이터는 교각 주변에서도 세굴이 가장 심하게 발생하는 특정 지점(본 연구에서는 S5 지점)이 존재함을 명확히 보여줍니다. 이는 교량의 정기적인 안전 점검 및 유지 관리 시, 해당 위험 지점을 집중적으로 모니터링하는 기준을 수립하는 데 활용될 수 있습니다.
교량 설계 엔지니어: Lacey 방법(4.47m)과 Froehlich 방법(1.68m)의 예측값 차이는 예측 모델 선택이 기초 설계의 규모와 비용에 얼마나 큰 영향을 미치는지 보여줍니다. 교각 형상, 퇴적물 입경 등 상세한 현장 데이터를 반영하는 정교한 모델을 사용함으로써 과대 또는 과소 설계를 방지하고 최적의 설계를 구현할 수 있습니다.
논문 상세 정보
The Effect of Bridge Piers on Local Scouring at Alue Buloh Bridge Nagan Raya Regency
1. 개요:
제목: The Effect of Bridge Piers on Local Scouring at Alue Buloh Bridge Nagan Raya Regency
저자: Cut Suciatina Silvia, Muhammad Ikhsan, Azwanda
하천 횡단면에서 발생하는 세굴은 하천의 형태학적 조건과 흐름을 방해하는 교각의 영향으로 발생할 수 있다. 교각과 교대의 존재는 토양 입자의 안정성을 교란시키고, 하강류와 말발굽 와류를 발생시켜 교각 주변의 토양 입자를 운반하게 하여 국부 세굴을 유발한다. 이러한 국부 세굴 문제는 Krueng Ineng 강, Alue Buloh 마을, Nagan Raya Regency에서도 발생했다. 강을 가로질러 건설된 교량에서 자주 발생하는 문제는 교량 하부 구조물의 기능 부족이다. 교각의 국부 세굴은 현재 교량 구조물의 안정성을 감소시키는 영향을 미쳐 구조적 붕괴를 유발할 것이다. 본 연구에서는 Froehlich, Lacey, Colorado State University 방법을 사용하여 경험적 방정식으로 국부 세굴을 분석했다. 분석 결과, Krueng Seunagan 유역에서 발생하는 첨두 유량(Qp100)은 1513m³/sec이다. 흐름 깊이 3.06m, 프루드 수 0.29, 렌즈 모양의 교각 폭 4m, 그리고 D50, D95(평균 입경 분석)가 각각 0.91mm와 4.35mm인 조건에서 분석한 결과, 현장에서의 최대 세굴 깊이는 5번 세그먼트의 2번 지점(station)과 3번 지점에서 각각 1.65m와 1.68m로 나타났다. Froehlich, Lacey, CSU 방법을 사용한 분석 결과, 세굴 깊이는 각각 1.68m, 4.47m(Qp100), 2.43m로 나타났다. 현장에서의 측정 결과와 가장 가까운 것은 Froehlich 방법이었다. 이 결과를 통해 지방 정부가 이 연구 지역의 국부 세굴을 최소화하기 위한 적절한 처리 계획을 수립하는 데 도움이 될 수 있다.
3. 서론:
교량이 하천 횡단면에 위치할 때 겪는 문제는 기초, 교각, 교대와 같은 하부 구조물의 손상이며, 이는 경우에 따라 교량 붕괴로 이어진다. 교량 하부의 주요 구조물은 교각이며, 이는 주로 세굴 및 퇴적 과정과 함께 강을 흐르는 물과 직접적으로 관련이 있다. 그러나 세굴은 주로 하천의 형태학적 조건과 물의 흐름을 방해하는 교각의 존재에 의해 발생한다고 보고되었다. 교량 하부 구조물과 같은 장애물의 존재는 하천 형태를 변화시키고 퇴적(aggradation)과 침식(degradation)을 유발할 수 있다. 하상 퇴적은 강에 퇴적 작용을 일으키고, 퇴적물의 침전은 일반적으로 강 유역의 감소로 인해 홍수를 유발한다. 또한, 증가된 유속에 따라 지속적으로 침식되는 퇴적물은 상부 교량 구조물의 불안정성을 야기한다. 한편, 침식은 하상을 깊게 하고 절벽에서의 침식 발생은 강을 넓히고 사행 퇴적을 유발한다. 국부 세굴은 일반적으로 교각에 의해 방해받는 하천 채널에서 발생하며, 이는 보통 교각 상류에서 와류를 발생시켜 수류를 급격히 변화시키고 이 가속은 수위를 높인다.
Figure 1. Location of Study In Alue Buloh
4. 연구 요약:
연구 주제의 배경:
교량 교각은 하천의 흐름을 방해하여 국부 세굴을 유발하고, 이는 교량의 구조적 안정성을 위협하는 주요 원인이다. 인도네시아 Nagan Raya Regency의 Alue Buloh 교량에서도 이러한 국부 세굴 문제가 발생하고 있어, 이에 대한 정확한 분석과 대책 마련이 시급하다.
이전 연구 현황:
세굴 깊이를 예측하기 위해 Laursen and Toch, Lacey, Colorado State University (CSU), Breuser and Raudkivi, Simon, Senturk, Froehlich 등 다양한 경험적 방법들이 개발되었다. 특히 CSU 방법은 미국에서 널리 사용되는 공식으로 알려져 있다. 여러 연구에서 교각 형상, 유속, 흐름 깊이, 퇴적물 특성 등 다양한 매개변수가 세굴 깊이에 미치는 영향을 분석해왔다.
연구 목적:
본 연구의 목적은 Alue Buloh 교량 주변의 국부 세굴 깊이를 예측하는 것이다. 이를 위해 50년 및 100년 빈도의 설계 홍수량을 산정하고, 현장 측정 데이터를 Froehlich, Lacey, CSU의 세 가지 경험적 방법론을 사용한 예측값과 비교하여, 해당 지역에 가장 적합한 세굴 깊이 예측 모델을 규명하고자 한다. 이 연구 결과는 지방 정부의 교량 안전 관리 및 유지 보수 계획 수립에 기여할 것이다.
핵심 연구:
현장 측정(교각 제원, 유속, 흐름 깊이, 퇴적물 샘플링), 입도 분석, Nakayasu 합성 단위 유량도법을 이용한 설계 홍수량 산정, 그리고 Froehlich, Lacey, CSU 경험적 공식을 이용한 국부 세굴 깊이 계산 및 현장 측정값과의 비교 분석을 수행했다.
5. 연구 방법론
연구 설계:
본 연구는 현장 관측을 통해 1차 데이터를 수집하고, 관련 기관으로부터 2차 데이터를 확보하여 진행되었다. 연구 절차는 현장 조사, 데이터 수집, 입도 분석, 하상 고도 측정, 설계 홍수량 분석, 그리고 경험적 공식을 이용한 세굴 깊이 계산 순으로 구성되었다.
데이터 수집 및 분석 방법:
1차 데이터: 교각 치수 및 형상, 흐름 깊이, 흐름의 공격각, 퇴적물 샘플을 현장에서 직접 수집했다. 유속은 부표를 이용하여 측정했다.
2차 데이터: 지형도, 하천 단면도, 설계 홍수량 산정을 위한 강우 데이터를 사용했다.
분석 방법: 채취된 퇴적물은 체 분석을 통해 입경(D50, D95)을 결정했다. 설계 홍수량은 Nakayasu 합성 단위 유량도법을 사용하여 계산했다. 국부 세굴 깊이는 수집된 데이터와 계산된 홍수량을 Froehlich, Lacey, CSU 공식에 대입하여 산정했다.
연구 주제 및 범위:
이 연구는 인도네시아 Nagan Raya Regency의 Seunagan 지역에 위치한 Alue Buloh 교량 하부에서 발생하는 국부 세굴 문제에 국한하여 진행되었다.
Figure 3. Cross-section of The Riverbed Elevation Data River Station
6. 주요 결과:
주요 결과:
Krueng Seunagan 유역의 100년 빈도 첨두 홍수량(Qp100)은 1513 m³/sec로 산정되었다.
퇴적물의 평균 입경 D50은 0.91 mm, D95는 4.35 mm로 분석되었다.
현장에서 측정된 최대 국부 세굴 깊이는 1.68m였다.
경험적 공식을 이용한 세굴 깊이 예측 결과는 다음과 같다:
Froehlich 방법: 1.68 m
CSU 방법: 2.43 m
Lacey 방법 (Qp100 기준): 4.47 m
Froehlich 방법의 예측값이 현장 측정값과 가장 근접하여, 본 연구 지역에서 가장 높은 신뢰도를 보였다.
그림 목록:
Figure 1. Location of Study In Alue Buloh
Figure 2. The Flowchart of Research Implementation
Figure 3. Cross-section of The Riverbed Elevation Data River Station
Figure 4. Sediment Grain Size Analysis
Figure 5. Hydrograph Nakayasu
7. 결론:
Seunagan Krueng 유역의 첨두 유량은 HSS Nakayasu 방법을 사용하여 Qp50 1354.5m³/sec, Qp100 1513m³/sec로 나타났으며, 퇴적물 입경의 평균값은 D50이 0.91mm, D95가 4.35mm였다. 또한, 국부 세굴 깊이는 경험적 방법을 사용하여 분석되었으며, 그 결과 Colorado State University (CSU) 방법으로는 2.43m, Froehlich 방법으로는 1.68m, Lacey 방법으로는 4.3m 및 4.47m로 나타났다. 그러나 Hecras 5.0.7 소프트웨어와 비교하여 세굴 깊이 분석을 추가 연구하고, 다른 교각 모양을 사용하여 실험실에서 필요한 실험을 수행하는 것이 권장된다.
8. 참고 문헌:
Administration, Federal Highway, 2012. Evaluating Scour at Bridges (HEC-18), 5th Edition. no. 18: 1–340.
Ahmad, Nordila, Mohammad, T. A, and Zuliziana Suif., 2017. Prediction of Local Scour around Wide Bridge Piers under Clear-Water Conditions. International Journal of GEOMATE, 12 (34), pp. 135–39.
Akan, Osman., 2006. Open Channel Hydraulics. Canada: Butterworth-Heinemann.
Breusers, HNC, and AJ Raudkivi, 1991. Scouring, Hydraulic Structures Design Manual. Rotterdam : AA Balkema.
Farooq, Rashid, and Ghumman, A.R., 2019. Impact Assessment of Pier Shape and Modifications on Scouring around Bridge Pier. Water, 11, pp. 1–21.
Froehlich, David C., 2013. Protecting Bridge Piers with Loose Rock Riprap. Journal of Applied Water Engineering and Research, 1(1), pp 39–57.
Garde, R, J, and C Kothyari, U., 1998. Scour Around Bridge Piers. Proceedings of the Indian National Science Academy.
Melville, Bruce., 2008. The Physics of Local Scour at Bridge Piers. Proceedings of the 4th International Conference on Scour and Erosion, (1), pp. 28–40.
Piers, Bridge, I., Akib, S., and Rahman, S., 2013. Time Development of Local Scour around Semi. World Academy of Science, Engineering and Technology International Journal of Civil and Environmental Engineering, 7 (7), pp. 2221–26.
Purwantoro, Didik., 2015. Model Pengendalian Gerusan Di Sekitar Abutmen Dengan Pemasangan Groundsill Dan Abutmen Bersayap. Inersia, 11 (1), PP. 79–89.
Rahman, MM, and MA Haque., 2003. Local Scour Estimation at Bridge Site: Modification and Application of Lacey Formula. International Journal of Sediment Research, 18 (4), pp. 333–39.
Rizaldi, Akbar, Farid, M., Moe, I.R., and Kendra, H., 2020. Study on Flow Regime Change Due to Weir Construction Plan in Batang Asai River, Sarolangun, Province of Jambi. IOP Conference Series: Earth and Environmental Science, 437 (1).
Roy, Chandan., 2017. Effect of Bridge Pier Geometry on Local Scouring. International Journal of Earth Sciences and Engineering, 10 (02), pp. 374–77.
Rustiati, Bariroh, N., 2007. Gerusan Lokal Disekitar Abutment Jembatan Labuan. SMARTek 5, (3), pp. 157–65.
Yuliansyah, I, Aprizal, and A Nurhasanah. 2017. Comparative Analysis of Flood Hydrograph Way Kandis River Basin with Synthetic Units Hydrograph (HSS) Snyder, Nakayasu, and Limantara Methods. The 4th International Conference on Engineering and Technology Development (ICETD, no. Icetd: 60–69.
전문가 Q&A: 주요 질문과 답변
Q1: 이 연구에서 단일 예측 모델 대신 Froehlich, Lacey, CSU 세 가지 다른 경험적 방법을 사용한 이유는 무엇입니까?
A1: 연구의 핵심 목적 중 하나는 실제 현장 조건에서 어떤 경험적 공식이 가장 정확한 예측을 제공하는지 비교 검증하는 것이었습니다. 각 방법은 고려하는 변수와 공식의 구조가 다릅니다. 이 세 가지 방법을 모두 사용하여 Krueng Ineng 강의 실제 측정값과 비교함으로써, 해당 지역의 수리 및 지형학적 특성에 가장 적합하고 신뢰성 있는 예측 모델(결과적으로 Froehlich 방법)을 식별할 수 있었습니다.
Q2: Lacey 방법은 왜 현장 측정값(1.68m)보다 훨씬 깊은 4.47m로 세굴을 예측했습니까? 이 큰 차이의 원인은 무엇입니까?
A2: 논문에 따르면 Lacey 방법은 주로 설계 홍수량(regime discharge)과 퇴적물 계수(Lacey clay factor)를 기반으로 세굴 깊이를 계산합니다. 이 방법은 교각의 구체적인 형상, 폭, 흐름과의 각도 등 국부 세굴에 큰 영향을 미치는 다른 중요한 매개변수들을 공식에 포함하지 않습니다. 이러한 단순화로 인해 Alue Buloh 교량의 특정 조건에서는 세굴 깊이를 과대평가하는 결과로 이어진 것으로 분석됩니다.
Q3: 퇴적물의 평균 입경인 D50(0.91mm)과 D95(4.35mm)를 결정하는 것이 왜 중요했습니까?
A3: D50과 D95 같은 입경 정보는 CSU 및 Froehlich 방법론에서 매우 중요한 입력 변수입니다. 이 값들은 하상 물질의 이동을 시작시키는 데 필요한 임계 유속(critical velocity)을 계산하고, 결과적으로 세굴 깊이를 예측하는 데 직접적으로 사용됩니다. 따라서 정확한 입도 분석은 정밀한 국부 세굴 예측의 기초가 됩니다.
Q4: 100년 빈도 첨두 홍수량(Qp100 = 1513 m³/sec)은 구체적으로 어떻게 결정되었습니까?
A4: 첨두 홍수량은 Nakayasu 합성 단위 유량도법을 사용하여 계산되었습니다. 이 방법은 해당 유역의 면적(995.86 km²), 가장 긴 하천의 길이(132.92 km), 그리고 설계 강우량과 같은 수문학적 데이터를 입력값으로 사용하여 특정 빈도(이 경우 100년)에 발생할 수 있는 최대 유량을 예측합니다.
Q5: 현장 측정 결과, 세굴이 가장 심각하게 발생한 지점은 어디였으며, 이는 무엇을 의미합니까?
A5: 논문의 표 8에 따르면, 현장에서 측정된 최대 세굴 깊이(1.65m 및 1.68m)는 5번 세그먼트의 P2 및 P3 교각 주변, 특히 S5 지점에서 관찰되었습니다. 이는 교각 주변에서도 물의 흐름과 와류가 집중되는 특정 위치에서 국부 세굴이 가장 활발하게 일어난다는 것을 의미하며, 교량의 안전 점검 및 유지보수 시 이러한 ‘핫스팟’을 집중적으로 관리해야 함을 시사합니다.
결론: 더 높은 품질과 생산성을 위한 길
교량의 국부 세굴은 구조물의 안전을 위협하는 심각한 문제이며, 이를 정확히 예측하는 것은 안전하고 경제적인 설계를 위한 첫걸음입니다. 본 연구는 Alue Buloh 교량의 사례를 통해, 다양한 경험적 예측 모델 중 현장 조건을 정밀하게 반영하는 Froehlich 방법이 실제 측정값과 가장 일치하는 결과를 제공함을 명확히 보여주었습니다. 이는 R&D 및 엔지니어링 실무에서 올바른 분석 도구를 선택하는 것이 얼마나 중요한지를 다시 한번 강조합니다.
STI C&D는 최신 산업 연구 결과를 적용하여 고객이 더 높은 생산성과 품질을 달성할 수 있도록 돕는 데 전념하고 있습니다. 이 논문에서 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.
연락처 : 02-2026-0442
이메일 : flow3d@stikorea.co.kr
저작권 정보
이 콘텐츠는 “The Effect of Bridge Piers on Local Scouring at Alue Buloh Bridge Nagan Raya Regency” (저자: Cut Suciatina Silvia, Muhammad Ikhsan, Azwanda) 논문을 기반으로 한 요약 및 분석 자료입니다.
이 기술 요약은 Hyunjun Kim 외 저자가 2017년 Advances in Mechanical Engineering에 발표한 논문 “Flood fragility analysis for bridges with multiple failure modes”를 기반으로 하며, STI C&D의 기술 전문가에 의해 분석 및 요약되었습니다.
키워드
Primary Keyword: 교량 홍수 취약도 분석
Secondary Keywords: 다중 파괴 모드, 신뢰도 분석, 유한요소해석, 교량 세굴, CFD, 유체-구조 상호작용
Executive Summary
The Challenge: 교량은 홍수로 인한 세굴, 구조적 노후, 부유물 축적 등 복합적인 위험에 노출되어 있지만, 지진 취약도에 비해 홍수 취약도에 대한 연구는 부족하여 정확한 손상 예측이 어려웠습니다.
The Method: 유한요소해석(FEA)과 신뢰도 분석을 결합하여, 교량 세굴, 철근 부식, 부유물로 인한 수압 증가 등 다양한 홍수 관련 위험 요소를 정교하게 시뮬레이션하는 새로운 교량 홍수 취약도 분석 접근법을 제안했습니다.
The Key Breakthrough: 시간에 따른 구조적 노후화(0년, 25년, 50년, 75년)가 교량의 홍수 취약도를 크게 증가시키며, 동일한 유속에서도 파괴 확률이 급격히 높아진다는 사실을 정량적인 취약도 곡선으로 증명했습니다.
The Bottom Line: 이 연구는 교량의 설계, 유지보수 및 재난 관리 시 단순히 현재 상태뿐만 아니라 장기적인 노후화 효과와 다중 파괴 모드를 종합적으로 고려하는 정밀 분석의 중요성을 강조합니다.
The Challenge: Why This Research Matters for CFD Professionals
교량은 국가의 핵심 기반 시설이지만 홍수, 지진, 태풍과 같은 자연재해에 매우 취약합니다. 특히 홍수는 교량 붕괴의 주요 원인 중 하나로, 막대한 인명 및 경제적 손실을 유발할 수 있습니다. 기존 연구는 대부분 지진에 대한 교량의 취약도 분석에 집중되어 왔습니다. 그러나 홍수는 교량 세굴(scour), 구조물 노후화, 부유물 축적으로 인한 추가 하중 등 복합적인 메커니즘을 통해 교량에 손상을 입힙니다. 이러한 다양한 요인과 그에 따른 파괴 모드를 종합적으로 고려한 홍수 취약도 평가는 거의 이루어지지 않아, 교량의 안전성을 정확하게 예측하고 효과적으로 관리하는 데 한계가 있었습니다. 이는 유체(물)와 구조물(교량)의 상호작용을 정밀하게 해석해야 하는 CFD 전문가들에게 중요한 도전 과제입니다.
The Approach: Unpacking the Methodology
본 연구에서는 교량의 홍수 취약도를 정확하게 평가하기 위해 새로운 분석 프레임워크를 제안했습니다. 이 접근법의 핵심은 구조 응답을 정교하게 시뮬레이션할 수 있는 유한요소해석(Finite Element Analysis, FEA)과 통계적 불확실성을 고려하는 신뢰도 분석(Reliability Analysis)을 결합한 것입니다.
연구팀은 실제 한국의 왕숙천교를 대상으로 3차원 유한요소모델을 구축했습니다. 이 모델에는 홍수 시 발생하는 주요 물리 현상을 현실적으로 모사하기 위해 다음과 같은 요소들이 포함되었습니다.
교량 세굴(Bridge Scour): 유속에 따라 교각 주변 지반이 유실되는 현상을 시뮬레이션하기 위해, 경험식을 통해 계산된 세굴 깊이만큼 지반의 강성을 제거하는 방식을 적용했습니다.
구조적 노후화(Structural Deterioration): 시간이 지남에 따라 발생하는 철근 및 파일의 부식을 고려하기 위해, 시간 의존적 단면적 감소 모델을 적용하여 구조물의 강성 저하를 반영했습니다.
부유물 축적(Debris Accumulation): 교각 주변에 쌓이는 부유물로 인해 유속이 증가하고 수압이 커지는 효과를 모사하기 위해 항력 계수(drag coefficient)를 높여 외력을 계산에 반영했습니다.
이러한 유한요소해석을 신뢰도 분석 소프트웨어인 FERUM과 연동하기 위해 PIFA(Python-based Interface for FERUM and ABAQUS)라는 플랫폼을 사용했습니다. 이를 통해 반복적인 계산을 자동화하여 다양한 조건에서의 파괴 확률을 효율적으로 계산하고, 최종적으로 홍수 취약도 곡선을 도출했습니다.
The Breakthrough: Key Findings & Data
연구팀은 제안된 분석 방법을 통해 유속 변화와 구조적 노후화 기간에 따른 교량의 파괴 확률을 나타내는 홍수 취약도 곡선을 도출했습니다.
Finding 1: 구조적 노후화가 교량 취약도에 미치는 결정적 영향
분석 결과, 교량의 사용 연수가 증가함에 따라 홍수 취약도가 크게 증가하는 것으로 나타났습니다. 그림 6은 0년, 25년, 50년, 75년의 노후화 기간에 따른 네 가지 파괴 모드(상판 유실, 1차 소성힌지 발생, 2차 소성힌지 발생, 붕괴)의 취약도 곡선을 보여줍니다. 예를 들어, 교량 붕괴(Collapse)의 경우(그림 6d), 신설 교량(0년)은 약 13m/s의 유속에서 붕괴 확률이 50%에 도달하지만, 75년 노후된 교량은 약 10m/s의 훨씬 낮은 유속에서 동일한 붕괴 확률에 도달합니다. 이는 철근 부식 등으로 인한 구조 성능 저하가 교량의 안전성에 치명적인 영향을 미친다는 것을 정량적으로 보여줍니다.
Finding 2: 다중 파괴 모드를 통합적으로 고려한 종합적 안전성 평가
그림 7은 특정 노후화 시점(0년, 25년, 50년, 75년)에서 여러 파괴 모드를 한 번에 비교한 취약도 곡선입니다. 모든 경우에서 ‘상판 유실(Deck Loss)’과 ‘2차 소성힌지 발생(Second Plastic Hinge Occurrence)’이 거의 비슷한 유속에서 발생하는 것을 확인할 수 있습니다. 이는 교량 상판의 변위가 특정 수준을 넘어서는 시점과 구조적으로 심각한 손상이 발생하는 시점이 거의 일치함을 의미합니다. 이러한 결과는 단일 파괴 모드만으로는 교량의 전체적인 붕괴 메커니즘을 파악하기 어려우며, 상판 유실, 소성힌지 발생, 붕괴 등 다중 파괴 모드를 종합적으로 평가해야만 정확한 안전성 진단이 가능함을 시사합니다.
Practical Implications for R&D and Operations
For Bridge Design Engineers: 본 연구는 신규 교량 설계 시 초기 설계 강도뿐만 아니라, 목표 내용연수 동안 발생할 부식과 같은 노후화 효과를 반드시 고려해야 함을 시사합니다. 특정 지역의 예상 최대 유속과 교량의 장기적 성능 저하를 함께 고려하여 안전율을 설정하는 것이 중요합니다.
For Bridge Maintenance & Inspection Teams: 그림 6의 데이터는 교량의 사용 연수에 따라 안전성이 얼마나 저하되는지를 명확히 보여줍니다. 이는 노후 교량일수록 더 낮은 유속의 홍수에도 위험할 수 있음을 의미하며, 정기적인 점검 주기와 보수·보강 우선순위를 결정하는 데 중요한 과학적 근거를 제공합니다.
For Disaster Management Agencies: 도출된 취약도 곡선은 특정 강우 시나리오에 따른 예상 유속을 바탕으로 교량의 파괴 확률을 예측하는 데 활용될 수 있습니다. 이를 통해 홍수 경보 발령 시 위험 교량에 대한 선제적인 교통 통제나 주민 대피 계획을 수립하는 등 효과적인 재난 대응이 가능해집니다.
Paper Details
Flood fragility analysis for bridges with multiple failure modes
1. Overview:
Title: Flood fragility analysis for bridges with multiple failure modes
Author: Hyunjun Kim, Sung-Han Sim, Jaebeom Lee, Young-Joo Lee and Jin-Man Kim
Year of publication: 2017
Journal/academic society of publication: Advances in Mechanical Engineering
교량은 인류에게 공공 및 경제적 기반을 제공하는 가장 중요한 기반 시설 시스템 중 하나입니다. 또한 교량은 교량 세굴, 구조적 노후, 부유물 축적과 같은 다양한 홍수 관련 위험 요인에 노출되어 있으며, 이는 다양한 파괴 모드를 통해 구조적 손상과 심지어 교량의 붕괴를 유발할 수 있다는 것이 널리 알려져 있습니다. 그러나 홍수 취약도는 홍수 재해로 인한 상당한 피해와 비용에도 불구하고 지진 취약도만큼 많은 주목을 받지 못했습니다. 다양한 홍수 관련 요인과 그에 상응하는 파괴 모드를 고려하여 교량의 홍수 취약도를 추정하려는 연구 노력은 거의 없었습니다. 따라서 본 연구는 교량 홍수 취약도 분석을 위한 새로운 접근법을 제안합니다. 정확한 홍수 취약도 추정치를 얻기 위해, 홍수 관련 위험 요인을 고려하여 홍수 하에서 교량의 구조적 응답을 정교하게 시뮬레이션할 수 있는 유한요소해석과 연계하여 신뢰도 분석을 수행합니다. 제안된 접근법은 한국의 실제 교량의 수치 예제에 적용됩니다. 교각 연성 또는 파일 연성 부족, 교각 철근 파열, 파일 파열, 상판 유실 등 다중 파괴 모드를 고려한 홍수 취약도 곡선이 도출되어 본 연구에서 제시됩니다.
3. Introduction:
최근 전 세계 경제의 전례 없는 성장과 토목 공학의 급속한 기술 발전으로 인해 인류에게 공공 및 경제적 기반을 제공하는 교통 시스템을 구축하기 위해 수많은 교량이 건설되었습니다. 그러나 교량은 홍수, 지진, 태풍과 같은 자연재해로 인한 위험에 노출되어 있다는 것도 널리 알려져 있습니다. 이러한 다양한 재해는 종종 교량에 구조적 손상을 일으키고 심지어 붕괴를 초래하기도 합니다. 교량 붕괴는 막대한 사상자, 경제적 손실, 사회적 문제를 야기할 수 있기 때문에, 자연재해에 대한 교량의 구조적 취약성을 정확하게 평가하는 것은 교량의 효과적인 설계와 유지보수에 매우 중요합니다. 재해 강도와 교량이 특정 수준 이상으로 손상될 확률 사이의 관계로 정의되는 교량 취약도 곡선은 다양한 자연재해에 대한 교량의 구조적 취약성을 표현하는 데 널리 사용되어 왔습니다. 그러나 이전 연구들은 주로 지진 하에서의 교량에 대한 취약도 곡선 도출에 초점을 맞추어 왔습니다.
4. Summary of the study:
Background of the research topic:
교량은 홍수로 인한 세굴, 구조 노후화, 부유물 축적 등 다양한 위험 요인에 노출되어 있으며, 이는 심각한 구조적 손상이나 붕괴로 이어질 수 있습니다.
Status of previous research:
기존의 교량 취약도 연구는 대부분 지진에 초점을 맞추었으며, 홍수와 관련된 복합적인 요인(세굴, 노후화, 부유물)과 다중 파괴 모드를 종합적으로 고려한 연구는 매우 부족했습니다.
Purpose of the study:
본 연구의 목적은 유한요소해석과 신뢰도 분석을 결합하여, 다양한 홍수 관련 위험 요인과 다중 파괴 모드를 고려한 교량의 홍수 취약도 분석을 위한 새로운 접근법을 제안하고, 이를 실제 교량에 적용하여 정량적인 취약도 곡선을 도출하는 것입니다.
Figure 1. Occurrence of the scour hole during a flood.
Core study:
한국의 실제 교량을 대상으로 3D 유한요소모델을 생성하고, 교량 세굴, 철근 및 파일의 부식으로 인한 구조 노후화, 부유물로 인한 수압 증가 효과를 모델에 반영했습니다. PIFA 플랫폼을 사용하여 유한요소해석(ABAQUS)과 신뢰도 분석(FERUM)을 연동시켜, 재해 강도(유속)에 따른 교량의 파괴 확률을 계산했습니다. 교각 연성 부족, 철근 파열, 상판 유실 등 다중 파괴 모드와 시간에 따른 구조 노후화(0, 25, 50, 75년)를 고려한 홍수 취약도 곡선을 제시했습니다.
5. Research Methodology
Research Design:
본 연구는 실제 교량의 수치 예제를 통해 제안된 홍수 취약도 분석 방법론의 적용 가능성을 검증하는 방식으로 설계되었습니다. 유한요소모델링, 신뢰도 분석, 그리고 두 가지를 연동하는 플랫폼을 사용하여 홍수 시나리오에 따른 교량의 구조적 응답과 파괴 확률을 분석했습니다.
Data Collection and Analysis Methods:
유한요소모델링(ABAQUS): 실제 교량의 설계 도면을 기반으로 철근 콘크리트 교각과 강재 파일을 모델링했습니다. 콘크리트와 강재의 비선형 재료 거동을 고려했으며, 세굴 효과는 지반 스프링의 강성 조절로, 노후화는 시간 의존적 단면 감소 모델로, 부유물 효과는 항력 계수 증가로 반영했습니다.
신뢰도 분석(FERUM): 재료의 질량 밀도, 수압 강도 등의 불확실성을 확률 변수로 정의하고, 1차 신뢰도법(FORM)을 사용하여 파괴 확률을 계산했습니다.
연동 플랫폼(PIFA): FERUM이 생성한 확률 변수 입력값을 ABAQUS 모델에 자동으로 적용하고, ABAQUS의 해석 결과(응력, 변위)를 다시 FERUM으로 전달하여 신뢰도 분석을 수행하는 과정을 자동화했습니다.
Research Topics and Scope:
연구는 단일 교각을 대상으로 하며, 홍수 관련 위험 요인으로 교량 세굴, 구조적 노후화, 부유물로 인한 수압 증가를 고려했습니다. 파괴 모드로는 변위 연성 부족(소성힌지 발생), 강재 파열, 상판 유실을 정의했습니다. 재해 강도 지표로는 유속을 사용했으며, 0년부터 75년까지의 구조 노후화 기간에 따른 취약도 변화를 분석했습니다.
6. Key Results:
Key Results:
교량의 구조적 노후화(부식)는 홍수 취약도를 크게 증가시키는 핵심 요인입니다. 사용 연수가 길어질수록 더 낮은 유속에서도 교량이 파괴될 확률이 급격히 높아집니다.
교량의 파괴는 단일 원인이 아닌 복합적인 모드(상판 유실, 소성힌지 발생, 붕괴 등)로 발생하며, 이러한 다중 파괴 모드를 종합적으로 고려해야 정확한 안전성 평가가 가능합니다.
제안된 유한요소해석과 신뢰도 분석 결합 방법론은 교량의 홍수 취약도를 정량적으로 평가하는 효과적인 도구임을 입증했습니다.
Figure 6. Flood fragility curves for various periods of structural deterioration with (a) deck loss, (b) first plastic hinge occurrence,
(c) second plastic hinge occurrence, and (d) collapse.
Figure List:
Figure 1. Occurrence of the scour hole during a flood.
Figure 2. Schematic flow of the software platform.
Figure 3. Finite element model of the Wangsukcheon Bridge.
Figure 4. Finite element model of the bridge pier.
Figure 5. Strain-stress curves of concrete (left) and steel (right).
Figure 6. Flood fragility curves for various periods of structural deterioration with (a) deck loss, (b) first plastic hinge occurrence, (c) second plastic hinge occurrence, and (d) collapse.
Figure 7. Flood fragility curves with various damage states succeeding structural deterioration for (a) 0 year, (b) 25 years, (c) 50 years, and (d) 75 years.
Figure 8. The analysis results of deck loss and second plastic hinge occurrence.
7. Conclusion:
본 연구는 다중 파괴 모드를 가진 교량의 홍수 취약도 곡선을 도출하기 위한 새로운 접근법을 개발했습니다. 정확한 홍수 취약도 추정치를 위해, 교량 세굴, 부유물 축적으로 인한 구조 노후화, 증가된 수압 등을 고려하여 교량의 구조적 응답을 평가하는 유한요소모델을 구축할 것을 제안했습니다. 그러나 이 접근법은 유한요소해석을 기반으로 하기 때문에 계산 비용이 많이 들 수 있습니다. 이러한 문제를 해결하기 위해, PIFA를 계산 플랫폼으로 사용하여 해석을 효율적으로 수행했습니다. 제안된 접근법을 한국의 실제 교량에 적용했으며, 분석 결과 유속이 증가함에 따라 구조적 손상 발생 가능성이 증가함을 확인했습니다. 발생 가능성 순서는 1차 소성힌지 발생, 2차 소성힌지 발생, 상판 유실, 붕괴 순이었습니다. 또한 분석 결과는 구조적 노후화 기간이 증가함에 따라 손상 상태의 초과 확률이 증가함을 보여주었습니다. 이러한 발견들은 제안된 접근법이 홍수 취약도 곡선을 도출하는 데 성공적으로 적용될 수 있음을 확인시켜 줍니다.
8. References:
Basoz N, Kiremidjian AS, King SA, et al. Statistical analysis of bridge damage data from the 1994 North-ridge, CA, earthquake. Earthq Spectra 1999; 15: 25–54.
Shinozuka M, Feng MQ, Lee J, et al. Statistical analysis of fragility curves. J Eng Mech 2000; 126: 1224–1231.
Karim KR and Yamazaki F. Effect of earthquake ground motions on fragility curves of highway bridge piers based on numerical simulation. Earthq Eng Struct D 2001; 30: 1839–1856.
Choi E, DesRoches R and Nielson B. Seismic fragility of typical bridges in moderate seismic zones. Eng Struct 2004; 26: 187–199.
Yang CSW, Werner SD and DesRoches R. Seismic fragility analysis of skewed bridges in the central-southeastern United States. Eng Struct 2015; 83: 116–128.
Seo J, Baffi G and Kim H. Probabilistic structural integrity evaluation of a highway steel bridge under unknown trucks. J Struct Int Maint 2016; 1: 65–72.
Decò A and Frangopol DM. Risk assessment of highway bridges under multiple hazards. J Risk Res 2011; 14: 1057–1089.
Decò A, Frangopol DM and Saydam D. Time-variant sustainability assessment of seismically vulnerable bridges subjected to multiple hazards. Earthq Eng Struct D 2013; 42: 1451–1467.
Dawson R, Hall J, Sayers P, et al. Sampling-based flood risk analysis for fluvial dike systems. Stoch Env Res Risk A 2005; 19: 388–402.
Witczany J and Cejka T. Reliability and failure resistance of the stone bridge structure of Charles Bridge during floods. J Civ Eng Manag 2007; 13: 227–236.
Wardhana K and Hadipriono FC. Analysis of recent bridge failures in the United States. J Perform Constr Fac 2003; 17: 144–150.
Cook W. Bridge failure rates, consequences, and predictive trends. PhD Thesis, Utah State University, Logan, UT, 2014.
Lee J, Lee Y-J, Kim H, et al. A new methodology development for flood fragility curve derivation considering structural deterioration for bridges. Smart Struct Syst 2016; 17: 149–165.
Yilmaz AM. Uncertainty of local scouring parameters around bridge piers. Turkish J Engin Environ Sci 2001; 25: 127–137.
Ataie-Ashtiani B and Beheshti AA. Experimental investigation of clear-water local scour at pile groups. J Hydraul Eng 2006; 132: 1100–1104.
Hedjripour M, A-Izadbahr H and Izadinia E. Reduction of local scour around bridge pier groups using collars. Int J Sediment Res 2010; 25: 411–422.
Akib S, L-Zarradizadeh S and Basser H. Local scour around complex pier groups and combined piles at semi-integral bridge. J Hydrol Hydromech 2014; 62: 108–116.
Thoft-Christensen P, Jensen FM, Middleton CR, et al. Revised rules for concrete bridges. London: Thomas Telford Ltd., 1997.
Decker JB, Rollins KM and Ellsworth JC. Corrosion rate evaluation and prediction for piles based on long-term field performance. J Geotech Geoenviron 2008; 134: 341–351.
American Association of State Highway and Transportation Officials (AASHTO). AASHTO LRFD bridge design specifications. 6th ed. Washington, DC: AASHTO, 2000.
Korea Road & Transportation Association (KRTA). Korean Highway Bridge Design Specification (KHBDS). Seoul, Korea: KRTA, 2010.
Lee Y-J and Moon D-S. A new methodology of the development of seismic fragility curves. Smart Struct Syst 2014; 14: 847–867.
Caltrans. Seismic design criteria. Sacramento, CA: California DOT, 2006.
Haukaas T. Finite element reliability and sensitivity methods for performance-based engineering. PhD Thesis, University of California, Berkeley, CA, 2003.
Der Kiureghian A. First- and second-order reliability methods. Boca Raton, FL: CRC Press, 2005.
Le Roux RC and Wium JA. Assessment of the behaviour factor for the seismic design of reinforced concrete structural walls according to SANS 10160—part 4: technical paper. J S Afr Inst Civ Eng 2012; 54: 69–80.
Shima H and Tamai S. Tension stiffness model under reversed loading including post yield range. IABSE Colloq 1987; 54: 547–556.
Lehký D, Keršner Z and Novák D. Determination of statistical material parameters of concrete using fracture test and inverse analysis based on FraMePID-3PB tool. In: Proceedings of the 5th international conference on reliable engineering computing, Brno, 13–15 June 2012. Czech Republic: LITERA, pp.261–270.
Ju M, Oh H and Sun JW. Simplified reliability estimation for optimum strengthening ratio of 30-year-old double T-beam railway bridge by NSM techniques. Math Probl Eng 2014; 734016: 1–10.
Kolisko J, Hunka P and Jung K. A statistical analysis of the modulus of elasticity and compressive strength of concrete C45/55 for pre-stressed precast beams. J Civil Eng Architect 2012; 6: 1571–1576.
Song ST, Chai YH and Hale TH. Limit state analysis of fixed-head concrete piles under lateral loads. In: Proceedings of the 13th world conference on earthquake engineering, Vancouver, BC, Canada, 1–6 August 2004, pp.1–15.
Chiou JS, Chiang CH, Yang HH, et al. Developing fragility curves for a pile-supported wharf. Soil Dyn Earthq Eng 2011; 31: 830–840.
Terry K. Flood and related debris flow hazards, Las Vegas SE quadrangle, Nevada. Report, University of Nevada-Reno, Reno, NV, 1986.
City of Alexandria Virginia. Lake Barcroft Inundation study extracted data for City of Alexandria, https://www.alexandriava.gov/LakeBarcroftDam (accessed 7 February 2017).
Expert Q&A: Your Top Questions Answered
Q1: 이 연구에서 재해 강도 지표로 수위(water level) 대신 유속(water velocity)을 선택한 이유는 무엇입니까?
A1: 논문에 따르면, 유속은 교량 설계 시 중요한 하중 중 하나인 유수압(stream pressure)을 결정하는 핵심 변수입니다. AASHTO와 같은 설계 기준에서도 유수압을 유속의 함수로 정의하고 있으며, 특히 부유물로 인한 추가적인 힘 역시 유속과 직접적인 관련이 있습니다. 따라서 유속은 교량에 가해지는 물리적인 힘을 더 직접적으로 나타내는 합리적인 강도 지표이므로 본 연구에서 채택되었습니다.
Q2: 교량의 구조적 노후화, 특히 부식을 모델링하기 위해 구체적으로 어떤 방법을 사용했나요?
A2: 연구에서는 Thoft-Christensen 등이 제안한 시간 의존적 모델을 사용했습니다. 이 모델은 시간이 지남에 따라 콘크리트 내부의 철근 지름이 부식으로 인해 감소하는 것을 수식으로 표현합니다(수식 2, 3). 부식 시작 시간, 부식률, 콘크리트 피복 두께 등을 고려하여 특정 시점(t년 후)의 유효 철근 단면적을 계산하고, 이를 유한요소모델에 반영하여 구조물의 강성 저하를 현실적으로 시뮬레이션했습니다.
Q3: 분석에서 고려된 주요 파괴 모드(failure modes)는 무엇이며, 어떻게 정의되었나요?
A3: 본 연구에서는 세 가지 주요 파괴 모드를 고려했습니다. 첫째, ‘변위 연성 부족(Lack of displacement ductility)’은 부재의 최대 변위와 항복 변위의 비율(수식 5)로 정의되며, 소성힌지 발생을 통해 손상 정도를 평가합니다. 둘째, ‘강재 파열(Steel rupture)’은 철근이나 파일에 발생하는 최대 응력이 극한 응력을 초과하는 경우로 정의됩니다(수식 6). 셋째, ‘상판 유실(Deck loss)’은 교각과 상판 사이의 상대 변위가 교량 받침(bearing)의 길이를 초과하여 상판이 이탈하는 경우로 정의됩니다(수식 7).
Q4: PIFA라는 소프트웨어 플랫폼을 사용한 주된 이유는 무엇입니까?
A4: 홍수 취약도 곡선을 도출하려면 다양한 불확실성을 고려하여 수많은 반복적인 구조 해석을 수행해야 합니다. 유한요소해석은 한 번 실행하는 데에도 상당한 시간이 소요될 수 있습니다. PIFA는 신뢰도 분석 소프트웨어(FERUM)와 유한요소해석 소프트웨어(ABAQUS)를 자동으로 연동시켜주는 역할을 합니다. 이를 통해 전체 해석 과정을 효율적으로 관리하고 계산 시간을 단축하여, 복잡하고 시간이 많이 소요되는 유한요소 신뢰도 해석을 실용적으로 수행할 수 있었습니다.
Q5: 그림 7의 결과를 보면, 모든 노후화 기간에서 ‘상판 유실’과 ‘2차 소성힌지 발생’의 취약도 곡선이 매우 유사하게 나타납니다. 이것이 의미하는 바는 무엇입니까?
A5: 이는 교량의 파괴 메커니즘에 대한 중요한 통찰을 제공합니다. ‘2차 소성힌지 발생’은 구조적으로 매우 심각한 손상 상태를 의미하며, 거의 붕괴에 가까운 단계입니다. 이 시점과 ‘상판 유실’이 발생하는 시점의 유속이 거의 일치한다는 것은, 교량에 심각한 비선형 변형이 발생하면 곧바로 상판이 이탈할 위험이 매우 크다는 것을 의미합니다. 따라서 교량의 안전성을 평가할 때 구조 부재의 응력이나 변형률뿐만 아니라, 상판의 변위를 함께 모니터링하고 관리하는 것이 매우 중요함을 시사합니다.
Conclusion: Paving the Way for Higher Quality and Productivity
본 연구는 기존에 간과되었던 교량의 홍수 취약도를 다중 파괴 모드와 장기적인 구조 노후화를 고려하여 정밀하게 분석하는 새로운 길을 열었습니다. 유한요소해석과 신뢰도 분석을 결합한 이 방법론은 유속 증가와 시간 경과에 따른 교량의 파괴 확률을 정량적으로 제시함으로써, 막연했던 위험 평가를 과학적 데이터 기반의 예측으로 전환시켰습니다. 특히, 이 연구는 정확한 교량 홍수 취약도 분석을 위해서는 교량에 작용하는 유체 동역학적 힘(수압, 유속)을 정확히 예측하는 것이 선행되어야 함을 명확히 보여줍니다.
STI C&D는 FLOW-3D와 같은 최첨단 CFD 솔루션을 통해 복잡한 유체-구조 상호작용 문제를 해결하고, 고객이 더 안전하고 효율적인 구조물을 설계하고 유지 관리할 수 있도록 지원합니다. 본 논문에서 논의된 과제들이 귀사의 목표와 일치한다면, 저희 엔지니어링 팀에 연락하여 이러한 원칙을 귀사의 프로젝트에 어떻게 적용할 수 있는지 논의해 보십시오.
(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.
연락처 : 02-2026-0442
이메일 : flow3d@stikorea.co.kr
Copyright Information
This content is a summary and analysis based on the paper “Flood fragility analysis for bridges with multiple failure modes” by “Hyunjun Kim, et al.”.
이 기술 요약은 Rutuja Chavan, Paola Gualtieri, Bimlesh Kumar가 Water에 발표한 2019년 논문 “Turbulent Flow Structures and Scour Hole Characteristics around Circular Bridge Piers over Non-Uniform Sand Bed Channels with Downward Seepage”을 기반으로 합니다. STI C&D의 기술 전문가에 의해 분석 및 요약되었습니다.
키워드
Primary Keyword: 교각 세굴 (Bridge Pier Scour)
Secondary Keywords: 하향 침투류 (Downward Seepage), 전산유체역학 (CFD), 난류 모델링 (Turbulence Modeling), 유사 이송 (Sediment Transport), 하천 공학 (River Engineering)
Executive Summary
The Challenge: 교량 기초의 안정성은 세굴 현상으로 위협받으며, 특히 강바닥을 통해 물이 아래로 스며드는 하향 침투류(downward seepage)의 영향이 정확히 규명되지 않아 예측이 부정확했습니다.
The Method: 실험실 수로(flume)에서 다양한 종류의 모래, 교각 직경, 유량 및 침투율 조건을 적용하여 유동 난류와 하상 변화를 정밀하게 측정하는 실험적 연구를 수행했습니다.
The Key Breakthrough: 하향 침투류는 세굴공의 깊이를 얕게 만들지만, 길고 넓게 만들어 전체적인 형상을 크게 변화시킵니다. 본 연구는 침투류 매개변수를 포함한 새로운 경험식을 개발하여 이러한 변화를 정확하게 예측했습니다.
The Bottom Line: 정확한 인프라 안전성 평가를 위해 CFD 모델은 반드시 하향 침투류를 고려해야 합니다. 이는 교각 주변의 측면 침식을 강화하고 세굴공의 전체적인 형태를 바꾸기 때문입니다.
The Challenge: Why This Research Matters for CFD Professionals
교량은 사회 기반 시설의 핵심이지만, 그 기초는 교각 주변의 유동 변화로 인한 국부 세굴(local scour)에 의해 심각하게 위협받을 수 있습니다. 교각은 유수의 흐름을 방해하여 와류 시스템(vortex system)을 형성하고, 이로 인해 교각 주변의 하상 물질이 침식되어 구조물의 안정성을 저해합니다.
특히, 모래와 같은 투과성 높은 물질로 이루어진 충적 하천에서는 강바닥을 통해 물이 스며드는 침투(seepage) 현상이 발생합니다. 이러한 침투류는 하천의 지형을 바꾸는 중요한 요인으로 알려져 있지만, 교각 주변의 복잡한 난류 유동과 세굴 과정에 구체적으로 어떤 영향을 미치는지는 아직 명확하게 밝혀지지 않았습니다. 이 지식의 공백은 교량의 안전성을 예측하는 데 있어 중요한 한계점으로 작용해 왔습니다.
The Approach: Unpacking the Methodology
본 연구는 하향 침투류가 교각 세굴에 미치는 영향을 규명하기 위해 정밀하게 통제된 실험실 환경에서 연구를 수행했습니다.
실험 장비: 길이 20m, 폭 1m, 깊이 0.72m의 순환식 경사 수로(recirculating plexi-glassed tilting flume)를 사용했습니다. 수로 바닥에는 침투 현상을 모사하기 위해 압력 챔버 위에 미세 망을 설치한 다공성 바닥을 구현했습니다.
실험 재료: 실제 하천과 유사한 두 종류의 불균일한 모래(중앙 입경 d50 = 0.395mm, 0.5mm)와 두 가지 직경(75mm, 90mm)의 원형 교각을 사용했습니다.
측정 방법: 유속 측정에는 3차원 음파 도플러 유속계(Acoustic Doppler Velocimeter, ADV)를, 세굴공의 형상 측정에는 초음파 거리 측정 시스템(Ultrasonic Ranging System, URS)을 사용했습니다.
핵심 변수: 5가지 다른 유량 조건에서 침투율을 각각 0%, 10%, 15%로 변화시키며 총 15개의 테스트를 진행했습니다. 측정은 교각의 상류(U), 하류(D), 그리고 측면(S1, S2)에서 이루어졌습니다.
The Breakthrough: Key Findings & Data
본 연구는 하향 침투류가 교각 주변의 난류 특성과 세굴공 형상에 미치는 영향을 정량적으로 밝혔습니다.
Finding 1: 침투류에 의한 세굴공 형상의 극적인 변화
하향 침투류는 세굴공의 형상을 근본적으로 변화시켰습니다. 논문의 Figure 6과 Figure 7에서 볼 수 있듯이, 침투류가 발생하면 세굴공의 최대 깊이는 감소하는 반면, 길이와 폭은 오히려 증가하며 세굴공의 중심이 하류로 약간 이동하는 현상이 관찰되었습니다. 이는 침투류가 교각 주변의 침식 메커니즘을 변화시켜, 특히 측면 방향의 침식을 강화한다는 것을 의미합니다.
Finding 2: 측면 난류 및 침식 작용의 강화
교각 측면(S1 지점)에서 하향 침투류는 난류 강도와 난류 운동 에너지 플럭스(TKE-flux)를 눈에 띄게 증가시켰습니다. Figure 2에 따르면, 10%와 15%의 침투류 조건에서 하상 근처(h+ < 0.2)의 난류 강도(σu 및 σw)는 침투류가 없는 경우에 비해 평균 20%~35% 증가했습니다. 이러한 난류 에너지의 증가는 Figure 4에서 확인된 바와 같이 직접적으로 유사 이송을 촉진하여 더 넓은 세굴공을 형성하는 핵심 원인임이 밝혀졌습니다.
Finding 3: 침투류를 고려한 새로운 세굴 예측 경험식 개발
본 연구의 가장 중요한 성과 중 하나는 세굴공의 길이(Ls), 폭(Ws), 면적(As), 부피(Vs)를 예측하는 새로운 경험식을 개발한 것입니다. 특히 이 식들(Equations 7, 8, 10, 11)은 ‘침투 레이놀즈 수(Seepage Reynolds number, Res)’를 핵심 매개변수로 포함하여 침투류의 영향을 정량적으로 반영합니다. Figure 8에서 보듯이, 이 새로운 식을 통해 예측된 값은 실제 측정값과 매우 높은 상관관계(R² 값 0.88 ~ 0.92)를 보여, 기존 모델보다 훨씬 정확한 예측 도구를 제공합니다.
Practical Implications for R&D and Operations
For Process Engineers (토목/수리 엔지니어): 본 연구는 충적 하천에 교량 기초를 설계할 때 단순히 최대 세굴 깊이만 예측하는 것으로는 부족함을 시사합니다. 침투류로 인해 증가하는 세굴의 길이와 폭을 반드시 고려해야 전체 기초부의 안정성을 확보할 수 있습니다.
For Quality Control Teams (인프라 안전 진단 전문가):Figure 6과 Figure 7의 데이터는 침투류가 기존 모델이 예측하는 것보다 더 넓고 긴 세굴 구역을 만들 수 있음을 보여줍니다. 이는 교량 안전 점검 시, 깊이뿐만 아니라 침식의 측면 및 종방향 범위에 초점을 맞춘 새로운 검사 기준이 필요함을 의미합니다.
For Design Engineers (CFD 모델러): 이번 연구 결과는 세굴 현상을 정확하게 시뮬레이션하기 위해 다공성 하상에서의 침투 경계 조건이 매우 중요하다는 것을 명확히 보여줍니다. 새로 개발된 경험식들(Eq. 7, 8, 10, 11)은 유사 이송 및 다공성 매질 효과를 포함하는 CFD 모델의 검증(validation)을 위한 중요한 기준을 제공합니다.
Paper Details
Turbulent Flow Structures and Scour Hole Characteristics around Circular Bridge Piers over Non-Uniform Sand Bed Channels with Downward Seepage
1. Overview:
Title: Turbulent Flow Structures and Scour Hole Characteristics around Circular Bridge Piers over Non-Uniform Sand Bed Channels with Downward Seepage
Author: Rutuja Chavan, Paola Gualtieri, and Bimlesh Kumar
충적 하천의 교각은 종종 국부 세굴을 유발하며, 이는 난류 유동과 하상 물질 간의 상호작용의 결과입니다. 이 논문은 불균일한 모래 하상에 수직으로 설치된 원형 교각 세트에 대한 실험 연구를 통해 세굴공 특성에 대한 결과를 제시합니다. 침투가 없는 경우와 하향 침투 조건 하에서의 세굴공 특성, 난류 통계, 고차 모멘트, 난류 운동 에너지(TKE) 흐름 및 결과적인 유사 이송이 기술됩니다. 하향 침투는 교각 양쪽의 유속을 증가시키는 반면, 세굴공 폭을 증가시킵니다. 그 결과, 세굴공 길이는 하류로 이동합니다. 세굴공 특성에 대한 경험적 방정식이 제안되었으며, 길이, 폭, 면적 및 부피를 평가하고 하향 침투 매개변수를 포함합니다. 모델 예측은 실험 데이터와 좋은 일치를 보입니다.
3. Introduction:
교량은 강을 가로질러 상품과 사람을 운송하는 데 중요한 역할을 합니다. 토목 공학에서 가장 중요한 문제 중 하나는 교각 붕괴로부터 교량을 보호하는 것입니다. 교각의 기초는 단면적의 수축과 그에 따른 유속 증가의 결과로 발생하는 국부 세굴에 의해 위협받을 수 있습니다. 이러한 구조물의 보호를 보장하기 위해, 유동장과 교각 주변의 유사 이송을 예측하는 것이 높은 우선순위를 가집니다.
Figure 1. Schematic diagram of the experimental set-up.
4. Summary of the study:
Background of the research topic:
교량은 중요한 사회 기반 시설이지만, 교각 주변에서 발생하는 국부 세굴로 인해 기초가 약화되어 붕괴의 위험에 처할 수 있습니다.
Status of previous research:
많은 연구자들이 교각 주변의 세굴 현상을 연구해왔지만, 충적 하천에서 발생하는 하향 침투류가 난류 구조와 세굴공의 기하학적 특성에 미치는 정량적인 영향에 대해서는 정보가 부족한 실정입니다.
Purpose of the study:
본 연구의 목적은 침투류의 영향을 받는 충적 하천에 설치된 단일 수직 교각 주변의 난류 유동장을 심층적으로 기술하고, 하향 침투 매개변수를 포함하여 세굴공의 길이, 폭, 면적, 부피와 같은 특성을 평가하기 위한 경험적 관계식을 개발하는 것입니다.
Core study:
다양한 유량과 하향 침투 조건 하에서 원형 교각 주변의 유동 구조와 세굴공의 변화를 실험적으로 조사하고, 이를 바탕으로 침투 효과를 포함하는 세굴 예측 모델을 제안했습니다.
5. Research Methodology
Research Design:
실험실의 경사 수로에서 통제된 실험을 통해 연구를 수행했습니다.
Data Collection and Analysis Methods:
유속 데이터는 음파 도플러 유속계(ADV)를 사용하여 수집했으며, 하상 프로파일은 초음파 거리 측정 시스템(URS)을 사용하여 측정했습니다. 수집된 데이터는 통계적 분석을 통해 난류 특성 및 세굴공 형상 변화를 분석하는 데 사용되었습니다.
Research Topics and Scope:
연구는 원형 교각, 불균일한 모래 하상, 그리고 하향 침투율이 0%, 10%, 15%인 조건에서의清水세굴(clear-water scour)에 초점을 맞추었습니다.
6. Key Results:
Key Results:
하향 침투류는 교각 상류의 난류를 감소시키지만, 측면의 난류는 증가시킵니다.
침투류는 교각 측면의 유사 이송과 침식을 강화합니다.
침투류가 있는 경우 세굴공은 더 길고 넓어지지만, 깊이는 얕아집니다.
침투 매개변수를 포함하는 새로운 경험식을 통해 세굴공의 크기를 정확하게 예측할 수 있습니다.
Figure List:
Figure 1. Schematic diagram of the experimental set-up.
Figure 2. Non-dimensional distributions of turbulence intensities.
Figure 3. Non-dimensional distribution of third order moment and skewness factors in streamwise and vertical direction for without seepage (NS), 10% seepage (S), and 15% S runs in the following sections: (a) upstream the pier (U); (b) downward the pier (D); (c) laterally to the pier (S1).
Figure 4. Non-dimensional distributions of turbulent kinetic energy flux (TKE-flux) in the following sections: (a) U; (b) D; (c) S1.
Figure 5. Non-dimensional distributions of turbulent production (Tp), turbulent kinetic energy dissipation (ED), and diffusion (TD) for NS, 10% S, and 15% S in the following sections: (a) U; (b) S1; (c) D.
Figure 6. Longitudinal bed profile along the centerline.
Figure 7. Lateral bed profile upstream from the piers.
Figure 8. Comparison between the predicted and observed values of the dimensionless (a) scour length (Equation (5)), (b) scour width (Equation (6)), (c) scour area (Equation (8)), and (d) scour volume (Equation (9)).
7. Conclusion:
본 연구는 교각 주변의 세굴 형상과 난류 유동에 대한 하향 침투의 영향을 심층적으로 조사했습니다. 침투율이 10%와 15%인 경우, 교각 상류에서는 streamwise 난류 강도가 각각 15%와 22% 감소했습니다. 반면, 교각 측면에서는 수직 난류 강도가 침투가 없는 경우보다 증가하여 와류의 존재를 보여주었습니다. 측면에서는 난류 강도가 20%–35% 증가하여 유사 이송을 강화시켰습니다. TKE-flux 분석 결과, 교각 측면에서 침식 능력이 더 크게 나타났습니다. 세굴공의 길이와 폭은 물리적으로 측정되었으며, 실험실 데이터로부터 세굴공 특성(길이, 폭, 면적, 부피)에 대한 경험적 관계식이 개발되었습니다. 이 관계식은 침투 레이놀즈 수를 포함하며, 개발된 표현식은 실험 결과와 좋은 일치를 보였습니다.
Figure 2. Non-dimensional distributions of turbulence intensities.
8. References:
Chiew, Y.M. Local Scour at Bridge Piers. Ph.D. Dissertation, The University of Auckland, Auckland, NJ, USA, 1984.
Melville, B.W. Local Scour at Bridge Sites. Ph.D. Dissertation, The University of Auckland, Auckland, NJ, USA, 1975.
Ettema, R. Scour at Bridge Piers. Ph.D. Dissertation, The University of Auckland, Auckland, NJ, USA, 1980.
Melville, B.W.; Coleman, S.E. Bridge Scour; Water Resources Publication: Littleton, CO, USA, 2000.
Richardson, E.V.; Davis, S.R. Evaluating Scour at Bridges, Hydraulic Engineering Circular No. 18 (hec-18). Publication No. FHWA NHI, 01–001. Available online: http://www.engr.colostate.edu/CIVES/10Manuals/ HEC-18,%205th%20Ed.pdf%20(accessed on 27 July 2019).
Harto, I. Flow Around a Cylinder in a Scoured Channel Bed. Ph.D. Thesis, Gadjah Mada University, Yogyakarta, Indonesia, 2001.
Izadinia, E.; Heidarpour, M.; Schleiss, A.J. Investigation of turbulence flow and sediment entrainment around a bridge pier. Stoch. Environ. Res. Risk Assess. 2013, 27, 1303–1314.
Chavan, R.; Sharma, A.; Kumar, B. Effect of downward seepage on turbulent flow characteristics and bed morphology around bridge piers. J. Mar. Sci. Appl. 2017, 16, 60–72.
Breusers, H.N.C.; Nicollet, G.; Shen, H. Local Scour Around Cylindrical Piers. J. Hydraul. Res. 1977, 15, 211–252.
Ben Meftah, M.; Mossa, M. Scour holes downstream of bed sills in low-gradient channels. J. Hydraul. Res. 2006, 44, 497–509.
Guan, D.; Melville, B.W.; Friedrich, H. Flow Patterns and Turbulence Structures in a Scour Hole Downstream of a Submerged Weir. J. Hydraul. Eng. 2014, 140, 68–76.
Raudkivi, A.J.; Ettema, R. Clear-Water Scour at Cylindrical Piers. J. Hydraul. Eng. 1983, 109, 338–350.
Chiew, Y.M.; Melville, B.W. Local scour around bridge piers. J. Hydraul. Res. 1987, 25, 15–26.
Chavan, R.; Kumar, B. Prediction of scour depth and dune morphology around circular bridge piers in seepage affected alluvial channels. Environ. Fluid Mech. 2018, 18, 923–945.
Richardson, J.R.; Abt, S.R.; Richardson, E.V. Inflow Seepage Influence on Straight Alluvial Channels. J. Hydraul. Eng. 1985, 111, 1133–1147.
Shukla, M.K.; Mishra, G.C. Canal discharge and seepage relationship. In Proceedings of the 6th National symposium on Hydro, Shillong, India, 6–7 March 1994; pp. 263–274.
Tanji, K.K.; Kielen, N.C. Agricultural Drainage Water Management in Arid and Semi-Arid Areas; Food and Agriculture Organization: Rome, Italy, 2002.
Kinzli, K.D.; Martinez, M.; Oad, R.; Prior, A.; Gensler, D. Using an ADCP to determine canal seepage loss in an irrigation district. Agric. Water Manag. 2010, 97, 801–810.
Martin, C.A.; Gates, T.K. Uncertainty of canal seepage losses estimated using flowing water balance with acoustic Doppler devices. J. Hydrol. 2014, 517, 746–761.
Lu, Y.; Chiew, Y.-M.; Cheng, N.-S. Review of seepage effects on turbulent open-channel flow and sediment entrainment. J. Hydraul. Res. 2008, 46, 476–488.
Rao, A.R.; Sreenivasulu, G.; Kumar, B. Geometry of sand-bed channels with seepage. Geomorphology 2011, 128, 171–177.
Cao, D.; Chiew, Y.M. Suction effects on sediment transport in closed-conduit flows. J. Hydraul. Eng. 2013, 140.
MacLean, A.G. Open channel velocity profiles over a zone of rapid infiltration. J. Hydraul. Res. 1991, 29, 15–27.
Chen, X.; Chiew, Y.M. Velocity Distribution of Turbulent Open-Channel Flow with Bed Suction. J. Hydraul. Eng. 2004, 130, 140–148.
Singh, A.; Al Faruque, M.A.; Balachandar, R. Vortices and large-scale structures in a rough open-channel flow subjected to bed suction and injection. J. Eng. Mech. 2011, 138, 491–501.
Devi, T.B.; Sharma, A.; Kumar, B. Turbulence Characteristics of Vegetated Channel with Downward Seepage. J. Fluids Eng. 2016, 138, 121102.
Marsh, N.A.; Western, A.W.; Grayson, R.B. Comparison of Methods for Predicting Incipient Motion for Sand Beds. J. Hydraul. Eng. 2004, 130, 616–621.
Dey, S.; Sarkar, S.; Ballio, F. Double-averaging turbulence characteristics in seeping rough-bed streams. J. Geophys. Res. Space Phys. 2011, 116, F03020.
Kumar, V.; Raju, K.G.R.; Vittal, N. Reduction of Local Scour around Bridge Piers Using Slots and Collars. J. Hydraul. Eng. 1999, 125, 1302–1305.
Chavan, R.; Kumar, B. Experimental investigation on flow and scour characteristics around tandem piers in sandy channel with downward seepage. J. Mar. Sci. Appl. 2017, 16, 313–322.
Bandyopadhyay, P.R.; Gad-El-Hak, M. Reynolds Number Effects in Wall-Bounded Turbulent Flows. Reynolds Number. Eff. Wall-Bounded Turbul. Flows 1994, 47, 307–365.
Raupach, M.R. Conditional statistics of Reynolds stress in rough-wall and smooth-wall turbulent boundary layers. J. Fluid Mech. 1981, 108, 363.
Krogstadt, P.Å.; Antonia, R. Surface roughness effects in turbulent boundary layers. Exp. Fluids 1999, 27, 450–460.
Expert Q&A: Your Top Questions Answered
Q1: 실험에서 침투율을 10%와 15%로 선택한 특별한 이유가 있나요?
A1: 네, 있습니다. 논문에 따르면, 이 침투율은 침투 속도가 평균 유로 속도의 1% 이하가 되도록 선택되었습니다(참고문헌 [28] 기준). 이는 실제 자연 하천에서 발생할 수 있는 현실적인 침투 조건을 모사하면서도, 실험적으로 그 영향을 명확하게 측정할 수 있는 범위 내에서 실험을 진행하기 위함이었습니다.
Q2: 논문에서 침투류가 발생하면 세굴 깊이가 오히려 감소한다고 했는데, 이는 직관과 반대됩니다. 이 메커니즘을 설명해주실 수 있나요?
A2: 좋은 질문입니다. 이 현상은 교각 상류에서 발생하는 역방향 흐름(reversal flow), 즉 말굽 와류(horseshoe vortex)와 관련이 있습니다. 하향 침투류는 이 역방향 흐름을 방해하고 약화시키는 역할을 합니다. 말굽 와류는 교각 기초부에서 가장 강력한 침식 작용을 일으키는 주된 원인이므로, 이 와류가 약화되면 최대 세굴 깊이는 오히려 얕아지게 됩니다. 하지만 동시에 측면에서는 난류가 강화되어 전체적으로는 더 넓고 긴 세굴공이 형성되는 것입니다.
Q3: 새로운 예측식에 ‘침투 레이놀즈 수(Res)’를 포함시킨 것이 얼마나 중요한가요?
A3: 매우 중요합니다. Figure 8에서 볼 수 있듯이, Res를 포함한 새로운 경험식은 R² 값이 최대 0.92에 이를 정도로 높은 예측 정확도를 보였습니다. 이 매개변수가 없는 기존의 세굴 예측 모델들은 실험에서 관찰된 세굴공 형상의 변화(길이 및 폭 증가)를 전혀 예측하지 못합니다. 따라서 침투류가 있는 환경에서 기존 모델을 사용하면 교량의 안전성을 과대평가하여 잠재적으로 위험한 설계를 초래할 수 있습니다.
Q4: 스큐니스(skewness)와 같은 고차 모멘트를 분석하는 것의 실질적인 중요성은 무엇인가요?
A4: 스큐니스는 난류 에너지의 이동 방향에 대한 정보를 제공하여 물리적 현상을 더 깊이 이해하게 해줍니다. 예를 들어, 교각 측면(S1)에서 침투류가 있을 때 스큐니스 인자 M30과 M12가 증가하는 것이 Figure 3에서 확인되었습니다. 이는 하상 입자의 이동성이 증가했음을 직접적으로 보여주는 지표이며, 측면 침식이 왜 강화되었는지에 대한 물리적 근거를 제시합니다.
Q5: 이 연구는 불균일한 모래를 사용했는데, 만약 균일한 모래 하상이었다면 결과가 어떻게 달라졌을까요?
A5: 논문에서는 사용된 모래가 불균일(σg > 1.4)했음을 명시하고 있습니다. 불균일한 모래 하상에서는 입경이 큰 입자들이 작은 입자들을 덮어 보호하는 ‘하상 표면 보호층(bed armoring)’ 현상이 발생할 수 있습니다. 본 연구에서 직접 비교하지는 않았지만, 이러한 자연적인 보호 효과가 없는 균일한 모래 하상에서는 하향 침투류로 인한 측면 침식 효과가 훨씬 더 두드러지게 나타났을 가능성이 있다고 추론해 볼 수 있습니다.
Conclusion: Paving the Way for Higher Quality and Productivity
본 연구는 하향 침투류가 교각 세굴의 깊이, 폭, 길이에 복합적인 영향을 미쳐 전체적인 안정성을 위협할 수 있다는 중요한 사실을 밝혔습니다. 침투류를 고려하지 않은 기존의 예측 모델은 실제 위험을 과소평가할 수 있으며, 따라서 더 안전하고 경제적인 교량 설계를 위해서는 CFD 시뮬레이션 단계에서부터 다공성 하상과 침투 효과를 반드시 포함해야 합니다.
STI C&D는 최신 산업 연구 결과를 적용하여 고객이 더 높은 생산성과 품질을 달성할 수 있도록 돕는 데 전념하고 있습니다. 이 논문에서 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.
연락처 : 02-2026-0442
이메일 : flow3d@stikorea.co.kr
Copyright Information
This content is a summary and analysis based on the paper “Turbulent Flow Structures and Scour Hole Characteristics around Circular Bridge Piers over Non-Uniform Sand Bed Channels with Downward Seepage” by “Rutuja Chavan, Paola Gualtieri, and Bimlesh Kumar”.
이 기술 요약은 S.C. Yeow, H. Wang, H. Chanson이 2016년 6th International Symposium on Hydraulic Structures에 발표한 논문 “Effect of a Large Bed Roughness on Positive Surge Propagation in Canals”을 기반으로 하며, STI C&D의 기술 전문가에 의해 분석 및 요약되었습니다.
도전 과제: 운하 또는 하구에서 발생하는 갑작스러운 서지(surge)가 교각과 같은 구조물에 미치는 영향은 잘 알려져 있으나, 손상된 기초나 큰 퇴적물과 같은 대형 바닥 거칠기가 서지 전파에 미치는 영향은 거의 연구되지 않았습니다.
연구 방법: 본 연구는 폭 0.5m, 길이 15m의 수로에서 제어된 흐름 조건 하에 물리적 실험을 수행했으며, 음향 도플러 유속계(ADV)를 사용하여 바닥에 원통형 거칠기 요소가 있을 때와 없을 때의 서지 전파 중 순간 유속을 정밀하게 측정했습니다.
핵심 발견: 대형 거칠기 요소는 서지의 수면 높이에는 거의 영향을 미치지 않았지만, 요소 주변의 유속과 난류 강도를 극적으로 증폭시켰습니다. 특히, 요소 주변에서 일시적인 재순환 유동이 2배 더 오래 지속되고 60% 더 강해졌으며, 이는 난류 전단 응력을 크게 증가시켰습니다.
핵심 결론: 바닥의 대형 거칠기 요소는 서지 통과 시 국부적인 난류를 증폭시켜 교각 기초 주변의 세굴(scour) 잠재력을 크게 높이므로, 수리 구조물의 설계 및 안정성 평가 시 반드시 고려해야 합니다.
도전 과제: 이 연구가 CFD 전문가에게 중요한 이유
개수로, 용수 공급 운하, 강 하구 등에서 제어 밸브의 급격한 조작이나 조석 현상은 ‘포지티브 서지’ 또는 ‘보어(bore)’라 불리는 강력하고 불안정한 흐름을 유발할 수 있습니다. 이러한 서지는 조석해일(tidal bore)의 형태로 나타나 교량과 같은 인공 구조물에 파괴적인 영향을 미칠 수 있습니다. 실제로 후글리강(Hoogly River)의 조석해일은 여러 교량 구조물을 파괴한 사례가 있습니다.
지금까지의 연구는 대부분 매끄러운 운하 바닥에서의 서지 전파에 초점을 맞추어 왔습니다. 하지만 실제 현장에서는 손상된 교각 기초, 큰 암석, 퇴적물 등 ‘대형 거칠기 요소’가 존재합니다. 이러한 거칠기가 서지의 난류 특성과 구조물에 미치는 영향을 정확히 이해하지 못한다면, 교량 기초의 세굴 위험을 과소평가하여 심각한 안전 문제로 이어질 수 있습니다. 본 연구는 바로 이 지식의 공백을 메우기 위해 수행되었습니다.
Figure 1. Photographs of positive surges in natural estuaries
연구 접근법: 방법론 분석
본 연구는 실제 현상을 정밀하게 제어하고 측정하기 위해 물리적 모델링 방식을 채택했습니다.
실험 시설: 길이 15m, 폭 0.5m의 경사 조절이 가능한 수로(tilting flume)에서 실험이 수행되었습니다. 바닥은 매끄러운 PVC로 제작되었습니다.
서지 생성: 수로 하류에 위치한 테인터 게이트(Tainter gate)를 0.15초에서 0.2초 이내로 빠르게 닫아 상류로 전파되는 포지티브 서지를 인위적으로 생성했습니다.
거칠기 요소: 교각 기초나 큰 퇴적물을 모사하기 위해 직경 60mm, 높이 20mm의 원통형 PVC 요소를 수로 바닥 중앙에 고정했습니다 (구성 B). 매끄러운 바닥 조건(구성 A)과 비교 분석을 수행했습니다.
측정 장비:
유량: 벤츄리 미터(Venturi meter)를 사용하여 ±2% 정확도로 측정했습니다.
수심: 음향 변위계(acoustic displacement meters)를 사용하여 불안정한 흐름의 수심 변화를 200Hz로 샘플링했습니다.
유속: 3차원 측방 관측 헤드(side-looking head)가 장착된 음향 도플러 유속계(Acoustic Doppler Velocimeter, ADV)를 사용하여 x, y, z 방향의 순간 유속을 정밀하게 측정했습니다.
Figure 2. Positive surge propagation in the experimental channel
이러한 정밀 제어 및 측정 시스템을 통해 대형 거칠기 요소가 서지의 난류 구조에 미치는 영향을 정량적으로 분석할 수 있었습니다.
핵심 발견: 주요 결과 및 데이터
결과 1: 증폭된 재순환 유동 및 난류
가장 중요한 발견 중 하나는 대형 거칠기 요소가 서지 통과 후 흐름의 국부적인 동역학을 극적으로 변화시킨다는 점입니다.
실험 결과, 거칠기 요소는 서지의 전체적인 수면 프로파일이나 수심 변화(d₂/d₁)에는 거의 영향을 미치지 않았습니다 (그림 5 참조).
하지만 요소 주변의 유속장(velocity field)은 크게 달라졌습니다. 그림 7에서 보듯이, 거칠기 요소가 없을 때(상단 그래프)보다 있을 때(하단 그래프) 서지 통과 후 요소의 상류와 하류에서 더 강력하고 오래 지속되는 ‘일시적 재순환(transient recirculation)’ 영역이 관찰되었습니다.
정량적으로, 이 재순환 유동은 거칠기 요소가 있을 때 거의 2배 더 오래 지속되었으며, 재순환 유속의 크기는 60% 더 강했습니다. 이는 거칠기 요소가 서지 에너지를 국부적인 와류와 난류로 변환시키는 ‘증폭기’ 역할을 함을 의미합니다.
결과 2: 난류 전단 응력 증가와 세굴 잠재력
증폭된 난류는 바닥에 가해지는 힘, 즉 전단 응력을 증가시켜 세굴(scour) 위험을 높입니다.
본 연구에서는 레이놀즈 응력(Reynolds stress)을 분석하여 난류 전단 응력을 정량화했습니다. 그림 8은 거칠기 요소가 없을 때(상단)와 있을 때(하단, 요소 상류)의 레이놀즈 응력(vxvx, vxvy) 시계열 데이터를 보여줍니다.
서지가 통과하는 순간 레이놀즈 응력은 급격히 증가했으며, 특히 대형 거칠기 요소 주변에서 그 변동성과 최대 크기가 현저하게 커졌습니다.
이는 서지 통과 시 거칠기 요소 주변 바닥에 훨씬 더 큰 힘이 가해진다는 것을 의미하며, 장기적으로 요소 주변의 침식을 가속화하여 심각한 국부 세굴 구멍(scour hole)을 형성할 잠재력이 있음을 시사합니다.
R&D 및 운영을 위한 실질적 시사점
수리 엔지니어: 이 연구는 기존 교각 기초의 손상이나 수로 내 예상치 못한 퇴적물이 서지 발생 시 국부 세굴 위험을 예상보다 훨씬 더 크게 만들 수 있음을 시사합니다. 따라서 구조물 유지보수 및 위험 평가 시 이러한 거칠기 효과를 반드시 고려해야 합니다.
구조 안전 및 품질 관리팀: 그림 8에 제시된 난류 전단 응력 데이터는 서지가 잦은 지역의 교량 기초 안정성을 재평가하는 데 중요한 근거를 제공합니다. 매끄러운 바닥을 가정한 기존의 해석 모델은 세굴 위험을 과소평가할 수 있습니다.
설계 엔지니어: 신규 교각이나 수중 구조물 설계 시, 구조물 자체가 대형 거칠기 요소로 작용하여 유발하는 난류 증폭 효과를 CFD 시뮬레이션 등을 통해 사전에 예측해야 합니다. 이를 통해 장기적인 세굴을 완화할 수 있는 최적의 설계를 도출할 수 있습니다.
논문 상세 정보
Effect of a Large Bed Roughness on Positive Surge Propagation in Canals (운하 내 포지티브 서지 전파에 대한 대형 바닥 거칠기의 영향)
1. 개요:
제목: Effect of a Large Bed Roughness on Positive Surge Propagation in Canals
저자: S.C. Yeow, H. Wang, H. Chanson
발표 연도: 2016
발표 학회: 6th International Symposium on Hydraulic Structures
개수로와 용수 공급 운하에서 제어 밸브와 게이트의 급격한 조작은 서지(surge)라 불리는 큰 불안정 흐름을 유발할 수 있다. 현재까지 문헌은 매끄러운 운하에서의 서지 전파에 초점을 맞추고, 큰 거칠기와 퇴적물의 영향은 무시해왔다. 본 연구에서는 제어된 흐름 조건 하에서 포지티브 서지가 상류로 전파되는 동안 큰 원형 바닥 거칠기 요소 주변의 난류 혼합을 연구하기 위해 물리적 실험을 수행했다. 상세한 자유 수면 및 순간 유속 측정이 크고 평평한 원통형 요소가 있을 때와 없을 때 모두 수행되었다. 여러 테스트에 대해 실험은 25회 반복되었고 결과는 앙상블 평균되었다. 데이터는 모든 조사된 흐름 조건에서 포지티브 서지 전파가 큰 순간 자유 수면 변동과 관련이 있음을 시사했다. 유속 측정 결과, 서지 생성 중 종방향 속도의 큰 변화와 모든 속도 성분의 큰 변동이 나타났다. 큰 바닥 요소의 존재는 요소 주변의 속도 변동과 불안정한 레이놀즈 응력을 변화시켰다. 현재 결과는 서지 전파 중 요소 주변의 바닥 세굴 가능성을 암시했다.
3. 서론:
개수로, 운하, 강에서 유속이 급격히 증가하면 포지티브 서지(positive surge), 또는 보어(bore), 압축파(compression wave)가 발생한다. 포지티브 서지는 이동하는 수력 도약(hydraulic jump)이며, 그 형태는 프루드 수(Froude number) Fr₁에 의해 특징지어진다. 잘 알려진 지구물리학적 예는 조석해일(tidal bore)로, 조류가 상승으로 바뀌면서 얕은 깔때기 모양의 강 하구로 밀려 들어가는 포지티브 서지이다. 조석해일은 위험할 수 있으며, 인공 구조물에 부정적인 영향을 미치고 인명을 위협할 수 있다. 최근 몇 년간, 후글리강(Hoogly River)의 보어는 상류 댐 완공으로 인해 강도가 세져 여러 교량 구조물을 파괴했다. 교량과 교각에 대한 조석해일의 영향은 거의 문서화되지 않았다. 현재까지 인공 구조물이 포지티브 서지와 보어에 미치는 영향에 대한 정보는 거의 없으며, 문헌은 퇴적물과 큰 거칠기의 영향을 다루지 않는다. 본 연구는 손상된 교각 기초를 대표하는 큰 원통형 거칠기 요소 위로 포지티브 서지가 전파되는 것을 상세히 조사한다.
4. 연구 요약:
연구 주제의 배경:
개수로 및 하천에서 발생하는 포지티브 서지는 수리 구조물의 안정성에 큰 위협이 될 수 있다. 특히 조석해일과 같은 자연 현상은 교량과 같은 인프라에 직접적인 충격을 가한다.
이전 연구 현황:
대부분의 기존 연구는 이상적인 조건, 즉 매끄러운 바닥을 가진 수로에서의 서지 전파에 집중되어 왔다. 실제 현장에서 흔히 발견되는 큰 퇴적물, 암석, 또는 손상된 구조물 기초와 같은 대형 거칠기 요소가 서지의 동역학, 특히 난류 특성에 미치는 영향에 대한 연구는 부족한 실정이다.
연구 목적:
본 연구의 목적은 대형 원통형 바닥 거칠기 요소가 포지티브 서지의 상류 전파 과정에 미치는 영향을 물리적 실험을 통해 정량적으로 평가하는 것이다. 특히, 거칠기 요소 주변의 유속장, 난류 강도, 그리고 난류 전단 응력의 변화를 상세히 분석하여 세굴 발생 가능성을 규명하고자 한다.
핵심 연구 내용:
매끄러운 바닥과 대형 원통형 거칠기 요소가 있는 바닥, 두 가지 구성에 대한 비교 실험 수행.
다양한 유량 조건에서 발생하는 비파쇄성(undular) 및 파쇄성(breaking) 서지에 대한 자유 수면 및 유속 데이터 수집.
앙상블 평균 기법을 사용하여 측정 데이터의 통계적 신뢰성 확보.
거칠기 요소의 유무에 따른 유속, 난류 강도, 레이놀즈 응력의 시공간적 변화 분석.
5. 연구 방법론:
연구 설계:
본 연구는 실험실 수로에서 두 가지 주요 바닥 구성(A: 매끄러운 PVC 바닥, B: 직경 60mm, 높이 20mm의 원통형 요소가 고정된 PVC 바닥)을 비교하는 방식으로 설계되었다. 세 가지 다른 유량(0.039, 0.051, 0.061 m³/s) 조건에서 테인터 게이트를 급격히 닫아 포지티브 서지를 생성하고, 이 서지가 거칠기 요소를 통과할 때의 수리 현상을 측정했다.
데이터 수집 및 분석 방법:
자유 수면 측정: 수로 여러 지점에 설치된 음향 변위계를 사용하여 200Hz로 수심 변화를 연속적으로 측정했다.
순간 유속 측정: 음향 도플러 유속계(ADV)를 사용하여 거칠기 요소의 상류, 위, 하류 여러 지점에서 3차원 유속 성분을 200Hz로 측정했다.
데이터 분석: 각 실험 조건을 25회 반복하여 앙상블 평균(ensemble-average)을 계산했다. 이를 통해 평균 유속 성분과 변동 성분(난류)을 분리하고, 레이놀즈 응력과 같은 난류 특성을 분석했다.
연구 주제 및 범위:
연구 범위는 수평으로 설치된 직사각형 단면의 수로에서 발생하는 완전 발달된 포지티브 서지에 국한된다. 연구의 초점은 대형 원통형 거칠기 요소가 서지의 자유 수면 특성, 평균 유속장, 그리고 난류 구조(특히 레이놀즈 응력)에 미치는 영향이다. 이 연구는 이동상(mobile bed)이 아닌 고정상(fixed bed) 조건에서 수행되었다.
6. 주요 결과:
주요 결과:
대형 거칠기 요소의 존재는 서지의 전반적인 자유 수면 프로파일(예: 공액 수심비 d₂/d₁)에 거의 영향을 미치지 않았다.
거칠기 요소는 요소 주변의 유속장에 상당한 영향을 미쳤다. 서지 통과 후, 요소의 상류와 하류에서 더 강하고(약 60% 증가) 더 오래 지속되는(약 2배) 일시적 재순환 유동이 관찰되었다.
서지 통과 시 모든 레이놀즈 응력 성분이 급격히 증가했으며, 이 증가는 특히 거칠기 요소 주변에서 더욱 두드러졌다. 이는 거칠기 요소 주변의 바닥에서 향상된 세굴 및 침식 가능성을 강력하게 시사한다.
Figure 4. Positive surge propagation above the large roughness element – Flow conditions: Q = 0.061 m3/s, d1 = 0.155 m at x = 5.9 m, Fr1 = 1.39, Tainter gate opening after closure: h = 25 mm – From left to right: 0.121 s between successive photographs (shutter speed: 1/400 s)
Figure 목록:
Figure 1. Photographs of positive surges in natural estuaries
Figure 2. Positive surge propagation in the experimental channel
Figure 3. Dimensionless vertical distributions of time-averaged longitudinal velocity and standard deviation of longitudinal velocity downstream of the large element in steady flow – Flow conditions: Q = 0.038 m³/s, d₁ = 0.130 m at x = 5.9 m, Flow direction from left to right
Figure 4. Positive surge propagation above the large roughness element – Flow conditions: Q = 0.061 m³/s, d₁ = 0.155 m at x = 5.9 m, Fr₁ = 1.39, Tainter gate opening after closure: h = 25 mm – From left to right: 0.121 s between successive photographs (shutter speed: 1/400 s)
Figure 5. Ratio of conjugate depths d2/d1 in positive surges propagating in horizontal rectangular channels – Comparison between present ensemble-averaged data at x = 7.1 m with and without large element and laboratory data on smooth invert (Favre 1935, Treske 1994, Chanson 2010a, Docherty and Chanson 2012, Leng and Chanson 2016) and rough invert (Chanson 2010a, Docherty and Chanson 2012)
Figure 6. Dimensionless maximum water elevation (dmax-d1)/(d2-d1) in positive surges propagating in horizontal rectangular channels – Comparison between present ensemble-averaged data at x = 7.1 m with and without large element, smooth invert data (Peregrine 1966, Koch and Chanson 2008, Chanson 2010a,2010b, Leng and Chanson 2016) and rough invert data (Chanson 2010a) and solitary wave breaking onset – Dashed line indicates the onset of breaking at the first wave crest
Figure 7. Time variations of ensemble-averaged longitudinal velocity: comparison between bed configuration A (no element) [Top] and bed configuration B: Bottom Left: (x-xo)/D=-2 and Bottom right: (x-x‰)/D=+2 – Flow conditions: Q = 0.061 m³/s, d₁ = 0.155 m at x = 5.9 m, Fr₁ = 1.39, z/d₁ = 0.04, y = 0 (centerline), Tainter gate opening after closure: h = 25 mm
Figure 8. Time variations of ensemble-averaged Reynolds stresses vxvx and vxvy: comparison between bed configuration A (no element) [Top] and bed configuration B [Bottom] at (x-x｡)/D=-2 – Flow conditions: Q = 0.061 m³/s, d₁ = 0.155 m at x = 5.9 m, Fr₁ = 1.39, y = 0 (centreline), Tainter gate opening after closure: h = 25 mm
7. 결론:
본 연구는 대형 평면 원통형 거칠기 요소가 포지티브 서지의 상류 전파에 미치는 영향을 평가하기 위해 수행되었다. 결과는 대형 요소가 정상 및 비정상 자유 수면 특성에는 거의 영향을 미치지 않음을 보여주었다. 그러나 순간 유속 측정 결과, 보어 통과 중 요소의 직상류 및 직하류에서 더 강하고 오래 지속되는 일시적 재순환이 나타났다. 더 큰 유속 변동이 기록되었으며, 이러한 발견은 거칠기 요소 주변의 더 큰 난류 전단 응력과 관련이 있었다. 이 결과는 대형 요소 주변의 향상된 세굴 및 바닥 침식과 이동상 채널에서 큰 세굴 구멍이 발생할 가능성을 시사한다. 향후 연구는 이동상 채널에서 원통형 요소와 원통형 기둥(교각 대표)을 모두 포함하여 수행되어야 하며, 중요한 적용 분야는 조석해일의 영향을 받는 하구에서 교각 주변의 세굴 구멍 발달 예측이 될 수 있다.
Figure 8. Time variations of ensemble-averaged Reynolds stresses vxvx and vxvy: comparison between bed configuration A (no element) [Top] and bed configuration B [Bottom] at (x-xo)/D=-2 – Flow conditions: Q = 0.061 m3/s, d1 = 0.155 m at x = 5.9 m, Fr1 = 1.39, y = 0 (centreline), Tainter gate opening after closure: h = 25 mm
8. 참고 문헌:
Bradshaw, P. (1971). An Introduction to Turbulence and its Measurement. Pergamon Press, Oxford, UK, The Commonwealth and International Library of Science and technology Engineering and Liberal Studies, Thermodynamics and Fluid Mechanics Division, 218 pages.
Chanson, H. (2010a). Unsteady Turbulence in Tidal Bores: Effects of Bed Roughness. Journal of Waterway, Port, Coastal, and Ocean Engineering, ASCE, Vol. 136, No. 5, pp. 247-256 (DOI: 10.1061/(ASCE)WW.1943-5460.0000048).
Chanson, H. (2010b). Undular Tidal Bores: Basic Theory and Free-surface Characteristics. Journal of Hydraulic Engineering, ASCE, Vol. 136, No. 11, pp. 940-944 (DOI: 10.1061/(ASCE)HY.1943-7900.0000264).
Chanson, H. (2011a). Tidal Bores, Aegir, Eagre, Mascaret, Pororoca: Theory and Observations. World Scientific, Singapore, 220 pages.
Chanson, H. (2011b). Undular Tidal Bores: Effect of Channel Constriction and Bridge Piers. Environmental Fluid Mechanics, Vol. 11, No. 4, pp. 385-404 & 4 videos (DOI: 10.1007/s10652-010-9189-5).
Chanson, H. (2012). Momentum Considerations in Hydraulic Jumps and Bores. Journal of Irrigation and Drainage Engineering, ASCE, Vol. 138, No. 4, pp. 382-385 (DOI: 10.1061/(ASCE)IR.1943-4774.0000409).
Docherty, N.J., and Chanson, H. (2012). Physical Modelling of Unsteady Turbulence in Breaking Tidal Bores. Journal of Hydraulic Engineering, ASCE, Vol. 138, No. 5, pp. 412-419 (DOI: 10.1061/(ASCE)HY.1943-7900.0000542).
Favre, H. (1935). Etude Théorique et Expérimentale des Ondes de Translation dans les Canaux Découverts. Dunod, Paris, France (in French).
Henderson, F.M. (1966). Open Channel Flow. MacMillan Company, New York, USA.
Khezri, N., and Chanson, H. (2012). Undular and Breaking Tidal Bores on Fixed and Movable Gravel Beds. Journal of Hydraulic Research, IAHR, Vol. 50, No. 4, pp. 353-363 (DOI: 10.1080/00221686.2012.686200).
Koch, C., and Chanson, H. (2008). Turbulent Mixing beneath an Undular Bore Front. Journal of Coastal Research, Vol. 24, No. 4, pp. 999-1007 (DOI: 10.2112/06-0688.1).
Leng, X., and Chanson, H. (2016). Coupling between Free-surface Fluctuations, Velocity Fluctuations and Turbulent Reynolds Stresses during the Upstream Propagation of Positive Surges, Bores and Compression Waves. Environmental Fluid Mechanics, Vol. 16, 25 pages (DOI: 10.1007/s10652-015-9438-8).
Liggett, J.A. (1994). Fluid Mechanics. McGraw-Hill, New York, USA.
Lu H.Y., Pan, C.H., and Zeng, J. (2009). Numerical simulation and analysis for combinational effects of two bridges on the tidal bore in the Qiantang River. Proceedings of 5th International Conference on Asian and Pacific Coasts, Singapore, Vol. 3, pp. 325-333.
Microsonic (2004). Instruction manual mic+ Ultrasonic Sensors with one analogue output. Microsonic GmbH, Germany, 3 pages.
Peregrine, D.H. (1966). Calculations of the Development of an Undular Bore. Journal of Fluid Mechanics, Vol. 25, pp. 321-330.
Riochet B (2008). La Sédimentation dans les Réseaux Unitaires Visitables: le Point de Vue d’un Exploitant. Proceedings international meeting on measurements and hydraulics of sewers IMMHS’08, Summer School GEMCEA/LCPC, Bouguenais, 19-21 August 2008, Larrarte F. and Chanson H. (eds), Hydraulic Model Report No. CH70/08, University of Queensland, Brisbane, pp. 11-19 (in French).
Sun, S., Leng, X., and Chanson, H. (2016). Rapid Operation of a Tainter Gate: Generation Process and Initial Upstream Surge Motion. Environmental Fluid Mechanics, Vol. 16, No. 1, pp. 87-100 (DOI: 10.1007/s10652-015-9414-3).
Treske, A. (1994). Undular Bores (Favre-Waves) in Open Channels – Experimental Studies. Journal of Hydraulic Research, IAHR, Vol. 32, No. 3, pp. 355-370.
Tricker, R.A.R. (1965). Bores, Breakers, Waves and Wakes. American Elsevier Publ. Co., New York, USA.
전문가 Q&A: 자주 묻는 질문
Q1: 이 연구에서 수치 시뮬레이션 대신 물리적 모델을 사용한 이유는 무엇인가요?
A1: 이 연구는 서지 전파 중 발생하는 복잡한 3차원 난류 구조와 자유 수면의 상호작용을 정밀하게 포착하는 것을 목표로 했습니다. 물리적 모델은 제어된 환경에서 고충실도의 실제 데이터를 제공하여, 특히 큰 거칠기 요소 주변의 미세한 난류 변동과 같은 현상을 직접 측정할 수 있게 해줍니다. 이렇게 얻어진 고품질 실험 데이터는 향후 수치 모델(CFD)의 정확성을 검증하고 개선하는 데 필수적인 기준 자료로 활용될 수 있습니다.
Q2: 연구에서 가장 의외의 발견은 무엇이었나요?
A2: 가장 놀라운 발견은 대형 거칠기 요소가 서지의 거시적인 특성인 자유 수면 높이(그림 5, 6)에는 거의 영향을 미치지 않으면서도, 수면 아래의 미세한 유동 구조, 즉 유속장과 난류 강도(그림 7, 8)는 극적으로 변화시켰다는 점입니다. 이는 서지의 에너지가 수면 변형보다는 국부적인 난류 생성과 소산에 집중적으로 사용되었음을 의미하며, 겉으로 보이는 현상만으로는 구조물의 안정성을 판단하기 어렵다는 중요한 시사점을 줍니다.
Q3: 프루드 수(Fr₁)는 관찰된 서지 유형과 어떤 관련이 있나요?
A3: 프루드 수(Fr₁)는 서지의 형태를 결정하는 중요한 무차원수입니다. 본 연구에서 Fr₁ < 1.3인 경우, 서지는 파형이 부드럽고 첫 번째 파고 뒤에 일련의 2차 파동이 따르는 ‘비파쇄성 보어(undular bore)’의 형태를 보였습니다. 반면, Fr₁이 더 큰 경우(예: Fr₁ = 1.39), 서지 전면에 뚜렷한 롤러(roller)가 형성되고 상당한 난류와 공기 연행을 동반하는 ‘파쇄성 보어(breaking bore)’가 관찰되었습니다(그림 4 참조).
Q4: 논문에서 서지가 통과한 후 요소의 ‘상류’에 ‘일시적 후류(transient wake)’가 발생한다고 언급했는데, 그 원인은 무엇인가요?
A4: 서지가 통과한 후, 흐름의 방향은 잠시 동안 상류(서지 전파 방향과 반대)로 향하게 됩니다. 이때 대형 거칠기 요소는 이 역방향 흐름에 대한 장애물로 작용하여 ‘막힘 효과(blockage effect)’를 유발합니다. 이로 인해 정상 상태 흐름에서 요소의 하류에 생기던 후류(wake)와 유사한 난류 영역이, 서지 통과 후에는 요소의 상류(역방향 흐름의 하류)에 일시적으로 형성되는 것입니다.
Q5: 레이놀즈 응력의 증가는 교각 설계에 구체적으로 어떤 영향을 미치나요?
A5: 레이놀즈 응력(특히 p×vx×vy 성분)은 유체의 난류 변동으로 인해 발생하는 전단 응력을 나타냅니다. 이 힘은 하상 입자를 움직이는 주된 동력입니다. 따라서 레이놀즈 응력의 증가는 하상에 가해지는 소류력(tractive force)이 커짐을 의미하며, 이는 퇴적물 이동과 세굴을 직접적으로 유발합니다. 교각 설계 시 매끄러운 바닥을 가정한 모델보다 훨씬 높은 국부적 레이놀즈 응력을 고려해야 하며, 이는 더 깊은 기초 설계나 세굴 방지 공법의 필요성을 의미합니다.
결론: 더 높은 품질과 생산성을 향한 길
본 연구는 포지티브 서지 전파(Positive Surge Propagation) 과정에서 바닥의 대형 거칠기 요소가 단순한 장애물이 아니라, 국부적인 난류를 증폭시키는 ‘증폭기’ 역할을 한다는 것을 명확히 보여주었습니다. 이 증폭된 난류는 교각 기초와 같은 수리 구조물 주변의 세굴 위험을 크게 증가시켜 구조물의 장기적인 안정성을 위협할 수 있습니다.
이러한 발견은 더 이상 매끄러운 바닥 조건에 기반한 단순화된 모델만으로는 실제 현장의 복잡한 물리 현상을 정확히 예측할 수 없음을 의미합니다. 교량, 댐, 수문 등 중요한 인프라의 안전을 보장하기 위해서는 대형 거칠기 요소가 유발하는 복잡한 3차원 난류 유동을 정밀하게 해석할 수 있는 고도의 CFD 해석 기술이 필수적입니다.
STI C&D에서는 최신 산업 연구 결과를 적용하여 고객이 더 높은 생산성과 품질을 달성할 수 있도록 지원하는 데 전념하고 있습니다. 이 논문에서 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.
연락처 : 02-2026-0442
이메일 : flow3d@stikorea.co.kr
저작권 정보
이 콘텐츠는 “S.C. Yeow” 외 저자의 논문 “Effect of a Large Bed Roughness on Positive Surge Propagation in Canals”을 기반으로 한 요약 및 분석 자료입니다.
이 기술 요약은 S.C. Yeow, H. Chanson, H. Wang이 2016년 Canadian Journal of Civil Engineering에 발표한 논문 “Impact of a large cylindrical roughness on tidal bore propagation”을 기반으로 하며, STI C&D의 기술 전문가에 의해 분석 및 요약되었습니다.
The Challenge: 조석해일(Tidal Bore)이 교각과 같은 수리 구조물에 미치는 충격은 심각한 안전 문제를 야기할 수 있지만, 그 복잡한 유체 역학적 영향, 특히 교각 기초 주변의 세굴(scour) 현상에 대한 정량적 데이터는 부족했습니다.
The Method: 손상된 교각 기초를 모사하는 대형 원통형 장애물을 수로에 설치하고, 고속 차단 게이트를 이용해 조석해일을 인공적으로 발생시켜 장애물 통과 시 자유 수면, 유속, 난류 응력의 변화를 정밀 계측했습니다.
The Key Breakthrough: 원통형 장애물은 조석해일의 자유 수면에는 거의 영향을 미치지 않았지만, 구조물 주변의 유속과 난류 응력은 극적으로 증폭시켰습니다. 특히, 일시적인 유동 재순환 시간이 두 배 가까이 길어지고, 재순환 유속의 크기는 60% 더 강해졌습니다.
The Bottom Line: 조석해일 통과 시 수면 변화가 없다고 해서 교각이 안전한 것은 아니며, 수면 아래에서는 교각 기초를 침식시키는 강력한 난류가 발생할 수 있으므로, 구조물 설계 시 반드시 수중의 동적 하중을 고려한 CFD 해석이 필수적입니다.
Fig. 1 – Photographs of tidal bores impacting man-made structures
The Challenge: Why This Research Matters for CFD Professionals
조석해일(Tidal Bore)은 조수간만의 차가 큰 하구나 만에서 홍수 조류가 상류로 급격히 밀려 들어오며 발생하는 수력학적 충격파입니다. 이 현상은 교량, 제방 등 인간이 만든 구조물에 심각한 손상을 입히고 인명 피해를 유발할 수 있는 위험한 자연 현상입니다. 실제로 인도의 후글리 강(Hoogly River)에서는 조석해일로 인해 여러 교량이 파괴된 사례가 있으며, 전 세계적으로 400개 이상의 하구에서 이러한 현상이 보고되고 있습니다.
문제는 조석해일이 교각에 미치는 영향이 체계적으로 연구된 바가 거의 없다는 점입니다. 특히, 교각 기초 주변에서 발생하는 국부적인 침식, 즉 ‘세굴(scour)’ 현상은 교량의 구조적 안정성을 위협하는 핵심 요인입니다. 기존 연구는 대부분 평탄한 하상에서의 조석해일 전파에 초점을 맞추었기 때문에, 엔지니어들은 교각과 같은 대형 구조물이 조석해일의 파괴력을 어떻게 변화시키는지 정확히 예측하기 어려웠습니다. 본 연구는 이러한 기술적 공백을 메우고, 교각 주변의 복잡한 난류 혼합 현상을 실험적으로 규명하여 보다 안전한 구조물 설계를 위한 기초 데이터를 제공하고자 수행되었습니다.
The Approach: Unpacking the Methodology
본 연구는 실제와 유사한 환경을 정밀하게 통제하기 위해 물리적 모델링 실험 방식을 채택했습니다. 실험은 길이 15m, 폭 0.5m의 대형 수평 수로에서 진행되었습니다.
실험 장치: 조석해일은 수로 하류에 설치된 테인터 게이트(Tainter gate)를 0.2초 미만의 속도로 빠르게 닫아 인공적으로 생성했습니다. 이는 상류로 전파되는 강력한 충격파를 만들어냅니다.
연구 대상: 손상된 교각 기초를 모사하기 위해 직경 0.060m, 높이 0.020m의 PVC 재질 원통형 장애물을 수로 중앙 바닥에 고정했습니다. 장애물이 없는 평탄한 바닥 조건(Configuration A)과 장애물이 있는 조건(Configuration B)을 비교 분석했습니다.
계측 방법: 자유 수면의 높이 변화는 음향 변위 센서(acoustic displacement meters)를 이용해 측정했으며, 구조물 주변의 3차원 순간 유속과 난류 특성은 음향 도플러 유속계(Acoustic Doppler Velocimeter, ADV)를 사용하여 200Hz의 높은 빈도로 데이터를 수집했습니다.
실험 조건: 3가지 다른 유량 조건에서 부서지는 조석해일(breaking bore)과 부서지지 않는 조석해일(undular bore)을 모두 생성하여 다양한 Froude 수(Fr₁) 범위에서 실험을 수행했습니다.
이러한 정밀 제어 실험을 통해, 연구진은 조석해일이 원통형 장애물을 통과할 때 발생하는 수리 현상을 순간적으로 포착하고, 그 영향을 정량적으로 분석할 수 있었습니다.
The Breakthrough: Key Findings & Data
실험 결과, 원통형 장애물은 조석해일의 거동에 예상과 다른 이중적인 영향을 미치는 것으로 나타났습니다.
Finding 1: 자유 수면의 미미한 변화
놀랍게도, 원통형 장애물의 존재는 조석해일의 자유 수면 특성에 거의 영향을 미치지 않았습니다. 조석해일 전후의 수심 비율(공액 수심비, d₂/d₁)이나 최대 수면 상승 높이를 측정한 결과, 장애물이 없는 경우와 뚜렷한 차이를 보이지 않았습니다. 이는 Figure 5와 Figure 6의 데이터에서 명확히 확인할 수 있으며, 기존의 평탄 하상 연구 결과와도 잘 일치했습니다. 이 결과는 육안으로 수면만 관찰해서는 구조물에 가해지는 실제 위험을 파악할 수 없다는 중요한 사실을 시사합니다.
Finding 2: 유속장 및 재순환 영역의 극적인 증폭
자유 수면과 달리, 수중의 유속장은 장애물로 인해 극적인 변화를 겪었습니다. 조석해일이 장애물을 통과한 후, 구조물 상류와 하류에서 모두 강한 유동 재순환(recirculation) 현상이 관찰되었습니다. – 재순환 시간 증가: 장애물이 있을 때, 이 재순환 현상이 지속되는 시간은 장애물이 없을 때보다 거의 두 배나 길었습니다 (Figure 8 참조). – 재순환 강도 증가: 재순환 유동의 최대 역방향 유속 크기는 장애물이 없는 경우에 비해 약 60% 더 강하게 나타났습니다. 이는 장애물이 조석해일의 에너지를 국부적으로 집중시켜 훨씬 더 강력한 와류를 생성함을 의미합니다.
Finding 3: 난류 응력 증가와 교각 세굴 위험
유속장의 격렬한 변화는 난류 응력(Reynolds stresses)의 급격한 증가로 이어졌습니다. 난류 응력은 유체가 하상에 가하는 힘을 나타내는 지표로, 세굴 현상과 직접적인 관련이 있습니다. – 응력 집중: 조석해일이 통과하는 동안, 특히 장애물 중심으로부터 직경의 2배 이내 거리에서 평균 수직 응력과 전단 응력이 눈에 띄게 증가했습니다 (Figure 10 참조). – 세굴 가능성: 이러한 높은 전단 응력 수준은 하상 입자를 쓸어내기에 충분한 힘을 의미합니다. 조석해일이 주기적으로 발생하는 환경(예: 하루 두 번)에서는 이 현상이 반복되어 장애물 주변에 거대한 세굴 구멍(scour hole)이 형성될 수 있음을 강력히 시사합니다. 이는 실제 중국 첸탕강의 교량 건설 현장에서 관찰된 현상과도 일치합니다.
Practical Implications for R&D and Operations
본 연구 결과는 다양한 분야의 엔지니어들에게 실질적인 통찰을 제공합니다.
For 수리/구조 엔지니어: 이 연구는 조석해일이 발생하는 지역의 교량 설계 시, 단순히 정적인 흐름 조건뿐만 아니라 조석해일 통과 시 발생하는 동적이고 증폭된 난류 하중을 반드시 고려해야 함을 보여줍니다. 특히, 교각 기초 주변의 최대 전단 응력을 예측하는 것은 세굴 방지 설계의 핵심 요소가 될 수 있습니다.
For 안전 진단 및 유지보수 팀: 수면 변화가 미미하더라도 교각 주변의 세굴 위험은 상당할 수 있습니다. [Figure 10]의 데이터는 장애물 주변 특정 영역(반경 2D 이내)에서 응력이 집중됨을 보여주므로, 이 구역에 대한 정기적인 수중 탐사 및 모니터링 기준을 강화하는 데 활용될 수 있습니다.
For CFD 해석 엔지니어: 본 연구에서 측정된 정밀한 유속 및 난류 데이터는 조석해일과 구조물 상호작용을 모델링하는 CFD 시뮬레이션의 검증(validation) 자료로 매우 유용합니다. 특히, 장애물 후류에서 발생하는 복잡한 와류 및 재순환 현상을 정확히 예측하는 난류 모델의 성능을 평가하는 데 중요한 기준을 제공합니다.
Paper Details
Impact of a large cylindrical roughness on tidal bore propagation
1. Overview:
Title: Impact of a large cylindrical roughness on tidal bore propagation
Author: YEOW, S.C., CHANSON, H., and WANG, H.
Year of publication: 2016
Journal/academic society of publication: Canadian Journal of Civil Engineering, Vol. 43, No. 8, pp. 724-734
A tidal bore is a hydrodynamic shock, surging upstream in some shallow-water bays and estuaries during the flood tide under large tidal range. This study investigates experimentally the propagation of tidal bores over a large cylindrical roughness element, representative of damaged bridge pier foundation. In the initially steady flow, the large cylindrical element generated a wake region, with extents comparable to steady flow literature. During the tidal bore propagation, the presence of the element had negligible effect on the free-surface properties, but a significant impact in terms of the instantaneous velocity and Reynolds stresses. This resulted in longer transient recirculation both upstream and downstream of the element and larger maximum velocity recirculation magnitudes, as well as enhanced turbulent stress levels and potential bed erosion around the large element, within two diameters from the element centre. The results showed the potential development of a large scour hole around the cylindrical element.
3. Introduction:
A tidal bore is a discontinuity of the water depth, and a hydrodynamic shock, surging upstream in shallow-water bays and estuaries during the flood tide under spring tidal conditions. It is estimated that over 400-450 estuaries worldwide are affected by tidal bores. Tidal bores can be dangerous, impacting adversely on man-made structures and endangering lives. For example, the Hoogly River bore (India) destroyed several bridge structures. The impact of a tidal bore on bridges and bridge piers was rarely documented. This study aims to investigate thoroughly the propagation of tidal bores over a large cylindrical roughness element, representative of a damaged bridge pier foundation, through carefully-controlled laboratory experiments.
4. Summary of the study:
Background of the research topic:
조석해일은 특정 지리적, 조석 조건 하에서 발생하는 자연 현상으로, 교량과 같은 연안 구조물에 상당한 위협이 됩니다. 특히 교각 기초 주변의 세굴 현상은 구조물의 안정성을 저해하는 주요 원인이지만, 조석해일과 같은 비정상 난류 흐름(unsteady turbulent flow) 하에서의 세굴 메커니즘은 명확히 규명되지 않았습니다.
Status of previous research:
과거 연구는 주로 평탄한 하상에서의 조석해일 전파 특성에 집중되었으며, 교각과 같은 대형 구조물과의 상호작용에 대한 연구는 드물었습니다. 쓰나미 해일이 구조물에 미치는 영향에 대한 연구는 일부 있었으나, 주기적으로 발생하는 조석해일의 영향과는 차이가 있습니다.
Purpose of the study:
본 연구의 목적은 대형 원통형 장애물(교각 모사)이 조석해일의 전파 과정에 미치는 영향을 실험적으로 규명하는 것입니다. 특히, 장애물 주변의 자유 수면, 유속장, 그리고 난류 응력의 변화를 정밀하게 측정하여, 교각 세굴 발생 가능성을 평가하고자 합니다.
Core study:
실험 수로에 원통형 장애물을 설치한 조건과 설치하지 않은 조건을 비교하여 조석해일 통과 시의 수리적 변화를 분석했습니다. 자유 수면의 변화는 미미했으나, 장애물 주변에서 유동 재순환이 더 길고 강하게 발생했으며, 이는 난류 전단 응력의 증가로 이어져 잠재적인 세굴 위험이 매우 높다는 것을 실험적으로 증명했습니다.
5. Research Methodology
Research Design:
통제된 실험실 환경에서 물리적 모델링을 수행했습니다. 평탄한 바닥(Configuration A)과 원통형 장애물이 설치된 바닥(Configuration B)의 두 가지 조건을 설정하여 조석해일 통과 시의 유체 역학적 특성을 비교 분석하는 실험 설계를 채택했습니다.
Data Collection and Analysis Methods:
자유 수면: 음향 변위 센서를 이용하여 비접촉 방식으로 수위 변화를 측정했습니다.
유속: 3차원 음향 도플러 유속계(ADV)를 사용하여 구조물 주변의 x, y, z 방향 순간 유속을 200Hz로 샘플링했습니다.
데이터 분석: 각 실험은 25회 반복 수행되었으며, 앙상블 평균(ensemble-average) 기법을 사용하여 평균 유속과 난류 변동성(Reynolds stresses)을 계산했습니다.
Fig. 3 – Photographic sequence of tidal bore propagation (from right to left) with 0.12 s between successive photographs (From left to right, top to bottom) – Flow conditions: Q = 0.061 m3/s, d1 = 0.155 m at x = 5.9 m, Fr1 = 1.39, Tainter gate opening after closure: h = 25 mm, shutter speed: 1/400 s
Research Topics and Scope:
연구 범위는 수평 사각 수로 내에서 전파되는 조석해일이 단일 원통형 장애물과 상호작용하는 현상에 국한됩니다. 초기 정상 흐름 상태와 조석해일 통과 시의 비정상 흐름 상태 모두를 다루었으며, 자유 수면 특성, 평균 유속, 그리고 난류 응력 텐서 성분들을 주요 분석 대상으로 삼았습니다. 이동상(mobile bed)이 아닌 고정상(fixed bed) 조건에서의 실험입니다.
6. Key Results:
Key Results:
원통형 장애물의 존재는 조석해일의 자유 수면 특성(공액 수심비, 최대 파고 등)에 거의 영향을 미치지 않았습니다.
장애물은 조석해일 통과 시 국부적인 유속장을 크게 변화시켰습니다. 장애물이 없는 경우에 비해 유동 재순환 지속 시간이 약 2배 길어졌고, 최대 재순환 유속은 약 60% 더 강해졌습니다.
장애물 주변, 특히 중심으로부터 반경 2D(직경의 2배) 이내 영역에서 난류 응력(Reynolds stresses)이 현저하게 증가했습니다.
증가된 난류 응력은 해당 영역에서 심각한 하상 침식, 즉 세굴이 발생할 잠재력이 매우 높음을 시사합니다.
Fig. 4 – Dimensionless vertical distributions of time-averaged longitudinal velocity Vx and standard deviation of longitudinal velocity vx’ downstream of the cylindrical element in steady flow – Flow conditions: Q = 0.038 m3/s, d1 = 0.130 m at x = 5.9 m, Flow direction from left to right – Note the large cylindrical element drawn with a thick solid line on bottom left
Figure List:
Fig. 1 – Photographs of tidal bores impacting man-made structures
Fig. 2 – Definition sketch of the experimental channel
Fig. 3 – Photographic sequence of tidal bore propagation (from right to left) with 0.12 s between successive photographs (From left to right, top to bottom)
Fig. 4 – Dimensionless vertical distributions of time-averaged longitudinal velocity Vx and standard deviation of longitudinal velocity vx’ downstream of the cylindrical element in steady flow
Fig. 5 – Ratio of conjugate depths in tidal bores propagating in a horizontal rectangular channel
Fig. 6 – Dimensionless maximum water elevation (dmax-d1)/(d2-d₁) in tidal bores propagating in a horizontal rectangular channel
Fig. 7 – Time variations of median water depth dmedian and instantaneous free-surface fluctuations (d75-d25) during the generation and upstream propagation of a breaking bore
Fig. 8 – Ensemble-averaged longitudinal velocity as a function of time: comparison between bed configuration A (no element) and bed configuration (with element)
Fig. 9 – Time variations of median water depth dmedian, median longitudinal velocity Vx and instantaneous longitudinal fluctuations (V75-V25) during a breaking bore passage
Fig. 10 – Time variations of ensemble-averaged Reynolds stresses vxvx and vxvy: comparison between bed configuration A (no element) and bed configuration B at (x-x｡)/D = -2 (upstream of large element)
7. Conclusion:
본 연구는 대형 원통형 장애물이 조석해일 전파에 미치는 영향을 물리적 실험을 통해 평가했습니다. 초기 정상 흐름에서 장애물은 문헌과 일치하는 후류 영역을 생성했습니다. 조석해일 전파 중, 장애물은 자유 수면에는 미미한 영향을 미쳤으나, 순간 유속과 난류 응력에는 상당한 영향을 주었습니다. 장애물 상류와 하류에서 더 긴 재순환 시간과 더 큰 재순환 유속이 관측되었으며, 장애물 주변(중심으로부터 반경 2D 이내)에서 난류 응력 수준이 증폭되어 잠재적인 하상 침식 위험이 증가함을 확인했습니다. 이 결과는 조석해일이 발생하는 환경에서 교각과 같은 구조물 주변에 대규모 세굴 구멍이 발생할 수 있는 가능성을 시사합니다.
8. References:
Arnason, H., Petroff, C., and Yeh, H. 2009. Tsunami Bore Impingement onto a Vertical Column. Journal of Disaster Research, 4(6):392-403.
Bradshaw, P. 1971. An Introduction to Turbulence and its Measurement. Pergamon Press, Oxford, UK.
Chanson, H. 2010a. Unsteady Turbulence in Tidal Bores: Effects of Bed Roughness. Journal of Waterway, Port, Coastal, and Ocean Engineering, ASCE, 136(5):247-256.
Chanson, H. 2010b. Undular Tidal Bores: Basic Theory and Free-surface Characteristics. Journal of Hydraulic Engineering, ASCE, 136(11):940-944.
Chanson, H. 2011a. Tidal Bores, Aegir, Eagre, Mascaret, Pororoca: Theory and Observations. World Scientific, Singapore.
Chanson, H. 2011b. Undular Tidal Bores: Effect of Channel Constriction and Bridge Piers. Environmental Fluid Mechanics, 11(4):385-404.
Docherty, N.J., and Chanson, H. 2012. Physical Modelling of Unsteady Turbulence in Breaking Tidal Bores. Journal of Hydraulic Engineering, ASCE, 138(5):412-419.
Ezer, T., Hobbss, R., and Oey, L.Y. 2008. On the Movement of Beluga Whales in Cook Inlet, Alaska. Oceanography, 21(4):186-195.
Favre, H. 1935. Etude Théorique et Expérimentale des Ondes de Translation dans les Canaux Découverts. Dunod, Paris, France.
Henderson, F.M. 1966. Open Channel Flow. MacMillan Company, New York, USA.
Hornung, H.G., Willert, C., and Turner, S. 1995. The Flow Field Downstream of a Hydraulic Jump. Journal of Fluid Mechanics, 287:299-316.
Keevil, C.E., Chanson, H., and Reungoat, D. 2015. Fluid Flow and Sediment Entrainment in the Garonne River Bore and Tidal Bore Collision. Earth Surface Processes and Landforms, 40(12):1574-1586.
Khezri, N., and Chanson, H. 2012. Undular and Breaking Tidal Bores on Fixed and Movable Gravel Beds. Journal of Hydraulic Research, IAHR, 50(4):353-363.
Koch, C., and Chanson, H. 2008. Turbulent Mixing beneath an Undular Bore Front. Journal of Coastal Research, 24(4):999-1007.
Leng, X., and Chanson, H. 2015. Breaking Bore: Physical Observations of Roller Characteristics. Mechanics Research Communications, 65:24-29.
Leng, X., and Chanson, H. 2016. Coupling between Free-surface Fluctuations, Velocity Fluctuations and Turbulent Reynolds Stresses during the Upstream Propagation of Positive Surges, Bores and Compression Waves. Environmental Fluid Mechanics, 16.
Liggett, J.A. 1994. Fluid Mechanics. McGraw-Hill, New York, USA.
Lighthill, J. 1978. Waves in Fluids. Cambridge University Press, Cambridge, UK.
Locke, A., Hanson, J.M., Klassen, G.J., Richardson, S.M., and Aube, C.I. 2003. The damming of the Petitcodiac River: Species, populations, and habitats lost. Northeastern Naturalist, 10(1):39-54.
Lu, H.Y. Pan, C.H., and Zeng, J. 2009. Numerical simulation and analysis for combinational effects of two bridges on the tidal bore in the Qiantang River. Proceedings of 5th International Conference on Asian and Pacific Coasts, Singapore, 3:325-333.
Microsonic 2004. Instruction manual mic+ Ultrasonic Sensors with one analogue output. Microsonic GmbH, Germany.
Mori, N., Cox, D.T., Yasuda T., and Mase, H. 2013. Overview of the 2011 Tohoku Earthquake Tsunami damage and relation with coastal protection along the Sanriku coast. Earthquake Spectra, 29(S1):S127-S143.
Nortek 2009. Vectrino Velocimeter User Guide. Nortek AS, Norway.
Peregrine, D.H. 1966. Calculations of the Development of an Undular Bore. Journal of Fluid Mechanics, 25:321-330.
Raupach, M.R. 1992. Drag and drag partition on rough surfaces. Boundary Layer Meteorol., 60:375-395.
Ren, L.L, and Luo, C.Y. 2010. The monitor of Qiantangjiang strong tidal water velocity and scouring of river-spanning bridge in Jiashao. Shanxi Architecture, 36(18):305-306.
Rulifson, R.A., and Tull, K.A. 1999. Striped Bass Spawning in a Tidal Bore River : the Shubenacadie Estuary, Atlantic Canada. Transactions American Fisheries Society, 128:613-624.
Simpson, J.H., Fisher, N.R., and Wiles, P. 2004. Reynolds Stress and TKE Production in an Estuary with a Tidal Bore. Estuarine, Coastal and Shelf Science, 60(4):619-627.
St-Germain, P., Nistor, P., Townsend, R., and Shibayama, T. 2014. Smoothed-Particle Hydrodynamics Numerical Modeling of Structures Impacted by Tsunami Bores. Journal of Waterway, Port, Coastal, and Ocean Engineering, ASCE, 140(1):66-81.
Sutton, S.L.F., and McKenna-Neuman, C. 2008. Variation in Bed Level Shear Stress on Surfaces Sheltered by Nonerodible Roughness Elements. Journal of Geophysical Research, Earth Surface, 113.
Treske, A. 1994. Undular Bores (Favre-Waves) in Open Channels – Experimental Studies. Journal of Hydraulic Research, IAHR, 32(3):355-370.
Tricker, R.A.R. 1965. Bores, Breakers, Waves and Wakes. American Elsevier Publ. Co., New York, USA.
Xie, D.F., and Pan, C.H. 2013. A preliminary study of the turbulence features of the tidal bore in the Qiantang River, China. Journal of Hydrodynamics, 25(6):903-911.
Xu, Z., and Liang, B. 2010. Experimental Study on Local Scour of Jiubao Bridge Pier in Hangzhou. Zhejiang Hydrotechnics, 170(4):13-17.
Xu, C.J., Yin, M., and Pan, X.D. 2016. Field Test and Numerical Simulation of Tidal Bore Pressures on Sheet-Pile Groin in Qiantang River. Marine Georesources & Geotechnology, 34:303-312.
Expert Q&A: Your Top Questions Answered
Q1: 이 연구에서 CFD 시뮬레이션 대신 물리적 모델링 실험을 선택한 이유는 무엇인가요?
A1: 논문에 따르면, 조석해일과 같은 실제 현장은 통제와 반복이 불가능하여 체계적인 연구가 어렵습니다. 물리적 모델링은 통제된 실험실 환경에서 조석해일을 반복적으로 생성하고 정밀 계측 장비를 사용하여 복잡한 난류 현상을 직접 측정할 수 있다는 장점이 있습니다. 이렇게 얻어진 고품질 데이터는 향후 CFD 모델의 정확성을 검증하고 개선하는 데 필수적인 기초 자료로 활용될 수 있습니다.
Q2: 조석해일이 통과할 때 자유 수면에 큰 변화가 없었다는 결과는 어떤 실질적인 의미를 가지나요?
A2: 이는 매우 중요한 발견입니다. 현장 관리자나 엔지니어가 수면의 변화만 보고 구조물이 안전하다고 오판할 수 있기 때문입니다. 본 연구는 수면 아래에서는 눈에 보이지 않는 강력한 와류와 난류 응력이 발생하여 구조물 기초를 심각하게 침식시킬 수 있음을 보여줍니다. 따라서 구조물의 안전성 평가는 반드시 수중의 유체 역학적 데이터를 기반으로 이루어져야 하며, CFD 해석은 이러한 보이지 않는 위험을 시각화하고 정량화하는 데 효과적인 도구입니다.
Q3: 논문에서 언급된 ‘난류 응력(Reynolds stresses) 증가’가 교각 세굴과 어떻게 직접적으로 연결되나요?
A3: 난류 응력, 특히 전단 응력(shear stress)은 유체가 강바닥이나 구조물 표면을 긁어내는 힘의 척도입니다. 이 값이 특정 임계치를 넘어서면 바닥의 흙이나 모래 입자가 움직이기 시작하며 침식, 즉 세굴이 발생합니다. 본 연구에서 장애물 주변의 난류 응력이 크게 증가했다는 것은 조석해일이 통과하는 순간, 교각 기초 주변의 바닥을 파내는 힘이 극적으로 강해진다는 것을 의미합니다.
Q4: 이 연구는 고정된 바닥(fixed bed)에서 수행되었는데, 실제 모래나 흙으로 이루어진 이동상(mobile bed)에 적용할 때 어떤 점을 고려해야 할까요?
A4: 본 연구의 결론에서도 이동상을 사용한 추가 연구의 필요성을 언급하고 있습니다. 고정상에서 측정된 높은 난류 응력은 이동상 조건이라면 실제로 세굴이 발생할 것이라는 강력한 증거입니다. 이동상에서 실험을 진행한다면, 본 연구에서 예측한 세굴 위험이 실제로 어느 정도 깊이와 넓이의 세굴 구멍으로 발전하는지 정량적으로 확인할 수 있을 것입니다. 이는 세굴 깊이를 예측하는 CFD 모델 개발에 중요한 데이터를 제공할 것입니다.
Q5: 연구 결과에 따르면 세굴 위험이 ‘장애물 중심으로부터 직경의 2배 이내’에서 가장 크다고 나왔습니다. 이 정보는 교량 설계에 어떻게 활용될 수 있나요?
A5: 이 정보는 교각 기초의 보호 공법을 설계할 때 매우 유용합니다. 세굴 위험이 가장 큰 영역을 특정할 수 있으므로, 해당 구역에 집중적으로 사석(riprap)이나 콘크리트 블록과 같은 보호공을 설치하여 침식을 방지할 수 있습니다. 이는 비용 효율적인 설계를 가능하게 하며, 제한된 예산 내에서 교량의 안전성을 최대한 확보하는 데 기여할 수 있습니다.
Conclusion: Paving the Way for Higher Quality and Productivity
본 연구는 조석해일이 교각을 통과할 때 발생하는 복잡한 유체-구조물 상호작용에 대한 중요한 통찰을 제공합니다. 핵심 결론은 수면의 변화가 미미하더라도 수면 아래에서는 교각 기초의 안정성을 심각하게 위협하는 강력한 난류와 와류가 발생한다는 것입니다. 이러한 보이지 않는 위험을 정확히 예측하고 대비하기 위해서는 정밀한 조석해일(Tidal Bore) 해석이 필수적입니다. CFD 시뮬레이션은 이러한 복잡한 현상을 시각적으로 분석하고 정량적 데이터를 제공함으로써, 엔지니어들이 보다 안전하고 경제적인 구조물을 설계할 수 있도록 지원합니다.
“At STI C&D, we are committed to applying the latest industry research to help our customers achieve higher productivity and quality. If the challenges discussed in this paper align with your operational goals, contact our engineering team to explore how these principles can be implemented in your components.”
(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.
연락처 : 02-2026-0442
이메일 : flow3d@stikorea.co.kr
Copyright Information
This content is a summary and analysis based on the paper “Impact of a large cylindrical roughness on tidal bore propagation” by “YEOW, S.C., CHANSON, H., and WANG, H.”.
이 기술 요약은 Iacopo Carnacina, Stefano Pagliara, Nicoletta Leonardi가 2019년 River Research and Applications에 발표한 논문 “Bridge pier scour under pressure flow conditions”를 기반으로 하며, STI C&D의 기술 전문가에 의해 분석 및 요약되었습니다.
키워드
Primary Keyword: 교각 세굴 (Bridge Pier Scour)
Secondary Keywords: 압력 유동 (Pressure Flow), 교량 안전 (Bridge Safety), CFD 시뮬레이션 (CFD Simulation), 하천 공학 (River Engineering), 홍수 피해 예측 (Flood Damage Prediction)
Executive Summary
도전 과제: 기후 변화로 인한 극심한 홍수는 교량 상판이 물에 잠기는 ‘압력 유동’ 조건을 야기하며, 이는 교량 붕괴의 주원인인 교각 세굴과 결합될 때 그 위험성이 제대로 알려지지 않았습니다.
연구 방법: 실험실 수로에서 교각과 교량 상판 유무, 유목 파편 축적 등 다양한 압력 유동 조건을 설정하고, 시간에 따른 세굴 깊이 변화를 정밀하게 측정했습니다.
핵심 발견: 압력 유동과 교각의 상호작용은 단순히 두 효과를 더한 것보다 훨씬 더 깊은 세굴을 유발하는 강력한 비선형 효과를 보이며, 기존의 예측 공식들은 이 위험을 심각하게 과소평가하고 있습니다.
핵심 결론: 교량 설계 및 안전성 평가 시, 극심한 홍수 상황에서 발생하는 압력 유동에 의한 세굴 증폭 현상을 반드시 고려해야 치명적인 붕괴 사고를 예방할 수 있습니다.
도전 과제: 왜 이 연구가 CFD 전문가에게 중요한가
도로 교량은 국가 교통 시스템의 필수 기반 시설이지만, 교량 붕괴는 심각한 인명 및 재산 피해를 야기합니다. 교량 붕괴의 가장 흔한 원인 중 하나는 홍수 시 교각 주변의 하상 재료가 침식되는 ‘교각 세굴’ 현상입니다.
최근 기후 변화로 인해 과거 기록을 뛰어넘는 극심한 강수, 폭풍 해일, 홍수가 빈번해지고 있습니다. 이러한 상황에서는 강 수위가 급격히 상승하여 교량 상판(데크)까지 물에 잠기는 ‘압력 유동(Pressure Flow)’이 발생할 수 있습니다. 압력 유동은 유속을 가속화하고 난류 강도를 높여 하상 침식 가능성을 크게 증가시킵니다.
문제는 대부분의 기존 연구가 교각 세굴과 압력 유동에 의한 세굴을 개별적으로 다루었다는 점입니다. 두 현상이 동시에 발생했을 때 어떤 상호작용이 일어나는지에 대한 연구는 매우 부족했습니다. 이로 인해 엔지니어들은 실제 홍수 상황에서 교량이 겪을 수 있는 최대 세굴 깊이를 정확히 예측하지 못하는 위험에 노출되어 있었습니다. 본 연구는 바로 이 지식의 공백을 메우고, 압력 유동 조건 하에서 발생하는 교각 세굴의 복잡한 메커니즘을 규명하기 위해 수행되었습니다.
연구 접근법: 방법론 분석
본 연구는 통제된 실험실 환경에서 진행되어 압력 유동과 교각 세굴의 상호작용을 정밀하게 분석했습니다.
실험 장비: 폭 0.61m, 길이 7.6m의 경사 조절이 가능한 유리벽 수로(Flume)를 사용했습니다. 수로 중앙에는 직경 0.03m의 원통형 교각을 설치하고, 그 위에 교량 상판(데크)을 배치했습니다.
핵심 변수: 실제 교량이 겪을 수 있는 다양한 조건을 모사하기 위해 다음과 같은 변수들을 체계적으로 변경하며 실험을 수행했습니다.
유량 및 유속: 임계 유속 이하부터 라이브 베드(live-bed) 조건까지 다양한 유동 강도(U/Uc)를 적용했습니다.
교량 상판 조건: 상판의 폭(ldk), 상판 하부와 초기 하상 사이의 높이(hb)를 조절하여 다양한 수직 수축 조건을 만들었습니다.
유목 파편 축적: 교각 주변에 대형 유목 파편이 쌓이는 상황을 모사하여 추가적인 유로 막힘 효과를 분석했습니다.
데이터 수집: 세굴 과정의 시간적 변화를 상세히 파악하기 위해, 최대 70시간에 달하는 장기 실험을 포함하여 규칙적인 시간 간격(1분, 2분, 4분… 이후 매시간)으로 교각 주변의 최대 세굴 깊이(zmax)를 측정했습니다. 이는 기존의 단기 실험들이 놓칠 수 있는 평형 세굴 깊이에 대한 신뢰도 높은 데이터를 확보하기 위함이었습니다.
Table 1. Comparison of experimental ranges for pressure flow scour with the setup.
핵심 발견: 주요 결과 및 데이터
결과 1: 세굴의 비선형적 증폭 현상 발견
본 연구의 가장 중요한 발견은 압력 유동과 교각의 존재가 결합될 때 발생하는 세굴 깊이가 각 요인이 개별적으로 작용할 때 발생하는 세굴 깊이의 단순 합보다 훨씬 크다는 것입니다.
데이터 분석: 그림 2에서 볼 수 있듯이, 동일한 유동 조건에서 압력 유동만 있을 때(교각 없음)나 자유 수면 흐름에서 교각만 있을 때보다, 압력 유동과 교각이 함께 있을 때 세굴 구멍의 깊이와 폭이 비약적으로 증가했습니다. 이는 두 요소가 서로의 침식 잠재력을 증폭시키는 강력한 비선형 상호작용이 존재함을 명백히 보여줍니다. 예를 들어, U/Uc = 1 조건에서 압력 유동과 교각이 결합된 세굴 깊이는 각 개별 조건의 세굴 깊이 합보다 현저히 컸습니다.
결과 2: 기존 예측 공식의 심각한 위험성 확인
연구팀은 실험 결과를 기존에 널리 사용되던 세굴 예측 공식들과 비교했으며, 특히 압력 유동 조건을 고려한다고 알려진 공식들조차 실제 발생하는 세굴 깊이를 심각하게 과소평가한다는 사실을 밝혀냈습니다.
데이터 비교: 그림 7은 본 연구의 실험 데이터와 여러 기존 공식(Umbrell et al., 1998; Arneson, 1997; Lyn, 2008; Kumcu, 2016)으로 계산된 값을 비교합니다. 특히 교각 세굴을 다루는 Lyn (2008)의 공식(Equation 3)은 대부분의 실험 데이터를 크게 밑도는 예측치를 보였습니다. 이는 기존 공식들이 기반으로 했던 실험의 지속 시간이 짧았거나, 압력 유동과 교각 간의 비선형 상호작용을 제대로 반영하지 못했기 때문일 수 있습니다. 이러한 과소평가는 실제 교량 설계 시 치명적인 위험을 초래할 수 있습니다.
R&D 및 운영을 위한 실질적 시사점
토목/수리 엔지니어: 본 연구에서 제안된 세굴의 시간적 변화 계수(ξ, Equation 9)와 데크 팩터(Kdk, Equation 11)는 기존 교량의 안전성을 평가하고 홍수 시 위험도를 예측하는 데 더 정확한 기준을 제공할 수 있습니다. 특히 교량 상판의 침수 정도(hb/ho)가 세굴 속도를 결정하는 핵심 변수임을 인지해야 합니다.
인프라 안전 평가팀: ‘데크 팩터(Kdk)’는 압력 유동 조건이 자유 수면 흐름에 비해 침식 잠재력을 2.5배 이상 증가시킬 수 있음을 보여줍니다. 이는 교량 상판의 침수 가능성이 있는 교량에 대한 검사 기준을 강화하고, 위험 경보를 발령하는 근거가 될 수 있습니다.
교량 설계 엔지니어: 연구 결과는 교량 상판의 높이와 교각 설계를 할 때 잠재적인 압력 유동 시나리오를 반드시 고려해야 함을 강력히 시사합니다. 단순 모델로는 포착할 수 없는 상호작용 효과가 교량의 핵심적인 붕괴 메커니즘이 될 수 있기 때문입니다.
논문 상세 정보
Bridge pier scour under pressure flow conditions
1. 개요:
제목: Bridge pier scour under pressure flow conditions (압력 유동 조건 하의 교각 세굴)
저자: Carnacina, I, Pagliara, S and Leonardi, N
발행 연도: 2019
발행 학술지/학회: River Research and Applications
키워드: Bridge decks, Piers, Pressure flow, Scour
2. 초록:
기존 교량에서 압력 유동 조건이 발생할 확률은 기후 변화 시나리오에 따라 예측되는 극한 강수, 폭풍 해일, 홍수의 변화로 인해 증가할 것으로 예상된다. 압력 유동의 존재는 일반적으로 교량 부근의 세굴 과정과 관련이 있다. 세굴은 또한 교각 주변에서도 발생하여 인프라 붕괴를 유발할 수 있다. 교각 세굴과 압력 유동 세굴에 대한 방대한 문헌이 있지만, 이들의 결합된 효과를 조사한 연구는 거의 없다. 본 연구는 실험실 경험을 바탕으로 압력 유동 조건 하의 교각 세굴의 주요 특징에 대한 새로운 개요를 제공할 것이다. 압력 및 자유 수면 조건 하의 유동 특징 분석과 세굴의 시간적 진화에 특별한 초점을 맞춘다. 기존 문헌 데이터와의 비교도 수행된다. 결과는 세굴 과정의 비선형적 특성과 구조 설계 시 압력 유동 조건을 고려해야 할 필요성을 강조한다. 압력 유동과 교각 간의 상호작용이 세굴 특징에 강하게 영향을 미치고, 압력 유동이나 교각 존재만으로 생성된 개별 세굴의 합보다 훨씬 더 큰 세굴 깊이를 초래하기 때문이다.
3. 서론:
도로 교량은 국가 교통 시스템에 필수적이며, 그 붕괴는 심각한 결과를 초래하고 많은 인명을 앗아갈 수 있다. 교량 세굴은 교량 붕괴의 가장 흔한 원인 중 하나이다. 기후 변화로 인한 홍수 증가 가능성을 고려할 때, 압력 유동의 위험성을 이해하기 위한 더 많은 연구가 필요하다. 이 논문의 목표는 압력 유동 조건 하에서 교각 세굴과 비선형 효과를 조사하는 것이다. 특히, 최대 세굴 깊이, 세굴 발달 속도를 나타내는 시간적 세굴 진화 계수, 그리고 자유 유동과 압력 유동 조건 하의 세굴 깊이 비율에 초점을 맞출 것이다.
4. 연구 요약:
연구 주제의 배경:
교량 세굴은 교량 붕괴의 주된 원인으로, 특히 홍수 시에 큰 피해를 유발한다. 기후 변화로 인해 홍수의 규모와 빈도가 증가하면서, 교량 상판이 물에 잠기는 압력 유동(pressure flow) 조건의 발생 가능성이 커지고 있다.
이전 연구 현황:
교각 주변의 국부 세굴과 압력 유동으로 인한 수직 수축 세굴에 대한 연구는 각각 많이 이루어졌다. Abed (1991), Umbrell et al. (1998), Lyn (2008), Kumcu (2016) 등 여러 연구자들이 압력 유동 세굴의 최대 깊이를 예측하는 경험식을 제안했다. 그러나 교각과 압력 유동이 동시에 존재할 때 발생하는 복합적인 효과에 대한 연구는 매우 드물었다.
연구 목적:
본 연구의 목적은 실험을 통해 압력 유동 조건 하에서 교각 세굴의 특성을 정량적으로 분석하는 것이다. 특히, 두 현상의 결합으로 인한 비선형적 상호작용을 규명하고, 세굴의 시간적 발달 과정과 최대 깊이에 영향을 미치는 주요 인자들을 파악하여 기존 예측 모델의 한계를 보완하고자 한다.
핵심 연구:
실험실 수로에서 다양한 유량, 교량 상판 침수 깊이, 상판 폭, 유목 파편 축적 조건을 변화시키며 교각 세굴 실험을 수행했다. 이를 통해 세굴 깊이의 시간적 변화를 측정하고, 비차원 해석을 통해 주요 변수들(유동 강도, 상판 개방비, 상판 폭 등)이 세굴에 미치는 영향을 분석하는 경험식을 개발했다. 또한, 실험 결과를 기존 문헌의 예측 공식과 비교하여 그 정확성을 검증하고 차이의 원인을 분석했다.
5. 연구 방법론
연구 설계:
통제된 실험실 수로(flume)에서 원통형 교각과 교량 상판을 설치하여 압력 유동 조건 하의 세굴 현상을 재현하는 물리적 모델링 방식을 채택했다. 자유 수면 조건, 교각만 있는 조건, 상판만 있는 조건 등을 기준 실험으로 설정하여 압력 유동과 교각의 복합 효과를 비교 분석할 수 있도록 설계했다.
데이터 수집 및 분석 방법:
일정 시간 간격으로 교각 주변의 하상 지형을 측정하여 최대 세굴 깊이(zmax)의 시간적 변화를 기록했다. 수집된 데이터는 버킹엄 파이(Π) 정리를 이용한 비차원 해석을 통해 주요 무차원 변수들 간의 함수 관계로 정리되었다. 다중 회귀 분석을 사용하여 세굴의 시간적 변화를 설명하는 경험적 공식을 도출하고, 그 신뢰도를 R² 값으로 평가했다.
연구 주제 및 범위:
연구는 청수(clear-water) 세굴부터 라이브 베드(live-bed) 세굴 조건(0.5 < U/Uc < 1.8)까지 다루었다. 교량 상판의 형태(평평한 데크, 거더가 있는 데크), 폭(ldk = 3D, 6D), 그리고 대형 유목 파편의 축적 효과까지 포함하여 다양한 시나리오를 분석했다.
6. 주요 결과:
주요 결과:
압력 유동과 교각의 결합 효과는 비선형적이며, 각 요소가 단독으로 작용할 때 발생하는 세굴 깊이의 합보다 훨씬 더 깊은 세굴을 유발한다.
세굴의 시간적 발달 속도를 나타내는 계수(ξ)는 교량 상판의 개방비(hb/ho)가 작을수록(더 많이 잠길수록), 유속(U/Uc)이 빠를수록, 그리고 상판의 폭(ldk/D)이 넓을수록 증가한다.
압력 유동 조건은 자유 수면 조건에 비해 세굴 잠재력을 최대 2.5배 이상 증가시킬 수 있다 (Deck factor, Kdk).
대형 유목 파편의 축적은 유로 단면을 추가로 막아 세굴을 더욱 심화시킨다.
기존의 압력 유동 세굴 예측 공식들은 교각과의 비선형 상호작용을 제대로 고려하지 못해 실제 세굴 깊이를 심각하게 과소평가하는 경향이 있다.
Table 2. Large woody debris accumulation: flow shallowness, bridge openings, large woody debris dimensions and blockage ratios
Figure 목록:
Fig 1. Diagram sketch of the experimental apparatus and notation: (a) top view; (b) three-dimensional view of the cross section in panel (a), scour hole indicated on the left side. c) side view of the cross section in panel (a) for two different deck widths, lak=6D and lak=3D. Girders are indicated as well, note that pak is defined from the girders edges when present; (d) side view and transverse view of tests with large woody debris accumulation underneath the deck.
Fig. 2 Transverse scour sections for (a) U/Uc=0.5 and (b) U/Uc=1
Fig. 3. (a) Non-dimensional maximum scour as a function of the non-dimensional time. Scatter points are experimental data, continuous lines represents equation 8. (b) Comparison with Hahn and Lyn (2010) data.
Fig.4 (a) dependence of the scour evolution factor ě from h♭/ho at different U/Uc and lak/D for flat shaped decks. (b) calculated versus measured ຮູ້, R2=0.93 (symbols are as in (a)).
Fig. 5 (a) dependence of Kak from hb/h0 for Shak=R at different U/Uc and lak/D, and (b) calculated Kdk (Eq.10) agreement versus measured Kdk, R2=0.8.
Fig. 6 (a) dependence of the scour evolution factor from AA at different U/Uc and lak/D for flat shaped decks (R); (b) calculated (Equation 12) versus measured ξ.
Fig. 7 (a) comparison between measured values of (zmax/ho), and values calculated from present study equation (Eq.13), Umbrell et al. (1998) (Equation 1), L. A. Arneson (1997) (Equation 2), and Lyn (2008) (Equation 3), Kumcu (2016) (Equation 4) (b) pier scour in pressure flow conditions and Lyn (2008) equation (Equation 3).
7. 결론:
교각 세굴은 매우 복잡한 현상이며, 압력 유동 조건은 이 문제를 더욱 복잡하게 만든다. 본 연구의 실험 결과는 압력 유동 조건이 자유 수면 조건에 비해 세굴 구멍의 시간적 발달을 가속화하고, 대형 유목 파편은 세굴을 더욱 증가시킨다는 것을 보여준다. 교량 상판 하부의 수심과 자유 수면 수위의 비율, 유속, 상판의 폭, 그리고 유목 파편에 의한 막힘 비율이 세굴의 시간적 진화에 영향을 미친다.
본 연구 결과는 구조물 설계 시 압력 유동 조건의 발생을 반드시 고려해야 할 필요성을 강조한다. 압력 유동과 교각의 상호작용은 세굴 특성에 강하게 영향을 미치며, 압력 유동이나 교각만으로 생성된 세굴의 합보다 훨씬 더 큰 교각 세굴을 유발하기 때문이다. 이러한 시나리오는 최대 세굴 과정이 짧은 시간 내에 발생할 것으로 예상되는 극한 홍수 상황에서 특히 중요하다.
8. 참고 문헌:
Abed, L. M. (1991). Local Scour Around Bridge Piers in Pressure Flow. (Ph.D. Dissertation), Colorado State University, Fort Collins, CO.
Anderson, I. (2018). Improving Detection And Prediction Of Bridge Scour Damage And Vulnerability Under Extreme Flood Events Using Geomorphic And Watershed Data. Retrieved from https://scholarworks.uvm.edu/graddis/823 Graduate College Dissertations and Theses database. (823)
Arneson, L. A. (1997). The effect of pressure-flow on local scour in bridge openings. (Ph. D. Thesis), Colorado State University, Fort Collins, CO.
Arneson, L. A., & Abt, S. R. (1999). Vertical Contraction Scour at Bridges with Water Flowing Under Pressure Conditions. Paper presented at the ASCE Compendium, Stream Stability and Scour at Highway Bridges, Reston, VA.
Arneson, L. A., Zevenbergen, L. W., Lagasse, P. F., & Clopper, P. E. (2012). Evaluating scour at bridges. Retrieved from
Brandimarte, L. P., Paolo; Di Baldassarre, Giuliano (2012). Bridge pier scour: a review of processes, measurements and estimates. Environmental Engineering and Management Journal, 11(5), 975-989
Breusers, H. N. C., & Raudkivi, A. J. (1991). Scouring. Hydraulic Structures Design Manual. Rotterdam/Brookfield, The Netherlands: A.A. Balkema.
Chen, Q., Wang, L., & Zhao, H. (2009). Hydrodynamic Investigation of Coastal Bridge Collapse during Hurricane Katrina. Journal of Hydraulic Engineering, 135(3), 175-186. doi:doi:10.1061/(ASCE)0733-9429(2009)135:3(175)
Chen, X.-b., Zhan, J.-m., Chen, Q., & Cox, D. (2016). Numerical Modeling of Wave Forces on Movable Bridge Decks. Journal of Bridge Engineering, 21(9), 04016055. doi:doi:10.1061/(ASCE)BE.1943-5592.0000922
Chiew, Y. M., & Melville, B. W. (1987). Local scour around bridge piers. Journal of Hydraulic Research, 25(1), 15-26. doi:10.1080/00221688709499285
Chinowsky, P. S., Strzepek, K., Larsen, P., & Opdahl, A. (2010). Adaptive Climate Response Cost Models for Infrastructure. Journal of Infrastructure Systems, 16(3), 173-180. doi:doi:10.1061/(ASCE)IS.1943-555X.0000021
De Cicco, P. N., Paris, E., Ruiz-Villanueva, V., Solari, L., & Stoffel, M. (2018). In-channel wood-related hazards at bridges: A review. River Research and Applications, 34(7), 617-628. doi:doi:10.1002/rra.3300
Debnath, K., Manik, M. K., & Mazumder, B. S. (2012). Turbulence statistics of flow over scoured cohesive sediment bed around circular cylinder. Advances in Water Resources, 41, 18-28. doi:https://doi.org/10.1016/j.advwatres.2012.02.008
Deng, L., & Cai, C. S. (2010). Bridge Scour: Prediction, Modeling, Monitoring, and Countermeasures—Review. Practice Periodical on Structural Design and Construction, 15(2), 125-134. doi:doi:10.1061/(ASCE)SC.1943-5576.0000041
Dey, S., & Debnath, K. (2001). Sediment pickup on streamwise sloping beds. Journal of Irrigation and Drainage Engineering-Asce, 127(1), 39-43.
Dey, S., & Raikar, R. V. (2005). Scour in long contractions. Journal of Hydraulic Engineering, 131(12), 1036-1049. doi:Doi 10.1061/(Asce)0733-9429(2005)131:12(1036)
Ettema, R. (1980). Scour at bridge piers. Retrieved from
FHWA. (2001). Evaluating scour at bridges. Washington, DC: Federal Highway Administration.
FHWA. (2009). Bridge scour and stream instability countermeasures: Experience, selection, and design guidelines. Washington, DC: Federal Highway Administration.
Franzetti, S., Malavasi, S., & Piccinin, C. (1994). Sull’erosione alla base delle pile dei ponti. Paper presented at the XXIV Convegno d’idraulica e costruzioni idrauliche, Naples. Italy.
Gaudio, R., Tafarojnoruz, A., & Calomino, F. (2012). Combined flow-altering countermeasures against bridge pier scour. Journal of Hydraulic Research, 50(1), 35-43. doi:10.1080/00221686.2011.649548
Gill, S. E., Handley, J. F., Ennos, A. R., & Pauleit, S. (2007). Adapting Cities for Climate Change: The Role of the Green Infrastructure. Built Environment, 33(1), 115-133. doi:10.2148/benv.33.1.115
Goldenberg, S. B., Landsea, C. W., Mestas-Nuñez, A. M., & Gray, W. M. (2001). The Recent Increase in Atlantic Hurricane Activity: Causes and Implications. Science, 293(5529), 474-479. doi:10.1126/science.1060040
Guo, J., Kerenyi, K., & Pagan-Ortiz, J. E. (2009). Bridge Pressure Flow Scour for Clear Water Conditions Retrieved from
Hahn, E. M., & Lyn, D. A. (2010). Anomalous Contraction Scour? Vertical-Contraction Case. Journal of Hydraulic Engineering, 136(2), 137-141.
Khosronejad, A., Kang, S., & Sotiropoulos, F. (2012). Experimental and computational investigation of local scour around bridge piers. Advances in Water Resources, 37, 73-85. doi:https://doi.org/10.1016/j.advwatres.2011.09.013
Kim, H. S., Nabi, M., Kimura, I., & Shimizu, Y. (2014). Numerical investigation of local scour at two adjacent cylinders. Advances in Water Resources, 70, 131-147. doi:https://doi.org/10.1016/j.advwatres.2014.04.018
Kumcu, S. Y. (2016). Steady and Unsteady Pressure Scour under Bridges at Clear-Water Conditions. Canadian Journal of Civil Engineering, 43, 334-342.
Link, O., Pfleger, F., & Zanke, U. (2008). Characteristics of developing scour-holes at a sand-embedded cylinder. International Journal of Sediment Research, 23(3), 258-266.
Lyddon C., Brown J. M., Leonardi N., & Plater A. J. (2018a). Flood Hazard Assessment for a Hyper-Tidal Estuary as a Function of Tide-Surge-Morphology Interaction. Estuaries and coasts, 41(6), 1565-86. https://doi.org/10.1007/s12237-018-0384-9
Lyddon C., Brown J. M., Leonardi N., & Plater A. J. (2018b). Uncertainty in estuarine extreme water level predictions due to surge-tide interaction. PloS One, 13(10), e0206200. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0206200
Lyn, D. A. (2008). Pressure-Flow Scour: A Reexamination of the HEC-18 Equation. Journal of Hydraulic Engineering, 134(7), 1015-1020.
Madsen, H., Lawrence, D., Lang, M., Martinkova, M., & Kjeldsen, T. R. (2014). Review of trend analysis and climate change projections of extreme precipitation and floods in Europe. Journal of Hydrology, 519, 3634-3650. doi:https://doi.org/10.1016/j.jhydrol.2014.11.003
Martín-Vide, J. P., & Prió, J. M. (2005). Backwater of arch bridges under free and submerged conditions. Journal of Hydraulic Research, 43(5), 515 – 521.
Melville, B. W., & Chiew, Y. M. (1999). Time scale for local scour at bridge piers. Journal of Hydraulic Engineering, 125(1), 59-65.
Melville, B. W., & Coleman, S. E. (2000). Bridge Scour. Highlands Ranch, Colorado: Water Resources Publications, LLC.
Melville, B. W., & Sutherland, A. J. (1988). Design Method for Local Scour at Bridge Piers. Journal of Hydraulic Engineering-Asce, 114(10), 1210-1226.
Muzzammil, M., & Siddiqui, N. A. (2009). A reliability-based assessment of bridge pier scour in non-uniform sediments. Journal of Hydraulic Research, 47(3), 372-380. doi:10.1080/00221686.2009.9522008
NRC. (2008). Potential impacts of climate change on U.S. transportation. Washington, DC: National Research Council. Transportation Research Board.
Oliveto, G., & Hager, W. H. (2002). Temporal evolution of clear-water pier and abutment scour. Journal of Hydraulic Engineering-Asce, 128(9), 811-820. doi:Doi 10.1061/(Asce)0733-9429(2002)128:9(811)
Oliveto, G., & Hager, W. H. (2005). Further results to time-dependent local scour at bridge elements. Journal of Hydraulic Engineering-Asce, 131(2), 97-105. doi:Doi 10.1061/(Asce)0733-9429(2005)131:2(97)
Pagliara, S., & Carnacina, I. (2010). Temporal scour evolution at bridge piers: Effect of wood debris roughness and porosity. Journal of Hydraulic Research, 48(1), 3-13.
Pagliara, S., & Carnacina, I. (2011a). Influence of large woody debris on sediment scour at bridge piers. International Journal of Sediment Research, 26(2), 121-136. doi:10.1016/s1001-6279(11)60081-4
Pagliara, S., & Carnacina, I. (2011b). Influence of wood debris accumulation on bridge pier scour. Journal of Hydraulic Engineering, 137(2), 254-261.
Pagliara, S., & Carnacina, I. (2013). Bridge pier flow field in the presence of debris accumulation. Proceedings of the Institution of Civil Engineers – Water Management, 166(4), 187-198. doi:10.1680/wama.11.00060
Qi, M., Li, J., & Chen, Q. (2016). Comparison of existing equations for local scour at bridge piers: parameter influence and validation. Natural Hazards, 82(3), 2089-2105. doi:10.1007/s11069-016-2287-z
Raudkivi, A. J., & Ettema, R. (1983). Clear-Water Scour at Cylindrical Piers. Journal of Hydraulic Engineering-Asce, 109(3), 338-350.
Raudkivi, A. J., & Ettema, R. (1985). Scour at Cylindrical Bridge Piers in Armored Beds. Journal of Hydraulic Engineering-Asce, 111(4), 713-731.
Richardson, A., & Davis, S. R. (2001). Evaluating Scour At Bridges. Retrieved from
Ryall, M. J. P., G.A.; Harding, J.E. . (2000). The manual of bridge engineering: Thomas Telford.
Saunders, M. A., & Lea, A. S. (2005). Seasonal prediction of hurricane activity reaching the coast of the United States. Nature, 434, 1005. doi:10.1038/nature03454
Schmocker, L., & Hager, W. H. (2010). Drift accumulation at river bridges. Paper presented at the River flow 2010, Braunschweig, Germany.
Solomon S., Q. D., Manning M., Chen Z., Marquis M., Averyt K.B., Tignor M., Miller H.L. . (2007). Climate change 2007: The physical science basis. New York: Cambridge University Press.
Umbrell, E. R., Young, G. K., Stein, S. M., & Jones, J. S. (1998). Clear-Water Contraction Scour under Bridges in Pressure Flow. Journal of Hydraulic Engineering, 124(2), 236-240.
van Rijn, L. C. (1981). Experience with straight flumes for movable bed experiments. Paper presented at the IAHR Workshop on particle motion and Sediment Transport, Rapperswil, Switzerland.
Wardhana, K., & Hadipriono, F. C. (2003). Analysis of Recent Bridge Failures in the United States. Journal of Performance of Constructed Facilities, 17(3), 144-150. doi:doi:10.1061/(ASCE)0887-3828(2003)17:3(144)
Wright, L., Chinowsky, P., Strzepek, K., Jones, R., Streeter, R., Smith, J. B., . . . Perkins, W. (2012). Estimated effects of climate change on flood vulnerability of U.S. bridges. Mitigation and Adaptation Strategies for Global Change, 17(8), 939-955. doi:10.1007/s11027-011-9354-2
Wu, W. M., & Wang, S. S. Y. (1999). Movable bed roughness in alluvial rivers. Journal of Hydraulic Engineering-Asce, 125(12), 1309-1312.
Zarrati, A. R., Gholami, H., & Mashahir, M. B. (2004). Application of collar to control scouring around rectangular bridge piers. Journal of Hydraulic Research, 42(1), 97-103. doi:10.1080/00221686.2004.9641188
Zhao, J. J. T., D.E. (2012). Bridge Engineering. Design, rehabilitation and maintenance of modern highways bridges. (Third Edition ed.): McGraw-Hill Professional.
전문가 Q&A: 자주 묻는 질문
Q1: 왜 이 연구에서는 이전 연구들보다 훨씬 긴 최대 70시간 동안 실험을 진행했나요?
A1: 이전 연구들(예: Lyn(2008) 공식의 기반이 된 연구)은 상대적으로 짧은 시간(예: 3.5시간) 동안 실험을 수행했습니다. 본 연구에서는 짧은 실험이 세굴이 평형 상태에 도달하기 전의 값만을 측정하여 최대 세굴 깊이를 과소평가할 수 있다는 가능성을 확인하고자 했습니다. 최대 70시간의 장기 실험을 통해 세굴이 점차 평형에 가까워지는 과정을 관찰함으로써, 더 신뢰성 높은 최대 세굴 깊이 데이터를 확보하고 기존 공식들의 한계를 명확히 밝힐 수 있었습니다.
Q2: 교각과 압력 유동 사이의 ‘비선형 상호작용’을 유발하는 물리적 메커니즘은 무엇인가요?
A2: 논문에서 상세한 유체 역학적 메커니즘을 직접 설명하지는 않지만, 결과를 통해 추론할 수 있습니다. 압력 유동은 교량 상판에 의해 유동 단면이 수직으로 수축되면서 유속을 가속화합니다. 동시에 교각 전면부에서는 말굽 와류(horseshoe vortex)라는 강력한 하강 흐름이 발생합니다. 이 두 가지 강력한 침식 메커니즘이 결합되면서, 각 현상이 개별적으로 작용할 때보다 훨씬 더 집중적이고 강력한 에너지를 하상에 전달하여 세굴을 비약적으로 증폭시키는 것으로 보입니다.
Q3: 압력 유동만 있을 때와 비교하여 유목 파편의 축적은 얼마나 더 위험한가요?
A3: 유목 파편은 매우 중요한 추가 위험 요소입니다. 논문의 그림 6과 식 (12)에서 볼 수 있듯이, 유목 파편은 유효 유로 단면을 더욱 감소시키는 ‘막힘 비율(ΔA)’을 증가시킵니다. 이 막힘 비율이 증가함에 따라 세굴 발달 속도를 나타내는 계수(ξ)가 선형적으로 증가합니다. 즉, 유목 파편은 이미 위험한 압력 유동 조건에 더해 세굴을 더욱 빠르고 깊게 만드는 심각한 복합 요인으로 작용합니다.
Q4: 이 논문에서 제안된 경험식들(예: 식 9)을 실제 교량 설계에 직접 사용할 수 있나요?
A4: 이 공식들은 통제된 실험실 조건에서 얻어진 경험식입니다. 따라서 실제 하천의 복잡한 지형, 불규칙한 유속 분포, 다양한 하상 재료 특성 등을 완벽하게 반영하지는 못할 수 있습니다. 하지만 이 공식들은 압력 유동 시 세굴에 영향을 미치는 핵심 변수들(상판 침수 깊이, 유속, 상판 폭 등) 간의 관계를 정량적으로 보여주므로, 기존 공식들보다 훨씬 더 정확한 위험성 평가 기준을 제공합니다. 실제 설계에 적용할 때는 안전율을 고려하고, 필요한 경우 현장 특성을 반영한 CFD 시뮬레이션 등으로 검증하는 것이 바람직합니다.
Q5: ‘데크 팩터(Kdk)’의 실제적인 의미는 무엇이며, 교량 안전 점검관에게 어떤 도움이 될 수 있나요?
A5: ‘데크 팩터(Kdk)’는 압력 유동 조건이 일반적인 자유 수면 흐름 조건보다 얼마나 더 위험한지를 정량적으로 보여주는 지표입니다. 예를 들어 Kdk 값이 2.5라는 것은 압력 유동 시 세굴이 2.5배 더 빠르거나 공격적으로 진행된다는 의미입니다. 교량 안전 점검관은 예상 홍수위와 교량 상판 높이를 비교하여 압력 유동 발생 가능성(hb/ho 비율)을 예측하고, Kdk 값을 참고하여 해당 교량의 위험 등급을 상향 조정하거나 긴급 점검을 지시하는 등 선제적인 안전 조치를 취하는 데 활용할 수 있습니다.
결론: 더 높은 품질과 생산성을 향한 길
본 연구는 기후 변화 시대에 교량 안전을 위협하는 심각한 위험, 즉 압력 유동 조건 하에서의 교각 세굴이 기존의 예상보다 훨씬 더 파괴적일 수 있음을 명확히 보여주었습니다. 교각과 압력 유동의 비선형적 상호작용은 개별적인 효과의 합을 훨씬 뛰어넘는 세굴을 유발하며, 이는 기존의 경험적 공식으로는 예측하기 어려운 영역입니다.
이러한 복잡한 유동-구조물 상호작용을 정확히 예측하고 교량의 안전을 확보하기 위해서는 물리적 실험의 한계를 넘어선 고도의 해석 기술이 필수적입니다. CFD 시뮬레이션은 다양한 홍수 시나리오와 교량 구조에 따른 상세한 유동장 변화와 하상 변동을 정밀하게 모델링하여, 설계 단계에서부터 잠재적 위험을 파악하고 최적의 대응 방안을 수립하는 데 강력한 도구를 제공합니다.
(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.
연락처 : 02-2026-0442
이메일 : flow3d@stikorea.co.kr
저작권 정보
이 콘텐츠는 “I. Carnacina, S. Pagliara, N. Leonardi”의 논문 “Bridge pier scour under pressure flow conditions”를 기반으로 한 요약 및 분석 자료입니다.
이 기술 요약은 Davide Poggi와 Natalia O. Kudryavtseva가 2019년 [Water]에 발표한 논문 “Non-Intrusive Underwater Measurement of Local Scour Around a Bridge Pier”을 기반으로 하며, STI C&D의 기술 전문가에 의해 분석 및 요약되었습니다.
The Challenge: 교량 붕괴의 주원인인 교각 주변의 세굴 현상을 정확하게 측정하는 기존 방식은 접촉식으로 인한 유동 교란, 높은 비용, 시공간적 해상도 부족 등의 한계가 있었습니다.
The Method: 저비용의 라인 레이저와 상용 카메라를 결합하여 교각 주변에서 시간에 따라 변화하는 세굴 구멍의 전체 형상을 빠르고 정확하게 측정하는 비접촉식 기법을 개발했습니다.
The Key Breakthrough: 개발된 측정 기법은 세굴 발생의 초기 단계부터 완전히 발달된 단계까지 전체 과정을 높은 정밀도로 포착했으며, 측정된 데이터는 기존에 널리 사용되는 두 가지 주요 세굴 깊이 예측 공식과 매우 잘 일치함을 확인했습니다.
The Bottom Line: 이 새로운 기술은 실험실 규모에서 세굴 및 하상 변동에 대한 물리적 모델 테스트의 정확성과 효율성을 크게 향상시키며, CFD 시뮬레이션 결과 검증을 위한 고품질 데이터를 저렴한 비용으로 확보할 수 있는 길을 열었습니다.
Figure 1. Schematic of the water circuit and test section. The laser sheet is highlighted in green.
The Challenge: Why This Research Matters for CFD Professionals
교량의 안전성을 위협하는 가장 큰 요인 중 하나는 교각 주변에서 발생하는 국소 세굴(Local Scour)입니다. 물의 흐름이 교각에 부딪히면서 발생하는 와류가 강바닥을 침식시켜 교각의 지지력을 약화시키고, 이는 결국 교량 붕괴라는 심각한 사고로 이어질 수 있습니다. 따라서 세굴이 시간에 따라 어떻게 발달하고 그 형상이 어떻게 변하는지를 정확히 측정하고 예측하는 것은 교량 설계 및 유지보수에서 매우 중요합니다.
하지만 기존의 측정 방식들은 여러 가지 문제점을 안고 있었습니다. 포인트 게이지를 이용한 직접 측정은 계측기가 유동을 교란시켜 측정의 정확도를 떨어뜨릴 수 있으며, 초음파 센서 배열을 이용하는 방식은 비용이 매우 많이 들고 설치가 복잡합니다. 또한, 이러한 방식들은 세굴 현상의 초기 단계처럼 빠르게 변화하는 형상을 연속적으로, 그리고 높은 공간 해상도로 측정하는 데 한계가 있었습니다. CFD 전문가들에게는 시뮬레이션 모델의 정확성을 검증할 수 있는 신뢰도 높은 시공간적 데이터가 절실히 필요했지만, 기존 기술로는 이를 충족시키기 어려웠습니다.
The Approach: Unpacking the Methodology
본 연구에서는 이러한 한계를 극복하기 위해 간단하고 저렴하며 비접촉적인 새로운 측정 시스템을 제안했습니다. 실험은 폭 0.5m, 깊이 0.6m, 길이 12m의 유리로 된 직사각형 수로에서 수행되었습니다. 수로 중앙에는 균일한 석영 모래(d50 = 1.25mm)로 하상을 만들고, 직경 32mm의 투명한 플렉시글라스 원통을 교각 모델로 설치했습니다.
측정 시스템의 핵심은 다음과 같습니다. 1. 라인 레이저 조사: 수로 상부에 설치된 청록색 라인 레이저(488nm)가 수직의 얇은 레이저 시트(laser sheet)를 생성합니다. 이 레이저 시트는 교각의 중심을 방사형으로 통과하며 모래 바닥에 선명한 녹색 선을 만듭니다. 2. 이미지 캡처: 수로 측면에 설치된 상용 디지털카메라(Canon EOS 400D)가 일정 시간 간격으로 레이저 선이 비추는 하상의 단면 형상을 촬영합니다. 3. 이미지 보정 및 변환: 촬영된 이미지는 렌즈 왜곡과 물-유리-공기를 통과하며 발생하는 빛의 굴절 효과를 보정하는 과정을 거칩니다. 이를 위해 체커보드 패턴이 새겨진 보정판을 사용하여 픽셀(pixel) 단위를 실제 거리(cm) 단위로 변환하는 정밀한 보정 작업을 수행했습니다.
이 방식을 통해 유동에 전혀 영향을 주지 않으면서 시간에 따른 세굴 구멍의 2차원 단면 형상 변화를 연속적으로 정밀하게 기록할 수 있었습니다.
Figure 2. Schematic representation of the new technology.
The Breakthrough: Key Findings & Data
개발된 측정 기법의 유효성을 검증하기 위해 유속을 변경하며 총 4번의 실험을 수행했으며, 그 결과는 매우 성공적이었습니다.
Finding 1: 시간에 따른 세굴 형상의 정밀한 포착
본 기법은 세굴이 시작되는 순간부터 시간이 지남에 따라 세굴 구멍이 깊어지고 넓어지는 전 과정을 성공적으로 포착했습니다. 아래 그림(Figure 5)에서 볼 수 있듯이, 유량이 90 m³/h에서 120 m³/h로 증가함에 따라 세굴의 최대 깊이와 범위가 확연하게 증가하는 것을 정량적으로 확인할 수 있었습니다. 이는 교각 주변의 복잡한 하상 변동을 시각적이고 직관적으로 분석할 수 있게 해줍니다.
Finding 2: 기존 예측 공식과의 높은 일치도 검증
측정된 데이터의 신뢰도를 평가하기 위해, 시간에 따른 최대 세굴 깊이를 기존에 널리 사용되는 두 가지 경험적 예측 공식(Oliveto and Hager 모델, Melville and Chiew 모델)과 비교했습니다. 그 결과(Figure 6), 세굴 초기 단계에서는 Melville and Chiew의 공식이, 세굴이 충분히 발달한 후기 단계(t > 10h)에서는 Oliveto and Hager의 공식이 실험 데이터를 매우 잘 예측하는 것으로 나타났습니다. 이 결과는 제안된 측정 기법이 매우 정확하고 신뢰할 수 있음을 입증하는 동시에, 복잡한 세굴 현상의 각 단계에 더 적합한 예측 모델이 존재할 수 있음을 시사합니다.
Practical Implications for R&D and Operations
For Hydraulic/Civil Engineers: 이 기술은 실험실 규모의 교각 세굴 모형 실험에서 저비용으로 정확한 데이터를 확보할 수 있게 해줍니다. 이를 통해 다양한 조건에서의 세굴 위험도를 더 효과적으로 평가하고, 더 안전한 교량 설계 및 보강 공법 개발에 기여할 수 있습니다.
For CFD Analysts: 이 기법으로 생성된 고해상도의 시공간적 데이터는 세굴 현상을 모사하는 CFD 시뮬레이션의 검증(validation)에 이상적입니다. 물리적 실험 결과와 수치 해석 결과를 직접 비교함으로써 모델의 정확도를 높이고 예측 신뢰성을 확보할 수 있습니다.
For R&D Managers: 저렴한 비용으로 시스템을 구축할 수 있어, 제한된 예산 내에서 더 광범위하고 빈번한 실험 캠페인을 수행할 수 있습니다. 이는 침식 및 유사 이송과 관련된 연구 개발을 가속화하는 데 큰 도움이 됩니다.
Paper Details
Non-Intrusive Underwater Measurement of Local Scour Around a Bridge Pier
1. Overview:
Title: Non-Intrusive Underwater Measurement of Local Scour Around a Bridge Pier
Author: Davide Poggi, Natalia O. Kudryavtseva
Year of publication: 2019
Journal/academic society of publication: WATER
Keywords: bridge pier scour; new experimental technique
2. Abstract:
교각 주변의 세굴 구멍의 시간적, 공간적 변화를 모니터링하기 위한 비접촉식 저비용 기법이 제시됩니다. 이 기법의 적용을 위한 설정은 간단하고, 저비용이며, 비접촉식입니다. 라인 레이저 소스와 상용 카메라를 결합하여 교각 전후의 전체 세굴 구멍을 빠르고 정확하게 측정합니다. 맑은 물 조건에서 교각 주변의 세굴 구멍을 측정하는 짧은 캠페인이 제어 테스트를 제공하고 새로운 방법을 적용하는 방법을 보여주기 위해 제시됩니다. 마지막으로, 제안된 기법의 효과를 보여주기 위해 맑은 물 조건에서 최대 세굴 깊이의 시간적 변화에 대해 가장 많이 사용되는 두 가지 방정식과 결과를 비교합니다.
3. Introduction:
교각 및 하천 제방에서의 세굴은 교량 붕괴의 주요 원인 중 하나로, 도로망과 철도 인프라에 큰 손실을 초래합니다. 본 연구의 목적인 국소 세굴은 수류에 의해 교각 바닥에서 형성되는 와류로 인해 발생합니다. 이 과정은 시간에 따라 변하며, 지난 50년간의 연구 노력에도 불구하고 세굴 깊이의 시간적 변화는 수리 공학자들과 연구자들에게 여전히 중요한 관심사입니다. 실험적 관점에서 주요 문제는 이 현상이 하상의 형태학적 특성에 대한 철저한 공간적 조사와 지속적인 모니터링을 요구한다는 것입니다.
4. Summary of the study:
Background of the research topic:
교각 세굴은 교량의 안전성을 위협하는 핵심 문제이며, 이의 시간적, 공간적 변화를 정확하게 측정하는 것은 매우 중요합니다.
Status of previous research:
기존의 세굴 깊이 측정 방법은 포인트 게이지나 측정 테이프와 같은 접촉식 도구를 사용하거나, 고정된 초음파 센서 배열 또는 이동식 트롤리에 부착된 센서를 사용하는 방식이 주를 이뤘습니다. 이러한 방법들은 유동 교란, 높은 비용, 측정의 비동시성, 얕은 수심에서의 한계 등 여러 단점을 가지고 있었습니다. 일부 비접촉식 방법(레이저, 초음파, 사진측량)이 시도되었으나, 여전히 적용 범위가 좁거나 비용이 많이 드는 문제가 있었습니다.
Purpose of the study:
본 연구의 목적은 균일한 퇴적물과 정상적인 맑은 물 흐름 조건에서 원통형 교각 주변 세굴 구멍의 2차원 시간적 변화를 연속적으로 획득할 수 있는, 사용하기 쉽고 저렴하며 비접촉적인 새로운 방법을 제시하는 것입니다.
Core study:
라인 레이저 소스와 카메라를 사용하여 교각을 통과하는 수직 레이저 시트를 만들고, 이것이 하상에 만드는 궤적을 촬영하여 세굴 구멍의 단면 형상 변화를 측정하는 기술을 개발했습니다. 이 기술의 잠재력을 보여주기 위해 유속을 변화시키며 4번의 실험을 수행하고, 그 결과를 기존의 최대 세굴 깊이 예측 공식과 비교하여 기술의 정확성과 유효성을 검증했습니다.
5. Research Methodology
Research Design:
실험은 0.5%의 경사를 가진 유리 벽면의 직사각형 수로에서 수행되었습니다. 수로 중앙에 석영 모래로 된 시험 구간을 조성하고, 투명한 플렉시글라스 원통형 교각을 설치했습니다. 유량과 수위는 정밀하게 제어되었습니다.
Data Collection and Analysis Methods:
데이터 수집: 수로 상부에 설치된 라인 레이저가 하상에 수직 단면을 비추고, 측면에 설치된 디지털카메라가 이 단면의 변화를 일정 시간 간격으로 촬영하여 이미지 시퀀스를 획득했습니다.
데이터 분석: 촬영된 이미지에서 레이저 궤적을 식별하기 위해 MATLAB 코드를 개발했습니다. Brown 렌즈 왜곡 모델을 사용하여 이미지 왜곡을 보정하고, 체커보드 패턴이 있는 보정판을 이용하여 픽셀 좌표를 실제 거리 좌표로 변환했습니다.
Research Topics and Scope:
본 연구는 맑은 물 조건(clear-water conditions)에서 원통형 단일 교각 주변의 국소 세굴 현상에 초점을 맞췄습니다. 2차원 단면 형상의 시간적 변화를 측정하는 새로운 비접촉식 기법을 개발하고, 그 성능을 검증하는 것을 주요 범위로 합니다.
6. Key Results:
Key Results:
라인 레이저와 상용 카메라를 이용한 새로운 비접촉식 측정 시스템은 시간에 따른 세굴 구멍의 2차원 단면 형상을 성공적으로 포착했습니다.
유량이 증가함에 따라 세굴 구멍의 깊이와 범위가 증가하는 것을 정량적으로 확인했습니다.
측정된 최대 세굴 깊이 데이터는 기존의 저명한 예측 공식들과 비교했을 때 높은 일치도를 보였습니다. 특히, Melville and Chiew(2002) 공식은 세굴 초기 단계를, Oliveto and Hager(2002) 공식은 세굴이 충분히 발달한 후기 단계를 잘 설명했습니다.
이는 제안된 측정 기법이 높은 정확도와 신뢰성을 가짐을 입증합니다.
Figure 3. The profiles acquired by the camera during four moments in the experiment.
Figure List:
Figure 1. Schematic of the water circuit and test section. The laser sheet is highlighted in green.
Figure 2. Schematic representation of the new technology.
Figure 3. The profiles acquired by the camera during four moments in the experiment.
Figure 4. The bottom profiles as originally detected in the photos (distorted and in pixel), left, and after calibration, right.
Figure 5. The profiles of the bottom for some time instants.
Figure 6. Time evolution of the maximum scour depth measured (dots) versus the estimation from Oliveto and Hager [16] (solid line) and Melville and Chiew [2] (dash-dot line).
Figure 7. Time evolution of maximum scour depth measurements versus the predictors in the coordinates suggested by Oliveto and Hager [16].
7. Conclusion:
진화하는 세굴 구멍의 2차원 형상을 측정하기 위한 새로운 기술이 제시되었습니다. 이 기술은 라인 레이저 소스와 상용 카메라를 사용하여 실험 중 하상 변화를 획득합니다. 방법은 각 단계별로 설명되며, 실험 설계 및 데이터 후처리 측면에서 기술 사용에 대한 확장된 가이드라인이 논문에 제공됩니다. 직관적인 방법론과 매우 저렴한 설정은 이 실험 방법을 세굴뿐만 아니라 하상이 시간과 공간에서 진화하는 광범위한 실험에 적용할 수 있게 합니다. 방법의 이해를 돕고 그 능력에 대한 예비 증명을 제공하기 위해, 교각 주변의 세굴 구멍의 시간적 변화에 대한 짧은 실험 측정 캠페인을 수행하는 데 사용되었습니다. 결과는 맑은 물 조건에서 최대 세굴 깊이의 변화에 대해 가장 많이 사용되는 두 가지 방정식과 비교되었습니다.
igure 4. The bottom profiles as originally detected in the photos (distorted and in pixel), left, and after calibration, right. Figure 4. The bottom profiles as originally detected in the photos (distorted and in pixel), left, and after calibration, right. Figure 4. The bottom
8. References:
Wardhana, K.; Hadipriono, F.C. Analysis of Recent Bridge Failures in the United States. J. Perform. Constr. Facil. 2003, 17, 144–150.
Melville, B.W.; Chiew, Y.-M. Time Scale for Local Scour at Bridge Piers. J. Hydraul. Eng. 1999, 125, 59–65.
Tubaldi, E.; Macorini, L.; Izzuddin, B.A.; Manes, C.; Laio, F. A framework for probabilistic assessment of clear-water scour around bridge piers. Struct. Saf. 2017, 69, 11–22.
Lagasse, P.F. Reference Guide for Applying Risk and Reliability-Based Approaches for Bridge Scour Prediction; Transportation Research Board: Washington, DC, USA, 2013; ISBN 978-0-309-28356-4.
Wang, C.; Yu, X.; Liang, F. A review of bridge scour: Mechanism, estimation, monitoring and countermeasures. Nat. Hazards 2017, 87, 1881–1906.
Melville, B.W.; Coleman, S.E. Bridge Scour; Water Resources Publication: Highlands Ranch, CO, USA, 2000; ISBN 978-1-887201-18-6.
Dargahi, B. Controlling Mechanism of Local Scouring. J. Hydraul. Eng. 1990, 116, 1197–1214.
Khosronejad, A.; Kang, S.; Sotiropoulos, F. Experimental and computational investigation of local scour around bridge piers. Adv. Water Resour. 2012, 37, 73–85.
Manes, C.; Brocchini, M. Local scour around structures and the phenomenology of turbulence. J. Fluid Mech. 2015, 779, 309–324.
Melville, B.W. Live-bed Scour at Bridge Piers. J. Hydraul. Eng. 1984, 110, 1234–1247.
Toth, E.; Brandimarte, L. Prediction of local scour depth at bridge piers under clear-water and live-bed conditions: Comparison of literature formulae and artificial neural networks. J. Hydroinform. 2011, 13, 812–824.
Ettmer, B.; Orth, F.; Link, O. Live-Bed Scour at Bridge Piers in a Lightweight Polystyrene Bed. J. Hydraul. Eng. 2015, 141, 04015017.
Kothyari, U.C.; Hager, W.H.; Oliveto, G. Generalized Approach for Clear-Water Scour at Bridge Foundation Elements. J. Hydraul. Eng. 2007, 133, 1229–1240.
Lança, R.M.; Fael, C.S.; Maia, R.J.; Pêgo, J.P.; Cardoso, A.H. Clear-Water Scour at Comparatively Large Cylindrical Piers. J. Hydraul. Eng. 2013, 139, 1117–1125.
Oliveto, G.; Hager, W.H. Temporal Evolution of Clear-Water Pier and Abutment Scour. J. Hydraul. Eng. 2002, 128, 811–820.
Kothyari, U.C.; Garde, R.C.J.; Ranga, R.K.G. Temporal Variation of Scour around Circular Bridge Piers. J. Hydraul. Eng. 1992, 118, 1091–1106.
Oliveto, G.; Hager, W.H. Further Results to Time-Dependent Local Scour at Bridge Elements. J. Hydraul. Eng. 2005, 131, 97–105.
Pandey, M.; Sharma, P.K.; Ahmad, Z.; Singh, U.K. Evaluation of existing equations for temporal scour depth around circular bridge piers. Environ. Fluid Mech. 2017, 17, 981–995.
Mia, M.F.; Nago, H. Design Method of Time-Dependent Local Scour at Circular Bridge Pier. J. Hydraul. Eng. 2003, 129, 420–427.
Sheppard, D.M.; Odeh, M.; Glasser, T. Large Scale Clear-Water Local Pier Scour Experiments. J. Hydraul. Eng. 2004, 130, 957–963.
Oliveto, G.; Hager, W.H. Morphological Evolution of Dune-Like Bed Forms Generated by Bridge Scour. J. Hydraul. Eng. 2014, 140, 06014009.
Chavan, R.; Kumar, B. Prediction of scour depth and dune morphology around circular bridge piers in seepage affected alluvial channels. Environ. Fluid Mech. 2018, 18, 923–945.
Pagliara, S.; Carnacina, I. Scour and dune morphology in presence of large wood debris accumulation at bridge pier. In River Flow 2010: Proceedings of the Fifth International Conference on Fluvial Hydraulics, Braunschweig, Germany, 8–10 June 2010; Bundesanstalt für Wasserbau: Karlsruhe, Germany, 2010.
Pagliara, S.; Carnacina, I. Influence of Wood Debris Accumulation on Bridge Pier Scour. J. Hydraul. Eng. 2011, 137, 254–261.
Pagliara, S.; Carnacina, I. Influence of large woody debris on sediment scour at bridge piers. Int. J. Sediment Res. 2011, 26, 121–136.
Carnacina, I.; Pagliara, S.; Leonardi, N. Bridge pier scour under pressure flow conditions. River Res. Appl. 2019, 35, 844–854.
Hill, D.F.; Younkin, B.D. PIV measurements of flow in and around scour holes. Exp. Fluids 2006, 41, 295–307.
Zhang, H.; Nakagawa, H.; Kawaike, K.; Baba, Y. Experiment and simulation of turbulent flow in local scour around a spur dyke. Int. J. Sediment Res. 2009, 24, 33–45.
Lu, S.-Y.; Lu, J.-Y.; Shih, D.-S. Temporal and Spatial Flow Variations over a Movable Scour Hole Downstream of a Grade-Control Structure with a PIV System. Water 2018, 10, 1002.
Sambrook, S.G.H.; Nicholas, A.P. Effect on flow structure of sand deposition on a gravel bed: Results from a two-dimensional flume experiment: Effect on Flow Structure of Sand Deposit. Water Resour. Res. 2005, 41.
Bottacin-Busolin, A.; Tait, S.J.; Marion, A.; Chegini, A.; Tregnaghi, M. Probabilistic description of grain resistance from simultaneous flow field and grain motion measurements: Characterizing Grain Resistance. Water Resour. Res. 2008, 44.
González, E.P.; Marqués, J.F.; Díaz-Pache, F.S.-T.; Agudo, J.P.; Gómez, L.C. Experimental validation of a sediment transport two-dimensional depth-averaged numerical model using PIV and 3D Scanning technologies. J. Hydraul. Res. 2008, 46, 489–503.
Chang, W.-Y.; Lai, J.-S.; Yen, C.-L. Evolution of Scour Depth at Circular Bridge Piers. J. Hydraul. Eng. 2004, 130, 905–913.
Thorne, P.D.; Hanes, D.M. A review of acoustic measurement of small-scale sediment processes. Cont. Shelf Res. 2002, 22, 603–632.
Branß, T.; Núñez-González, F.; Dittrich, A.; Aberle, J. A flume study to investigate the contribution of main-channel bedforms on levee formation. E3S Web. Conf. 2018, 40, 02018.
Dahal, P.; Peng, D.; Yang, Y.L.; Sharif, H. RSS Based Bridge Scour Measurement Using Underwater Acoustic Sensor Networks. Commun. Netw. 2013, 5, 641–648.
Lanzoni, S. Experiments on bar formation in a straight flume: 1. Uniform sediment. Water Resour. Res. 2000, 36, 3337–3349.
Ballio, F.; Radice, A. A non-touch sensor for local scour measurements. J. Hydraul. Res. 2003, 41, 105–108.
Lam, N.; Nathanson, M.; Lundgren, N.; Rehnström, R.; Lyon, S.W. A Cost-Effective Laser Scanning Method for Mapping Stream Channel Geometry and Roughness. JAWRA J. Am. Water Resour. Assoc. 2015, 51, 1211–1220.
Marion, A.; Tait, S.J.; McEwan, I.K. Analysis of small-scale gravel bed topography during armoring. Water Resour. Res. 2003, 39.
Visconti, F.; Stefanon, L.; Camporeale, C.; Susin, F.; Ridolfi, L.; Lanzoni, S. Bed evolution measurement with flowing water in morphodynamics experiments: Bed Evolution Measurement with Flowing Water. Earth Surf. Process. Landf. 2012, 37, 818–827.
Bouratsis, P.; Diplas, P.; Dancey, C.L.; Apsilidis, N. High-resolution 3-D monitoring of evolving sediment beds. Water Resour. Res. 2013, 49, 977–992.
Müller, G.; Mach, R.; Kauppert, K. Mapping of bridge pier scour with projection moiré. J. Hydraul. Res. 2001, 39, 531–537.
Chourasiya, S.; Mohapatra, P.K.; Tripathi, S. Non-intrusive underwater measurement of mobile bottom surface. Adv. Water Resour. 2017, 104, 76–88.
Wei, M.; Cheng, N.-S.; Chiew, Y.-M.; Yang, F. Vortex Evolution within Propeller Induced Scour Hole around a Vertical Quay Wall. Water 2019, 11, 1538.
Lauchlan, C.S.; Melville, B.W. Riprap Protection at Bridge Piers. J. Hydraul. Eng. 2001, 127, 412–418.
Choi, S.-U.; Choi, B. Prediction of time-dependent local scour around bridge piers: Time-dependent local scour around bridge piers. Water Environ. J. 2016, 30, 14–21.
Yilmaz, M.; Yanmaz, A.M.; Koken, M. Clear-water scour evolution at dual bridge piers. Can. J. Civ. Eng. 2017, 44, 298–307.
Rouse, H. Criteria for Similarity in the Transportation of Sediment. Univ. Iowa Stud. Eng. 1940, 20, 33–49.
Hager, W.H. Forum Article: Plunge Pool Scour: Early History and Hydraulics. J. Hydraul. Eng. 1998, 124, 1185–1187.
Expert Q&A: Your Top Questions Answered
Q1: 이미지 왜곡을 보정하기 위해 구체적으로 어떤 방법을 사용했나요?
A1: 본 연구에서는 렌즈 시스템에서 발생하는 왜곡을 보정하기 위해 고전적인 Brown 렌즈 왜곡 모델을 사용했습니다. 실험 시작 시, 물속에 5mm x 5mm 크기의 체커보드 패턴이 레이저로 각인된 보정판을 설치하고 여러 장의 사진을 촬영합니다. 이 이미지들을 분석하여 렌즈 왜곡 계수를 계산하고, 이를 통해 후속 측정 이미지에서 발생하는 왜곡을 수학적으로 보정하여 정확한 실제 형상을 복원합니다.
Q2: 이 2차원 측정 기법을 3차원으로 확장할 수 있나요?
A2: 네, 논문에서는 이 기법이 더 많은 레이저 시트를 사용하여 3차원 측정으로 쉽게 확장될 수 있다고 명시적으로 언급하고 있습니다. 예를 들어, 여러 개의 라인 레이저를 배열하거나 단일 레이저를 스캔하는 방식을 통해 교각 주변의 전체 3차원 하상 지형 변화를 시간에 따라 재구성할 수 있습니다. 이는 CFD 시뮬레이션 검증에 더욱 강력한 데이터를 제공할 것입니다.
Q3: 측정 결과가 두 개의 다른 예측 공식과 각각 다른 단계에서 일치하는 이유는 무엇인가요?
A3: 이는 세굴 현상의 복잡성을 보여주는 흥미로운 결과입니다. 논문에 따르면, Melville and Chiew의 공식은 세굴이 최종적으로 평형 상태에 도달한다고 가정하는 반면, Oliveto and Hager의 공식은 평형 없이 지속적인 대수적(logarithmic) 성장을 예측합니다. 실험 결과, 세굴 초기에는 평형을 향해 빠르게 발달하는 경향이 나타나 Melville and Chiew 공식과 잘 맞았고, 시간이 지나면서 성장이 둔화되지만 멈추지 않는 대수적 성장 패턴이 나타나 Oliveto and Hager 공식과 더 잘 일치했습니다. 이는 단일 공식만으로는 전체 세굴 과정을 완벽하게 설명하기 어려울 수 있음을 시사합니다.
Q4: 이 기술은 물이 탁한 실제 강과 같은 환경에서도 적용할 수 있나요?
A4: 논문 자체는 맑은 물(clear-water) 조건에서의 실험을 다루고 있습니다. 이 기술은 레이저 빛이 바닥에 도달하고 카메라가 그 궤적을 선명하게 촬영해야 하므로, 부유물이 많아 물이 매우 탁한(high turbidity) 환경에서는 레이저 빛이 산란되거나 흡수되어 적용이 어려울 수 있습니다. 이는 이 기술의 주요 한계점 중 하나이며, 현장 적용을 위해서는 수질 조건을 고려해야 합니다.
Q5: 수면의 잔물결이 레이저 시트의 수직성에 영향을 미치지 않도록 어떻게 방지했나요?
A5: 좋은 질문입니다. 교각과 난류로 인해 발생하는 수면의 잔물결은 레이저 빛을 굴절시켜 측정 오차를 유발할 수 있습니다. 이를 방지하기 위해, 본 연구에서는 수면 높이에 맞춰 폭 1cm, 길이 60cm의 투명한 플렉시글라스 판을 수평으로 설치했습니다. 이 판이 잔물결을 억제하여 레이저 시트가 왜곡 없이 수직으로 하상에 도달하도록 보장하는 역할을 했습니다.
Conclusion: Paving the Way for Higher Quality and Productivity
교량 안전의 핵심 과제인 교각 세굴 측정의 어려움은 오랫동안 공학자들의 고민이었습니다. 본 연구에서 제시된 라인 레이저와 상용 카메라를 이용한 비접촉식 측정 기법은 이러한 문제를 해결할 수 있는 혁신적이고 경제적인 대안을 제공합니다. 이 기술은 유동을 방해하지 않으면서 세굴 현상의 전 과정을 높은 시공간 해상도로 포착할 수 있으며, 그 정확성은 기존의 권위 있는 예측 모델과의 비교를 통해 성공적으로 입증되었습니다.
특히 CFD 해석 전문가들에게 이 기술은 시뮬레이션 모델의 신뢰도를 획기적으로 높일 수 있는 고품질 검증 데이터를 제공한다는 점에서 매우 중요합니다. 더 정확한 예측 모델은 더 안전한 사회 기반 시설 설계로 이어질 것입니다.
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.
연락처 : 02-2026-0442
이메일 : flow3d@stikorea.co.kr
Copyright Information
This content is a summary and analysis based on the paper “Non-Intrusive Underwater Measurement of Local Scour Around a Bridge Pier” by “Davide Poggi and Natalia O. Kudryavtseva”.
이 기술 요약은 Rupayan Saha, Seung Oh Lee, Seung Ho Hong이 2018년 ‘water’ 저널에 발표한 논문 “A Comprehensive Method of Calculating Maximum Bridge Scour Depth”를 기반으로 하며, STI C&D가 기술 전문가를 위해 분석하고 요약했습니다.
문제점: 기존의 교량 세굴 깊이 산정 공식은 극한 기상 현상으로 인한 교각 월류(overtopping)나 잠김 흐름(submerged flow)과 같은 복잡한 유동 조건을 정확히 반영하지 못하며, 국부 세굴과 수축 세굴을 독립적인 현상으로 간주하여 예측 정확도가 떨어집니다.
연구 방법: 실제 하천(Towaliga River)의 지형을 1:60으로 축소한 복단면 수로 수리 모형을 제작하고, 자유 수면 흐름, 잠김 오리피스 흐름, 월류 흐름 등 다양한 조건에서 세굴 실험을 수행했습니다.
핵심 발견: 최대 세굴 깊이는 ‘이론적 교각 세굴’과 ‘흐름 수축에 의한 추가 세굴’의 합으로 구성된다는 가설을 세우고, 추가 세굴량이 유량 수축비와 명확한 상관관계가 있음을 실험적으로 증명했습니다.
핵심 결론: 본 연구는 복잡한 흐름 조건에서도 최대 교량 세굴 깊이를 더 정확하게 예측할 수 있는 통합적이고 포괄적인 방법을 제시하여, 교량의 구조적 안전성 설계를 크게 향상시킬 수 있습니다.
문제점: CFD 전문가에게 이 연구가 중요한 이유
교량 붕괴의 가장 큰 원인은 교량 기초 주변의 하상 재료가 유실되는 ‘세굴’ 현상입니다. 미국에서는 1950년 이후 발생한 교량 붕괴의 약 60%가 세굴과 관련 있을 정도로 교량 안전에 치명적입니다. 특히 최근 빈번해지는 극한 기상 현상은 설계 기준을 초과하는 홍수를 유발하며 교량의 안전을 심각하게 위협합니다.
기존의 세굴 깊이 예측 공식들은 대부분 단순화된 사각 수로에서의 자유 수면 흐름 실험을 기반으로 개발되었습니다. 이로 인해 실제 하천의 불규칙한 지형이나, 극한 홍수 시 발생하는 교량 상판 월류 및 잠김 흐름과 같은 복잡한 수리 현상을 제대로 모사하지 못하는 한계가 있습니다. 또한, 현재 설계 실무에서는 흐름 단면 축소로 인한 ‘수축 세굴’과 교각 주변의 와류로 인한 ‘국부 세굴’을 별개의 현상으로 보고 각각 계산한 뒤 합산하지만, 실제로는 두 현상이 동시에 상호작용하며 발생하기 때문에 예측에 오차가 발생합니다. 이러한 부정확성은 교량 설계의 과잉 또는 과소 평가로 이어져 비경제적이거나 위험한 결과를 초래할 수 있습니다.
Figure 1. Towaliga River bridge in the field and model in the laboratory.
연구 접근법: 방법론 분석
본 연구는 이러한 한계를 극복하기 위해 미국 조지아주 메이컨에 위치한 Towaliga 강 교량을 대상으로 1:60 축척의 정밀한 물리적 수리 모형을 제작했습니다. 이 모형은 실제 하천의 복잡한 지형(복단면 형상)을 그대로 재현했으며, 세굴 실험을 위해 중앙부에 이동상(mobile bed) 구간을 설치하고 0.53mm의 중간 입경(d50)을 가진 모래를 사용했습니다.
연구팀은 다양한 홍수 시나리오를 모사하기 위해 세 가지 주요 흐름 조건에서 실험을 수행했습니다. 1. 자유 수면 흐름 (Free Flow): 일반적인 홍수 조건 2. 잠김 오리피스 흐름 (Submerged Orifice Flow): 수위가 교량 상판 하단까지 상승한 조건 3. 월류 흐름 (Overtopping Flow): 수위가 교량 상판을 넘어 흐르는 극한 홍수 조건
각 실험에서 유량과 수위를 정밀하게 제어했으며, 세굴이 평형 상태에 도달할 때까지 5~6일간 실험을 지속했습니다. 세굴 전후의 하상 고도는 음향 도플러 유속계(Acoustic Doppler Velocimeter, ADV)와 포인트 게이지를 사용하여 상세하게 측정되었고, 이를 통해 최대 세굴 깊이와 위치를 정확하게 파악했습니다.
핵심 발견: 주요 결과 및 데이터
연구팀은 실험 결과를 분석하여 기존 세굴 예측 방식의 한계를 극복할 새로운 종합적 방법을 제안했습니다.
결과 1: 최대 세굴 깊이의 새로운 구성 = 이론적 세굴 + 흐름 수축에 의한 추가 세굴
본 연구는 최대 세굴 깊이가 기존의 이론적 교각 세굴 깊이(CSU 또는 M/S 공식으로 계산)에 ‘흐름 수축으로 인한 추가적인 세굴 깊이’가 더해진 결과라는 핵심적인 가설을 제시했습니다. 실험 데이터를 분석한 결과, 이 ‘추가 세굴’ 성분은 교량을 통과하는 흐름의 수축 정도를 나타내는 ‘유량 수축비(q2/q1)’와 매우 강한 양의 상관관계를 보였습니다. 그림 4에서 볼 수 있듯이, 유량 수축비가 증가함에 따라 추가 세굴 깊이(Ym-csu/Y1)가 선형적으로 증가하는 경향이 뚜렷하게 나타났습니다. 이는 흐름이 교량 구간에서 더 많이 압축될수록 세굴이 더 심각해진다는 것을 정량적으로 입증한 것입니다.
결과 2: 압력 흐름 조건에서 세굴 효과 증폭
그림 4의 데이터는 또 다른 중요한 사실을 보여줍니다. 자유 수면 흐름(F)에 비해 잠김 오리피스 흐름(SO)이나 월류 흐름(OT)과 같은 압력 흐름(Pressure Flow) 조건에서 유량 수축비 증가에 따른 추가 세굴 깊이의 증가율(그래프의 기울기)이 훨씬 더 가파릅니다. 이는 압력 흐름 조건에서는 기존의 수평적 흐름 수축뿐만 아니라 교량 상판에 의한 수직적 흐름 수축이 추가로 발생하여 유속이 더 크게 증가하고, 결과적으로 세굴 현상이 증폭되기 때문입니다. 이는 극한 홍수 시 교량 안전성 평가에 반드시 고려해야 할 핵심 요소입니다.
R&D 및 운영을 위한 실질적 시사점
이 연구 결과는 교량 설계 및 안전 관리 분야의 전문가들에게 다음과 같은 실질적인 시사점을 제공합니다.
수리 및 교량 설계 엔지니어: 본 연구에서 제안된 5단계 최대 세굴 깊이 예측 절차(현장 데이터 수집 → 흐름 변수 계산 → 이론적 교각 세굴 계산 → 흐름 수축에 따른 추가 세굴 추정 → 합산)는 기존 방식보다 훨씬 더 정확하고 신뢰성 있는 교량 기초 설계를 가능하게 합니다. 특히 극한 홍수 조건에 대한 안전성을 크게 향상시킬 수 있습니다.
위험 평가팀: 압력 흐름(월류 등)이 세굴을 크게 증폭시킨다는 그림 4의 결과는, 100년 또는 500년 빈도의 극한 홍수 시 월류 가능성이 있는 기존 교량들의 안전성을 재평가해야 할 필요성을 강력하게 시사합니다.
CFD 모델링 전문가: 이 연구에서 측정된 복잡한 흐름 조건(잠김, 월류) 하의 상세한 실험 데이터는 교량 세굴에 대한 수치 모델링(CFD)의 정확도를 검증하고 개선하는 데 매우 귀중한 자료로 활용될 수 있습니다.
논문 상세 정보
A Comprehensive Method of Calculating Maximum Bridge Scour Depth
1. 개요:
제목: A Comprehensive Method of Calculating Maximum Bridge Scour Depth (최대 교량 세굴 깊이 계산을 위한 종합적 방법)
최근 극한 기상 현상의 반복적인 발생으로 교량 주변의 세굴 문제가 두드러지고 있습니다. 따라서 교량은 이러한 극한 기상 현상 동안 겪을 수 있는 높은 유량에 대한 세굴로 인한 붕괴를 방지하기 위해 적절한 보호 조치를 갖추어 설계되어야 합니다. 그러나 여러 권장 공식에 의한 현재의 세굴 깊이 추정은 높은 유량에서 부정확한 결과를 보여줍니다. 한 가지 가능한 이유는 현재의 세굴 공식이 자유 표면 흐름을 이용한 실험에 기반하고 있지만, 극한 홍수 사건은 잠김 오리피스 흐름과 결합된 교량 월류 흐름을 유발할 수 있다는 점입니다. 또 다른 가능한 이유는 최대 세굴 깊이에 대한 현재의 관행이 국부 세굴과 수축 세굴과 같은 다른 유형의 세굴 간의 상호작용을 무시한다는 점인데, 실제로는 이러한 과정들이 동시에 발생합니다. 본 논문에서는 축소된 교량 모델을 사용하여 복합 단면 수로에서 다양한 흐름 조건(자유, 잠김 오리피스, 월류 흐름) 하에 실험실 실험을 수행했습니다. 실험실 실험 결과와 널리 사용되는 경험적 세굴 추정 방법을 결합하여, 다른 세굴 깊이의 개별적 추정과 다른 세굴 구성 요소의 상호작용에 관한 문제를 극복하는 최대 세굴 깊이를 예측하는 포괄적인 방법을 제안합니다. 또한, 최대 세굴 깊이에 대한 교각 벤트(교대에 가깝게 위치)의 존재 효과도 분석 중에 조사되었습니다. 결과는 최대 세굴 깊이의 위치는 교각 벤트의 존재와 무관하지만, 최대 세굴 깊이의 양은 교각 벤트가 있을 때보다 없을 때 유량 재분배로 인해 상대적으로 더 높다는 것을 보여줍니다.
3. 서론:
교량이 강에 건설되면, 교각과 교대 주변에 국부적으로 독특한 유동장이 발달하기 때문에 교량 주변의 흐름 패턴이 바뀝니다. 또한, 강 양쪽 또는 한쪽에 있는 제방/교대로 인해 흐름 면적이 줄어들어 가속으로 인한 유속이 빨라집니다. 더 높은 속도를 가진 이 독특한 유동장은 교량 기초에 심각한 손상을 줄 수 있습니다. 따라서 기초의 깊이가 충분히 깊지 않으면 교량 붕괴의 가능성이 높아집니다. 교량은 지진, 바람, 홍수 등 여러 원인으로 붕괴될 수 있습니다. 그중에서도 교량 세굴은 교량 붕괴의 가장 큰 원인입니다. 예를 들어, 1950년 이후 미국에서 발생한 전체 교량 붕괴 중 약 60%가 교량 기초의 세굴과 관련이 있습니다. 콜로라도 교통부(CDOT)는 2013년 홍수로 최소 30개의 주 고속도로 교량이 파괴되고 20개가 심각하게 손상되었다고 추정했습니다. 네팔에서는 2014년 홍수 동안 하상 재료의 퇴화로 인해 티나우 강 위의 고속도로 교량 기초가 심각하게 노출되었습니다. 위 예에서 설명한 바와 같이, 교량 세굴은 전 세계적으로 주요 교량 안전 문제 중 하나라고 말하는 것이 정당합니다. 따라서 교량 기초에서의 정확한 세굴 예측은 교량 안전을 위한 엔지니어의 주요 목표가 됩니다.
4. 연구 요약:
연구 주제의 배경:
교량 세굴은 교량 붕괴의 주된 원인으로, 특히 극한 홍수 시 그 위험성이 커집니다. 기존의 세굴 예측 공식은 실제 하천의 복잡한 흐름 조건과 세굴 메커니즘의 상호작용을 제대로 반영하지 못해 정확도에 한계가 있었습니다.
이전 연구 현황:
1950년대 후반부터 수많은 연구가 진행되어 평형 세굴 깊이 추정 공식이 개발되었습니다. 그러나 대부분의 연구는 단순화된 직사각형 수로와 자유 수면 흐름 조건에서 수행되었습니다. 또한, 국부 세굴과 수축 세굴을 독립적인 과정으로 가정하여 각각을 계산 후 합산하는 방식을 사용해왔습니다.
연구 목적:
본 연구의 주된 목적은 다양한 유형의 세굴이 동시에 발생하는 상황에서 최대 세굴 깊이를 예측하는 데 사용할 수 있는 단일 방정식을 개발하는 것입니다. 이를 위해 서로 다른 세굴 구성 요소 간의 상호 작용을 규명하고, 널리 사용되는 세굴 공식(CSU, M/S)과 비교하여 최대 세굴 깊이를 계산하는 개선된 방법을 제안하고자 합니다.
핵심 연구:
실제 하천 지형을 모사한 1:60 축소 수리 모형을 이용하여 자유 흐름, 잠김 오리피스 흐름, 월류 흐름 조건에서 실험을 수행했습니다. 실험을 통해 측정한 최대 세굴 깊이와 기존 이론 공식을 비교 분석하여, ‘이론적 교각 세굴’과 ‘흐름 수축에 의한 추가 세굴’의 합으로 최대 세굴 깊이를 표현하는 새로운 접근법을 제시하고, 그 유효성을 검증했습니다.
5. 연구 방법론
연구 설계:
본 연구는 실제 교량(Towaliga River bridge)의 1:60 축소 물리 모형을 이용한 실험적 접근법을 채택했습니다. 복단면 형상의 수로에 이동상 구간을 설치하고, 다양한 수리 조건(자유 흐름, 잠김 오리피스 흐름, 월류 흐름)을 재현하여 세굴 현상을 관찰하고 측정했습니다.
데이터 수집 및 분석 방법:
하상 변동 측정: 음향 도플러 유속계(ADV)와 포인트 게이지를 사용하여 실험 전후의 하상 고도를 정밀하게 측정하고, 이를 통해 세굴 깊이와 범위를 분석했습니다.
유속 측정: ADV를 사용하여 접근부 및 교량 단면에서 3차원 유속 분포를 측정했습니다.
데이터 분석: 측정된 유량, 수위, 유속, 세굴 깊이 등의 변수를 사용하여 기존 세굴 공식(CSU, M/S)과 본 연구에서 제안한 새로운 모델을 비교 분석했습니다. 특히, ‘추가 세굴 깊이’와 ‘유량 수축비’ 간의 상관관계를 회귀 분석을 통해 도출했습니다.
Figure 3. Schematic diagram for calculation of maximum scour depth.
연구 주제 및 범위:
주요 연구 주제: 복잡한 흐름 조건(특히 압력 흐름)에서 발생하는 최대 교량 세굴 깊이의 종합적인 예측 방법 개발.
연구 범위: 단일 교량을 대상으로 한 축소 모형 실험에 국한됩니다. 실험은 청수 세굴(clear-water scour) 조건에서 수행되었으며, 퇴적물 입경은 0.53mm로 고정되었습니다. 교각 벤트의 유무에 따른 영향을 질적으로 분석했습니다.
6. 주요 결과:
주요 결과:
최대 세굴 깊이는 이론적 교각 세굴 깊이와 흐름 수축에 의한 추가 세굴 깊이의 합으로 표현될 수 있습니다.
흐름 수축에 의한 추가 세굴 깊이는 유량 수축비(q2/q1)와 강한 양의 상관관계를 가집니다. 즉, 유량 수축비가 클수록 추가 세굴이 더 깊어집니다.
압력 흐름(잠김 및 월류) 조건에서는 자유 수면 흐름 조건에 비해 추가 세굴 효과가 더 크게 나타납니다. 이는 수직 흐름 수축이 추가되기 때문입니다.
최대 세굴 깊이의 발생 위치는 인접한 교각의 유무와 무관하지만, 인접 교각이 없을 경우 유량 재분배로 인해 최대 세굴 깊이가 약간 더 깊어지는 경향을 보입니다.
기존 공식 중 CSU 공식이 M/S 공식보다 동일 조건에서 더 큰 세굴 깊이를 예측하며, 이는 M/S 공식이 청수 세굴 조건을 고려하는 유속 강도 인자(V2/Vc)를 포함하기 때문입니다.
Table 2. Summary of experimental results to calculate maximum scour depth.
그림 목록:
Figure 1. Towaliga River bridge in the field and model in the laboratory.
Figure 2. Geometry of compound channel for (a) plan view with velocity measurement locations; (b) cross section view at bridge.
Figure 3. Schematic diagram for calculation of maximum scour depth.
Figure 4. Effect of flow contraction on additional scour components using (a) Colorado State University (CSU) and (b) Melville-Sheppard (M/S) equations.
Figure 5. Comparison of CSU and M/S pier scour depth in terms of flow intensity.
Figure 6. Comparison of cross-sections for runs 3 and 8.
7. 결론:
많은 연구가 교량 교각 주변의 최대 세굴 깊이를 추정하고 세굴 메커니즘을 이해하기 위해 이루어졌습니다. 대부분의 이전 연구는 자유 흐름 하의 직사각형 수로를 사용한 실험실 실험에 기반했습니다. 그러나 최근의 극한 강우 사건으로 인해 교량에서는 잠김 오리피스 흐름과 월류 흐름이 빈번하게 발생하며, 이때 교량 하부 구조 주변의 유동장은 기존의 측면 흐름 수축에 더해 수직 흐름 수축 때문에 자유 흐름보다 더 복잡합니다. 또한, 대부분의 자연 하천 형태는 직사각형이 아닙니다. 현재 HEC-18에서 권장하는 지침은 수축 세굴과 국부 세굴 과정이 독립적이어서 별도로 결정하고 합산하여 총 세굴 깊이를 추정할 수 있다고 가정했습니다. 그러나 대규모 홍수 사건 동안 국부 세굴과 수축 세굴은 동시에 발생하며, 국부 세굴과 수축 세굴을 별도로 계산하면 부정확한 세굴 깊이를 초래합니다. 현재 방법론이 가진 약점을 극복하기 위해, 축소된 물리적 모델에서 실험실 실험을 수행하고 압력 흐름뿐만 아니라 자유 흐름 사례에서도 다른 유형의 세굴 구성 요소를 별도로 계산하지 않고 사용할 수 있는 최대 세굴 깊이를 예측하기 위한 단일 방정식이 개발되었습니다.
8. 참고 문헌:
Kattell, J.; Eriksson, M. Bridge Scour Evaluation: Screening, Analysis, and Countermeasures; General Technical Reports 9877 1207-SDTDC; U.S. Department of Agriculture: San Dimas, CA, USA, 1998.
Melville, B.W.; Coleman, S.E. Bridge Scour; Water Resources Publications, LLC: Highlands Ranch, CO, USA, 2000.
Shirhole, A.M.; Holt, R.C. Planning for A Comprehensive Bridge Safety Program; Transportation Research Record No. 1290; Transportation Research Board, National Research Council: Washington, DC, USA, 1991.
Novey, M. Cdot Assessing ‘Millions and Millions’ in Road Bridge Damage. Available online: www. coloradoan.com (accessed on 15 September 2013).
Shrestha, C.K. Bridge Pier Flow Interaction and Its Effect on the Process of Scouring. Ph.D. Thesis, University of Technology Sydney (UTS), Ultimo, Australia, 2015.
Arneson, L.A.; Zevenbergen, L.W.; Lagasse, P.F.; Clopper, P.E. Evaluating Scour at Bridges, 15th ed.; FHWA-HIF-12-003, HEC-18; Department of Transportation, Federal Highway Administration: Washington, DC, USA, 2012.
Lee, S.O. Physical Modeling of Local Scour Around Complex Bridge Piers. Ph.D. Thesis, School of Civil and Environmental Engineering, Georgia Institute of Technology, School of Civil and Environmental Engineering, Georgia Institute of Technology, Atlanta, GA, USA, 2006.
Sheppard, D.; Melville, B.; Demir, H. Evaluation of Existing Equations for Local Scour at Bridge Piers. J. Hydraul. Eng. 2014, 140, 14–23.
Sturm, T.W.; Ettema, R.; Melville, B.M. Evaluation of Bridge-Scour Research: Abutment and Contraction Scour Processes and Prediction; NCHRP 24-27; National Co-operative Highway Research Program: Washington, DC, USA, 2011.
Melville, B.; Chiew, Y. Time Scale for Local Scour at Bridge Piers. J. Hydraul. Eng. 1999, 125, 59–65.
Shatanawi, K.M.; Aziz, N.M.; Khan, A.A. Frequency of discharge causing abutment scour in South Carolina. J. Hydraul. Eng. 2008, 134, 1507–1512.
Alemi, M.; Maia, R. Numerical Simulation of the Flow and Local Scour Process around Single and Complex Bridge Piers. IJCE 2018, 16, 475.
Sajjadi, S.A.H.; Sajjadi, S.H.; Sarkardeh, H. Accuracy of numerical simulation in asymmetric compound channels. IJCE 2018, 16, 155.
Hong, S. Interaction of Bridge Contraction Scour and Pier Scour in a Laboratory River Model. Master’s Thesis, School of Civil and Environmental Engineering, Georgia Institute of Technology, Atlanta, GA, USA, 2005.
Hong, S.; Lee, S.O. Insight of Bridge Scour during Extreme Hydrologic Events by Laboratory Model Studies. KSCE J. Civ. Eng. 2017, 22, 1–9.
Hong, S.; Sturm, T.W. Physical modeling of abutment scour for overtopping, submerged orifice, and free surface flows. In Proceedings of the 5th Conference on Scour and Erosion, San Francisco, CA, USA, 7–10 November 2010.
Hong, S.; Sturm, T.W. Physical model study of bridge abutment and contraction scour under submerged orifice flow conditions. In Proceedings of the 33rd IAHR Congress: Water Engineering for a Sustainable Environment, Vancouver, BC, Canada, 9–14 August 2009.
Fael, C.M.S.; Simarro-Grande, G.; Martin-Vide, J.P.; Cardoso, A.H. Local scour at vertical wall abutments under clear-water flow conditions. Water Res. Res. 2006, 10, 1–12.
Hong, S.; Abid, I. Physical Model Study of Bridge Contraction Scour. KSCE J. Civ. Eng. 2016, 20, 2578–2585.
Lee, S.O.; Sturm, T.W.; Gotvald, A.; Landers, M. Comparison of laboratory and field measurements of bridge pier scour. In Proceedings of the Second International Conference on SCOUR and EROSION-ICSE, Meritus Mandarin, Singapore, 14–17 November 2004; pp. 231–239.
Lee, S.O.; Sturm, T.W. Effect of sediment size scaling on physical modeling of bridge pier scour. J. Hydraul. Eng. 2009, 135, 793–802.
Sheppard, D.; Odeh, M.; Glasser, T. Large Scale Clear-Water Local Pier Scour Experiments. J. Hydraul. Eng. 2004, 130, 957–963.
Ettema, R.; Kirkil, G.; Muste, M. Similitude of large-scale turbulence in experiments on local scour at cylinders. J. Hydraul. Eng. 2006, 132, 33–40.
Hong, S.; Sturm, T.W.; Stoesser, T. Clear Water Abutment Scour in a Compound Channel for Extreme Hydrologic Events. J. Hydraul. Eng. 2015, 141, 1–12.
Hong, S. Prediction of ClearWater Abutment Scour Depth in Compound Channel for Extreme Hydrologic Events. Ph.D. Thesis, School of Civil and Environmental Engineering, Georgia Institute of Technology, Atlanta, GA, USA, 2011.
SonTek. Acoustic Doppler Velocimeter (ADV) Principles of Operation; SonTek Technical Notes; SonTek: San Diego, CA, USA, 2001.
Wu, P.; Hirshifield, F.; Sui, J. ADV measurements of flow field around bridge abutment under ice cover. CGU HS Committee on River Ice Processes and the Environment. In Proceedings of the 17th Workshop on River Ice, Edmonton, AB, Canada, 21 July 2013.
Ben Meftah, M.; Mossa, M. Scour holes downstream of bed sills in low-gradient channels. J. Hydraul. Res. 2006, 44, 497–509.
Chabert, J.; Engeldinger, P. Etude Des Affonillements Author Des Piles Des Ponts; Laboratoire National d’Hydraulique de Chatou: Chatou, France, 1956.
Shen, H.W.; Schneider, V.R.; Karaki, S. Local scour around bridge piers. J. Hydraul. Div. 1969, 95, 1919–1940.
Gaudio, R.; Grimaldi, C.; Tafarojnoruz, A.; Calomino, F. Comparison of formulae for the prediction of scour depth at piers. In Proceedings of the 1st IAHR European Division Congress, Edinburgh, UK, 4–6 May 2010.
Gaudio, R.; Tafarojnoruz, A.; Bartolo, S.D. Sensitivity analysis of bridge pier scour depth predictive formulae. J. Hydroinform. 2013, 15, 939–951.
Ferraro, D.; Tafarojnoruz, A.; Gaudio, R.; Cardoso, A.H. Effects of pile cap thickness on the maximum scour depth at a complex pier. J. Hydraul. Eng. 2013, 139, 482–491.
Melville, B.W. Pier and abutment scour: Integrated approach. J. Hydraul. Eng. 1997, 123, 125–136.
전문가 Q&A: 자주 묻는 질문
Q1: 일반적인 사각 수로가 아닌 특정 강(Towaliga River)의 1:60 축소 모형을 사용한 이유는 무엇인가요?
A1: 실제 하천은 본류와 홍수터로 구성된 복단면 형상과 불규칙한 지형을 가지고 있습니다. 단순화된 사각 수로는 이러한 복잡성을 재현할 수 없습니다. 실제 하천 지형을 그대로 모사함으로써, 본 연구의 결과가 이상적인 실험실 조건을 넘어 실제 현장에 더 가깝게 적용될 수 있도록 신뢰도를 높이기 위함입니다.
Q2: 그림 4에서 자유 흐름과 압력 흐름의 추세선 기울기가 다르게 나타나는 물리적 이유는 무엇인가요?
A2: 압력 흐름(잠김 및 월류) 조건에서는 교량 상판으로 인해 흐름이 수직 방향으로도 압축됩니다. 이는 기존의 수평적 흐름 수축에 더해 추가적인 유속 증가를 유발합니다. 따라서 동일한 유량 수축비(q2/q1)에서도 압력 흐름 조건일 때 ‘추가 세굴’ 효과가 더 크게 나타나 그래프의 기울기가 더 가파르게 되는 것입니다.
Q3: 논문에서 비교한 CSU 공식과 M/S 공식 중, M/S 공식이 지속적으로 더 낮은 세굴 깊이를 예측하는 이유는 무엇인가요? (그림 5 참조)
A3: M/S 공식은 유속과 한계유속의 비(V2/Vc)인 ‘유속 강도 인자’를 포함하여 청수 세굴(clear-water scour) 조건을 고려합니다. 반면, CSU 공식은 주로 이동상 세굴(live-bed scour)을 기반으로 개발되어 이 인자를 1로 가정합니다. 본 연구는 청수 세굴 조건에서 수행되었으므로, M/S 공식이 유속 강도 인자를 반영하여 CSU 공식보다 더 낮은 세굴 깊이를 예측하게 됩니다.
Q4: 실험 7과 8에서 교각 #7을 제거한 것의 의미는 무엇인가요?
A4: 이는 교각 간의 상호작용과 인접한 교각의 존재가 최대 세굴 깊이에 미치는 영향을 질적으로 분석하기 위함이었습니다. 실험 결과, 최대 세굴이 발생하는 ‘위치’는 교각 #7의 유무와 상관없이 교각 #6에서 동일했습니다. 하지만 최대 세굴의 ‘깊이’는 교각 #7이 없을 때 유량 재분배 현상으로 인해 약간 더 깊게 나타났습니다.
Q5: 이 연구에서 ‘흐름 수축에 의한 추가 세굴’은 어떻게 정의되고 계산되었나요?
A5: 이는 측정된 총 최대 세굴 깊이에서 표준 이론적 교각 세굴 공식으로 설명되지 않는 부분을 의미합니다. 구체적으로, 세굴이 가장 깊은 지점의 총 수심(Ym)에서 CSU 공식(dcsu) 또는 M/S 공식(dms)으로 계산된 이론적 교각 세굴 깊이를 빼서 계산했습니다. 이는 논문의 식 (7)과 (8)에 명시되어 있습니다.
결론: 더 높은 품질과 생산성을 위한 길
기존의 교량 세굴 깊이 예측 방법은 극한 홍수와 같은 복잡한 실제 상황을 제대로 반영하지 못하는 명백한 한계를 가지고 있었습니다. 본 연구는 ‘이론적 세굴’과 ‘흐름 수축에 의한 추가 세굴’을 결합하는 포괄적인 접근법을 제시함으로써 이 문제를 해결하는 중요한 돌파구를 마련했습니다. 특히 압력 흐름 조건에서 세굴이 증폭된다는 사실을 정량적으로 밝혀내어, 교량 설계 및 안전 진단의 정확성을 한 차원 높일 수 있는 실질적인 통찰력을 제공합니다.
(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.
연락처 : 02-2026-0442
이메일 : flow3d@stikorea.co.kr
저작권 정보
이 콘텐츠는 “Rupayan Saha” 외 저자의 논문 “A Comprehensive Method of Calculating Maximum Bridge Scour Depth”를 기반으로 한 요약 및 분석 자료입니다.
이 기술 요약은 Nordila, Ahmad 외 저자가 2017년 Pertanika J. Sci. & Technol.에 발표한 논문 “Modelling the Effect of Sediment Coarseness on Local Scour at Wide Bridge Piers”를 기반으로 하며, 기술 전문가를 위해 (주)에스티아이씨앤디 분석하고 요약했습니다.
The Challenge: 기존의 교각 세굴 예측 공식은 광폭 교각(wide bridge piers)의 세굴 심도를 과대평가하여 불필요하고 비용이 많이 드는 기초 공사나 대책을 야기하는 경향이 있었습니다.
The Method: 균일한 퇴적물(입경 0.23mm, 0.80mm)로 채워진 50m 길이의 대형 수조(flume)에서 다양한 폭(0.06m ~ 0.165m)의 원통형 교각 모델을 사용하여 국부 세굴 현상을 물리적으로 모델링했습니다.
The Key Breakthrough: 교각 폭과 퇴적물 입경의 비율(b/d50, 퇴적물 조도)이 세굴 심도에 미치는 영향을 정량적으로 분석하여, 이 비율이 증가할수록 상대적 세굴 심도(ds/b)가 감소하는 경향을 확인하고 새로운 예측 방정식을 제안했습니다.
The Bottom Line: 본 연구는 퇴적물 조도를 핵심 변수로 고려하여 광폭 교각의 세굴 심도를 더 정확하게 예측할 수 있는 방정식을 제공함으로써, 교량 설계의 경제성과 안전성을 동시에 향상시킬 수 있는 길을 열었습니다.
Table 1 Summary of experimental results for the present study
The Challenge: Why This Research Matters for CFD Professionals
교량의 안전성은 교각 주변의 국부 세굴(local scour) 현상에 크게 좌우됩니다. 특히 유속이 느리고 수심이 얕은 곳에 설치되는 광폭 교각의 경우, 기존의 경험적 세굴 예측 공식들이 실제보다 세굴 깊이를 과대평가하는 문제가 지속적으로 제기되어 왔습니다. 이는 실험실 데이터에 기반한 공식들이 대형 구조물에 그대로 적용될 때 발생하는 오차 때문입니다. 이러한 과대 예측은 교량 기초 공사에 불필요한 비용을 발생시키고, 과도한 보강 대책을 수립하게 만드는 원인이 됩니다. 따라서 실제 현상에 더 가까운, 특히 퇴적물의 특성을 고려한 정밀한 세굴 예측 모델의 개발은 토목 및 수리 공학 분야의 중요한 과제였습니다.
The Approach: Unpacking the Methodology
본 연구는 말레이시아 국립수리연구소(NAHRIM)의 대규모 수리 실험 시설을 활용하여 수행되었습니다. 실험의 핵심 내용은 다음과 같습니다.
실험 장비: 길이 50.0m, 폭 1.5m, 깊이 2.0m의 대형 수조(flume)를 사용했으며, 중앙에는 0.4m 깊이의 퇴적물 구간을 설치했습니다.
퇴적물 조건: 두 종류의 균일한 무점착성 퇴적물을 사용했습니다. 중간 입경(d50)은 각각 0.23mm와 0.80mm였으며, 이는 상대적으로 고운 퇴적물과 거친 퇴적물을 대표합니다.
교각 모델: 직경이 0.06m, 0.076m, 0.102m, 0.140m, 0.165m인 5개의 원통형 교각 모델을 사용하여 교각 폭의 영향을 평가했습니다.
흐름 조건: 모든 실험은 퇴적물 입자가 움직이기 시작하는 한계 유속(Critical velocity, Uc)에 가까운 유속(U/Uc ≈ 0.95)의清水(clear-water) 조건에서 수행되었습니다. 이는 세굴이 주로 교각 주변의 흐름 변화에 의해 발생하는 조건을 모사한 것입니다.
연구팀은 이러한 통제된 조건 하에서 각 교각 모델과 퇴적물 조합에 따른 세굴 구멍의 시간적 발달 과정과 최종 평형 세굴 심도를 정밀하게 측정했습니다.
The Breakthrough: Key Findings & Data
실험을 통해 퇴적물 조도(sediment coarseness, b/d50)가 광폭 교각의 세굴 발달 및 최종 깊이에 미치는 영향에 대한 중요한 발견을 도출했습니다.
Finding 1: 세굴 발달의 3단계 과정 확인
본 연구는 유속 강도 U/Uc = 0.95 조건에서 세굴 발달이 뚜렷한 3단계, 즉 (i) 초기 단계, (ii) 주 침식 단계, (iii) 평형 단계를 거치는 것을 확인했습니다. 특히 주 침식 단계에서 퇴적물 조도(b/d50) 값에 따라 두 가지 다른 침식 양상이 관찰되었습니다.
고운 퇴적물 (b/d50 > 230): 교각 전면의 강한 하강류(downflow)로 인해 세굴이 깊어집니다. 하강류가 세굴 구멍 바닥에 부딪히며 말굽 와류(horseshoe vortex)를 형성하고, 이 와류의 강도가 세굴 깊이에 따라 변화하며 침식 영역의 범위가 조절되는 현상이 관찰되었습니다.
거친 퇴적물 (b/d50 < 230): 상대적으로 퇴적물 입자가 커서 하강류에 의한 침식이 덜 활발하며, 최종 세굴 깊이도 더 얕게 형성되었습니다.
Finding 2: 퇴적물 조도(b/d50)와 평형 세굴 심도의 관계 정립
연구의 가장 핵심적인 결과는 퇴적물 조도(b/d50)와 무차원 평형 세굴 심도(ds/b) 사이의 관계를 명확히 규명한 것입니다.
Figure 4에 나타난 바와 같이, b/d50 값이 증가함에 따라 평형 세굴 심도는 특정 지점(b/d50 ≈ 330)까지 증가하다가 그 이후로는 점차 감소하는 경향을 보였습니다. 이는 교각 폭에 비해 퇴적물이 매우 고와지면 세굴이 오히려 억제될 수 있음을 시사합니다.
이 결과를 바탕으로, 연구팀은 b/d50 값의 범위에 따라 평형 세굴 심도를 예측할 수 있는 두 개의 새로운 상부 포락선 방정식(upper envelope equations)을 제안했습니다.
이 방정식들은 기존 연구 데이터와 비교했을 때, 광폭 교각의 세굴 심도를 과소평가 없이 더 정확하게 예측하는 것으로 나타났습니다(Figure 6).
Practical Implications for R&D and Operations
For Hydraulic/Civil Design Engineers: 이 연구는 교량 설계 시 퇴적물의 입경을 중요한 설계 변수로 고려해야 함을 명확히 보여줍니다. 제안된 방정식을 활용하면 특정 하천 조건(퇴적물 크기)에 맞는 광폭 교각의 세굴 심도를 더 정밀하게 예측하여, 과잉 설계를 피하고 경제적인 기초 설계를 수행할 수 있습니다.
For Structural Integrity Analysts: 세굴 심도 예측의 정확도 향상은 교량의 장기적인 안정성 평가에 직접적으로 기여합니다. 특히 b/d50 비율이 큰(매우 고운 퇴적물) 환경에서는 세굴이 특정 수준 이상으로 발달하지 않을 수 있다는 점을 고려하여 유지보수 및 보강 계획을 최적화할 수 있습니다.
For CFD Simulation Specialists: 본 연구에서 제공된 상세한 물리 모델 실험 데이터(Figure 1의 시간별 세굴 데이터 등)는 CFD 모델의 검증(validation)을 위한 귀중한 자료로 활용될 수 있습니다. 특히 말굽 와류의 거동과 퇴적물 이동을 모사하는 수치 모델의 정확도를 높이는 데 기여할 수 있습니다.
Paper Details
Modelling the Effect of Sediment Coarseness on Local Scour at Wide Bridge Piers
1. Overview:
Title: Modelling the Effect of Sediment Coarseness on Local Scour at Wide Bridge Piers
Author: Nordila, Ahmad; Thamer, Mohammad; Melville, Bruce W.; Faisal, Ali; Badronnisa, Yusuf
Year of publication: 2017
Journal/academic society of publication: Pertanika Journal of Science & Technology
본 논문은 두 종류의 균일한 퇴적물 바닥에 설치된 원통형 광폭 교각 주변의 세굴에 대한 물리적 모델 실험 데이터를 제시한다. 퇴적물 입경과 다양한 교각 폭이 광폭 교각의 세굴 발달 및 평형 세굴 심도에 미치는 영향을 기술한다. 기존 문헌들은 실험실 데이터에 기반한 경험적 세굴 예측 공식이 대형 구조물의 세굴 심도를 과대 예측한다고 제안한다. 본 연구는 원통형 광폭 교각에 대한 이러한 격차를 메우고자 시도했다. 더 나아가, 균일한 퇴적물에 설치된 광폭 원통형 교각의 무차원 최대 세굴 심도를 퇴적물 조도의 함수로 추정하기 위한 방정식들이 제안되었다.
3. Introduction:
많은 연구가 교량 교각의 최대 세굴 심도를 개발하는 것을 목표로 수행되어 왔다. 그러나 광폭 교각의 세굴 심도 측정에 대한 연구는 제한적이다. 광폭 교각은 얕은 수로에 위치하며 유속이 느리고, 프루드 수(Froude number) < 0.8에 대해 y/b < 0.8로 정의된다. 기존 연구들은 b/d50, 즉 퇴적물 조도 매개변수가 광폭 교각의 평형 국부 세굴 심도에 상당한 영향을 미친다는 것을 보여주었다. 문헌의 예측 방정식들은 대형 및 소형 교각 모두를 대상으로 하므로, 이러한 교각에서 국부 세굴을 과대 예측하게 되어 불필요하고 비용이 많이 드는 기초 공사나 대책을 사용하게 만든다. 따라서 본 연구는 두 가지 균일한 퇴적물 크기와 다섯 개의 교각 모델을 사용하여 퇴적물 조도(b/d50)의 효과를 조사하기 위해 실험실에서 국부 교각 세굴 실험을 수행했다.
4. Summary of the study:
Background of the research topic:
교량의 안전성을 위협하는 주요 요인 중 하나는 교각 주변의 국부 세굴 현상이다. 특히 교각 폭이 수심에 비해 상대적으로 넓은 ‘광폭 교각’의 경우, 기존의 세굴 예측 공식이 실제보다 과도한 세굴 깊이를 예측하는 경향이 있어 설계의 비경제성을 초래했다.
Status of previous research:
Johnson & Torrico (1994), Arneson et al. (2012), Sheppard et al. (2004), Lee & Sturm (2009) 등 다수의 연구에서 광폭 교각의 세굴 특성과 퇴적물 크기(b/d50)의 중요성을 지적했다. 그러나 대부분의 공식은 여전히 실제 대형 구조물의 세굴을 과대평가하는 한계를 가지고 있었다.
Purpose of the study:
본 연구의 목적은 광폭 원통형 교각에서 퇴적물 조도(b/d50)가 국부 세굴 발달 및 평형 세굴 심도에 미치는 영향을 실험적으로 규명하고, 이를 바탕으로 더 정확한 세굴 심도 예측 방정식을 개발하는 것이다.
Core study:
두 종류의 퇴적물(d50 = 0.23mm, 0.80mm)과 다섯 가지 직경의 교각 모델을 사용하여 총 10회의 수리 실험을 수행했다. 시간 경과에 따른 세굴 구멍의 발달 과정과 최종 평형 세굴 심도를 측정하고, 이를 무차원 변수인 퇴적물 조도(b/d50)와 상대 세굴 심도(ds/b)의 관계로 분석했다.
5. Research Methodology
Research Design:
대규모 수조(flume)를 이용한 물리적 모델링 실험으로 설계되었다. 교각 직경(b)과 퇴적물 입경(d50)을 주요 변수로 설정하고, 흐름 조건(U/Uc ≈ 0.95)은 일정하게 유지하여 변수의 영향을 명확히 분석하고자 했다.
Data Collection and Analysis Methods:
시간 경과에 따른 세굴 깊이(ds)를 측정하여 세굴 발달 과정을 기록했다. 최종 평형 상태에 도달했을 때의 최대 세굴 심도를 측정하여 데이터를 수집했다. 수집된 데이터는 무차원 변수(ds/b, b/d50)로 변환하여 그래프로 분석하고, 다른 연구자들의 데이터와 비교 분석하여 새로운 예측 방정식을 도출했다.
Research Topics and Scope:
연구는 원통형 광폭 교각, 균일한 무점착성 퇴적물, 그리고 퇴적물 이동이 막 시작되는 한계 유속 조건(clear-water scour)에 국한된다.
6. Key Results:
Key Results:
세굴 발달은 초기, 주 침식, 평형의 3단계로 구분되며, 퇴적물 조도(b/d50)에 따라 침식 양상이 달라진다.
상대 평형 세굴 심도(ds/b)는 퇴적물 조도(b/d50)가 증가함에 따라 감소하는 전반적인 경향을 보인다.
b/d50 ≈ 330에서 최대 세굴 심도가 관찰되었으며, 이보다 값이 커지면 세굴 심도는 오히려 감소했다.
퇴적물 조도(b/d50)를 기반으로 평형 세굴 심도를 예측하는 두 개의 연속적인 상부 포락선 방정식을 개발했다.
Figure 3. b = 140 mm, d50 = 0.80 mm, b/d50 = 175, U/Uc = 0.95
Figure Name List:
Figure 1. Normalised local scour depth (ds/b) versus time at the same value of b in sediment beds of d50=0.23 and 0.80 mm
Figure 2. b = 140 mm, d50 = 0.23 mm, b/d50 = 609, U/Uc = 0.95
Figure 3. b = 140 mm, d50 = 0.80 mm, b/d50 = 175, U/Uc = 0.95
Figure 4. Equilibrium scour depth versus b/d50 for the present study
Figure 5. Effect of b/d50 on ds/b
Figure 6. Comparison of observed values of ds/b around wide piers with those predicted using Equation [1] and Equation [2]
7. Conclusion:
본 연구는 유속 강도 U/Uc = 0.95 조건에서 새로운 실험 데이터를 통해 국부 세굴 심도의 시간적 및 공간적 발달을 보여주었다. 광폭 교각에서의 국부 세굴 심도가 세굴 구멍 발달 및 퇴적물 조도에 미치는 영향이 제시되었다. 상대 세굴 심도(dse/b)는 퇴적물 조도 값이 증가함에 따라 감소하는 것으로 나타났다. b/d50 값에 따라 교각 세굴 심도를 예측하는 두 개의 연속적인 상부 포락선 방정식이 개발되었다. b/d50 값이 클 때 dse/b 값이 감소하는 것이 입증되었으며, 이는 대형 수조를 사용한 실험 결과 및 이전 연구자들의 발견과 일치했다.
8. References:
Arneson, L. A., Zevenbergen, L. W., Lagasse, P. F., & Clopper, P. E. (2012). Evaluating scour at bridges (4th Ed.). Hydraulic Engineering Circular No. 18 (HEC-18). Federal Highway Administration, Washington, DC.
Ettema, R., (1980). Scour around bridge piers. Report No. 216, University of Auckland, Auckland, New Zealand.
Ettema, R., Kirkil, G., & Muste, M. (2006). Similitude of large-scale turbulence in experiments on local scour at cylinders. Journal of Hydraulic Engineering, 132(1), 33-40.
Johnson, P. A., & Torrico, E. F. (1994). Scour around wide piers in shallow water. Transportation Research Record, (1471), 66-70.
Johnson, P. A. (1999). Scour at Wide Piers Relative to Flow Depth, Stream Stability and Scour at Highway Bridges. In E. V. Richardson & P. F. Lagasse (Eds.), Compendium of ASCE Conference Papers (pp. 280–287).
Jones, J., & Sheppard, D. (2000). Scour at wide bridge pier (pp. 1-10). Federal Highway Administration, Turner-Fairbank Highway Research Center, McLean, Virginia.
Junliang, T., & Xiong, Y. (2014). Flow and Scour Patterns around Bridge Piers with Different Configurations: Insights from CFD Simulations. In Geo-Congress 2014 Technical Papers: Geo-characterization and Modeling for Sustainability (pp. 2655-2664). ASCE.
Kirkil, G., Constantinescu, S. G., & Ettema, R., (2008). Coherent structures in the flow field around a circular cylinder with scour hole. Journal of Hydraulic Engineering, 134(5), 572–587.
Lança, R. M., Fael, C. S., Maia, R. J., Pêgo, J. P., & Cardoso, A. H. (2013). Clear-water scour at comparatively large cylindrical piers. Journal of Hydraulic Engineering, 139(11), 1117-1125.
Lee, S. O., & Sturm, T. W. (2009). Effect of sediment size scaling on physical modeling of bridge pier scour. Journal of Hydraulic Engineering, 135(10), 793-802.
Melville, B. W., & Coleman, S. E., (2000). Bridge Scour. United States of America, USA: Water Resources Publications.
Melville, B.W., (1975). Local scour at bridge sites. Report No.117. School of Engineering, University of Auckland, New Zealand.
Melville, B. W. (2008). The physics of Local Scour at Bridge Piers. In Fourth International Conference on Scour and Erosion (pp. 28-38). Tokyo.
Nicolet, G. (1971). Deformation des lits alluvionaires affouillements autor des piles se ponts cylindriques. Report No. HC 043 684. Laboratoire National d’Hydraulique, Chatou, France.
Sheppard, D. M., Huseyin, D., & Melville, B. W. (2011). Scour at wide piers and long skewed piers. Report (National Cooperative Highway Research Program); 682. Washington, D.C.: Transportation Research Board.
Sheppard, D. M., Melville, B., & Demir, H. (2013). Evaluation of existing equations for local scour at bridge piers. Journal of Hydraulic Engineering, 140(1), 14-23.
Sheppard, D. M., & Miller, J. W. (2006). Live-bed local pier scour experiments. Journal of Hydraulic Engineering, 132(7), 635-642.
Sheppard, D. M., Odeh, M., & Glasser, T. (2004). Large scale clear-water local pier scour experiments. Journal of Hydraulic Engineering, 130(10), 957-963.
Expert Q&A: Your Top Questions Answered
Q1: 실험에서 흐름 강도(U/Uc)를 0.95로 설정한 특별한 이유가 있나요?
A1: 흐름 강도를 0.95로 설정한 것은 ‘清水 세굴(clear-water scour)’ 조건, 즉 상류로부터 유입되는 퇴적물 없이 순수하게 교각 주변의 흐름 변화만으로 세굴이 발생하는 조건을 모사하기 위함입니다. 이 값은 퇴적물 입자가 움직이기 시작하는 한계점에 매우 가까운 상태로, 교각으로 인한 국부적인 유속 증가 및 와류 효과를 가장 극명하게 관찰할 수 있는 최적의 조건입니다. 실제 교량 환경에서도 홍수 초기 단계 등에서 유사한 조건이 발생할 수 있습니다.
Q2: 퇴적물 조도(b/d50)가 특정 값(약 330)을 넘어서자 세굴 심도가 오히려 감소하는 이유는 무엇인가요? (Figure 4 참조)
A2: 이는 교각 폭(b)에 비해 퇴적물 입자(d50)가 매우 작아지는 경우에 발생하는 현상입니다. 논문에 따르면, b/d50 값이 매우 크다는 것은 상대적으로 고운 퇴적물을 의미합니다. 이 경우, 교각 주변에서 발생하는 하강류와 말굽 와류의 에너지가 세굴 구멍을 깊게 파는 데 효과적으로 작용합니다. 하지만 일정 수준을 넘어서면, 세굴 구멍의 경사면 안정성이나 와류 구조의 변화 등 다른 물리적 메커니즘이 작용하여 세굴 심도의 증가를 억제하는 것으로 해석됩니다. 이는 더 큰 교각에서 국부적인 상류부 침식이 세굴 발달에 영향을 미치는 것과도 관련이 있습니다.
Q3: 본 연구에서 제안된 두 개의 예측 방정식이 b/d50 = 37을 기준으로 나뉘는 이유는 무엇인가요?
A3: Figure 5에 제시된 기존 연구 데이터들을 포함한 전체 데이터 분포를 보면, b/d50 = 37 근방에서 데이터의 경향성이 변하는 것을 관찰할 수 있습니다. 이는 퇴적물이 교각 폭에 비해 상대적으로 ‘거친(coarse)’ 영역에서 ‘중간(intermediate)’ 영역으로 넘어가는 물리적 특성의 변화를 반영하는 것으로 보입니다. 따라서 연구진은 전체 데이터의 경향을 가장 잘 대표할 수 있는 두 개의 연속적인 함수로 모델을 나누어 예측의 정확도를 높였습니다.
Q4: 이 연구 결과는 원통형 교각에만 적용되나요? 사각형이나 다른 형태의 교각에도 적용할 수 있을까요?
A4: 본 연구는 명시적으로 ‘원통형(cylindrical)’ 교각 모델을 사용하여 수행되었으므로, 제안된 방정식들은 원통형 교각에 가장 적합합니다. 교각의 형태는 주변 흐름 구조, 특히 말굽 와류와 후류(wake)의 특성을 크게 변화시키므로 사각형이나 유선형 교각에는 다른 보정 계수가 필요하거나 별도의 연구가 요구됩니다. 하지만 퇴적물 조도(b/d50)가 세굴에 중요한 영향을 미친다는 근본적인 물리 현상은 다른 형태의 교각에서도 유사하게 나타날 것으로 예상할 수 있습니다.
Q5: 이 연구는 실험실 규모의 실험인데, 실제 대규모 하천에 직접 적용할 때 주의할 점은 무엇인가요?
A5: 본 연구는 대규모 수조를 사용했지만, 실제 하천의 복잡성에 비하면 여전히 통제된 환경입니다. 실제 하천에 적용할 때는 불규칙한 하상 형태, 식생의 영향, 흐름의 비정상성(unsteadiness), 그리고 불균일한 퇴적물 분포 등 축척 효과(scale effects)와 현장의 복잡성을 고려해야 합니다. 따라서 제안된 방정식은 예비 설계나 기본 분석 단계에서 유용한 도구가 될 수 있으며, 최종 설계에서는 현장 데이터나 정밀한 3차원 수치 모델링(CFD)을 통한 검증이 병행되는 것이 바람직합니다.
Conclusion: Paving the Way for Higher Quality and Productivity
기존 예측 모델의 한계로 인해 발생했던 광폭 교량 교각 세굴 심도의 과대평가 문제는 교량 설계의 경제성과 효율성을 저해하는 요인이었습니다. 본 연구는 퇴적물 조도(b/d50)라는 핵심 물리적 변수를 통해 이 문제에 대한 명확한 해답을 제시했습니다. 실험을 통해 퇴적물 조도가 증가할수록 상대적 세굴 심도가 감소하는 경향을 정량적으로 입증하고, 이를 기반으로 한 새로운 예측 방정식을 개발함으로써 교량 설계의 정확도를 한 단계 끌어올렸습니다.
이러한 연구 결과는 더 안전하고 경제적인 교량 인프라 구축에 직접적으로 기여하며, 토목 수리 공학 분야의 기술 발전을 이끄는 중요한 이정표가 될 것입니다.
(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.
연락처 : 02-2026-0442
이메일 : flow3d@stikorea.co.kr
Copyright Information
This content is a summary and analysis based on the paper “Modelling the Effect of Sediment Coarseness on Local Scour at Wide Bridge Piers” by “Nordila, Ahmad et al.”.
이 기술 요약은 Len Wright 외 저자가 Mitig Adapt Strateg Glob Change (2012)에 발표한 학술 논문 “Estimated effects of climate change on flood vulnerability of U.S. bridges”를 기반으로 합니다. STI C&D가 기술 전문가를 위해 분석하고 요약했습니다.
도전 과제: 기후 변화로 인한 강수 강도 증가는 하천 홍수와 교량 세굴(scour)을 유발하여 미국 내 수많은 교량의 구조적 안전성을 위협하고 있습니다.
연구 방법: 4개의 기후 모델(GCM)과 3개의 온실가스 배출 시나리오를 사용하여 100년 주기 최대 유량을 예측하고, 이를 미국 국립 교량 인벤토리(NBI) 데이터와 결합하여 취약한 교량을 식별했습니다.
핵심 발견: 21세기 후반까지 10만 개 이상의 미국 교량이 붕괴 위험에 취약해질 수 있으며, 이를 보강하기 위한 적응 비용은 최대 2,500억 달러에 이를 수 있습니다.
핵심 결론: 치명적인 붕괴를 막고 막대한 미래 비용을 관리하기 위해서는 교량과 같은 핵심 인프라에 대한 선제적인 취약성 평가와 적응 전략이 필수적입니다.
도전 과제: 이 연구가 CFD 전문가에게 중요한 이유
미국 전역의 도로 교량은 국가 교통 시스템의 핵심 요소입니다. 그러나 기후 변화는 이러한 핵심 인프라에 심각한 위협이 되고 있습니다. IPCC(기후 변화에 관한 정부 간 협의체)는 극한 강수 현상의 강도가 증가하고 있으며, 이는 미래에 더욱 심화될 가능성이 매우 높다고 보고했습니다.
강수 강도의 증가는 하천 유량의 증가로 이어져 교량의 기초를 지지하는 하상 물질을 침식시키는 ‘세굴(scour)’ 현상을 악화시킵니다. 실제로 미국에서 발생하는 대부분의 교량 붕괴는 세굴과 관련이 있습니다. 이러한 상황은 기존의 설계 기준이 더 이상 미래의 기후 조건을 반영하지 못할 수 있음을 의미하며, 이는 곧 잠재적인 재앙으로 이어질 수 있습니다. 따라서 어떤 교량이 위험에 처해 있는지, 그리고 이를 해결하기 위해 얼마의 비용이 필요한지를 정량적으로 파악하는 것이 시급한 과제입니다.
Fig. 1 Location of 2-digit HUCs. Region 1, New England; Region 2, Mid-Atlantic; Region 3, South AtlanticGulf; Region 4, Great Lakes; Region 5, Ohio; Region 6, Tennessee; Region 7, Upper Mississippi; Region 8, Lower Mississippi; Region 9, Souris-Red-Rainy; Region 10, Missouri; Region 11, Arkansas-White-Red; Region 12, Texas-Gulf; Region 13, Rio Grande; Region 14, Upper Colorado; Region 15, Lower Colorado; Region 16, Great Basin; Region 17, Pacific Northwest; Region 18, California. Source: USGS 2009
접근 방식: 연구 방법론 분석
본 연구는 미국 본토의 교량이 기후 변화로 인한 담수 홍수 증가에 얼마나 취약한지를 평가하기 위해 포괄적인 상향식(top-down) 분석을 수행했습니다.
기후 및 수문 데이터 통합: 4개의 주요 GCM(General Circulation Models)과 3개의 온실가스(GHG) 배출 시나리오(A2, A1B, B1)의 일일 강수량 데이터를 활용했습니다. 이 데이터를 미국 지질조사국(USGS)의 2,097개 유역(8-digit HUC)에 적용하여 100년 주기 24시간 설계 강우에 대한 최대 유량 변화를 추정했습니다.
교량 인벤토리 결합: 연방 고속도로국(FHWA)의 국립 교량 인벤토리(NBI) 데이터베이스를 사용하여 미국 내 50만 개 이상의 교량 정보를 분석했습니다. 각 교량은 현재 상태(결함 있음/양호함)와 하상 토양 유형(모래질/비모래질)에 따라 분류되었습니다.
취약성 평가: 예측된 최대 유량 증가율을 기반으로 각 교량 범주별 취약성 임계값을 설정했습니다. 예를 들어, ‘결함이 있는’ 교량은 유량이 20%만 증가해도 취약해지는 것으로 간주되었고, ‘양호한’ 상태의 모래질 토양 위 교량은 유량이 100% 증가해야 취약해지는 것으로 설정되었습니다.
비용 분석: 취약한 교량을 보강하는 데 필요한 적응 비용을 두 기간(2010-2055년, 2055-2090년)으로 나누어 산출했습니다. 비용은 유량 증가 수준에 따라 립랩(riprap) 설치 또는 교각 및 교대 보강으로 구분하여 추정되었습니다.
핵심 발견: 주요 결과 및 데이터
결과 1: 10만 개 이상의 교량이 홍수 위험에 노출
분석 결과, 기후 변화로 인해 위험에 처할 교량의 수는 수만에서 십만 개 이상에 달하는 것으로 나타났습니다. 위험에 처한 교량의 수는 시간과 배출 시나리오에 따라 크게 달라집니다.
2055년까지: 배출 시나리오에 따라 48,000개에서 96,000개의 교량이 위험에 처할 것으로 예측됩니다. (그림 3 참조)
2090년까지: 위험에 처한 교량의 수는 66,000개에서 최대 117,000개로 증가하며, 이는 수면 위 전체 교량의 약 25%에 해당하는 수치입니다. (표 3 및 그림 4 참조)
가장 높은 온실가스 배출 시나리오(A2)는 가장 많은 수의 교량을 위험에 빠뜨리는 결과를 초래했습니다. 이는 온실가스 배출 수준이 인프라 안전에 직접적인 영향을 미친다는 것을 명확히 보여줍니다.
결과 2: 최대 2,500억 달러에 달하는 막대한 적응 비용
취약한 교량을 기후 변화에 적응시키는 데 드는 국가적 총비용은 21세기 동안 약 1,400억 달러에서 2,500억 달러에 이를 것으로 추정됩니다.
시나리오별 비용 차이: 가장 높은 배출 시나리오(A2)의 적응 비용은 가장 낮은 시나리오(B1)보다 약 40% 더 높았습니다. (표 4 참조)
선제적 조치의 효과: 현재 ‘결함이 있는’ 것으로 분류된 약 129,000개의 교량을 기후 변화의 영향이 현실화되기 전에 수리할 경우, 총 적응 비용을 약 27%~30%까지 절감할 수 있는 것으로 나타났습니다. (그림 5 참조)
이는 현재의 인프라 유지보수 결정이 미래의 기후 변화 적응 비용에 막대한 영향을 미친다는 것을 시사합니다.
R&D 및 운영을 위한 실질적 시사점
이 연구는 대규모 스크리닝 분석이지만, 현장의 엔지니어와 관리자에게 중요한 전략적 통찰을 제공합니다.
토목/구조 엔지니어: 본 연구는 기존의 100년 주기 홍수와 같은 설계 기준이 미래의 기후 조건에서는 더 이상 유효하지 않을 수 있음을 경고합니다. 특히, 교량 세굴 방지 설계에 있어 더욱 보수적인 접근이 필요하며, 이 연구에서 사용된 수문학적 모델링을 넘어선 상세한 CFD 해석을 통해 특정 교량 위치에서의 유체 흐름과 세굴 깊이를 정밀하게 예측하는 것이 중요합니다.
인프라 기획 및 정책 입안자: 이 연구의 데이터는 인프라 투자 우선순위를 정하는 데 정량적 근거를 제공합니다. 특히 지역별 취약성 지도(그림 3, 4)는 한정된 예산을 가장 시급한 곳에 배분하는 데 도움이 될 수 있습니다. 또한, 현재 결함이 있는 교량에 대한 선제적 유지보수가 장기적으로 상당한 비용 절감 효과를 가져온다는 점은 중요한 정책적 시사점입니다.
품질 및 리스크 관리팀: 이 연구에서 제시된 ‘위험 지수’ 접근 방식은 교량 외 다른 인프라 자산의 기후 변화 취약성을 평가하는 데에도 적용될 수 있습니다. 이는 물리적 자산에 대한 기후 변화의 재무적 리스크를 평가하고 관리하는 데 중요한 기초 자료가 됩니다.
논문 상세 정보
Estimated effects of climate change on flood vulnerability of U.S. bridges
1. 개요:
제목: Estimated effects of climate change on flood vulnerability of U.S. bridges
저자: Len Wright, Paul Chinowsky, Kenneth Strzepek, Russell Jones, Richard Streeter, Joel B. Smith, Jean-Marc Mayotte, Anthony Powell, Lesley Jantarasami, William Perkins
발행 연도: 2012
학술지: Mitigation and Adaptation Strategies for Global Change
우리는 기후 변화로 인한 하천 홍수 증가가 미국 본토의 교량에 미치는 잠재적 영향을 평가했습니다. 4개의 기후 모델과 3개의 온실가스(GHG) 배출 시나리오(A2, A1B, B1)의 일일 강수 통계를 사용하여 잠재적인 기후 변화 범위를 포착했습니다. 일일 최대 강수량의 변화를 이용하여 2,097개 유역에 대한 100년 주기 최대 유량의 변화를 추정했습니다. 이 추정치는 국립 교량 인벤토리 데이터베이스의 정보와 결합되어 교량 세굴 취약성의 변화를 추정하는 데 사용되었습니다. 결과는 강수 강도 증가로 인해 미국 교량에 상당한 잠재적 위험이 있을 수 있음을 나타냅니다. 약 129,000개의 교량이 현재 결함이 있는 것으로 밝혀졌습니다. 수만에서 10만 개 이상의 교량이 취약해질 수 있습니다.
3. 서론:
미국의 도로 교량은 국가 교통 시스템의 핵심 구성 요소입니다. 기후 변화는 해수면 상승으로 인한 해안 인프라 침수, 폭염으로 인한 도로 변형, 그리고 내륙 인프라의 홍수 등 다양한 방식으로 교통 인프라에 영향을 미칠 수 있습니다. 본 연구의 목표는 일반 순환 모델(GCM)이 예측하는 강수량 변화가 교량의 수명 주기를 단축시킬 수 있는 수문학적 및 수리학적 체계의 변화를 초래할 수 있는지 판단하는 것입니다. 특히, 기후 변화로 인한 내륙 홍수 증가로 인해 미국 본토의 교통 인프라가 부정적인 영향을 받을 수 있는 지역을 식별하고, 위험에 처한 인프라를 적응시키는 데 드는 비용의 규모를 추정하고자 합니다.
4. 연구 요약:
연구 주제의 배경:
기후 변화는 극한 강수 현상의 강도를 증가시켜 하천 홍수의 위험을 높입니다. 이는 교량의 기초를 약화시키는 세굴 현상을 유발하여 국가의 핵심 교통 인프라인 교량의 안전을 위협합니다.
이전 연구 현황:
교통 인프라에 대한 기후 변화 적응에 관한 기존 문헌은 대부분 정성적이었으나, 최근 알래스카와 아프리카의 도로 인프라에 대한 비용을 추정한 연구(Larsen et al. 2008; Chinowsky et al. 2011b)들이 등장하기 시작했습니다. 교량 세굴은 교량 붕괴의 주요 원인으로 오랫동안 연구되어 왔습니다.
연구 목적:
본 연구는 기후 변화로 인한 홍수 증가에 취약할 수 있는 미국 내 교량의 수를 추정하고, 이들 교량을 보호하기 위한 적응 비용을 산출하는 것을 목표로 합니다.
핵심 연구:
4개의 기후 모델과 3개의 배출 시나리오를 사용하여 미래의 100년 주기 최대 유량을 예측했습니다. 이 수문학적 예측을 국립 교량 인벤토리 데이터와 결합하여, 교량의 현재 상태와 위치한 토양 유형에 따라 세굴 취약성을 평가하고, 이를 기반으로 적응 비용을 추정하는 전국적인 스크리닝 수준의 분석을 수행했습니다.
5. 연구 방법론
연구 설계:
미국 본토 전체를 대상으로 한 정량적, 상향식(top-down) 스크리닝 연구입니다.
데이터 수집 및 분석 방법:
기후 데이터: 4개 GCM(CNRM-CM3, CCCMA-CGCM 3, GFDL-CM2.0, HADCM3)의 일일 강수량 데이터를 사용했습니다.
수문 분석: Log Pearson Type III 분포를 사용하여 100년 주기 강수량을 계산하고, 농무부의 TR-20 모델을 기반으로 한 방법을 사용하여 이를 최대 유량으로 변환했습니다.
교량 데이터: 연방 고속도로국(FHWA)의 2008년 국립 교량 인벤토리(NBI) 데이터를 사용했습니다.
취약성 평가: 교량을 ‘결함 있음/양호함’ 및 ‘모래질/비모래질 토양’으로 분류하고, 전문가 판단에 기반한 유량 증가 임계값을 적용하여 취약성을 판단했습니다.
비용 분석: RSMeans 2008의 건설 비용 데이터를 기반으로 립랩 설치 및 교각/교대 보강 비용을 산출했습니다.
연구 주제 및 범위:
공간적 범위: 미국 본토(lower 48 states).
시간적 범위: 2010-2055년과 2055-2090년 두 기간에 대한 예측.
분석 대상: NBI에 등록된 수면 위 교량.
주요 변수: 100년 주기 24시간 최대 유량, 교량 상태, 토양 유형, 적응 비용.
6. 주요 결과:
주요 결과:
기후 변화로 인해 2090년까지 최대 117,000개의 교량이 홍수에 취약해질 수 있으며, 이는 수면 위 전체 교량의 약 25%에 해당합니다.
21세기 동안 취약한 교량을 보강하는 데 필요한 누적 비용은 약 1,400억 달러에서 2,500억 달러로 추정됩니다.
온실가스 배출량이 많을수록 더 많은 교량이, 더 빨리 취약해지며, 적응 비용도 더 높아집니다.
현재 결함이 있는 교량을 선제적으로 수리하면 미래의 총 적응 비용을 약 30% 절감할 수 있습니다.
지역별로 취약성 편차가 크며, 동부 지역에서 취약한 교량의 절대 수가 더 많지만, 서부 일부 지역에서는 위험에 처한 교량의 비율이 더 높게 나타났습니다.
Figure 목록:
Fig. 1 Location of 2-digit HUCs.
Fig. 2 Number and percentage of currently deficient bridges in the United States by 2-digit HUC.
Fig. 5 Costs for adapting deficient bridges to climate change by time period and scenario.
7. 결론:
본 연구는 기후 변화가 미국의 교량 인프라에 미칠 수 있는 심각한 잠재적 영향을 보여줍니다. 10만 개 이상의 교량이 위험에 처할 수 있으며, 이를 해결하기 위한 적응 비용은 수천억 달러에 달할 수 있습니다. 취약성과 적응 비용은 온실가스 배출량과 인프라 관리 방식에 민감하게 반응합니다. 특히, 현재 결함이 있는 교량을 개선하는 결정은 미래의 적응 비용을 약 30%까지 줄일 수 있습니다. 이 연구 결과는 많은 한계점을 가지고 있지만, 미국 교량이 기후 변화의 영향으로 상당한 위험에 처할 수 있음을 분명히 나타냅니다. 이 분석 프레임워크는 다른 국가 및 지역의 잠재적 영향을 평가하는 데에도 활용될 수 있습니다.
8. 참고 문헌:
ASCE (1992) Design and construction of urban stormwater management systems. American Society of Civil Engineers Manual of Practice No. 77
Ashley R, Blanksby J, Cashman A, Jack L, Wright G, Packman J, Fewtrell L, Poole A (2009) Adaptable urban drainage – addressing change in intensity. http://www.atypon-link.com/ALEX/doi/pdf/10.2148/benv.33.1.70?cookieSet=1. Cited 18 Oct 2010
AUSTROADS (2004) Impact of climate change on road infrastructure. Austroads Publication No. AP – R243/04, Sydney, Australia
Bedient P, Huber W, Vieux BE (2008) Hydrology and floodplain analysis, 4th edn. Prentice Hall, Upper Saddle River, pp 171-209
Briaud J-L (2006) Bridge scour and the structural engineer. Structure December:58–61
Chinowsky PS, Hayles C, Schweikert A, Strzepek N (2011a) Climate change as organizational challenge: comparative impact on developing and developed countries. Eng Proj Organ J 1(1):57–64
Chinowsky PS, Schweikert A, Strzepek N, Manahan K, Strzepek K, Schlosser CA (2011b) Adaptation advantage to climate change impacts on road infrastructure in Africa through 2100. Discussion paper, UNU-WIDER, Helsinki, Finland
Dent S, Wright L, Mosley C, Housen V (2000) Continuous simulation vs. design storms, comparison with wet weather flow prediction methods. Proc of the Water Env. Federation, Collection Systems. (20):373-392
FHWA (2001) Evaluating scour at bridges, 4th ed. National Highway Institute. Publication No. FHWA NHI 01-001. Hydraulic Engineering Circular No. 18. Federal Highway Administration, Washington, DC
FHWA (2009a) Bridge scour and stream instability countermeasures: Experience, selection, and design guidelines, 3rd edn. National Highway Institute. Publication No. FHWA NHI 09-111. Hydraulic Engineering Circular No. 23. Federal Highway Administration, Washington, DC
FHWA (2009b) 2008 NBI ASCII files. Federal Highway Administration. http://www.fhwa.dot.gov/bridge/britab.cfm. Cited 8 April 2009
Hewitson B (2003) Developing perturbations for climate change impacts assessment. Eos 84(35):337-348
James W (1994) On reasons why traditional single valued, single event hydrology (typical design storm method) has become simple-minded, dishonest, and unethical. US Army Corps of Engineers, Workshop on Urban Hydrology and Hydraulics, Davis, CA. 169–181
Johns TC, Durman CF, Banks HT, Roberts MJ, McLaren AJ, Ridley JK, Senior CA, Williams KD, Jones A, Rickard GJ, Cusack S, Ingram WJ, Crucifix M, Sexton DMH, Joshi MM, Dong B-W, Spencer H, Hill RSR, Gregory JM, Keen AB, Pardaens AK, Lowe JA, Bodas-Salcedo A, Stark S, Searl Y (2006) The new Hadley Centre climate model HadGEM1: evaluation of coupled simulations. J Clim 19:1327–1353
Larsen P, Goldsmith S, Smith O, Wilson M, Strzepek K, Chinowsky P, Saylor B (2008) Estimating future costs for public infrastructure at risk from climate change. Global Environ Change 18(3):442–457
Mailhot A, Duchesne S (2010) Design criteria of urban drainage infrastructures under climate change. J Water Res Plan Manage 136(2):201-208
Nakićenovic N, Alcamo J, Davis G, de Vries B, Fenhann J, Gaffin S, Gregory K, Grubler A, Jung TY, Kram T, La Rovere EL, Michaelis L, Mori S, Morita T, Pepper W, Parry H, Canziani O, Palutikof JP, Hanson C, van der Linden P (eds) (2000) Climate change 2007: impacts, adaptation and vulnerability. Contribution of Working Group II to the Fourth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change. Cambridge University Press, New York
NRC (2008) Potential impacts of climate change on U.S. transportation. National Research Council. Transportation Research Board, Washington, DC
NRC (2010) America’s climate choices: Panel on adapting to the impact of climate change. National Research Council. The National Academies Press, Washington
Parry ML, Canziani O, Palutikof JP, Hanson C, van der Linden P (eds) (2007) Climate change 2007: Impacts, adaptation and vulnerability. Contribution of Working Group II to the Fourth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change. Cambridge University Press, New York
Randall DA, Wood RA, Bony S, Colman R, Fichefet T, Fyfe J, Kattsov V, Pitman A, Shukla J, Srinivasan J, Stouffer RJ, Sumi A, Taylor KE (2007) Climate models and their evaluation. In: Solomon S, Qin D, Manning M, Chen Z, Marquis M, Averyt KB, Tignor M, Miller HL (eds) Climate change 2007: the physical science basis. Contribution of Working Group I to the Fourth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change. Cambridge University Press, Cambridge, United Kingdom and New York, NY, USA
Richardson E, Lagasse P (1998) Stream stability and scour at highway bridges. ASCE
RSMeans (2008) Heavy construction cost data. Reed Construction Data, Norwell
Savonis MJ, Burkett VR, Potter JR, Kafalenos R, Hyman R, Leonard K (2009) The impact of climate change on transportation in the Gulf Coast. TCLEE 2009: Lifeline earthquake engineering in a multihazard environment. ASCE, Reston
Solomon S, Qin D, Manning M, Chen Z, Marquis M, Averyt KB, Tignor M, Miller HL (eds) (2007) Climate change 2007: The physical science basis. Contribution of Working Group I to the Fourth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change. Cambridge University Press, New York
Stedinger JR, Vogel DR, Foufoula-Georgiou E (1993) Frequency analysis of extreme events. In: Maidment D (ed) Handbook of hydrology. McGraw-Hill, New York, pp 17.1–17.55
TRB (2008) Potential impacts of climate change on U.S. transportation. TRB Special Report 290. Transportation Research Board, Washington, DC
USDOT FHA (1995) Recording and coding guide for the structural inventory and appraisal of the nation’s bridges. Office of Engineering, Bridge Division. Report number FHWA-PD-96-001
USGS (2009) Hydrologic unit map (based on data from USGS Water-Supply Paper 2294). http://water.usgs.gov/GIS/regions.html. Cited 14 July 2009
Wigley TML (2008) MAGICC/SCENGEN 5.3: User manual. National Center for Atmospheric Research, Boulder, CO. http://www.cgd.ucar.edu/cas/wigley/magicc/
Wilbanks TJ, Romero Lankao P, Bao M, Berkhout F, Cairncross S, Ceron J-P, Kapshe M, Muir-Wood R, Zapata-Marti R (2007) Industry, settlement and society. Climate change 2007: Impacts, adaptation and vulnerability. In: Parry ML, Canziani OF, Palutikof JP, van der Linden PJ, Hanson CE (eds) Contribution of Working Group II to the Fourth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change. Cambridge University Press, Cambridge, pp 357-390
Xanthakos PP (1995) Bridge substructure and foundation design. Prentice-Hall, Saddle River
전문가 Q&A: 자주 묻는 질문
Q1: 왜 이 연구에서는 복잡한 연속 시뮬레이션 대신 ‘설계 강우(design storm)’ 접근법을 사용했나요?
A1: 이 연구의 목표 중 하나는 기존의 인프라 설계 표준에 기후 변화가 미치는 영향을 평가하는 것이었습니다. ‘설계 강우’는 수십 년간 배수 및 하천 공학 설계의 표준으로 사용되어 온 방법입니다. 미국 전역이라는 광범위한 지역에 대해 일관된 기준으로 최대 유량의 ‘상대적 변화’를 평가하기 위한 지표 또는 대리(proxy)로서 이 방법이 적합했습니다. 이는 상세한 개별 유역 분석이 아닌, 전국적인 스크리닝 연구의 목적에 부합하는 선택이었습니다.
Q2: 연구에서 약 129,000개의 교량이 ‘현재 결함이 있다(currently deficient)’고 했는데, 구체적으로 어떤 기준이 적용되었나요?
A2: 이 평가는 국립 교량 인벤토리(NBI) 데이터베이스를 기반으로 합니다. 교량은 다음 네 가지 기준 중 하나라도 충족하지 못할 경우 ‘결함 있음’으로 간주되었습니다: 1) 교각, 교대, 기초 등 하부 구조의 상태가 ‘나쁨(poor)’ 이하인 경우, 2) 제방 보호 시설이 심각하게 침식된 경우, 3) 교량 아래로 물이 통과하는 공간(통수 단면)이 부족하여 11년에 1번 이상 교량이 물에 잠길 가능성이 있는 경우, 4) 현장 검토 결과 세굴로부터 노출된 기초를 보호하기 위한 조치가 필요한 경우입니다.
Q3: 결함이 있는 교량은 유량 20% 증가, 모래질 토양의 양호한 교량은 100% 증가 시 취약해진다는 임계값은 어떻게 결정되었나요?
A3: 이 임계값들은 연방 고속도로국(FHWA)의 지침과 전문가 판단에 근거하여 설정되었습니다. 20% 증가는 과거 경험상 잠재 수명이 20% 감소하거나 자연 활동이 20% 증가했을 때 일반적으로 적응 조치가 이루어진다는 증거에 기반합니다. 양호한 교량에 대한 더 높은 임계값(60%, 100%)은 이들 교량의 높은 회복탄력성을 반영하며, 립랩 설치나 교각 보강과 같은 구체적인 공학적 조치가 필요해지는 유속과 연계하여 결정되었습니다.
Q4: 비용 추정치가 매우 큽니다. 이 비용 분석의 주요 한계점은 무엇인가요?
A4: 비용 분석에는 몇 가지 중요한 한계가 있습니다. 첫째, 미국 전역에 걸쳐 균일한 건설 비용을 가정했는데, 이는 실제와 다를 수 있습니다. 둘째, 교량이 손상되기 ‘전에’ 적응 조치가 시기적절하게 이루어진다고 가정했는데, 이는 매우 낙관적인 가정입니다. 마지막으로, 교통 두절, 부상, 인명 손실과 관련된 사회적 비용은 포함되지 않았습니다. 따라서 실제 비용은 이 보고서에서 추정된 것보다 훨씬 더 높을 수 있습니다.
Q5: 그림 4를 보면, 2080-2100년 A1B 시나리오에서 그레이트 베이슨(Region 16) 지역 교량의 70.1%가 위험에 처할 수 있다고 나오는데, 이 수치는 신뢰할 만한가요?
A5: 저자들은 100년 주기 극한 현상을 추정하기 위해 20년의 시간 단위를 사용하는 것이 상대적으로 짧으며, 이로 인해 일부 지역에서 특이한 결과가 나타날 수 있음을 인정했습니다. 전반적인 경향은 견고하지만, 특정 지역의 매우 높은 비율의 수치는 주의해서 해석해야 하며, 더 상세한 지역 수준의 분석이 필요함을 시사합니다.
결론: 더 높은 품질과 생산성을 향한 길
이 연구는 기후 변화가 교량 홍수 취약성을 어떻게 증가시키고, 이것이 국가 인프라에 얼마나 큰 재정적 부담을 줄 수 있는지를 명확하게 보여줍니다. 10만 개 이상의 교량이 위험에 처할 수 있고, 적응 비용이 수천억 달러에 이를 수 있다는 예측은 더 이상 기후 변화를 먼 미래의 문제로 치부할 수 없음을 경고합니다. 핵심은 선제적인 분석과 조치가 막대한 미래 손실을 막을 수 있다는 것입니다.
이러한 대규모 분석은 방향성을 제시하지만, 실제 현장에서의 효과적인 대응을 위해서는 개별 교량에 대한 정밀한 유동 및 구조 해석이 필수적입니다. 이 지점에서 CFD(전산유체역학)는 미래의 극한 강우 조건에서 교량 주변의 유속, 수위, 그리고 세굴 위험을 정확하게 시뮬레이션하여 가장 효과적이고 경제적인 보강 설계를 가능하게 하는 핵심 도구가 됩니다.
STI C&D는 최신 산업 연구를 적용하여 고객이 더 높은 생산성과 품질을 달성할 수 있도록 돕는 데 전념하고 있습니다. 이 논문에서 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.
연락처 : 02-2026-0442
이메일 : flow3d@stikorea.co.kr
저작권 정보
이 콘텐츠는 “Len Wright” 외 저자의 논문 “Estimated effects of climate change on flood vulnerability of U.S. bridges”를 기반으로 한 요약 및 분석 자료입니다.
이 기술 요약은 Paul C. Fitzgerald 외 저자가 2019년 Engineering Structures에 발표한 논문 “Drive-by scour monitoring of railway bridges using a wavelet-based approach”를 바탕으로, STI C&D의 기술 전문가dp dml해 분석 및 요약되었습니다.
키워드
Primary Keyword: 교량 세굴 탐지
Secondary Keywords: 주행 중 모니터링, 웨이블릿 변환, 구조 건전성 모니터링(SHM), 철도 교량, 진동 기반 손상 탐지
Executive Summary
The Challenge: 기존의 교량 세굴 모니터링은 교량에 직접 센서를 설치해야 하므로 비용이 많이 들고 비효율적입니다. 더 실용적이고 비침습적인 방법이 필요합니다.
The Method: 본 연구는 통과하는 열차의 대차(bogie)에서 측정한 가속도 데이터를 연속 웨이블릿 변환(CWT)으로 처리하는 “주행 중(drive-by)” 방식을 제안합니다.
The Key Breakthrough: 건전한 상태와 세굴된 상태의 교량에서 얻은 평균 웨이블릿 계수 간의 차이로 정의된 “세굴 지표”를 통해, 블라인드 수치 시뮬레이션에서 세굴의 존재와 위치를 성공적으로 탐지했습니다.
The Bottom Line: 이 주행 중 모니터링 접근법은 정상적인 열차 운행 중에 철도 교량의 세굴을 모니터링할 수 있는 실현 가능하고 새로운 방법을 제시하며, 인프라 유지보수 분야에 혁신을 가져올 수 있습니다.
The Challenge: Why This Research Matters for CFD Professionals
교량 세굴(Scour)은 교량 기초 주변의 토양이 수력 작용으로 인해 유실되는 현상으로, 전 세계적으로 교량 붕괴의 주요 원인 중 하나입니다. 교량의 안전을 보장하기 위해 세굴을 지속적으로 모니터링하는 것은 매우 중요합니다. 하지만 기존의 모니터링 기술은 대부분 교량 구조물에 직접 센서를 설치하는 ‘직접 방식’에 의존합니다. 이 방식은 높은 설치 및 유지보수 비용이 발생하며, 센서가 설치된 특정 지점의 정보만 얻을 수 있어 교량 전체의 상태를 파악하는 데 한계가 있습니다.
이러한 문제를 해결하기 위해, 통과하는 차량에 설치된 센서를 이용하는 ‘간접’ 또는 ‘주행 중(drive-by)’ 모니터링 방식이 대두되었습니다. 이 방식은 비용 효율적이며 교량 전체 길이에 대한 공간 정보를 얻을 수 있다는 장점이 있습니다. 그러나 지금까지 주행 중 모니터링 기술을 교량 세굴 탐지에 적용한 연구는 거의 없었습니다. 본 연구는 바로 이 기술적 공백을 메우고, 일상적인 열차 운행 데이터를 활용하여 철도 교량의 세굴을 효과적으로 탐지할 수 있는 새로운 방법론을 제시하는 것을 목표로 합니다.
Fig. 1: Schematic of complete system
The Approach: Unpacking the Methodology
본 연구는 열차-교량 상호작용 시스템의 수치 모델을 기반으로 세굴 탐지 기법의 타당성을 검증했습니다. 연구의 핵심 방법론은 다음과 같습니다.
수치 모델링: MATLAB 환경에서 유한요소법을 사용하여 열차와 교량의 동적 상호작용을 시뮬레이션하는 모델을 개발했습니다.
교량 모델: 8개의 경간을 가진 단순 지지 오일러-베르누이 보로 모델링되었으며, 각 교각은 질량과 강성을 갖고 토양-기초 강성을 나타내는 스프링 위에 놓여 있습니다.
열차 모델: 열차의 대차와 차체 질량을 나타내는 2자유도(2-DOF) 쿼터카 모델(블라인드 테스트에서는 더 정교한 2D 모델 사용)을 사용했습니다.
세굴 모사: 특정 교각 하부 기초의 수직 강성(kf)을 국부적으로 감소시켜 세굴 현상을 모사했습니다.
데이터 처리 및 세굴 지표 개발:
열차가 교량을 통과할 때 대차에서 시뮬레이션된 수직 가속도 신호를 수집합니다.
이 신호에 복소수 모렛 웨이블릿(Complex Morlet wavelet)을 사용한 연속 웨이블릿 변환(CWT)을 적용하여 시간-주파수 영역에서 분석합니다.
여러 번의 열차 통과 데이터를 평균하여 기준이 되는 ‘건전 상태’의 평균 웨이블릿 계수 행렬을 생성합니다.
이후 측정된 데이터(테스트 배치)의 평균 웨이블릿 계수와 건전 상태의 계수 간의 절대 차이를 계산하고, 이를 특정 주파수 범위에 대해 합산하여 최종적으로 ‘세굴 지표(Scour Indicator, S.I.)’를 도출합니다. 이 지표의 최댓값은 세굴의 존재를, 그리고 그 위치는 세굴 발생 지점을 나타냅니다.
Fig. 2: Rail profile
The Breakthrough: Key Findings & Data
제안된 웨이블릿 기반 세굴 탐지 기법은 수치 시뮬레이션을 통해 뛰어난 성능을 입증했습니다. 주요 발견은 다음과 같습니다.
Finding 1: 세굴의 성공적인 탐지 및 위치 특정
세굴 지표(S.I.)는 시뮬레이션된 세굴의 존재 여부를 명확하게 식별했습니다. 그림 10에서 볼 수 있듯이, 지표 벡터 S의 최댓값은 실제 세굴이 발생한 위치(a: 60m, b: 120m)와 거의 일치하게 나타났습니다. 또한, 기초 강성 감소율을 10%, 20%, 30%로 증가시킴에 따라 세굴 지표의 크기도 비례하여 커지는 것을 확인하여, 손상 심각도와의 상관관계를 입증했습니다.
Finding 2: 블라인드 테스트를 통한 강건성 검증
연구의 신뢰도를 높이기 위해, 외부 기관(NTNU)이 더 정교하고 복잡한 모델로 생성한 데이터를 이용한 블라인드 테스트를 수행했습니다. 분석가는 세굴의 발생 여부, 시점, 위치, 심각도에 대한 사전 정보 없이 오직 가속도 데이터만으로 상태를 판별해야 했습니다. 그림 14는 이 테스트 결과를 보여주며, 실제 세굴이 발생한 시점(Event 906) 이후인 Event 944 지점에서 세굴 지표(S.I.)가 급격히 증가하는 것을 명확히 보여줍니다. 이는 세굴 발생을 성공적으로 감지했음을 의미합니다. 더 나아가, 그림 15에서는 세굴 발생 이후 S.I. 최댓값의 위치가 실제 세굴 위치인 40m 지점에 안정적으로 수렴하는 것을 보여주며, 손상 위치까지 정확하게 특정할 수 있음을 증명했습니다.
Practical Implications for R&D and Operations
본 연구 결과는 교량 인프라의 유지보수 및 관리 방식에 중요한 실용적 시사점을 제공합니다.
인프라 관리자: 이 연구는 정기적으로 운행되는 열차의 가속도 데이터를 분석하는 것이 교량의 건전성을 모니터링하는 실용적인 전략이 될 수 있음을 시사합니다. 세굴 지표(S.I.) 값의 증가는 육안 검사나 정밀 안전 진단을 촉발하는 신호로 활용되어 유지보수 자원을 최적화할 수 있습니다.
유지보수 및 검사팀: 그림 14와 15의 데이터는 세굴 지표의 크기뿐만 아니라 위치 안정성 또한 강력한 손상 지표임을 보여줍니다. 이를 통해 교량에 영구적인 센서를 설치할 필요 없이, 데이터 기반의 새로운 프로토콜을 수립하여 교량 검사의 우선순위를 정할 수 있습니다.
R&D 엔지니어: 이 연구 결과는 차량의 동적 응답이 교량 지지 강성의 국부적 변화에 민감하다는 것을 보여줍니다. 이 원리는 다양한 사회 기반 시설 자산을 위한 다른 유형의 간접 모니터링 시스템을 개발하는 데 확장 적용될 수 있습니다.
Paper Details
Drive-by scour monitoring of railway bridges using a wavelet-based approach
1. Overview:
Title: Drive-by scour monitoring of railway bridges using a wavelet-based approach
Author: Paul C. Fitzgerald, Abdollah Malekjafarian, Daniel Cantero, Eugene J. OBrien, Luke J. Prendergast
Year of publication: 2019
Journal/academic society of publication: Engineering Structures 191
본 논문은 통과하는 열차의 대차 가속도 측정을 사용하여 교량 세굴의 존재를 탐지하는 것의 타당성을 수치적으로 조사합니다. 연속 웨이블릿 변환을 사용하여 세굴된 교량을 통과하는 여러 열차의 시뮬레이션된 가속도 측정을 처리하며, 세굴은 특정 교각에서의 국부적인 강성 감소로 표현됩니다. 동일한 교량을 통과하는 한 묶음(batch)의 열차 운행에 대해 평균 웨이블릿 계수가 계산됩니다. 세굴 지표는 건전한 교량과 세굴로 손상된 교량의 묶음 간 평균 계수의 차이로 개발됩니다. 이 방법은 한 저자가 다양한 건전성 상태의 교량을 통과하는 열차를 시뮬레이션한 블라인드 테스트를 사용하여 평가되었습니다. 나머지 저자들은 사전 지식 없이 오직 열차 가속도 데이터만으로 세굴 상태를 예측해야 했습니다. 이 세굴 지표는 정상적인 차량 운행 조건 하의 블라인드 테스트에서 상당히 좋은 성능을 보였습니다.
3. Introduction:
세굴은 불리한 수력 작용으로 인해 기초 주변의 토양이 파이는 현상을 설명하는 용어이며, 전 세계적으로 교량 붕괴의 주요 원인입니다. 세굴은 여러 형태로 발생하며, 이러한 결합된 세굴 사례는 교량 성능에 해로운 영향을 미치고 갑작스러운 붕괴로 이어질 수 있습니다. 진동 기반 손상 탐지 접근법은 세굴로 인한 강성 감소를 탐지하고 모니터링하는 데 유용합니다. 지금까지의 연구는 주로 교량에 진동 센서를 설치하여 모달 특성(고유진동수 및 모드 형상)의 변화를 모니터링하는 직접적인 방법에 초점을 맞추었습니다. ‘주행 중(drive-by)’ 모니터링으로 알려진 간접적인 방법은 통과하는 차량에 설치된 센서의 응답을 사용하여 교량 상태에 대한 정보를 추론합니다. 이 방법은 손상 탐지에 바람직한 향상된 공간 정보를 제공할 수 있습니다. 저자들의 지식에 따르면, 주행 중 접근법을 세굴 탐지에 적용한 사례는 이전에 고려된 바 없습니다.
4. Summary of the study:
Background of the research topic:
교량 세굴은 교량 안전에 심각한 위협이 되며, 이를 효과적으로 모니터링하기 위한 기술이 필요합니다. 기존의 직접 모니터링 방식은 비용과 공간적 제약의 문제가 있습니다.
Status of previous research:
이전 연구들은 주로 교량에 직접 센서를 부착하는 방식이나, 균열과 같은 다른 유형의 손상을 탐지하기 위한 주행 중 모니터링 방식에 집중되어 있었습니다. 교량 세굴에 주행 중 모니터링을 적용하는 것은 새로운 시도입니다.
Purpose of the study:
통과하는 열차의 대차에서 측정된 가속도 데이터를 사용하여 철도 교량의 세굴을 탐지하는 ‘주행 중 모니터링’ 기법의 타당성을 수치적으로 검증하는 것을 목표로 합니다.
Core study:
열차-교량 상호작용의 수치 모델을 개발하고, 시뮬레이션된 대차 가속도 신호를 연속 웨이블릿 변환(CWT)으로 분석하여 세굴을 탐지하는 지표를 개발했습니다. 개발된 지표의 성능을 다양한 세굴 시나리오와 블라인드 테스트를 통해 평가했습니다.
5. Research Methodology
Research Design:
열차-교량 시스템의 유한요소 모델을 사용한 수치 시뮬레이션 연구입니다. 초기 모델 검증 후, 더 정교한 모델을 사용한 블라인드 테스트를 통해 방법론의 실효성을 검증했습니다.
Data Collection and Analysis Methods:
건전한 교량과 다양한 수준의 세굴이 발생한 교량을 통과하는 열차 운행을 시뮬레이션하여 대차의 가속도 데이터를 생성했습니다. 수집된 데이터는 연속 웨이블릿 변환(CWT)을 통해 분석되었으며, 건전 상태와 손상 상태의 데이터 묶음(batch) 간의 평균 웨이블릿 계수 차이를 기반으로 ‘세굴 지표(S.I.)’를 계산했습니다.
Research Topics and Scope:
연구는 다양한 세굴 심각도(기초 강성 10%, 20%, 30% 감소)와 세굴 위치가 탐지 성능에 미치는 영향을 조사했습니다. 또한, 차량의 속도 및 질량 변화, 센서 노이즈(5%)와 같은 현실적인 변동 요소를 포함하여 방법론의 강건성을 평가했습니다.
6. Key Results:
Key Results:
웨이블릿 계수 차이에 기반한 세굴 지표는 세굴의 존재를 탐지하고 그 위치를 특정할 수 있습니다.
세굴 지표의 크기는 세굴의 심각도와 양의 상관관계를 보입니다.
제안된 방법은 외부 기관이 생성한 미지의 복잡한 모델 데이터를 사용한 블라인드 테스트에서도 세굴의 발생 시점과 위치를 성공적으로 식별했습니다.
이 방법은 차량 속도와 질량의 변동 및 센서 노이즈가 포함된 조건에서도 효과적으로 작동합니다.
Fig. 6 Absolute value of differences between healthy and scoured wavelet coefficients (i.e. modulus of coefficients) minus scoured acceleration coefficients using Complex Morlet wavelet
Figure List:
Fig. 1: Schematic of complete system
Fig. 2: Rail profile
Fig. 3: Change in first mode shape of bridge due to scour at 60 m point
Fig. 4: Real Morlet coefficients vs Complex Morlet coefficients (moduli) for scale corresponding to an arbitrarily chosen equivalent frequency of 4.8 Hz.
Fig. 5: Effect of scour on bogie acceleration
Fig. 6: Absolute value of differences between healthy and scoured wavelet coefficients (i.e. modulus of coefficients) minus scoured acceleration coefficients using Complex Morlet wavelet
Fig. 7: Difference between healthy and scoured apparent profiles (note: upwards direction taken as positive)
Fig. 9: Matrix C for scour of 30% at 60 m point on bridge
Fig. 10: Vector S plotted against bridge position – (a) scour at 60 m, (b) scour at 120 m
Fig. 11: Advanced vehicle model A
Fig. 12: Track model
Fig. 13: Estimation of bridge start and end using average coefficient moduli of 200 runs
Fig. 14: S.I. vs event number – (a) batches of 200 vehicles, (b) batches of 100 vehicles, (c) batches of 50 vehicles, (d) batches of 20 vehicles
Fig. 15: Scour Indicator maximum location point – (a) batches of 200 vehicles, (b) batches of 100 vehicles, (c) batches of 50 vehicles, (d) batches of 20 vehicles
Fig. 16: Scour Indicator value for different scour severities at each pier location (where Pier 1 is at 20 m)
7. Conclusion:
본 논문은 통과하는 열차 대차의 가속도 측정을 사용하여 교량 세굴을 탐지하는 것의 타당성을 수치적으로 조사했습니다. 건전한 상태와 세굴된 상태의 열차 통과 묶음(batch) 간의 평균 CWT 계수 차이로 정의된 세굴 지표는 세굴의 존재를 탐지할 뿐만 아니라 그 위치를 찾는 데에도 매우 효과적이었습니다. 여기에 설명된 접근법은 교량 세굴 탐지라는 맥락에서 새로우며, 정상적인 열차 운행 조건 하에서 교량을 모니터링할 수 있다는 점에서 유리합니다. 이는 전문 모니터링 차량을 필요로 하지 않습니다. 비록 현장 테스트는 수행되지 않았지만, 제안된 지표는 추가적인 측정 오차와 열차-교량 상호작용 효과를 포함하여 테스트된 두 가지 수치 모델에서 매우 좋은 성능을 보였습니다. 이 결과는 진동 기반 세굴 모니터링 분야의 지속적인 발전에 기여할 것입니다.
8. References:
[1] L. Hamill, Bridge Hydraulics, E.& F.N. Spon, Routledge, London & New York, 1999.
[2] B. Maddison, Scour failure of bridges, Proceedings of the Institution of Civil Engineers-Forensic Engineering 165(1) (2012) 39–52.
[3] K. Wardhana, F.C. Hadipriono, Analysis of recent bridge failures in the United States, Journal of Performance of Constructed Facilities 17(3) (2003) 144–150.
[4] F. Federico, G. Silvagni, F. Volpi, Scour vulnerability of river bridge piers, Journal of geotechnical and geoenvironmental engineering 129(10) (2003) 890–899.
[5] M. Forde, D. McCann, M. Clark, K. Broughton, P. Fenning, A. Brown, Radar measurement of bridge scour, NDT & E International 32(8) (1999) 481–492.
[6] J.L. Briaud, F.C. Ting, H. Chen, R. Gudavalli, S. Perugu, G. Wei, SRICOS: Prediction of scour rate in cohesive soils at bridge piers, Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering 125(4) (1999) 237–246. … (and all other references listed in the paper)
Expert Q&A: Your Top Questions Answered
Q1: 왜 Mexican Hat과 같은 실수(Real) 웨이블릿 대신 복소수(Complex) 모렛 웨이블릿을 선택했습니까?
A1: 논문의 3.1절과 그림 4에서 설명하듯이, 가속도 신호는 진폭과 위상을 모두 가집니다. 실수 웨이블릿을 사용하면 분석 웨이블릿이 신호와 위상이 맞고 틀어짐에 따라 계수가 양수와 음수 사이에서 진동하게 됩니다. 반면, 복소수 모렛 웨이블릿은 계수의 절댓값(modulus)을 계산할 수 있게 하여 이러한 위상 문제를 제거하고, 다른 주파수 및 위치에서 신호의 에너지를 나타내는 더 부드럽고 해석하기 쉬운 결과를 제공합니다.
Q2: 세굴 지표는 ‘건전한’ 기준선과 테스트 데이터 묶음 간의 차이에 기반합니다. 초기 상태를 완벽하게 알 수 없는 실제 상황에서 이 기준선은 어떻게 설정됩니까?
A2: 5.2.2절의 블라인드 테스트가 이 질문에 대한 답을 제시합니다. 테스트에서 처음 200개의 이벤트는 건전한 교량에서 나온 것으로 알려졌으며, 이를 사용하여 기준 행렬 M을 설정했습니다. 실제 적용 시에는 시스템이 배포된 후 초기 모니터링 기간을 사용하여 이 건전 상태(또는 현재 상태)의 기준선을 설정할 수 있습니다. 이후 이 기준선으로부터의 변화를 추적하여 세굴과 같은 성능 저하를 감지하게 됩니다.
Q3: 그림 13을 보면 열차가 교량 위에 있을 때 두 개의 주요 주파수 대역(약 4.1Hz 및 1.5Hz)이 나타납니다. 각각의 물리적 의미는 무엇입니까?
A3: 5.2.2절에서 설명된 바와 같이, 4.1Hz 피크는 교량 시스템 자체의 고유 진동수 중 하나에 기인합니다. 1.5Hz 주파수는 열차의 속도 및 교량의 경간 길이와 관련이 있습니다. 평균 속도는 105km/h(29.167m/s)이고 경간 길이는 20m이므로, 경간 통과 주파수는 약 1.46Hz(29.167/20)가 되며, 이는 관찰된 1.5Hz 피크와 일치합니다.
Q4: 블라인드 테스트(그림 14)에서 S.I.는 Event 944 근처에서 증가하기 시작했지만, 실제 세굴은 Event 906에서 발생했습니다. 왜 이러한 지연이 발생합니까?
A4: 이 분석은 이동 평균과 유사하게 여러 차량으로 구성된 묶음(batch, 예: 그림 14a의 200대)을 사용합니다. S.I.는 현재 묶음과 건전한 기준선을 비교하여 계산됩니다. Event 944에서 끝나는 묶음(745-944번 운행)은 세굴이 발생한 운행(906-944번)을 상당수 포함하는 첫 번째 묶음이므로, S.I.가 눈에 띄게 상승하게 됩니다. 즉, 손상된 데이터가 이동 평균 묶음의 상당 부분을 차지하게 될 때 지표에 변화가 뚜렷하게 나타나는 것입니다.
Q5: 표 6을 보면 가장 낮은 세굴 심각도(7.5%)에서 5개 중 3개 사례의 위치 예측이 부정확했습니다. 이는 이 방법의 한계에 대해 무엇을 의미합니까?
A5: 이는 방법의 민감도에 한계가 있음을 나타냅니다. 5.3절에서 언급했듯이, 매우 낮은 수준의 세굴에서는 차량 응답의 변화가 작습니다. 그 결과 S.I. 최댓값은 건전한 교량 사례에서 나타나는 자연적인 변동성에 가까울 수 있으며, 이로 인해 지표가 실제 손상과 관련 없는 임의의 위치에서 최고점을 기록할 수 있습니다. 따라서 이 방법은 중간에서 심각한 수준의 세굴에 대해 더 신뢰할 수 있습니다.
Conclusion: Paving the Way for Higher Quality and Productivity
교량 세굴 모니터링의 어려움은 인프라 안전 관리의 오랜 과제였습니다. 본 연구는 웨이블릿 변환을 이용한 혁신적인 교량 세굴 탐지 기법을 통해 이 문제에 대한 강력한 해결책을 제시합니다. 주행 중인 열차의 진동 데이터만으로 세굴의 존재와 위치를 파악할 수 있음을 블라인드 테스트를 통해 성공적으로 입증했으며, 이는 기존의 고비용, 비효율적인 모니터링 방식을 대체할 수 있는 잠재력을 보여줍니다. 이 기술은 인프라 관리자가 더 빠르고 정확하게 위험을 식별하여 선제적인 유지보수 조치를 취할 수 있도록 지원할 것입니다.
“STI C&D는 최신 산업 연구를 적용하여 고객이 더 높은 생산성과 품질을 달성할 수 있도록 최선을 다하고 있습니다. 이 논문에서 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.
연락처 : 02-2026-0442
이메일 : flow3d@stikorea.co.kr
Copyright Information
This content is a summary and analysis based on the paper “Drive-by scour monitoring of railway bridges using a wavelet-based approach” by “Paul C. Fitzgerald, et al.”.
이 기술 요약은 Mohammad Nazari-Sharabian 외 저자가 Civil Engineering Journal(2020)에 발표한 논문 “Sacrificial Piles as Scour Countermeasures in River Bridges A Numerical Study using FLOW-3D”를 기반으로 하며, STI C&D의 기술 전문가에 의해 분석 및 요약되었습니다.
도전 과제: 하천의 흐름으로 인해 교량 기초 주변의 토사가 침식되는 교각 세굴은 교량 붕괴의 주요 원인이며, 이를 효과적으로 방지할 대책이 필요합니다.
해결 방법: 본 연구에서는 유한 체적법(FVM) 기반의 FLOW-3D 모델을 사용하여, 교각 상류에 다양한 배열의 희생말뚝(sacrificial piles)을 설치했을 때 세굴 감소 효과를 수치적으로 분석했습니다.
핵심 발견: 희생말뚝은 교각 주변의 세굴 깊이를 현저히 감소시키는 데 효과적이었으며, 특히 교각 직경 5배 거리에 단일 말뚝을 설치한 시나리오(S-3)가 설계 편의성, 비용 및 약 70%의 세굴 감소 효과를 고려할 때 가장 효율적인 대책으로 확인되었습니다.
핵심 결론:FLOW-3D 시뮬레이션은 복잡한 세굴 현상을 정확하게 예측하고, 다양한 세굴 방지 공법의 효과를 사전에 검증하여 가장 경제적이고 효율적인 설계를 도출하는 데 매우 유용한 도구임을 입증했습니다.
도전 과제: 왜 이 연구가 CFD 전문가에게 중요한가
교량은 중요한 사회 기반 시설이지만, 교각 주변에서 발생하는 국부 세굴(local scouring) 현상으로 인해 심각한 위협에 직면해 있습니다. 하천에 설치된 교각은 물의 흐름을 방해하여 유속을 증가시키고, 교각 주변에 말굽 와류(horseshoe vortex)와 같은 복잡한 흐름을 형성합니다. 이 강력한 와류는 강바닥의 토사를 침식시켜 교각 기초를 약화시키고, 결국 교량의 안정성을 저해하여 붕괴에 이르게 할 수 있습니다. 이러한 문제는 막대한 경제적 손실과 인명 피해를 야기할 수 있으므로, 세굴 현상을 정확히 예측하고 효과적인 방지 대책을 마련하는 것은 토목 및 수리 공학 분야의 매우 중요한 과제입니다. 기존 연구들은 실험적 방법에 크게 의존했으나, 이는 시간과 비용 제약이 따릅니다. 따라서 정밀한 수치 모델링을 통해 다양한 시나리오를 신속하게 평가할 필요가 있습니다.
접근 방식: 연구 방법론 분석
본 연구에서는 복잡한 유체-구조물-토사 상호작용을 정밀하게 모델링하기 위해 FLOW-3D 소프트웨어를 활용했습니다. 연구의 신뢰도를 높이기 위해, 먼저 Balouchi와 Chamani(2012)가 수행한 원형 교각 주변 세굴에 대한 실험 연구 결과를 바탕으로 수치 모델을 검증(calibration)했습니다.
모델 설정: 실험과 동일한 조건으로 길이 11m, 폭 0.405m의 수로를 모델링했습니다. 유량은 45 L/s, 상류 수심은 0.2m, 유속은 0.56 m/s로 설정했습니다. 강바닥은 평균 직경 0.72mm의 균일한 모래로 구성했습니다.
메시 구성: 정확한 해석을 위해 교각 주변 영역에는 0.6cm의 미세 격자를, 그 외 영역에는 1cm 격자를 사용하여 총 110만 개의 격자 셀을 구성했습니다.
물리 모델: 난류 흐름을 모사하기 위해 RNG(renormalized group) 난류 모델을 사용했으며, FLOW-3D의 퇴적물 이동 및 세굴 모델을 적용하여 침식 현상을 시뮬레이션했습니다.
시나리오: 검증된 모델을 바탕으로, 교각 상류에 1개, 3개, 또는 5개의 희생말뚝을 다양한 간격으로 배치하는 총 9가지 시나리오(S-2 ~ S-9)와 희생말뚝이 없는 기준 시나리오(S-1)를 비교 분석했습니다.
이러한 접근 방식을 통해 실험적 한계를 넘어 다양한 조건에서 희생말뚝의 세굴 저감 효과를 체계적으로 평가할 수 있었습니다.
Figure 1. Simplified scouring mechanism around a bridge pier [7]
핵심 발견: 주요 결과 및 데이터
FLOW-3D 시뮬레이션을 통해 희생말뚝이 교각 세굴을 효과적으로 줄일 수 있음을 확인했으며, 말뚝의 개수와 배치에 따라 그 효과가 다르게 나타났습니다.
결과 1: 단일 희생말뚝 설치 시 최적의 이격 거리 발견
단일 희생말뚝을 교각 상류에 설치한 시나리오(S-2, S-3, S-4)에서, 말뚝의 위치가 세굴 깊이에 큰 영향을 미쳤습니다. 기준 모델(S-1)의 교각 전면 최대 세굴 깊이가 42.6mm였던 것에 비해, 희생말뚝을 설치하자 세굴이 크게 감소했습니다.
교각 직경 5배 거리(S-3): 교각 전면 세굴 깊이가 29.4mm로 측정되었습니다.
교각 직경 6배 거리(S-4): 교각 전면 세굴 깊이가 32.3mm로, 5배 거리일 때보다 세굴이 더 깊게 발생했습니다.
교각 직경 4배 거리(S-2): 교각 전면 세굴 깊이가 23.8mm로 가장 낮았지만, 교각 측면과 후면의 세굴을 고려했을 때 S-3가 더 안정적인 결과를 보였습니다.
논문에서는 비용, 시공 편의성, 그리고 약 70%에 달하는 전반적인 세굴 저감 효과를 종합적으로 고려할 때, 교각 직경 5배 거리에 단일 말뚝을 설치하는 S-3 시나리오가 가장 효율적인 대책이라고 결론 내렸습니다.
결과 2: 다중 희생말뚝 배열의 세굴 저감 효과
3개 또는 5개의 희생말뚝을 설치한 경우, 단일 말뚝보다 더 큰 세굴 저감 효과를 보였습니다. 특히 말뚝을 교각에 더 가깝게, 그리고 여러 줄로 배치했을 때 효과가 극대화되었습니다.
최소 세굴 깊이 (S-8): 5개의 희생말뚝을 교각 직경 2, 4, 6배 거리에 분산 배치한 S-8 시나리오에서 교각 전면 세굴 깊이가 19.6mm, 측면 세굴 깊이가 21mm로 모든 시나리오 중 가장 낮은 값을 기록했습니다. 이는 희생말뚝이 없는 경우(S-1)의 측면 세굴 44mm에 비해 50% 이상 감소한 수치입니다.
최대 세굴 깊이 (S-7): 3개의 희생말뚝을 교각 직경 4, 6배 거리에 배치한 S-7 시나리오에서는 측면 세굴 깊이가 44mm로 측정되어, 희생말뚝이 없는 경우와 동일한 수준의 측면 세굴이 발생했습니다. 이는 말뚝 배열이 부적절할 경우 특정 위치의 세굴을 악화시킬 수 있음을 시사합니다.
아래의 Figure 10은 각 시나리오별 교각 전면, 후면, 측면의 최대 세굴 깊이를 명확하게 비교하여 보여줍니다. 이를 통해 S-8 배열이 전반적으로 가장 뛰어난 세굴 방지 성능을 보임을 알 수 있습니다.
R&D 및 운영을 위한 실질적 시사점
본 연구 결과는 토목 및 수리 공학 분야의 전문가들에게 다음과 같은 실질적인 통찰을 제공합니다.
수리 구조물 설계 엔지니어: 희생말뚝의 배열(개수 및 이격 거리)이 교량 교각 세굴 방지에 결정적인 영향을 미친다는 점을 확인했습니다. FLOW-3D와 같은 CFD 도구를 활용하면, 실제 시공 전에 다양한 설계안의 성능을 가상으로 테스트하여 최적의 설계를 도출하고 안전성을 극대화할 수 있습니다.
품질 관리 및 유지보수 팀: 본 연구 데이터는 특정 희생말뚝 배열이 교각의 어느 부분(전면, 측면, 후면)에서 세굴에 가장 취약한지를 보여줍니다. 이는 교량의 정기적인 안전 점검 시 중점적으로 관찰해야 할 위치를 파악하고, 유지보수 계획을 수립하는 데 중요한 기준이 될 수 있습니다.
프로젝트 관리자: 단일 희생말뚝(S-3)만으로도 상당한 세굴 저감 효과를 얻을 수 있다는 결과는, 제한된 예산 내에서 효과적인 세굴 방지 대책을 수립해야 할 때 중요한 고려사항이 됩니다. 시뮬레이션을 통해 비용 대비 효과가 가장 높은 공법을 선택함으로써 프로젝트의 경제성을 높일 수 있습니다.
논문 정보
Sacrificial Piles as Scour Countermeasures in River Bridges A Numerical Study using FLOW-3D
1. 개요:
제목: Sacrificial Piles as Scour Countermeasures in River Bridges A Numerical Study using FLOW-3D
저자: Mohammad Nazari-Sharabian, Aliasghar Nazari-Sharabian, Moses Karakouzian, Mehrdad Karami
세굴은 흐르는 물의 침식 작용으로 하천 바닥과 둑, 그리고 교량 기초 주변의 물질을 파내고 운반하는 현상으로, 하천 교량 붕괴의 주요 원인 중 하나이다. 본 연구에서는 유한 체적법(FVM)에 기반한 FLOW-3D 모델을 사용하여, 교각 세굴 방지 대책으로 교각 앞에 다양한 형상으로 희생말뚝을 사용하는 것의 적용 가능성을 수치적 접근법을 통해 조사했다. 이를 위해, 보호되지 않은 원형 하천 교각 주변의 세굴에 대한 실험 연구를 바탕으로 수치 모델을 검증했다. 시뮬레이션에서 교각과 희생말뚝은 원형이었고, 하상 재료는 모래였다. 모든 시나리오에서 유량은 45 L/s로 일정했다. 또한, 각 시나리오마다 1개에서 5개의 희생말뚝을 교각 앞 다른 위치에 배치했다. 희생말뚝의 설치는 세굴 깊이를 상당히 줄이는 데 효과적인 것으로 입증되었다. 결과에 따르면, 세굴은 교각 주변 전체 영역에서 발생했지만, 최대 및 최소 세굴 깊이는 교각의 측면(희생말뚝 3개를 교각 직경 3배 및 5배 상류에 위치)과 후면(희생말뚝 5개를 교각 직경 4, 6, 8배 상류에 위치)에서 관찰되었다. 또한, 단일 말뚝을 교각 앞에 설치한 시나리오 중에서는 교각 직경 5배 거리에 설치하는 것이 세굴 깊이를 줄이는 데 더 효과적이었다. 3개 및 5개 말뚝을 설치한 다른 시나리오에서는, 3개 말뚝 시나리오의 경우 교각 직경 6배 및 4배 거리가, 5개 말뚝 시나리오의 경우 교각 직경 4, 6, 8배 거리가 가장 효과적이었다.
3. 서론:
교량은 차량 통행을 위해 강이나 계곡에 일반적으로 건설되는 중요한 구조물이다. 구조 및 수리 공학의 광범위한 발전에도 불구하고, 전 세계적으로 관찰되는 교량 붕괴 및 기타 취약성은 계속해서 경제적 손실, 사회적 문제 및 인명 피해를 야기하고 있다. 교량이 겪는 주요 위험 중 하나는 교각 주변의 국부 세굴이다. 강 흐름 경로에 위치한 교각은 강의 단면적을 감소시킨다. 이 상황은 교각 주변의 유속을 증가시키고, 결과적으로 유선이 강바닥으로 쏠리면서 말굽 와류(horseshoe vortex) 및 회전류, 상승류를 형성한다. 강바닥의 흐름에서 발생하는 전단력은 수속이 증가함에 따라 커진다.
4. 연구 요약:
연구 주제의 배경:
하천 교량의 교각 주변에서 발생하는 국부 세굴은 교량의 구조적 안정성을 위협하는 심각한 문제이다. 유속 증가와 와류 형성으로 인해 교각 기초가 약화되어 교량 붕괴로 이어질 수 있다.
이전 연구 현황:
과거 연구들은 교각 형상 변경, 칼라(collar) 설치 등 다양한 세굴 방지책을 주로 실험적으로 연구했다. 일부 연구에서 희생말뚝의 효과를 언급했지만, 본 연구처럼 다양한 배열과 개수에 대한 체계적인 수치 해석 연구는 부족했다.
연구 목적:
본 연구의 목적은 FLOW-3D 수치 모델을 사용하여, 원형 교각 앞에 다양한 개수와 배열로 희생말뚝을 설치했을 때 교량 교각 세굴 저감 효과를 정량적으로 평가하고, 가장 효율적인 배열을 찾는 것이다.
핵심 연구:
실험 데이터로 검증된 FLOW-3D 모델을 사용하여 희생말뚝이 없는 경우와 1개, 3개, 5개의 희생말뚝을 각기 다른 위치에 설치한 총 9가지 시나리오를 시뮬레이션했다. 각 시나리오별 교각 전면, 후면, 측면의 최대 세굴 깊이를 비교 분석하여 희생말뚝의 효과와 최적의 배치를 규명했다.
5. 연구 방법론
연구 설계:
본 연구는 실험 데이터 기반의 수치 모델 검증 후, 가상 시뮬레이션을 통해 여러 설계 변수(희생말뚝의 개수 및 위치)의 영향을 평가하는 방식으로 설계되었다.
데이터 수집 및 분석 방법:
모델 검증: Balouchi와 Chamani(2012)의 실험 결과(시간에 따른 교각 전/후면 세굴 깊이)와 FLOW-3D 시뮬레이션 결과를 비교했다. 모델 효율성을 평가하기 위해 Nash-Sutcliffe(NS) 계수를 사용했으며, 교각 전면과 후면에서 각각 0.98과 0.97의 높은 일치도를 보였다.
시뮬레이션 실행: 총 10개의 시나리오(기준 1개, 희생말뚝 9개)를 평형 상태에 도달할 때까지(최대 420분) 시뮬레이션했다.
결과 분석: 각 시나리오의 최종 세굴 지형(packed sediment height net change)과 교각의 주요 지점(전면, 후면, 측면)에서의 최대 세굴 깊이를 추출하여 비교 분석했다.
연구 주제 및 범위:
주제: 희생말뚝을 이용한 하천 교량의 교각 세굴 방지 대책 효과 분석.
범위: 균일한 모래 하상 조건의清水(clear-water) 흐름에서 원형 교각과 원형 희생말뚝에 대한 연구로 한정했다. 유량은 45 L/s로 고정했다.
Figure 8. Different arrangements of the sacrificial piles
6. 주요 결과:
주요 결과:
희생말뚝은 모든 시나리오에서 교각 주변 세굴 깊이를 유의미하게 감소시켰다.
세굴은 초기 단계에서 빠르게 발생하여, 평형 상태에 도달하기까지 걸리는 시간의 10% 이내에 전체 세굴의 약 60%가 발생했다.
단일 희생말뚝의 경우, 교각 직경 5배 거리에 설치(S-3)하는 것이 비용과 효과를 고려할 때 가장 효율적인 대책으로 추천되었다.
다중 희생말뚝의 경우, 5개의 말뚝을 교각 직경 2, 4, 6배 거리에 설치(S-8)했을 때 교각 전면, 후면, 측면 모두에서 가장 뛰어난 세굴 저감 성능을 보였다.
교각 전면의 세굴 깊이는 후면보다 항상 컸으며, 그 비율은 1.72(S-5)에서 2.54(S-4) 사이였다.
최대 세굴은 대부분의 시나리오에서 교각 측면에서 발생했으며, 이는 말굽 와류가 측면으로 빠져나가면서 강한 침식 작용을 일으키기 때문이다.
Figure 9. Simulation results (packed sediment height net change) after the steady-state
Figure 목록:
Figure 1. Simplified scouring mechanism around a bridge pier [7]
Figure 2. Pier shapes studied by Richardson and Davis [6]
Figure 3. Flowchart of the present study
Figure 4. The experimental model in the study by Balouchi and Chamani (2012) [27]
Figure 5. The meshing of the model
Figure 6. Model boundary conditions
Figure 7. Comparison between scour depth in the experimental model and the numerical model
Figure 8. Different arrangements of the sacrificial piles
Figure 9. Simulation results (packed sediment height net change) after the steady-state
Figure 10. Scour depth in different scenarios
7. 결론:
본 연구는 FLOW-3D 모델을 사용하여 희생말뚝 배열이 교각 세굴 방지에 미치는 영향을 성공적으로 분석했다. 연구 결과, 희생말뚝은 말굽 와류 형성에 영향을 주어 세굴 깊이를 효과적으로 감소시키는 것으로 나타났다. 희생말뚝의 효과는 그 배열에 따라 크게 달라졌다. 더 많은 수의 희생말뚝을 교각에 가깝게 설치할수록 최소 세굴이 발생했지만, 비용과 시공성을 고려할 때 단일 말뚝을 교각 직경 5배 거리에 설치하는 방안이 매우 효율적인 대안임을 제시했다. 이 연구는 FLOW-3D가 교량 기초의 안정성을 평가하고 최적의 세굴 방지 공법을 설계하는 데 강력한 도구임을 입증했다.
8. 참고문헌:
Karakouzian, Chavez, Hayes, and Nazari-Sharabian. “Bulbous Pier: An Alternative to Bridge Pier Extensions as a Countermeasure Against Bridge Deck Splashing.” Fluids 4, no. 3 (July 24, 2019): 140. doi:10.3390/fluids4030140.
Karami, Mehrdad, Abdorreza Kabiri-Samani, Mohammad Nazari-Sharabian, and Moses Karakouzian. “Investigating the Effects of Transient Flow in Concrete-Lined Pressure Tunnels, and Developing a New Analytical Formula for Pressure Wave Velocity.” Tunnelling and Underground Space Technology 91 (September 2019): 102992. doi:10.1016/j.tust.2019.102992.
Karakouzian, Moses, Mohammad Nazari-Sharabian, and Mehrdad Karami. “Effect of Overburden Height on Hydraulic Fracturing of Concrete-Lined Pressure Tunnels Excavated in Intact Rock: A Numerical Study.” Fluids 4, no. 2 (June 19, 2019): 112. doi:10.3390/fluids4020112.
Chiew, Yee-Meng. “Scour protection at bridge piers.” Journal of Hydraulic Engineering 118, no. 9 (1992): 1260-1269. doi:10.1061/(ASCE)0733-9429(1992)118:9(1260).
Shen, Hsieh Wen, Verne R. Schneider, and Susumu Karaki. “Local scour around bridge piers.” Journal of the Hydraulics Division (1969): 1919-1940.
Richardson, E.V., and Davis, S.R. “Evaluating Scour at Bridges”. Hydraulic Engineering Circular. (2001), 18 (HEC-18), Report no. FHWA NHI 01-001, U.S. Department of Transportation, Federal Highway Administration, Washington, DC, USA.
Elsaeed, Gamal, Hossam Elsersawy, and Mohammad Ibrahim. “Scour Evaluation for the Nile River Bends on Rosetta Branch.” Advances in Research 5, no. 2 (January 10, 2015): 1–15. doi:10.9734/air/2015/17380.
Chang, Wen-Yi, Jihn-Sung Lai, and Chin-Lien Yen. “Evolution of scour depth at circular bridge piers.” Journal of Hydraulic Engineering 130, no. 9 (2004): 905-913. doi:10.1061/(ASCE)0733-9429(2004)130:9(905).
Unger, Jens, and Willi H. Hager. “Riprap failure at circular bridge piers.” Journal of Hydraulic Engineering 132, no. 4 (2006): 354-362. doi:10.1061/(ASCE)0733-9429(2006)132:4(354).
Abdeldayem, Ahmed W., Gamal H. Elsaeed, and Ahmed A. Ghareeb. “The effect of pile group arrangements on local scour using numerical models.” Advances in Natural and Applied Sciences 5, no. 2 (2011): 141-146.
Sheppard, D. M., B. Melville, and H. Demir. “Evaluation of Existing Equations for Local Scour at Bridge Piers.” Journal of Hydraulic Engineering 140, no. 1 (January 2014): 14–23. doi:10.1061/(asce)hy.1943-7900.0000800.
Melville, Bruce W., and Anna C. Hadfield. “Use of sacrificial piles as pier scour countermeasures.” Journal of Hydraulic Engineering 125, no. 11 (1999): 1221-1224. doi:10.1061/(ASCE)0733-9429(1999)125:11(1221).
Yao, Weidong, Hongwei An, Scott Draper, Liang Cheng, and John M. Harris. “Experimental Investigation of Local Scour Around Submerged Piles in Steady Current.” Coastal Engineering 142 (December 2018): 27-41. doi:10.1016/j.coastaleng.2018.08.015.
Link, Oscar, Marcelo García, Alonso Pizarro, Hernán Alcayaga, and Sebastián Palma. “Local Scour and Sediment Deposition at Bridge Piers During Floods.” Journal of Hydraulic Engineering 146, no. 3 (March 2020): 04020003. doi:10.1061/(asce)hy.1943-7900.0001696.
Khan, Mujahid, Mohammad Tufail, Muhammad Fahad, Hazi Muhammad Azmathullah, Muhammad Sagheer Aslam, Fayaz Ahmad Khan, and Asif Khan. “Experimental analysis of bridge pier scour pattern.” Journal of Engineering and Applied Sciences 36, no. 1 (2017): 1-12.
Yang, Yifan, Bruce W. Melville, D. M. Sheppard, and Asaad Y. Shamseldin. “Clear-Water Local Scour at Skewed Complex Bridge Piers.” Journal of Hydraulic Engineering 144, no. 6 (June 2018): 04018019. doi:10.1061/(asce)hy.1943-7900.0001458.
Moussa, Yasser Abdallah Mohamed, Tarek Hemdan Nasr-Allah, and Amera Abd-Elhasseb. “Studying the Effect of Partial Blockage on Multi-Vents Bridge Pier Scour Experimentally and Numerically.” Ain Shams Engineering Journal 9, no. 4 (December 2018): 1439-1450. doi:10.1016/j.asej.2016.09.010.
Guan, Dawei, Yee-Meng Chiew, Maoxing Wei, and Shih-Chun Hsieh. “Characterization of Horseshoe Vortex in a Developing Scour Hole at a Cylindrical Bridge Pier.” International Journal of Sediment Research 34, no. 2 (April 2019): 118-124. doi:10.1016/j.ijsrc.2018.07.001.
Dougherty, E.M. “CFD Analysis of Bridge Pier Geometry on Local Scour Potential” (2019). LSU Master’s Theses. 5031.
Vijayasree, B. A., T. I. Eldho, B. S. Mazumder, and N. Ahmad. “Influence of Bridge Pier Shape on Flow Field and Scour Geometry.” International Journal of River Basin Management 17, no. 1 (November 10, 2017): 109-129. doi:10.1080/15715124.2017.1394315.
Farooq, Rashid, and Abdul Razzaq Ghumman. “Impact Assessment of Pier Shape and Modifications on Scouring Around Bridge Pier.” Water 11, no. 9 (August 23, 2019): 1761. doi:10.3390/w11091761.
Link, Oscar, Cristian Castillo, Alonso Pizarro, Alejandro Rojas, Bernd Ettmer, Cristián Escauriaza, and Salvatore Manfreda. “A Model of Bridge Pier Scour During Flood Waves.” Journal of Hydraulic Research 55, no. 3 (November 18, 2016): 310-323. doi:10.1080/00221686.2016.1252802.
Karakouzian, Moses, Mehrdad Karami, Mohammad Nazari-Sharabian, and Sajjad Ahmad. “Flow-Induced Stresses and Displacements in Jointed Concrete Pipes Installed by Pipe Jacking Method.” Fluids 4, no. 1 (February 21, 2019): 34. doi:10.3390/fluids4010034.
Flow Science, Inc. FLOW-3D User’s Manual, Flow Science (2018).
Brethour, J. Modeling Sediment Scour. Flow Science, Santa Fe, NM. (2003).
Brethour, James, and Jeff Burnham. “Modeling sediment erosion and deposition with the FLOW-3D sedimentation & scour model.” Flow Science Technical Note, FSI-10-TN85 (2010): 1-22.
Balouchi, M., and Chamani, M.R. “Investigating the Effect of using a Collar around a Bridge Pier, on the Shape of the Scour Hole”. Proceedings of the First International Conference on Dams and Hydropower (2012) (In Persian).
Bayon, Arnau, Daniel Valero, Rafael García-Bartual, Francisco José Vallés-Morán, and P. Amparo López-Jiménez. “Performance Assessment of OpenFOAM and FLOW-3D in the Numerical Modeling of a Low Reynolds Number Hydraulic Jump.” Environmental Modelling & Software 80 (June 2016): 322-335. doi:10.1016/j.envsoft.2016.02.018.
Aminoroayaie Yamini, O., S. Hooman Mousavi, M. R. Kavianpour, and Azin Movahedi. “Numerical Modeling of Sediment Scouring Phenomenon Around the Offshore Wind Turbine Pile in Marine Environment.” Environmental Earth Sciences 77, no. 23 (November 24, 2018). doi:10.1007/s12665-018-7967-4.
Nazari-Sharabian, Mohammad, Masoud Taheriyoun, Sajjad Ahmad, Moses Karakouzian, and Azadeh Ahmadi. “Water Quality Modeling of Mahabad Dam Watershed-Reservoir System under Climate Change Conditions, Using SWAT and System Dynamics.” Water 11, no. 2 (February 24, 2019): 394. doi:10.3390/w11020394.
전문가 Q&A: 자주 묻는 질문
Q1: 이 연구에서 수치 모델의 정확성을 어떻게 검증했나요?
A1: 연구진은 FLOW-3D 모델의 신뢰성을 확보하기 위해 Balouchi와 Chamani(2012)가 수행한 물리적 실험 결과와 시뮬레이션 결과를 직접 비교했습니다. 시간에 따른 교각 전면과 후면의 세굴 깊이 변화를 비교했으며(Figure 7), Nash-Sutcliffe(NS) 효율성 계수를 사용하여 정량적으로 평가했습니다. 그 결과, 교각 전면에서 0.98, 후면에서 0.97이라는 매우 높은 일치도를 보여, 수치 모델이 실제 물리 현상을 매우 정확하게 모사함을 입증했습니다.
Q2: 왜 RNG 난류 모델을 선택했나요? 다른 모델(예: LES)을 사용했다면 결과가 달라졌을까요?
A2: 논문에 따르면, 교각 주변의 난류 흐름을 계산하기 위해 RNG 모델을 사용했습니다. RNG 모델은 상대적으로 적은 계산 비용으로 복잡한 흐름, 특히 와류 현상을 합리적으로 예측할 수 있어 공학적 문제에 널리 사용됩니다. 저자들은 LES(Large Eddy Simulation)와 같은 더 정교한 모델이 더 나은 결과를 제공할 수 있지만, 계산 시간이 훨씬 길어진다는 점을 언급했습니다. 따라서 이 연구에서는 수용 가능한 시간 내에 신뢰도 높은 결과를 얻기 위해 RNG 모델을 선택했습니다.
Q3: 단일 희생말뚝 시나리오(S-3)가 여러 개를 설치한 일부 시나리오보다 더 효과적으로 추천된 이유는 무엇인가요?
A3: S-3(단일 말뚝, 5D 거리)는 S-8(5개 말뚝)과 같은 시나리오보다 절대적인 세굴 저감량은 적습니다. 하지만 저자들은 “설계 편의성, 낮은 건설 및 유지보수 비용, 그리고 약 70%에 달하는 세굴 깊이 감소 효과”를 종합적으로 고려할 때 S-3가 가장 효율적인 대책이라고 추천했습니다. 즉, 최소의 비용으로 최대의 효과를 얻는 경제성과 실용성 측면에서 S-3가 가장 높은 점수를 받은 것입니다.
Q4: Figure 10을 보면, 대부분의 경우 교각 측면(On the sides)에서 세굴이 가장 깊게 발생했습니다. 그 이유는 무엇인가요?
A4: 이는 교각 전면에서 형성된 강력한 말굽 와류(horseshoe vortex)의 특성 때문입니다. 이 와류는 교각을 만나면서 양쪽으로 갈라져 교각 측면을 따라 흐르면서 강바닥을 강하게 침식시킵니다. 희생말뚝은 교각 전면으로 접근하는 주 흐름의 에너지를 약화시키는 데는 효과적이지만, 측면으로 빠져나가는 와류의 힘까지 완벽하게 제어하기는 어렵습니다. 따라서 많은 시나리오에서 측면 세굴이 가장 두드러지게 나타났습니다.
Q5: 이 연구 결과는 원형 교각에만 적용되나요? 사각형이나 다른 형태의 교각에도 적용할 수 있을까요?
A5: 본 연구는 원형 교각과 원형 희생말뚝에 대해서만 수행되었으므로, 결과를 다른 형태의 교각에 직접 적용하기는 어렵습니다. 교각의 형태는 와류의 형성과 세굴 패턴에 큰 영향을 미칩니다(Figure 2 참조). 하지만 본 연구는 FLOW-3D를 사용하여 특정 조건에 맞는 최적의 세굴 방지책을 설계할 수 있다는 방법론적 가치를 보여줍니다. 향후 연구를 통해 다른 형태의 교각에 대해서도 유사한 시뮬레이션을 수행하여 최적의 희생말뚝 배열을 찾을 수 있을 것입니다.
결론: 더 높은 품질과 생산성을 위한 길
교량 기초의 안정성을 위협하는 교량 교각 세굴 문제는 정밀한 예측과 효과적인 대책이 필수적인 엔지니어링 과제입니다. 본 연구는 FLOW-3D를 활용하여 희생말뚝이라는 세굴 방지 공법의 효과를 체계적으로 분석했으며, 단일 말뚝을 교각 직경 5배 거리에 설치하는 것만으로도 비용 효과적으로 세굴을 크게 줄일 수 있다는 핵심적인 발견을 제시했습니다. 이는 R&D 및 운영 단계에서 CFD 시뮬레이션이 어떻게 최적의 설계를 도출하고, 잠재적 위험을 줄이며, 프로젝트의 경제성을 높일 수 있는지를 명확히 보여주는 사례입니다.
(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.
연락처 : 02-2026-0442
이메일 : flow3d@stikorea.co.kr
저작권 정보
이 콘텐츠는 Mohammad Nazari-Sharabian 외 저자의 논문 “Sacrificial Piles as Scour Countermeasures in River Bridges A Numerical Study using FLOW-3D”를 기반으로 한 요약 및 분석 자료입니다.
이 기술 요약은 Luis Fernando Castaneda Galvis가 2023년 Auburn University에 제출한 석사 학위 논문 “Effect of hydrologic and hydraulic calculation approaches on pier scour estimates”를 기반으로 합니다. STI C&D에서 기술 전문가를 위해 분석하고 요약했습니다.
도전 과제: 교량 기초 주변의 토사 유실 현상인 교각 세굴은 교량 붕괴의 주요 원인이지만, 수문학적 및 수리학적 계산 접근법에 따라 예측치가 크게 달라져 인프라 안전에 심각한 위협이 됩니다.
연구 방법: 4개의 실제 교량을 대상으로 12가지의 수문학적-수리학적 모델링 조합(총 48개 시뮬레이션)을 사용하여 교각 세굴 예측치를 체계적으로 비교 평가했습니다.
핵심 발견: 2D 수리학적 모델은 복잡한 하천 지형에서 1D 모델보다 훨씬 더 현실적인 유속 분포를 보여주며, 결과적으로 더 깊은 세굴 깊이를 예측하여 보수적인 설계에 기여합니다.
핵심 결론: 교량 안전성 평가 시, 특히 복잡한 지형에서는 1D 모델의 한계를 인식하고 2D 수리학적 모델을 채택하는 것이 교량 세굴 해석의 정확도를 높이는 데 필수적입니다.
도전 과제: 왜 이 연구가 CFD 전문가에게 중요한가?
교량 세굴은 전 세계적으로 교량의 안전과 안정성을 위협하는 심각한 문제입니다. 교량 기초 주변의 퇴적물이 침식되어 제거되는 이 현상은 수많은 교량 붕괴 사고의 원인이 되어 막대한 경제적, 인명 피해를 야기했습니다. 따라서 교량 구조물의 복원력과 수명을 보장하기 위해서는 세굴을 정확하게 예측하고 평가하는 것이 무엇보다 중요합니다.
문제는 세굴 깊이를 추정하는 데 사용되는 핵심 변수인 유속과 수심을 계산하는 데 다양한 수문학적, 수리학적 접근법이 존재한다는 것입니다. 각 접근법은 서로 다른 가정, 한계, 경계 조건을 가지므로 동일한 홍수 사상에 대해서도 상당히 다른 유량 결과를 산출할 수 있습니다. 이러한 차이가 최종적인 교각 세굴 예측에 얼마나 큰 영향을 미치는지에 대한 체계적인 연구가 부족한 실정이었습니다. 이는 엔지니어들이 가장 안전하고 정확한 모델링 방법을 선택하는 데 어려움을 겪게 만드는 주된 요인이었습니다.
접근법: 연구 방법론 분석
본 연구는 이러한 기술적 불확실성을 해결하기 위해 4개의 실제 교량을 대상으로 체계적인 비교 연구를 수행했습니다. 총 12가지의 수문학적 및 수리학적 계산법 조합을 적용하여 총 48개의 시뮬레이션을 진행했습니다.
Figure 1. Locations of the Flood regions in Alabama (Anderson, 2020)
수문학적 모델링 (최대 유량 산정):
지역 회귀 방정식(RRE): 주 교통국(DOT)에서 일반적으로 사용하는 간편한 방식입니다.
홍수 빈도 분석(FFA): 유량계가 설치된 지점에서 과거 데이터를 기반으로 분석하는 방식입니다.
분산형 수문 모델(HEC-HMS): SCS 유출 곡선 지수법을 사용하여 건조(CNI), 보통(CNII), 습윤(CNIII) 등 다양한 선행 토양 수분 조건을 고려한 강우-유출을 시뮬레이션했습니다.
수리학적 모델링 (유속 및 수심 계산):
1D 모델 (HEC-RAS): WSPRO 및 Energy 방정식을 사용하여 1차원 흐름을 해석했습니다.
2D 모델 (HEC-RAS): SA/2D 연결 방식과 교각을 지형에 직접 반영(raised piers)하는 두 가지 2차원 방식을 사용하여 흐름을 해석했습니다.
이렇게 계산된 유속과 수심 데이터를 사용하여 FHWA의 HEC-18 방정식과 관측 기반 세굴 예측법(OMS)으로 최종 교각 세굴 깊이를 산정하고 그 결과를 비교 분석했습니다. 특히, 2D 지형 수정 모델(raised piers)을 벤치마크로 설정하여 다른 접근법들의 정확도를 평가했습니다.
핵심 발견: 주요 연구 결과 및 데이터
결과 1: 2D 모델이 복잡한 지형에서 더 정확하고 보수적인 세굴 예측을 제공한다
연구 결과, 1D 수리학적 모델(WSPRO, Energy)은 대부분의 경우 서로 유사한 결과를 보였지만, 2D 모델에 비해 세굴 깊이를 과소평가하는 경향이 뚜렷했습니다. 특히 Conecuh 강(BrM 013310)과 같이 유로가 복잡하고 넓은 범람원을 가진 교량의 경우, 2D 모델은 1D 모델보다 훨씬 더 현실적인 유선 분포와 높은 유속을 보여주었습니다.
아래 ‘최대/평균 유속 비율’ 그래프(Figure 63)에서 Conecuh 강(빨간색 막대)의 경우, 1D Energy 모델(1.795)이 비정상적으로 높은 값을 보이는 반면, 2D 모델들(1.431, 1.416)은 상대적으로 안정적인 값을 보입니다. 이는 1D 모델이 복잡한 흐름을 주 수로에만 집중시켜 비현실적인 결과를 낳을 수 있음을 시사합니다. 반면, 2D 모델은 흐름을 더 현실적으로 분산시켜 교각 주변의 실제 유속을 더 잘 예측하고, 이는 더 신뢰성 높은 세굴 해석으로 이어집니다.
결과 2: 표준 계산법(RRE)은 최악의 시나리오를 반영하지 못할 수 있다
주 교통국에서 널리 사용되는 지역 회귀 방정식(RRE)은 간편하지만, 항상 가장 보수적인 최대 유량을 제공하지는 않는 것으로 나타났습니다. 특히 습윤한 선행 토양 수분 조건(CNIII)을 고려한 HEC-HMS 수문 모델은 대부분의 경우 RRE보다 더 높은 최대 유량을 산출했습니다.
예를 들어, BrM 015002 교량의 경우, RRE로 계산된 100년 빈도 홍수 유량은 7,682 cfs였지만, HEC-HMS CNIII 모델은 9,689 cfs를 예측했습니다 (Table 8). 더 나아가, 실제 관측 데이터 기반의 홍수 빈도 분석(FFA) 결과는 14,570 cfs로 훨씬 높았습니다. 이는 RRE가 최악의 홍수 시나리오를 심각하게 과소평가할 수 있음을 보여주며, 특히 습윤 지역에서는 상세한 수문학적 모델링이 교량 세굴 해석에 필수적임을 강조합니다.
R&D 및 운영을 위한 실질적 시사점
토목/수리 엔지니어: 복잡한 하도 형상이나 넓은 범람원을 가진 교량의 세굴을 평가할 때, 1D 모델의 한계를 명확히 인지해야 합니다. 2D 수리학적 모델을 사용하여 교각 주변의 유속 분포를 정밀하게 해석하는 것이 더 안전하고 신뢰할 수 있는 결과를 제공합니다.
인프라 관리 및 교통 부서(DOTs): 최대 유량 산정 시 지역 회귀 방정식(RRE)에만 의존하는 것은 위험할 수 있습니다. 특히 습윤 기후 지역에서는 습윤 선행 토양 수분 조건(CNIII)을 고려한 HEC-HMS와 같은 상세 수문 모델링을 수행하여 더 보수적인 설계 기준을 마련해야 합니다.
품질 및 리스크 관리팀: 본 연구는 수문학적 및 수리학적 모델 선택이 교량 세굴 해석 결과에 지대한 영향을 미친다는 것을 보여줍니다. 교량 인프라에 대한 포괄적인 리스크 평가 프로토콜에는 유량계 데이터가 있는 경우 홍수 빈도 분석(FFA)을 포함하고, 복잡한 현장에는 2D 수리학적 분석을 의무화하는 다중 모델 접근법을 포함해야 합니다.
논문 상세 정보
Effect of hydrologic and hydraulic calculation approaches on pier scour estimates
1. 개요:
제목: Effect of hydrologic and hydraulic calculation approaches on pier scour estimates (수문학적 및 수리학적 계산 접근법이 교각 세굴 추정에 미치는 영향)
교량 기초 주변의 퇴적물 침식 및 제거 현상인 교량 세굴은 토목 공학 및 인프라 관리 분야에서 중요한 관심사입니다. 세굴 추정에 사용되는 변수인 교량 부근의 수심과 유속을 결정하기 위해 최대 유량을 계산하는 다양한 수문학적 및 수리학적 접근법이 있습니다. 각 접근법은 가정, 한계, 경계 조건에 따라 수심 및 유속 추정에 영향을 미치는 상당히 다른 유량 결과를 낳을 수 있습니다. 또한, 방법들이 유사한 유량 크기를 추정할 때조차도 교량 구성에 따라 다른 유속 분포가 발생할 수 있습니다. 이러한 방법들이 교각 세굴 깊이 추정에 미치는 영향의 정도는 체계적인 조사의 부족으로 잘 알려져 있지 않습니다. 본 연구는 4개의 교량에 대해 12가지의 수문학적 및 수리학적 접근법 조합을 사용하여 총 48개의 시뮬레이션을 통해 교각 세굴을 평가함으로써 이 질문에 답하고자 합니다. 각 시뮬레이션은 FHWA HEC-18 및 관측 기반 세굴 예측법(OMS) 방법론을 사용하여 잠재적인 교각 세굴 깊이를 평가하기 위해 분석되었습니다. 최대 유량을 계산하는 대안으로는 지역 회귀 방정식(RRE), 홍수 빈도 분석(FFA), 그리고 HEC-HMS 4.9를 사용한 분산 모델이 있으며, SCS 유출 곡선 지수법을 사용하여 다양한 선행 수분 조건을 평가했습니다. 100년 주기 사상에 대한 최대 유량이 추정되었고, 수문 모델은 단일 사상 기반으로 시뮬레이션되었습니다. 수리학적 분석에는 HEC-RAS 6.1/6.2가 활용되었으며, 1D-WSPRO, 1D-Energy, 2D SA 연결, 그리고 교각을 높인 2D 지형 수정이 교량 모델링 접근법으로 사용되었습니다. HEC-RAS 모델은 1미터 x 1미터(3.28 x 3.28 ft) 해상도의 Lidar 데이터를 사용하여 생성되었습니다. 결과는 주 교통국에서 자주 사용하는 회귀 방정식이 수문 모델 시뮬레이션과 비교할 때 항상 최악의 수문학적 시나리오를 제공하지는 않는다는 것을 보여주었습니다. 1D 모델의 결과는 매우 유사하며, 대부분의 경우 더 적은 세굴 깊이를 생성합니다. 2D 접근법은 복잡한 구성을 가진 교량의 접근 수로를 더 잘 나타내며, 1D 모델보다 더 큰 유속과 따라서 더 많은 세굴 깊이를 묘사합니다. 마지막으로, 수분 조건이 최대 유량 결정을 위한 최악의 시나리오를 결정하는 데 영향을 미칠 수 있으며, 이는 다시 세굴 계산에 영향을 미친다는 것이 발견되었습니다.
3. 서론:
교량 세굴은 흐르는 하천의 침식 작용으로 인해 발생하는 자연 현상으로, 물, 토양, 구조물이 상호 작용하는 일반적인 문제입니다. 이는 교량의 안전과 안정성에 심각한 위협이 되며, 전 세계적으로 수많은 교량 붕괴를 초래하여 상당한 경제적, 인명 손실을 야기했습니다. 교량 구조물의 복원력과 수명을 보장하기 위해서는 교량 세굴의 예측과 평가가 매우 중요합니다. HEC-18(Hydraulic Engineering Circular No. 18)은 100년 설계 홍수 사상을 기반으로 세굴 깊이를 계산하는 결정론적 절차를 제공합니다. 최대 유량을 계산하는 방법은 다양하며, 계산된 유량을 바탕으로 수리학적 모델링을 통해 교량 부근의 유속과 수심을 추정합니다. 1D 또는 2D 모델링 접근법에 따라 이 변수들의 크기, 방향, 분포가 달라질 수 있습니다. 다양한 최대 유량 계산법과 교량 모델링 접근법이 존재함에도 불구하고, 이들의 조합이 세굴 예측 결과에 미치는 차이를 체계적으로 평가한 연구는 부족했습니다. 이 연구는 “수문학적 및 수리학적 계산 접근법의 다양한 대안이 교각 세굴 추정치에 어느 정도 영향을 미칠 수 있는가?”라는 연구 질문에 답하는 것을 목표로 합니다.
4. 연구 요약:
연구 주제의 배경:
교량 세굴은 교량의 구조적 안전성에 직접적인 영향을 미치는 핵심적인 문제이며, 이를 정확히 예측하는 것은 인프라 관리의 중요한 부분입니다. 세굴 예측은 수문학적 분석(얼마나 많은 물이 오는가?)과 수리학적 분석(물이 어떻게 흐르는가?)의 두 단계로 이루어지는데, 각 단계에서 사용 가능한 여러 방법론 간의 결과 차이가 최종 예측의 불확실성을 증가시킵니다.
이전 연구 현황:
과거 연구들은 개별적인 수문학적 또는 수리학적 모델링 방법에 초점을 맞추었지만, 이 두 가지를 조합했을 때 발생하는 결과의 변동성을 체계적으로 분석한 연구는 드물었습니다. 특히, 간편성 때문에 널리 사용되는 지역 회귀 방정식(RRE)과 물리적 과정을 더 상세히 모사하는 분산형 수문 모델(HEC-HMS) 간의 차이, 그리고 1D와 2D 수리학적 모델 간의 차이가 세굴 예측에 미치는 복합적인 영향을 규명할 필요가 있었습니다.
연구의 목적:
본 연구의 목적은 다양한 수문학적 및 수리학적 계산 접근법 조합이 교각 세굴 예측치에 미치는 영향을 정량적으로 평가하는 것입니다. 이를 통해 엔지니어들이 특정 현장 조건에 가장 적합하고 안전한 모델링 조합을 선택하는 데 과학적 근거를 제공하고자 합니다.
핵심 연구:
알라배마 주에 위치한 4개의 실제 교량을 대상으로, 3가지 수문학적 접근법(RRE, FFA, HEC-HMS)과 4가지 수리학적 접근법(1D WSPRO, 1D Energy, 2D SA connection, 2D terrain modification)을 조합하여 100년 빈도 홍수 사상에 대한 교각 세굴을 시뮬레이션하고 그 결과를 비교 분석했습니다.
Figure 9. Pier scour sketch (Anerson et al., 2012)
5. 연구 방법론:
연구 설계:
본 연구는 비교 분석 연구 설계를 채택했습니다. 4개의 교량(연구 대상)에 대해 독립 변수인 수문학적 접근법(3가지)과 수리학적 접근법(4가지)을 체계적으로 조합하여 종속 변수인 교각 세굴 깊이를 측정하고 비교했습니다. 2D 지형 수정 모델을 벤치마크로 사용하여 다른 모델들의 성능을 평가했습니다.
데이터 수집 및 분석 방법:
데이터 수집: USGS로부터 DEM(Digital Elevation Model) 데이터, Lidar 지형 데이터, NLCD 토지 피복 데이터, SSURGO 토양 데이터를 수집했습니다. 유량계가 있는 지점에서는 과거 유량 데이터를, 강우 데이터는 Atlas 14에서 추출했습니다.
데이터 분석:
수문 분석: StreamStats를 사용하여 유역을 획정하고 RRE 값을 계산했습니다. PeakFQ 소프트웨어로 홍수 빈도 분석(FFA)을 수행했습니다. HEC-HMS 소프트웨어를 사용하여 다양한 선행 토양 수분 조건(CNI, CNII, CNIII)에 대한 강우-유출 모델링을 수행했습니다.
수리 분석: HEC-RAS 소프트웨어를 사용하여 1D 및 2D 수리학적 모델을 구축하고, 각 수문 시나리오에 대한 유속 및 수심을 계산했습니다.
세굴 분석: Hydraulic Toolbox를 사용하여 HEC-18 방정식을 기반으로 교각 세굴 깊이를 계산했으며, OMS 방법론과도 비교했습니다.
Figure 40. Terrain modification with raised piers
연구 주제 및 범위:
본 연구는 알라배마 주에 위치한 4개의 특정 교량을 대상으로 하며, 100년 빈도 홍수 사상에 대한 교각 세굴에 초점을 맞춥니다. 연구에서 사용된 소프트웨어는 HEC-HMS, HEC-RAS, PeakFQ 등이며, 세굴 계산은 HEC-18 방정식을 주로 사용했습니다.
6. 주요 결과:
주요 결과:
주 교통국(DOT)에서 널리 사용하는 지역 회귀 방정식(RRE)은 상세 수문 모델(HEC-HMS)과 비교 시 항상 최악의 시나리오(가장 큰 유량)를 제공하지 않았으며, 일부 교량에서는 유량을 최대 70%까지 과소평가했습니다.
1D 수리학적 모델들은 서로 유사한 결과를 보였으나, 복잡한 하천 지형을 가진 교량에서는 흐름을 제대로 모사하지 못하고 세굴 깊이를 과소평가하는 경향을 보였습니다.
2D 수리학적 모델, 특히 교각을 지형에 직접 반영한 모델(벤치마크)은 더 넓은 범람원, 더 빠른 유속, 그리고 더 얕은 수심을 보여주어, 결과적으로 1D 모델보다 더 깊은 세굴을 예측하는 경향이 있었습니다. 이는 2D 모델이 더 보수적이고 현실적인 결과를 제공함을 의미합니다.
선행 토양 수분 조건은 최대 유량 산정에 큰 영향을 미쳤으며, 습윤 조건(CNIII)이 가장 보수적인(가장 큰) 세굴 예측 결과를 낳았습니다.
Figure 목록:
Figure 1. Locations of the Flood regions in Alabama (Anderson, 2020)
Figure 2. Calibration process diagram used by HEC-HMS. Feldman (2000)
Figure 3. Symbols used. Equations for motion and mass conservation (Brunner et al., 2020)
Figure 4. Channel Profile and cross section locations (Brunner and CEIWR-HEC, 2020)
Figure 5. Cross Sections Near and Inside the Bridge (Brunner and CEIWR-HEC, 2020)
Figure 6. Critical shear stress vs particle grain size (Briaud et al. 2011)
Figure 7. Flow around a single pier (Prendergast and Gavin, 2014)
Figure 8. Comparison of scour equations for variable depth ratios (y/a) according with Jones (TRB, 1983)
Figure 9. Pier scour sketch (Anerson et al., 2012)
Figure 10. Methodology Flowchart
Figure 11. Location of the selected Bridges in the State of Alabama (Google Earth, 2023)
Figure 12. Location of Bridge No 015002. (Google Earth, 2023)
Figure 13. USGS station No. 02362240 is located at the Bridge entrance. (USGS, 2023)
Figure 14. Bridge No 0150002 configuration. (AASHTOWare BrM, 2023)
Figure 15. Location of Bridge No 010738. (Google Earth, 2023)
Figure 16. Bridge No 010738 configuration. Source: AASHTOWare BrM
Figure 17. Location of Bridge No 013310. (Google Earth, 2023)
Figure 18. Bridge No 013310 configuration. (AASHTOWare BrM, 2023)
Figure 19. Location of Bridge No 013310. (Google Earth, 2023)
Figure 20. Bridge No 013310 configuration. Source: AASHTOWare BrM
Figure 21. Area extracted from Streamstats for an example watershed.
Figure 22. Peak flow streamflow data for Bridge No 015002
Figure 23. Resulted chart using the software PeakFQ
Figure 24. Watershed associated with the analyzed bridges (a) BrM No 015002 (b) BrM No 010738 (c) BrM No 007070 (d) BrM 013310
Figure 25. DEMs for the watersheds associated with the selected bridges (a) BrM No 015002 (b) BrM No 010738 (c) BrM No 007070 (d) BrM 013310
Figure 26. Land cover values for the analyzed watersheds related with the bridges (a) BrM No 015002 (b) BrM No 010738 (c) BrM No 007070 (d) BrM 013310
Figure 27. Models created in HEC-HMS for the watersheds associated with the bridges (a) BrM No 015002 (b) BrM No 010738 (c) BrM No 007070 (d) BrM 013310
Figure 28. Rain gage deployed in Bridge BrM No 015002
Figure 29. Geometry 1D Hydraulic model in HEC-RAS and bridge cross section
Figure 30. Geometry 2D Hydraulic model in HEC-RAS and bridge and SA 2D connection
Figure 31. Terrain modification with raised piers
Figure 32. Geometry 1D Hydraulic model in HEC-RAS and bridge cross section
Figure 33. Geometry 2D Hydraulic model in HEC-RAS and bridge and SA 2D connection
Figure 34. Terrain modification with raised piers
Figure 35. Geometry 1D Hydraulic model in HEC-RAS and bridge cross section
Figure 36. Geometry 2D Hydraulic model in HEC-RAS and bridge and SA 2D connection
Figure 37. Terrain modification with raised piers
Figure 38. Geometry 1D Hydraulic model in HEC-RAS and bridge cross section
Figure 39. Geometry 2D Hydraulic model in HEC-RAS and bridge and SA 2D connection
Figure 40. Terrain modification with raised piers
Figure 41. Calibration results for minimizing the percent error in peak discharge in Little Double Bridges Creek (BrM No 015002)
Figure 42. Comparison between the two resultant outflow hydrographs.
Figure 43. Outflow hydrographs for watershed associated BrM No 015002 and different antecedent soil moisture conditions, CNI, CNII and CNIII.
Figure 44. Outflow hydrographs for watershed associated BrM 0107038 and different antecedent soil moisture conditions, CNI, CNII and CNIII.
Figure 45. Outflow hydrographs for watershed associated BrM 013310 and different antecedent soil moisture conditions, CNI, CNII and CNIII
Figure 46. Outflow hydrographs for watershed associated BrM 007070 and different antecedent soil moisture conditions, CNI, CNII and CNIII.
Figure 47. Velocities for different bridge modeling approaches, Bridge BrM No 015002. (a) WSPRO (b) Energy (c) 2D/SA connection (d) 2D terrain modification with raised piers
Figure 48.Velocities comparison for the bridge modeling approaches. Bridge BrM015002
Figure 49. Water depth results for different bridge modeling approaches, Bridge BrM No 015002. (a) WSPRO (b) Energy (c) 2D/SA connection (d) 2D terrain modification with raised piers
Figure 50.Water depth for the different bridge modeling approach. Bridge BrM015002
Figure 51. Velocities results for different bridge modeling approaches, Bridge BrM No 010738. (a) WSPRO (b) Energy (c) 2D/SA connection (d) 2D terrain modification with raised piers
Figure 52.Velocities for the different bridge modeling approach. Bridge BrM010738
Figure 53. Water depth for different bridge modeling approaches, Bridge BrM No 010738. (a) WSPRO (b) Energy (c) 2D/SA connection (d) 2D terrain modification with raised piers
Figure 54.Water depth for the different bridge modeling approach. Bridge BrM010738
Figure 55. Velocities for different bridge modeling approaches, Bridge BrM No 013310. (a) WSPRO (b) Energy (c) 2D/SA connection (d) 2D terrain modification with raised piers
Figure 56.Velocities for the different bridge modeling approach. Bridge BrM013310
Figure 57. Water depth for different bridge modeling approaches, Bridge BrM No 013310. (a) WSPRO (b) Energy (c) 2D/SA connection (d) 2D terrain modification with raised piers
Figure 58.Water depth for the different bridge modeling approach. BrM No 013310
Figure 59. Velocities results for different bridge modeling approaches, Bridge BrM No 007070. (a) WSPRO (b) Energy (c) 2D/SA connection (d) 2D terrain modification with raised piers
Figure 60. Velocity for the different bridge modeling approach. Bridge BrM No 007070
Figure 61. Water depth for different bridge modeling approaches, Bridge BrM No 007070. (a) WSPRO (b) Energy (c) 2D/SA connection (d) 2D terrain modification with raised piers
Figure 62.Water depth for the different bridge modeling approach. Bridge BrM007070
Figure 63.Peak to average velocities by bridge for the different bridge modeling approaches
Figure 64.Peak to average for scour depth using RRE
Figure 65. Peak to average for scour depth using CNII
Figure 66. Peak to average for scour depth using CNIII
Figure 67. HEC-18 scour comparison values of the different alternatives to calculate the flow using the Bridge modeling approach (benchmark). Bridge BrM No 015002
Figure 68. HEC-18 pier scour comparison of the different alternatives to calculate the flow using the Bridge modeling approach (benchmark). Bridge BrM No 010738
Figure 69. HEC-18 pier scour comparison of the different alternatives to calculate the flow using the Bridge modeling approach (benchmark). Bridge BrM No 013310
Figure 70. HEC-18 pier scour comparison of the different alternatives to calculate the flow using the Bridge modeling approach (benchmark). Bridge BrM No 007070
7. 결론:
본 연구는 HEC-18 접근법을 사용한 세굴 추정치가 수문학적 및 수리학적 모델링 도구의 선택에 크게 좌우된다는 점을 명확히 보여주었습니다. 1D 모델은 단순한 교량에서는 서로 유사한 결과를 보이지만, 복잡한 교량 횡단면에서는 유용성이 제한적이었습니다. 1D 모델은 교량 상류에서 더 깊은 수심을 예측하고, 교량 입구에서 흐름을 제어하여 유속과 세굴을 감소시키는 경향이 있었습니다. 반면, 2D 모델에서는 더 큰 유속이 관찰되었고 흐름 표현이 더 합리적이어서, 대부분의 경우 세굴 추정치를 개선할 수 있었습니다. 결론적으로, 교량 세굴 해석의 정확성과 안전성을 높이기 위해서는, 특히 복잡한 지형에서는 2D 수리학적 모델을 사용하고, 습윤 지역에서는 보수적인 선행 수분 조건을 고려한 상세 수문 모델링을 수행하는 것이 필수적입니다.
8. 참고 문헌:
Anderson, B.T. (2020) Magnitude and frequency of floods in Alabama, 2015: U.S. Geological Survey Scientific Investigations Report 2020–5032, 148 p.
Arneson, L. A., & Shearman, J. O. (1998). User’s Manual For WSPRO: A Computer Model for Water Surface Profile Computations (No. FHWA-SA-98-080). United States. Federal Highway Administration. Office of Technology Applications.
Bergendahl, B. S., and L. A. Arneson. FHWA hydraulic toolbox (version 4.2): Federal Highway Administration, accessed March 3, 2021. (2014).
Beven, K. J., & Kirkby, M. J. (1979). A physically based, variable contributing area model of basin hydrology. Hydrological Sciences Journal, 24(1), 43-69.
Briaud, J.L., F.C.K. Ting, H.C. Chen, R. Gudavaiii, K. Kwak, B. Philogene, S.W. Han., S. Perugu, G. Wei, P. Nurtjahyo, Y. Cao, Y. Li, (1999), “SRICOS Prediction of Scour Rate at Bridge Piers,” Report 2937-F, Texas Depart. of Transportation, Texas A&M University, Civil Engineering, College Station, TX 77843-3136.
Briaud, J.-L., Govindasamy, A. V., Kim, D., Gardoni, P., Olivera, F.,Chen, H., Mathewson, C. C., and Elsbury, K. (2009).“Simplified method for estimating scour at bridges.” Rep. 0 5505-1, Texas De-partment of Transportation, Austin, TX
Briaud, J.L., H.C. Chen, K.A. Chang, S.J. Oh, S. Chen, J. Wang, Y. Li, K. Kwak, P. Nartjaho, R. Gudaralli, W. Wei, S. Pergu, Y.W. Cao, and F. Ting. (2011) “The Sricos – EFA Method” Summary Report, Texas A&M University.
Brown, S. A., Schall, J. D., Morris, J. L., Stein, S., & Warner, J. C. (2009). Urban drainage design manual: hydraulic engineering circular 22 (No. FHWA-NHI-10-009). National Highway Institute (US).
Brunner G. W., CEIWR-HEC, (2020) HEC-RAS River Analysis System User’s Manual Version 6.0, US Army Corps of Engineers–Hydrologic Engineering Center, Davis, CA 703
Brunner, G. W. (2016). HEC-RAS River Analysis System: Hydraulic Reference Manual, Version 5.0. US Army Corps of Engineers–Hydrologic Engineering Center, 547.
Brunner, G. W. (2020). HEC-RAS River Analysis System: Hydraulic Reference Manual, Version 6.0 Beta. US Army Corps of Engineers–Hydrologic Engineering Center, 520.
Brunner, G. W., & CEIWR-HEC, (2016). HEC-RAS River Analysis System, 2D Modeling User’s Manual Version 5.0. US Army Corps of Engineers, Institute for Water Resources, Hydrologic Engineering Center, Davis, CA, USA.
Brunner, G. W., Hunt, J. H., & Hydrologic Engineering Center, Davis CA. (1995). A Comparison of the One-Dimensional Bridge Hydraulic Routines from HEC-RAS, HEC-2 and WSPRO.
Brunner, G., Savant, G., & Heath, R. (2020). Modeler application guidance for steady vs unsteady, and 1D vs 2D vs 3D hydraulic modeling. Hydrologic Engineering Center, Davis, California, USA.
Carswell Jr., & William J.(2013), The 3D Elevation Program: summary for AlabamA, U.S. Geological Survey, Report 2013-3105, Reston, VA
Chabert, J., & Engeldinger, P. (1956). Study of scour around bridge piers. Rep. Prepared for the Laboratoire National d’Hydraulique, Chatou, France.
Chang, F. M., & Yevjevich, V. M. (1962). Analytical study of local scour (Doctoral dissertation, Colorado State University. Libraries).
Chen, Y. (2018). Distributed Hydrological Models. In: Duan, Q., Pappenberger, F., Thielen, J., Wood, A., Cloke, H., Schaake, J. (eds) Handbook of Hydrometeorological Ensemble Forecasting. Springer, Berlin, Heidelberg
Chow, V. T. (1953) Frequency analysis of hydrologic data with special application to rainfall intensities, bulletin no. 414, University of Illinois Eng. Station.
Chow, V.T., Maidment, D.R., and Mays, L.W. (1988). Applied hydrology. McGraw-Hill, New York, NY.
Clark, C.O. 1945. “Storage and the Unit Hydrograph.” Transactions of the American Society of Civil Engineers 110, pp. 1419-1446.
Cohn, T.A., England, J.F., Berenbrock, C.E., Mason, R.R., Stedinger, J.R., and Lamontagne, J.R., 2013, A generalized Grubbs-Beck test statistic for detecting multiple potentially influential low outliers in flood series: Water Resources Research, v. 49, no. 8, p. 5047–5058
Cohn, T.A., Lane, W.L., and Baier, W.G., 1997, An algorithm for computing moments-based flood quantile estimates when historical flood information is available: Water Resources Research, v. 33, no. 9, p. 2089–2096.
Dewitz, J., and U.S. Geological Survey. 2021. National Land Cover Database (NLCD) 2019 Products (ver. 2.0, June 2021): U.S. Geological Survey data release. June 4
Einstein, H. A. (1950). The bed-load function for sediment transportation in open channel flows No. 1026). US Department of Agriculture.
England Jr, J. F., Cohn, T. A., Faber, B. A., Stedinger, J. R., Thomas Jr, W. O., Veilleux, A. G., … & Mason Jr, R. R. (2019). Guidelines for determining flood flow frequency—Bulletin 17C (No. 4-B5). US Geological Survey.
Ettema, R. (1976). Influence of bed gradation on local scour: Report No. 124. University of Auckland, School of Engineering, New Zealand. Ettema, R. (1980). Scour at bridge piers: Report No. 216. University of Auckland, School of Engineering, New Zealand
Ettema, R., 1980, “Scour at Bridge Piers,” Report 215, Dept. of Civil Engineering, University of Auckland, Auckland, New Zealand.
Feaster, T.D., Kolb, K.R., Painter, J.A., and Clark, J.M. (2020) Methods for estimating selected low-flow frequency statistics and mean annual flow for ungaged locations on Streams in Alabama: U.S. Geological Survey Scientific Investigations Report 2020–5099, 21 p.
Federal Highway Administration, 1988, “Scour at Bridges,” Technical Advisory T5140.20, updated by Technical Advisory T5140.23, October 28, 1991, “Evaluating Scour at Bridges,” U.S. Department of Transportation, Washington, D.C.
Feldman, A. D. (2000). Hydrologic modeling system HEC-HMS: technical reference manual [report documentation page–us army corps of engineers]. Computer Software Techical Reference Manual. USA: HQ US Army Corps of Engineers.
Fleming, M. J., & Doan, J. H. (2009). HEC-GeoHMS geospatial hydrologic modelling extension: User’s manual version 4.2. US Army Corps of Engineers, Institute for Water Resources, Hydrologic Engineering Centre, Davis, CA.
Flynn, K.M., Kirby, W.H., and Hummel, P.R., 2006, User’s manual for program PeakFQ, Annual Flood Frequency Analysis Using Bulletin 17B Guidelines: U.S. Geological Survey Techniques and Methods Book 4, Chapter B4, 42 pgs.
Froehlich, D. C., & Pilarczyk, K. W. (2017). Bridge scour and stream instability countermeasures: experience, selection, and design guidance. CRC Press.
Ghelardi, V. “FHWA hydraulic toolbox (version 5.1): Federal Highway Administration, accessed March 3, 2021.” (2021).
Goudriaan, J., & Monteith, J. L. (1990). A mathematical function for crop growth based on light interception and leaf area expansion. Annals of Botany, 66(6), 695-701.
Govindasamy, A. V., Briaud, J. L., Kim, D., Olivera, F., Gardoni, P., & Delphia, J. (2013). Observation method for estimating future scour depth at existing bridges. Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering, 139(7), 1165-1175.
Green, W. H., & Ampt, G. A. (1911). Studies on Soil Phyics. The Journal of Agricultural Science, 4(1), 1-24.
Hamill, L. (1999). Bridge Hydraulics, E and FN Spon. Routledge, London.
Khosronejad, A., S. Kang, and F. Sotiropoulos (2012), Experimental and computational investigation of local scour around bridge piers, Adv. Water Resour, 37, 73-85.
Hedgecock, T. S., & Lee, K. G. (2010). Magnitude and frequency of floods for urban streams in Alabama, 2007 (Vol. 2010). US Department of the Interior, US Geological Survey.
Hedgecock, T.S. (2004) Magnitude and Frequency of Floods on Small Rural Streams in Alabama: U. S. Geological Survey Scientific Investigations Report 2004-5135, 10 p.
Hydrologic Engineering Center (2023) HEC-RAS, HEC-RAS Mapper User’s Manual Modeling User’s Manual Version 6.0. US Army Corps of Engineers, Davis, CA, USA.
Interagency Committee on Water Data (IACWD). (1982). “Guidelines for determining flood flow frequency.” Bulletin 17B (revised and corrected), Hydrol. Subcomm., Washington, D.C.
Jones, J.S. (1983), Comparison of Prediction Equations for Bridge Pier and Abutment Scour, Transportation Research Board, Transportation Research Record 950, Second Bridge Engineering Conference, Vol. 2, Transportation Research Board, Washington, D.C.
Jones, J.S. and D.M. Sheppard, (2000) Local Scour at Complex Pier Geometries, Proceedings of the ASCE 2000 Joint Conference on Water Resources Engineering and Water Resources Planning and Management, July 30 – August 2, Minneapolis, MN
L.A. Arneson, L.W. Zevenbergen, P.F. Lagasse, P.E. Clopper. (2012) Evaluating scour at bridges. No. FHWA-HIF-12-003. Hydraulic Engineering Circular 18, United States. Federal Highway Administration
Lagasse, P. F., Clopper, P. E., Pagan-Ortiz, J. E., Zevenbergen, L. W., Arneson, L. A., Schall, J. D., & Girard, L. G. (2009). Bridge scour and stream instability countermeasures: experience, selection, and design guidance: Volume 2 (No. FHWA-NHI-09-112). National Highway Institute (US).
Lagasse, P.F., L.W. Zevenbergen, W.J. Spitz, and L.A. Arneson, Federal Highway Administration, 2012, “Stream Stability at Highway Structures,” Hydraulic Engineering Circular No. 20, Fourth Edition, HIF-FHWA-12-004, Federal Highway Administration, Washington, D.C.
Laursen, E. M. (1956). The Application of Sediment-Transport Mechanics to Stable-Channel Design. Journal of the Hydraulics Division, 82(4), 1034-1.
Liu, H. K., Chang, F. M., & Skinner, M. M. (1961). Effect of bridge constriction on scour and backwater (Doctoral dissertation, Colorado State University. Libraries).
Maidment, D. R. (1993). Handbook of hydrology. McGraw-Hill, New York
Melville, B. W., & Sutherland, A. J. (1988). Design method for local scour at bridge piers. Journal of Hydraulic Engineering, 114(10), 1210-1226.
Melville, B.W. and Coleman, S.E. (2000). Bridge Scour. Water Resources Publications, LLC, Colorado, USA.
Mockus, V. (1972). Section 4 Hydrology, Chapter 21. Design Hydrographs. National Engineering Handbook Section, 4.
Monteith, J., & Unsworth, M. (2013). Principles of environmental physics: plants, animals, and the atmosphere. Academic Press.
Mueller, D.S., 1996, “Local Scour at Bridge Piers in Nonuniform Sediment Under Dynamic Conditions,” Dissertation in partial fulfillment of the requirements for the Degree of Doctor of Philosophy, Colorado State University, Fort Collins, CO
Mulvaney, T. J. (1851). On the use of self-registering rain and flood gauges in making observations of the relations of rain fall and flood discharges in a given catchment. Transactions of the Institution of Civil Engineers of Ireland , Vol. IV, pt. II, 18-33.
Neitsch, S. L., Arnold, J. G., Kiniry, J. R., & Williams, J. R. (2011). Soil and water assessment tool theoretical documentation version 2009. Texas Water Resources Institute.
Penman, H. L. (1948). Natural evaporation from open water, bare soil and grass. Proceedings of the Royal Society of London. Series A. Mathematical and Physical Sciences, 193(1032), 120-145.
Perica, S., Martin, D., Pavlovic, S., Roy, I., St Laurent, M., Trypaluk, C., … & Bonnin, G. (2013). Precipitation-Frequency Atlas of the United States. Volume 9, Version 2.0. Southeastern States; Alabama, Arkansas, Florida, Georgia, Louisiana, Mississippi.
Pokharel, Sudan. Evaluating and Understanding of Bridge Scour Calculation. Master Thesis, Auburn University, 2017.
Prendergast, L. J., & Gavin, K. (2014). A review of bridge scour monitoring techniques. Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering, 6(2), 138-149.
Priestley, C. H. B. and Taylor, R. J.: 1972, ‘On the Assessment of Surface Heat Flux and Evaporation Using Large-Scale Parameters’, Mon. Wea. Rev. 100, 81–92.
Richardson, E. V., & Davis, S. R. (1993). Evaluating scour at bridges (No. HEC 18). United States. Federal Highway Administration. Office of Technology Applications.
Richardson, E. V., & Davis, S. R. (2001). Evaluating scour at bridges (No. HEC-18). U.S. Army Engineer Research and Development Center, Coastal and Hydraulics Laboratory.
Richardson, E.V. and Davis, S.R. (1995). Evaluating scour at bridges. Third edition. Publication No. FHWA IP 90-017, Hydraulic Engineering Circular No. 18. National Highway Institute, U. S. Department of Transportation, Federal Highway Administration.
Richardson, E.V. and Davis, S.R. (2001). Evaluating scour at bridges. Fourth edition. Publication No. FHWA NHI 01-001, Hydraulic Engineering Circular No. 18. National Highway Institute, U. S. Department of Transportation, Federal Highway Administration.
Richardson, E.V., P.F. Lagasse, J.D. Schall, J.F. Ruff, T.E. Brisbane, and D.M. Frick, 1987, “Hydraulic, Erosion and Channel Stability Analysis of the Schoharie Creek Bridge Failure, New York,” Resource Consultants, Inc. and Colorado State University, Fort Collins, CO.
Ries III, K. G., and J. B. Atkins. (2007) The national streamflow statistics program: A computer program for estimating streamflow statistics for ungaged sites. DIANE Publishing, 2007.
Ries III, K. G., Steeves, P. A., Coles, J. D., Rea, A. H., & Stewart, D. W. (2004). StreamStats: a US Geological Survey web application for stream information (No. 2004-3115).
Ries III, K.G., Steeves, P.A., Coles, J.D., Rea, A.H., and Stewart, D.W., 2004, StreamStats: A U.S. Geological Survey web application for stream information: U.S. Geological Survey Fact Sheet 2004–3115, 4 p. Ries III, K.G., and Dillow, J.J.A., 2006, Magnitude and frequency of floods on nontidal streams in Delaware: U.S. Geological Survey Scientific Investigations Report 2006–5146, p. 3
Robinson, Dusty, Alan Zundel, Casey Kramer, Royd Nelson, Will deRosset, John Hunt, Scott Hogan, Yong Lai, and L. L. C. Aquaveo. (2019) Two-Dimensional Hydraulic Modeling for Highways in the River Environment: Reference Document. No. FHWA-HIF-19-061. Federal Highway Administration (US)
Rossman, L. A. (2010). Storm water management model user’s manual, version 5.0 (p. 276). Cincinnati: National Risk Management Research Laboratory, Office of Research and Development, US Environmental Protection Agency.
Salim, M. and J.S. Jones, 1995, “Effects of Exposed Pile Foundations on Local Pier Scour,” Proceedings ASCE Water Resources Engineering Conference, San Antonio, TX.
Salim, M. and J.S. Jones, 1996, “Scour Around Exposed Pile Foundations,” Proceedings ASCE North American and Water and Environment Congress, ’96, Anaheim, CA (also issued as FHWA Memo).
Salim, M. and J.S. Jones, 1999, Scour Around Exposed Pile Foundations,” ASCE Compendium, Stream Stability and Scour at Highway Bridges, Richardson and Lagasse (eds.), Reston, VA.
Sharp P., Mohamed K., Kerenyi K., Krolak, J. (2021) Scour Considerations within AASHTO LRFD Design Specifications, U.S. Federal Highway Administration. Office of Bridges and Structures, FHWA-HIF-19-060
Sheppard, D. M., & Renna, R. (2005). Bridge scour manual. Florida department of transportation. 605 Suwannee Street. Tallahassee. Florida.
Sheppard, D.M. (1999). Conditions of maximum local scour. Proceedings of Stream Stability and Scour at Highway Bridges, E. V. Richardson and P. F. Lagasse, eds., Reston, Va.
Sheppard, D.M. and Renna, R. (2010). Florida bridge scour manual. Florida Department of Transportation, Tallahassee.
Sheppard, D.M., (2001) “A Methodology for Predicting Local Scour Depths Near Bridge Piers with Complex Geometries,” unpublished design procedure, University of Florida, Gainesville, FL.
Snyder, F. F. (1938). Synthetic unit‐graphs. Eos, Transactions American Geophysical Union, 19(1), 447-454.
USACE (2000). HEC-HMS hydrological modeling system user’s manual. Hydrologic Engineering Center, Davis, CA
Wang, C., Yu, X. & Liang, F. (2017). A review of bridge scour: mechanism, estimation, monitoring and countermeasures. Nat Hazards 87, 1881–1906
Zevenbergen, L. W., Arneson, L. A., Hunt, J. H., & Miller, A. C. (2012). Hydraulic design of safe bridges (No. FHWA-HIF-12-018). United States. Federal Highway Administration.
전문가 Q&A: 자주 묻는 질문
Q1: 이 연구에서 1D와 2D 수리학적 모델을 모두 비교한 이유는 무엇인가요?
A1: 1D와 2D 모델 간의 결과 차이를 체계적으로 평가하기 위함입니다. 1D 모델은 계산이 간단하지만 흐름 방향에 대한 중요한 가정을 포함합니다. 반면, 2D 모델은 더 복잡하지만 교각 주변의 복잡한 흐름 패턴, 유속 분포, 재순환 구역 등을 더 잘 표현할 수 있으며, 이는 정확한 세굴 예측에 매우 중요합니다. 이 연구는 이러한 모델링 상세 수준의 차이가 최종 세굴 추정치에 어떤 영향을 미치는지 정량화하는 것을 목표로 했습니다.
Q2: Conecuh 강 교량(BrM 013310)의 경우, 일반적인 경향과 달리 1D 모델이 2D 모델보다 더 큰 세굴을 예측했습니다. 그 이유는 무엇인가요?
A2: 이는 해당 교량의 복잡한 수리 특성(여러 개의 개구부, 넓은 범람원) 때문인 예외적인 경우입니다. 논문에 따르면, 이 특정 사례에서 1D 모델은 흐름을 비현실적으로 주 수로에만 집중시켜 인위적으로 높은 유속과 세굴을 예측했습니다. 반면, 2D 모델은 흐름을 더 현실적으로 분산시켜 더 낮은(그리고 아마도 더 정확한) 최대 세굴 값을 산출했으며, 이는 복잡한 시나리오에서 1D 모델의 한계를 명확히 보여줍니다.
Q3: HEC-HMS 모델에서 다양한 선행 토양 수분 조건(CNI, CNII, CNIII)을 비교하는 것의 의미는 무엇인가요?
A3: 최대 유출량에 대한 최악의 시나리오를 결정하기 위함입니다. 선행 수분 조건은 강우 사상 이전의 토양 포화도를 반영합니다. 습윤 조건(CNIII)은 토양이 물을 거의 흡수하지 못해 더 높고 빠른 유출을 유발합니다. 연구 결과, CNIII이 일관되게 가장 높은 최대 유량과 세굴 깊이를 예측했으며, 이는 ‘보통’ 조건(CNII)을 가정하는 것이 특히 습윤 기후에서 리스크를 과소평가할 수 있음을 시사합니다.
Q4: 이 연구에서 벤치마크 모델로 ‘교각을 높인 2D 지형 수정 모델’을 선택한 이유는 무엇인가요?
A4: 이 모델이 교각의 물리적 존재와 그로 인한 흐름 방해를 가장 직접적이고 현실적으로 시뮬레이션하기 때문입니다. 교각을 지형 데이터에 직접 통합함으로써, 모델은 교각 주변에서 발생하는 실제 유체 역학적 현상(예: 말발굽 와류, 후류 와류)을 다른 추상적인 방법(예: SA/2D 연결)보다 더 정확하게 재현할 수 있습니다. 따라서 이 모델의 결과를 기준으로 다른 간소화된 모델들의 정확도를 평가하는 것이 합리적입니다.
Q5: 연구 결과가 특정 지역(알라배마)에 국한되는데, 다른 지역에도 이 결론을 적용할 수 있을까요?
A5: 네, 적용 가능합니다. 특히 연구의 핵심 결론인 ‘복잡한 지형에서는 2D 모델이 우수하다’와 ‘단순화된 수문학적 방법은 위험을 과소평가할 수 있다’는 원칙은 보편적입니다. 다만, 습윤 선행 토양 수분 조건(CNIII)의 중요성은 알라배마와 같은 습윤 기후에서 더 두드러집니다. 건조 기후 지역에서는 다른 수분 조건이 최악의 시나리오가 될 수 있으므로, 각 지역의 기후 특성을 고려하여 모델링 조건을 설정하는 것이 중요합니다.
결론: 더 높은 품질과 생산성을 위한 길
이 연구는 교량 세굴 해석의 정확도가 어떤 수문학적, 수리학적 모델링 도구를 선택하는지에 따라 크게 달라질 수 있음을 명확하게 보여주었습니다. 특히 복잡한 교량 횡단면에서는 1D 모델의 한계가 뚜렷하며, 2D 모델이 제공하는 상세한 흐름 정보가 더 안전하고 신뢰성 있는 예측을 가능하게 합니다. 또한, 간편한 표준 계산법에 의존하기보다 현장의 특성을 반영한 상세 모델링을 수행하는 것이 장기적인 인프라 안전 확보에 필수적입니다.
STI C&D는 최신 산업 연구 결과를 적용하여 고객이 더 높은 생산성과 품질을 달성할 수 있도록 최선을 다하고 있습니다. 이 논문에서 논의된 과제가 귀사의 운영 목표와 일치한다면, 저희 엔지니어링 팀에 연락하여 이러한 원칙을 귀사의 구성 요소에 어떻게 구현할 수 있는지 논의해 보십시오.
(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.
연락처 : 02-2026-0442
이메일 : flow3d@stikorea.co.kr
저작권 정보
이 콘텐츠는 “[Luis Fernando Castaneda Galvis]”의 논문 “[Effect of hydrologic and hydraulic calculation approaches on pier scour estimates]”를 기반으로 한 요약 및 분석 자료입니다.
이 기술 요약은 Ana Margarida Bento 외 저자가 Book of Abstracts, Civil Engineering Symposium에 발표한 논문 “Photogrammetric characterization of the scour cavity time evolution around a complex bridge pier”를 기반으로 합니다. STI C&D의 기술 전문가들이 분석하고 요약했습니다.
키워드
Primary Keyword: 교각 세굴(Bridge Pier Scour)
Secondary Keywords: CFD 시뮬레이션(CFD Simulation), 국부 세굴(Local Scour), 근접 사진측량(Close-range Photogrammetry), 3D 모델링(3D Modeling), 유사 이송(Sediment Transport)
Executive Summary
도전 과제: 교량의 구조적 안정성에 치명적인 교각 세굴을 정확히 예측하기 위해, 최대 세굴 깊이뿐만 아니라 흐름 특성을 변화시키는 세굴 공동의 전체 3차원 형상에 대한 정밀한 데이터가 필요합니다.
연구 방법: 실험실 수로에 복잡한 형태의 교각 모형을 설치하고, 일정한 흐름 조건에서 시간 경과에 따른 세굴 변화를 전통적인 계측기(limnimeter)와 비접촉식 근접 사진측량 기법을 동시에 사용하여 측정했습니다.
핵심 성과: 비접촉식 사진측량 기법이 전통적인 직접 측정 방식과 높은 수준의 일치도를 보임을 입증했으며, 시간에 따른 세굴 공동의 상세한 3차원 디지털 표고 모델(DEM)을 성공적으로 구축했습니다.
핵심 결론: 본 연구는 교각 세굴 CFD 모델의 보정 및 검증에 필수적인 고품질 실험 데이터셋과 경험적 관계식을 제공하여, 교량 안전성 평가의 신뢰도를 획기적으로 높이는 기반을 마련했습니다.
도전 과제: CFD 전문가에게 이 연구가 중요한 이유
교량 교각 주변에서 발생하는 국부 세굴은 교량의 구조적 안정성을 위협하는 가장 중요한 요인 중 하나입니다. 지난 수십 년간 최대 세굴 깊이를 예측하기 위한 수많은 준경험적 공식들이 개발되었습니다. 하지만 세굴 문제는 단순히 최대 깊이의 문제가 아닙니다. 세굴로 인해 형성되는 ‘세굴 공동(scour cavity)’의 전체적인 3차원 기하학적 형상은 교각 주변의 유입 흐름 특성을 변화시켜 세굴 과정 자체에 큰 영향을 미칩니다.
기존 연구들은 주로 최대 세굴 깊이라는 단일 값에 집중하여, 전체 세굴 공동의 형상 발달에 대한 상세한 시계열 데이터를 확보하는 데 한계가 있었습니다. 이러한 데이터의 부재는 수치 시뮬레이션, 특히 CFD 모델의 정확성을 검증하고 보정하는 데 큰 걸림돌이 되어 왔습니다. 따라서 교량의 안전성을 보다 정밀하게 평가하기 위해서는 시간에 따라 변화하는 세굴 공동의 3차원 형상에 대한 정확하고 상세한 데이터 수집이 반드시 필요합니다.
Figure 1: Geometric characteristics of the complex pier (dimensions in m).
연구 접근법: 방법론 분석
본 연구의 실험은 포르투 대학교(FEUP) 수리학 연구소의 길이 32.2m, 폭 1m의 순환 수로에서 수행되었습니다. 연구진은 한계 유속의 97%에 해당하는 유속(u = 0.327 m/s)을 설정하여 유사(sediment)의 전반적인 이동이 없는 청수(clear-water) 흐름 조건을 보장했습니다. 이때 유량은 0.059 m³/s, 수심은 0.18m였습니다.
바닥 재료로는 중앙 입경(D50) 0.86mm, 입도분포계수(σg) 1.4, 밀도 2650 kg/m³의 균일한 모래를 사용했습니다. 수로 중앙에는 말뚝 기초와 말뚝 캡, 기둥으로 구성된 복잡한 형태의 교각 모형(Figure 1 참조)을 설치했습니다.
세굴 공동의 형상 변화를 측정하기 위해 두 가지 방법을 병행했습니다. 1. 직접 측정(Intrusive Method): 말뚝 캡 전면의 세굴 깊이는 수위계(limnimeter)로, 각 기초 말뚝에서의 깊이는 부착된 스케일을 직접 읽어 측정했습니다. 2. 근접 사진측량(Non-intrusive Method): 디지털 카메라와 지상 기준점(GCP), 제어된 조명을 사용하여 세굴 공동의 전체 3차원 형상을 시간에 따라 정밀하게 촬영하고 모델링했습니다.
핵심 성과: 주요 발견 및 데이터
본 연구는 장기간의 실험을 통해 복잡한 교각 주변의 세굴 발달 과정에 대한 중요한 데이터를 확보했습니다.
성과 1: 비접촉식 측정 기법의 신뢰성 검증
연구의 핵심 성과 중 하나는 근접 사진측량이라는 비접촉식 3D 측정 기법의 높은 정확성을 입증한 것입니다. 수위계(limnimeter)를 이용한 직접 측정값과 사진측량으로 얻은 세굴 깊이 값을 비교한 결과, 두 데이터는 매우 잘 일치했습니다. Figure 2는 말뚝 캡에서의 세굴 깊이에 대한 두 측정 방식의 결과를 비교한 그래프로, 시간에 따른 변화 추이가 거의 동일함을 명확히 보여줍니다. 이는 흐름을 방해하지 않으면서도 세굴 공동 전체의 형상을 정밀하게 포착할 수 있는 사진측량 기법의 유효성을 입증합니다.
성과 2: 평형 세굴 상태의 정량적 특성화
본 실험은 총 264시간(11일) 동안 진행되어 세굴이 더 이상 깊어지지 않는 평형 상태에 도달하는 전 과정을 관찰했습니다. 평형 상태에서 최대 세굴 깊이는 상류 측 기초 말뚝 바닥에서 19.8 cm로 측정되었습니다. 이 데이터는 특정 흐름 조건에서 발생할 수 있는 최대 세굴 범위를 보여주는 중요한 기준으로, 모든 예측 모델이 목표로 해야 할 최종 상태를 명확히 제시합니다. 또한, 실험을 통해 생성된 디지털 표고 모델(DEM)을 기반으로 세굴 부피와 기하학적 특성을 계산하고, 세굴 깊이와 세굴 부피 간의 경험적 관계식을 도출했습니다.
R&D 및 운영을 위한 실질적 시사점
CFD 시뮬레이션 엔지니어: 이 연구에서 생성된 시간에 따른 3D 세굴 공동 형상 데이터셋은 유사 이송 모델을 보정하고 복잡한 구조물 주변의 국부 세굴에 대한 CFD 시뮬레이션의 정확도를 검증하는 데 매우 귀중한 자료입니다. 특히 평형 상태에 도달하기까지의 전 과정 데이터는 모델의 과도기적 거동 예측 능력을 평가하는 데 활용될 수 있습니다.
토목/구조 엔지니어: 도출된 세굴 깊이와 세굴 부피 간의 경험적 관계식은 설계 초기 단계에서 특정 세굴 깊이에 대해 제거될 토사량을 신속하게 추정하는 데 사용될 수 있습니다. 또한, 3D 데이터는 최대 세굴 깊이만으로는 교량의 전체 안정성을 평가하기에 불충분할 수 있음을 시사합니다.
R&D 관리자: 본 연구는 물리적 실험과 첨단 이미징 기술을 결합하여 수치 모델 검증 데이터를 구축하는 강력한 방법론을 제시합니다. 이러한 하이브리드 접근 방식에 대한 투자는 핵심 사회기반시설의 시뮬레이션 기반 설계 및 안전성 평가에 대한 신뢰도를 크게 향상시킬 수 있습니다.
논문 상세 정보
Photogrammetric characterization of the scour cavity time evolution around a complex bridge pier (복잡한 교각 주변 세굴 공동의 시간적 변화에 대한 사진측량학적 특성화)
1. 개요:
제목: Photogrammetric characterization of the scour cavity time evolution around a complex bridge pier
저자: Ana Margarida Bento¹, Pedro Xavier Ramos², Rodrigo Maia³, João Pedro Pêgo⁴
발표 연도:
학술지/학회: Book of Abstracts, Civil Engineering Symposium
키워드: complex bridge pier, local scour, scour cavity, close-range photogrammetry
2. 초록:
균일한 직경의 모래에 설치된 소규모 모형을 사용하여 복잡한 교각 주변의 국부 세굴의 시간적 발달을 실험적으로 연구했습니다. 포르투 대학교 공학부 수리학 연구소에서 15개의 실험이 안정된 청수 조건 하에 수행되었습니다. 실험은 평형 단계에 도달할 때까지 세굴 공동의 점진적인 특성화를 위해 5분에서 11일까지 지속되었습니다. 실험실에서 직접 측정한 세굴 깊이와 근접 사진측량 기술을 적용하여 얻은 값을 비교한 결과 좋은 일치도를 보였습니다. 세굴 공동의 시간적 변화를 연구했으며, 세굴 공동의 시간적 발달 및 세굴 깊이와 세굴 공동 부피를 연관시키는 중요한 경험적 관계식이 도출되었습니다. 결과로 얻어진 3차원 모델은 수치 모델의 보정 및 검증 단계에서 유용하게 사용될 수 있습니다.
3. 서론:
교각 주변의 국부 세굴은 교량의 구조적 안정성과 관련된 가장 중요한 주제 중 하나입니다. 과거 수십 년 동안 교각 주변의 국부 세굴은 광범위하게 연구되어 왔으며, 그 결과 Moreno et al. 2012와 같이 최대 세굴 깊이의 시간적 변화를 평가하기 위한 준경험적 방정식들이 개발되었습니다. 최대 세굴 깊이는 설계 목적에 직접적으로 적용될 수 있지만, 세굴 공동의 전체 형상 또한 유입 흐름 특성을 변경하는 등 세굴 과정에서 중요한 역할을 합니다. 따라서 본 연구의 주요 목표는 근접 사진측량 기법을 통해 복잡한 교각 바로 근처에서 발달하는 세굴 공동 형상의 상세한 시간적 측정 데이터를 수집하는 것입니다.
4. 연구 요약:
연구 주제의 배경:
교각 세굴은 교량의 구조적 안정성에 직접적인 영향을 미치는 핵심적인 문제입니다.
이전 연구 현황:
최대 세굴 깊이를 예측하기 위한 준경험적 공식들은 존재했으나, 세굴 과정에 영향을 미치는 세굴 공동의 전체적인 3차원 형상 변화에 대한 데이터는 부족했습니다.
연구 목적:
근접 사진측량 기법을 이용하여 복잡한 교각 주변에서 시간에 따라 발달하는 세굴 공동의 3차원 형상을 정밀하게 측정하고, 이를 통해 수치 시뮬레이션의 입력 및 검증 자료로 활용될 독창적인 실험 데이터셋과 경험적 관계식을 구축하는 것을 목표로 합니다.
핵심 연구:
통제된 실험실 수로에서 복잡한 교각 모형을 대상으로 청수 조건 하에 15세트의 실험을 수행하여, 초기 단계부터 평형 상태에 이르기까지 세굴 공동의 시간적 발달 과정을 추적했습니다.
5. 연구 방법론
연구 설계:
통제된 실험실 환경의 수로(flume)를 이용한 축소 모형 실험.
데이터 수집 및 분석 방법:
직접 측정: 수위계(limnimeter) 및 스케일을 이용한 점(point) 데이터 수집.
간접 측정: 근접 사진측량을 이용한 3차원 표면 데이터 수집 및 디지털 표고 모델(DEM) 생성.
데이터 분석: 두 측정 방법의 결과 비교 및 세굴 깊이, 부피, 시간 간의 경험적 관계식 도출.
연구 주제 및 범위:
특정 수리 및 유사 조건 하에서 단일 복합 교각 모형 주변의 세굴 공동 형상이 시간에 따라 어떻게 진화하는지에 대한 연구로 범위가 한정됩니다.
Figure 2: Comparison of the experimental approaches: Scour depths at the pile cap.
6. 주요 결과:
주요 결과:
직접 측정 방식(limnimeter)과 비접촉식 사진측량 방식 간에 높은 수준의 데이터 일치성을 확인했습니다 (Figure 2).
실험 시작 후 264시간(11일) 만에 세굴이 평형 상태에 도달했습니다.
상류 측 기초 말뚝에서 최대 19.8 cm의 세굴 깊이가 기록되었습니다.
세굴 공동의 3차원 디지털 표고 모델을 생성했으며, 이를 통해 세굴 부피와 깊이 간의 경험적 관계식을 유도했습니다.
그림 목록:
Figure 1: Geometric characteristics of the complex pier (dimensions in m).
Figure 2: Comparison of the experimental approaches: Scour depths at the pile cap.
7. 결론:
말뚝 캡 전면에서의 세굴 깊이 값은 각각 접촉식(intrusive) 및 비접촉식(non-intrusive) 기법으로 알려진 수위계와 근접 사진측량 방법을 사용하여 결정되었으며, 좋은 일치도를 달성했습니다. 복잡한 교각 주변의 세굴 공동에 대한 광범위한 기하학적 특성 데이터셋이 구축되었으며, 이는 향후 연구의 기반이 될 것입니다.
8. 참고 문헌:
Moreno, M., Maia, R., Couto L. and Cardoso. H. 2012. “Evaluation of local scour depth around complex bridge piers”. River Flow – International Conference on Fluvial Hydraulics, San Jose (Costa Rica).
Rapp, C. and Eder, K. 2012. “3D determination of the sour evolution around a bridge pier by photogrammetric means.” Proc. Int. Conf. River Flow 2012, 943-950, R.M. Munoz, eds.
전문가 Q&A: 핵심 질문과 답변
Q1: 전통적인 측정 방법 외에 근접 사진측량 기법을 추가로 사용한 이유는 무엇인가요?
A1: 수위계와 같은 전통적인 방법은 흐름을 교란시킬 수 있는 접촉식이며, 최대 깊이와 같은 특정 지점의 정보만 제공합니다. 반면, 근접 사진측량은 흐름에 영향을 주지 않는 비접촉식이며 세굴 공동의 전체 3차원 형상을 포착할 수 있어 훨씬 풍부한 데이터셋을 제공합니다. 이는 전체적인 세굴 과정을 이해하고 CFD 시뮬레이션을 검증하는 데 필요한 상세 모델을 만드는 데 매우 중요합니다.
Q2: 연구에서 “청수 조건(clear-water conditions)”을 설정한 것의 의미는 무엇이며, 만약 유사가 지속적으로 공급되는 “이동상 조건(live-bed conditions)”이었다면 결과가 어떻게 달라졌을까요?
A2: 청수 세굴은 유속이 하상 전체의 유사를 움직일 수 있는 한계 유속보다 낮을 때 발생하며, 세굴이 순전히 교각이라는 구조물에 의해 국부적으로 발생하는 현상을 의미합니다. 이는 통제된 기준 조건을 제공합니다. 만약 유사가 지속적으로 흐름에 의해 운반되는 이동상 조건이었다면, 세굴 구멍이 부분적으로 다시 채워질 수 있어 평형 세굴 깊이가 달라질 수 있습니다. 본 연구는 종종 중요한 설계 시나리오가 되는 청수 조건에 대한 기초 데이터를 제공합니다.
Q3: Figure 2에서 두 방법 간의 결과가 잘 일치한다고 했는데, 이 연구에서 사진측량 기법의 한계점은 없었나요?
A3: 논문은 이 방법의 성공을 강조하고 있습니다. 하지만 수리학 실험실에서 사진측량을 사용할 때 일반적으로 겪는 어려움(본 논문에서 한계로 명시되지는 않음)으로는 물의 탁도, 수면 반사, 제어된 조명 및 지상 기준점의 필요성 등이 있습니다. 논문에서는 신뢰할 수 있는 공간 참조를 위해 “제어된 광 노출”을 통해 이러한 문제들을 관리했음을 언급하고 있습니다.
Q4: 이 연구에서 도출된 “경험적 관계식”은 엔지니어들이 어떻게 활용할 수 있나요?
A4: 논문은 세굴의 시간적 발달 및 세굴 깊이와 세굴 부피를 연관시키는 관계식이 도출되었다고 밝혔습니다. 이러한 관계식은 설계 초기 단계에서 주어진 세굴 깊이에 대해 이동할 수 있는 토사의 부피를 추정하는 1차 근사치로 사용될 수 있으며, 이는 안정성 계산에 중요합니다. 또한, 수치 모델이 재현해야 할 벤치마크 역할을 합니다.
Q5: 평형 상태에 도달하기 위해 실험을 11일 동안 진행한 이유는 무엇인가요?
A5: 평형 세굴 깊이는 주어진 안정된 흐름 조건에서 발생할 수 있는 잠재적인 최대 세굴을 의미하며, 교각 안정성에 대한 최악의 시나리오를 나타냅니다. 실험을 이 단계까지 진행함으로써, 본 연구는 경험적 또는 수치적 예측 모델이 정확하게 예측해야 하는 최종 상태에 대한 명확한 데이터를 제공합니다.
결론: 더 높은 품질과 생산성을 향한 길
정확한 교각 세굴 예측은 교량의 장기적인 안전을 보장하는 데 필수적입니다. 본 연구는 근접 사진측량이라는 첨단 기술을 활용하여 기존의 한계를 넘어 세굴 공동의 3차원 형상 변화에 대한 전례 없는 고품질 데이터를 확보했습니다. 이 획기적인 성과는 CFD 시뮬레이션의 정확도를 검증하고 향상시키는 데 결정적인 역할을 하며, 궁극적으로 더 안전하고 경제적인 교량 설계로 이어질 것입니다.
STI C&D는 최신 산업 연구 결과를 적용하여 고객이 더 높은 생산성과 품질을 달성할 수 있도록 최선을 다하고 있습니다. 이 논문에서 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.
연락처 : 02-2026-0442
이메일 : flow3d@stikorea.co.kr
저작권 정보
이 콘텐츠는 “Ana Margarida Bento” 외 저자의 논문 “Photogrammetric characterization of the scour cavity time evolution around a complex bridge pier”를 기반으로 한 요약 및 분석 자료입니다.
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.
Gambar 1. Ilustrasi gerusan lokal di sekitar pilar jembatan (Sumber : Coastal Engineering Research Center dalam cahyono dan solichin, 2008)
The Breakthrough: Key Findings & Data
실험을 통해 교각 보호 장치의 각도와 유속이 세굴 깊이에 미치는 영향을 정량적으로 분석했으며, 주요 결과는 다음과 같습니다.
Gambar 4. Ilustrasi 3D model pilar dan pengaman pilar jembatan (a) group pile 1, (b) group pile 2.
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.
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.
(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.
연락처 : 02-2026-0442
이메일 : flow3d@stikorea.co.kr
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”.
이 기술 요약은 RIMS, IPWEA, Road Controlling Authorities Forum (NZ) INC가 2015년에 발표한 가이드라인 “GUIDELINES FOR DATA COLLECTION AND MONITORING FOR ASSET MANAGEMENT OF NEW ZEALAND ROAD BRIDGES”를 기반으로 합니다. 이 문서는 기술 전문가들을 위해 STI C&D에 의해 분석 및 요약되었습니다.
키워드
Primary Keyword: 교량 자산 관리
Secondary Keywords: 교량 안전, 데이터 수집, 리스크 평가, 수리 안전성, 구조 건전성 모니터링(SHM), 비파괴 평가(NDE), CFD 해석
Executive Summary
The Challenge: 기존의 교량 자산 관리는 담당자의 경험에 과도하게 의존하고 데이터 수집이 체계적이지 않아, 비효율적인 예산 집행과 잠재적 리스크 관리의 어려움을 겪고 있습니다.
The Method: 뉴질랜드 감사관실(NZOAG)의 지적에 따라, 교량의 리스크와 중요도를 정량적으로 평가하여 데이터 수집 및 모니터링 방식을 차등 적용하는 체계적인 프레임워크를 제안합니다.
The Key Breakthrough: 모든 교량을 리스크 및 중요도 평가 결과에 따라 ‘핵심(Core)’, ‘중급(Intermediate)’, ‘고급(Advanced)’의 세 가지 등급으로 분류하고, 각 등급에 맞는 데이터 수집 기술(육안 검사, 비파괴 평가, 구조 건전성 모니터링)과 주기를 적용하여 자원을 최적화합니다.
The Bottom Line: 데이터 기반의 체계적인 리스크 평가를 통해 교량의 안전성을 확보하고 수명을 연장하며, 한정된 예산을 가장 시급하고 중요한 자산에 집중하여 비용 효율적인 유지보수 전략을 수립할 수 있습니다.
The Challenge: Why This Research Matters for CFD Professionals
도로망의 핵심 요소인 교량은 평균 5.2km마다 하나씩 존재하며, 네트워크의 효율성과 안전성에 결정적인 역할을 합니다. 그러나 2002년부터 2010년까지 뉴질랜드 감사관실(NZOAG)의 보고서에 따르면, 대부분의 지역 당국은 교량 자산에 대한 기본 정보만 보유하고 있을 뿐, 미래 성능 예측이나 체계적인 리스크 관리가 가능한 ‘고급 자산 관리’ 수준에는 도달하지 못했습니다. 특히 교량 상태 악화를 모니터링하는 효과적인 모델이 부재하고, 핵심 인력의 경험에 대한 과도한 의존은 장기적인 계획 수립에 큰 위험 요소로 지적되었습니다. 이는 교량의 붕괴와 같은 치명적인 사고뿐만 아니라, 하중 제한이나 통행 제한과 같은 기능 저하로 인한 막대한 사회경제적 비용을 초래할 수 있습니다. 특히 교량의 수리적/지반 공학적 안전성 평가는 정확한 데이터 확보가 어려워 CFD와 같은 정밀 해석 기술의 필요성이 대두되는 영역입니다.
The Approach: Unpacking the Methodology
본 가이드라인은 모든 교량에 획일적인 관리 방식을 적용하는 것에서 벗어나, 리스크와 중요도에 기반한 맞춤형 데이터 수집 전략을 제안합니다. 이 프로세스는 다음과 같은 단계로 구성됩니다.
베이스라인 데이터 개발: 리스크 및 중요도 평가에 필요한 교량의 기본 인벤토리, 상태, 성능 데이터를 수집합니다.
리스크 및 중요도 평가: 각 교량에 대해 4가지 주요 리스크 범주(수리적/지반 공학적 안전, 구조적 안전, 사용성/내구성/유지보수, 기능성)를 평가합니다. 리스크(R)는 다음 공식을 사용하여 정량화됩니다.
R = H x V x C x U
H (Hazard): 특정 위험(홍수, 지진 등)의 발생 확률
V (Vulnerability): 특정 위험에 대한 교량의 취약성
C (Consequence): 교량 파손 시 발생하는 결과(영향)
U (Uncertainty Premium): 데이터 및 분석 방법의 정확성에 따른 불확실성 가중치
데이터 수집 체계 할당: 평가된 리스크와 중요도 점수를 기반으로 각 교량을 ‘핵심(Core)’, ‘중급(Intermediate)’, ‘고급(Advanced)’ 세 등급 중 하나로 분류합니다.
차등 데이터 수집: 할당된 등급에 따라 데이터 수집의 종류, 정확도, 주기 및 기술(육안 검사, NDE, SHM)을 차등 적용합니다.
Table 1. Description of bridges used in the risk and criticality assessment example
Table 1 continued
이러한 접근 방식은 한정된 자원을 고위험, 고중요도 교량에 집중시켜 관리 효율성을 극대화하는 것을 목표로 합니다.
The Breakthrough: Key Findings & Data
본 가이드라인의 핵심은 리스크 평가를 통해 교량 관리의 우선순위를 정하고, 이에 따라 데이터 수집 수준을 체계적으로 조절하는 것입니다.
Finding 1: 리스크-중요도 기반의 3단계 교량 관리 체계
교량의 리스크와 중요도를 각각 x축과 y축으로 하는 ‘리스크-중요도 플롯'(Figure 4)을 통해 모든 교량을 시각적으로 분류합니다. 이 플롯을 ‘핵심’, ‘중급’, ‘고급’의 세 영역으로 나누어 각 교량에 대한 관리 수준을 결정합니다. 예를 들어, 오클랜드 하버 브리지와 뉴마켓 고가교는 리스크 점수는 다르지만 중요도(Criticality)가 모두 최고 등급(3)으로 평가되어 ‘고급’ 관리 대상으로 분류되었습니다. 반면, 단순한 골강판 암거는 구조적으로 양호함에도 불구하고 높은 교통량(AADT > 50,000)으로 인해 중요도가 높아 ‘중급’ 관리 대상으로 분류될 수 있습니다. 이 체계는 자산 관리자가 예산과 리스크 허용 범위에 따라 각 영역의 경계를 유연하게 조정할 수 있도록 합니다.
Finding 2: 데이터 수집 기술 및 주기의 차별화
각 관리 등급에 따라 검사 주기와 사용 기술을 구체적으로 제안합니다(Table 4).
핵심(Core) 등급: 리스크와 중요도가 낮은 교량으로, 일반 검사 주기를 3~6년으로 완화합니다. 데이터는 주로 육안 검사(VI)를 통해 수집하며, 비파괴 평가(NDE)는 문제 발생 시 제한적으로 사용됩니다.
중급(Intermediate) 등급: 일반 검사 주기를 2~3년으로 설정하고, 육안 검사와 함께 선제적인 비파괴 평가(예: 염화물 침투 테스트)를 도입하여 데이터의 정확도를 높입니다. 네트워크 수준의 구조 건전성 모니터링(SHM) 데이터(교통량, 하천 유량 등)도 활용합니다.
고급(Advanced) 등급: 가장 중요하거나 위험한 교량으로, 일반 검사를 1~2년마다 수행합니다. 육안 검사, 비파괴 평가는 물론, 교량별 맞춤형 구조 건전성 모니터링(SHM) 시스템을 도입하여 실시간으로 교량의 성능을 파악하고 선제적으로 관리합니다.
Practical Implications for R&D and Operations
교량 자산 관리자: 이 가이드라인은 정량적 리스크 평가를 통해 검사 및 유지보수 예산을 배정하는 명확한 근거를 제공합니다. 이를 통해 예산의 효율성을 증명하고 장기적인 투자 계획을 최적화할 수 있습니다.
구조 및 수리 엔지니어: 수리적/지반 공학적 안전성(유실, 세굴 등) 평가의 중요성이 강조됨에 따라, Table All-2의 위험 평가 항목(예: 설계 홍수 빈도, 세굴 가능성)을 정확히 산출하기 위한 CFD(전산유체역학) 해석과 같은 고급 분석 도구의 필요성이 커집니다. CFD는 복잡한 하천 유동과 교각 주변의 세굴 현상을 정밀하게 예측하여 리스크 평가의 ‘H(위험 발생 확률)’와 ‘V(취약성)’ 값을 신뢰도 높게 제공할 수 있습니다.
도로 관리 기관: 표준화된 데이터 수집 및 관리 프레임워크를 통해 전체 도로망의 복원력과 안전성을 일관되게 관리할 수 있으며, 데이터에 기반한 투명한 의사결정 체계를 구축할 수 있습니다.
Paper Details
GUIDELINES FOR DATA COLLECTION AND MONITORING FOR ASSET MANAGEMENT OF NEW ZEALAND ROAD BRIDGES
1. Overview:
Title: GUIDELINES FOR DATA COLLECTION AND MONITORING FOR ASSET MANAGEMENT OF NEW ZEALAND ROAD BRIDGES
Author: Dr Piotr Omenzetter (The University of Auckland), Simon Bush (Opus International Consultants Ltd), Peter McCarten (Opus International Consultants Ltd)
Year of publication: 2015
Journal/academic society of publication: RIMS (Roading Infrastructure Management Support), IPWEA (INSTITUTE OF PUBLIC WORKS ENGINEERING AUSTRALASIA), Road Controlling AUTHORITIES FORUM (NZ) ING
Keywords: Asset Management, Road Bridges, Data Collection, Monitoring, Risk Assessment, Criticality, New Zealand
2. Abstract:
이 가이드라인은 뉴질랜드 도로 교량 자산 관리를 위한 데이터 수집 및 모니터링 프로세스를 개괄적으로 설명합니다. 먼저 뉴질랜드 감사관실이 실시한 최근의 현황 평가와 교량 자산 관리에 대한 선진적인 접근법 채택의 필요성을 논의합니다. 관련 자산 관리 원칙을 간략히 다룬 후, 문서의 주요 부분에서는 도로 교량 데이터 수집 및 모니터링을 위한 권장 프로세스를 설명합니다. 이 프로세스는 베이스라인 데이터 개발로 시작하여, 교량 리스크 및 중요도 평가를 수행하고 그 결과에 따라 교량을 ‘핵심’, ‘중급’, ‘고급’ 데이터 수집 체계로 분류합니다. 각 체계에 대한 데이터 수집 기술, 검사 주기, 수집 데이터 유형에 대한 상세한 권장 사항이 제공됩니다. 데이터 저장 및 관리에 관한 고려 사항을 논의하고, 마지막으로 특정 네트워크 요구에 맞게 전략을 조정하는 방법에 대해 논의합니다.
3. Introduction:
2002년에서 2010년 사이, 뉴질랜드 감사관실(NZOAG)은 도로 인프라 자산 관리에 관한 여러 보고서를 발표했습니다. 이 보고서들은 지역 당국이 도로 인프라에 대한 기본 정보와 관리 계획을 가지고 있지만, 이 계획과 수집되는 정보가 대체로 미흡하다고 지적했습니다. 자산 관리는 주로 자산 식별 및 수량화, 자산의 연령 및 결함 정보 수집, 정보 시스템 개발, 신규 자본 투자, 갱신 및 운영 비용 예측에 집중되어 있었습니다. 보고서는 또한 소수의 지역 당국만이 고급 수준의 자산 관리를 달성했다고 언급했으며, 이는 지역사회가 원하는 서비스 수준에 대한 이해도 향상, 자산의 미래 성능 예측 능력 향상, 자산 관리 개선을 위한 적절한 데이터 수집, 인프라 관리와 관련된 리스크 해결에 중점을 두는 것을 특징으로 합니다. 특히 교량 자산 관리에 대한 구체적인 개선 필요성이 2010년 NZOAG 감사에서 추가로 논의되었으며, 교량 상태 악화를 모니터링하는 효과적인 모델 부재, 핵심 인력의 경험에 대한 과도한 의존 등의 문제가 지적되었습니다.
4. Summary of the study:
Background of the research topic:
뉴질랜드의 도로 교량은 국가 기간망의 핵심 자산이지만, 자산 관리 방식이 경험에 의존하고 데이터 기반의 체계적인 리스크 평가가 부족하여 비효율과 잠재적 위험을 내포하고 있었습니다.
Status of previous research:
뉴질랜드 감사관실(NZOAG)의 여러 차례 감사 보고서를 통해 기존 교량 자산 관리 방식의 문제점(데이터 부족, 리스크 관리 미흡, 경험 의존성)이 지속적으로 지적되어 왔습니다.
Purpose of the study:
NZOAG 감사에서 지적된 격차를 해소하고, 현재의 교량 자산 관리 관행을 ‘고급 자산 관리’ 수준으로 끌어올리기 위한 구체적이고 실용적인 데이터 수집 및 모니터링 프레임워크를 제공하는 것을 목적으로 합니다.
Core study:
교량의 리스크(Risk)와 중요도(Criticality)를 정량적으로 평가하고, 그 결과에 따라 교량을 ‘핵심(Core)’, ‘중급(Intermediate)’, ‘고급(Advanced)’의 세 가지 등급으로 분류합니다. 각 등급별로 차등화된 데이터 수집 주기, 방법(VI, NDE, SHM), 데이터 종류를 제안하여 한정된 자원으로 자산 관리의 효율성과 안전성을 극대화하는 방안을 제시합니다.
5. Research Methodology
Research Design:
본 가이드라인은 국제적인 모범 사례와 뉴질랜드 현황 조사를 바탕으로 개발된 단계별 데이터 수집 및 모니터링 전략을 제시합니다. 핵심 설계는 리스크 기반 접근법(Risk-Based Approach)으로, 모든 교량을 동일하게 취급하는 대신 각 교량의 고유한 리스크 프로필에 따라 관리 수준을 차별화합니다.
Data Collection and Analysis Methods:
리스크 및 중요도 평가: Moon et al. (2009)이 개발한 프로세스를 채택하여, 4가지 리스크 범주(수리적/지반 공학적, 구조적, 사용성/내구성, 기능성)에 대해 위험(H), 취약성(V), 결과(C), 불확실성(U)의 네 가지 요소를 곱하여 리스크 점수를 산출합니다(R = H x V x C x U). 전체 교량 리스크는 개별 리스크 점수의 RMS(root-mean square) 값으로 계산하고, 전체 중요도는 개별 중요도 점수 중 최대값으로 결정합니다.
데이터 수집 기술: 육안 검사(VI), 비파괴 평가(NDE), 구조 건전성 모니터링(SHM)을 포함한 다양한 데이터 수집 기술을 리스크 등급에 따라 조합하여 적용할 것을 제안합니다.
Research Topics and Scope:
이 가이드라인은 뉴질랜드의 모든 도로 교량을 대상으로 하며, 데이터 수집 및 모니터링 전략 수립, 리스크 평가, 데이터 관리 및 전략 수정에 이르는 자산 관리의 전 과정을 다룹니다.
6. Key Results:
Key Results:
교량의 리스크와 중요도를 기반으로 데이터 수집 체계를 ‘핵심’, ‘중급’, ‘고급’의 3단계로 차등화하는 프레임워크를 제시했습니다.
각 단계별로 육안 검사(VI), 비파괴 평가(NDE), 구조 건전성 모니터링(SHM)과 같은 데이터 수집 기술의 적용 수준과 검사 주기를 구체적으로 권장했습니다. (예: 핵심 등급 3-6년 주기, 고급 등급 1-2년 주기)
리스크 평가 공식을 R = H x V x C x U로 정의하고, 각 요소(위험, 취약성, 결과, 불확실성)에 대한 정량적 점수 산정 기준표를 제공하여 평가의 일관성과 객관성을 확보했습니다.
제안된 프레임워크를 적용할 경우, 일부 교량의 검사 주기를 완화하고 상세 검사를 폐지함으로써 연간 약 $60,000의 비용 절감이 가능하며, 이 절감액을 NDE/SHM과 같은 고급 데이터 수집에 재투자할 수 있음을 예시를 통해 보였습니다(Table 11).
Figure List:
Figure 1. Asset management cycle (Roads Liaison Group 2005).
Figure 2. Data collection process
Figure 3. Risk and criticality assessment process
Figure 4. Risk and criticality plot for analysed bridges
Figure 5. Correspondence between data collection regimes and bridge risk and criticality
Figure 6. Data for asset management
Figure 7. Data assessment process used to understand data storage needs
Figure 8. Data validation process
Figure Alll-1. Inventory hierarchy
7. Conclusion:
도로 교량의 데이터 수집 및 모니터링을 위한 권장 프로세스는 베이스라인 데이터 개발로 시작하여, 모든 교량에 대한 리스크 및 중요도 평가를 수행합니다. 평가 결과를 바탕으로 교량은 ‘핵심’, ‘중급’, ‘고급’ 데이터 수집 체계로 분류 및 등급화됩니다. 각 체계에 대한 데이터 수집 기술, 검사 주기 및 데이터 유형에 대한 상세한 권장 사항이 제공됩니다. ‘핵심’으로 분류된 교량은 검사 빈도가 낮아지고 성능 데이터 수집 요구사항도 줄어듭니다. ‘중급’ 및 ‘고급’ 교량의 경우, 검사 빈도가 점차 증가하고 데이터의 유형, 양, 질이 확대 및 향상되며, NDE 및 SHM이 데이터 수집 관행에 더 광범위하게 통합될 것입니다. 제안된 프로세스의 중요한 측면은 적절한 데이터 저장 및 관리이며, 모든 데이터는 정확성과 정합성을 확인하고 분석 및 계획을 용이하게 하는 시스템에 저장되어야 합니다. 제안된 데이터 수집 프레임워크의 전반적인 전제는 교량 자산에 대한 고급 자산 관리의 채택을 촉진하면서 예산 요구사항에 민감하게 대응하는 것입니다.
8. References:
British Standards Institute (2008). PAS 55-1:2008, Asset Management, Part 1: Specification for Optimised Management of Physical Assets. London, United Kingdom.
Bush, S., P. Omenzetter, et al. (2010). Data Collection and Monitoring Strategies for Asset Management of New Zealand Highway Bridges. Wellington, New Zealand, New Zealand Transport Agency.
Curran, G., P. Graham, et al. (2002). Bridge Management Systems, The State of the Art. Sydney, Australia, Austroads.
Faber, M. H. and M. G. Stewart (2003). “Risk Assessment for Civil Engineering Facilities: Critical Overview and Discussion.” Reliability Engineering and System Safety 80(2): 173-184.
Félio, G. Y. and Z. Lounis (2009). Model Framework for Assessment of State, Performance, and Management of Canada’s Core Public Infrastructure. Ontario, Canada, National Research Council.
Graybeal, B. A., D. D. Rolander, et al. (2001). “Accuracy of In-Depth Inspection of Highway Bridges.” Transportation Research Record: Journal of the Transportation Research Board 1749(1): 93-99.
INGENIUM (2011). International Infrastructure Management Manual (Version 4.0). Wellington, New Zealand, National Asset Management Steering (NAMS) Group.
Maguire, F. (2009). Guide to Asset Management Part 6: Bridge Performance. Sydney, Australia, Austroads.
Moon, F. L., J. Laning, et al. (2009). A Pragmatic Risk-Based Approach to Prioritizing Bridges. Nondestructive Characterization for Composite Materials, Aerospace Engineering, Civil Infrastructure, and Homeland Security 2009. San Diego, CA, USA, SPIE. 7294: 72940M 72941-72911.
NZOAG (2004). Local Government: Results of the 2002-03 Audits. Wellington, New Zealand, New Zealand Office of the Auditor General: 52-66.
NZOAG (2007). Turning Principles into Action: A Guide for Local Authorities on Decision-Making and Consultation. Wellington, New Zealand, New Zealand Office of the Auditor General.
NZOAG (2010). New Zealand Transport Agency: Information and Planning for Maintaining and Renewing the State Highway Network. Wellington, New Zealand, New Zealand Office of the Auditor General.
NZTA (2009). Statement of intent 2010-2013. Wellington, New Zealand, New Zealand Transport Agency.
Phares, B. M., A. W. Glenn, et al. (2004). “Routine Highway Bridge Inspection Condition Documentation Accuracy and Reliability.” Journal of Bridge Engineering 9(4): 403-413.
Phares, B. M., D. D. Rolander, et al. (2001). “Reliability of Visual Bridge Inspection.” Public Roads 64(5): 22-29.
Roads Liaison Group (2005). Management of Highway Structures, A Code of Practice. London, United Kingdom, UK Bridges Board.
Standards New Zealand (2004). AS/NZS 4360 Risk Management. Wellington, New Zealand.
Expert Q&A: Your Top Questions Answered
Q1: 모든 교량에 동일한 기준을 적용하지 않고 ‘핵심’, ‘중급’, ‘고급’의 3단계 데이터 수집 체계를 제안한 이유는 무엇입니까?
A1: 모든 교량이 동일한 리스크와 중요도를 갖지 않기 때문입니다. 가이드라인 2.4.1절에 따르면, 이 3단계 접근법은 고위험 및 고중요도 교량에 적절한 데이터와 고급 자산 관리 기법을 적용할 수 있도록 보장하는 동시에, 상대적으로 덜 중요하거나 위험이 낮은 구조물에 대해서는 데이터 수집을 단순화할 수 있습니다. 이는 비용 중립성을 유지하면서도 자산 관리의 효율성을 높이는 핵심적인 전략입니다.
Q2: 교량의 전체 리스크는 어떻게 계산되며, 왜 개별 리스크의 합산이 아닌 RMS(root-mean square) 방식을 사용합니까?
A2: 전체 교량 리스크(R_bridge)는 4개 범주(수리적/지반 공학적, 구조적, 사용성/내구성, 기능성)의 개별 리스크 점수를 제곱하여 더한 후 제곱근을 취하는 RMS 방식으로 계산됩니다(2.3.2절, 21페이지). 이 방식은 특정 리스크 이슈가 전체 리스크에 더 큰 영향을 미치도록 가중치를 부여하는 효과가 있습니다. 따라서 여러 개의 작은 리스크보다 하나의 큰 리스크가 있는 교량을 더 위험하게 평가하여, 자산 관리자가 가장 시급한 문제에 집중하도록 유도합니다.
Q3: 리스크 공식에 포함된 ‘불확실성 가중치(Uncertainty Premium, U)’는 무엇이며, 이것이 더 나은 데이터 수집을 장려하는 방식은 무엇입니까?
A3: ‘불확실성 가중치’는 리스크 평가에 사용된 데이터의 정확성과 분석 방법의 신뢰도를 반영하는 계수입니다(2.3.2절, 21페이지). Table All-5에 따르면, 최소한의 육안 검사와 문서 검토에만 의존한 평가는 가중치 2.5를 적용받는 반면, 모범적인 육안 검사와 기술적 분석, NDE/SHM 데이터를 활용한 평가는 가중치 1.0을 적용받습니다. 즉, 데이터의 질이 낮을수록 리스크 점수가 인위적으로 높아지므로, 자산 관리자가 NDE, SHM과 같은 더 정확한 데이터 수집 기술을 도입하여 불확실성을 줄이도록 유도하는 인센티브로 작용합니다.
Q4: 이 가이드라인은 기존의 ‘상세 검사(detailed inspections)’를 생략하도록 권장하는데, 그 근거는 무엇입니까?
A4: 가이드라인 2.4.2절에 따르면, 기존의 상세 검사는 눈에 띄는 가치를 제공하지 못하는 것으로 나타났습니다(Graybeal et al. 2001; Phares et al. 2001). 제안된 체계에서는 일반 검사, 특별 검사, 일상적인 순찰 검사를 통해 교량 상태를 충분히 파악할 수 있다고 봅니다. 상세 검사를 없애는 대신, 리스크가 높은 교량에 대해 검사 주기를 단축하고 NDE/SHM과 같은 더 정밀한 기술을 도입하는 것이 더 효과적이라고 판단한 것입니다.
Q5: 일부 교량에 대해 더 많은 테스트와 빈번한 검사를 요구함에도 불구하고 이 프레임워크가 비용 중립적일 수 있는 이유는 무엇입니까?
A5: 가이드라인 2.7절과 2.4.4절의 비용 분석 예시에 따르면, 이 접근법은 비용을 반드시 증가시키지 않습니다. ‘고급’ 등급 교량에 대한 추가적인 테스트와 검사 빈도 증가는 ‘핵심’ 등급 교량에 대한 요구사항 완화(예: 검사 주기 연장, 상세 검사 폐지)를 통해 상쇄될 수 있기 때문입니다. 즉, 리스크가 낮은 다수의 교량에서 절감된 비용을 리스크가 높은 소수의 교량에 재투자하는 ‘선택과 집중’ 전략을 통해 전체적인 비용 균형을 맞출 수 있습니다.
Conclusion: Paving the Way for Higher Quality and Productivity
이 가이드라인은 경험에 의존하던 기존의 방식에서 벗어나, 데이터와 정량적 리스크 평가에 기반한 체계적인 교량 자산 관리의 새로운 패러다임을 제시합니다. 교량을 리스크와 중요도에 따라 3단계로 분류하고 관리 수준을 차등화함으로써, 한정된 예산 내에서 안전성을 극대화하고 자산의 수명을 연장할 수 있는 현실적인 방안을 제공합니다. 특히 수리적 안전성 평가와 같이 불확실성이 높은 영역에서는 CFD 해석과 같은 정밀 시뮬레이션 기술이 신뢰도 높은 데이터를 제공하여, 본 프레임워크의 효과를 극대화하는 핵심적인 역할을 할 수 있습니다.
“STI C&D는 최신 산업 연구를 적용하여 고객이 더 높은 생산성과 품질을 달성할 수 있도록 돕는 데 전념하고 있습니다. 이 문서에서 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.
연락처 : 02-2026-0442
이메일 : flow3d@stikorea.co.kr
Copyright Information
This content is a summary and analysis based on the paper “GUIDELINES FOR DATA COLLECTION AND MONITORING FOR ASSET MANAGEMENT OF NEW ZEALAND ROAD BRIDGES” by “Dr Piotr Omenzetter, Simon Bush, Peter McCarten”.
Source: The document itself is the source, published by RIMS, IPWEA, and Road Controlling Authorities Forum (NZ) INC in March 2015.
이 기술 요약은 Erik Damgaard Christensen, B. Mutlu Sumer, Jan-Joost Schouten 외 다수가 2015년 발표한 기술 보고서 “D5.3 Interaction between currents, wave, structure and subsoil”을 기반으로 합니다. 이 자료는 STI C&D가 기술 전문가에 의해 분석하고 요약했습니다.
키워드
Primary Keyword: 해양 구조물 CFD
Secondary Keywords: 다목적 해상 플랫폼, 파랑-구조물 상호작용, 세굴 해석, 부유사 확산, CFD 시뮬레이션
Executive Summary
도전 과제: 다목적 해상 플랫폼의 견고한 설계를 위해서는 조류, 파랑, 구조물, 해저 지반 간의 복잡한 상호작용을 정확하게 예측해야 하며, 이는 전통적인 방법으로는 매우 어렵습니다.
해결 방법: MERMAID 프로젝트는 CFD 및 랜덤-워크 모델을 포함한 고급 수치 모델링을 활용하여 부유사 확산, 쇄파 충격, 세굴과 같은 핵심 물리적 프로세스를 시뮬레이션했습니다.
핵심 성과: 상세한 CFD 시뮬레이션은 준설 작업 시 발생하는 오버플로우 플룸이나 2차 구조물에 가해지는 쇄파력과 같은 근접장(near-field) 현상을 정확하게 모델링하여 더 안전하고 효율적인 설계를 위한 핵심 데이터를 제공합니다.
핵심 요약: 고급 CFD는 수력학적 하중과 환경 영향을 정밀하게 분석하여 해양 프로젝트의 리스크를 줄이는 데 필수적인 도구입니다.
도전 과제: 이 연구가 CFD 전문가에게 중요한 이유
최근 유럽 해양은 해상 풍력 발전 단지, 전력망 확장, 해양 양식업의 발달로 대규모 인프라 개발이 진행 중입니다. 이러한 시설들은 종종 다목적 해상 플랫폼(Multi-Use offshore Platforms, MUPs) 형태로 통합되어 경제적 비용과 환경 영향을 줄이는 것을 목표로 합니다. 하지만 해상 환경은 연안보다 훨씬 가혹하며, 특히 외해에 설치되는 구조물은 극한의 파랑과 조류에 노출됩니다.
이러한 구조물을 설계하고 운영하는 데 있어 가장 큰 기술적 과제는 다음과 같습니다. 1. 준설 및 건설 중 부유사 확산: 구조물 설치 시 발생하는 준설 작업은 부유사를 발생시켜 주변 생태계에 탁도 증가와 같은 환경적 영향을 미칩니다. 특히 근접장에서의 침전 및 확산 메커니즘은 예측이 매우 어렵습니다. 2. 쇄파(Breaking Waves)의 영향: 외해에서는 쇄파, 특히 유출 쇄파(spilling breaker)가 구조물에 미치는 영향이 큽니다. 이는 보수적이고 값비싼 설계를 초래하거나, 반대로 취약한 설계를 낳을 수 있습니다. 3. 세굴(Scour) 현상: 구조물 기초 주변의 해저 지반이 파랑과 조류에 의해 침식되는 세굴 현상은 구조물의 안정성에 직접적인 위협이 됩니다. 복잡한 구조물이나 다중 구조물 주변의 세굴 현상은 아직 명확히 규명되지 않았습니다.
이러한 복잡한 물리적 현상들은 서로 다른 시간적, 공간적 스케일에서 발생하기 때문에, 기존의 분석 방법으로는 한계가 있습니다. 따라서 MUP의 기술적 타당성을 확보하고 안전하며 경제적인 설계를 위해서는 새로운 접근 방식, 즉 정밀한 수치 모델링이 필수적입니다.
Figure 2.4 Multi-inlet barge
접근 방식: 연구 방법론 분석
MERMAID 프로젝트는 다목적 해상 플랫폼과 주변 환경의 상호작용을 분석하기 위해 물리적 모델 실험과 함께 고급 전산유체역학(CFD)을 포함한 다양한 수치 모델링 기법을 적용했습니다.
부유사 확산 모델링 (Dispersion Processes): 준설 작업 중 발생하는 오버플로우 플룸의 거동을 분석하기 위해 3차원 CFD 모델이 사용되었습니다. 이 모델은 다상(multiphase) 혼합물 방법론과 LES(Large Eddy Simulation) 접근법을 기반으로 하여, 높은 농도의 부유사가 주변 해수에 미치는 동적 상호작용을 양방향으로 결합하여 해석했습니다. 이를 통해 다양한 조류 속도, 수심, 플룸의 밀도 조건에 따른 확산 경로를 정밀하게 예측했습니다.
쇄파-구조물 상호작용 해석 (Breaking Wave Interaction): 2차 구조물(보트 접안 시설, 난간 등)에 가해지는 쇄파의 충격력을 평가하기 위해 나비에-스토크스(Navier-Stokes) 방정식을 푸는 CFD 모델이 활용되었습니다. 특히, 쇄파 시 발생하는 공기 연행(air-entrainment) 현상은 유체의 운동학적 특성에 큰 영향을 미치므로, 이를 정확히 모사하기 위해 GENTOP(GEneralized TwO-Phase flow) 모델과 같은 다중 스케일 접근법이 적용되었습니다. 이 모델은 거시적인 자유 수면과 미세한 기포 분산을 동시에 처리할 수 있습니다.
세굴 및 퇴적 모델링 (Scour and Backfilling): 구조물 기초 주변의 세굴 및 퇴적 과정을 시뮬레이션하기 위해 RANS(Reynolds-averaged Navier-Stokes) 방정식과 k-ω 난류 모델을 결합한 유동 해석 모델이 사용되었습니다. 이 유동 모델은 엑스너(Exner) 방정식으로 대표되는 지형 변화 모델과 결합되어, 해저 지반의 침식과 퇴적에 따른 지형 변화를 시간의 흐름에 따라 예측했습니다.
핵심 성과: 주요 발견 및 데이터
본 연구는 CFD 시뮬레이션을 통해 기존 방법으로는 파악하기 어려웠던 복잡한 유체역학적 현상들을 정량적으로 분석하고, 해양 구조물 설계에 실질적인 데이터를 제공했습니다.
성과 1: 준설 오버플로우 플룸의 거동 정밀 예측
CFD 시뮬레이션은 주변 조류의 속도와 플룸의 초기 조건이 부유사 확산에 미치는 영향을 명확히 보여주었습니다. 보고서의 Figure 2.8에 따르면, 유속비(velocity ratio, ε)가 높을수록 플룸의 침강 속도가 감소하고 더 넓게 확산되는 것이 확인되었습니다. 특히, 유속비가 ε=2인 극한 상황에서는 플룸이 해저에 도달하지 않고 즉시 혼합 상태에 들어가는 것으로 나타났습니다. 또한, Figure 2.9는 덴시메트릭 프루드 수(densimetric Froude number, Fd)가 1 이상일 때, 즉 관성력이 부력보다 우세할 때 플룸이 완전히 혼합되어 침전되지 않음을 보여줍니다. 이는 준설 작업 시 환경 영향을 최소화하기 위해 오버플로우 조건과 주변 유속을 제어하는 것이 얼마나 중요한지를 시사합니다.
성과 2: 구조물 형상에 따른 유체력 및 혼합 효율 정량화
CFD 모델은 구조물의 미세한 형상 변화가 전체 유체력에 미치는 영향을 정밀하게 분석했습니다. Table 3.3에 따르면, 유속 0.5m/s 조건에서 타원형 기둥(Shape No 2)의 항력 계수는 0.44였지만, 상부에 주각(plinth)이 추가된 타원형 기둥(Shape No 1)의 항력 계수는 0.51로 증가했습니다. 이는 작은 설계 변경이 구조물에 가해지는 전체 하중을 크게 변화시킬 수 있음을 의미합니다. 또한, 성층 흐름(stratified flow)에서의 혼합 효율 분석(Figure 3.21) 결과, CFD 시뮬레이션은 물리적 모델 실험 결과와 전반적으로 일치하면서도 저유속 구간에서는 더 안정적인 결과를 제공했습니다. 이는 CFD가 물리적 실험의 한계를 보완하고 설계 최적화를 위한 신뢰성 높은 데이터를 제공할 수 있음을 보여줍니다.
Figure 2.13 CFD simulation of the effect of the Green Valve on air entrainment. (Saremi, 2014)
R&D 및 운영을 위한 실질적 시사점
이 보고서의 연구 결과는 해양 구조물 설계 및 운영과 관련된 다양한 분야의 전문가들에게 중요한 시사점을 제공합니다.
공정 엔지니어 (건설/준설): 부유사 플룸에 대한 연구(Chapter 2)는 오버플로우 매개변수(예: β 값)를 제어하고 주변 조류를 이해하는 것이 환경 영향을 크게 줄일 수 있음을 시사합니다. 이는 설치 공정 계획 시 중요한 고려 사항이 될 수 있습니다.
품질 및 안전 관리팀: 세굴 해석(Chapter 5)은 수치 모델을 통해 기초 주변의 최대 세굴 깊이를 예측할 수 있음을 보여줍니다. 이는 구조물의 안정성과 피로 수명 평가에 매우 중요하며, 정기적인 안전 점검 기준을 수립하는 데 활용될 수 있습니다.
설계 엔지니어: 2차 구조물에 대한 파랑 하중(Chapter 4) 및 교각 항력(Chapter 3) 분석은 CFD가 극한 하중을 견디고 전체 구조 응력을 줄이도록 설계를 최적화할 수 있음을 보여줍니다. 이를 통해 더 안전하고 비용 효율적인 플랫폼 설계가 가능합니다.
보고서 상세 정보
D5.3 Interaction between currents, wave, structure and subsoil
1. 개요:
Title: D5.3 Interaction between currents, wave, structure and subsoil
Author: Christensen, Erik Damgaard; Sumer, B. Mutlu; Schouten, Jan-Joost; 외 다수
Year of publication: 2015
Journal/academic society of publication: MERMAID Project Deliverable, Technical University of Denmark (DTU)
본 보고서는 MERMAID 프로젝트의 일환으로, 다목적 해상 플랫폼(MUP)과 관련된 조류, 파랑, 구조물, 그리고 해저 지반 간의 상호작용을 다룬다. 유럽 해역의 네 곳의 특정 사이트를 중심으로, 준설로 인한 부유사 확산, 쇄파와 구조물의 상호작용, 성층 흐름에서의 혼합, 구조물 주변의 세굴 및 퇴적 등 핵심적인 물리적 프로세스를 분석한다. 이를 위해 물리적 모델 실험과 함께 상세한 전산유체역학(CFD)을 포함한 고급 수치 모델링 기법이 사용되었다. 연구의 목적은 MUP의 설계 단계에서 기술적 타당성, 환경 영향, 다기능 통합 가능성을 평가하는 데 필요한 진보된 도구와 방법론을 제공하는 것이다.
3. Introduction:
유럽 해양은 해상 풍력 발전, 전력망 확장, 해양 양식업의 확대로 인해 대규모 인프라 개발이 예상된다. 이러한 개발은 EU의 화석 연료 기반 에너지 감축 및 지속 가능한 양식업 육성 전략을 이행하기 위해 필수적이다. 다목적 해상 플랫폼(MUP)은 이러한 여러 기능을 하나의 공간에 통합하여 경제적 비용과 환경 영향을 줄이는 혁신적인 해결책으로 제시된다. 본 보고서는 MERMAID 프로젝트의 Work Package 5의 결과물로서, MUP와 기상 및 수력학적 조건, 그리고 해저 지반 간의 상호작용에 초점을 맞춘다. MUP 설계의 기술적, 경제적 타당성과 환경 영향을 평가하기 위해, 다양한 해양 환경에서 발생하는 복잡한 물리적 프로세스를 분석하고 이를 해결하기 위한 새로운 접근법을 개발하는 것이 필요하다.
4. Summary of the study:
Background of the research topic:
다목적 해상 플랫폼(MUP)의 성공적인 개발을 위해서는 플랫폼과 주변 해양 환경(조류, 파랑, 해저 지반) 간의 복잡한 상호작용을 면밀히 분석해야 한다. 이는 구조물의 설계, 환경 영향 평가, 다기능 통합 가능성 평가에 필수적이다.
Status of previous research:
기존 연구들은 단일 모노파일 주변의 세굴이나 파랑-구조물 상호작용 등 개별적인 현상에 대해서는 잘 정립되어 있었으나, 다중 구조물이나 복잡한 환경 조건(예: 쇄파, 성층 흐름)에서의 상호작용, 특히 근접장에서의 물리적 현상에 대한 이해는 부족했다. 또한, 준설로 인한 부유사 확산이나 세굴 후 퇴적(backfilling) 과정에 대한 정량적 데이터와 모델링 연구가 미흡했다.
Purpose of the study:
본 연구의 목적은 MUP 설계 단계를 지원하기 위해, 광범위한 경험, 가용 데이터, 그리고 특정 연구 주제에 기반한 진보되고 적용 가능한 도구를 제공하는 것이다. 이를 통해 조류, 파랑, 구조물, 지반 간의 상호작용을 정밀하게 분석하고, 설계, 환경 영향, 다기능 통합의 잠재력을 평가하는 새로운 접근법을 개발하고자 한다.
Core study:
본 연구는 다음과 같은 핵심 주제들을 다룬다: 1. 해양 작업과 관련된 확산 과정 모델링 (준설 시 부유사 유출, 파랑 경계층 내 확산) 2. 밀도가 변화하는 조류와 수직 파일의 상호작용 (성층 흐름에서의 혼합) 3. 파랑-구조물 상호작용 (OWC 모듈, 쇄파, 어류 양식망) 4. 다목적 해상 플랫폼 구조물 주변의 세굴 (기초 주변 세굴 및 퇴적, 가장자리 세굴)
5. Research Methodology
Research Design:
본 연구는 물리적 모델 실험과 수치 모델링을 병행하는 통합적 접근 방식을 채택했다. 물리적 실험은 실험실 스케일에서 특정 현상을 재현하고 검증 데이터를 확보하는 데 사용되었으며, 수치 모델링은 이를 바탕으로 매개변수 범위를 확장하고 실제 스케일의 복잡한 현상을 시뮬레이션하는 데 활용되었다.
Data Collection and Analysis Methods:
물리적 모델 실험: 수조(flume)에서 파랑 생성기, 이동식 대차, 밀도/유속 측정 장비 등을 사용하여 OWC 모듈 성능, 성층 흐름에서의 혼합, 쇄파 충격 등을 측정했다.
수치 모델링 (CFD):
유동 해석: RANS, LES 등 난류 모델과 결합된 나비에-스토크스 방정식을 사용하여 유동장을 해석했다.
다상 유동: 준설 플룸과 쇄파 시 공기 연행을 모델링하기 위해 VOF, 혼합물 모델, GENTOP과 같은 다상 유동 해석 기법을 적용했다.
지형 변화: 세굴 및 퇴적 현상을 모사하기 위해 유동 모델과 엑스너 방정식을 기반으로 한 지형 변화 모델을 결합했다.
소프트웨어: MatRANS, OpenFOAM®, StarCCM+ 등의 코드가 사용되었다.
Research Topics and Scope:
연구 범위는 다목적 해상 플랫폼이 설치될 수 있는 유럽의 다양한 해양 환경(발트해, 북해, 대서양, 지중해)을 포괄한다. 조류, 파랑, 구조물, 지반의 상호작용과 관련된 광범위한 물리적 현상을 다루며, 특히 준설, 쇄파, 세굴, 성층 흐름에서의 혼합 등 설계 및 환경 영향 평가에 중요한 주제에 집중한다.
6. Key Results:
Key Results:
CFD 시뮬레이션을 통해 준설 작업 시 발생하는 오버플로우 플룸의 궤적과 희석률이 주변 유속 및 초기 밀도 조건에 따라 어떻게 변하는지 정량적으로 예측했다. 유속비(ε)와 덴시메트릭 프루드 수(Fd)가 플룸의 침강 여부를 결정하는 핵심 매개변수임이 밝혀졌다.
파랑 경계층 내 부유사 확산에 대한 수치 모델링 결과, 진동류(oscillatory flow)에서의 확산 계수는 정상류(steady flow)에 비해 현저히 작았으며, 파랑의 진폭이 클수록 정상류 값에 점근적으로 접근하는 경향을 보였다.
성층 흐름에서 수직 파일로 인해 발생하는 혼합 효율을 물리적 실험과 CFD 시뮬레이션을 통해 분석했다. CFD는 구조물의 형상(예: 주각 유무)에 따른 항력 계수 변화를 정밀하게 예측했으며, 이는 물리적 실험 결과와 잘 일치했다.
파랑과 조류에 의한 구조물 기초 주변의 세굴 및 퇴적(backfilling) 과정을 수치적으로 시뮬레이션했다. 모델은 초기 지형 조건과 관계없이 특정 파랑 조건(KC 수)에 해당하는 평형 세굴 깊이로 수렴함을 보여주었으며, 이는 실험 결과와 일치한다.
쇄파, 특히 유출 쇄파(spilling breaker) 시 발생하는 공기 연행을 포함한 복잡한 유동을 해석하기 위해 다중 스케일 CFD 접근법(GENTOP)의 유효성을 확인했다. 이는 2차 구조물의 충격 하중 설계에 중요한 정보를 제공한다.
Figure List:
Figure 2.1 Conceptual design of multipurpose platforms
Figure 2.5 Multifraction dredged material concentration distribution.
Figure 2.6 Left: Overflow plume, Right: Spill from the grab
Figure 2.7 CFD simulations of the overflow plume.
Figure 2.8 The path of plumes centroid with different velocity ratios under the same Fd
Figure 2.9 The path of plumes centroid with different Fd values under the same velocity ratio
Figure 2.10 CFD simulations of overflow discharge in stagnant water under different water depths.
Figure 2.11 The path of plumes centroid at two water depths
Figure 2.12 Schematic drawing of the overflow structure
Figure 2.13 CFD simulation of the effect of the Green Valve on air entrainment.
Figure 2.14 Dredged material ready to dumped from a split hopper, Right: The sediment plume
Figure 2.15 CFD simulations of sediment dumping into stagnant ambient
Figure 2.16: Longitudinal dispersion in an oscillatory turbulent boundary layer.
Figure 2.17: The flow domain in the model.
Figure 2.18: Non-dimensional mean particle X positions versus non-dimensional time, β=0.
Figure 2.19: Change of variance of particles with time, W=0 (β=0).
Figure 2.20: Non-dimensional mean particle X positions versus non-dimensional time, β=0.3.
Figure 2.21: Model results of zeroth moment of concentration for large times results compared with analytical solution, β=0.3.
Figure 2.22: Time variation of non-dimensional dispersion coefficients for β=0 and β=0.3.
Figure 2.23: Ratio of dispersion coefficient for heavy particles to that of neutrally buoyant particles versus the non-dimensional settling velocity (β).
Figure 2.24: Non-dimensional mean particle X positions versus non-dimensional time in oscillatory flow case
Figure 2.25: Change of variance of particles with time for oscillatory flow case,
Figure 2.26: The zeroth concentration moment of heavy particles for oscillatory flow,
Figure 2.27: The change of variance of particle X positions with time for oscillatory flow,
Figure 2.28: Variation of non-dimensional dispersion coefficient (D1/Ufm h) with non-dimensional settling velocity (β).
Figure 2.29: Variation of non-dimensional dispersion coefficient (D1/Ufm h) for neutrally buoyant particles with non-dimensional amplitude (α).
Figure 3.1 Sketch of large turbulent flow structures generated by the presence of a vertical py-lon in a channel flow
Figure 3.2 Test set-up for case where current was simulated by moving the carriage
Figure 3.3 Salinity and density profiles before, during, and after a typical experiment.
Figure 3.4 Increase in potential energy versus input of kinetic energy for the typical experiment,
Figure 3.5 The primary model is towed through a two-layered stratified water column with an non-zero angle of attack.
Figure 3.6 Mixing efficiency as a function of current velocity for the primary and secondary model at a current angle of attack equal 0.
Figure 3.7 Mixing efficiency as a function of current angle of attack, α, for the primary model.
Figure 3.8 Bridge pier shapes included for validating the numerical model.
Figure 3.9 Overview of the short model domain with a downstream distance at 100m (top) and the long model domain with a downstream distance of 500m (bottom).
Figure 3.10 Zoom of the computational grid around bridge pier No 1
Figure 3.11 Computational grid at bridge pier No 1. Total pier height: 28m.
Figure 3.12 Drag coefficients for bridge pier shape No 1 in uniform current and uniform density.
Figure 3.13 Flow around pier No 1 visualised by streamlines initialised downstream the pier at a depth of 14m.
Figure 3.14 Flow around pier No 1 visualised by streamlines initialised downstream the pier at a depth of 14m.
Figure 3.15 Geometrical shapes and streamline visualization for shape Nos 1-3
Figure 3.16 Lift coefficients for bridge pier shape No 1 in uniform current and uniform density at a current angle of 15 degrees.
Figure 3.17 Reference area, A, marked with red upstream and downstream the bridge pier.
Figure 3.18 Density time series at 20m and 400m downstream the bridge pier.
Figure 3.19 Vertical density profiles upstream and 400m downstream the bridge pier at time = 2000s.
Figure 3.20 Force time series for bridge pier No 1 with stratified density distribution and uniform current with a current angle at 0 degree
Figure 3.21 Mixing efficiency for bridge pier No 1 as function of the current velocity
Figure 3.22 Mixing efficiency for bridge pier No 2 as function of the current velocity
Figure 3.23 Surface at an intermediate density for bridge pier shape No 1
Figure 3.24. Resistance and mixing across a single vertical structure in a stratified flow.
Figure 3.25 Alignment of structure given by α in a x-y-coordinate system
Figure 3.26 Energy conversions in a stratified turbulent flow
Figure 3.27: Model domain in the Western Baltic Sea for the study by Rennau et al. (2012).
Figure 3.28: Non-dimensional computational domain for three-dimensional high resolution RANS simulations by Rennau et al. (2012).
Figure 3.29: Distribution of offshore wind farms (OWFs) in the Western Baltic Sea
Figure 3.30: Western Baltic Sea simulation: monthly mean water mass transport M
Figure 3.31: Western Baltic Sea simulation by Rennau et al. (2012); annual mean (year 2004) of bottom salinity and bottom salinity difference due to offshore wind farms
Figure 3.32: The Oosterschelde with Slaak indicated in the red oval.
Figure 3.33: Closer image of the Slaak channel in the Northern branch of the Oosterschelde
Figure 3.34: Mussel cultures in Slaak, Google Earth picture slightly contrast enhanced.
Figure 3.35: Schematised model domain of the D3D Oosterschelde model.
Figure 3.36: Slaak CFD model with the mussel cultures inserted
Figure 3.37 Details of the computational grid.
Figure 3.38 Impression of the free surface during the flood tide
Figure 3.39 Detail of the velocity field around the first array of nets
Figure 3.40 Overview of the simulation domain
Figure 3.41 Detail of the computational domain: the contour plot displays the bottom depth.
Figure 3.42 Detail of the free surface, the monopile, the bathymetry and the mussel nets.
Figure 3.43 Impression of streamlines of the water flow in proximity of highly loaded farming nets
Figure 3.44 Impression of velocity vectors and magnitude (band plot) on a vertical cross section through the farming nets and the monopile
Figure 4.1 COAST-Lab wave-current flume of Florence University.
Figure 4.2 A Sketch of the PT, WG and HW locations for the measuring section
Figure 4.3: Deformation and shoaling of wave
Figure 4.4: Classification of breakers: spilling, plunging and surging
Figure 4.5: Sketch of the production and dissipation of turbulent kinetic energy
Figure 4.6: Initial bubble size distribution after the acoustic phase.
Figure 4.7: the breaking wave-induced bubbly flow
Figure 4.8: structure of MUSIG – from (Krepper et al., 2009)
Figure 4.9: structure of GENTOP; the continuous air is the last velocity group
Figure 4.10: the multi-scale flow due to an impinging jet
Figure 4.11: Sketch of the proposed CFD methodology.
Figure 4.12 Definition of angle of attack.
Figure 4.13 Definition of mesh properties.
Figure 4.14 Illustration of solidity ratio for square mesh net panels
Figure 4.15 Illustration of modelling of the net by twine and knot elements.
Figure 4.16 Overview of the empirical and semi-empirical drag formulations versus solidity ratios.
Figure 4.17 The schematic diagram of the mass spring model.
Figure 4.18 Comparison of deformed shape from FE model with simplified mesh (left), detailed mesh (middle) and physical model (right).
Figure 4.19 Net model with super elements.
Figure 5.1 Wind turbine foundation types.
Figure 5.2 Scour hole in the equilibrium stage around a model monopile
Figure 5.3. Hydrodynamic time step, and morphologic time step, in a typical numerical modelling exercise.
Figure 5.4 Development of backfilling.
Figure 5.5 Definition sketch. Edge scour.
Figure 5.6. Flow around a monopile and its scour protection.
Figure 5.7 Image taken downstream of a pile with scour protection, facing upstream.
Figure 5.8 Normalized equilibrium scour depth downstream of scour protection in steady current.
Figure 5.9 D-bathymetry around an individual monopile.
Figure 5.10. Typical scour hole with scour protection installed.
7. Conclusion:
본 보고서에서 설명된 프로세스와 제안된 방법론들은 다목적 해상 플랫폼의 설계와 환경 영향 평가에 매우 중요하다. 특히, 준설 작업 중 발생하는 부유사 확산, 쇄파의 충격, 구조물에 의한 국부적인 혼합, 기초 주변의 세굴과 같은 근접장 현상들은 고급 수치 모델링, 특히 CFD를 통해 정밀하게 분석될 수 있다. 이러한 도구들은 탄소 및 영양염 순환을 분석하고, 양식업의 생태학적 및 생산적 수용 능력을 평가하는 데에도 활용될 수 있다. 또한, 구조물 간의 상호작용(예: 풍력 터빈의 파랑 차폐 효과)을 고려한 통합 설계는 위험을 줄이고 안전성을 높이는 데 기여할 수 있다. 결론적으로, 본 연구에서 제시된 진보된 수치 모델링 기법들은 복잡한 해양 환경에서의 구조물 설계를 위한 필수적인 도구이다.
8. References:
Bray, R. (2008). Environmental aspects of dredging. CRC Press
Ishii, M. (2006). Thermo-Fluid Dynamics of Two-Phase Flow. Springer US, Boston, MA.
Jensen, J. and Saremi, S. (2014). ”Overflow Concentration and Sedimentation in Hoppers” J. Waterway, Port, Coastal, Ocean Eng., 140(6), 04014023.
Jensen, J. and Saremi, S. (2015). ”Effects of Mixing on Hopper Sedimentation in Clearing Mixtures” J. Waterway, Port, Coastal, Ocean Eng [Accepted].
Saremi, S. (2014). Density driven currents and deposition of fine materials (Doctoral dissertation). Technical University of Denmark, Lyngby, Denmark.
Allen, C. M. (1982). Numerical simulation of contaminant dispersion in estuary flows. Proceedings of the Royal Society of London. A. Mathematical and Physical Sciences, 381(1780), 179-194.
Aris, R. (1960). On the dispersion of a solute in pulsating flow through a tube. Proceedings of the Royal Society of London. Series A. Mathematical and Physical Sciences, 259(1298), 370-376.
Fuhrman, D. R. (2012). MatRANS: A Matlab-based RANS + k-ω model for turbulent boundary layer and sediment transport simulations. Model Description (obtainable from the author).
Sumer, B. M. (2013). Lecture notes on turbulence. Downloadable from: http://www.external.mek.dtu.dk/personal/bms/turb_book_update_30_6_04.pdf
Wilcox, D. C. (2006). Turbulence Modeling in CFD, 3rd edn. La Canada, California: DCW Industries, Inc.
Brennan, D. (2001): The Numerical Simulation of Two-Phase Flows in Settling Tanks, PhD Thesis, Imperial College of Science, Technology and Medicine.
Burchard, H. and H. Rennau (2008). Comparative quantification of physically and numerically induced mixing in ocean models. Ocean modelling 20: 293-311
Christensen, Erik D. (2006): Large eddy simulation of spilling and plunging breakers, Coastal Engineering 53, pp 463-485.
Rennau, H., Schimmels, S., & Burchard, H. (2012). On the effect of structure-induced resistance and mixing on inflows into the Baltic Sea: A numerical model study. Coastal Engineering, 60, 53–68. doi:10.1016/j.coastaleng.2011.08.002
Blauw, A. N., H. F. J. Los, M. Bokhorst, and P. L. A. Erftemeijer. 2009. GEM: A generic ecological model for estuaries and coastal waters. Hydrobiologia 618:175-198.
Bagnold, A. (1939). Interim report on wave-pressure research. Proc. Inst, Civil Eng., 12, 201–226.
Christensen, E. D. (2006). Large eddy simulation of spilling and plunging breakers. Coastal Engineering, 53, 463–485.
Drew, D., & Prassman, S. (1999). Theory of multicomponents fluids. Springer.
Hänsch, S., Lucas, D., Krepper, E., & Höhne, T. (2012). A multi-field two-fluid concept for transitions between different scales of interfacial structures. International Journal of Multiphase Flow, 47, 171–182.
Morison, J. R., O’Brien, M. P., Johnson, J. W., & Schaaf, S. A. (1950). The Force Exerted by Surface Waves on Piles. Journal of Petroleum Technology, AIME 189, 149–154.
Aarsnes, J., Rudi, H., and Loland, G. (1990). Current forces on cage, net deflection. ENGINEERING FOR OFFSHORE FISH FARMING, pages 137–152.
Fredheim, A. (2005). Current Forces on Net Structure. PhD thesis, Norwegian University of Science and Technology, Faculty of Engineering Science and Technology.
Baykal, C., Sumer, B. M., Fuhrman, D. R., Jacobsen, N. G. and Fredsøe, J., (2014 a). Numerical investigation of flow and scour around a vertical circular cylinder. To appear in Philosophical Transactions of the Royal Society of London A.
Fuhrman DR, Baykal C, Sumer BM, Jacobsen NG, Fredsøe J. 2014 Numerical simulation of wave induced scour and backfilling processes beneath submarine pipelines. Coast. Eng. 94, 10–22
Roulund A, Sumer BM, Fredsøe J, Michelsen J. 2005 Numerical and experimental investigation of flow and scour around a circular pile. J. FluidMech. 534, 351–401.
Sumer BM, Fredsøe J. 2002 The mechanics of scour in the marine environment. Singapore: World Scientific.
Whitehouse, R. J. S., Harris, J. M., Rees, J. (2011) “The nature of scour development and scour protection at offshore windfarm foundations.” Marine Pollution Bulletin 62 (2011) 73-88.
Christensen, E.D., Johnson, M., Sørensen, O.R., Hasager, C.B., Badger, M., Larsen, S.E., 2013. Transmission of wave energy through an offshore wind turbine farm. Coast. Eng. 82, 25–46.
Expert Q&A: Your Top Questions Answered
Q1: 준설 오버플로우를 시뮬레이션할 때, 단순한 확산 모델 대신 복잡한 다상 CFD 모델이 필요했던 이유는 무엇입니까?
A1: 오버플로우 플룸은 높은 농도의 퇴적물을 포함하고 있어, 주변 해수와 상당한 동적 상호작용을 일으킵니다. 보고서(Chapter 2.1.4)에 따르면, 이러한 상호작용은 물과 퇴적물 두 상(phase) 간의 양방향 결합(two-way coupling)을 요구합니다. 단순 확산 모델은 이러한 상호작용, 특히 퇴적물의 낙하로 인한 유동 변위나 밀도 구배에 의한 힘을 제대로 고려할 수 없으므로, 정확한 거동 예측을 위해 다상 CFD 모델이 필수적이었습니다.
Q2: 보고서에서는 RANS와 LES 모델이 모두 언급되었습니다. 해양 구조물 해석에서 각각 어떤 상황에 더 적합하다고 판단되었습니까?
A2: 보고서의 내용으로 미루어 볼 때, 두 모델은 해석하고자 하는 현상의 스케일과 복잡성에 따라 선택적으로 사용되었습니다. RANS 모델(Chapter 5.1)은 평균적인 유동 특성이 중요한 세굴 현상과 같이 비교적 넓은 영역의 장기적인 변화를 예측하는 데 효과적이었습니다. 반면, LES 모델(Chapter 4.2)은 쇄파 시 발생하는 순간적이고 복잡한 난류 와류 구조를 직접 해석해야 하는 경우에 더 적합했습니다. 이는 LES가 난류의 세부적인 구조를 더 정밀하게 포착할 수 있기 때문입니다.
Q3: 세굴 현상을 다루는 수치 모델(Chapter 5)은 해저 지반 자체의 움직임을 어떻게 계산에 반영합니까?
A3: 수치 모델은 유체역학적 계산과 지형 변화 계산을 결합하는 방식을 사용합니다. 먼저, RANS 방정식을 풀어 구조물 주변의 유동장을 계산하고, 이를 통해 해저면에 작용하는 전단 응력을 구합니다. 이 전단 응력 값은 퇴적물 이동량 공식에 입력되어 침식 및 퇴적률을 계산합니다. 마지막으로, 엑스너(Exner) 방정식이라는 퇴적물 연속 방정식을 풀어 계산된 침식/퇴적률에 따라 해저 지반의 높이를 업데이트하고, 이 과정을 반복하여 지형 변화를 시뮬레이션합니다.
Q4: 쇄파 시뮬레이션에 GENTOP 모델이 언급되었습니다. 이 모델이 일반적인 VOF 계면 추적 방법에 비해 갖는 핵심적인 장점은 무엇입니까?
A4: GENTOP 모델의 가장 큰 장점은 다중 스케일(multi-scale) 유동을 효과적으로 처리할 수 있다는 점입니다(Chapter 4.2.6). 일반적인 VOF 방법은 거시적인 자유 수면 계면을 추적하는 데는 뛰어나지만, 쇄파 시 발생하는 것처럼 계면이 부서져 수많은 미세 기포로 분산되면 물리적 의미를 잃고 정확도가 떨어집니다. GENTOP은 이러한 분산된 기포들을 별도의 상(phase)으로 처리하는 오일러리안(Eulerian) 접근법을 통합하여, 거대한 파도부터 미세 기포까지 동시에 해석할 수 있습니다.
Q5: 이 연구는 물리적 모델 테스트와 CFD 시뮬레이션을 병행했습니다. 물리적 실험을 보완하는 CFD의 주된 역할은 무엇이었습니까?
A5: CFD는 물리적 실험의 한계를 보완하고 연구의 깊이를 더하는 데 핵심적인 역할을 했습니다(Chapter 3.1.2). 첫째, CFD는 물리적 실험에서 테스트하기 어려운 광범위한 매개변수(예: 다양한 유속, 파랑 조건)에 대한 시뮬레이션을 가능하게 했습니다. 둘째, 유동장 내부의 와류 구조나 압력 분포와 같이 실험적으로 측정하기 어려운 상세한 데이터를 제공하여 현상에 대한 깊이 있는 이해를 도왔습니다. 마지막으로, CFD 결과와 실험 데이터를 비교함으로써 모델의 신뢰성을 검증하고 상호 보완적인 분석을 수행할 수 있었습니다.
Conclusion: 더 높은 품질과 생산성을 위한 길
다목적 해상 플랫폼의 성공적인 설계는 조류, 파랑, 지반의 복잡한 상호작용을 얼마나 정확하게 예측하느냐에 달려 있습니다. MERMAID 프로젝트 보고서에서 입증되었듯이, 고급 해양 구조물 CFD 시뮬레이션은 이러한 난제를 해결하는 핵심 열쇠입니다. 준설로 인한 환경 영향부터 쇄파의 충격 하중, 기초의 세굴 안정성에 이르기까지, CFD는 설계 단계에서 잠재적 위험을 식별하고 최적의 솔루션을 찾는 데 필수적인 통찰력을 제공합니다.
STI C&D는 최신 산업 연구 결과를 적용하여 고객이 더 높은 생산성과 품질을 달성할 수 있도록 지원하는 데 전념하고 있습니다. 이 보고서에서 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.
연락처 : 02-2026-0442
이메일 : flow3d@stikorea.co.kr
Copyright Information
This content is a summary and analysis based on the paper “D5.3 Interaction between currents, wave, structure and subsoil” by “Christensen, E. D., Sumer, B. M., Schouten, J-J., et al.”.
이 기술 요약은 Manousos Valyrakis와 Hanqing Zhang이 2014년 International Conference on Hydroinformatics에 발표한 “Prediction Of Scour Depth Around Bridge Piers Using Adaptive Neuro-Fuzzy Inference Systems (ANFIS)” 논문을 기반으로 하며, STI C&D의 기술 전문가에 의해 분석 및 요약되었습니다.
Keywords
Primary Keyword: 교량 교각 세굴 예측
Secondary Keywords: ANFIS, 적응형 뉴로-퍼지 추론 시스템, 기계 학습, 수리 공학, 교량 안전, 세굴 깊이
Executive Summary
The Challenge: 교량 교각 주변의 세굴 깊이를 예측하는 기존 공식들은 제한된 데이터에 기반한 경험식으로, 종종 세굴 깊이를 과대평가하여 보수적이고 비용이 많이 드는 설계를 초래합니다.
The Method: 본 연구는 USGS 데이터베이스에서 얻은 광범위한 현장 데이터를 사용하여 기계 학습 모델인 적응형 뉴로-퍼지 추론 시스템(ANFIS)을 개발, 훈련 및 검증했습니다.
The Key Breakthrough: 개발된 ANFIS 모델은 특히 단일 원형 교각과 같은 특정 데이터 그룹으로 훈련했을 때, 적은 수의 입력 변수만으로도 세굴 깊이를 매우 정확하게 예측하는 뛰어난 일반화 능력을 보여주었습니다.
The Bottom Line: ANFIS는 엔지니어에게 기존의 경험적 방법보다 더 정확하게 교각 세굴을 예측할 수 있는 강력하고 신뢰성 있는 도구를 제공하며, 이는 더 안전하고 경제적인 교량 설계로 이어질 수 있습니다.
The Challenge: Why This Research Matters for CFD Professionals
교량의 붕괴는 종종 홍수 시 교각 기초 주변의 토사가 유실되는 ‘세굴(scour)’ 현상 때문에 발생합니다. 실제로 1989년에서 2000년 사이 미국에서 발생한 500건 이상의 교량 붕괴 사고 중 절반 이상(약 53%)이 기초 세굴에 기인한 것으로 추정됩니다. 이러한 사고는 막대한 재정적 손실을 야기하며, 1993년 미시시피 상류 유역의 홍수는 23개의 교량 붕괴와 1,500만 달러의 피해를, 1994년 조지아의 “알베르토 폭풍”은 약 1억 5,000만 달러의 피해를 초래했습니다.
문제는 현재 사용되는 대부분의 교각 세굴 깊이 예측 공식이 제한된 실험실 데이터에 기반한 경험식이라는 점입니다. 이 공식들은 실제 현장 조건을 정확하게 모사하지 못하며, 대부분 보수적인 결과를 도출하여 세굴 깊이를 과대평가하는 경향이 있습니다. 이는 불필요하게 과도한 설계로 이어져 구조적 불확실성과 비용 증가를 야기합니다. 따라서 더 빠르고 신뢰할 수 있는 예측 도구의 필요성이 절실합니다.
The Approach: Unpacking the Methodology
본 연구는 이러한 문제를 해결하기 위해 강력한 기계 학습 접근법인 적응형 뉴로-퍼지 추론 시스템(ANFIS)을 활용했습니다. ANFIS는 인공 신경망(ANN)의 학습 능력과 퍼지 추론 시스템(FIS)의 규칙 기반 구조를 결합하여 복잡한 비선형 동역학을 효과적으로 모델링할 수 있습니다.
연구팀은 미국 지질조사국(USGS)의 국립 교량 세굴 데이터베이스에서 총 508개의 데이터 세트를 확보했으며, 불완전한 기록을 제거하여 486개의 데이터를 분석에 사용했습니다. 모델의 입력 변수로는 다음과 같은 5가지 핵심 매개변수가 선택되었습니다.
유효 교각 폭 (b)
접근 유속 (U)
접근 수심 (y)
평균 입경 (D50)
유동 방향에 대한 교각의 경사각 (skew to flow)
데이터는 훈련(training)과 검증(validation) 세트로 무작위 분할되었으며, 연구팀은 시행착오 접근법을 통해 최적의 ANFIS 구조(멤버십 함수의 종류 및 개수)를 결정했습니다. 또한, 입력 변수의 수를 점진적으로 줄여가며 모델을 테스트하여 어떤 변수가 예측에 가장 큰 영향을 미치는지, 그리고 제한된 데이터만으로도 신뢰성 있는 예측이 가능한지를 체계적으로 분석했습니다.
Figure 1. Generic example of an ANFIS architecture
The Breakthrough: Key Findings & Data
연구 결과, ANFIS 모델은 교각 세굴 깊이를 예측하는 데 매우 높은 정확도와 잠재력을 보여주었습니다. 특히 주목할 만한 발견은 다음과 같습니다.
Finding 1: 특정 데이터에 대한 훈련으로 최적의 모델 성능 달성
가장 뛰어난 성능을 보인 모델은 5개의 모든 입력 변수를 사용하되, ‘단일 원형 교각(single round pier)’ 데이터 하위 그룹만으로 훈련된 모델이었습니다. 이 모델은 모든 데이터를 사용해 훈련된 모델보다 훨씬 높은 정확도를 보였습니다. Table 3에 따르면, 단일 원형 교각 데이터로 훈련된 모델의 검증 RMSE(평균 제곱근 오차)는 1.63으로, 전체 데이터로 훈련된 모델의 2.07보다 현저히 낮았습니다. 이는 데이터의 동질성이 모델의 학습 효율과 예측 정확도를 크게 향상시킬 수 있음을 시사합니다. Figure 2는 이 모델의 예측값이 실제 관측값과 매우 잘 일치함을 시각적으로 보여줍니다.
Finding 2: 입력 변수를 줄인 모델도 높은 정확도 유지
연구팀은 입력 변수의 수를 줄여도 모델이 만족스러운 성능을 유지한다는 사실을 발견했습니다. 특히 ‘교각 폭’과 ‘접근 수심’이 세굴 예측에 가장 중요한 변수임이 확인되었습니다. 흥미롭게도 ‘유동 방향에 대한 경사각(skew to flow)’ 변수를 제거했을 때, 모델의 검증 RMSE가 2.07에서 2.03으로 오히려 약간 개선되었습니다(Table 3 참조). 이는 해당 변수가 예측에 큰 기여를 하지 않거나 오히려 노이즈로 작용했을 수 있음을 의미합니다. 심지어 ‘교각 폭’ 단 하나의 변수만 사용한 모델도 검증 RMSE 2.54로 비교적 정확한 예측이 가능했습니다. 이는 현장에서 제한된 데이터만 확보할 수 있는 경우에도 ANFIS 모델이 유용한 예측 도구가 될 수 있음을 보여줍니다.
Practical Implications for R&D and Operations
본 연구 결과는 다양한 분야의 전문가들에게 실질적인 시사점을 제공합니다.
For Hydraulic/Bridge Engineers: 이 연구는 교각 폭과 접근 수심 데이터에 집중하는 것만으로도 ANFIS를 통해 매우 정확한 세굴 예측이 가능함을 시사합니다. 하상 재료의 크기와 같은 다른 데이터가 부족하더라도 신뢰성 있는 결과를 얻을 수 있어, ANFIS는 실용적인 세굴 예측 도구로 활용될 수 있습니다.
For Infrastructure Planners/Managers: 기존의 보수적인 공식보다 ANFIS 모델의 예측 정확도가 높아, 과잉 설계를 방지하고 더 경제적이며 효율적인 교량 설계 및 유지보수 계획을 수립할 수 있습니다. 이는 불필요한 비용 절감으로 이어질 수 있습니다.
For Data Scientists in Engineering: 본 연구는 복잡한 수리학 문제에 기계 학습(ANFIS)을 성공적으로 적용한 사례입니다. 특히 ‘경사각’과 같이 관련 있어 보이는 변수를 제거했을 때 모델 성능이 향상될 수 있다는 발견은, 모델 개발 시 변수 선택의 중요성에 대한 귀중한 통찰을 제공합니다.
Paper Details
Prediction Of Scour Depth Around Bridge Piers Using Adaptive Neuro-Fuzzy Inference Systems (ANFIS)
1. Overview:
Title: Prediction Of Scour Depth Around Bridge Piers Using Adaptive Neuro-Fuzzy Inference Systems (ANFIS)
Author: Manousos Valyrakis, Hanqing Zhang
Year of publication: 2014
Journal/academic society of publication: International Conference on Hydroinformatics
In this study, the application of a machine learning model, namely the adaptive neuro-fuzzy inference system (ANFIS) is proposed to estimate the scour depth around bridge piers. In particular, various complexity architectures are sequentially developed, trained and validated using appropriate training and validation subsets obtained from the USGS database. The raw data are pre-processed to remove incomplete records and randomly split into the training and validation data sets which are both representative of the same space. The model has five parameters, namely the effective pier width (b), the approach velocity (U), the approach depth (y), the mean grain diameter (D50) and the skew to flow. Simulations are conducted with data groups (bed material type, pier type and shape) and different number and combinations of input variables, to produce reduced complexity and easily interpretable models. Analysis and comparison of the results indicate that the developed ANFIS model has high accuracy and outstanding generalization ability for prediction of scour parameters. The optimal ANFIS models are identified utilizing appropriate error metrics. The effective pier width (as opposed to skew to flow) is amongst the most relevant input parameters for the estimation. The developed models can be used as a scour prediction tool performing satisfactorily even in the presence of scarce available data, while empirical rules can be also derived for the reduced order models.
3. Introduction:
지구 표면은 지구물리학적 흐름의 작용으로 끊임없이 변화합니다. 강물의 흐름으로 인한 침식은 생태 건강을 보존하는 데 핵심적인 문제일 뿐만 아니라, 전 세계적으로 우리의 건축 환경과 핵심 기반 시설에 대한 위협으로 인식되고 있습니다. 기후 변화가 하천의 침식과 유사 이송에 미치는 영향은 전 지구적 차원의 핵심 과제가 되었습니다. 교량 붕괴의 가장 흔한 원인은 심각한 홍수 동안 교각 기초의 세굴 때문인 것으로 추정됩니다. 1989년에서 2000년 사이 미국에서 발생한 500건 이상의 교량 붕괴 중 절반 이상(약 53%)이 기초 세굴에 기인합니다. 미국 연방 고속도로 관리국(FHWA)의 383건의 교량 붕괴에 대한 전국적인 연구에 따르면, 25%는 교각 손상, 75%는 교대 손상과 관련이 있으며, 이는 모두 치명적인 홍수로 인해 발생했습니다.
4. Summary of the study:
Background of the research topic:
교각 주변의 침식 및 세굴 현상은 교량의 안전성에 직접적인 위협이 되며, 이는 전 세계적인 문제입니다.
Status of previous research:
세굴 깊이를 예측하기 위해 수많은 실험실 연구를 통해 여러 경험식이 개발되었습니다. 그러나 이러한 공식들은 대부분 제한된 실험실 데이터에 기반하고 있어 실제 현장 조건을 정확하게 반영하지 못하며, 종종 과도하게 보수적인 예측 결과를 내놓아 비경제적인 설계를 초래합니다.
Purpose of the study:
본 연구는 광범위한 현장 데이터를 사용하여 강력한 기계 학습 접근법인 ANFIS의 유용성을 조사하고, 이를 통해 교각 세굴 깊이를 정확하게 예측하는 것을 목표로 합니다.
Core study:
다양한 복잡성을 가진 ANFIS 아키텍처를 순차적으로 개발, 훈련 및 검증했습니다. 입력 변수의 수와 조합을 달리하여 모델을 테스트하고, 각 모델의 성능을 오차 메트릭을 통해 평가하여 최적의 모델 구조를 식별했습니다. 이를 통해 복잡성을 줄이고 해석이 용이한 모델을 도출하고자 했습니다.
5. Research Methodology
Research Design:
적응형 뉴로-퍼지 추론 시스템(ANFIS) 기계 학습 모델을 적용하여 교각 세굴 깊이를 예측하는 연구를 설계했습니다.
Data Collection and Analysis Methods:
미국 지질조사국(USGS)의 국립 교량 세굴 데이터베이스에서 데이터를 수집했습니다. 불완전한 데이터를 제거하는 전처리 과정을 거쳐 총 486개의 데이터 세트를 사용했으며, 이를 훈련 및 검증 데이터로 무작위 분할했습니다. 모델 성능은 RMSE(평균 제곱근 오차)와 MAE(평균 절대 오차)와 같은 오차 지표를 사용하여 평가되었습니다.
Research Topics and Scope:
주요 연구 범위는 5개의 입력 변수(유효 교각 폭, 접근 유속, 접근 수심, 평균 입경, 유동 경사각)가 세굴 깊이에 미치는 영향을 분석하는 것입니다. 또한, 입력 변수의 수를 5개에서 1개로 점진적으로 줄여가며 모델을 테스트하여, 각 변수의 중요도와 최소한의 데이터로 가능한 예측의 정확도를 평가했습니다.
6. Key Results:
Key Results:
단일 원형 교각 데이터로만 훈련된 ANFIS 모델이 가장 높은 예측 정확도(검증 RMSE = 1.63)를 보였습니다.
교각 폭과 접근 수심이 세굴 깊이 예측에 가장 중요한 입력 변수임이 확인되었습니다.
입력 변수의 수를 줄인 모델도 만족스러운 성능을 보여, 제한된 데이터만으로도 신뢰성 있는 예측이 가능함을 입증했습니다.
‘유동 경사각’ 변수를 제거했을 때 모델 성능이 약간 향상되어, 이 변수가 예측에 미치는 영향이 미미하거나 노이즈로 작용할 수 있음을 시사했습니다.
Figure List:
Figure 1. Generic example of an ANFIS architecture
Figure 2. Plot of observed and predicted scour depth training the model with all input parameters with the subset of single round pier data: a) performance for the training subset (77 data points) and b) performance for the validation data set (74 data points). Note the line of perfect agreement is shown with the straight line (diagonal).
7. Conclusion:
본 연구에서는 ANFIS를 사용하여 교각 주변의 세굴 깊이 예측을 조사했습니다. 적절한 데이터를 사용하여 광범위한 모델을 개발, 훈련 및 검증했습니다. 이러한 모델 간의 비교를 통해 우수한 일반화 능력을 갖춘 최상의 성능 모델을 식별할 수 있었습니다. 결과는 축소된 차수의 아키텍처에 대해서도 만족스러웠으며, 문헌에 제안된 다른 모델과 기능적으로 일치했습니다.
8. References:
[1] Wardhana K. and Hadipriono F., “Study of Recent Building Failures in the United States”, J. Perform. Constr. Facil., Vol. 17, No 3, (2003), pp 151-158.
[2] Chang, F.F.M., “A Statistical Summary of the Cause and Cost of Bridge Failures”, Federal Highway Administration, U.S. Department of Transportation, Washington, D.C., (1973).
[3] Brice J.C. and Blodgett J.C., “Countermeasures for Hydraulic Problems at Bridges”, Vol. 1 and 2, FHWA/RD-78-162&163, Federal Highway Administration, U.S. Department of Transportation, Washington, D.C. (1978).
[4] Shen H.W., “Scour Near Piers. River Mechanics”, Vol. 2, Ft. Collins, Colorado, (1971).
[5] Dey S. and Raikar R.V., “Clear-water scour at piers in sand beds with an armor layer of gravels.” Journal of Hydraulic Engineering, Vol. 133, No. 6, (2007), pp 703-711.
[6] Raudkivi A.J. and Ettema R., “Clear water scour at cylindrical piers”, Journal of Hydraulic Engineering, Vol. 109, No. 3, (1983), pp 338-350.
[7] Raudkivi A.J., “Functional trends of scour at bridge piers”, Journal of Hydraulic Engineering, Vol. 112, No. 1, (1986), pp 1-13.
[8] Melville B.W., “Live-bed scour at bridge piers”, Journal of Hydraulic Engineering, Vol.110, No. 9, (1984), pp 1234-1247.
[9] Melville B.W. and Sutherland, A.J., “Design method for local scour at bridge piers”, Journal of Hydraulic Engineering, Vol. 114, No. 10, (1988), pp 1210-1226.
[10] Valyrakis M., Diplas P. and Dancey C.L., “Prediction of coarse particle movement with adaptive neuro-fuzzy inference systems”, Hydrological Processes, Vol. 25, No. 22, pp 3513-3524. ISSN 0885-6087, doi:10.1002/hyp.8228.
[11] Valyrakis M., Diplas P., Dancey C.L., Akar T. and Celik A.O., “Development of a hybrid adaptive Neuro-Fuzzy system for the prediction of sediment transport”, River Flow 2006, Lisbon, Portugal, (2006), pp 877-886, doi: 10.1201/9781439833865.ch92.
[12] Valyrakis M., Diplas P. and Dancey C.L., “Prediction of particle entrainment using Neural Networks”, Protection and Restoration of the Environment, Chania, Greece, (2006), pp 137-138.
[13] Valyrakis M., Diplas P. and Dancey C.L., “Short time prediction of chaotic time series using ANFIS, Lecture Series on Computer and Computational Sciences, Vol. 7, Brill Academic Publishers, Leiden, The Netherlands (2006), pp 729-733.
[14] Bateni S.M., Borghei S.M. and Jeng D., “Neural network and neuro-fuzzy assessments for scour depth around bridge piers”, Engineering Applications of Artificial Intelligence, Vol. 20, No. 3, (2007), pp 401-414.
[15] Neill C.R., “Guide to Bridge Hydraulics” Roads and Transportation Association of Canada, University of Toronto Press, 191 p., (1973).
[16] Breusers H.N.C., Nicollet G. and Shen H.W., “Local scour around cylindrical piers” Journal of Hydraulic Research, Vol. 15, No. 3, (1977), pp 211-252.
[17] Valyrakis M., Diplas P. and Dancey C.L., “Entrainment of coarse particles in turbulent flows: An energy approach”, J. Geophys. Res. Earth Surf., Vol. 118, No. 1., (2013), pp 42-53. ISSN 2169-9003, doi:10.1029/2012JF002354.
Expert Q&A: Your Top Questions Answered
Q1: 왜 일반적인 인공 신경망(ANN) 대신 ANFIS 모델을 선택했나요?
A1: 논문에 따르면 ANFIS는 인공 신경망(ANN)과 퍼지 추론 시스템(FIS)의 장점을 모두 결합한 모델입니다. 신경망 구성 요소로부터 내재된 학습 능력을 가지며, 퍼지 논리 구성 요소로부터 규칙 기반 구조를 가져 퍼지 추론을 수행하고 비선형 동역학을 추출하는 데 유리합니다. 이는 저자들의 이전 연구[10, 11, 12, 13]에서 보여주었듯이 종종 ANN 단독 모델보다 우수한 성능을 나타냅니다.
Q2: 입력 변수의 수를 줄여가며 모델을 테스트한 과정에서 가장 놀라운 발견은 무엇이었나요?
A2: 가장 흥미로운 결과는 ‘유동 경사각(skew to flow)’ 입력 변수를 제거했을 때 모델의 예측 능력이 오히려 약간 향상되었다는 점입니다. Table 3에서 볼 수 있듯이, 검증 RMSE가 2.07에서 2.03으로 감소했습니다. 이는 이 데이터셋에서 해당 변수가 예측에 유의미한 정보를 제공하지 않거나 오히려 노이즈로 작용했을 수 있음을 시사하며, 때로는 더 단순한 구조의 모델이 더 복잡한 모델보다 우수한 성능을 보일 수 있음을 보여줍니다.
Q3: ANFIS 모델의 최적 구조(예: 멤버십 함수의 수)는 어떻게 결정되었나요?
A3: 최적의 구조는 시행착오 접근법을 통해 결정되었습니다. 연구팀은 다양한 유형과 수의 멤버십 함수를 가진 모델들을 테스트했습니다. 그 결과, 3개 이상의 멤버십 함수를 사용하면 과적합(overtraining)이 발생하고 계산 비용이 기하급수적으로 증가하는 것을 발견했습니다. 정확도와 일반화 능력 사이의 최상의 균형은 입력당 2개의 가우시안(Gaussian) 멤버십 함수를 사용했을 때 달성되었습니다.
Q4: ‘단일 원형 교각’ 데이터만 사용했을 때 최고의 성능을 보인 이유는 무엇인가요?
A4: 논문은 모든 유형의 데이터를 사용하여 모델을 훈련했을 때 정확도가 감소한 이유로, 해당 데이터가 기저의 동역학을 잘 설명하지 못하거나 다른 유형의 데이터를 얻는 과정에서 더 큰 오차가 발생했을 가능성을 제시합니다. ‘단일 원형 교각’ 데이터와 같이 더 동질적이고 잠재적으로 품질이 높은 하위 집합에 집중함으로써, 모델이 특정 동역학을 더 효과적으로 학습하여 해당 범주에 대해 더 정확한 예측을 할 수 있었습니다.
Q5: 논문은 축소된 모델이 기존 경험식과 기능적으로 유사하다고 결론 내렸습니다. 그렇다면 ANFIS 모델의 장점은 무엇인가요?
A5: 가장 단순한 모델(예: 세굴 깊이가 교각 폭의 함수)의 기능적 형태가 Neil의 공식[15]과 유사할 수 있지만, ANFIS 접근법은 중요한 장점을 제공합니다. ANFIS는 제한된 실험실 실험에 의존하는 대신, 방대한 현장 데이터로부터 직접 관련 매개변수와 그 관계를 결정합니다. 이러한 데이터 기반 접근법은 선험적 가정을 피하고 복잡한 비선형 관계를 포착할 수 있어, 더 넓은 범위의 조건에 걸쳐 더 견고하고 정확한 예측을 가능하게 합니다.
Conclusion: Paving the Way for Higher Quality and Productivity
이 연구는 기존의 부정확한 교량 교각 세굴 예측 문제를 해결하기 위해 ANFIS라는 강력한 기계 학습 도구를 제시합니다. 핵심적인 돌파구는 방대한 현장 데이터를 기반으로 높은 정확도를 달성했으며, 교각 폭이나 유동 수심과 같은 제한된 데이터만으로도 신뢰성 있는 예측이 가능하다는 점을 입증한 것입니다. 이는 엔지니어링 실무에서 더 안전하고 경제적인 교량 설계 및 유지보수를 위한 새로운 가능성을 열어줍니다.
(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.
연락처 : 02-2026-0442
이메일 : flow3d@stikorea.co.kr
Copyright Information
This content is a summary and analysis based on the paper “Prediction Of Scour Depth Around Bridge Piers Using Adaptive Neuro-Fuzzy Inference Systems (ANFIS)” by “Manousos Valyrakis, Hanqing Zhang”.
이 기술 요약은 S. Howard와 A. Etemad-Shahidi가 작성하여 2014년 5th International Symposium on Hydraulic Structures에 발표한 “Predicting Scour Depth around Non-uniformly Spaced Pile groups” 논문을 기반으로 하며, STI C&D에서 기술 전문가를 위해 분석하고 요약했습니다.
도전 과제: 교량 말뚝 그룹 주변의 세굴 깊이를 예측하는 기존의 경험적 공식은 말뚝이 비균일하게 배열된 경우 정확도가 떨어져, 비경제적이거나 불안전한 설계를 초래할 수 있습니다.
연구 방법: 비균일 간격 말뚝에 대한 실험실 데이터를 사용하여 기존 세굴 예측 공식들의 성능을 평가하고, 그중 가장 정확한 공식을 기반으로 새로운 보정 계수를 제안했습니다.
핵심 돌파구: Ghaemi et al. (2013)의 공식에 새로운 보정 계수를 적용하여 예측 정확도를 획기적으로 개선했으며, 산포 지수(SI)를 43%에서 4.5%로, 편향(DR)을 10% 미만으로 줄였습니다.
핵심 결론: 이제 엔지니어들은 비균일 간격 말뚝 그룹 주변의 세굴 깊이를 더 신뢰성 있고 정확하게 예측할 수 있는 경험적 공식(식 10)을 활용하여 더 안전하고 효율적인 교량 기초 설계를 수행할 수 있습니다.
도전 과제: 이 연구가 CFD 전문가에게 중요한 이유
교량과 같은 수중 구조물의 구조적 안정성을 보장하기 위해서는 말뚝 주변의 세굴(scour) 깊이를 정확하게 예측하는 것이 필수적입니다. 세굴은 물의 흐름으로 인해 구조물 기초 주변의 토사가 침식되는 현상으로, 구조물의 불안정성을 야기할 수 있습니다. 지난 수십 년간 균일한 간격의 말뚝 그룹에 대한 연구는 많이 이루어졌지만, 실제 현장에서 자주 접하는 비균일 간격 말뚝 배열에 대한 예측 공식은 여전히 정확성에 한계가 있었습니다. 기존 공식들은 실제보다 과도하게 보수적인 예측을 하거나, 특정 조건에서는 실제 현상을 제대로 모사하지 못하는 문제를 안고 있었습니다. 이는 불필요한 공사 비용을 증가시키거나, 반대로 구조물의 안전을 위협할 수 있는 중대한 문제입니다. 본 연구는 이러한 기술적 격차를 해소하고, 비균일 간격 말뚝 그룹에 대한 보다 정확한 세굴 깊이 예측 방법을 개발하기 위해 시작되었습니다.
연구 접근법: 방법론 분석
본 연구는 기존에 발표된 Amini et al. (2011)의 실험실 기반 연구 데이터를 활용하여 기존 접근법들의 성능을 검증했습니다. 이 실험 데이터는 2×2 및 3×5 배열의 비균일 간격 말뚝 그룹에 대한 것으로, 46m 길이의 직사각형 수로에서 8시간 동안 실험이 진행되었습니다.
연구진은 다음과 같은 기존의 주요 경험적 공식들을 평가 대상으로 삼았습니다. 1. Richardson and Davis (2001) 공식 2. Ataie-Ashtiani and Beheshti (2006) 공식 3. Ghaemi et al. (2013) 공식
비균일 간격을 공식에 적용하기 위해, 흐름에 평행한 방향과 수직인 방향의 간격을 산술 평균한 값(G₁)과 기하 평균한 값(G₂) 두 가지를 모두 테스트했습니다. 각 공식의 예측 정확도는 RMSE(평균 제곱근 오차), SI(산포 지수), CC(상관 계수), DR(불일치 비율)과 같은 정량적 지표를 사용하여 측정 및 비교되었습니다. 분석 결과, 가장 우수한 성능을 보인 Ghaemi et al. (2013) 공식을 기반으로 비균일 간격의 영향을 더 정확하게 반영하기 위한 새로운 보정 계수를 개발하는 방식으로 연구가 진행되었습니다.
핵심 돌파구: 주요 발견 및 데이터
결과 1: 기존 공식들은 비균일 간격 말뚝 세굴을 심각하게 과대 예측함
기존 공식들을 비균일 간격 말뚝 데이터에 적용한 결과, 예측 정확도가 매우 낮은 것으로 나타났습니다. Table 1의 데이터에 따르면, Richardson and Davis (2001) 공식은 산포 지수(SI)가 256%에 달하고 불일치 비율(DR)이 4.19로, 실제 세굴 깊이보다 평균 4배 이상 과대 예측했습니다. Ataie-Ashtiani and Beheshti (2006) 공식은 이보다 개선되었지만, 여전히 SI가 145%, DR이 2.74로 실제 측정값보다 2배 이상 과대 예측하는 경향을 보였습니다. 이는 기존 공식들이 비균일 간격 배열의 복잡한 수리적 상호작용을 제대로 반영하지 못하며, 지나치게 보수적인 결과를 도출함을 시사합니다.
Figure 1 Example of Dproj at a (4 x 4) uniformly spaced pile group (Richardson and Davis, 2001)
결과 2: 새로운 보정 계수 도입으로 예측 정확도 획기적 향상
여러 공식 중 Ghaemi et al. (2013) 공식이 SI 43%, DR 1.50으로 가장 나은 초기 성능을 보였습니다. 연구진은 이 공식을 기반으로 비균일 간격의 영향을 보정하기 위한 새로운 계수 KG = 0.89G₂⁻⁰.³⁵를 제안했습니다. 이 보정 계수를 적용한 새로운 공식(식 10)은 놀라운 성능 향상을 보였습니다. Table 1에서 수정된 공식(“Ghaemi et al. (2013) using G₂, corrected”)의 정확도 지표를 보면, SI는 4.5%로 대폭 감소했고 DR은 1.09로 1에 매우 근접했습니다. 이는 편향이 거의 없는 매우 정확한 예측이 가능해졌음을 의미합니다. Figure 3의 그래프는 기존 공식(파란색 마름모)의 예측값이 측정값과 큰 차이를 보이는 반면, 수정된 공식(녹색 원)의 예측값은 측정값과 거의 일치하는 대각선에 분포하는 것을 시각적으로 명확히 보여줍니다.
R&D 및 운영을 위한 실질적 시사점
공정 엔지니어 (수리/토목 엔지니어)에게: 본 연구에서 제안된 새로운 공식(식 10)을 사용하면 비균일 간격 말뚝 기초 주변의 세굴 깊이를 훨씬 더 정확하게 예측할 수 있습니다. 이는 구조물의 안정성을 확보하면서도 과설계를 방지하여 경제적인 교량 기초 설계를 가능하게 합니다.
품질 관리 팀 (설계 검토 팀)에게: 논문의 Table 1 데이터는 기존 공식들이 특정 조건에서 얼마나 큰 오차를 발생시킬 수 있는지를 명확히 보여줍니다. 이는 현재 사용 중인 설계 기준을 재검토하고, 본 연구에서 제안된 것과 같이 더 정확한 예측 방법을 도입할 필요성을 시사하는 중요한 근거가 될 수 있습니다.
설계 엔지니어에게: 연구 결과는 흐름 방향과 직각 방향의 말뚝 간격 비균일성이 세굴 깊이에 중대한 영향을 미친다는 것을 보여줍니다. 기하 평균 간격(G₂)을 포함하는 새로운 공식은 복잡한 말뚝 배열 설계 시 더 신뢰할 수 있는 예측 도구를 제공하며, 초기 설계 단계에서부터 안정성을 고려하는 데 유용합니다.
논문 상세 정보
Predicting Scour Depth around Non-uniformly Spaced Pile groups
1. 개요:
제목: Predicting Scour Depth around Non-uniformly Spaced Pile groups
저자: S. Howard, A. Etemad-Shahidi
발행 연도: 2014
발행 학술지/학회: 5th International Symposium on Hydraulic Structures
말뚝 세굴은 지지하는 구조물에 불안정성을 유발할 수 있습니다. 안전하고 경제적으로 건전한 설계를 보장하는 것은 더 넓은 지역 사회에 필수적입니다. 말뚝 그룹에서의 세굴에 대해 많은 실험실 연구가 수행되었지만, 예측 공식에는 여전히 상당한 격차가 있습니다. 이 연구는 비균일 간격의 말뚝 배열에 대한 세굴 공식을 개발하기 위해 수행되었습니다. 이 연구는 문헌에서 발견된 실험실 실험을 기반으로 했습니다. 균일한 간격의 말뚝 그룹에 대한 이전의 경험적 공식들이 먼저 그 성능을 가늠하기 위해 사용되었습니다. 세굴 깊이를 더 정확하게 예측한 공식이 그 후 수정되었습니다. Ghaemi et al. (2013)의 접근 방식은 다른 시도된 경험적 공식들보다 성능이 뛰어났습니다. 이 공식을 사용하여 예측 정확도를 높이기 위한 보정 계수가 제안되었습니다. 간격 대 직경 비율 또한 두 방향의 비균일 간격을 포함하도록 수정되었습니다.
3. 서론:
교량 구조물을 설계할 때, 말뚝 세굴 깊이의 정확한 예측은 엔지니어가 구조적 무결성과 안전한 설계를 보장하는 데 필수적입니다. 흐름, 해저, 말뚝 그룹 간의 상호작용의 복잡성으로 인해 세굴 깊이 예측은 어려운 과제이며, 사용 가능한 경험적 공식은 정확도가 제한적입니다. 현재, 비균일 간격 말뚝 그룹 주변의 흐름에 의한 세굴에 대한 연구는 여전히 제한적입니다. 이 연구의 목적은 (a) 비균일 간격 말뚝 그룹 주변의 흐름에 의한 세굴 깊이를 예측하는 기존 공식의 성능을 평가하고, (b) 위에서 언급한 구성에 대한 세굴 깊이 예측을 위한 새로운 공식을 개발하는 것입니다.
4. 연구 요약:
연구 주제의 배경:
교량 기초로 사용되는 말뚝 그룹 주변의 세굴 현상은 구조물의 안정성에 직접적인 영향을 미치는 중요한 문제입니다. 특히, 말뚝의 간격이 균일하지 않은 경우, 흐름의 복잡성이 증가하여 세굴 깊이를 예측하기가 더욱 어려워집니다.
이전 연구 현황:
Richardson and Davis (2001), Salim and Jones (1998), Ataie-Ashtiani and Beheshti (2006) 등 여러 연구자들이 균일 간격 말뚝 그룹에 대한 세굴 공식을 제안했습니다. 그러나 비균일 간격 말뚝 배열에 대한 연구는 Amini et al. (2011) 이전에는 거의 이루어지지 않았으며, 이를 정확히 예측할 수 있는 검증된 공식이 부족한 실정이었습니다.
연구 목적:
본 연구는 비균일 간격 말뚝 그룹에 적용할 수 있는 정확한 세굴 깊이 예측 공식을 개발하는 것을 목표로 합니다. 이를 위해, 기존 공식들의 성능을 비균일 간격 데이터에 대해 평가하고, 가장 성능이 좋은 공식을 수정하여 새로운 공식을 제안하고자 했습니다.
핵심 연구:
문헌에서 수집한 비균일 간격 말뚝 그룹(2×2, 3×5 배열)의 실험 데이터를 사용하여, 세 가지 주요 경험적 공식의 예측 정확도를 정량적으로 비교 분석했습니다. 분석 결과, Ghaemi et al. (2013)의 공식이 가장 우수한 성능을 보였으며, 연구진은 이 공식에 흐름과 평행 및 수직 방향의 비균일 간격을 모두 고려하는 새로운 보정 계수를 도입하여 예측 정확도를 크게 향상시킨 새로운 공식을 개발했습니다.
5. 연구 방법론
연구 설계:
본 연구는 Amini et al. (2011)이 수행한 실험실 실험 데이터를 기반으로 기존 경험적 공식들의 성능을 평가하고, 이를 바탕으로 새로운 공식을 개발하는 방식으로 설계되었습니다.
Figure 2 Definition sketch for 3 x 4 pile group (Amini et al. 2011)
데이터 수집 및 분석 방법:
데이터는 Amini et al. (2011)의 연구에서 수집되었으며, 이 데이터는 46m 길이의 수로에서 2×2 및 3×5 비균일 간격 말뚝 배열에 대해 8시간 동안 측정된 세굴 깊이 값입니다. 수집된 데이터와 각 공식의 예측값을 비교하기 위해 RMSE, SI, CC, DR과 같은 통계적 정확도 지표를 사용하여 정량적 분석을 수행했습니다.
연구 주제 및 범위:
연구는 정상류(steady flow) 조건 하에서 비응집성 균일 퇴적물로 구성된 하상에 설치된 비균일 간격 말뚝 그룹 주변의 국부 세굴에 초점을 맞춥니다. 말뚝 직경은 0.06m, 수심은 0.24m로 고정되었습니다.
6. 주요 결과:
주요 결과:
Richardson and Davis (2001) 및 Ataie-Ashtiani and Beheshti (2006) 공식은 비균일 간격 말뚝 그룹의 세굴 깊이를 심각하게 과대 예측했습니다 (각각 평균 4배, 2배 이상).
Ghaemi et al. (2013) 공식은 다른 공식들보다 우수한 성능을 보였으나, 여전히 세굴 깊이를 약 50% 과대 예측했습니다.
두 방향의 비균일 간격을 고려한 기하 평균 간격(G₂)을 사용하는 것이 산술 평균(G₁)보다 약간 더 나은 예측 결과를 보였습니다.
Ghaemi et al. (2013) 공식에 KG = 0.89G₂⁻⁰.³⁵라는 새로운 보정 계수를 도입한 결과, 산포 지수(SI)가 4.5%, 불일치 비율(DR)이 1.09로 예측 정확도가 획기적으로 향상되었습니다.
그림 목록:
Figure 1 Example of Dproj at a (4 x 4) uniformly spaced pile group (Richardson and Davis, 2001)
Figure 2 Definition sketch for 3 x 4 pile group (Amini et al. 2011)
Figure 3 Comparison of the measured and predicted scour depths utilising the correction factor for Ghaemi et al. (2013) formula
7. 결론:
본 연구를 통해 기존 경험적 공식에 보정 계수를 도입하여 비균일 간격 말뚝 그룹 주변의 세굴 깊이를 정확하게 예측할 수 있음을 확인했습니다. Ghaemi et al. (2013)의 접근법이 다른 공식들보다 우수했으며, 여기에 두 방향의 비균일 말뚝 간격 효과를 통합하기 위한 보정 계수를 도입했습니다. 그 결과, 엔지니어들이 비균일 간격 말뚝 그룹 주변의 세굴 깊이를 예측하는 데 쉽게 사용할 수 있는 매우 간단하고 정확한 공식이 탄생했습니다.
8. 참고 문헌:
Amini, A., Melville, B. W., Ali, T. M. and Ghazali, A. H. (2011), Clear water local scour around pile groups in shallow-water flow, J. Hydraul. Eng., 138, 177-185
Ataie-Ashtiani, B. and Beheshti, A. A. (2006), Experimental investigation of clear-water local scour at pile groups, J Hydraul. Eng., 132, 1100-1104.
Bayram, A. and Larson, M. (2000), Analysis of scour around a group of vertical piles in the field, J. Waterw. Port Coast. Ocean Eng., 126, 215-220.
Breusers, H. N. C. (1972), Local Scour Near Offshore Structures, Delft Hydraulics Laboratory, The Netherlands, Publication No. 105.
Breusers, H. N. C., Nicollet, G. and Shen, H. W. (1977), Local scour around cylindrical piers, J. Hydraul. Res., 15, 211-252.
Coleman, S. E. (2005), Clear water local scour at complex piers, J. Hydraul. Eng., 131, 330-334
Ettema, R., Melville, B. W. and Barkdoll, B. (1998), Scale effect in pier-scour experiments, J. Hydraul. Eng., 124, 639-642.
Etemad-Shahidi, A. and Bonakdar, L. (2009), Design of Rubble-Mound Breakwaters using M5 Machine Learning Method, Appl. Ocean Res., 31, 197-201
Ghaemi, N., Etemad-Shahidi, A., and Ataie-Ashtiani, B. (2013), Estimation of current-induced pile groups scour using a rule-based method, J. Hydroinform., 15, 516-527.
Hannah, C. R. (1978), Scour at Pile Groups, Research Rep. No. 28-3, Civil Engineering Dept., Univ. of Canterbury, Christchurch, New Zealand.
Kazeminezhad, M.H., Etemad-Shahidi, A. and Yeganeh-Bakhtiary, A. (2010), An alternative approach for investigation of the wave-induced scour around pipelines, J. Hydroinform., 12, 51-65
Khosronejad, A., Montazer, G. A. and Ghodsian, M. (2003), Estimation of scour properties around vertical pile using ANNs, Int. J. Sed. Res., 18, 290-300.
Laursen, E. M. and Toch, A. (1956), Scour Around Bridge Piers and Abutments, Bulletin No. 4, Iowa Highway Research Board, Ames, Iowa.
Melville, B. W. (1997), Pier and abutment scour: Integrated approach, J. Hydraul. Eng., 123, 125-126.
Melville, B. W. and Chiew, Y. M. (1999), Time scare for local scour depth at bridge piers, J. Hydraul. Eng., 125, 59-65.
Melville, B. W. and Coleman, S. E. (2000), Bridge Scour, Water Resources, Colorado, USA.
Melville, B.W and Sutherland, A. J. (1988), Design method for local scour at bridge piers, J. Hydraul. Eng., 114, 1210-1226.
Richardson, E. V. and Davis, S. R. (2001), Evaluating Scour at Bridges, Hydraulic Engineering Circular No. 18 (HEC-18), Rep. No. FHWA NHI 01-001, Federal Highway Administration, Washington DC.
Salim, M. and Jones, J.S. (1998), Scour Around Exposed Pile Foundations, Compilation of Conf. Scour papers (1991-1998), ASCE, Reston, VA.
Sumer, B.M., Bundagaard, K. and Fredsoe, J. (2005), Global and local scour at pile groups, In: Proceedings of the 15th International Offshore and Polar Engineering Conference, Seoul, pp. 577-583.
Zanganeh, M., Mousavi, J. and Etemad-Shahidi, A., (2009), A hybrid genetic algorithm-adaptive network based fuzzy inference system in prediction of wave parameters, Eng. Appl. of Arti. Intel., 22, 1194-1202
전문가 Q&A: 자주 묻는 질문
Q1: 연구에서 G₁ (산술 평균)과 G₂ (기하 평균)라는 두 가지 다른 평균 간격 계산법을 테스트한 이유는 무엇인가요?
A1: 비균일 간격 말뚝 그룹은 흐름에 평행한 간격(Gn)과 수직인 간격(Gm)이 다릅니다. 이 두 가지 다른 간격이 세굴에 미치는 복합적인 영향을 단일 값으로 표현하기 위해 두 가지 방법을 테스트했습니다. G₁은 단순 평균이고, G₂는 두 간격의 제곱합의 제곱근으로, 2차원적 분포를 더 잘 반영할 수 있습니다. 분석 결과 G₂를 사용했을 때 예측 정확도가 약간 더 높았으며, 이는 세굴 현상이 두 방향의 간격에 복합적으로 영향을 받는다는 것을 시사합니다.
Q2: 논문에서 Ghaemi et al. (2013)의 공식 중 식 (4b)만 사용한 이유는 무엇이며, 이것이 시사하는 바는 무엇인가요?
A2: Ghaemi et al. (2013)은 간격 대 직경 비율(G/D)의 범위에 따라 세 가지 다른 공식을 제안했습니다. 본 연구에서 사용된 Amini et al. (2011)의 모든 실험 데이터는 0.8 < G/D < 3.1 범위에 속했습니다. 따라서, 이 범위에 해당하는 식 (4b)만이 분석에 사용되었습니다. 이는 본 연구에서 개발된 보정 계수와 최종 공식이 해당 G/D 범위 내에서 가장 높은 유효성을 가짐을 의미합니다.
Q3: Richardson and Davis (2001) 공식 대신 Ghaemi et al. (2013) 공식을 수정의 기반으로 선택한 이유는 무엇인가요?
A3: Table 1의 초기 성능 평가에서 Ghaemi et al. (2013) 공식이 다른 공식들에 비해 월등히 나은 예측 성능을 보였기 때문입니다. Richardson and Davis 공식은 오차가 4배 이상으로 매우 컸지만, Ghaemi 공식은 1.5배 수준으로 상대적으로 작았습니다. 더 나은 초기 성능을 보이는 공식을 기반으로 수정하는 것이 더 적은 보정으로 더 높은 정확도를 달성할 수 있는 합리적인 접근법입니다.
Q4: Figure 3에서 파란색 마름모(기존 공식)와 녹색 원(수정된 공식)의 차이가 실질적으로 의미하는 바는 무엇인가요?
A4: Figure 3에서 대각선은 예측값과 측정값이 완벽하게 일치하는 이상적인 상태를 나타냅니다. 파란색 마름모는 대각선보다 훨씬 위쪽에 분포하는데, 이는 기존 공식이 실제 세굴 깊이보다 훨씬 깊게 예측(과대 예측)하고 있음을 의미합니다. 반면, 녹색 원은 대각선 주변에 밀집해 있어, 수정된 공식이 실제 세굴 깊이를 매우 정확하게 예측하고 있음을 시각적으로 보여줍니다. 이는 더 안전하고 경제적인 설계로 이어질 수 있는 중요한 개선입니다.
Q5: 새로운 보정 계수가 G₂의 함수로 표현되었습니다. 이 관계의 물리적 의미는 무엇인가요?
A5: 보정 계수 KG가 G₂⁻⁰.³⁵에 비례한다는 것은, 말뚝 간의 평균 간격(G₂)이 넓어질수록 세굴 깊이를 줄이는 효과가 있다는 것을 의미합니다. 이는 간격이 넓어지면 개별 말뚝처럼 거동하여 상호 간섭 효과가 줄어들고, 전체적인 흐름 교란이 감소하기 때문으로 해석할 수 있습니다. G₂를 사용함으로써 흐름 방향과 수직 방향의 간격을 모두 고려하여 이러한 물리적 현상을 더 정확하게 공식에 반영한 것입니다.
Q6: 논문에서는 개발된 공식이 사용된 데이터셋의 범위를 벗어나면 유효하지 않을 수 있다고 언급했습니다. 엔지니어들이 유의해야 할 주요 한계점은 무엇인가요?
A6: 엔지니어들은 이 공식을 적용할 때, 사용된 실험 조건(예: G/D 비율, 수심, 유속, 퇴적물 입자 크기 등)과 유사한 환경인지 확인해야 합니다. 예를 들어, 본 연구는 0.8 < G/D < 3.1 범위의 데이터에 기반하므로, 이 범위를 크게 벗어나는 매우 좁거나 넓은 간격의 말뚝 그룹에는 공식이 유효하지 않을 수 있습니다. 또한, 본 연구는 정상류 조건에서의 맑은 물 세굴(clear-water scour)을 다루었으므로, 부유사가 많은 조건이나 파랑에 의한 세굴에는 다른 접근이 필요할 수 있습니다.
결론: 더 높은 품질과 생산성을 위한 길
비균일 간격 말뚝 세굴 예측의 부정확성은 오랫동안 교량 설계 분야의 난제였습니다. 본 연구는 기존 공식의 한계를 명확히 하고, Ghaemi et al. (2013)의 공식에 간단하면서도 강력한 보정 계수를 도입함으로써 이 문제를 해결할 수 있는 실질적인 돌파구를 제시했습니다. 이 새로운 공식은 엔지니어들에게 비균일 말뚝 배열에 대한 더 신뢰성 있는 예측 도구를 제공하여, 구조물의 안전성을 향상시키고 불필요한 비용을 절감하는 데 기여할 것입니다.
STI C&D는 최신 산업 연구 결과를 적용하여 고객이 더 높은 생산성과 품질을 달성할 수 있도록 최선을 다하고 있습니다. 이 논문에서 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.
연락처 : 02-2026-0442
이메일 : flow3d@stikorea.co.kr
저작권 정보
이 콘텐츠는 “S. Howard, A. Etemad-Shahidi”의 논문 “[Predicting Scour Depth around Non-uniformly Spaced Pile groups]”을 기반으로 한 요약 및 분석 자료입니다.
이 기술 요약은 Cristina Fael, Rui Lança, António Cardoso가 작성하여 2014년 SHF Conference에 발표한 학술 논문 “PIER SHAPE AND ALIGNMENT EFFECTS ON LOCAL SCOUR”를 기반으로 합니다. 기술 전문가를 위해 STI C&D에서 분석하고 요약했습니다.
도전 과제: 교량의 붕괴로 이어질 수 있는 교각 주변의 국부 세굴 깊이를 정확하게 예측하는 것은 교량 공학의 핵심 과제이며, 특히 교각의 형상과 흐름 방향에 대한 정렬 각도의 영향은 충분히 연구되지 않았습니다.
연구 방법: 본 연구에서는 원형, 사각-네모-코, 사각-둥근-코, 타원형, 파일 그룹 등 5가지 다른 교각 형상과 0°, 30°, 45°, 60°, 90°의 정렬 각도(skew-angle)를 적용하여 총 55회의 장기 실험을 수행했습니다.
핵심 발견: 교각 형상 계수(Ks)는 길이-폭 비율(L/Dp)이 1.33에서 4.00 사이일 때 사각-둥근-코와 타원형 교각에서 1.0, 사각-네모-코와 파일 그룹에서 1.2로 나타났습니다. 또한, 기존의 정렬 계수(Kθ) 예측식(Richardson and Davis [2001])은 L/Dp=4.0에서는 정확했지만, L/Dp가 1.33, 2.0인 경우에는 세굴 깊이를 과대평가하는 경향을 보였습니다.
핵심 결론: 교각의 형상과 정렬 각도는 세굴 깊이에 중대한 영향을 미치며, 기존 예측 모델의 한계를 보완하는 정량적 데이터를 제공함으로써 더 안전하고 경제적인 교량 설계에 기여할 수 있습니다.
도전 과제: 왜 이 연구가 CFD 전문가에게 중요한가?
교량 기초 주변에서 발생하는 국부 세굴은 교량 붕괴의 주요 원인 중 하나입니다. 따라서 평형 세굴 깊이를 정확하게 예측하는 것은 교량 공학에서 매우 중요한 문제입니다. 세굴 깊이는 유속, 수심, 입자 크기 등 다양한 요인에 의해 결정되지만, 교각의 수평 단면 형상과 흐름에 대한 정렬 각도 역시 중요한 변수입니다.
지금까지 교각 형상과 정렬의 영향에 대한 연구는 소수에 불과했으며, Laursen과 Toch [1956]의 연구가 가장 널리 알려져 있습니다. 그러나 다양한 형상과 정렬 각도에 대한 체계적이고 정량적인 데이터는 여전히 부족한 실정입니다. 이는 엔지니어들이 세굴 깊이를 예측할 때 불확실성을 안고 설계를 진행하게 만들어, 과도하게 보수적인 설계를 하거나 반대로 구조적 안정성을 위협할 수 있는 문제를 야기합니다. 본 연구는 이러한 지식의 공백을 메우고, 보다 정밀한 세굴 예측 모델 개발의 필요성을 제기합니다.
연구 접근법: 방법론 분석
본 연구는 베이라 인테리어 대학교(Universidade da Beira Interior)의 길이 28.00m, 폭 2.00m, 깊이 1.00m의 수로에서 총 55회의 실험을 수행했습니다. 실험 조건은 퇴적물 이동이 시작되는 임계 유속에 가까운 정상류(steady, clear-water flow) 상태로 유지되었습니다.
실험 변수:
교각 형상 (Pier Shape): 원형(Circular), 사각-네모-코(Rectangular square-nose), 사각-둥근-코(Rectangular round-nose), 타원형(Oblong), 파일 그룹(Pile-group)의 5가지 형태가 사용되었습니다.
교각 크기 (Pier Width/Diameter, Dp): 50mm, 100mm, 150mm, 200mm 등 다양한 크기가 적용되었습니다.
정렬 각도 (Skew-angle, θ): 0°, 30°, 45°, 60°, 90°의 각도로 교각을 설치하여 흐름 방향과의 정렬 효과를 분석했습니다.
데이터 수집: 세굴 깊이는 실험 시작 후 첫 1시간 동안은 약 5분 간격으로 측정되었으며, 이후에는 매일 몇 차례씩 측정되었습니다. Simarro et al. [2011]의 연구에 따라 실험은 7일 후에 중단되었으며, 평형 세굴 깊이(dse)는 측정된 데이터를 무한 시간으로 외삽하여 추정했습니다.
이러한 체계적인 실험 설계를 통해 교각의 형상과 정렬 각도가 세굴 깊이에 미치는 영향을 독립적으로 평가하고 정량화할 수 있었습니다.
핵심 발견: 주요 결과 및 데이터
본 연구는 교각 형상 계수(Ks)와 정렬 계수(Kθ)에 대한 중요한 발견을 제시했습니다.
발견 1: 교각 형상 계수(Ks)는 특정 L/Dp 비율 이상에서 안정적인 값을 보임
교각 형상 계수(Ks)는 특정 형상을 가진 교각의 세굴 깊이와 표준 형상(본 연구에서는 원형 교각)의 세굴 깊이의 비율로 정의됩니다. Figure 1에서 볼 수 있듯이, 교각의 길이 대 폭 비율(L/Dp)이 1.33에서 4.00 사이일 때 Ks 값은 L/Dp에 거의 영향을 받지 않았습니다. – 사각-둥근-코(Rectangular round-nose) 및 타원형(Oblong) 교각: Ks ≈ 1.0으로, 표준 원형 교각과 유사한 세굴 깊이를 보였습니다. – 사각-네모-코(Rectangular square-nose) 및 파일 그룹(Pile-group) 교각: Ks ≈ 1.2로, 원형 교각보다 약 20% 더 깊은 세굴을 유발했습니다. 이는 날카로운 모서리가 흐름의 박리를 심화시켜 더 강한 와류를 생성하기 때문으로 분석됩니다.
Figure 1: Shape factor, Ks
발견 2: 기존 정렬 계수(Kθ) 예측 모델의 한계 확인
교각 정렬 계수(Kθ)는 특정 각도로 기울어진 교각의 세굴 깊이와 정방향(0°)으로 정렬된 동일 교각의 세굴 깊이의 비율입니다. Figure 2는 본 연구의 실험 결과와 Richardson and Davis [2001]가 제안한 예측 모델을 비교합니다. – L/Dp = 4.0: 예측 모델은 실험 결과와 매우 잘 일치하여 높은 정확도를 보였습니다. – L/Dp = 1.33 및 2.0: 예측 모델은 실험에서 측정된 Kθ 값을 과대평가하는 경향을 뚜렷하게 보였습니다. 이는 상대적으로 짧은 교각(L/Dp가 작은 경우)에서는 정렬 각도 증가에 따른 세굴 심화 효과가 기존 모델이 예측하는 것보다 작다는 것을 의미합니다. 이 결과는 실제 교량 설계 시, 특히 짧은 교각에 대해 기존 공식을 그대로 적용할 경우 과도하게 보수적인 설계가 될 수 있음을 시사합니다.
Figure 2: Alignment factor, Kθ
R&D 및 운영을 위한 실질적 시사점
설계 엔지니어: 본 연구 결과는 교각 설계 시 세굴을 최소화하기 위한 구체적인 가이드라인을 제공합니다. 예를 들어, 동일한 폭이라면 사각-네모-코(Ks=1.2)보다 사각-둥근-코(Ks=1.0) 형상을 채택하는 것이 세굴 깊이를 줄이는 데 유리합니다. 또한, L/Dp 비율이 작은 교각의 경우 기존의 정렬 계수 공식을 재검토하거나 보다 정밀한 CFD 해석을 통해 세굴 깊이를 예측해야 합니다.
수리 및 CFD 분석가: Richardson and Davis [2001]의 정렬 계수 예측식이 특정 조건(낮은 L/Dp)에서 세굴을 과대평가한다는 점은 중요한 시사점입니다. 이는 CFD 시뮬레이션을 통해 세굴을 예측할 때, 검증된 물리 모델을 사용하더라도 특정 형상 및 조건에 대한 실험 데이터와의 비교 검증(validation)이 필수적임을 강조합니다.
품질 관리 및 인프라 유지보수팀: 이 연구는 교량의 장기적인 안정성을 평가하는 데 중요한 기준을 제공합니다. 특히 정렬 각도가 큰 교각이나 사각-네모-코 형태의 기존 교량은 세굴에 더 취약할 수 있으므로, 정기적인 수심 측량 및 모니터링의 우선순위를 정하는 데 이 데이터를 활용할 수 있습니다.
논문 정보
PIER SHAPE AND ALIGNMENT EFFECTS ON LOCAL SCOUR
1. 개요:
제목: PIER SHAPE AND ALIGNMENT EFFECTS ON LOCAL SCOUR (교각 형상 및 정렬이 국부 세굴에 미치는 영향)
저자: Cristina Fael, Rui Lança, António Cardoso
발표 연도: 2014
발표 학회: SHF Conference: «Small scale morphological evolution Of costal, estuarine and river systems_Nantes 6 & 7 october 2014
교량 교각은 다양한 수평 형상을 가질 수 있으며 흐름 방향에 대해 다른 정렬 각도로 건설될 수 있습니다. 교각 형상과 정렬의 효과는 소수의 연구자들에 의해서만 연구되었으며, 그중 가장 잘 알려진 것은 Laursen과 Toch [1956]입니다. 본 연구에서는 퇴적물 이동 시작 임계값에 가까운 정상 상태의 맑은 물 흐름 조건에서 55회의 장기 실험실 테스트를 수행하여 형상과 경사각이 평형 세굴 깊이에 미치는 영향을 다루었습니다. 원형, 사각-네모-코, 사각-둥근-코, 타원형 및 파일 그룹의 다섯 가지 다른 교각 형상이 고려되었으며, 테스트된 경사각은 0, 30, 45, 60, 90°였습니다. 경사진 교각의 형상 효과와 Richardson and Davis [2001]가 제안한 교각 정렬 계수를 설명하는 방정식의 성능에 대해 관련 있는 기여가 이루어졌습니다.
3. 서론:
교량 기초에서의 국부 세굴은 교량 붕괴의 일반적인 원인이며, 평형 세굴 깊이의 예측은 교량 공학에서 주요 관심사입니다. 균일한 교각 주변의 세굴 깊이(ds)는 수심(d), 에너지 선의 기울기(S), 중력 가속도(g), 유체 밀도(ρ), 동점성 계수(v), 중앙 입자 크기(D50), 입도 분포 계수(σg), 퇴적물 밀도(ρs), 교각 폭(Dp), 수평 단면의 정렬 및 형상, 수로 폭(B), 하상 경사(S0), 단면 형상, 시간(t)에 따라 달라집니다. 교각 정렬과 형상은 각각 계수 Kθ와 Ks로 설명될 수 있습니다. 본 실험 연구의 목적은 교각 형상과 정렬이 국부 세굴에 미치는 영향을 재검토하는 것입니다.
4. 연구 요약:
연구 주제의 배경:
교량의 안전성은 기초의 안정성에 크게 좌우되며, 국부 세굴은 이 안정성을 위협하는 가장 큰 요인 중 하나입니다.
이전 연구 현황:
Laursen과 Toch [1956] 등 소수의 연구가 있었으나, 다양한 교각 형상과 정렬 각도에 대한 포괄적이고 체계적인 데이터는 부족한 상황입니다.
연구 목적:
본 연구는 5가지 교각 형상과 5가지 정렬 각도에 대한 55회의 장기 수리 실험을 통해 교각의 형상과 정렬이 평형 세굴 깊이에 미치는 영향을 정량적으로 분석하고, 기존 예측 모델의 성능을 평가하는 것을 목적으로 합니다.
핵심 연구:
실험을 통해 얻은 데이터를 바탕으로 교각 형상 계수(Ks)와 정렬 계수(Kθ)를 도출하고, 이 값들이 교각의 기하학적 특성(특히 L/Dp 비율)에 따라 어떻게 변하는지 분석했습니다.
5. 연구 방법론
연구 설계:
대형 수로(flume)에서 통제된 수리 조건 하에 다양한 형상, 크기, 정렬 각도를 가진 교각 모델을 설치하여 장기간에 걸쳐 세굴 깊이 변화를 측정하는 실험적 연구 설계를 채택했습니다.
데이터 수집 및 분석 방법:
세굴 깊이를 주기적으로 측정하고, 7일간의 실험 데이터를 기반으로 무한 시간으로 외삽하여 평형 세굴 깊이(dse)를 추정했습니다. 이 값을 이용하여 형상 계수(Ks)와 정렬 계수(Kθ)를 계산하고, 기존 예측 모델과 비교 분석했습니다.
연구 주제 및 범위:
연구는 맑은 물 조건(clear-water scour)에서의 국부 세굴에 초점을 맞추었으며, 5가지 교각 형상(원형, 사각-네모-코, 사각-둥근-코, 타원형, 파일 그룹)과 5가지 정렬 각도(0°, 30°, 45°, 60°, 90°)를 주요 변수로 다루었습니다.
6. 주요 결과:
주요 결과:
형상 계수(Ks)는 L/Dp > 1.33 조건에서 사각-둥근-코 및 타원형 교각의 경우 1.0, 사각-네모-코 및 파일 그룹 교각의 경우 1.2로 나타났습니다.
Richardson and Davis [2001]가 제안한 정렬 계수(Kθ) 예측식은 L/Dp = 4.0에서는 정확했지만, L/Dp = [1.33, 2.0]에서는 세굴 깊이를 과대평가하는 경향을 보였습니다.
그림 목록:
Figure 1: Shape factor, Ks
Figure 2: Alignment factor, Ko
7. 결론:
본 연구는 교각 형상과 정렬이 평형 세굴 깊이에 미치는 영향을 재검토했습니다. 분석 결과, 형상 계수(Ks)는 사각-둥근-코 및 타원형 단면 교각의 경우 1.0, 사각-네모-코 및 파일 그룹 단면 교각의 경우 1.2로 취할 수 있음을 확인했습니다. 또한, Richardson and Davis [2001]가 제안한 정렬 계수(Kθ) 예측식은 L/Dp = 4.0에서는 정확하지만, L/Dp = [1.33, 2.0]에서는 Kθ를 과대평가하는 경향이 있음을 발견했습니다.
8. 참고 문헌:
Lança, R. (2013). Clear-water scour at single piers and pile groups. PhD thesis. University of Beira Interior.
Lança, R., Fael, C., Cardoso, A. (2010). – Assessing equilibrium Clearwater scour around single cylindrical piers. River Flow 2010, 1207–1213.
Lança, R., Fael,C., Maia, R., Pêgo, J., Cardoso, A. (2013a). – Clear-Water Scour at Pile Groups. J. Hydraul. Eng., 139(10), 1089–1098.
Lança, R., Fael, C., Maia, R., Pêgo, J., Cardoso, A. (2013b). – Clear-Water Scour at Comparatively Large Cylindrical Piers. J. Hydraul. Eng., 139(11), 1117–1125.
Laursen, E. M., Toch, A. (1956). – Scour around bridge piers and abutments. Bulletin No.4, Iowa Highways Research Board.
Lee, S., Sturm, T. (2009). – Effect of Sediment Size Scaling on Physical Modeling of Bridge Pier Scour. J. Hydraul. Eng., 135(10), 793–802.
Richardson, E. V., Davis, S. R. (2001). – Evaluating scour at bridges. Federal Highway Administration.
Sheppard, D. M., Odeh, M., Glasser, T. (2004). – Large scale Clearwater local pier scour experiments. J. Hydraul. Eng., 130(10), 957–963.
Simarro, G., Fael, C., Cardoso, A. H. (2011). – Estimating equilibrium scour depth at cylindrical piers in experimental studies. J. Hydraul. Eng., 137(9), 1089–1093.
전문가 Q&A: 자주 묻는 질문
Q1: 왜 원형 교각을 형상 계수(Ks) 계산의 기준(standard-shape)으로 삼았나요?
A1: 논문에서 명시적으로 언급하지는 않았지만, 수리학 및 교량 공학 분야에서 원형 교각은 가장 기본적인 형태로 간주되며 세굴에 대한 연구가 가장 많이 이루어졌기 때문입니다. 이를 기준으로 삼으면 다른 복잡한 형상의 교각이 세굴에 미치는 영향을 정량적으로 비교하고 표준화된 계수(Ks)로 표현하기 용이합니다.
Q2: 실험이 7일 만에 종료되어 평형 상태에 도달하지 못했다고 했는데, 평형 세굴 깊이(dse)는 어떻게 결정했나요?
A2: 논문에 따르면, 7일간 측정된 세굴 깊이 기록을 Lança et al. [2010]이 제안한 방법에 따라 무한 시간으로 외삽(extrapolated to infinite time)하여 평형 세굴 깊이(dse)를 추정했습니다. 이는 실험 시간을 무한정 늘릴 수 없는 현실적인 제약을 극복하고 장기적인 세굴 깊이를 예측하기 위한 공학적인 접근법입니다.
Q3: 형상 계수(Ks)에 대한 교각의 길이 대 폭 비율(L/Dp)의 영향에 대한 핵심적인 발견은 무엇이었나요?
A3: Figure 1에서 볼 수 있듯이, L/Dp 비율이 1.33에서 4.00 사이의 범위에서는 Ks 값에 대한 L/Dp의 영향이 미미하거나 거의 없었습니다. 이는 해당 범위 내에서는 교각의 길이보다는 단면의 형상(예: 모서리의 둥글기)이 세굴 깊이를 결정하는 더 지배적인 요소임을 의미합니다.
Q4: 기존의 Richardson and Davis [2001] 모델은 정렬 계수(Kθ) 예측에서 어떤 성능을 보였나요?
A4: Figure 2에 따르면, 이 모델은 L/Dp = 4.0인 상대적으로 긴 교각에 대해서는 실험 결과와 잘 일치하여 정확한 예측 성능을 보였습니다. 하지만 L/Dp가 1.33과 2.0으로 작은, 상대적으로 짧은 교각에 대해서는 실험으로 측정된 Kθ 값보다 더 큰 값을 예측하여 세굴 위험을 과대평가하는 경향이 있었습니다.
Q5: 본 연구에서 테스트한 5가지 교각 형상은 구체적으로 무엇이었나요?
A5: 초록(ABSTRACT)과 실험 설정(EXPERIMENTAL SETUP AND PROCEDURE) 부분에 명시된 바와 같이, 원형(circular), 사각-네모-코(rectangular square-nose), 사각-둥근-코(rectangular round-nose), 타원형(oblong), 그리고 파일 그룹(piles group)의 다섯 가지 형상이었습니다.
결론: 더 높은 품질과 생산성을 위한 길
본 연구는 교량 교각 세굴 깊이가 교각의 형상과 흐름에 대한 정렬 각도에 의해 어떻게 달라지는지에 대한 명확하고 정량적인 증거를 제시합니다. 특히, 기존 예측 모델이 특정 조건에서 부정확할 수 있음을 실험적으로 입증함으로써, 보다 정밀한 설계와 해석의 필요성을 강조합니다. 이러한 연구 결과는 고도의 정확성이 요구되는 인프라 프로젝트에서 신뢰성 높은 CFD 시뮬레이션이 왜 필수적인지를 보여줍니다.
STI C&D는 최신 산업 연구 결과를 적용하여 고객이 더 높은 생산성과 품질을 달성할 수 있도록 지원하는 데 전념하고 있습니다. 이 논문에서 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.
연락처 : 02-2026-0442
이메일 : flow3d@stikorea.co.kr
저작권 정보
이 콘텐츠는 “Cristina Fael, Rui Lança, António Cardoso”의 논문 “PIER SHAPE AND ALIGNMENT EFFECTS ON LOCAL SCOUR”를 기반으로 한 요약 및 분석 자료입니다.
이 기술 요약은 Hsiao-Wen, Wang 외 저자가 2014년 Journal of Chinese Soil and Water Conservation에 발표한 논문 “NETSTARS Improvement with Pier Scouring – A Case Study of Pa-Chang River”를 기반으로 하며, STI C&D의 기술 전문가에 의해 분석 및 요약되었습니다.
The Challenge: 교량 붕괴의 주요 원인인 교각 세굴은 복잡한 3차원 유동 현상으로, 기존 1차원/준 2차원 수치 모델로 정확하게 예측하기 어려웠습니다.
The Method: 기존 하천 시뮬레이션 모델인 NETSTARS V3.0에 18개의 저명한 교각 세굴 공식을 통합하고 새로운 국부 세굴 계산 모듈을 추가하여 모델의 기능을 향상시켰습니다.
The Key Breakthrough: 다중 요인 오차 평가 매개변수(Ev_sediment)로 보정된 개선 모델은 대만 파장강(Pa-Chang River)의 일반 세굴과 국부 세굴을 정확하게 시뮬레이션했으며, 이 사례에 가장 적합한 공식으로 Jain & Fischer(1980) 공식을 식별했습니다.
The Bottom Line: 본 연구는 교량 교각 세굴의 장기 예측을 위한 검증된 수치 해석 도구를 제공함으로써, 선제적인 유지보수를 가능하게 하고 교량 안전 관리를 획기적으로 개선합니다.
The Challenge: Why This Research Matters for CFD Professionals
교량은 현대 사회의 필수 기반 시설이지만, 그 안전은 끊임없이 자연의 도전에 직면합니다. 특히 교량의 기초를 지지하는 교각 주변에서 발생하는 ‘세굴(Scouring)’ 현상은 교량 붕괴의 가장 큰 원인 중 하나입니다. 교각은 하천의 물 흐름을 방해하여 교각 전면부에서 말굽형 와류(horseshoe vortex)와 같은 복잡한 3차원 유동을 발생시킵니다. 이 강력한 와류는 교각 주변의 하상 토사를 침식시켜 기초를 노출시키고, 결국 교량 전체의 구조적 안정성을 위협합니다.
이러한 세굴 현상을 예측하고 대비하는 것은 매우 중요하지만, 전통적인 수리 모형 실험은 비용이 많이 들고 특정 조건에서만 유효하여 재사용이 어렵다는 한계가 있습니다. 수치 모델링, 특히 CFD는 경제적이고 효율적인 대안을 제시하지만, 복잡한 하상 변동과 국부적인 세굴 현상을 정확하게 모사하는 데에는 기술적인 어려움이 있었습니다. 따라서 신뢰성 높은 장기 예측이 가능한 고정밀 교각 세굴 시뮬레이션 기술의 개발은 교량 안전을 확보하기 위한 핵심 과제입니다.
The Approach: Unpacking the Methodology
본 연구는 기존의 준 2차원 하천 네트워크 모델인 NETSTARS V3.0에 교각 세굴 해석 기능을 통합하여 그 예측 정확도를 높이는 것을 목표로 했습니다.
연구 지역: 대만의 파장강(Pa-Chang River) 유역 중 후생교(Housheng Bridge)에서 촉구교(Chukou Bridge)에 이르는 약 48.4km 구간으로, 총 19개의 교량이 위치한 지역을 대상으로 했습니다.
모델 개선: 기존 NETSTARS 모델에 Laursen, Shen, Jain & Fischer 등 학계에서 널리 사용되는 18개의 교각 국부 세굴 공식을 선택적으로 적용할 수 있는 새로운 모듈을 개발 및 통합했습니다.
검증 프로세스: 시뮬레이션의 정확도를 확보하기 위해 2단계 검증 절차를 수행했습니다.
일반 세굴 검증: 먼저 교각의 국부적인 영향을 제외하고 하천 전체의 일반적인 하상 변동을 시뮬레이션했습니다. 이때 실제 측정된 하상 데이터와 비교하여 유입 유사량(ratep), 유사 이송 공식(ised), 세굴 가능 깊이(alt) 등 주요 매개변수를 최적화했습니다.
국부 세굴 검증: 최적화된 일반 세굴 조건 하에서, 18개의 국부 세굴 공식을 각각 적용하여 시뮬레이션을 수행하고 실제 데이터와 비교하여 가장 정확한 공식을 선정했습니다.
핵심 평가 지표: 단순한 평균 제곱근 오차(RMSE) 대신, 오차 평가 매개변수(Ev_sediment)라는 독자적인 지표를 사용했습니다. 이 지표는 RMSE뿐만 아니라, 하상 변동의 진폭(Amplitude ratio)과 경향성(Fitted ratio)까지 종합적으로 평가하여, 복잡한 하천의 동적 변화를 훨씬 더 정확하게 보정할 수 있도록 했습니다.
The Breakthrough: Key Findings & Data
본 연구는 개선된 시뮬레이션 방법론을 통해 교각 세굴 예측의 정확도를 한 단계 끌어올리는 중요한 성과를 달성했습니다.
Finding 1: 하상 변동 시뮬레이션을 위한 더욱 강건한 보정 기법
기존의 RMSE만을 이용한 보정 방식은 하상 변동이 복잡한 실제 하천에서 최적의 해를 찾는 데 한계가 있었습니다. 논문에서 제안한 Ev_sediment 매개변수는 변동의 크기와 경향성을 모두 고려함으로써 실제 현상과의 적합도를 크게 높였습니다. 그림 14에서 볼 수 있듯이, Ev_sediment를 사용했을 때의 결과(파란색 선)가 RMSE만을 사용했을 때(주황색 선)보다 실제 측정값(회색 선)의 변동 경향을 훨씬 더 잘 모사하는 것을 확인할 수 있습니다. 이를 통해 일반 세굴에 대한 최적 매개변수로 유입 유사량 비율(ratep)=0.001, 유사 이송 공식=Ackers & White(ised=2), 세굴 가능 깊이 매개변수(alt)=1.0, 유관(stream tube) 개수=3을 도출했습니다.
Finding 2: 파장강에 가장 정확한 교각 세굴 공식 식별
일반 세굴 보정이 완료된 후, 18개의 국부 세굴 공식을 테스트한 결과, Jain & Fischer(1980) 공식(ibrino=9)이 가장 낮은 오차 값을 보여 최적의 공식으로 선정되었습니다. 표 3에 따르면, Jain & Fischer 공식의 Ev_sediment 값은 2.49로, 일반 세굴만 고려했을 때의 오차 값(2.552)보다도 낮아져 모델의 예측력이 향상되었음을 입증했습니다. 이는 모델이 특정 하천 환경에 가장 적합한 물리 기반 공식을 선별해내는 강력한 능력을 갖추고 있음을 보여줍니다. 또한, 대만 교통부에서 권장하는 6개 공식 모두 상위권에 위치하여 모델의 신뢰성을 뒷받침했습니다.
Practical Implications for R&D and Operations
토목/수리 엔지니어: 본 연구는 Ackers & White와 같은 유사 이송 공식의 선택과 유입 유사량(ratep)의 정밀한 보정이 장기적인 하상 예측에 얼마나 중요한지를 보여줍니다. 이는 하천 정비 계획 및 설계의 정확도를 높이는 데 기여할 수 있습니다.
교량 유지보수 및 안전 관리팀:그림 17과 18에 제시된 10년 장기 예측 결과는 과수교, 영흠1호교 등 세굴 위험이 높은 특정 교량을 명확히 지목합니다. 이 데이터는 한정된 예산 내에서 검사와 보강이 시급한 교량의 우선순위를 정하는 정량적인 근거를 제공하여, 선제적인 안전 관리를 가능하게 합니다.
교량 설계 엔지니어: 이 시뮬레이션 프레임워크는 “What-if” 시나리오 분석에 활용될 수 있습니다. 설계 초기 단계에서 다양한 교각의 형상, 크기, 배치에 따른 장기적인 세굴 가능성을 미리 평가함으로써, 자연재해에 더욱 강한 복원력 있는 교량을 설계하는 데 기여할 수 있습니다.
Paper Details
NETSTARS 模式加入橋墩沖刷功能之研究——以八掌溪為例 (NETSTARS Improvement with Pier Scouring – A Case Study of Pa-Chang River)
1. Overview:
Title: NETSTARS 模式加入橋墩沖刷功能之研究——以八掌溪為例 (NETSTARS Improvement with Pier Scouring – A Case Study of Pa-Chang River)
This study applies NETSTARS V3.0 by adding the calculation functions of eighteen pier scour formulas based on a comprehensive literature review to demonstrate local scour mechanisms. The study area is a reach of the Pachang Creek from the Housheng Bridge to the Chukou Bridge. We do not set the structures and weirs in the river to be scoured. Simulations are conducted by setting boundary conditions and importing information about nineteen bridges, and validations are separated into two steps as: general scouring and bridge local scouring. The best parameters are qualified by computing error evaluated parameter to fit the changing tendencies of the Pachang Creek. Finally, long-term riverbed evolution is simulated. The results show that there are 5 bridges with erosion trends. The results can be used as a reference for one-dimensional numerical models with pier scouring functions.
3. Introduction:
하천은 인류에게 중요한 수자원이지만 활동 공간을 단절시키는 장애물이기도 합니다. 인간은 하천 양안을 연결하기 위해 교량과 같은 구조물을 건설합니다. 그러나 이러한 구조물, 특히 교각은 물의 흐름을 방해하여 국부적인 하상 변동을 야기하며, 심각할 경우 교각 기초가 침식되어 교량이 붕괴될 수 있습니다. 교각 주변의 세굴 메커니즘은 복잡한 3차원 문제이므로 순수 이론적 접근이나 번거로운 수리 모형 실험만으로는 한계가 있습니다. 따라서 수치 모델링은 하상 변동 경향을 이해하는 경제적이고 효율적인 분석 방법입니다.
Fig.1 Schematic for general erosion, beam contraction scouring, and local scour
4. Summary of the study:
Background of the research topic:
교각 주변의 국부 세굴은 교량의 안전을 위협하는 주요 요인입니다. 대만과 같이 하천 경사가 급하고 강우가 집중되는 지역에서는 그 위험이 더욱 큽니다. 정확한 세굴 예측은 교량의 설계, 유지보수, 안전 관리에 필수적입니다.
Status of previous research:
이전 연구들은 주로 실험실 규모의 수리 모형 실험이나 개별적인 수치 모델을 통해 세굴 현상을 분석했습니다. HEC-6, MIKE11 등 다양한 1차원 및 준 2차원 모델이 개발되었으나, 실제 하천의 복잡한 조건과 교각의 국부적인 영향을 동시에 정확하게 모사하는 데에는 한계가 있었습니다.
Purpose of the study:
본 연구의 목적은 기존의 하천 네트워크 시뮬레이션 모델인 NETSTARS V3.0에 교각 세굴 해석 기능을 추가하고, 실제 하천(파장강) 데이터를 이용해 모델을 검증하며, 이를 통해 장기적인 하상 변동 및 교각 세굴 위험도를 예측하는 신뢰성 있는 도구를 개발하는 것입니다.
Core study:
NETSTARS 모델에 18개의 교각 국부 세굴 공식을 통합하고 계산 모듈을 개발.
새로운 오차 평가 매개변수(Ev_sediment)를 이용해 일반 세굴 및 국부 세굴 매개변수를 단계적으로 보정.
파장강 유역에 가장 적합한 교각 세굴 공식을 평가 및 선정.
검증된 모델을 사용하여 향후 10년간의 장기 하상 변동을 예측하고 세굴 위험이 있는 교량을 식별.
5. Research Methodology
Research Design:
본 연구는 실제 하천 유역을 대상으로 한 수치 시뮬레이션 기반의 사례 연구입니다. NETSTARS V3.0 모델을 개선하고, 2005년부터 2010년까지의 실제 수리 및 지형 데이터를 사용하여 모델을 보정 및 검증했습니다.
Fig.3 Location elevation of hydrological station in this study area (WRA geographic information storage center)
Data Collection and Analysis Methods:
데이터 수집: 파장강 유역의 134개 단면 측량 자료, 하상토 입경 분포, 상·하류 경계 조건(유량 및 수위 시계열 데이터), 19개 교량 및 기타 구조물(보, 댐)의 제원 등 광범위한 현장 데이터를 수집했습니다.
분석 방법: 2단계 보정 절차를 통해 모델의 매개변수를 최적화했습니다. 1단계에서는 일반 세굴을, 2단계에서는 국부 세굴을 보정했습니다. 각 단계에서 오차 평가 매개변수(Ev_sediment)를 최소화하는 매개변수 조합을 찾는 방식으로 분석을 수행했습니다.
Research Topics and Scope:
연구 주제: NETSTARS 모델의 교각 세굴 기능 추가 및 검증.
공간적 범위: 대만 파장강 유역 48.4km 구간 (후생교 ~ 촉구교).
시간적 범위: 모델 보정은 2006년~2010년 데이터를 사용했으며, 장기 예측은 향후 10년을 대상으로 했습니다.
6. Key Results:
Key Results:
하상 변동 보정 시, RMSE, 진폭 오차, 경향성 오차를 모두 고려한 오차 평가 매개변수(Ev_sediment)가 RMSE만 사용하는 것보다 우수한 결과를 보였습니다.
파장강 유역의 일반 세굴 시뮬레이션을 위한 최적 매개변수는 유입 유사량 비율(ratep)=0.001, 유사 이송 공식=Ackers & White(ised=2), 세굴 가능 깊이 매개변수(alt)=1.0, 유관 개수=3으로 결정되었습니다.
18개의 교각 국부 세굴 공식 중 Jain & Fischer(1980) 공식이 가장 높은 정확도를 보였으며, 이는 대만 교통부의 권장 공식들과도 일치하는 경향을 보였습니다.
향후 10년 장기 예측 결과, 과수교, 영흠1호교, 오봉교, 오호료교, 촉구교 등 5개 교량에서 뚜렷한 세굴 경향이 나타나 잠재적 위험이 있는 것으로 분석되었습니다.
Figure List:
Fig.1 Schematic for general erosion, beam contraction scouring, and local scour
Fig.2 Schematic for cylindrical water flow conditions around the pier
Fig.3 Location elevation of hydrological station in this study area (WRA geographic information storage center)
Fig.4 Sediment transport model construction and execution flow chart
Fig.5 Local scour mechanisms near the pier
Fig.6 Comparison of water stage values at Junhui station from 2008/09 to 2010/09
Fig.7 Comparison of discharges at Housheng bridge from 2008/09 to 2010/09
Fig.8 Simulated scour-deposition changes of the riverbed (different amount of upstream incoming sands)
Fig.9 Simulated scour-deposition changes of the riverbed (different sediment formulas)
Fig.10 Simulated scour-deposition changes of the riverbed (different Alt parameter)
Fig.11 Simulated scour-deposition changes of the riverbed (different stream tube number)
Fig.12 Simulated scour-deposition changes of the riverbed (different duration time for bridge scour formula)
Fig.13 Simulated scour-deposition changes of the riverbed (different bridge scour formula)
Fig.14 Comparison of error evaluation parameter and RMSE methods
Fig.15 Cross-section (No.65) changes of the south-north direction’s railway bridge
Fig.16 Cross-section (No.79-1) changes of Yungchin No1.bridge
Fig.17 Riverbed elevation changes from Housheng Bridge to Chungyi Bridge in the decade(erosion and deposition trends)
Fig.18 Riverbed elevation changes from Jenyi Bridge to Chukou Bridge in the decade(erosion and deposition trends)
7. Conclusion:
본 연구는 NETSTARS V3.0 모델에 18개의 교각 세굴 공식을 성공적으로 통합하고, 실제 하천 데이터를 통해 그 유효성을 검증했습니다. 오차 평가 매개변수(Ev_sediment)를 이용한 체계적인 보정 절차는 기존 방식보다 월등한 결과를 보였으며, 이를 통해 파장강 유역에 가장 적합한 매개변수와 세굴 공식을 도출했습니다. 향후 10년 장기 예측을 통해 5개 교량의 잠재적 세굴 위험을 식별하였으며, 이 결과는 교량 관리 기관이 선제적인 유지보수 계획을 수립하는 데 중요한 참고 자료로 활용될 수 있습니다.
8. References:
[1] Lee, H.Y., Yang, J.C., Yeh, K.C., Yang C.T., and Hsieh, H.M. (1996). “Development of braided river sedimentation model,” Sinotech Engineering Consultants Social Project Research Report SEC/R-HY-96-07. (in Chinese)
[2] Lin, J.H. (1993). Research on Local Scour around Cylindrical Piers, Master thesis, Feng Chia University, Institute of Civil and Hydraulic Engineering, Taiwan, ROC. (in Chinese)
[3] Ciou, Y.F. et al. (2011). Establishment research of river water level and scour estimation model, Transportation Research Institute. (in Chinese)
[4] Ciou, Y.F. et al. (2011). Establishment research of bridge scouring model, Transportation Research Institute. (in Chinese)
[5] Chen, Y.J. (2008). The Effect of Flow Depth on Local Scour around Non-uniform Circular Piers under Steady Flows, Master Thesis, Feng Chia University, Taiwan, ROC. (in Chinese)
[6] Water Resources Agency (2006), “Research and analysis report of river managementproject for Pachang Creek Renyitan (Weir) downstream scouring reach,” Water Resources Planning Institute, Water Resources Agency. (in Chinese)
[7] Tsai, C.T., et al. (1993), Analysis for river sediment transport in Taiwan (III), The Water Resources Research Report. (in Chinese)
[8] Hsieh, H.M. (1996). On A Quasi-Two-Dimensional Simulation of Scour and Deposition in Alluvial River Network, PhD Thesis, National Taiwan University, Taiwan, ROC. (in Chinese)
[9] Hsieh, H.M. (2011). Project of Advanced R & D programs for river erosion and deposition model NETSTARS, Taiwan Shoufu University, Department of Information and Multimedia Design Research Report No. 1001. (in Chinese)
[10] Hsieh, H.M. (2012). NETSTARS V3.0, User Technical Manual for Erosion and Deposition Modelof Complex Channel, Taiwan Shoufu University, Department of Information and Multimedia Design Research Report No. 10103. (in Chinese)
[12] Chiew, Y.M. (2004). “Local Scour and Riprap Stability at Bridge Piers in a Degrading Channel,” Journal of Hydraulic Engineering, ASCE, Vol.130, No.3, March 1.
[13] Chitale, S.V. (1988). Estimation of Scour at Bridge Piers, Water and Energy International, Vol. 45, Issue.1.
[14] Coleman, N.L. (1971). “Analyzing laboratory measurements of scour at cylindrical piers in sand beds,” Procedure 14th Congress IAHR, Vol. 3.
[15] Dey S. (1999). “Time-variation of Scour in the Vicinity of CircularPiers.” Proc Instn Civ. Engrs Wat., Marit. and Energy, Vol.136, pp67-75.
[16] DHI Software. (1992). User guides and reference manuals for MIKE 11 model, Danish Hydraulic Institute, Denmark.
[17] Froehlich, D.C. (1988). “Analysis of onsite measurements of scour at piers.” ASCE Hydraulic Engineering, Proceedings of 1988 Conference, 534-539.
[18] Holly, F.M., and Rahuel, J.L. (1990). “New numerical/physical framework for mobile-bed modelling, part I: numerical and physical principles,” J. Hydr. Res., IAHR, 28(4), 401-416.
[19] Holly, F.M., Yang, J.C., and Spasojevic, M. (1985). “Numerical simulation of water and sediment movement in multi-connected networks of mobile bed,” Iowa Institute of Hydraulic Research, Limited Distribution Report No. 131, The University of Iowa, Iowa City, Iowa, USA.
[20] Holly, F.M., Yang, J.C., Schovarz, P., Scheefer, J., Hsu, S. H., and Einhellig, R. (1990). CHARIMA: numerical simulation of unsteady water and sediment movements in multiply connected networks of mobile-bed channels, IIHR Report No. 343, The University of Iowa, Iowa City, Iowa, USA.
[21] Jain, S.C., and Fischer, E.Ε. (1980). “Scour around Bridge Piers at High Velocity,” Journal of Hydraulic Engineering, ASCE, Vol.106, No.11, 1827-1842.
[22] Jain, S.C. (1981). “Maximum Clear-Water Scour around Circular Piers,” Journal of Hydraulic Engineering, ASCE, Vol.107, No.5, pp.611-626.
[23] Jones J.S., Kilgore R.T., and Mistichelli, M.P. (1992). “Effects of footing location on bridge pier,” Journal of Hydraulic Engineering, ASCE, Vol.118, No.2, pp.280~290.
[24] Karim, M.F., and Kennedy, J.F. (1982). IALLUVIAL: a computer-based flow and sediment-routing model for alluvial streams and its application to the Missouri river, Report No. 250, Iowa Inst. of Hydr. Res., Univ. of Iowa, Iowa City, Iowa, USA.
[25] Laursen, E.M. (1962). “Scour at Bridge Crossings”, Journal of the Hydraulic Division, ASCE, Vol.86, No.Hy2, February, 39-54.
[26] Li, R.M., Mussetter, R.A., and Grindeland, T.R. (1988). Sediment-routing model: HEC2SR, Subcommittee on Sedimentation, Interagency Advisory Committee on Water Data.
[27] Melville, B.W., and Sutherland, A.J. (1988). “Design Method for Local Scour at Bridge Piers,” Journal of Hydraulic Engineering, ASCE, Vol.114, No.10, October, 1210-1226.
[28] Melville, B.W., and Coleman, S.E. (2000). Bridge Scour, Water Resources Publications, LLC, Highlands Ranch, Colorado, USA.
[29] Molinas, A.M., and Yang, C.T. (1986). Computer Program User’s Manual for GSTARS, U.S. Department of Interior Bureau of Reclamation, Engineering and Research Center, Denver, Colorado.
[30] Neill, C.R. (1964). River-Bed Scour, a Review for Engineers, Canadian Good Roads’ Assoc, Techn, Publ, No.23, Ottawa.
[31] Orvis, C.J., and Randle, T.J. (1987). STARS: sediment transport and river simulation model, Technical Guideline, Bureau of Reclamation, U.S. Department of Interior.
[32] Qadar, A., and Ansari, S. (1994). Bridge Pier Scour Equationsan Assessment, New York: American Society of Civil Engineers.
[33] Shen, H.W., Schneider, V.R., and Karaki, S. (1969). “Local Scour around Bridge Piers,” Journal of Hydraulic Engineering, ASCE, Vol.95, No.6, 1919-1940.
[34] U.S. Army Corps of Engineers. (1993). HEC-6: scour and deposition in rivers and reservoirs, user’s manual, Hydrological Engineering Center, CPD-6.
[35] U.S. Army Corps of Engineers. (2006).HEC-RAS River Analysis System UsersManual Version 4.0 Beta, Hydrologic Engineering Center, CPD-68.
Expert Q&A: Your Top Questions Answered
Q1: 일반적인 RMSE 대신 Ev_sediment라는 복합적인 오차 평가 매개변수를 사용한 이유는 무엇인가요?
A1: RMSE는 시뮬레이션 값과 실제 값의 차이의 크기만을 측정하기 때문에, 하상고가 계속 변동하는 하천의 경우 오차는 작지만 실제 변동 경향을 전혀 따라가지 못하는 결과를 최적해로 오인할 수 있습니다. Ev_sediment는 RMSE에 더해 변동의 진폭과 경향성 일치율까지 종합적으로 평가하므로, 물리적으로 훨씬 더 타당하고 신뢰성 있는 보정 결과를 제공합니다.
Q2: 연구에서 18개의 다른 세굴 공식을 추가했습니다. 이렇게 많은 옵션이 필요한 이유는 무엇이며, 최적의 공식(Jain & Fischer)은 어떻게 결정되었나요?
A2: 교각 세굴은 매우 복잡한 현상으로, 각각의 공식들은 서로 다른 실험 조건과 가정 하에 개발되었습니다. 따라서 특정 하천에 어떤 공식이 가장 적합할지는 미리 알기 어렵습니다. 이 모델의 강점은 이러한 다양한 공식들을 실제 하천 데이터와 비교 테스트할 수 있다는 점입니다. 최적의 공식은 국부 세굴 보정 단계에서 18개 공식을 각각 적용했을 때 Ev_sediment 값이 가장 낮게 나오는 공식을 선택하는 방식으로 결정되었습니다. (표 3 참조)
Q3: 국부 세굴 시뮬레이션에서 “시간 지연 매개변수(idurds)”는 어떤 중요한 역할을 하나요?
A3: 이 매개변수는 계산된 세굴 깊이가 한 번의 계산 스텝에서 비현실적으로 즉시 발생하는 것을 방지하는 역할을 합니다. 계산된 총 세굴량을 지정된 시간(idurds) 동안 점진적으로 분배함으로써, 수치 모델의 안정성을 높이고 실제 물리 현상에 더 가까운 점진적인 세굴 과정을 모사할 수 있게 합니다. 본 연구에서는 1500시간이 최적의 값으로 결정되었습니다.
Q4: 장기 시뮬레이션은 여러 교량에서 세굴을 예측했습니다. 이 결과는 어떻게 검증되었나요?
A4: 논문에 따르면, 시뮬레이션 완료 후인 2013년 2월에 현장 조사를 실시했습니다. 그 결과, 모델이 세굴 위험을 예측했던 과수교 인근과 인의담(Renyitan Weir) 하류에서 실제로 심각한 침식 현상이 관찰되었습니다. 이러한 현장 검증은 모델의 장기 예측 능력에 대한 신뢰도를 크게 높여주었습니다.
Q5: 이 개선된 NETSTARS 모델을 다른 하천에도 적용할 수 있나요?
A5: 네, 가능합니다. 본 연구에서 도출된 최적의 세굴 공식이나 매개변수 값들은 파장강의 특성에 맞춰진 것이지만, 모델을 보정하고 검증하는 방법론 자체는 보편적입니다. 따라서 다른 하천 시스템에도 필요한 지형, 수리, 유사량 데이터만 확보된다면 동일한 방법론을 적용하여 해당 하천에 맞는 정밀한 교각 세굴 시뮬레이션을 수행할 수 있습니다.
Conclusion: Paving the Way for Higher Quality and Productivity
교량의 안전을 위협하는 교각 세굴 문제에 대응하기 위해, 본 연구는 NETSTARS 모델에 다수의 세굴 공식을 통합하고 체계적인 검증을 통해 신뢰성 있는 교각 세굴 시뮬레이션 도구를 개발했습니다. 특히, 진폭과 경향성까지 고려한 독자적인 오차 평가 기법을 통해 예측의 정확도를 획기적으로 개선한 것이 핵심적인 성과입니다. 이 연구 결과는 위험 교량을 사전에 식별하고 선제적인 유지보수 전략을 수립하는 데 결정적인 데이터를 제공함으로써, 사회 기반 시설의 안전성을 높이는 데 크게 기여할 것입니다.
(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.
연락처 : 02-2026-0442
이메일 : flow3d@stikorea.co.kr
Copyright Information
This content is a summary and analysis based on the paper “NETSTARS Improvement with Pier Scouring – A Case Study of Pa-Chang River” by “Hsiao-Wen, Wang et al.”.
이 기술 요약은 Cristina Fael 외 저자가 2014년 3rd IAHR Europe Congress에 발표한 “LOCAL SCOUR AT SINGLE PIERS REVISITED” 논문을 기반으로 하며, STI C&D의 기술 전문가에 의해 분석 및 요약되었습니다.
문제점: 교량 붕괴의 주요 원인인 교각 주변의 국부 세굴 깊이를 정확하게 예측하는 것은 수많은 변수와 복잡한 상호작용으로 인해 여전히 어려운 과제입니다.
연구 방법: 기존 연구보다 체계적으로 훨씬 긴 시간(최대 45.6일) 동안 독자적인 수리 실험을 수행하여 상대 유동 깊이, 상대 유사 입경, 시간 및 유체 점성이 세굴 심도에 미치는 영향을 분석했습니다.
핵심 발견: 기존의 통념과 달리, 상대 유사 입경(ΠD50)이 특정 값(~100) 이상으로 증가하면 평형 세굴 심도가 감소하며, 접근 유동의 점성 효과 또한 무시할 수 없는 중요한 요소임을 실험적으로 밝혔습니다.
결론: 이 연구는 교각 세굴 깊이를 더 정확하게 예측할 수 있는 새로운 경험식을 제안하며, 특히 장기적인 세굴 과정과 점성 효과의 중요성을 강조하여 교량 설계 및 안전성 평가의 정확도를 높이는 데 기여합니다.
문제점: 이 연구가 CFD 전문가에게 중요한 이유
교량 교각 및 교대 주변의 국부 세굴은 교량의 부분적 손상이나 붕괴를 유발하는 빈번한 원인입니다. 이로 인한 재건 및 복구 비용은 막대하며, 인명 손실의 위험까지 동반하는 심각한 사회적 문제입니다. 따라서 교량의 안전성을 확보하기 위해서는 세굴 심도를 정확하게 예측하거나 적절한 완화 조치를 취하는 것이 필수적입니다.
하지만 세굴 과정에는 유동 깊이, 유속, 유사 입경, 유체 점성, 교각 형상 등 수많은 변수가 복잡하게 얽혀 있어, 지난 수십 년간의 연구에도 불구하고 세굴 현상은 여전히 완벽하게 해결되지 않은 문제로 남아있습니다. 특히, 기존 연구들은 상대적으로 짧은 실험 시간에 의존하여 평형 세굴 심도를 평가하는 경향이 있었고, 특정 조건(예: 큰 상대 유사 입경)에서의 세굴 현상이나 유체 점성의 영향에 대한 이해는 부족했습니다. 이러한 기술적 한계는 교량 설계의 불확실성을 높이는 요인이었습니다.
접근법: 연구 방법론 분석
본 연구는 이러한 한계를 극복하기 위해 포르투갈의 베이라 인테리어 대학교(UBI)와 포르투 대학교(FEUP)에 위치한 3개의 수평 바닥 수로에서 실험을 수행했습니다. 이 실험의 가장 큰 특징은 다음과 같습니다.
Figure 1. Sketch of used flumes.
장기 실험 수행: 일반적인 실험보다 훨씬 긴 기간(최대 45.6일) 동안 실험을 진행하여 세굴이 점근적으로 평형 상태에 도달하는 과정을 면밀히 관찰했습니다. 이를 통해 단기 실험에서는 파악하기 어려운 평형 세굴 심도를 보다 정확하게 평가할 수 있었습니다.
다양한 실험 조건: 균일하고 리플(ripple)을 형성하지 않는 석영사(D50 > 0.6 mm)를 사용했으며, 특히 넓은 범위의 상대 유사 입경(ΠD50 = Dp/D50) 조건을 다루었습니다. 또한, 점성 효과를 평가하기 위해 특별히 설계된 3개의 실험을 포함했습니다.
핵심 변수 통제: 실험은 유사가 막 움직이기 시작하는 임계 유속에 가까운 조건(U/Uc ≈ 1.0)에서 수행되었으며, 교각은 원형 단면으로 고정하여 형상과 배치 각도의 영향을 배제했습니다. 이를 통해 상대 유동 깊이(Πd), 상대 유사 입경(ΠD50), 시간(Πt), 점성(Πv)의 영향을 명확하게 분석할 수 있었습니다.
이러한 체계적이고 장기적인 실험 설계를 통해 연구진은 기존 문헌의 데이터를 보완하고 세굴 현상에 대한 더 깊은 이해를 제공하는 고품질 데이터를 확보할 수 있었습니다.
핵심 발견: 주요 결과 및 데이터
결과 1: 상대 유사 입경(ΠD50)이 평형 세굴 심도에 미치는 영향
기존의 많은 연구들은 상대 유사 입경(ΠD50)이 약 50 이상이면 평형 세굴 심도에 영향을 미치지 않는다고 가정해왔습니다. 그러나 본 연구는 이 가정이 틀렸음을 명확히 보여줍니다.
Figure 3에 나타난 바와 같이, ΠD50이 증가함에 따라 정규화된 평형 세굴 심도(Πdse = dse/Dp)는 지속적으로 감소하는 경향을 보였습니다. 특히 ΠD50이 약 100을 초과하는 구간에서 이러한 감소 경향이 뚜렷하게 나타났습니다. 이는 교각 직경에 비해 유사 입자가 매우 클 경우, 세굴이 덜 깊게 발생한다는 것을 의미합니다.
연구진은 이 이중 종속성을 포착하기 위해 ΠD50의 범위에 따라 두 가지 회귀 방정식 [Equation 9]를 제안했습니다. 또한, 안전 설계를 위한 상한 예측식으로 Equation [10], [11], [12]를 제시하여 상대 유동 깊이(Kd)와 상대 유사 입경(KD50)의 영향을 각각 반영할 수 있도록 했습니다.
결과 2: 시간 경과에 따른 세굴 심도 변화의 정밀 예측 모델
세굴 깊이가 시간에 따라 어떻게 변하는지 예측하는 것은 매우 중요합니다. 연구진은 Franzetti et al. (1982)이 제안한 지수 함수 모델 [Equation 6]을 장기 실험 데이터에 적용하여 그 유효성을 재검증하고, 모델의 매개변수(a1, a2)를 새롭게 규명했습니다.
Figure 5에서 볼 수 있듯이, 매개변수 a1과 a2는 상대 유동 깊이(Πd)와는 명확한 상관관계가 없었지만, 상대 유사 입경(ΠD50)에는 뚜렷하게 의존하는 것으로 나타났습니다. a1은 ΠD50이 증가할수록 감소하고, a2는 증가하는 경향을 보였습니다.
이를 바탕으로 연구진은 a1과 a2를 ΠD50의 함수로 표현하는 Equation [13]을 도출했으며, 이를 종합하여 시간 계수(Kt)를 예측하는 새로운 모델 [Equation 14]를 제안했습니다. 이 모델은 특정 조건(Πu ≈ 1.0, 60 < ΠD50 < 500, 0.5 ≤ Πd ≤ 5.0)에서 시간에 따른 세굴 깊이 변화를 정확하게 설명합니다.
결과 3: 무시되었던 유체 점성의 영향 확인
지금까지 세굴 구멍 내부는 유동이 매우 난류적이어서 점성 효과가 없을 것이라는 가정이 지배적이었습니다. 하지만 본 연구의 예비 실험 결과는 다른 가능성을 시사합니다.
Figure 6은 전단 속도 레이놀즈 수(Πv = u*D50/v)가 증가함에 따라 평형 세굴 심도(Πdse)가 감소하는 명확한 경향을 보여줍니다. 이는 접근 유동이 천이 유동(transitional flow) 영역에 있을 때 유체 점성이 세굴 과정에 무시할 수 없는 영향을 미친다는 새로운 발견입니다.
이 결과는 아직 예비적인 단계이지만, 향후 세굴 예측 모델의 정확도를 높이기 위해 점성 효과에 대한 추가적인 연구가 필요함을 강력하게 시사합니다.
R&D 및 운영을 위한 실질적 시사점
공정 엔지니어(수리/토목): 이 연구는 교량 설계 시 상대 유사 입경(Dp/D50)이 큰 경우(예: 자갈 하상) 기존의 보수적인 예측식보다 세굴 심도가 얕게 발생할 수 있음을 시사합니다. 제안된 Equation [12]를 통해 더 경제적인 교각 기초 설계가 가능할 수 있습니다.
품질 관리팀(안전 진단):Equation [14]는 특정 홍수 사상이 발생한 후 시간에 따라 세굴이 얼마나 더 진행될지 예측하는 데 활용될 수 있습니다. 이는 교량의 안전 점검 주기 및 긴급 보수 여부를 결정하는 데 중요한 정량적 기준을 제공할 수 있습니다.
설계 엔지니어: 접근 유동의 점성 효과가 세굴에 영향을 미친다는 발견(Figure 6)은, 예를 들어 수온 변화(점성 변화)가 심한 지역이나 실험실 규모의 축소 모형 실험에서 세굴 결과를 해석할 때 점성 효과를 고려해야 함을 의미합니다. 이는 CFD 시뮬레이션에서 점성 모델의 중요성을 부각시키는 결과이기도 합니다.
논문 상세 정보
LOCAL SCOUR AT SINGLE PIERS REVISITED
1. 개요:
제목: LOCAL SCOUR AT SINGLE PIERS REVISITED
저자: CRISTINA FAEL, RUI LANÇA, LUCIA COUTO & ANTONIO CARDOSO
발표 연도: 2014
발표 학회: 3rd IAHR Europe Congress, Book of Proceedings
키워드: scouring; single piers; sediment size factor; time factor; effect of viscosity
2. 초록:
이 논문은 단일 교각에서의 세굴 심도에 대한 상대 유동 깊이, 상대 유사 입경, 시간 및 유체 점성의 영향에 관한 저자들의 최근 기여를 요약한다. 이러한 기여는 문헌에서 발견되는 대다수의 실험보다 체계적으로 더 길다는 점에서 독특한 실험에 의존한다. 상대 유사 입경과 시간의 영향에 대한 특성화는 기존 문헌과 비교하여 더욱 개선되었으며, 상대 유동 깊이의 효과는 이전 연구 결과를 확인한다. 새로운 예측 변수가 제안된다. 접근 유동에 의해 전달되는 점성 효과는 무시할 수 없는 것으로 보이며, 이는 추가 연구가 필요한 새로운 기여이다.
3. 서론:
교량 교각 및 교대 주변의 국부 세굴은 교량의 부분적 파손이나 붕괴의 빈번한 원인이다. 파손/손상된 교량의 재건/복구 비용은 수천억 유로에 달하며, 무엇보다도 이러한 재난에서 가끔 발생하는 귀중한 인명 손실은 대중의 관심사이다. 사회의 안전 요구는 파손 방지를 강요하며, 이는 다시 세굴 심도의 정확한 예측이나 세굴의 적절한 완화를 요구한다. 세굴 과정에 관련된 변수의 수가 많고 현상학적 상호 작용의 고유한 복잡성을 고려할 때, 지난 수십 년 동안 기록된 현저한 진전에도 불구하고 세굴은 여전히 해결되지 않은 문제로 남아 있다.
4. 연구 요약:
연구 주제의 배경:
교량의 안전성을 위협하는 주요 요인인 단일 교각에서의 국부 세굴 현상을 이해하고 정확하게 예측하는 것은 수리 공학 분야의 오랜 과제이다.
이전 연구 현황:
Chabert와 Engeldinger(1956), Laursen과 Toch(1956) 등의 초기 연구 이후 많은 발전이 있었으나, 대부분의 연구는 상대적으로 짧은 실험 시간에 기반하거나, 특정 조건(예: 큰 상대 유사 입경)에서의 세굴 현상 및 점성 효과에 대한 분석이 부족했다. 특히, 상대 유사 입경이 특정 값 이상이면 세굴 심도에 영향을 주지 않는다는 가정이 널리 받아들여져 왔다.
연구 목적:
본 연구는 체계적인 장기 실험을 통해 단일 교각에서의 국부 세굴에 영향을 미치는 주요 변수들, 특히 상대 유동 깊이, 상대 유사 입경, 시간 및 유체 점성의 효과를 재검토하고, 이를 바탕으로 더 정확한 세굴 예측 모델을 제안하는 것을 목적으로 한다.
핵심 연구:
연구는 독자적인 장기 수리 실험을 통해 얻은 데이터를 기반으로, 평형 세굴 심도에 대한 상대 유사 입경의 영향을 새롭게 규명하고, 시간에 따른 세굴 심도 변화를 정밀하게 예측하는 모델을 개선하며, 기존에 무시되었던 유체 점성의 영향을 실험적으로 확인하는 데 중점을 둔다.
5. 연구 방법론
연구 설계:
3개의 다른 실험 수로에서 원형 단일 교각을 대상으로 국부 세굴 실험을 수행했다. 실험은 주로 유사가 움직이기 시작하는 한계 유속 조건(clear-water conditions, U ≤ Uc)에서 진행되었으며, 특히 평형 세굴 심도에 도달하는 과정을 관찰하기 위해 최대 45.6일까지 장기간에 걸쳐 수행되었다.
데이터 수집 및 분석 방법:
시간에 따른 세굴 심도를 측정하고, 이를 무차원 변수(Πd, ΠD50, Πt, Πv 등)로 변환하여 분석했다. 평형 세굴 심도는 장기 측정 데이터를 6-매개변수 다항식 [Equation 5]에 피팅하여 t=∞로 외삽하는 방식으로 결정했다. 또한, Franzetti et al. (1982)의 지수 함수 모델 [Equation 6]을 사용하여 시간 경과에 따른 세굴 변화를 분석했다.
연구 주제 및 범위:
연구 대상: 넓은 직선 개수로 내 균일한 유사로 구성된 하상에 설치된 원형 단일 교각
주요 변수: 상대 유동 깊이(Πd), 상대 유사 입경(ΠD50), 시간(Πt), 유체 점성(Πv)
실험 조건: 한계 유속에 가까운 유동 강도(Πu ≈ 1.0), 리플을 형성하지 않는 유사(D50 > 0.6 mm), 상대 유사 입경 범위 58 ≤ ΠD50 ≤ 465, 상대 유동 깊이 범위 0.5 ≤ Πd ≤ 5.0
6. 주요 결과:
주요 결과:
평형 세굴 심도는 상대 유사 입경(ΠD50)이 약 100 이상일 때, ΠD50이 증가함에 따라 감소한다. 이는 기존의 통념(ΠD50 > ~25에서는 영향이 없음)을 뒤집는 결과이다.
Franzetti et al. (1982)의 지수 함수 모델은 세굴 심도의 시간적 변화를 잘 설명하며, 이 모델의 매개변수들(a1, a2)은 상대 유사 입경(ΠD50)에 의존한다는 사실을 처음으로 밝혔다.
접근 유동이 천이 유동 영역에 있을 때, 유체 점성은 평형 세굴 심도에 무시할 수 없는 영향을 미친다. 전단 속도 레이놀즈 수가 증가할수록 평형 세굴 심도는 감소하는 경향을 보였다.
Figure 목록:
Figure 1. Sketch of used flumes.
Figure 2. Time evolution of the scour depth for a test defined by Ta = 45.6 days.
Figure 3. Effect of ΠD50 and Πd on Πdse, Lança et al. (2013).
Figure 4. a) Variation of Kd with Πd; b) Variation of KD50 with ΠD50.
Figure 5. Dependence of a1 and a2 from ΠD50, Lança et al. (2013).
Figure 6. Effect of Πv on Πdse, Lança (2013).
7. 결론:
본 연구에서 요약된 작업들의 가장 중요한 결론은 다음과 같다. i) 평형 세굴 심도는 ΠD50 > ~100에 대해 ΠD50과 함께 감소하며, 이는 ΠD50 > ~25에 대해 평형 세굴 심도가 ΠD50에 의존하지 않을 것이라는 고전적인 가정을 반박한다. 유사 입경 계수 KD50는 식 [12]를 통해 얻을 수 있다. ii) 평형 세굴 심도의 안전한 상한 예측은 식 [10]을 통해 얻을 수 있으며, 이는 유동 강도 Πu ≈ 1.0, ΠD50 > ≈ 60 및 0.5 ≤ Πd ≤ 5.0인 균일한 비-리플 형성 유사로 구성된 평탄한 바닥을 가진 넓은 직사각형 수로에서 완전히 발달된 난류 흐름에 삽입된 원통형 교각에 유효하다. iii) 식 [14]로 명시된 Franzetti et al. (1982)의 지수 모델은 세굴 심도의 시간적 진화를 적절하게 설명한다. 이 기여는 Πu ≈ 1.0, 60 < ΠD50 < 500 및 0.5 ≤ Πd ≤ 5.0에 적용된다. iv) 접근 유동에 의해 전달되는 점성 효과는 천이 유동에 대해 무시할 수 없는 것으로 보인다. 이는 추가 연구가 필요한 새로운 기여이다.
8. 참고 문헌:
Breusers, H.N.C. and Raudkivi, A. (1991). ‘Scouring.’ A. A. Balkema. Rotterdam, The Netherlands.
Chabert, J., and P. Engeldinger (1956). ‘Etude des affouillements autor des piles de ponts.’ Lab. Natl. d’Hydraul., Chatou, France.
Coleman, S.E., C.S. Lauchlan, and B.W. Melville (2003). ‘Clear-water scour development at bridge abutments.’ Journal of Hydraulic Research, 41(5), 521–531.
Ettema, R. (1980). ‘Scour at bridge piers.’ Report No. 216, University of Auckland, Auckland, New Zealand.
Fael, C.M.S. (2007). ‘Erosões localizadas junto de encontros de pontes e respectivas medidas de protecção.’ PhD thesis, University of Beira Interior, Covilhã, Portugal.
Franzetti, S., Larcan, E., and Mignosa, P. (1982). ‘Influence of tests duration on the evaluation of ultimate scour around circular piers.’ Proc., Int. Conf. on the Hydraulic Modeling of Civil Engineering Structures, BHRA Fluid Engineering, England, 381–396.
Lança, R. (2013). ‘Clear-water scour at single piers and pile groups.’ PhD thesis, University of Beira Interior. Covilhã, Portugal.
Lança, R., Fael, C., and Cardoso, A. (2010). ‘Assessing equilibrium clear-water scour around single cylindrical piers.’ River Flow 2010, Dittrich, A. et al., eds., Bundesanstalt für Wasserbau, Germany, 1207 – 1213.
Lança, R., Fael, C., Maia, R., Pêgo, J., and Cardoso, A. (2013). ‘Clear-Water Scour at Comparatively Large Cylindrical Piers.’ Journal of Hydraulic Engineering, 139(11), 1117–1125.
Laursen, E.M. (1963). ‘An analysis of relief bridge scour.’ J. Hydraulic Division Am Soc. Civ. Eng., 89(HY3), 93–118
Laursen, E., and Toch, A. (1956). ‘Scour around bridge piers and abutments.’ Bulletin No. 4, Iowa Highway Research Board.
Melville, B.W. (1997). ‘Pier and abutment scour: integrated approach.’ Journal of Hydraulic Engineering, 123(2), 125-136.
Melville, B.W. and Chiew, Y.M. (1999). ‘Time scale for local scour at bridge piers.’ Journal of Hydraulic Engineering, ASCE, 125 (1), 59 – 65.
Melville, B. W. and Coleman, S. E. (2000). ‘Bridge scour.’ Water Resources publications, LLC, CO.
Neil, C. R. (1967). “Mean velocity criterion for scour of coarse uniform bed-material.” Proc., 12th IAHR Congress, IAHR, Forth Collins, CO, Vol. 3(C6), 46 – 54.
Nicollet, G. and Ramette (1971). “Deformation des lits alluvionnaires affouillements autour des piles de ponts cylindriques.” Direction des Etudes et Recherches (EDF), France.
Oliveto, G. and Hager, W. H. (2002). “Temporal evolution of clear-water pier and abutment scour.” Journal of Hydraulic Engineering, 128(9), 811 – 820.
Shen, H.W., Schneider, V.R. and Karaki, S.S.(1966). ‘Mechanics of local scour.’ U.S. Department of Commerce, National Bureau of Standards, Institute for Applied Technology, 1966.
Sheppard, D. M., Odeh, M. and Glasser, T. (2004). ‘Large scale Clear-water local pier scour experiments.’ Journal of Hydraulic Engineering, 130(10), 957 – 963.
Simarro, G., Fael, C., and Cardoso, A. (2011). ‘Estimating equilibrium scour depth at cylindrical piers in experimental studies. ‘ Journal of Hydraulic Engineering, 137(9), 1089-1093.
전문가 Q&A: 자주 묻는 질문
Q1: 왜 실험을 최대 45.6일이라는 매우 긴 시간 동안 수행했나요?
A1: 논문의 3절과 4절에 따르면, 한계 유속 조건(clear-water)에서 세굴은 매우 느리게 진행되며 평형 상태에 도달하기까지 오랜 시간이 걸립니다. 기존의 단기 실험들은 세굴이 “실질적으로” 멈추는 시점을 주관적으로 판단하여 평형 세굴 심도를 과소평가할 위험이 있었습니다. 본 연구에서는 Figure 2에서 보듯이 수 주가 지난 후에도 세굴이 계속 진행되는 것을 확인했으며, 이처럼 장기간의 데이터를 확보함으로써 외삽법을 통해 더 객관적이고 정확한 평형 세굴 심도(dse)를 추정할 수 있었습니다.
Q2: 상대 유사 입경(ΠD50)이 클 때 세굴 심도가 감소하는 현상(Figure 3)의 물리적 의미는 무엇인가요?
A2: 이는 교각 직경에 비해 유사 입자가 상대적으로 커지면, 유동에 의해 입자를 침식시키고 운반하는 데 더 큰 에너지가 필요하기 때문으로 해석할 수 있습니다. 즉, 입자의 저항력이 커져 세굴이 덜 깊게 발생하는 것입니다. 이 발견은 기존에 ΠD50이 특정 값 이상이면 세굴 깊이가 일정하다고 보았던 가정을 뒤집는 것으로, 특히 자갈이나 거석이 많은 하천에 건설되는 교량의 세굴 깊이를 더 현실적으로 예측하고 경제적인 설계를 가능하게 합니다.
Q3: 시간 경과 모델(Equation 14)의 매개변수(a1, a2)가 상대 유사 입경(ΠD50)에 의존한다는 것은 어떤 실용적 의미를 갖나요?
A3: 이는 하상 재료의 입경에 따라 세굴이 평형 상태에 도달하는 ‘속도’가 달라진다는 것을 의미합니다. Figure 5를 보면, ΠD50이 클수록(입자가 클수록) 초기 세굴 속도와 관련된 a1은 작아지고, 점근적 접근과 관련된 a2는 커지는 경향이 있습니다. 즉, 입자가 크면 초기에는 세굴이 느리게 시작되지만, 장기적으로는 꾸준히 진행될 수 있음을 시사합니다. 따라서 교량 안전 진단 시 하상 재료의 특성을 고려하여 미래의 세굴 진행 속도를 예측하는 데 이 모델을 활용할 수 있습니다.
Q4: 왜 이전 연구들에서는 점성의 효과를 간과했을까요? 이 연구의 발견이 중요한 이유는 무엇인가요?
A4: 6절에서 언급하듯이, 기존에는 세굴 구멍 내부의 유동(하향류, 말굽 와류 등)이 매우 강한 난류 상태이므로 유체 점성의 영향이 거의 없을 것이라고 가정했기 때문입니다. 하지만 본 연구는 세굴 구멍으로 들어가는 ‘접근 유동’의 특성이 중요할 수 있음을 보여줍니다. 접근 유동이 완전 난류가 아닌 천이 유동 영역에 있을 때, 점성력이 유동 구조에 영향을 미쳐 결과적으로 세굴 심도에 차이를 유발할 수 있습니다. 이는 특히 실험실 규모의 축소 모형 실험 결과를 실제 스케일로 환산할 때 상사성(similarity) 문제를 야기할 수 있으므로, CFD 시뮬레이션 등에서 점성 효과를 적절히 모델링하는 것이 중요함을 시사하는 새로운 발견입니다.
Q5: 이 연구에서 제안된 예측식들(Equation 9, 12, 14)을 실제 교량 설계에 바로 적용할 수 있나요?
A5: 이 예측식들은 논문에 명시된 특정 조건(원형 교각, 균일한 비-리플 형성 유사, 한계 유속 조건 등) 하에서 개발되었습니다. 따라서 실제 설계에 적용할 때는 해당 교량의 조건이 이 연구의 범위와 부합하는지 신중하게 검토해야 합니다. 예를 들어, 교각의 모양이 다르거나, 하상 재료의 입도 분포가 매우 불균일하거나, 유동이 한계 유속을 훨씬 초과하는 live-bed 조건일 경우에는 추가적인 보정 계수(Eq. [3]의 Kf, Kσ, Ku 등)를 고려해야 합니다. 그럼에도 불구하고, 이 연구는 기존 모델의 한계를 명확히 하고 새로운 통찰을 제공하므로, 기존 설계 기준을 검토하고 개선하는 데 중요한 기초 자료로 활용될 수 있습니다.
결론: 더 높은 품질과 생산성을 위한 길
교량의 안전성을 위협하는 교각 세굴 예측의 정확도를 높이는 것은 수리 공학 분야의 오랜 숙원이었습니다. 본 연구는 체계적인 장기 실험을 통해 상대 유사 입경과 유체 점성이 평형 세굴 심도에 미치는 영향을 새롭게 규명하고, 시간에 따른 세굴 변화를 더 정밀하게 예측할 수 있는 모델을 제시했습니다. 이는 기존의 경험적 한계를 넘어서는 중요한 진전이며, 보다 안전하고 경제적인 교량 설계를 위한 과학적 근거를 제공합니다.
STI C&D는 최신 산업 연구 결과를 적용하여 고객이 더 높은 생산성과 품질을 달성할 수 있도록 돕는 데 전념하고 있습니다. 이 논문에서 논의된 과제가 귀사의 운영 목표와 일치한다면, 저희 엔지니어링 팀에 연락하여 이러한 원칙을 귀사의 구성 요소에 어떻게 구현할 수 있는지 논의해 보십시오.
(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.
연락처 : 02-2026-0442
이메일 : flow3d@stikorea.co.kr
저작권 정보
이 콘텐츠는 “Cristina Fael” 외 저자의 논문 “[LOCAL SCOUR AT SINGLE PIERS REVISITED]”를 기반으로 한 요약 및 분석 자료입니다.
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.
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.
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.
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.
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
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.
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:
평형 시간의 처음 20% 동안 세굴의 약 80%가 관찰되었습니다. 또한, 최대 세굴률은 실험 초기 몇 시간 동안 발생했으며, 세굴률은 시간이 지남에 따라 감소했습니다.
하상 아래에 설치된 칼라는 하상 위나 표면에 설치된 칼라보다 세굴 깊이를 더 많이 감소시켰습니다.
직사각형 칼라는 말발굽 와류와 상승 흐름을 제어하고 약화시켜 세굴 깊이를 줄이는 데 원형 칼라보다 더 효과적이었습니다.
최대 세굴 감소를 위한 가장 좋고 경제적인 칼라의 치수는 W=3D에서 W=3.5D 범위인 것으로 밝혀졌습니다.
원통형 교각 주변의 유사 이송을 계산하기 위한 RNG 확장이 포함된 k-ε 난류 모델은 실험 측정값과 가장 잘 일치했습니다.
7d50의 거칠기 값은 실험 결과와 가장 잘 일치했습니다.
원통형 교각 주변의 하상 변화를 계산하고 측정한 결과, Van Rijn의 유사 이송 공식으로 제공된 결과가 실험 결과와 가장 잘 일치했습니다.
획득한 실험 및 수치 데이터를 바탕으로, 칼라가 세굴 감소 비율에 미치는 영향을 예측하기 위한 두 가지 새로운 방정식이 개발되었습니다.
8. 참고 문헌:
Shirhole AM, Holt RC (1991) Planning for a comprehensive bridge safety program. Transportation Research Record No. 1290: Transportation Research Board, National Research Council Washington.
Kattell J, Eriksson M (1998) Bridge Scour Evaluation: Screening, Analysis, and Countermeasures. USDA Forest Service, No. 9877: San Dimas Technology and Development Center.
Lagasse PF, Richardson EV, Schall JD, Price GR (1997) Instrumentation for measuring scour at bridge piers and abutments. National Cooperative Highway Research Program, No. 396: Transportation Research Board, Washington.
Muzzammil M, Gangadhariah T (2010) The mean characteristics of horseshoe vortex at a cylindrical pier. J. Hydraul. Res 41: 285–297.
Karami H, Basser H, Ardeshir A, Hosseini SH (2012) Verification of numerical study of scour around spur dikes using experimental data. Water and Environment Journal 28: 124–134.
Dargahi B (1990) Controlling mechanism of local scouring. J Hyd Eng 116: 1197–1214.
Melville BW (2008) The physics of local scour at bridge piers. proceeding of the 4nd International Conference on Scour and Erosion: Tokyo.
Raudkivi AJ, Ettema R (1983) Clear-water scour at cylindrical piers. J. Hyd. Eng 109: 339–350.
Odgaard AJ, Wang Y (1987) Scour prevention at bridge piers. In proceeding of the Nature Conference of Hydraulic Engineering: ASCE Williamsburg Virginia.
Breusers HNC, Raudkivi AJ (1991) Scouring Hydraulic structures design manual. IAHR AA Balkema Publication: Rotterdam The Netherlands.
Bertoldi D, Kilgore R (1993) Tetra pods as a scour countermeasure. Proc Nat Conf Hydr Eng ASCE San Francisco 121–127.
Parola AC (1993) Stability of riprap at bridge piers. J. Hyd. Eng 119: 1080–1093.
Melville BW, Raudkivi AJ (1977) Flow characteristics in local scour at bridge piers. J. Hydraul. Res 15: 373–380.
Parker G, Toro-Esconar C, Voight JRL (1998) Countermeasures to protect bridge piers from scour. Project No. 433: University of Minnesota.
Melville BW, Chiew YM (1999) Time scale for local scour at bridge piers. J. Hyd. Eng 125: 59–65.
Melville BW, Hadfield AC (1999) Use of sacrificial piles as pier scour countermeasures. J. Hyd. Eng 125: 1221–1224.
Zarrati AR, Nazariha M, Mashahir MB (2006) Reduction of local scour in the vicinity of bridge pier groups using collars and riprap. J. Hyd. Eng 132: 154–162.
Link O, Pfleger F, Zanke U (2008) Characteristics of developing scour-holes at a sand embedded cylinder. Inter. J. Sediment Res 23: 258–266.
Christensen ZM (2009) Reduction of local scour around bridge piers: Combined system of aerofoil and slot. Project No. 8387: University of South Queensland.
Ghodsian M, Vaghefi M (2009) Experimental study on scour and flow filed in a scour hole around a T-shape spur dike in a 90° bend. Inter. J. Sediment Res 24: 145–158.
Akib S, Fayyadh MM, Othman I (2011) Structural Behaviour of a Skewed Integral Bridge Affected by Different Parameters. Balt J Road Bridge Eng 6: 107–114.
Akib S, Jahangirzadeh A, Basser H (2014a) Local scour around complex pier groups and combined piles at semi-integral bridge. J Hydrol Hydromech 62: 108–116.
Akib S, Basser H, Karami H, Jahangirzadeh A (2014b) Retrofitting of Bridge Piers against the Scour Damages: Case Study of the Marand-Soofian Route Bridge. World Academy of Science, Engineering and Technology, International Journal of Civil, Architectural Science and Engineering 8: 56–60.
Jahangirzadeh A, Shamshirband Sh, Aghabozorgi S, Akib S, Basser H, et al. (2014) A Cooperative Expert Based Support Vector Regression (Co-ESVR) System to Determine Collar Dimensions around Bridge Pier. Neurocomputing: In Press. http://dx.doi.org/10.1016/j.neucom.2014.03.024.
Termini D (2011) Bed scouring downstream of hydraulic structures under steady flow conditions: Experimental analysis of space and time scales and implications for mathematical modeling. Catena 83: 125–135.
Kumar A, Kothyari UC, RangaRajub KG (2012) Flow structure and scour around circular compound bridge piers-A review. J. Hydro-Environment Res 6: 251–265.
Schneible DE (1951) An investigation of the effect of bridge-pier shape on the relative depth of scour. MSc thesis: State University of Iowa.
Thomas Z (1967) An interesting hydraulic effect occurring at local scour. In proceeding of the 12th IAHR Congress: Delft.
Tanaka S, Yano M (1967) Local scour around a circular cylinder. In proceeding of the 12th IAHR Congress, Delft.
Neill CR (1973) Guide to bridge hydraulics. Roads and Transportation Association of Canada: University of Toronto.
Chiew YM (1992) Scour protection at bridge piers. J Hyd Eng 118: 1260–1269.
Dey S (1997) Local scour at piers, part 1: A review of development of research. Inter J Sediment Res 12: 23–44.
Kumar V, Raja K, Vittal N (1999) Reduction of local scour around bridge piers using slots and collars. J. Hyd. Eng 125: 1302–1305.
Zarrati AR, Gholami H, Mashahir MB (2004) Application of collar to control scouring around rectangular bridge piers. J. Hydraul. Res 42: 97–103.
Alabi PD (2006) Time Development of Local Scour at Bridge Pier Fitted with a Collar. MSc Thesis: University of Saskatchewan, 2006.
SaniKhani H, HosseinzadehDalir A, Farsadizadeh D (2008) Performance of quadrangular collars in scour reduction around bridge piers. In proceeding of the 4th National Congress on Civil Engineering, Tehran.
Moncada AT, Aguirre-PE J, Bolivar JC, Flores EJ (2009) Scour protection of circular bridge piers with collars and slots. J. Hydraul. Res 47: 119–126.
Euler T, Herget J (2012) Controls on local scour and deposition induced by obstacles in fluvial environments. Catena 91: 35–46.
Duan JG, Nanda SK (2006) Two-dimensional depth-averaged model simulation of suspended sediment concentration distribution in a groyne field. J Hydrol 327: 426–437.
Chiew YM, Melville BW (1987) Local scour around bridge piers. J Hydraul Res 25: 15–26.
Sheppard DM, Odeh M, Glasser T (2004) Large scale clear water local pier scour experiments. J. Hydraul. Eng 130: 957–963.
Olsen NRB (2009) A Three-dimensional numerical model for simulation of sediment movement in water intakes with multi-block option. Department of Hydraulic and Environmental Engineering: the Norwegian University of Science and Technology.
Van Rijn LC (1987) Mathematical modeling of morphological processes in the case of suspended sediment transport. PhD Thesis: Delft University of Technology.
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.
연락처 : 02-2026-0442
이메일 : flow3d@stikorea.co.kr
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.
이 기술 요약은 Sebastian Tejada가 2014년 University of Windsor에 제출한 석사 학위 논문 “Effects of blockage and relative coarseness on clear water bridge pier scour”를 기반으로 합니다. STI C&D의 기술 전문가들이 분석하고 요약했습니다.
키워드
Primary Keyword: 교각 세굴
Secondary Keywords: CFD, 수리학, 하천 공학, 차폐율, 상대 조도, 유체 역학, 교량 기초 설계
Executive Summary
과제: 교각 주변의 세굴 깊이를 과도하게 예측하면 교량 기초 설계가 지나치게 보수적이 되어 건설 비용이 상승하는 문제가 있습니다.
방법: 4가지 다른 모래 재료를 사용하여 수로 폭 대비 교각 직경의 비율(차폐율)과 모래 입자 대비 교각 직경의 비율(상대 조도)을 체계적으로 변화시키며 실험실 수조 실험을 수행했습니다.
핵심 발견: 교각 세굴 깊이는 단순히 상대 조도(D/d50)만으로 결정되지 않으며, 수심 대 교각 직경비(흐름 천이도, H/D)와 결합될 때 훨씬 더 정확하게 예측될 수 있음을 발견하고, 이를 통합한 새로운 경험식을 제안했습니다.
결론: 흐름 천이도와 상대 조도의 상호작용을 고려한 CFD 해석은 교각 세굴 깊이 예측의 정확도를 높여 더 경제적이고 안정적인 교량 기초 설계에 기여할 수 있습니다.
과제: 이 연구가 CFD 전문가에게 중요한 이유
교량의 안전성은 기초를 지지하는 교각의 안정성에 크게 좌우됩니다. 강물에 의해 교각 주변의 하상 토사가 침식되는 ‘교각 세굴’ 현상은 교량 붕괴의 주요 원인으로 꼽힙니다. 이 때문에 엔지니어들은 세굴 깊이를 예측하여 교량 기초를 설계하지만, 기존의 예측 공식들은 종종 세굴 깊이를 과대평가하는 경향이 있습니다.
이러한 과대평가는 불필요하게 보수적인 기초 설계로 이어져 건설 비용을 상승시키고, 때로는 프로젝트의 경제성을 저해하는 요인이 됩니다. 따라서 세굴 현상에 영향을 미치는 다양한 변수들을 더 정확하게 이해하고, 예측 모델의 정밀도를 높이는 것은 교량 설계의 경제성과 안전성을 동시에 확보하기 위한 중요한 과제입니다. 본 연구는 기존 공식에서 충분히 고려되지 않았던 ‘차폐율’과 ‘상대 조도’라는 두 가지 매개변수가 세굴 깊이에 미치는 영향을 규명하고자 시작되었습니다.
접근 방식: 연구 방법론 분석
본 연구는 University of Windsor의 재순환 개방 채널 수조(길이 12m, 폭 1.22m, 깊이 0.91m)에서 수행되었습니다. 연구진은 실험 목적에 맞게 수조를 수정하여 모래층을 담을 수 있는 목재 상자를 설치하고, 흐름을 안정시키기 위한 장치를 추가했습니다.
실험에는 4가지 다른 입도(Fine, Medium-Fine, Medium-Coarse, Coarse)를 가진 비점착성 모래가 사용되었으며, 각 모래의 중앙 입경(d50)과 입도 분포는 ASTM C-136 체분석을 통해 정밀하게 측정되었습니다.
연구는 2단계로 진행되었습니다. – 1단계(Phase 1): 상대 조도(D/d50)의 영향을 분리하여 분석하기 위해 차폐율(D/B=5%), 흐름 천이도(H/D=3.3), 종횡비(B/H=6)를 일정하게 유지하며 실험했습니다. – 2단계(Phase 2): 차폐율과 상대 조도를 4가지 다른 조건(Series 1~4)으로 설정하고, 각 조건에서 4가지 다른 모래를 사용하여 총 15회의 실험을 수행했습니다. 모든 2단계 실험에서 수심(H)은 120mm로 일정하게 유지되었습니다.
각 실험은 48시간 동안 연속적으로 진행하여 세굴이 평형 상태에 도달하도록 했으며, 유속은 음향 도플러 유속계(ADV)로, 최종 세굴 지형은 레이저 디지털 포인트 게이지를 사용하여 정밀하게 측정했습니다.
핵심 발견: 주요 결과 및 데이터
결과 1: 세굴 깊이는 모래 입경과 교각 직경의 복합적인 함수
실험 결과, 동일한 차폐율과 상대 조도 조건에서도 모래의 종류에 따라 세굴 구멍의 형상과 깊이가 크게 달라지는 것을 확인했습니다. 특히 고운 모래(Fine, Medium-Fine)와 거친 모래(Medium-Coarse, Coarse) 사이에서 뚜렷한 거동 차이가 나타났습니다.
예를 들어, Series 1(D/B=5%, D/d50=25) 실험에서 고운 모래(Fine sand)의 정규화된 세굴 깊이(dse/D)는 2.04에 달했지만, 거친 모래(Coarse sand)에서는 0.69에 불과했습니다 (Table 4 참조). 이는 상대 조도(D/d50) 값이 같더라도, 절대적인 모래 입경과 교각 직경이 세굴 과정에 중요한 영향을 미친다는 것을 보여줍니다. 즉, 세굴 깊이는 단순히 두 변수의 비율만으로 설명될 수 없으며, 흐름 천이도(H/D)와 같은 다른 기하학적 매개변수와의 상호작용을 통해 결정됩니다.
결과 2: 흐름 천이도(H/D)와 상대 조도(D/d50)를 결합한 새로운 예측 모델 제안
연구진은 모든 실험 데이터를 종합 분석한 결과, 정규화된 세굴 깊이(dse/D)가 흐름 천이도(H/D)와 강한 상관관계를 보이며, H/D가 증가할수록 dse/D도 증가하는 경향을 발견했습니다(Figure 25). 하지만 이 관계만으로는 데이터의 분산을 완전히 설명할 수 없었습니다.
가장 중요한 발견은 흐름 천이도(H/D)와 상대 조도(D/d50)를 결합한 새로운 매개변수를 도입했을 때, 다양한 실험 조건의 데이터가 하나의 경향선으로 수렴된다는 점입니다(Figure 27). 이를 바탕으로 연구진은 다음과 같은 새로운 경험식을 제안했습니다.
이 식은 기존 모델보다 넓은 범위의 실험 조건에서 세굴 깊이를 더 일관되게 예측할 수 있는 가능성을 제시하며, 이는 교각 세굴 예측의 정확도를 한 단계 높일 수 있는 중요한 성과입니다.
R&D 및 운영을 위한 실질적 시사점
토목/수리 엔지니어: 본 연구에서 제안된 새로운 경험식(Eq. 10)은 교각의 최대 세굴 깊이를 예측하는 데 더 정교한 도구를 제공합니다. 이를 통해 기존의 과도하게 보수적인 설계를 피하고, 더 경제적이면서도 안전한 교량 기초 설계가 가능해질 수 있습니다.
교량 설계 컨설턴트: 상대 조도(D/d50)가 100 미만인 조건에서는 차폐율(D/B)이 세굴 깊이에 미치는 영향이 미미하다는 결론은, 특정 조건 하에서 초기 설계 변수를 단순화하고 해석의 효율성을 높이는 데 도움이 될 수 있습니다.
지반 공학팀: 고운 모래와 거친 모래 사이의 세굴 거동 차이가 명확하게 나타난 것은, 교량 건설 부지의 정확한 하상 토사 분석이 기초 안정성 평가에 얼마나 중요한지를 다시 한번 강조합니다. 현장 조사를 통해 얻은 정확한 입도 분포 데이터는 CFD 시뮬레이션의 신뢰도를 높이는 핵심 요소입니다.
논문 정보
Effects of blockage and relative coarseness on clear water bridge pier scour
1. 개요:
제목: Effects of blockage and relative coarseness on clear water bridge pier scour (차폐율과 상대 조도가 청수 조건 교각 세굴에 미치는 영향)
본 연구는 차폐율(blockage ratio)과 상대 조도(relative coarseness)가 교각 세굴 깊이에 미치는 영향을 분석하기 위해 실험실에서 청수(clear water) 조건의 교각 세굴 실험을 수행했다. 4가지 다른 모래 하상 재료에 대해 차폐율과 상대 조도를 일정하게 유지하고, 모든 실험에서 수심을 일정하게 유지했다. 흐름 천이도(flow shallowness)는 거친 두 퇴적물에서는 좁은 교각 범위의 값을, 고운 두 퇴적물에서는 매우 좁은 교각 범위의 값을 가졌다. 차폐율과 상대 조도는 세굴의 지배적인 요인이 아닌 기여 요인이 되도록 범위 내에서 유지하며 4배씩 증가시켰다. 세굴에 영향을 미치는 매개변수들을 평가하고 평형 세굴 깊이와 비교했다. 상대 조도와 흐름 천이도, 그리고 평형 세굴 깊이 간의 관계를 발견했다.
3. 서론:
교각 세굴은 특히 계절적 홍수가 발생하는 지역에서 교량 붕괴 및 손상의 주요 원인이 되어 왔으며, 오랫동안 엔지니어들의 주요 관심사였다. HEC-18 방정식과 같은 기존의 세굴 깊이 예측 공식들은 널리 사용되고 있지만, 종종 결과를 과대평가하여 지나치게 보수적인 기초 설계와 건설 비용 상승을 유발한다. 본 연구는 기존 공식에 포함되지 않은 매개변수(차폐율, 상대 조도)가 세굴 과정에 어떻게 기여하는지 실험을 통해 규명하고, 예측 방법의 정확도를 개선하는 것을 목표로 한다.
4. 연구 요약:
연구 주제 배경:
교각 세굴은 하천 흐름이 교각이라는 장애물과 상호작용하며 발생하는 국부적인 하상 저하 현상이다. 이로 인해 교량 기초가 노출되어 구조적 안정성을 위협할 수 있다.
기존 연구 현황:
많은 연구자들이 세굴 현상을 연구해왔으며, HEC-18, Sheppard-Melville 방법 등 다양한 예측 공식이 개발되었다. 그러나 이러한 공식들은 현장 특이성이 강하고, 특정 매개변수(예: 차폐율, 상대 조도)의 영향을 충분히 반영하지 못하여 예측에 한계가 있었다. 특히 Lee와 Sturm(2009)은 여러 연구 데이터를 종합하여 상대 조도(D/d50)가 세굴 깊이에 미치는 경향을 제시했으나, 다른 변수와의 상호작용은 여전히 불분명했다.
연구 목적:
본 연구의 목적은 다음과 같다. 1. 4가지 다른 비점착성 재료에 대해, 각 실험 시리즈별로 차폐율과 상대 조도를 일정하게 유지하며 청수 세굴 실험을 수행한다. 2. 동일한 매개변수 조건 하에서 4가지 모래에 대해 생성된 세굴 구멍의 크기, 모양, 깊이를 비교 분석하여 유사점을 찾는다. 3. 기존 예측 공식을 개선하거나 보완적인 매개변수를 도입하여 세굴 깊이 예측의 정확도를 높이고 세굴 과정을 더 잘 이해하는 데 기여한다.
핵심 연구:
차폐율(D/B)과 상대 조도(D/d50)가 세굴 깊이에 미치는 영향을 체계적으로 분석하는 것이 핵심이다. 특히, 이 두 변수를 일정하게 유지한 상태에서 모래 입경을 변화시키고, 이로 인해 변하는 흐름 천이도(H/D)와의 상호작용을 규명하고자 했다. 최종적으로는 이들 변수를 통합하여 세굴 깊이를 더 정확하게 설명할 수 있는 관계식을 도출하는 데 중점을 두었다.
5. 연구 방법론
연구 설계:
본 연구는 실험실 수조 실험을 통해 진행되었다. 연구는 두 단계(Phase 1, Phase 2)로 설계되었다. – Phase 1: 상대 조도의 영향을 독립적으로 평가하기 위해 다른 변수(차폐율, 흐름 천이도 등)를 고정했다. – Phase 2: 차폐율과 상대 조도를 4가지 다른 수준(Series 1~4)으로 설정하고, 각 수준에서 4가지 다른 모래를 사용하여 실험을 수행했다. 이를 통해 변수들 간의 상호작용을 체계적으로 분석했다.
Figure 5. Schematic of flume and cross section (D’Alessandro 2013)
데이터 수집 및 분석 방법:
데이터 수집: 유속은 음향 도플러 유속계(ADV)를 사용하여 측정했다. 각 실험은 평형 상태에 도달하도록 48시간 동안 진행되었으며, 실험 종료 후 수조의 물을 조심스럽게 배수하고 레이저 디지털 포인트 게이지와 2축 전동 트래버스 시스템을 이용해 세굴 구멍의 3차원 지형 데이터를 정밀하게 수집했다.
데이터 분석: 수집된 지형 데이터를 이용하여 세굴 구멍의 중심선 프로파일과 평면도를 작성했다. 교각 직경(D)으로 정규화된 무차원 변수(x/D, y/D, z/D)를 사용하여 결과를 비교 분석했다. 다양한 매개변수(D/d50, H/D 등)와 정규화된 평형 세굴 깊이(dse/D) 간의 관계를 그래프로 분석하여 경향성을 파악하고 새로운 경험식을 도출했다.
연구 주제 및 범위:
연구 주제: 차폐율과 상대 조도가 청수 조건 교각 세굴에 미치는 영향.
연구 범위:
비점착성 모래(중앙 입경 0.50mm ~ 2.41mm) 4종.
청수 조건(Clear-water scour, U/Uc < 1.0).
원형 교각.
차폐율(D/B): 5% ~ 15%.
상대 조도(D/d50): 25.4 ~ 76.3.
흐름 천이도(H/D): 0.7 ~ 9.3.
6. 주요 결과:
주요 결과:
상대 조도(D/d50)가 작은 값(<100)을 가질 때, 흐름 천이도(H/D)가 낮으면(<6) 모래의 중앙 입경이 세굴 깊이에 매우 중요한 영향을 미친다.
동일한 흐름 조건에서 교각 직경의 영향이 퇴적물 입자 크기보다 세굴 깊이에 더 큰 영향을 미친다.
상대 조도(D/d50)가 동일하더라도 흐름 천이도(H/D)가 변하면 세굴 깊이(dse/D)가 달라지므로, 상대 조도만으로는 세굴 거동을 완전히 설명할 수 없다.
상대 조도(D/d50)가 낮은 값(<100)을 가질 때, 차폐율은 국부 세굴 깊이에 미미한 영향을 미치는 것으로 나타났다.
흐름 천이도(H/D)와 상대 조도(D/d50)를 결합한 매개변수는 다양한 실험 조건에서 최대 세굴 깊이의 변화를 더 잘 설명할 수 있다.
Figure 8. Phase 1 – Plan View
그림 목록:
Figure 1. Scour process (hodi 2009)
Figure 2. Local scour variation with flow velocity (melville & coleman 2000)
Figure 3. Influence of sediment size d/d50 on local scour (lee and sturm 2009)
Figure 4. Influence of flow shallowness on local scour, previous studies
Figure 5. Schematic of flume and cross section (d’alessandro 2013)
Figure 6. V-notch weir pump calibration curve
Figure 7. Astm granulometric analysis
Figure 8. Phase 1 – plan view
Figure 9. Phase 1 – centreline scour profile
Figure 10. Influence of relative coarseness on local scour (phase 1)
Figure 11. Series 1 profile photos
Figure 12. Series 1 centreline profile graph
Figure 13. Series 1 plan view graph
Figure 14. Series 2 profile photos
Figure 15. Series 2 centreline profile graph
Figure 16. Series 2 plan view graph
Figure 17. Series 3 profile photos
Figure 18. Series 3 centreline profile graph
Figure 19. Series 3 plan view graph
Figure 20. Series 4 profile photos
Figure 21. Series 4 centreline profile graph
Figure 22. Series 4 plan view graph
Figure 23. Influence of pier diameter on local scour – phase 2
Figure 24. Influence of relative coarseness on local scour – phase 2
Figure 25. Influence of flow shallowness on local scour – phase 2
Figure 26. Influence of flow shallowness on local scour – multiple studies
Figure 27. Influence of (h/d)*(d/d50) on local scour
7. 결론:
본 연구는 상대 조도와 차폐율이 청수 조건 교각 세굴에 미치는 영향을 두 단계의 실험을 통해 조사했다. – 상대 조도(D/d50)가 100 미만이고 흐름 천이도(H/D)가 6 미만일 때, 모래 입경은 세굴 깊이에 상당한 영향을 미친다. – 입자 크기, 수심, 교각 직경은 세굴 형상과 깊이에 영향을 주며, 그 효과는 고운 모래에서 더 두드러진다. – 유사한 흐름 조건에서는 퇴적물 입자 크기보다 교각 직경이 세굴 깊이에 더 큰 영향을 미친다. – 흐름 천이도(H/D)가 변할 경우, 상대 조도(D/d50)만으로는 세굴 거동을 완전히 설명할 수 없다. – 낮은 상대 조도(D/d50 < 100)에서는 차폐율이 국부 세굴 깊이에 미치는 영향이 미미했다. – 흐름 천이도(H/D)와 상대 조도(D/d50)의 조합은 다양한 실험 조건에서 최대 세굴 깊이의 변화를 더 잘 설명하는 것으로 나타났다.
8. 참고 문헌:
Chiew, Y. (1984). “Local Scour at Bridge Piers”. Ph.D Thesis, Auckland: School of Engineering, University of Auckland, New Zealand.
D’Alessandro, C. (2013) “Effect of Blockage on Circular Bridge Pier Local Scour” Master of Applied Science Thesis, Faculty of Engineering, University of Windsor.
Dey, S., Raikar, R. (2007). “Characteristics of Horseshoe Vortex in Developing Scour Holes at Piers”. Journal of Hydraulic Engineering, 133(4), P 399-413.
Ettema, R., Melville, B.W., Barkdoll, B. (1998). “Scale Effect in Pier-Scour Experiments”. Journal of Hydraulic Engineering, 124(06), P 639-642.
Ettema, R., Kirkil, G., Muste, M. (2006). “Similitude of Large-Scale Turbulence in Experiments on Local Scour at Cylinders”. Journal of Hydraulic Engineering, 132(01), P 33-40.
Ettema, R., Constantinescu, G., Melville B. (2011) “Evaluation of Bridge Scour Research: Pier Scour Processes and Predictions”. National Cooperative Highway Research Program, Document 175. (NCHRP 175).
Federal Highway Administration. (2012), “Evaluating Scour at Bridges–Fifth Edition. Hydraulic Engineering Circular No. 18”. Report No. FHWA-HIF-12-003, U.S. Department of Transportation, Washington, D.C.
Hodi, B. (2009). “Effect of Blockage and Densimetric Froude Number on Circular Bridge Pier Local Scour”. Master of Applied Science Thesis, Faculty of Engineering, University of Windsor.
Lee, S., Sturm, T. (2009). “Effect of Sediment Size Scaling on Physical Modeling of Bridge Pier Scour”. Journal of Hydraulic Engineering, 135(10), P 793–802.
Melville, B. W., Sutherland, A. J. (1988) “Design Method for Local Scour at Bridge Piers”. Journal of Hydraulic Engineering, 114(10), P 1210–1226.
Melville, B. W. (1997). “Pier and Abutment Scour: Integrated Approach”. Journal of Hydraulic Engineering, 125(02), P 125–136.
Melville, B. W., Chiew, Y. (1999). “Time Scale for Local Scour at Bridge Piers”. Journal of Hydraulic Engineering, 125(01), P 59–65.
Melville, B. W., Coleman, S. (2000). “Bridge Scour”. Colorado: Water Resources Publications, Highlands Ranch, USA.
Nezu, I., Nakagawa, H. (1993). “Turbulence in Open-Channel Flows”. A.A. Balkema.
Ozturk, N., Azie, A., Besir, S. (2008). “Flow Details of a Circular Cylinder Mounted on a Flat Plate”. Journal of Hydraulic Research, 46(3), P 344-355.
Sheppard, D. M., Odeh, M., Glasser, T. (2004). “Large Scale Clear-Water Local Pier Scour Experiments” Journal of Hydraulic Engineering, 130(10), P 957-963.
Sheppard, D. M., Miller Jr., W. (2006). “Live-Bed Local Pier Scour Experiments”. Journal of Hydraulic Engineering, 132(07), P 635–642.
Sheppard, M., Demir, H., Melville, B.W. (2011). “Scour at Wide Piers and Long Skewed Piers,” NCHRP Report 682, Transportation Research Board of the National Academies, Washington D.C.
United States Department of the Interior Bureau of Reclamation. (1997) “Water Measurement Manual” A water Resources Technical Publication. Washington D.C., USA.
전문가 Q&A: 자주 묻는 질문
Q1: 2단계 실험에서 모든 실험의 수심을 120mm로 일정하게 유지한 특별한 이유가 있나요?
A1: 논문의 3.3절에 따르면, 이는 실험 장비인 펌프의 성능 제약 때문이었습니다. 일부 실험 조건에서는 요구되는 유속을 맞추기 위해 펌프의 한계를 초과하는 수심이 필요했습니다. 따라서 모든 변수를 통제하기 위해 모든 2단계 실험에서 수심(H)을 120mm로 고정하기로 결정했습니다. 이로 인해 각 실험의 흐름 천이도(H/D)와 종횡비(B/H)는 달라지게 되었고, 연구진은 이러한 변화가 세굴 과정에 미치는 영향을 분석할 수 있었습니다.
Q2: 상대 조도(D/d50)가 100 미만일 때 차폐율의 영향이 미미하다고 결론 내렸는데, 이는 어떻게 확인되었나요?
A2: 이 결론은 2단계 실험 결과의 종합적인 분석을 통해 도출되었습니다. Figure 25를 보면, 차폐율(D/B)과 상대 조도(D/d50)가 다른 여러 데이터 포인트들이 유사한 흐름 천이도(H/D) 값 근처에 흩어져 있지만, 전반적으로는 H/D와 세굴 깊이(dse/D) 사이의 뚜렷한 경향성을 따릅니다. 이는 1 < H/D < 6 범위 내에서 차폐율이나 상대 조도의 변화보다는 흐름 천이도의 변화가 세굴 깊이에 더 지배적인 영향을 미친다는 것을 시사합니다.
Q3: 본 연구에서 제안한 새로운 예측식(Eq. 10)의 가장 큰 의의는 무엇인가요?
A3: 가장 큰 의의는 기존에 개별적으로 고려되던 두 가지 중요한 무차원 변수인 흐름 천이도(H/D)와 상대 조도(D/d50)를 하나의 통합된 매개변수로 결합했다는 점입니다. Figure 27에서 볼 수 있듯이, 이 새로운 매개변수를 사용했을 때 다양한 실험 조건에서 얻어진 데이터들이 하나의 명확한 경향선으로 수렴했습니다. 이는 이 식이 더 넓은 범위의 조건에 대해 교각 세굴 깊이를 일관성 있게 예측할 수 있는 잠재력을 가지고 있음을 의미하며, 예측 모델의 일반성과 정확성을 높이는 중요한 진전입니다.
Q4: 이 연구는 서론에서 언급된 ‘예측의 과대평가’ 문제를 어떻게 해결하는 데 기여할 수 있나요?
A4: 본 연구는 세굴 깊이가 단일 변수가 아닌 여러 변수들의 복합적인 상호작용에 의해 결정된다는 것을 보여줍니다. 특히 흐름 천이도와 상대 조도의 결합 효과를 정량화한 새로운 공식을 제안함으로써, 기존 공식보다 더 세밀하고 정확한 예측을 가능하게 합니다. 이러한 정밀도 향상은 불필요하게 보수적인 안전율을 줄여, 결과적으로 더 경제적이고 합리적인 교량 기초 설계로 이어져 ‘과대평가’ 문제를 완화하는 데 기여할 수 있습니다.
Q5: 연구가 ‘청수 조건(clear-water)’에서 수행되었는데, 하상 재료가 활발히 이동하는 ‘이동상 조건(live-bed)’에서는 결과가 어떻게 달라질 수 있을까요?
A5: 논문의 2.2.5절에서는 이동상 세굴을 유속이 임계 유속보다 높아 하상 입자가 지속적으로 이동하는 조건으로 정의합니다. 본 연구에서 다루지는 않았지만, 이동상 조건에서는 세굴 구멍으로 유입되는 토사량과 유출되는 토사량이 평형을 이루는 메커니즘으로 세굴 깊이가 결정됩니다. 따라서 청수 조건에서와 같이 세굴이 점근적으로 최대 깊이에 도달하는 것과는 다른 양상을 보일 것이며, 본 연구의 결과를 직접 적용하기보다는 이동상 조건의 특성을 추가로 고려한 분석이 필요할 것입니다.
결론: 더 높은 품질과 생산성을 향한 길
교량 설계에서 교각 세굴 깊이를 과도하게 예측하는 문제는 비용 상승과 직결되는 오랜 난제였습니다. 본 연구는 흐름 천이도(H/D)와 상대 조도(D/d50)의 상호작용을 규명하고 이를 통합한 새로운 예측 모델을 제시함으로써, 이 문제에 대한 중요한 해결책을 제시합니다. 이 연구 결과는 CFD 시뮬레이션에 적용되어 더 정확하고 신뢰성 높은 세굴 예측을 가능하게 하며, 궁극적으로 더 안전하고 경제적인 사회 기반 시설 구축에 기여할 것입니다.
STI C&D는 최신 산업 연구 결과를 적용하여 고객이 더 높은 생산성과 품질을 달성할 수 있도록 돕는 데 전념하고 있습니다. 이 논문에서 논의된 과제가 귀사의 운영 목표와 일치한다면, 저희 엔지니어링 팀에 연락하여 이러한 원칙을 귀사의 프로젝트에 어떻게 적용할 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.
연락처 : 02-2026-0442
이메일 : flow3d@stikorea.co.kr
저작권 정보
이 콘텐츠는 Sebastian Tejada의 논문 “Effects of blockage and relative coarseness on clear water bridge pier scour”를 기반으로 한 요약 및 분석 자료입니다.
이 기술 요약은 K.N.C. Karunarathna, L. Hart, T. McGrath가 2014년 5th International Symposium on Hydraulic Structures에 발표한 논문 “[Detailed Two-dimensional Modelling of a Complex Bridge Arrangement – McKinlay River No. 2 Bridge, Alice Springs to Darwin Railway]”를 기반으로 합니다. STI C&D의 기술 전문가에 의해 분석 및 요약되었습니다.
The Challenge: 복잡한 유동 기하학으로 인해 McKinlay 강 2번 교량의 교각 주변에서 심각한 세굴이 발생하여 구조적 안정성을 위협했습니다.
The Method: 복잡한 유동 패턴을 분석하고 세굴 방지 대책을 평가하기 위해 상세한 2차원(2D) 유체 역학 SOBEK 모델을 개발했습니다.
The Key Breakthrough: 2D 모델은 교각 주변의 고속 유동 구역을 정확하게 매핑했으며, 이를 통해 4가지 완화 옵션을 평가한 결과 암석 보호 공법이 가장 효과적인 해결책임을 입증했습니다.
The Bottom Line: 상세한 2D 유체 역학 모델링은 전통적인 1D 접근 방식보다 우수하며, 복잡한 교량 구조물의 효과적이고 최적화된 세굴 방지 설계를 위한 중요하고 실행 가능한 데이터를 제공합니다.
The Challenge: Why This Research Matters for CFD Professionals
앨리스 스프링스-다윈 철도 프로젝트의 일부로 건설된 McKinlay 강 2번 교량은 2006년부터 2008년까지의 홍수 기간 동안 교각 주변에서 심각한 세굴 현상을 겪었습니다. 현장은 강이 상당한 각도를 이루며 교량에 접근하고, 신규 구조물 바로 상류에 위치한 기존 철도 교량의 잔해가 유동을 복잡하게 만드는 특수한 기하학적 구조를 가지고 있었습니다. 유동이 주하천, 철도 제방의 남북 양측 등 세 방향에서 접근하면서 심각한 난류가 관찰되었고, 임시 보수 작업은 효과가 없었습니다. 이러한 상황은 교량의 장기적인 안정성에 대한 심각한 우려를 낳았으며, 정밀한 분석과 효과적인 해결책 설계가 시급한 과제였습니다.
The Approach: Unpacking the Methodology
이 문제를 해결하기 위해 연구팀은 다단계 모델링 접근법을 채택했습니다.
수문 모델링 (Hydrology): 먼저, 교량까지의 352 km² 집수 지역에 대해 XP-RAFTS 모델을 개발하여 유량을 산정했습니다. 이 모델은 4개의 실제 홍수 사상(2002, 2006, 2007, 2008년)에 대해 보정되었으며, 53년간의 유량 데이터를 기반으로 한 홍수 빈도 분석을 통해 신뢰도를 높였습니다.
2D 유체 역학 모델링 (Hydrodynamic Modelling): Delft 사의 SOBEK 소프트웨어를 사용하여 상세한 2D 유체 역학 모델을 구축했습니다. 모델링 영역은 교량을 중심으로 상류 및 하류 약 2km를 포함했습니다. 특히, 교량 주변의 상세한 유동을 분석하기 위해 중첩 격자(nested grid) 기법을 사용했습니다. 교량 부근에는 2m의 조밀한 격자를, 그 외 지역에는 6m 격자를 적용했습니다.
구조물 모델링: 복잡한 유동을 정확히 모사하기 위해, 교각과 같은 수직 장애물로 인한 저항을 고려하는 SOBEK의 벽 마찰(wall friction) 항을 활용하여 교각을 2D 도메인에 직접 삽입했습니다. 이는 기존의 1D 교량 요소 모델링 방식이 복잡한 현장 조건에서 유속을 왜곡하는 문제를 해결하기 위함이었습니다. 모델은 2007년과 2008년의 실제 홍수 데이터를 사용하여 보정되었습니다.
Figure 2 – McKinlay River – New (Concrete) and Old Bridges
The Breakthrough: Key Findings & Data
상세한 2D 모델링을 통해 연구팀은 세굴 문제의 핵심 원인을 파악하고, 데이터에 기반한 최적의 해결책을 도출할 수 있었습니다.
Finding 1: 고위험 세굴 구역의 정밀한 시각화
100년 빈도 홍수(1% AEP)에 대한 기본 모델 시뮬레이션 결과, 교각 주변과 교각 사이에서 발생하는 고속 유동 구역이 명확하게 나타났습니다(Figure 6). 이 상세한 유속 분포 지도는 세굴 위험이 가장 큰 위치를 정확히 식별하게 해주었으며, 이는 표적화된 보호 공법을 설계하는 데 결정적인 정보를 제공했습니다. 2D 모델링은 유동 패턴에 대한 높은 신뢰도를 부여하여 설계의 정확성을 높였습니다.
Finding 2: 대안적 구조 변경의 비효율성 입증
연구팀은 세굴을 줄이기 위한 4가지 대안을 모델링하여 비교 분석했습니다. 1. 좌측 제방 제거: 유속 변화가 거의 없었습니다. 2. 구 교량 및 교대 제거: 구 교량 위치 주변에서는 유속이 다소 감소했으나, 신규 교량에 도달할 때쯤에는 그 효과가 미미했습니다. 3. 고수위 암거 설치: 교량에서의 유속을 약 10-20% 감소시켰으나, 추가적인 구조물 건설 비용과 철도 운행 중단 가능성으로 인해 비경제적인 것으로 판단되었습니다. 4. 유도벽(Training walls) 설치: 오히려 특정 지역의 유속을 크게 증가시켜 세굴 문제를 악화시킬 수 있는 것으로 나타났습니다.
이러한 비교 분석(Figures 7-10)은 대규모 구조 변경이 비용 대비 효과가 없음을 명확히 보여주었고, 기존 구조를 유지하면서 직접적인 세굴 방지 공법을 적용하는 것이 가장 합리적인 해결책임을 데이터로 입증했습니다.
Practical Implications for R&D and Operations
본 연구 결과는 교량 및 수리 구조물 설계, 유지보수와 관련된 다양한 분야의 전문가들에게 중요한 시사점을 제공합니다.
For Hydraulic Engineers: 복잡한 기하학적 구조를 가진 현장에서는 전통적인 1D 모델보다 2D 유체 역학 모델이 세굴 방지 설계에 훨씬 더 가치 있는 정보를 제공함을 보여줍니다. 고속 유동 구역을 정밀하게 식별하여 보호 공법의 범위와 규모를 최적화할 수 있습니다.
For Structural Integrity Teams: 모델을 통해 예측된 고속 유동 영역은 암석 개비온/매트리스와 같은 보호 공법을 가장 필요한 곳에 집중적으로 적용할 수 있게 하여 구조물의 장기적인 안정성을 보장합니다. 실제로 본 연구를 통해 설계된 보호 공법은 이후 여러 차례의 홍수에도 성공적으로 기능을 수행했습니다.
For Project Managers: 모델링을 통한 옵션 분석은 구 교량 철거나 암거 신설과 같은 비효율적인 대규모 구조 변경을 피하게 함으로써 상당한 비용을 절감할 수 있게 합니다. 상세한 유속 데이터에 기반하여 가장 경제적이고 효과적인 해결책을 선택할 수 있도록 지원합니다.
Paper Details
Detailed Two-dimensional Modelling of a Complex Bridge Arrangement – McKinlay River No. 2 Bridge, Alice Springs to Darwin Railway
1. Overview:
Title: Detailed Two-dimensional Modelling of a Complex Bridge Arrangement – McKinlay River No. 2 Bridge, Alice Springs to Darwin Railway
Author: K.N.C. Karunarathna, L. Hart, and T. McGrath
Year of publication: 2014
Journal/academic society of publication: 5th International Symposium on Hydraulic Structures
앨리스 스프링스-다윈 철도 프로젝트는 앨리스 스프링스와 다윈 사이에 1420km의 새로운 표준궤 선로를 건설하는 사업으로, McKinlay 강 2번 교량이 포함되었습니다. 2006, 2007, 2008년 홍수 기간 동안 McKinlay 강 2번 교량 교각 주변에서 심각한 세굴이 발생하여 구조물의 지속적인 안정성에 대한 우려가 제기되었습니다. 현장은 강이 상당한 각도로 교차점에 접근하고 신규 구조물 바로 상류에 기존 철도 교량의 잔해가 있는 등 복잡한 기하학적 구조를 가지고 있습니다. 이 복잡한 배치 때문에, 현장의 세굴 방지 공법 설계를 위해 교차점의 상세한 2D 유체 역학 SOBEK 모델이 개발되었습니다. 이 모델은 세굴 가능성을 줄이기 위한 여러 옵션을 분석하는 데 사용되었으며, 현장 조건에 맞게 세굴 방지 공법을 최적화할 수 있었습니다. 설계된 보호 공법은 2011년에 건설되었으며, 이후 여러 차례의 유동 사상에서 성공적으로 기능을 수행했습니다.
3. Introduction:
앨리스 스프링스-다윈 철도 프로젝트의 일환으로 건설된 McKinlay 강 2번 교량에서 2006년부터 2008년까지의 홍수 기간 동안 심각한 세굴이 관찰되었습니다. 교량 하부까지 수위가 상승하고 교량 근처에서 심한 난류와 와류 효과가 관찰되었으며, 일부 교각에서는 약 3m의 세굴이 확인되었습니다. 현장은 강이 비스듬히 접근하고 상류에 구 교량이 위치하는 등 기하학적으로 복잡합니다. 유동이 세 방향에서 접근하여 상호작용하면서 상당한 난류가 발생했습니다. 이러한 복잡성 때문에, 옵션을 평가하고 세굴 방지 설계를 지원하기 위해 상세한 2D 유체 역학 모델이 개발되었습니다.
4. Summary of the study:
Background of the research topic:
앨리스 스프링스-다윈 철도에 위치한 McKinlay 강 2번 교량은 반복되는 홍수로 인해 교각 주변에 심각한 세굴이 발생하여 구조적 안정성에 위협을 받았습니다.
Status of previous research:
세굴 발생 후 임시 보수 공사가 시행되었으나 효과가 없었으며, 문제의 근본적인 원인인 복잡한 수리 현상에 대한 이해가 필요했습니다.
Purpose of the study:
상세한 2D 유체 역학 모델을 개발하여 복잡한 유동 패턴을 분석하고, 이를 바탕으로 효과적이고 최적화된 세굴 방지 공법을 설계하는 것을 목표로 했습니다.
Core study:
XP-RAFTS를 이용한 수문 분석과 SOBEK을 이용한 2D 유체 역학 모델링을 수행했습니다. 모델을 실제 홍수 사상에 대해 보정한 후, 현 상태(Base Case)의 유동 특성을 분석하고, 제방 제거, 구 교량 철거, 암거 설치, 유도벽 설치 등 4가지 대안 옵션의 효과를 시뮬레이션을 통해 비교 평가했습니다.
5. Research Methodology
Research Design:
수치 모델링을 이용한 사례 연구로, 실제 현장의 복잡한 수리 문제를 해결하기 위해 상세 모델을 구축하고 검증하는 방식으로 진행되었습니다.
Data Collection and Analysis Methods:
수문 데이터: Burrundie 인근의 McKinlay 강 수위 관측소(G8180069)에서 53년간 축적된 데이터를 활용하여 홍수 빈도 분석을 수행했습니다.
지형 데이터: 프로젝트를 위해 의뢰된 지상 측량 데이터를 기반으로 2D 모델 격자를 생성했습니다. 측량 데이터에는 교량 주변의 상세 지형과 하천 단면 정보가 포함되었습니다.
모델 보정: 2007년과 2008년에 발생한 실제 홍수 사상 당시의 관측 수위 데이터를 사용하여 모델을 보정했습니다.
Research Topics and Scope:
연구 범위는 McKinlay 강 2번 교량 주변의 국부적인 수리 현상 분석에 초점을 맞췄습니다. 수문학적 분석, 2D 유체 역학 모델 개발 및 보정, 다양한 세굴 방지 대안의 수리학적 효과 평가를 포함했습니다.
6. Key Results:
Key Results:
2D 모델은 교각 주변의 고속 유동 영역을 성공적으로 시각화하여 세굴의 주요 원인을 명확히 규명했습니다.
4가지 대안 옵션(제방 제거, 구 교량 철거, 암거 설치, 유도벽 설치)을 평가한 결과, 직접적인 암석 보호 공법을 적용하는 기본 옵션에 비해 상당한 이점을 제공하는 대안은 없는 것으로 결론 내렸습니다.
특히 유도벽 설치(Option 4)는 유속을 악화시킬 수 있으며, 구 교량 철거(Option 2)는 수리학적 이점이 미미한 것으로 나타났습니다.
암거 설치(Option 3)는 유속 감소 효과는 있었으나 경제성이 부족했습니다.
최종적으로, 모델링 결과를 바탕으로 암석 보호 공법(dumped rock, gabion, reno mattress 등)이 최적의 해결책으로 결정되었습니다.
Figure List:
Figure 1 – The Project Study Area
Figure 2 – McKinlay River – New (Concrete) and Old Bridges
Figure 3 – XP Rafts Model
Figure 4 – Erroneous Flow Velocities at Bridge Structure – using 1-D Bridge Elements
Figure 5 – Flood Level at McKinlay River Bridge (Feb 2007) & IFD Plot for Pine Creek Rainfall
Figure 7 – Option 1 (1% AEP Peak Velocity and Change in Velocity)
Figure 8 – Option 2 (1% AEP Peak Velocity and Change in Velocity)
Figure 9 – Option 3 (1% AEP Peak Velocity and Change in Velocity)
Figure 10 – Option 4 (1% AEP Peak Velocity and Change in Velocity)
Figure 11 – Scour Protection Design and Completed Scour Protection Work
7. Conclusion:
본 논문은 2D 유체 역학 모델이 교량의 국부적인 세굴 방지 설계에 유용한 정보를 제공하기 위해 2D로 완전히 모델링될 수 있음을 보여줍니다. 상세한 2D 모델링에서 얻은 유속 분포 지도는 교각 주변과 사이에서 고속 유동이 발생하는 위치와 그 범위를 명확히 보여주어 이해하기 쉽습니다. 이러한 접근법을 전통적인 1D 접근법과 비교하여 검증하는 것이 강력히 권장되며, 국부적인 난류와 같은 문제를 반영하는 데 있어 2D 모델의 한계를 고려하여 정보를 사용해야 함이 강조됩니다. 모델을 통해 여러 대안 옵션을 평가한 결과, 암석 개비온/매트리스 접근법이 최상의 옵션으로 결론 내려졌습니다. 이 설계는 2011년에 시공되었으며, 이후 여러 차례의 홍수에서도 성공적으로 기능을 수행했습니다.
8. References:
ADrail Design & Construction Joint Venture (AD&C-JV) (2003) Alice Springs – Darwin Railway Project Design Report 225 Hydrology -Katherine Section, 9 Aug 2003
Chow, VT (1959), Open-channel hydraulics; McGraw-Hill, New York, NY
Deltras, (2012) SOBEK Hydrodynamic, Rainfall Runoff and Real Time Control –User Manual, Deltares Rotterdamseweg, Delft June 2012 pp 497
Department of Main Roads (2002), Road Drainage Design Manual, Queensland Department of Main Roads, Brisbane, June 2002
Hargraves G (2005) Rainfall application 1.0 user manual – Estimation of Rare Design.
Department of Natural Resources and Mines (2004) Rainfall events in Queensland, Australia.
KBR (2009) McKinlay River No 2 Bridge – Pier No 3 investigation, November 2009.
KBR (2011) McKinlay River No 2 Bridge – Scour protection work, Feb 2011.
US Army Corps of Engineers (2008), HEC-RAS River System Analysis – Hydraulic Reference Manual, US Army Corps Davis, CA, March 2008, 6:23-27.
Expert Q&A: Your Top Questions Answered
Q1: 이 교량 분석에 전통적인 1D HEC-RAS 모델 대신 2D SOBEK 모델을 선택한 주된 이유는 무엇입니까?
A1: 현장의 복잡한 기하학적 구조 때문입니다. 강이 교량에 비스듬히 접근하고, 상류에 위치한 구 교량의 영향으로 유동이 세 방향에서 합류하여 심한 난류를 유발했습니다. 논문의 Figure 4에서 볼 수 있듯이, 1D 교량 요소를 사용했을 때 유속이 심각하게 왜곡되는 현상이 나타났습니다. 교각 저항을 고려할 수 있는 SOBEK의 2D 모델은 이러한 복잡한 유동을 훨씬 더 안정적이고 현실적으로 모사할 수 있었기 때문에 선택되었습니다.
Q2: 논문에서 2007년 홍수 사상에 대한 모델 보정 결과가 좋지 않았다고 언급했는데, 이것이 모델 예측의 신뢰도에 어떤 영향을 미쳤습니까?
A2: 논문은 이 한계를 인정하고 있습니다. 2007년 보정 결과가 좋지 않았던 것은 당시 기록된 강우량이 실제보다 과소평가되었기 때문일 수 있다고 추정했습니다. 하지만 연구의 주요 목적이 세굴 방지를 위한 ‘유속’ 분석이었기 때문에, 관측 수위에 억지로 맞추기 위해 비현실적으로 높은 조도계수를 사용하면 오히려 유속이 비보수적으로(낮게) 계산될 위험이 있었습니다. 따라서 연구팀은 결과적인 유속 분포가 여러 대안을 ‘비교 평가’하는 데 합리적이라고 판단하고 모델을 사용했습니다.
Q3: 교각을 1D 교량 요소 대신 2D 도메인에 직접 모델링한 이유는 무엇입니까?
A3: 이는 현장의 복잡한 유동 특성을 정확하게 반영하기 위함이었습니다. 서론과 3.1절에서 언급했듯이, 강이 비스듬히 흐르고 주변 지형이 복잡하여 1D 요소로는 교각 주변의 국부적인 유동 가속 및 방향 변화를 제대로 표현할 수 없었습니다. 교각을 2D 격자 내 장애물(벽 마찰 항 사용)로 직접 삽입함으로써, 교각 주위를 둘러싸고 흐르는 유동을 더 현실적으로 시뮬레이션하고, 그로 인한 유속 변화를 정밀하게 분석할 수 있었습니다.
Q4: 옵션 2는 문화유산으로 등재된 구 교량을 철거하는 방안이었습니다. 실현 가능성은 낮았지만, 모델상으로 수리학적 이점이 크게 나타났습니까?
A4: 그렇지 않았습니다. 5(ii)절에 따르면, 구 교량을 제거했을 때 그 주변에서는 일부 유속 감소 효과가 나타났지만, 유동이 신규 교량에 도달할 때쯤에는 그 영향이 미미했습니다. 즉, 순수하게 수리학적 관점에서 보더라도 구 교량 철거가 제공하는 이점은 그 비용과 가치를 상쇄할 만큼 크지 않았습니다.
Q5: 결론에서 2D 모델이 국부적인 난류를 반영하는 데 한계가 있다고 언급했습니다. 최종 세굴 방지 설계에서 이 점은 어떻게 보완되었습니까?
A5: 5절에서 이 문제를 다루고 있습니다. 2D 모델링이 전반적인 유속 분포에 대해서는 높은 신뢰도를 제공하지만, 국부적인 와류나 난류와 같은 미세한 특징까지는 포착하지 못할 수 있음을 인지했습니다. 이러한 불확실성을 보완하기 위해, 모델링된 유속을 기반으로 암석 보호공을 설계할 때 ‘안전율(factor of safety)’을 적용할 것을 권장했습니다. 이는 모델의 한계를 고려하여 설계를 더 보수적으로 수행하기 위함입니다.
Conclusion: Paving the Way for Higher Quality and Productivity
복잡한 유동 조건으로 인한 교량 세굴 문제는 구조물의 안전을 위협하는 심각한 과제입니다. 본 연구는 상세한 2D 유체 역학 모델링이 이러한 문제의 핵심 원인인 유속 분포를 정밀하게 파악하고, 데이터에 기반한 효과적인 해결책을 도출하는 데 얼마나 강력한 도구인지를 명확히 보여주었습니다. 비용이 많이 드는 비효율적인 구조 변경 대신, 정밀한 교량 세굴 해석을 통해 최적화된 암석 보호 공법을 적용함으로써 안전과 경제성을 모두 확보할 수 있었습니다.
(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.
연락처 : 02-2026-0442
이메일 : flow3d@stikorea.co.kr
Copyright Information
This content is a summary and analysis based on the paper “Detailed Two-dimensional Modelling of a Complex Bridge Arrangement – McKinlay River No. 2 Bridge, Alice Springs to Darwin Railway” by “K.N.C. Karunarathna, L. Hart, and T. McGrath”.
이 기술 요약은 Violaine Dugué, Elham Izadinia, Sylvain Rigaud & Anton J. Schleiss가 발표한 “[PRELIMINARY STUDY ON THE INFLUENCE OF AN AIR-BUBBLE SCREEN ON LOCAL SCOUR AROUND A BRIDGE PIER]” 논문을 기반으로 하며, STI C&D의 기술 전문가에 의해 분석 및 요약되었습니다.
도전 과제: 교각 주변에 발생하는 하향 흐름과 말굽 와류(horseshoe vortex)는 교각 기초의 안정성을 위협하는 국부 세굴(local scour)을 유발합니다.
연구 방법: 교각 상류에 설치된 칼라(collar)에서 생성된 에어 버블 스크린이 하향 흐름을 상쇄하는 효과를 검증하기 위해 수조에서 물리적 축소 모형 실험을 수행했습니다.
핵심 발견: 최적으로 설계된 버블 스크린, 특히 초기 하상면보다 5cm 아래에 매설된 경우, 보호되지 않은 교각에 비해 최대 세굴 깊이를 최대 39%까지 감소시킬 수 있었습니다.
핵심 결론: 에어 버블 스크린은 국부 세굴을 효과적으로 제어하고 교량 기초의 안전성과 수명을 향상시키는 제어 가능하고 가역적인 혁신적 대책이 될 수 있습니다.
도전 과제: 이 연구가 CFD 전문가에게 중요한 이유
교량의 안전은 교각 기초의 안정성에 달려 있습니다. 그러나 교각과 강물의 상호작용은 교각 주변에 국부적인 세굴을 유발하여 기초를 약화시키고, 심각한 경우 교량 붕괴로 이어질 수 있습니다. 이 세굴 현상의 주원인은 교각 전면에서 발생하는 강한 하향 흐름과, 이로 인해 증폭되는 말굽 와류(horseshoe vortex)입니다.
기존에는 사석(riprap)을 이용한 하상 보호나 교각 주변에 넓은 칼라를 설치하는 등 “하드 엔지니어링(hard engineering)” 방식의 대책이 주로 사용되었습니다. 이러한 방법들은 효과적일 수 있으나, 대규모의 영구적인 구조물 설치를 필요로 하며 생태계에 미치는 영향이 크고 비가역적이라는 단점이 있습니다. 따라서 더 유연하고, 제어 가능하며, 친환경적인 새로운 세굴 방지 기술에 대한 필요성이 꾸준히 제기되어 왔습니다. 본 연구는 이러한 산업적 요구에 부응하여 ‘에어 버블 스크린’이라는 새로운 해법의 잠재력을 탐구합니다.
연구 접근법: 방법론 분석
본 연구는 스위스 로잔 연방 공과대학교(EPFL)의 수리 건설 연구소에 있는 길이 29m, 폭 2.5m의 직사각형 수로에서 수행되었습니다. 연구진은 실제와 유사한 흐름 조건을 모사하여 에어 버블 스크린의 효과를 정밀하게 측정했습니다.
실험 장치: 직경 0.162m의 원형 교각 모형을 수로 중앙에 설치했습니다.
하상 재료: 평균 입경 2.1mm의 균일한 모래를 사용하여 실제 하천의 침식 가능한 하상 조건을 재현했습니다.
버블 스크린 생성: 교각 상류 측에 연결된 반원형 칼라에 직경 4mm의 구멍 9개로 이루어진 3개의 열을 배치하고, 압축 공기 시스템을 통해 버블을 생성했습니다.
주요 변수:
유량 및 공기 주입량: 다양한 수리 조건과 버블 강도에 따른 효과를 분석했습니다.
버블 스크린 위치: 교각으로부터의 수평 거리(0.01, 0.02, 0.03m)와 수직 위치(초기 하상면, 하상면 5cm 아래 매설)를 변경하며 최적의 조건을 탐색했습니다.
측정 방법: 각 실험은 평형 상태에 가까운 세굴 지형을 얻기 위해 약 56시간 동안 연속적으로 진행되었으며, 실험 종료 후 Mini Echo Sounder를 사용하여 최종 하상 지형을 정밀하게 측정했습니다.
핵심 발견: 주요 결과 및 데이터
실험 결과, 에어 버블 스크린은 교각 주변의 국부 세굴을 줄이는 데 매우 효과적인 것으로 나타났습니다. 특히 설치 위치와 작동 조건에 따라 그 효과가 극대화되었습니다.
결과 1: 매설된 버블 스크린, 최대 39%의 세굴 깊이 감소 효과
가장 주목할 만한 결과는 버블 스크린을 초기 하상면보다 5cm 아래에 매설했을 때 나타났습니다.
매설된 칼라 + 버블 스크린(Figure 2f): 최대 세굴 깊이가 9.5cm로 측정되어, 참조 실험 대비 39%의 감소율을 보였습니다. 이는 버블이 생성하는 상향 흐름이 교각 전면의 강력한 하향 흐름을 효과적으로 상쇄했음을 의미합니다. 단순히 칼라만 매설한 경우(Figure 2e)와 비교했을 때, 버블 스크린의 역할이 세굴 감소에 결정적이었음을 명확히 보여줍니다.
Figure 1: (left) General view of the channel (from Istiarto, 2001), (right) Photography of the pier with the collar and the bubble screen generation system
Figure 2: (a) 참조 실험, (c) 칼라, (d) 칼라+버블, (e) 매설된 칼라, (f) 매설된 칼라+버블 실험 후의 하상 지형 등고선. (b) 수로 중심선을 따른 하상 경사 변화. 매설된 칼라와 버블 스크린을 함께 사용한 경우(f) 세굴 깊이가 가장 효과적으로 감소했습니다.
결과 2: 최적화된 세굴공 형상 제어
버블 스크린은 세굴의 깊이뿐만 아니라 공간적 범위(spatial extent)를 제어하는 데에도 뛰어난 성능을 보였습니다.
하상면에 칼라를 설치하고 버블 스크린을 가동한 경우(Figure 2d), 세굴 범위가 교각 상류 25cm, 하류 20cm로 크게 줄어들었습니다. 최대 세굴 깊이 감소율은 13%였지만, 세굴의 전체적인 확산을 억제하는 효과가 뛰어났습니다.
이는 영구적인 구조물 설치를 최소화하면서도 세굴을 효과적으로 관리할 수 있는 실용적인 대안이 될 수 있음을 시사합니다.
R&D 및 운영을 위한 실질적 시사점
본 연구 결과는 교량 설계, 유지보수 및 환경 관리 분야의 전문가들에게 중요한 통찰을 제공합니다.
토목/수리 엔지니어: 본 연구는 최적의 위치(수평 및 수직)에 설치되고 정밀하게 보정된(공기 주입량) 버블 스크린이 효과적인 비영구적 세굴 방지 대책이 될 수 있음을 보여줍니다. 최대 40%의 세굴 깊이 감소 효과는 교량 기초 설계 및 유지보수 전략 수립에 있어 중요한 데이터가 될 것입니다.
환경 계획가: 논문에 따르면 버블 스크린은 사석이나 대형 칼라 같은 “하드 엔지니어링” 방식에 비해 생태학적(산소 공급), 가역적, 비영구적이라는 장점이 있습니다. 이는 민감한 수생 환경에서 세굴 방지를 위한 보다 친환경적인 선택지를 제공합니다.
프로젝트 관리자: 하상면에 작은 폭의 칼라를 설치하는 구성(Configuration 3)은 실용적인 최적의 방안을 제시합니다. 세굴 범위를 크게 줄이고 깊이를 적절히 감소시키면서(13%), 매설 구조물에 비해 고정적이고 영구적인 시공을 줄여 비용과 환경 영향을 최소화할 수 있습니다.
논문 상세 정보
PRELIMINARY STUDY ON THE INFLUENCE OF AN AIR-BUBBLE SCREEN ON LOCAL SCOUR AROUND A BRIDGE PIER
1. 개요:
제목: PRELIMINARY STUDY ON THE INFLUENCE OF AN AIR-BUBBLE SCREEN ON LOCAL SCOUR AROUND A BRIDGE PIER (교각 주변 국부 세굴에 대한 에어 버블 스크린의 영향에 관한 예비 연구)
저자: Violaine Dugué, Elham Izadinia, Sylvain Rigaud & Anton J. Schleiss
발표 연도: 명시되지 않음
발표 학회/기관: provided by Infoscience – École polytechnique fédérale de Lausanne
교각과 이동상 하천 바닥의 상호작용은 교각 기초를 위협할 수 있는 국부 세굴을 야기합니다. 이 세굴은 하향 흐름에 의해 시작되고 소위 말굽 와류에 의해 증폭됩니다. 교각 주변의 세굴을 줄이기 위한 새로운 방법이 예비 실험을 통해 평가되었습니다. 교각 상류에 위치한 버블 스크린은 하향 흐름을 상쇄하고 세굴의 시작을 방지할 수 있습니다. 실험은 clear-water 세굴 조건 하에서 교각의 물리적 축소 모형을 사용하여 얕은 수로에서 수행되었습니다. 버블 스크린은 교각에 연결되고 압축 공기 시스템에 연결된 칼라를 통해 생성됩니다. 다양한 물과 공기 유량이 테스트되었으며, 버블 스크린의 수직 및 수평 위치도 조사되었습니다. 각 실험에 대해 최종 하상 지형이 측정되었고 버블 스크린이 없는 참조 실험과 비교되었습니다. 장기 실험(약 56시간)을 통해 잘 설계된 버블 스크린이 교각 주변의 국부 세굴을 줄일 수 있음이 밝혀졌습니다.
3. 서론:
교각, 접근 유동, 그리고 침식 가능한 하상 간의 상호작용은 기초의 안정성을 위협하는 국부 세굴을 초래합니다. 교각의 존재는 3차원 난류를 생성하며, 이는 하상에 충돌하여 세굴을 발생시키는 하향 속도와 세굴 효과를 증폭시키는 말굽 와류로 특징지어집니다. 이전 연구에 따르면, 교각 국부 세굴은 교각 면에 평행한 수직 흐름(유량 및 속도)의 크기와 직접적으로 관련이 있습니다. 따라서 교각 상류 면에서 수직 흐름의 크기를 줄임으로써 세굴 깊이를 줄이는 것이 가능해야 합니다. 또한 교각 면에 수직으로 장벽을 설치하여 막을 수도 있습니다. 문헌에 보고된 교각에서의 국부 세굴을 방지하거나 최소화하기 위한 두 가지 주요 제어 조치는 (i) 하상 보호 대책과 (ii) 원형 칼라 또는 나선형으로 감싼 케이블과 같은 유동 변경 대책입니다. 그러나 이러한 방법들은 일반적으로 상당한 건설 작업을 수반합니다. 본 연구의 목적은 하상 근처에 위치한 가압된 반원형 칼라에서 상승하는 기포에 의해 유도된 상향 속도를 이용하여 하상에 충돌하는 수직 속도를 상쇄하는 새로운 기술의 잠재력에 대한 첫 번째 아이디어를 얻는 것입니다.
4. 연구 요약:
연구 주제의 배경:
교각 주변에서 발생하는 국부 세굴은 교량의 구조적 안정성을 위협하는 주요 요인입니다. 이는 교각으로 인한 3차원 유동 구조, 특히 하향 흐름과 말굽 와류에 의해 발생합니다.
이전 연구 현황:
기존의 세굴 방지 대책은 사석 등을 이용한 하상 보호나 교각에 칼라를 설치하는 유동 변경 방식이 주를 이루었으나, 이는 대규모 공사를 필요로 하고 환경적 부담이 컸습니다. 버블 스크린은 호수 성층 파괴, 염수 침입 방지 등 다른 수리 분야에서 성공적으로 적용된 바 있으나, 교각 세굴 방지에 대한 적용은 새로운 시도입니다.
연구 목적:
본 연구는 에어 버블 스크린을 이용하여 교각 전면의 하향 흐름을 상쇄함으로써 국부 세굴을 줄일 수 있는지 그 잠재력을 평가하는 것을 목표로 합니다. 또한, 버블 스크린의 효율에 영향을 미치는 주요 인자(설치 위치, 유량 조건 등)를 파악하고자 합니다.
핵심 연구 내용:
얕은 수로에서 원형 교각 모형을 사용하여 clear-water 세굴 조건 하에 실험을 수행했습니다. 버블 스크린의 유무, 칼라의 설치 위치(하상면, 하상면 아래 매설) 등 총 5가지 구성에 대해 56시간 동안 장기 실험을 진행하고, 최종 세굴 지형을 비교 분석하여 버블 스크린의 세굴 저감 효과를 정량적으로 평가했습니다.
5. 연구 방법론
연구 설계:
참조 실험(대책 없음)과 4가지 다른 대책(칼라만 설치, 칼라+버블, 칼라 매설, 칼라 매설+버블)을 비교하는 실험 설계를 채택했습니다. 모든 실험은 동일한 수리 조건(유량 0.2 m³/s, 수심 0.24 m) 하에서 수행되었습니다.
데이터 수집 및 분석 방법:
실험 시작 전 초기 하상은 평탄하게 조성되었습니다. 56시간의 실험 종료 후, Mini Echo Sounder를 사용하여 정밀 격자망에 대한 최종 하상 고도를 측정했습니다. 수집된 데이터는 등고선 지도로 시각화되었고, 수로 중심선을 따른 세굴 깊이 변화를 비교 분석하여 각 대책의 효과를 정량화했습니다.
연구 주제 및 범위:
본 연구는 원형 교각 주변의 clear-water 세굴 조건에 국한됩니다. 에어 버블 스크린의 수평 및 수직 위치, 그리고 공기 주입량이 세굴 저감에 미치는 영향을 중점적으로 다룹니다.
6. 주요 결과:
주요 결과:
에어 버블 스크린은 교각 주변의 국부 세굴 깊이와 공간적 범위를 모두 감소시키는 데 효과적이었습니다.
가장 큰 세굴 깊이 감소 효과는 칼라를 하상면 아래 5cm에 매설하고 버블 스크린을 함께 사용했을 때 나타났으며, 보호 대책이 없는 경우에 비해 최대 세굴 깊이가 39% 감소했습니다 (15.5cm → 9.5cm).
하상면에 칼라를 설치하고 버블 스크린을 사용한 경우, 최대 세굴 깊이는 13% 감소했지만 세굴의 공간적 범위가 현저하게 줄어들어, 적은 규모의 시공으로 높은 효율을 얻을 수 있는 실용적인 방안으로 평가되었습니다.
유량 조건에 따라 버블 스크린의 거동은 두 가지 유형으로 나뉩니다: (1) 버블의 부력이 우세한 경우, 상류 측에 보호 효과가 있는 이차 흐름이 형성됩니다. (2) 하천 흐름의 관성력이 우세한 경우, 상류 측 이차 흐름은 사라지지만 하상 근처의 상향 속도는 여전히 존재하여 세굴 저감에 기여합니다.
Figure 3 : (Top) Examples of different behavior of the air-bubble screen regarding the air and water discharges: (a) Qw=0.1 m3/s and Qa=2.25 10-3 m3/s, (b) Qw=0.15 m3/s and Qa=2.25 10-3 m3/s, (c) Qw=0.2 m3/s and Qa = 3 10-3 m3/s, (d) Qw=0.18 m3/s and Qa=1.7 10-3 m3/s. (Bottom) Schemes of the two different types of flow. Dominant effect of the bubble screen (Sketch 1), Dominant effect of the base flow (Sketch 2).
Figure 목록:
Figure 1: (left) General view of the channel (from Istiarto, 2001), (right) Photography of the pier with the collar and the bubble screen generation system
Figure 2: Isolines of the bed level with an interval of 0.01 cm derived from Mini Echo Sounder measurements for the reference (a), collar (c), collar + bubble screen (d), buried collar (e) and buried collar + bubble screen (f) experiments. The same color scale has been used to simplify comparison. The dashed area near the bridge pier indicates the area bridged by means of extrapolations. (b) Streamwise evolution of the bed slope at the center line of the flume
Figure 3: (Top) Examples of different behavior of the air-bubble screen regarding the air and water discharges: (a) Qw=0.1 m³/s and Qa=2.25 10⁻³ m³/s, (b) Qw=0.15 m³/s and Qa=2.25 10⁻³ m³/s, (c) Qw=0.2 m³/s and Qa = 3 10⁻³ m³/s, (d) Qw=0.18 m³/s and Qa=1.7 10⁻³ m³/s. (Bottom) Schemes of the two different types of flow. Dominant effect of the bubble screen (Sketch 1), Dominant effect of the base flow (Sketch 2).
7. 결론:
본 연구는 교각 주변의 형태 역학을 실험적으로 조사하여 침식을 막기 위한 새로운 기술인 버블 스크린을 도입했습니다. 얻어진 결론은 다음과 같습니다: 버블 스크린이 최적의 위치(교각으로부터의 거리, 수직 고도)에 있고 공기 유량이 신중하게 선택된다면, 국부 세굴은 감소될 수 있습니다. 하상면 아래 5cm에 매설된 버블 스크린으로 얻은 최대 세굴 깊이는 보호되지 않은 교각에 비해 40% 감소했습니다. 버블 스크린과 하천 유량은 이 대책의 효율을 최적화하는 데 관련이 있는 것으로 밝혀졌습니다. 실제로, 두 가지 다른 유형의 유동 거동이 관찰되었습니다. 부력 효과가 우세할 때, 기포는 교각 앞에서 상승하고 표면 흐름이 양쪽으로 퍼져 교각의 상류 측에 이차 흐름을 생성합니다. 이 경우 버블 스크린의 효율은 최적이 될 것입니다. 하천 흐름의 관성력이 우세하면, 기포는 주 흐름에 의해 운반되고 상류 측의 버블 유도 이차 흐름은 더 이상 존재하지 않습니다. 하상 근처의 상향 속도만이 여전히 발생합니다.
8. 참고 문헌:
Blanckaert, K., Buschman, F. A., Schielen, R. &Wijbenga, J. H. A. (2008). Redistribution of velocity and bed shear stress in straight and curved open-channels by means of a bubble screen: Laboratory experiments. Journal of Hydraulic Engineering-ASCE,134(2): 184-195.
Breuser, H. N. C., & Raudkivi, A. J. (1991). Scouring. International Association for Hydraulic Research, ed., Bakelma, Rotterdam, The Netherlands.
Chapman, J. E. & Scott-Douglass, L. (2002). Evaluation of a berth sedimentation control technology in the Kill Van Kull. The AirGuard pneumatic barrier system. Proc. of the third Specialty Conference on Dredging and dredged material disposal, Orlando, USA.
Dey, A., Sumer, B. M. & Fredsøe J. (2006). Control of scour at vertical circular piles under waves and current. Journal of Hydraulic Engineering, 132(3), 270-279.
Dugué, V., Blanckaert, K. & Schleiss, A. J. (2011). Influencing bend morphodynamics by means of an air-bubble screen – Topography and velocity field. Proceedings of the 7th IAHR Symposium on River, Coastal and Estuarine Morphodynamics, Beijing, China.
Graf, W. H., & Yulistiyanto, B. (1998). Experiments on flow around a cylinder; the velocity and vorticity fields. Journal of Hydraulic Research, 36(4), 637-653.
Graf, W. H. & Istiarto, I. (2002). Flow pattern in the scour hole around a cylinder. Journal of hydraulic research, 40(1), 13-20.
Heidarpour, M., Afzalimehr, H. & Izadinia, E. (2010). Reuction of local scour around bridge pier groups using collars. International Journal of Sediment Research, 25(4), 411-422.
Istiarto, I. (2001). Flow around a cylinder in a scoured channel bed. PhD-thesis Nr 2368, Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne, Switzerland.
Lagasse, P. F., Zevenbergen, L. W., Schall, J. D., and Clopper, P. E. (2001). Bridge scour and stream instability countermeasures. HEC23 FHWA NHI 01-003. Federal Highway Administration, U.S. Dept. of Transportation, Washington, D.C.
Lauchlan, C. S. & Melville, B. W. (2001). Riprap protection at bridge piers. Journal of Hydraulic Engineering-ASCE, 127(5), 412-418.
Melville, B. W. & Raudkivi, A. J. (1977). Flow characteristics in local scour at bridge piers. Journal of Hydraulic Research, 15(4), 373-380.
Nakai, M., & Arita, M. (2002). An experimental study on prevention of saline wedge intrusion by an air curtain in rivers. Journal of Hydraulic Research, 40(3), 333-339.
Schladow, S. G. (1993). Lake destratification by bubble-plume systems – design methodology. journal of Hydraulic Engineering-ASCE, 119(3), 350-368.
Zarrati, A. R., Nazariha, M. & Mashahir, M. B. (2004). Application of collar to control scouring around rectangular bridge piers. Journal of Hydraulic Research, 42(1), 97-103.
Zarrati, A. R., Nazariha, M. & 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: 실험을 56시간 동안 진행한 특별한 이유가 있나요?
A1: 네, 있습니다. 이전 연구(Istiarto & Graf, 2002)에서 56시간이 세굴 깊이가 점근적으로 평형 상태에 도달하는 데 충분한 시간임이 확인되었기 때문입니다. 이 시간 동안 최대 세굴 깊이의 약 95%가 발생하므로, 측정된 최종 지형이 평형 상태에 매우 근접하다고 볼 수 있습니다. 이는 각기 다른 대책의 효과를 신뢰성 있게 비교하기 위한 필수적인 조건입니다.
Q2: 버블 스크린의 수평 위치 중 교각에서 가장 먼 0.03m가 가장 효율적이었던 이유는 무엇인가요?
A2: 논문에서는 사전 조사를 통해 0.03m 위치가 가장 효율적임을 확인하고 장기 실험에 이 위치를 적용했다고 언급합니다. 이는 해당 거리에서 생성된 상승 기포가 교각 면 바로 앞에서 하상에 충돌하려는 하향 흐름을 가장 효과적으로 상쇄할 수 있는 최적의 공간을 제공하기 때문으로 해석됩니다. 즉, 너무 가까우면 상호작용할 시간이 부족하고 너무 멀면 효과가 분산될 수 있습니다.
Q3: Figure 3에 나타난 버블 스크린의 ‘부력 우세’와 ‘관성력 우세’ 거동의 핵심적인 차이는 무엇인가요?
A3: ‘부력 우세’ 거동(Sketch 1)은 버블의 상승력이 강물의 흐름을 이겨낼 만큼 강할 때 나타납니다. 이때 버블은 상류와 하류 양방향으로 퍼지는 표면 흐름을 만들어내며, 특히 상류 측에 세굴을 막는 보호적인 이차 흐름을 형성합니다. 반면, ‘관성력 우세’ 거동(Sketch 2)은 강물의 흐름이 너무 강해 버블이 하류로 밀려나는 경우입니다. 이때 상류 측의 보호적인 이차 흐름은 사라지지만, 하상 근처에서는 여전히 상향 유속이 존재하여 어느 정도의 세굴 저감 효과는 유지됩니다.
Q4: 버블이 없는 매설된 칼라(Figure 2e)는 오히려 세굴 범위를 넓히는 것처럼 보입니다. 칼라를 낮추는 것이 왜 이런 효과를 낳나요?
A4: 논문은 이전 연구(Zarrati et al., 2004)와 일치하게 칼라를 낮추면 세굴 범위와 깊이가 증가한다고 지적합니다. 이는 흐름이 칼라 위를 넘어 아래로 강하게 떨어지면서(plunging flow) 칼라 바로 밑에서 세굴을 유발하기 때문입니다. 이 구성에서 버블 스크린의 역할은 바로 이 하강 흐름을 상쇄하여 세굴을 줄이는 데 결정적입니다.
Q5: 버블 스크린이 전통적인 칼라나 사석보다 더 유리한 점은 무엇인가요?
A5: 논문은 여러 장점을 강조합니다. 영구적인 구조물인 칼라나 사석과 달리, 버블 스크린은 작동을 켜고 끌 수 있어 ‘제어 가능’하고, 원상 복구가 가능한 ‘가역적’이며, ‘비영구적’입니다. 또한 물에 산소를 공급하는 ‘생태학적’ 이점도 있습니다. 이러한 유연성은 환경 영향이나 적응성이 중요한 현장에서 버블 스크린을 더 우수한 대안으로 만듭니다.
결론: 더 높은 품질과 생산성을 향한 길
교각 기초를 위협하는 국부 세굴 문제는 교량의 장기적인 안전을 위해 반드시 해결해야 할 과제입니다. 본 연구는 에어 버블 스크린이라는 혁신적인 접근법이 교각 세굴 방지에 매우 효과적일 수 있음을 실험적으로 입증했습니다. 특히, 최적화된 설계는 최대 40%의 세굴 깊이 감소라는 놀라운 결과를 보여주었으며, 이는 기존의 영구적인 구조물에 대한 유연하고 친환경적인 대안이 될 수 있음을 시사합니다.
STI C&D는 최신 산업 연구 결과를 적용하여 고객이 더 높은 생산성과 품질을 달성할 수 있도록 돕는 데 전념하고 있습니다. 이 논문에서 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.
연락처 : 02-2026-0442
이메일 : flow3d@stikorea.co.kr
저작권 정보
이 콘텐츠는 “Violaine Dugué” 외 저자의 논문 “[PRELIMINARY STUDY ON THE INFLUENCE OF AN AIR-BUBBLE SCREEN ON LOCAL SCOUR AROUND A BRIDGE PIER]”를 기반으로 한 요약 및 분석 자료입니다.
이 기술 요약은 Erion PERIKU와 Yavuz YARDIM이 작성하여 International Students’ Conference of Civil Engineering, ISCCE 2012에 발표한 “[Effect of Scour on Load Carry Capacity of Piles on Mat Bridge]” 논문을 바탕으로 STI C&D의 기술 전문가에 의해 분석 및 요약되었습니다.
Keywords
Primary Keyword: 교량 세굴 (Bridge Scour)
Secondary Keywords: 파일 기초 (Pile Foundation), 하중 지지력 (Load Carrying Capacity), 파일 벤트 (Pile Bent), 구조 안정성 (Structural Stability)
Executive Summary
The Challenge: 교량 붕괴의 주요 원인인 세굴(scour) 현상이 교량 하부 구조, 특히 파일 기초의 하중 지지력에 미치는 영향을 정량적으로 파악하는 것은 구조적 안전성을 예측하는 데 매우 중요합니다.
The Method: 알바니아 Mat 대교의 현장 지반 데이터와 기존의 공학적 이론을 바탕으로, 다양한 세굴 깊이에 따른 파일 벤트(pile bent)의 하중 지지력 변화를 분석적으로 계산했습니다.
The Key Breakthrough: 분석 결과, 관측된 세굴 깊이로 인해 파일 벤트의 설계 하중 지지력이 직경 30cm 파일에서 최대 17.64%, 직경 100cm 파일에서 최대 32.11%까지 감소하는 것으로 나타났습니다.
The Bottom Line: 교량 세굴은 파일 기초의 지지력을 심각하게 저하시켜 교량 전체의 안전을 위협하는 직접적인 요인이므로, 정기적인 모니터링과 정밀한 분석을 통한 선제적 대응이 필수적입니다.
The Challenge: Why This Research Matters for CFD Professionals
교량의 붕괴는 막대한 인명 및 재산 피해를 야기하며, 미국에서는 교량 붕괴의 60% 이상이 세굴 현상으로 인해 발생하는 것으로 알려져 있습니다. 세굴은 교각 주변의 토사를 침식시켜 파일 기초를 노출시키고, 이는 파일의 하중 지지력과 안정성을 크게 감소시킵니다. 특히 강물의 유속이 빠르고 유량이 많은 지역의 교량은 이러한 위험에 더욱 크게 노출됩니다.
알바니아 서부 및 중부 지역의 고속도로 교량 대부분은 얕은 강이나 습지 위에 건설되어 있으며, 마찰 파일(friction pile) 기초에 의존하는 경우가 많습니다. 하지만 홍수 시 발생하는 강력한 세굴이 이러한 교량의 파일 기초에 미치는 영향에 대한 연구는 매우 부족한 실정입니다. 이 연구는 Mat 대교의 실제 사례를 통해 세굴 깊이가 파일의 하중 지지력에 미치는 영향을 정량적으로 분석함으로써, 교량의 안전성을 평가하고 잠재적 붕괴를 예방하기 위한 중요한 공학적 데이터를 제공하고자 했습니다.
Figure1. Mat bridge and its location
Figure 3. Soil profile and scoring view of pile group
The Approach: Unpacking the Methodology
본 연구는 Mat 대교의 파일 기초에 대한 세굴 효과를 분석적으로 요약했습니다. 실제 현장에서 수집된 지반 공학적 데이터를 기반으로 파일의 하중 지지력을 계산하는 방식을 채택했습니다.
분석의 핵심은 파일의 극한 축 방향 하중 지지력(Qu)을 구하는 것이며, 이는 선단 지지력(Qt)과 주면 마찰력(Qs)의 합으로 구성됩니다
(Eq. 1). – Qu = Qt + Qs = qtAt + fAs
여기서 각 변수는 다음과 같습니다. – qt: 단위 선단 지지력 – At: 파일 선단 면적 – f: 단위 주면 마찰력 – As: 파일 주면 면적
연구팀은 Coyle and Costello의 방법(Eq. 3)을 사용하여 비점착성 토양에서의 선단 지지력을 계산하고, 측면 토압 계수(Ks)를 이용한 β 방법(Eq. 2)으로 주면 마찰력을 산정했습니다. 분석은 세굴이 없는 상태(0m)부터 최대 4.5m의 세굴이 발생한 다양한 시나리오에 대해 진행되었으며, 직경 30cm와 100cm의 두 가지 파일 유형에 대한 하중 지지력 변화를 각각 계산했습니다.
The Breakthrough: Key Findings & Data
분석 결과, 세굴 깊이가 증가함에 따라 파일 기초의 하중 지지력이 심각하게 감소하는 것이 정량적으로 확인되었습니다.
Finding 1: 직경 30cm 파일 그룹, 최대 17.64% 하중 지지력 손실
직경 30cm 파일 그룹(28개 파일로 구성)의 경우, 세굴이 없는 상태에서의 극한 지지력은 6101 kN이었습니다. 그러나 세굴 깊이가 4.5m에 도달했을 때, 지지력은 5025 kN으로 감소했습니다. 이는 Table 2에서 명확히 보여주듯이, 초기 설계 지지력 대비 약 17.64%의 손실이 발생했음을 의미합니다. 이는 세굴로 인해 파일의 주면 마찰력이 크게 감소했기 때문입니다.
Finding 2: 직경 100cm 파일 그룹, 최대 32.11%의 심각한 지지력 손실
직경 100cm 파일 그룹(8개 파일로 구성)은 더 큰 지지력 감소를 보였습니다. 세굴이 없는 상태에서 18322 kN의 지지력을 가졌으나, 현장에서 관측된 이 파일 유형의 최대 세굴 깊이인 3.0m에서는 지지력이 12438 kN으로 떨어졌습니다. 이는 Table 2의 데이터와 결론부에 명시된 바와 같이, 약 32.11%에 달하는 심각한 하중 지지력 손실입니다. 분석적으로는 4.5m 세굴 시 48.08%까지 손실이 발생할 수 있는 것으로 나타나, 세굴이 대구경 파일에 더 치명적인 영향을 미칠 수 있음을 시사합니다.
Practical Implications for R&D and Operations
본 연구 결과는 교량의 설계, 유지보수, 안전 관리에 종사하는 엔지니어들에게 다음과 같은 중요한 시사점을 제공합니다.
For Process/Civil Engineers: 이 연구는 세굴로 인한 하중 지지력 감소가 2.5에서 3.0에 달하는 토질 역학의 안전율을 고려하더라도 무시할 수 없는 수준임을 보여줍니다. 교량 유지보수 시 세굴 깊이를 정기적으로 측정하고, 그에 따른 지지력 변화를 재평가하여 구조적 안전성을 확보하는 프로세스를 수립해야 합니다.
For Quality Control/Safety Teams: 논문에서 제시된 데이터(예: Table 2)는 특정 세굴 깊이에서 발생하는 지지력 손실률을 구체적인 수치로 제공합니다. 이는 교량의 안전 등급을 재조정하거나, 위험 교량을 식별하여 우선순위 보강 계획을 수립하는 데 객관적인 기준으로 활용될 수 있습니다.
For Design Engineers: 교량 설계 초기 단계부터 예상 최대 세굴 깊이를 고려하여 파일의 길이와 직경, 배치를 결정하는 것이 매우 중요합니다. 본 연구 결과는 세굴이 파일 기초의 성능에 미치는 영향을 설계에 반영해야 할 필요성을 강력하게 뒷받침합니다.
Paper Details
Effect of Scour on Load Carry Capacity of Piles on Mat Bridge
1. Overview:
Title: Effect of Scour on Load Carry Capacity of Piles on Mat Bridge
Author: Erion PERIKU, Yavuz YARDIM
Year of publication: 2012
Journal/academic society of publication: International Students’ Conference of Civil Engineering, ISCCE 2012, 10-11 May 2012, EpokaUniversity, Tirana, Albania
Keywords: Mat Bridge, Scour, Pile Bent, Pile Load Carry Capacity.
2. Abstract:
교량 성능에 대한 심각한 세굴 효과는 교량의 하중 지지력을 예측하고 불필요한 손실을 예방하는 데 도움이 됩니다. 알바니아 교량의 현재 상태, 특히 물, 파일 기초, 교량 구조물 간의 통합에 대한 연구는 거의 수행되지 않았습니다. 알바니아 서부 및 중부의 대부분 고속도로 교량은 작은 하천, 습지, 늪을 포함한 얕은 수면 위에 있습니다. 이들 교량에 널리 사용되는 설계 및 시공 절차는 파일 벤트에 교량 상부 구조를 지지하는 것입니다. 알바니아의 강들은 공격적인 유동 체계를 가지고 있습니다. 주요 홍수 시, 홍수의 양과 속도는 상당한 세굴을 유발할 수 있습니다. 이러한 파일 벤트의 하중 지지력은 벤트 높이에 반비례하므로, 특정 높이의 세굴은 하중 지지력을 감소시킬 것입니다. 본 논문은 파일 벤트 하중 지지력에 대한 세굴 효과를 분석적으로 요약합니다. 파일의 하중 지지력은 분석적으로 계산되었으며, 지반 공학적 데이터만 현장 시험에서 가져왔습니다. Mat 대교의 현장 조사에 따르면 32개의 파일 벤트 중 19개가 심각한 세굴 문제를 겪고 있습니다. 분석 결과, 세굴 높이로 인해 파일 벤트가 설계된 하중 지지력의 17.64%에서 32.11%에 이르는 손실을 입은 것으로 나타났습니다.
3. Introduction:
세굴은 교량 붕괴를 유발하는 가장 큰 원인 중 하나입니다. 미국에서는 60% 이상의 교량 붕괴가 세굴 때문에 발생합니다[1]. 세굴은 교량 기초와 전체 교량 구조에 복합적인 영향을 미칩니다. 세굴로 인한 물질 제거로 파일 기초의 용량이 크게 감소하며, 이는 전체 교량 시스템의 용량과 안정성에 영향을 미칩니다[2]. 대부분의 연구는 하부 구조와 상부 구조를 별도로 조사했습니다. 세굴 효과가 교량 구조 전체와 함께 분석된 경우는 거의 없습니다[2]. 세굴로 인한 교량의 거동을 분석하는 것은 매우 복잡한 연구이므로, 대부분의 연구자들은 하부 구조에 대한 세굴 효과를 연구한 다음 상부 구조에 대한 효과를 예측합니다. 하부 구조에 대한 세굴 효과에 대한 많은 연구가 이루어졌습니다. 주로 파일의 하중 지지력, 좌굴 위험, 세굴 효과로 인한 수위 증가에 따른 파일의 추가 모멘트가 조사되었습니다[3-5]. 본 논문은 파일 하중 지지력에 대한 세굴 효과의 일반적인 관점을 제공하고자 합니다. 알바니아 서부에 건설된 모든 교량은 마찰 파일을 기초로 합니다. 이 파일들이 건설된 토양 프로파일은 일반적으로 강 퇴적물, 습지, 늪지입니다. 이 지역의 토양 프로파일이 유사하므로 사례 연구가 수행되었습니다.
4. Summary of the study:
Background of the research topic:
알바니아의 많은 교량은 강 위에 건설되어 있으며, 홍수 시 발생하는 세굴 현상으로 인해 기초의 안정성이 위협받고 있습니다. 특히 마찰 파일에 의존하는 교량의 경우, 세굴로 인한 주변 지반 손실은 하중 지지력 감소로 직결될 수 있습니다.
Status of previous research:
기존 연구들은 주로 세굴이 교량의 하부 구조(substructure)에 미치는 영향, 특히 파일의 하중 지지력, 좌굴 위험, 추가 모멘트 발생 등을 개별적으로 다루어 왔습니다. 하지만 세굴 효과를 교량 전체 구조와 통합하여 분석한 연구는 드물었습니다.
Purpose of the study:
본 연구는 알바니아 Mat 대교 사례를 통해 세굴 깊이가 파일 기초의 하중 지지력에 미치는 영향을 분석적으로 계산하고, 그 손실 정도를 정량화하여 교량 안전 평가에 대한 일반적인 지표를 제공하는 것을 목적으로 합니다.
Core study:
Mat 대교의 지반 조건과 파일 제원을 바탕으로, 세굴이 없는 상태부터 최대 4.5m의 세굴이 발생한 경우까지 시나리오별로 파일 그룹의 극한 하중 지지력을 계산했습니다. 이를 통해 세굴 깊이와 하중 지지력 손실률 간의 관계를 도출했습니다.
5. Research Methodology
Research Design:
본 연구는 실제 교량(Mat 대교)을 대상으로 한 사례 연구(case study)입니다. 현장에서 얻은 지반 공학적 데이터를 사용하여 분석적 방법(analytical method)으로 세굴의 영향을 평가했습니다.
Data Collection and Analysis Methods:
데이터 수집: Mat 대교의 설계 보고서와 현장 조사를 통해 지반 프로파일(토층 구성, 단위 중량, 내부 마찰각 등)과 파일 제원(직경, 길이, 개수) 데이터를 수집했습니다.
분석 방법: 파일의 극한 축 방향 하중 지지력(Qu)을 계산하기 위해 문헌에 제시된 공학적 공식들을 사용했습니다. 선단 지지력(Qt)은 Coyle and Costello의 방법을, 주면 마찰력(Qs)은 β 방법을 적용했습니다. 세굴 깊이를 0m에서 4.5m까지 변화시키며 각 경우의 하중 지지력을 계산하고 비교 분석했습니다.
Research Topics and Scope:
연구의 범위는 Mat 대교의 두 가지 주요 파일 그룹(직경 30cm, 100cm)에 대한 세굴의 영향으로 제한됩니다. 세굴로 인한 하중 지지력 변화를 분석적으로 계산하는 데 초점을 맞추었으며, 교량의 변위나 전체 구조물의 동적 거동은 다루지 않았습니다.
6. Key Results:
Key Results:
세굴 깊이가 0m에서 4.5m로 증가함에 따라, 직경 30cm 파일 그룹의 하중 지지력은 6101 kN에서 5025 kN으로 약 17.64% 감소했습니다.
직경 100cm 파일 그룹의 경우, 세굴 깊이가 0m에서 4.5m로 증가함에 따라 하중 지지력은 18322 kN에서 9513 kN으로 약 48.08% 감소했습니다.
현장에서 관측된 최대 세굴 깊이를 기준으로 할 때, 직경 30cm 파일은 4.5m 세굴에서 17.64%의 지지력 손실을, 직경 100cm 파일은 3.0m 세굴에서 32.11%의 지지력 손실을 보였습니다.
Figure List:
Figure 1. Mat bridge and its location
Figure 2. Pile cap view
Figure 3. Soil profile and scoring view of pile group
Figure 5. Bearing capacity of piles groups (a) 30cm diameter piles, (b) 100 cm diameter piles.
7. Conclusion:
본 논문은 Mat 대교의 파일 하중 지지력에 대한 세굴 평가를 제시했습니다. 파일 요소는 지반 공학적 데이터의 도움으로 분석적으로 분석되었습니다. 파일 하중 지지력에 대한 다양한 세굴 깊이의 영향이 조사되었습니다. Mat 대교의 세굴 깊이는 0.5m에서 4.5m까지 다양합니다. 직경 30cm 파일의 최고 세굴 깊이는 4.5m이며, 이 세굴 깊이에 대해 약 17.64%의 하중 지지력 손실이 있습니다. 직경 100cm 파일의 최고 세굴 깊이는 3.0m이며, 이 세굴 깊이에 대해 약 32.11%의 하중 지지력 손실이 있습니다. 토질 역학의 안전율이 2.5에서 3까지 다양하지만, 하중 지지력 감소는 상당합니다. 파일의 지지력은 전체 교량 구조의 안전에 직접적인 영향을 미칩니다. 이러한 지지력 손실은 증가된 수압의 영향으로 교각 침하 또는 전도에 대한 심각한 위험이 됩니다. 이러한 효과는 변형 및 교량 하중 지지력에 대한 추가 연구의 주제가 되어야 한다고 제안됩니다.
8. References:
[1] Liang F. Y.,Bennett C., Parsons R. L.,Han J., Lin C.(2009).A literature review on behavior of scoured piles under bridges, International Foundation Congress & Equipment Expo. Orlando.
[2] Lin C., Bennett C., Han J., Parsons R. L.(2011). Integrated analysis of the performance of pile supported bridges under scoured conditions. J Engineering Structures; 36:27-38.
[3] Avent R. R.,AlawadyM. (2005) Bridge scour and substructure deterioration: Case study. J Bridge Engineering ;10:247–54.
[4] Lin C., Bennett C., Han J., Parsons R. L., (2010). Scour effects on the response of laterally loaded piles considering stress history of sand. J Computer & Geotechnics; 37:1008–1014.
[5] Bennett C., Lin C., Han J., Parsons R. L., (2009) Bridge pile groupunder scour conditions. Proceedings of SEI 2009 Structures Congress. Austin, Texas.
[6] Periku E., Yardim Y., (2011). Deficiencies of Some Important Bridges in Albania, Proceedings of the Balkans Conference on Challenges of Civil Engineering, Albania.
[7] The Technical Construction Central Archive of Albania (2012), Hekurudha Lac – Shkoder Hani Hotit, Ure Hekurudhore Automobilistike mbi Lumin Mat. Nr.333.prot.
[8] Togrol E., Tan O., (2003) Kazikli Temeller, Birsen Publishing, Istanbul, p. 42-69, 93-112.
[9] Tomilson M. J., (1994) Pile Design and Construction Practice, 4th edn. E&FN Spon, London.
[10] Kulhawy F. H., (1984) Limiting tip and side resistance: fact or fallacy, Symposium on Analysis and Design of Pile Foundation, ASCE, p. 80-89.
[11] Prakash S. and Sharma, H. D. (1990). Pile foundations in engineering practice. John Wiley and Sons, New York, p. 218-264.
[12] Prakash S. and D. Saran (1967), “Behaviour of Laterally Loaded Piles in a Cohesive Soil,” Proc., Third Asian Regional Conference on Soil Mechanics and Foundation Engineering, Haifa, Israel Vol. 1, p. 235-238.
[13] Sonmez, D., U. Ergun (1994) Kazik Gruplarinin Kohezyonsuz Zeminde Negatif Surtunmesi Uzerinde Bir Model Calismasi, Soil Mechanics and Foundation Engineering, 5. International Congress, p. 250-259.
Expert Q&A: Your Top Questions Answered
Q1: 이 연구에서 물리적 모델링이나 수치 시뮬레이션 대신 분석적 계산 방법을 선택한 이유는 무엇입니까?
A1: 논문에서는 “분석적으로 요약한다(analytically summarizes)”고 명시하며, 현장 시험에서 얻은 지반 공학적 데이터를 사용했다고 밝혔습니다. 이는 가용한 현장 데이터와 확립된 공학 이론을 바탕으로 세굴의 영향을 정량화하는 것이 가장 실용적이고 직접적인 접근 방식이었기 때문으로 보입니다. 이 방법을 통해 복잡한 시뮬레이션 없이도 세굴 깊이에 따른 하중 지지력 감소를 효과적으로 계산할 수 있었습니다.
Q2: Table 2에서는 100cm 직경 파일이 4.5m 세굴 시 48.08%의 지지력 손실을 보인다고 나와 있는데, 결론에서는 3.0m 세굴 시 32.11% 손실을 주요 결과로 강조한 이유는 무엇입니까?
A2: 결론부에서 “100cm 직경 파일의 최고 세굴 깊이는 3.0m”라고 언급합니다. 이는 분석적으로는 4.5m까지 계산했지만, 실제 Mat 대교 현장에서 해당 파일 유형에 대해 관측된 최대 세굴 깊이가 3.0m였음을 시사합니다. 따라서 32.11%의 손실은 해당 교량의 실제 상태를 가장 잘 반영하는 핵심적인 발견이었기 때문에 이를 강조한 것입니다.
Q3: 파일 그룹의 ‘그룹 효과(group effect)’는 계산에 어떻게 반영되었습니까?
A3: 논문은 Sonmez와 Ergun(1994)의 연구를 인용하며, 파일 간격이 파일 직경(D)의 4배(4D)보다 크면 그룹 효과가 없다고 설명합니다. 이 사례 연구의 파일들은 간격이 3D에서 5D 사이이므로, 연구에서는 그룹 효과가 거의 없다고 판단했습니다. 따라서 전체 파일 그룹의 지지력은 개별 파일의 지지력을 단순히 합산하여 계산했습니다.
Q4: 결과에서 언급된 ‘임계 깊이(critical depth)’의 중요성은 무엇입니까?
A4: 임계 깊이(논문에서는 15D로 언급)는 파일에 작용하는 유효 토압이 선형적으로 증가하다가 일정하게 유지되기 시작하는 깊이를 의미하며, 파일의 지지력 계산에서 핵심적인 개념입니다. 세굴은 지표면을 깎아내려 이 유효 토압 분포를 변화시킵니다. 본 연구의 분석(Figure 4)은 세굴로 인해 유효 토압이 어떻게 변하는지, 그리고 이것이 파일의 주면 마찰력과 최종 하중 지지력에 어떤 영향을 미치는지를 보여주기 때문에 중요합니다.
Q5: 이 연구가 제안하는 향후 연구 방향은 무엇입니까?
A5: 결론에서 연구팀은 현재 연구가 파일 벤트의 하중 지지력에 초점을 맞추었으므로, 세굴이 교량의 변형(deflection) 및 전체적인 하중 지지력에 미치는 영향에 대한 추가 연구가 필요하다고 제안합니다. 또한, 지지력 손실로 인한 교각의 침하(settlement)나 전도(overturning) 위험에 대해서도 심층적인 조사가 이루어져야 한다고 암시합니다.
Conclusion: Paving the Way for Higher Quality and Productivity
이 연구는 교량 세굴이 단순히 미관상의 문제가 아니라, 교량 기초의 하중 지지력을 최대 32% 이상 감소시켜 구조적 붕괴로 이어질 수 있는 심각한 위협임을 명확히 보여주었습니다. Mat 대교 사례 분석을 통해 얻은 정량적 데이터는 세굴 깊이에 따른 위험도를 예측하고, 교량의 설계, 검사 및 유지보수 전략을 수립하는 데 중요한 공학적 근거를 제공합니다.
(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.
연락처 : 02-2026-0450
이메일 : flow3d@stikorea.co.kr
Copyright Information
This content is a summary and analysis based on the paper “Effect of Scour on Load Carry Capacity of Piles on Mat Bridge” by “Erion PERIKU, Yavuz YARDIM”.
이 기술 요약은 R. Lança 외 저자가 2012년 River Flow 2012 – Murillo (Ed.)에 발표한 논문 “Effect of spacing and skew-angle on clear-water scour at pier alignments”를 기반으로 하며, STI C&D의 기술 전문가에 의해 분석 및 요약되었습니다.
문제점: 교량 교각이 여러 개 배열된 경우, 교각 간의 상호작용으로 인해 단일 교각보다 세굴(scour) 현상이 복잡해져 정확한 세굴 깊이 예측이 어렵습니다.
연구 방법: 4개의 원통형 교각으로 구성된 배열의 간격과 흐름에 대한 경사각을 체계적으로 변경하며 7일에서 15일에 걸친 장기간의 수리 실험을 수행하여 평형 세굴 깊이를 측정했습니다.
핵심 발견: 교각 간격과 경사각의 조합에 따라 세굴 깊이가 크게 달라지며, 특정 조건(경사각 30°, 간격 2-3배)에서는 단일 교각 대비 세굴 깊이가 최대 1.7배까지 증가하는 것을 확인했습니다.
핵심 결론: 기존의 교각 세굴 깊이 예측 공식들은 실제 현상을 최대 40%까지 과소평가할 수 있으며, 더 안전한 교량 설계를 위해서는 교각 배열의 기하학적 조건을 정밀하게 고려해야 합니다.
문제점: 이 연구가 CFD 전문가에게 중요한 이유
교량의 안전성은 기초를 지지하는 교각의 안정성에 크게 좌우됩니다. 강바닥에 설치된 교각 주변에서는 흐름으로 인해 토사가 침식되는 ‘세굴’ 현상이 발생하며, 심할 경우 교량 붕괴로 이어질 수 있습니다. 단일 교각에 대한 세굴 연구는 많이 이루어졌지만, 대부분의 교량은 여러 개의 교각이 한 줄로 배열된 ‘교각 정렬(pier alignments)’ 형태를 가집니다.
이 경우, 개별 교각에서 발생하는 와류(vortex)들이 서로 복잡하게 상호작용하여 세굴 패턴과 깊이가 단일 교각의 경우와 완전히 달라집니다. 기존의 세굴 깊이 예측 방법들은 대부분 단기간의 실험에 기반하고 있어 이러한 상호작용 효과를 충분히 반영하지 못하며, 상당한 불확실성을 내포하고 있습니다. 이는 엔지니어들이 교량 설계 시 마주하는 심각한 기술적 한계이며, 본 연구는 이 문제를 해결하기 위해 시작되었습니다.
연구 접근법: 방법론 분석
본 연구는 교각 간격과 배열의 경사각이 평형 세굴 깊이에 미치는 영향을 정량적으로 파악하기 위해 정밀하게 통제된 실험실 환경에서 수행되었습니다.
실험 장비: 폭 2.0m, 길이 28.0m의 수조와 폭 1.0m, 길이 33.15m의 수조, 두 개의 실험 수로(flume)를 사용했습니다.
실험 조건: 유사는 균일한 석영사(D50 = 0.86 mm)를 사용했으며, 유속은 유사 입자가 움직이기 시작하는 한계유속(U ≈ 0.33 m/s)에 가깝게 설정하여 세굴이 최대로 발생할 수 있는 맑은 물 세굴(clear-water scour) 조건을 구현했습니다.
핵심 변수:
교각: 직경 50mm(Dp)의 PVC 파이프로 제작된 4개의 원통형 교각을 사용했습니다.
교각 간격 (s/Dp): 교각 직경 대비 간격을 1, 2, 3, 4.5, 6배로 체계적으로 변경했습니다.
경사각 (α): 교각 배열이 주 흐름 방향과 이루는 각도를 0°, 15°, 30°, 45°, 90°로 변경했습니다.
측정: 각 실험은 평형 상태에 근접하도록 7일에서 15일간 지속되었으며, 이는 기존 연구들과 차별화되는 본 연구의 가장 큰 강점입니다. 시간에 따른 각 교각의 세굴 깊이를 정밀하게 측정했습니다.
핵심 발견: 주요 결과 및 데이터
장기간의 실험을 통해 교각 간격과 경사각의 복합적인 영향에 대한 중요한 데이터를 확보했습니다.
결과 1: 특정 경사각과 간격에서 세굴 깊이 증폭 현상 발견
연구 결과, 세굴 깊이는 경사각과 간격의 특정 조합에서 급격히 증가했습니다. 특히 경사각(α)이 30°이고 교각 간격(s/Dp)이 2 또는 3일 때, 최대 세굴 깊이(dsepg)는 단일 원통형 교각의 세굴 깊이(dse1)보다 약 1.7배 더 깊게 나타났습니다 (Figure 5 참조). 이는 상류 교각에서 발생한 강력한 후류 와류(wake vortices)가 하류 교각에 직접적인 영향을 미쳐 침식 작용을 증폭시키기 때문인 것으로 분석됩니다. 반면, 경사각이 0°일 때는 간격이 4.5배일 때 최대 1.36배의 세굴 깊이를 보였습니다.
Figure 5. Variation of dsepg/dse1 with s/Dp and α.
결과 2: 기존 공학적 예측 방법의 심각한 과소평가 확인
본 연구의 실험 데이터를 현재 공학 실무에서 널리 사용되는 두 가지 예측 방법(Richardson & Davis (2001), Sheppard & Renna (2010))과 비교했습니다. 그 결과, 기존 예측 방법들은 실제 측정된 최대 세굴 깊이를 최대 40%까지 과소평가하는 것으로 나타났습니다 (Figure 6 참조). 이러한 큰 오차는 교량의 안전 여유율이 설계 의도보다 훨씬 낮을 수 있음을 의미하며, 교각 배열의 상호작용 효과를 고려한 새로운 예측 모델의 필요성을 강력하게 시사합니다.
R&D 및 운영을 위한 실질적 시사점
본 연구 결과는 교량 설계 및 유지관리와 관련된 다양한 분야의 전문가들에게 중요한 시사점을 제공합니다.
수리 및 토목 엔지니어: 이 연구는 교각 세굴 깊이 계산 시, 특히 30° 내외의 경사각을 가진 교각 배열에 대해 안전율을 상향 조정해야 할 필요성을 보여줍니다. Figure 5에 제시된 데이터는 특정 기하학적 조건에 대한 세굴 증폭 계수를 결정하는 데 직접 활용될 수 있습니다.
교량 설계 엔지니어: 교각의 간격과 배열 각도는 단순히 구조적 고려사항이 아니라, 교량의 수리학적 안정성을 좌우하는 핵심 설계 변수임이 확인되었습니다. 설계 초기 단계부터 세굴 발생 가능성을 최소화하는 최적의 교각 배열을 고려하는 것이 중요합니다.
인프라 안전 진단 전문가: 본 연구는 유사한 교각 구성을 가진 기존 교량의 세굴 위험을 재평가하는 새로운 기준을 제공합니다. 특히 경사각이 있는 교량의 경우, 기존에 과소평가되었을 수 있는 잠재적 위험을 식별하는 데 도움이 될 수 있습니다.
논문 상세 정보
Effect of spacing and skew-angle on clear-water scour at pier alignments
1. 개요:
제목: Effect of spacing and skew-angle on clear-water scour at pier alignments
저자: R. Lança, C. Fael, R. Maia & J. Pêgo, A. H. Cardoso
단일 열로 배열된 교각 그룹으로 정의되는 교각 정렬은 교량 상판을 지지하기 위해 자주 사용됩니다. 교각의 모양, 간격, 그리고 흐름 방향에 대한 정렬의 경사각 등 다양한 조합으로 특징지어지는 여러 정렬 구성은 유동장과의 상호작용 및 세굴 깊이에 각기 다른 영향을 미칩니다. 본 연구에서는 교각 간격과 경사각이 평형 세굴 깊이에 미치는 영향을 다루기 위해, 유사 이동 시작의 한계 조건에 가까운 정상 맑은 물 흐름 조건 하에서 26개의 장기간(7일~15일) 실험을 수행했습니다. 정렬은 4개의 원통형 교각으로 구성되었으며, 교각 직경의 1, 2, 3, 4.5, 6배 간격으로 배치되었고, 실험된 경사각은 0°, 15°, 30°, 45°, 90°였습니다. 본 논문의 주요 기여는 실험의 긴 지속 시간에서 비롯됩니다. 도출된 평형 세굴 깊이와 교각 간격 및 경사각의 함수 관계가 확립되었으며, 전통적인 그룹 보정 계수가 동일한 변수에 의존함이 정의되었습니다.
3. 서론:
교량 상판은 종종 단일 열 교각 그룹, 즉 교각 정렬에 의해 지지됩니다. 충적 하천 바닥에 위치한 교각은 세굴 구멍을 유발할 수 있으며, 극단적인 경우 교량의 구조적 붕괴로 이어질 수 있다는 것은 잘 알려져 있습니다. 평형 세굴 깊이의 예측은 교량 설계의 핵심 문제이며, 이는 와류의 상호작용과 그에 따른 세굴 구멍의 상호 의존성 때문에 단일 교각보다 교각 정렬에서 더 어려울 수 있습니다. 본 연구는 4개의 원통형 교각으로 구성된 교각 정렬에서 최대 맑은 물 세굴 깊이에 대한 교각 간격과 정렬 경사각의 영향을 추가로 특성화하는 데 중점을 둡니다. 또한 교각 정렬의 세굴 깊이를 예측하기 위해 공학 실무에서 사용되는 두 가지 방법의 정확도도 평가됩니다.
4. 연구 요약:
연구 주제의 배경:
교량의 안정성은 하천 바닥의 세굴 현상에 의해 크게 위협받을 수 있습니다. 특히 여러 교각이 배열된 경우, 유체역학적 상호작용이 복잡해져 세굴 예측이 어려워지며, 이는 교량 설계의 중요한 난제로 남아있습니다.
이전 연구 현황:
단일 교각에 대한 연구는 많았으나, 교각 그룹에 대한 연구는 상대적으로 적고 대부분 단기간 실험에 국한되어 있었습니다. 이로 인해 기존 예측 모델들은 실제 평형 상태의 세굴 깊이를 정확히 반영하지 못하는 한계가 있었습니다.
연구 목적:
본 연구의 목적은 교각 정렬에서 교각 간격과 흐름에 대한 경사각이 평형 세굴 깊이에 미치는 영향을 체계적이고 장기적인 실험을 통해 규명하는 것입니다. 이를 통해 보다 정확한 세굴 깊이 예측을 위한 기초 데이터를 제공하고, 기존 예측 모델의 정확성을 검증하고자 했습니다.
핵심 연구:
4개의 원통형 교각으로 구성된 정렬에서, 5가지 다른 간격(s/Dp = 1, 2, 3, 4.5, 6)과 5가지 다른 경사각(α = 0°, 15°, 30°, 45°, 90°) 조합에 따른 최대 평형 세굴 깊이를 측정하고 그 관계를 분석했습니다.
5. 연구 방법론
연구 설계:
실험실 수로에서 통제된 변수(유속, 수심, 유사 입경) 하에 교각 간격과 경사각을 체계적으로 변화시키며 장기간(7-15일)에 걸쳐 세굴 깊이의 시간적 변화를 측정하는 실험적 연구 설계를 채택했습니다.
데이터 수집 및 분석 방법:
각 교각 주변의 세굴 깊이는 포인트 게이지를 사용하여 ±1mm의 정확도로 주기적으로 측정되었습니다. 수집된 시계열 데이터는 6-파라미터 다항식 기법을 사용하여 무한 시간(t=∞)으로 외삽하여 최종 평형 세굴 깊이(dsepg)를 추정했습니다.
연구 주제 및 범위:
연구는 맑은 물 조건에서 4개의 원통형 교각으로 구성된 단일 열 정렬에 국한되었습니다. 흐름은 완전 발달 흐름으로 가정했으며, 벽면 효과는 무시할 수 있는 조건에서 실험을 수행했습니다.
6. 주요 결과:
주요 결과:
경사각 α = {0°; 15°}일 때, 최대 세굴 깊이는 단일 교각 대비 1.35배 미만이며, 교각 간격 s/Dp ≈ 4.5에서 최대가 됩니다.
경사각 α = {30°; 45°; 90°}일 때, 세굴 깊이는 교각 간격 s/Dp가 증가함에 따라 체계적으로 감소합니다.
교각 간격 s/Dp = 1을 제외하면, 최대 세굴 깊이는 경사각 α = 30°이고 간격 s/Dp = {2; 3}일 때 발생하며, 이때 단일 교각 대비 세굴 깊이 비율(dsepg/dse1)은 약 1.7입니다.
교각 간격 s/Dp = 1일 때, 교각 정렬은 하나의 긴 둥근 코 직사각형 교각처럼 거동합니다.
공학 실무에서 일반적으로 사용되는 세굴 예측 방법들은 실험 결과를 최대 40%까지 과소평가할 수 있습니다.
Figure 4. System of wake vortices at pier alignments.
Figure 목록:
Figure 1. Characteristic variables of a pier alignment.
Figure 2. Equivalent single pier defined for s/Dp = 1.
Figure 3. Scour depth time evolution at pier alignments for α = {0°; 15°; 30°; 45°; 90° } and s/Dp = {1.0; 2.0; 3.0; 4.5; 6.0}.
Figure 4. System of wake vortices at pier alignments.
Figure 5. Variation of dsepg/dse1 with s/Dp and α.
Figure 6. Measured dsepg/dse1 v.s. corresponding predictions, according to a) Richardson & Davis (2001) and b) Sheppard & Renna (2010).
7. 결론:
본 연구는 교각 정렬에서 간격과 경사각이 세굴 깊이에 미치는 복합적인 영향을 실험적으로 규명했습니다. 연구 결과, 특정 기하학적 조건에서 세굴이 크게 증폭될 수 있으며, 기존의 공학적 예측 방법들이 이러한 위험을 심각하게 과소평가할 수 있음을 보여주었습니다. 이 결과는 교량 설계 및 안전성 평가 시 교각 배열의 수리학적 영향을 반드시 고려해야 함을 강조합니다.
8. 참고 문헌:
Amini, A.; Melville, B.; Ali, T. M.; Ghazali, A. H. Clearwater local scour around pile groups in shallow-water flow. Journal of Hydraulic Engineering, in press.
Ataie-Ashtiani, B.; Beheshti, A. A. 2006. Experimental investigation of clear-water local scour at pile groups. Journal of Hydraulic Engineering, 132(10): 1100–1104.
Breusers, N. H. C.; Raudkivi, A. J. 1991. Scouring. Rotterdam (The Netherlands), Balkema.
Elliot, K. R.; Baker, C. J. 1985. Effect of pier spacing on scour around bridge piers. Journal of Hydraulic Engineering, 111(7): 1105–1109.
Fael, C.S. 2007. Erosões localizadas junto de encontros de pontes e respectivas medidas de protecção. Covilhã (Portugal): Universidade da Beira Interior.
Hannah, C. R. 1978. Scour at pile groups. Canterbury (New Zealand): University of Cantebury.
Lança, R.; Fael, C.; Cardoso, A. H. 2010. Assessing equilibrium clear-water scour around single cylindrical piers. Proc. River Flow 2010. Braunschweig (Germany), 8–10 September.
Melville, B. W.; Coleman, S. E. 2000. Bridge scour. Colorado (U.S.): Highlands Ranch Water Resources.
Richardson, E. V.; Davis, S. R. 2001. Evaluating scour at bridges. Forth Colins (U.S.): Federal Highway Administration.
Salim, M.; Jones, J. S. 1996. Scour around exposed pile foundations. Proc. of the American Society of Civil Engineers “North American Water and Environment Congress ’96, Anaheim (U.S.).
Sheppard, D. M.; Odeh, M.; Glasser, T. 2004. Large scale Clearwater local pier scour experiments. Journal of Hydraulic Engineering, 130(10): 957–963.
Sheppard, D. M.; Renna, R. 2010. Florida Scour Manual. Florida (U.S.): Florida Department of Transportation.
Simarro, G.; Fael, C.M.S.; Cardoso, A. H. 2011. Estimating equilibrium scour depth at cylindrical piers in experimental studies”. Journal of Hydraulic Engineering, 137(9): 1089–1093.
Sumer, B. M.; Fredsøe, J. 2002. The Mechanics of Scour in the Marine Environment, Advanced Series on Ocean Engineering. Singapore: World Scientific Publishing Co. Pte. Ltd.,
Zhao, G.; Sheppard, D. M. 1999. The effect of flow skew angle on sediment scour near pile groups. Stream Stability and Scour at Highway Bridges; Compilation of Conference Papers, Reston (U.S.): ASCE.
전문가 Q&A: 자주 묻는 질문
Q1: 왜 실험을 7일에서 15일이라는 긴 시간 동안 수행했나요?
A1: 세굴은 시간이 지남에 따라 점차 깊어지다가 최종적으로 평형 상태에 도달합니다. 단기간의 실험은 이 최종 깊이에 도달하기 전의 값만을 측정하게 되어 실제 발생할 수 있는 최대 세굴 깊이를 과소평가할 위험이 큽니다. 본 연구에서는 실제 현상에 가까운 ‘평형 세굴 깊이’를 얻기 위해 의도적으로 장기간 실험을 수행하여 데이터의 신뢰도를 높였습니다.
Q2: 최대 세굴이 30° 경사각에서 발생하는 물리적인 이유는 무엇인가요?
A2: 논문의 Figure 4에서 암시하듯이, 30° 경사각에서는 상류 교각 측면에서 생성된 강력한 후류 와류(wake vortex)가 하류 교각 전면에 직접 부딪히는 경로에 놓이게 됩니다. 이 와류는 교각 전면의 말굽 와류(horse-shoe vortex)와 상호작용하여 침식 에너지를 극대화시켜 다른 각도에 비해 더 깊은 세굴을 유발하는 것으로 보입니다.
Q3: 경사각이 0°일 때, 왜 가장 좁은 간격이 아닌 s/Dp = 4.5에서 최대 세굴이 발생하나요?
A3: 간격이 매우 좁으면(s/Dp=1) 교각들이 하나의 긴 구조물처럼 거동하여 와류 상호작용이 제한됩니다. 간격이 벌어지면서 개별 교각의 말굽 와류와 후류 와류가 서로 간섭하기 시작하며, s/Dp=4.5에서 이러한 상호작용이 세굴을 가장 증폭시키는 최적의 조건이 형성됩니다. 간격이 더 벌어지면(s/Dp=6) 상호 간섭 효과가 사라져 다시 단일 교각과 유사한 세굴 깊이를 보입니다.
Q4: Figure 6에서 보여주는 기존 모델의 40% 과소평가는 얼마나 심각한 문제인가요?
A4: 40%의 과소평가는 매우 심각한 문제입니다. 이는 교량 설계 시 계산된 안전율이 실제로는 훨씬 낮다는 것을 의미합니다. 예를 들어, 1.5의 안전율을 확보하도록 설계했더라도 실제 안전율은 1.0에 가까워져 예상치 못한 홍수나 유량 변화에 매우 취약해질 수 있으며, 이는 교량의 구조적 안정성에 직접적인 위협이 됩니다.
Q5: 4개 교각에 대한 결과를 더 많은 교각이 있는 실제 교량에 적용할 수 있나요?
A5: 본 연구는 4개 교각을 대상으로 했지만, 여기서 밝혀진 와류 상호작용 메커니즘은 교각 수가 더 많은 경우에도 유사하게, 혹은 더 증폭되어 나타날 수 있음을 시사합니다. 따라서 이 연구 결과는 더 긴 교각 배열의 위험성을 평가하는 중요한 기초 자료로 활용될 수 있으며, 실제 설계 시에는 보수적인 접근이 필요합니다.
결론: 더 높은 품질과 생산성을 향한 길
안전한 교량 인프라를 구축하기 위해서는 교각 세굴 현상을 정확하게 예측하는 것이 무엇보다 중요합니다. 본 연구는 교각의 간격과 경사각이라는 두 가지 기하학적 변수가 세굴 깊이에 얼마나 지대한 영향을 미치는지 구체적인 데이터로 입증했습니다. 특정 조건에서는 단일 교각보다 세굴이 1.7배나 깊어질 수 있으며, 기존의 예측 모델들은 이러한 위험을 최대 40%까지 과소평가할 수 있다는 사실은 우리에게 중요한 경고를 보냅니다.
이러한 복잡한 유체-구조-유사 상호작용을 정밀하게 해석하기 위해서는 실험적 데이터와 더불어 고도화된 CFD 시뮬레이션의 역할이 필수적입니다. STI C&D는 FLOW-3D와 같은 최첨단 해석 솔루션을 통해 이러한 난제를 해결하고, 고객이 더 안전하고 경제적인 설계를 달성할 수 있도록 지원합니다.
“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, 당사 엔지니어링 팀에 문의하여 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.
연락처 : 02-2026-0450
이메일 : flow3d@stikorea.co.kr
저작권 정보
이 콘텐츠는 “R. Lança” 외 저자의 논문 “Effect of spacing and skew-angle on clear-water scour at pier alignments”를 기반으로 한 요약 및 분석 자료입니다.
출처: ISBN 978-0-415-62129-8, Taylor & Francis Group, London, 2012.
Secondary Keywords: 교량 세굴, CFD 해석, 수치 모델링, 하천 공학, 기초 공사 비용 절감, 비점착성 토질
Executive Summary
The Challenge: 현재 널리 사용되는 교량 교각 세굴 예측 모델(HEC-18)은 실제보다 세굴 깊이를 과도하게 예측하여 불필요한 건설 비용을 증가시키는 경향이 있습니다.
The Method: 실제 현장 데이터를 기반으로 비선형 회귀 분석을 사용하여 특정 비점착성 토질 조건에 최적화된 새로운 ‘방정식 군(family of equations)’을 개발했습니다.
The Key Breakthrough: 제안된 새로운 모델은 기존 HEC-18 방정식과 동등한 수준의 안전성(과대 예측 경향 유지)을 확보하면서도, 예측의 평균 제곱 오차(MSE)를 획기적으로 줄여 예측 정확도를 크게 향상시켰습니다.
The Bottom Line: 더 정확한 세굴 예측은 교량 구조물의 안전을 저해하지 않으면서 기초 설계의 최적화를 통해 상당한 건설 비용 절감을 가능하게 합니다.
The Challenge: Why This Research Matters for CFD Professionals
교량의 안전과 효율적인 설계를 위해서는 교각 주변에서 발생하는 국부 세굴(local scour) 깊이를 정확하게 예측하는 것이 필수적입니다. 현재 업계 표준으로 사용되는 경험식, 특히 HEC-18 방정식은 대부분 실험실 수조 실험 결과를 기반으로 합니다. 이로 인해 실제 현장에서 발생하는 복잡한 수리동역학적 힘과 스케일 효과(scaling effects)를 충분히 반영하지 못하는 한계가 있습니다.
결과적으로, 이 방정식들을 실제 교량 설계에 적용할 경우 세굴 깊이를 과도하게 예측하게 됩니다. 이러한 과대 예측은 안전을 확보하는 데는 도움이 되지만, 교량 기초를 불필요하게 깊게 설계하게 만들어 막대한 건설 비용 증가를 초래합니다. 특히 대형 교량이나 다수의 교각이 필요한 프로젝트에서는 이러한 비용 부담이 기하급수적으로 늘어납니다. 따라서 예측의 불확실성을 줄이고 정확도를 높이는 것은 안전성을 유지하면서도 프로젝트 비용을 절감하는 핵심 과제입니다.
The Approach: Unpacking the Methodology
본 연구는 기존 HEC-18 방정식의 예측 능력을 개선하기 위해, 완전히 새로운 형태의 방정식을 만드는 대신 기존 방정식의 친숙한 형태를 유지하는 전략을 채택했습니다. 연구진은 실험실 데이터가 아닌, 미국 지질조사국(USGS)이 관리하는 국립 교량 세굴 데이터베이스(NBSD)의 실제 현장 데이터를 활용했습니다.
연구의 핵심은 데이터를 특정 조건에 따라 그룹화하여 각 그룹에 최적화된 방정식을 개발하는 ‘방정식 군(family of equations)’ 개념을 도입한 것입니다. 데이터는 다음 두 가지 주요 사례로 분류되었습니다. 1. Case 1: 정규화된 교각 폭(NPW, a/y₁)이 0.3 미만인 경우 2. Case 2: 정규화된 교각 폭이 0.3 이상 1.25 미만인 경우
이 두 가지 사례에 대해 비선형 회귀 분석(제한된 보통 최소 제곱법, restricted OLS)을 적용하여 HEC-18 방정식 내의 지수들을 새롭게 도출했습니다. 또한, 예측값이 실제 관측값보다 낮게 나오는 경우(under-prediction)를 최소화하여 안전성을 확보하기 위해, 결과에 ‘가산 조정(additive adjustment)’ 항을 추가하는 방식을 채택했습니다. 이 접근법은 기존 모델의 장점을 계승하면서 현장 데이터 기반의 정확도를 더하는 효과적인 방법론입니다.
The Breakthrough: Key Findings & Data
본 연구를 통해 개발된 새로운 방정식 군은 기존 HEC-18 모델 대비 예측 정확도를 크게 향상시키면서도 안전성을 유지하는 데 성공했습니다.
Finding 1: 예측 오차의 획기적인 감소
새로운 모델은 기존 HEC-18 방정식과 비교하여 예측의 평균 제곱 오차(Mean Square Error, MSE)를 극적으로 감소시켰습니다. 이는 제안된 모델이 실제 현장에서 관측된 세굴 깊이에 훨씬 더 가깝게 예측한다는 것을 의미합니다.
Table 3에 따르면, Case 1 (NPW < 0.30)의 경우, 기존 모델의 평균 MSE는 0.23이었으나 수정된 모델에서는 0.03으로 약 87% 감소했습니다.
Case 2 (0.30 ≤ NPW < 1.25)의 경우, 기존 모델의 평균 MSE는 1.05에서 수정된 모델의 0.30으로 약 71% 감소했습니다. 이러한 오차 감소는 보다 경제적인 설계의 직접적인 근거가 됩니다.
Finding 2: 안전 마진의 일관된 유지
예측 정확도를 높이는 동시에 안전성을 저해하지 않는 것이 중요합니다. 본 연구에서 제안된 가산 조정(additive adjustment) 모델은 기존 HEC-18 모델과 동등한 수준으로 세굴 깊이를 과대 예측하는 경향을 유지했습니다.
Table 4는 4번의 교차 검증 시험 결과를 보여줍니다. 예를 들어, Trial 1에서 Case 1의 경우, 기존 HEC-18 모델과 수정된 모델 모두 17번의 과대 예측을 기록하며 동일한 안전성을 보였습니다. 다른 시험에서도 유사한 결과가 나타나, 수정된 모델이 예측 오차를 줄이면서도 설계 안전 기준을 충족함을 입증했습니다.
Practical Implications for R&D and Operations
For Civil/Structural Engineers (설계 엔지니어): 이 연구는 특정 현장 조건(정규화된 교각 폭, 토질)에 맞는 세굴 방정식을 선택적으로 적용함으로써 교량 기초를 더욱 정밀하고 경제적으로 설계할 수 있음을 시사합니다. 이는 과잉 설계를 방지하여 재료비와 시공비를 절감하는 데 기여할 수 있습니다.
For Geotechnical/Hydraulic Engineers (수리/지반 엔지니어): 본 연구의 데이터 분할 접근법은 현장 데이터의 특성을 고려한 맞춤형 모델링의 중요성을 강조합니다. Figure 1의 의사결정 흐름도는 현장 조건에 따라 어떤 방정식을 적용해야 하는지에 대한 명확한 가이드라인을 제공하며, 이는 엔지니어링 판단의 근거가 될 수 있습니다.
For Project Managers (프로젝트 관리자): 더 정확한 세굴 예측은 프로젝트 초기 단계에서 건설 비용을 더 신뢰성 있게 추정할 수 있게 해줍니다. 이는 예산 계획의 불확실성을 줄이고, 잠재적인 비용 절감 기회를 식별하여 프로젝트의 전반적인 경제성을 향상시키는 데 도움이 됩니다.
Paper Details
Developing a Family of Curves for the HEC-18 Scour Equation
1. Overview:
Title: Developing a Family of Curves for the HEC-18 Scour Equation
Author: Timothy Calappi, Carol J. Miller, Donald Carpenter, and Travis Dahl
Year of publication: 2012
Journal/academic society of publication: International Journal of Geosciences
정확한 교각 세굴 예측은 교량 건설의 안전하고 효율적인 설계에 필수적입니다. 현재는 주로 실험실 실험에서 유래한 경험적 공식으로 단일 교량 교각 주변의 국부적인 세굴 깊이를 예측합니다. 이러한 공식은 스케일링 효과와 유체역학적 힘에 대한 고려가 불충분하다는 한계가 있습니다. 이러한 공식의 단점을 실제 설계에 적용하면 세굴 깊이가 과도하게 과대 예측되어 건설 비용이 증가합니다.
이 연구는 HEC-18 세굴 모델의 예측 능력을 개선하기 위해 현장 규모 데이터를 사용하고 비선형 회귀를 통해 다양한 비응집성 토양 조건에 최적화된 일련의 방정식을 개발했습니다. 널리 받아들여지는 방정식의 예측 능력을 개선하면 안전을 희생하지 않고도 부족한 프로젝트 자금을 절약할 수 있습니다. 수정된 방정식의 수용도를 높이기 위해, 이 연구는 HEC-18 방정식의 익숙한 형태를 유지하려고 노력했습니다. HEC-18 국부 교각 세굴 방정식과 비교했을 때, 이 과정은 검증 데이터 세트의 평균 제곱 오차를 줄이면서도 과대 예측을 유지했습니다.
3. 서론
강바닥 세굴은 자연적 및 인위적 요인으로 인해 발생하는 지속적인 과정입니다. 교량 지지 구조물은 강물의 유속을 국부적으로 가속하여 강물이 퇴적물을 침식하는 능력을 증가시킵니다. 이로 인해 교량이 불안정해져 파괴 위험이 커질 수 있습니다. 미국 연방 고속도로 관리국은 미국 내 60만 개의 교량 중 약 80%가 어떤 형태로든 세굴 완화가 필요하다고 추정합니다. 현재의 예측 방정식에 대한 불확실성으로 인해 세굴 깊이가 종종 과대평가되어 더 깊은 기초를 위한 건설 비용이 증가합니다. 지난 수십 년 동안 연구는 실험실 수로 데이터에서 파생된 경험적 방정식에 집중했지만, 이러한 방법은 스케일링 효과와 현장 조건의 복잡성에 어려움을 겪고 있습니다. HEC-18 방정식은 현재의 표준이며, 이 연구는 그 예측 능력을 개선하는 것을 목표로 합니다.
4. 연구 요약
연구 배경:
교량 교각 세굴은 토목 공학에서 중요한 문제로, 교량 기초 주변의 강바닥 물질 침식은 구조적 무결성을 손상시킬 수 있습니다. 널리 사용되는 HEC-18 방정식과 같은 현재의 예측 모델은 지나치게 보수적인 것으로 알려져 있습니다.
Figure 1. Flow chart depicting currently derived equations and conditions where equations still need to be derived.
이전 연구 현황:
이전 연구는 주로 실험실 실험에서 파생된 경험적 방정식에 의존했습니다. 이러한 방정식은 스케일링 문제로 인해 실제 현장 조건의 복잡성을 정확하게 포착하지 못하는 경우가 많습니다. 1990년대에 이러한 모델을 검증하기 위해 현장 데이터를 사용하려는 시도는 예측이 과도하게 이루어져 불필요하게 높은 건설 비용을 초래한다는 점을 강조했습니다.
연구 목적:
주요 목표는 “세굴 예측 방정식군”을 개발하고 적용하여 세굴 예측의 평균 제곱 오차를 줄이는 것입니다. 이 새로운 방정식군은 기존 HEC-18 방정식과 비슷한 형태로 채택이 용이하도록 설계되었지만, 정확성을 높이기 위해 특정 현장 조건에 맞춘 지수를 가질 것입니다.
핵심 연구:
이 연구는 비응집성, 모래 분율 토양에서 활성층(live-bed) 세굴 조건에 대한 국립 교량 세굴 데이터베이스(NBSD)의 현장 규모 데이터를 사용합니다. 데이터는 정규화된 교각 폭(NPW)을 기준으로 두 가지 경우로 나뉩니다: Case 1 (NPW < 0.3)과 Case 2 (0.3 ≤ NPW < 1.25). 각 경우에 대해, 안전을 위해 예측이 보수적으로 유지되도록 가산 조정 계수를 사용하여 비선형 회귀(제한된 보통 최소 제곱법)를 통해 새로운 방정식을 도출합니다. 그런 다음 이 새로운 방정식의 성능을 원래의 HEC-18 방정식과 비교합니다.
5. 연구 방법론
연구 설계:
이 연구는 기존의 현장 데이터를 사용하는 정량적 접근법을 사용했습니다. 핵심 설계는 주요 수리학적 매개변수(정규화된 교각 폭)를 기반으로 데이터 세트를 분할하고 각 분할에 대해 별도의 회귀 모델을 개발하는 것을 포함했습니다. 이 “곡선군” 접근법은 더 맞춤화되고 정확한 예측을 가능하게 합니다. 모델은 견고성을 보장하기 위해 재표집 기법을 사용하여 개발 및 검증되었습니다.
데이터 수집 및 분석 방법:
데이터는 국립 교량 세굴 데이터베이스(NBSD)에서 가져왔으며, 활성층, 비응집성, D50 < 2mm 기준을 충족하는 148개의 기록이 포함되었습니다. 이상치를 제거한 후 137개의 기록이 사용되었습니다. 데이터 세트는 NPW의 중간값인 0.3에서 분할되었습니다. 네 가지 유형의 비선형 회귀가 테스트되었습니다: 비제한/제한된 보통 최소 제곱법 및 비제한/제한된 가중 최소 제곱법. 최종 모델은 과대 예측을 보장하기 위해 가산 조정을 포함한 제한된 보통 최소 제곱 회귀를 기반으로 했습니다.
연구 주제 및 범위:
이 연구는 단일 교량 교각에 대한 HEC-18 국부 교각 세굴 방정식의 개선에 초점을 맞추고 있습니다. 범위는 비응집성(모래) 토양의 활성층 세굴 조건으로 제한됩니다. 이 연구는 정규화된 교각 폭(NPW < 0.3 및 0.3 ≤ NPW < 1.25)의 특정 범위에 적용 가능한 두 가지 새로운 방정식을 개발합니다.
6. 주요 결과
주요 결과:
가산 조정(방정식 3b)이 있는 제한된 보통 최소 제곱(OLS) 회귀를 사용하여 개발된 방정식군은 원래 HEC-18 모델과 유사하게 세굴 깊이를 지속적으로 과대 예측하여 안전 마진을 유지했습니다.
새로운 모델은 원래의 HEC-18 방정식에 비해 평균 제곱 오차(MSE)를 상당히 줄였습니다. NPW < 0.30의 경우 평균 MSE가 0.23에서 0.03으로 감소했습니다. 0.30 ≤ NPW < 1.25의 경우 MSE가 1.05에서 0.30으로 감소했습니다 (표 3).
최종 도출된 방정식은 Case 1의 경우 방정식 (4a)로, Case 2의 경우 방정식 (4b)로 제시됩니다. 특히, 두 최종 방정식에서 프루드 수(Froude number)에 대한 지수가 0이 되어, 이 공식에서 세굴 깊이 예측이 접근 유속과 무관하게 되었습니다.
잔차 도표(그림 2)는 수정된 방정식이 프루드 수와 정규화된 교각 폭의 범위에 걸쳐 원래의 HEC-18 방정식보다 일반적으로 예측 오차가 작음(잔차가 0에 더 가까움)을 시각적으로 확인시켜 줍니다.
Figure 2. Residual comparisons for the final version of the modified HEC-18 family of equations Case 1 (top) and Case 2 (bottom).
Figure List:
Figure 1. Flow chart depicting currently derived equations and conditions where equations still need to be derived.
Figure 2. Residual comparisons for the final version of the modified HEC-18 family of equations Case 1 (top) and Case 2 (bottom).
7. Conclusion:
This analysis demonstrates that developing a family of equations in a format similar to the current HEC-18 equation can reduce the mean square error of prediction and the overall amount of over-prediction. Using field-scale data, partitioning the dataset, and defining regression parameters for specific conditions leads to significant reductions in estimated scour depths while maintaining a conservative safety margin (over-prediction). While the HEC-18 (CSU-based) equation may not always be the recommended choice, the framework developed in this study can be applied to a wide array of base equations and datasets to improve scour prediction accuracy and lead to more cost-effective bridge designs.
8. References:
[1] H. Nassif, A. O. Ertekin and J. Davis, “Evaluation of Bridge Scour Monitoring Methods, F,” United States Department of Transportation, Federal Highway Administration, Trenton, 2002.
[2] D. Mueller and C. R. Wagner, “Field Observations and Evaluations of Streambed Scour at Bridges,” United States Department of Transportation, Federal Highway Administration, Mclean, 2005.
[3] G. R. Hopkins and R. W. Vance, “Scour around Bridge Piers,” Washington, 1980.
[4] R. Ettema, B. W. Melville and B. Barkdoll, “Scale Effect in Pier-Scour Experiments,” Journal of Hydraulic Engineering, Vol. 124, No. 6, 1998, pp. 639-642.
[5] P. Johnson, “Comparison of Pier-Scour Equations Using Field Data,” Journal of Hydraulic Engineering, Vol. 121, No. 8, 1995, pp. 626-629.
[6] E. V. Richardson and S. R. Davis, “Evaluating Scour at Bridges,” 4th Edition, United States Department of Transportation, Federal Highway Administration, Washington, 2001.
[7] P. F. Lagasse, J. D. Schall and E. V. Richardson, “Stream Stability at Highway Structures HEC-20,” FHWA, 2001, p. 260.
[8] P. F. Lagasse, et al., “Comprehensive Bridge Scour Evaluation Methodology,” 5th International Bridge Engineering Conference, Bridges, Other Structures, and Hydraulics and Hydrology, Transportation Research Board Natl Research Council, Washington, Vol. 1-2, 2000, pp. A204-A208.
[9] G. Brunner, “River Analysis System Hydraulic Reference Manual,” D.o. Defense, Davis, 2008.
[10] M. Landers, D. Mueller and G. Martin, “Bridge-Scour Data Managment System User’s Manual,” United States Geologic Survey, Reston, 1996.
[11] R. Ettema, G. Constantinescu and B. Melville, “Evaluation of Bridge Scour Research: Pier Scour Processes and Predictions,” N.C.H.R. Program, 2011.
[12] D. Froehlich, “Analysis of Onsite Measurements of Scour at Piers,” National Hydraulic Engineering Conference, New York, 1988.
Expert Q&A: Your Top Questions Answered
Q1: 왜 완전히 새로운 형태의 방정식을 개발하는 대신 기존 HEC-18 방정식의 형태를 유지했습니까?
A1: 연구진은 업계의 수용성을 높이기 위해 기존 HEC-18 방정식의 친숙한 형태를 유지하고자 했습니다. 이 접근법을 통해 이미 세굴 과정에서 중요하다고 알려진 매개변수들(교각 폭, 유속, 수심 등)을 그대로 활용하면서, 현장 데이터에 기반하여 각 매개변수의 영향력(지수)을 재조정할 수 있었습니다. 이는 새로운 모델의 도입에 대한 저항을 줄이고 실무 적용을 용이하게 하는 전략적 선택이었습니다.
Q2: 최종 도출된 방정식(4a, 4b)에서 Froude 수의 지수가 0이 되어 유속과 무관해졌습니다. 이는 물리적으로 타당한가요?
A2: 연구진도 이 점을 인지하고 있습니다. 통계적 회귀 분석 결과 Froude 수의 영향력이 0으로 나타났지만, 이는 최대 세굴 깊이를 결정하는 데 있어 접근 유속이 지배적인 매개변수가 아닐 수 있다는 다른 연구 결과와 일맥상통합니다. 논문에서는 Ettema 등의 연구를 인용하며, 유속이 최대 세굴 깊이를 결정하는 주요 매개변수가 아니라고 언급합니다. 따라서 이 모델은 특정 조건 하에서 유속보다는 다른 기하학적, 지반 공학적 요인이 더 중요할 수 있음을 시사합니다.
Q3: ‘가산 조정(additive adjustment)’ 항을 사용한 구체적인 이유는 무엇이며 어떻게 결정되었습니까?
A3: 가산 조정 항의 목적은 예측 모델이 실제 세굴 깊이보다 낮게 예측하는 ‘과소 예측’의 위험을 최소화하여 설계의 안전성을 확보하는 것입니다. 이 값은 모델 개발에 사용된 데이터셋에서 발생한 가장 큰 과소 예측 값을 계산하여 결정되었습니다. 즉, 최악의 시나리오에서도 최소한 관측된 세굴 깊이만큼은 예측하도록 보정값을 모든 예측치에 더해주는 방식입니다.
Q4: 논문에서는 Case 1과 Case 2의 경계점(NPW = 0.30)에서 예측의 불연속성이 발생할 수 있다고 언급했습니다. 엔지니어는 이 문제를 어떻게 처리해야 합니까?
A4: 논문은 이 경계점 근처의 사례에 대해서는 엔지니어링적 판단이 필요하다고 명시합니다. 이는 통계적 모델링의 한계로, 두 방정식이 만나는 지점에서 예측값이 급격히 변할 수 있음을 의미합니다. 연구진은 향후 더 많은 현장 데이터가 축적되면 회귀 분석 과정을 통해 더 부드럽고 연속적인 함수로 개선될 수 있을 것이라고 제안합니다. 실무에서는 경계값 근처의 설계 시 두 방정식을 모두 계산해보고 더 보수적인 값을 채택하는 등의 판단이 필요할 수 있습니다.
Q5: 더 통제된 실험실 데이터 대신 변수가 많은 국립 교량 세굴 데이터베이스(NBSD)의 현장 데이터를 사용한 이유는 무엇입니까?
A5: 실험실 데이터는 스케일 효과(scaling effects) 때문에 실제 현장의 복잡성을 제대로 반영하지 못하는 한계가 있기 때문입니다. 특히 토사의 점착성 효과나 하상 형태(bed forms)의 발달 등은 실험실 규모에서 실제와 동일하게 재현하기 어렵습니다. 따라서 연구진은 실제 교량에서 관측된 데이터를 직접 사용하여, 이러한 복잡성을 내포한 현실적인 예측 모델을 개발하고자 했습니다.
Conclusion: Paving the Way for Higher Quality and Productivity
본 연구는 현재 교량 설계의 표준으로 사용되는 HEC-18 세굴 방정식이 실제 현장에서 세굴 깊이를 과도하게 예측하여 불필요한 건설 비용을 유발하는 문제를 명확히 보여줍니다. 현장 데이터를 기반으로 특정 조건에 맞게 방정식을 세분화하는 ‘방정식 군’ 접근법을 통해, 안전성을 저해하지 않으면서도 예측 정확도를 획기적으로 향상시킬 수 있음을 입증했습니다. 이는 더 정밀하고 경제적인 교량 기초 설계로 이어져, 한정된 예산 내에서 더 안전하고 효율적인 인프라를 구축하는 데 기여할 수 있습니다.
“At STI C&D, we are committed to applying the latest industry research to help our customers achieve higher productivity and quality. If the challenges discussed in this paper align with your operational goals, contact our engineering team to explore how these principles can be implemented in your components.”
(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.
연락처 : 02-2026-0450
이메일 : flow3d@stikorea.co.kr
Copyright Information
This content is a summary and analysis based on the paper “Developing a Family of Curves for the HEC-18 Scour Equation” by “Timothy Calappi, Carol J. Miller, Donald Carpenter, and Travis Dahl”.
이 기술 요약은 Hsun-Yi HUANG 외 저자가 발표한 “APPLICATION OF FINITE ELEMENT METHOD AND GENETIC ALGORITHMS IN BRIDGE SCOUR DETECTION” 논문을 기반으로 하며, STI C&D의 기술 전문가에 의해 분석 및 요약되었습니다.
키워드
Primary Keyword: 교량 세굴 감지
Secondary Keywords: 고유 진동수, 유한요소법(FEM), 유전 알고리즘, 교량 안전성, 구조 건전성 모니터링
Executive Summary
과제: 교량 붕괴의 주요 원인인 세굴 깊이를 직접 측정하는 것은 특히 홍수 시에 어렵고 신뢰성이 떨어집니다.
방법: 유한요소법(FEM)을 사용하여 세굴 깊이가 교량의 고유 진동수에 미치는 영향을 시뮬레이션하고, 유전 알고리즘(GA)을 통해 방대한 시뮬레이션 데이터로부터 예측 공식을 도출했습니다.
핵심 돌파구: 세굴 깊이와 고유 진동수 사이의 명확하고 정량적인 관계를 확립했습니다. 특히 토양 강도는 영향이 미미하며, 특정 세굴 깊이(6~12m)를 넘어서면 진동수가 급격히 감소하여 중요한 경고 지표가 됨을 발견했습니다.
결론: 교량의 고유 진동수를 모니터링하는 것은 위험한 세굴 깊이를 감지하는 신뢰할 수 있는 비접촉식 대리 지표로 활용될 수 있으며, 이를 통해 선제적인 유지보수 및 치명적인 붕괴 사고 예방이 가능합니다.
과제: 이 연구가 CFD 전문가에게 중요한 이유
교량은 교통 시스템의 핵심 요소이지만, 그 안전은 끊임없이 위협받고 있습니다. 1960년부터 1990년까지 미국에서 발생한 1,000건 이상의 교량 붕괴 사고 중 60%가 ‘세굴(scour)’ 현상 때문이었습니다. 세굴은 교각 주변의 흙이 물의 흐름에 의해 침식되어 기초가 노출되는 현상으로, 교량의 기울어짐이나 붕괴로 이어질 수 있습니다.
문제는 이 위험한 세굴 깊이를 정확히 측정하기가 매우 어렵다는 점입니다. 특히 홍수와 같이 유속이 빠른 상황에서는 잠수부나 장비를 투입하여 직접 측정하는 것이 거의 불가능하며, 수중에 설치된 감지 장치 또한 홍수 후에 불안정해지는 경우가 많습니다. 따라서 교량의 안전을 확보하기 위해서는 원격으로, 그리고 신뢰성 있게 세굴의 위험도를 판단할 수 있는 새로운 방법론이 절실히 필요했습니다. 이 연구는 바로 이 지점에서 시작되었습니다.
접근법: 방법론 분석
본 연구는 교량의 ‘고유 진동수’가 세굴 깊이에 따라 변한다는 점에 착안하여, 이를 세굴 깊이 감지를 위한 대리 지표(proxy)로 활용하는 통합 모델을 개발했습니다.
연구팀은 먼저 유한요소법(Finite Element Method, FEM)을 사용하여 실제 교량(7경간 프리스트레스트 박스 거더교)의 정밀한 3D 모델을 구축했습니다. 이 모델을 통해 다양한 환경 조건을 시뮬레이션했습니다. – 세굴 깊이 변수: 0m부터 19m까지 총 10가지 다른 세굴 깊이를 설정했습니다. – 토양 조건 변수: 토양의 강도(영률)가 고유 진동수에 미치는 영향을 분석하기 위해 6가지 다른 토양 조건을 시뮬레이션했습니다.
이러한 FEM 시뮬레이션을 통해 세굴 깊이와 토양 조건에 따른 방대한 양의 고유 진동수 데이터를 생성했습니다. 하지만 이 데이터만으로는 세굴 깊이를 예측하는 보편적인 공식을 만들기가 어렵습니다.
여기서 두 번째 핵심 기술인 유전 알고리즘(Genetic Algorithms, GA)이 사용되었습니다. 유전 알고리즘은 수많은 데이터 속에서 최적의 해(이 경우, 예측 공식)를 찾아내는 탐색 알고리즘입니다. 연구팀은 GA를 적용하여 FEM 시뮬레이션으로 생성된 방대한 데이터에 가장 잘 맞는, 즉 세굴 깊이와 고유 진동수 간의 관계를 정의하는 최적의 일반 공식을 도출했습니다.
돌파구: 주요 발견 및 데이터
발견 1: 토양 강도는 고유 진동수에 미미한 영향을 미친다
가장 중요한 발견 중 하나는 교각 주변 토양의 강도가 교량의 고유 진동수에 큰 영향을 미치지 않는다는 것입니다. 아래 Figure 10은 6가지 다른 토양 조건(Case 1~6)에 대한 정규화된 고유 진동수 변화를 보여줍니다.
그래프에서 볼 수 있듯이, 모든 케이스의 곡선이 거의 일치하며, 특히 세굴 깊이가 0m에서 6m 사이일 때는 그 차이가 거의 없습니다. 이는 현장에서 정확히 파악하기 어려운 토양 강도 변수를 고려하지 않고도 비교적 정확하게 고유 진동수를 통해 세굴 깊이를 예측할 수 있음을 의미하며, 이는 이 방법론의 실용성을 크게 높여줍니다.
발견 2: 특정 세굴 깊이에서 고유 진동수가 급격히 감소하는 ‘경고 구간’ 존재
Figure 9와 논문의 결론에 따르면, 세굴 깊이에 따른 고유 진동수 변화는 특정 임계점을 기준으로 뚜렷한 패턴을 보입니다. – 0m ~ 6m 구간: 세굴이 발생하더라도 고유 진동수의 변화는 미미합니다. – 6m ~ 10m 구간: 고유 진동수가 눈에 띄게 감소하기 시작합니다. 이 구간은 ‘경고 지수(warning index)’로 볼 수 있습니다. – 12m 이상 구간: 세굴 깊이가 12m에 도달하면 고유 진동수는 매우 급격하게 감소합니다. 이는 교량 기초의 지지력이 심각하게 손상되었음을 의미하는 위험 신호입니다.
이러한 발견은 단순히 진동수 변화를 측정하는 것을 넘어, 변화의 ‘정도’를 통해 세굴의 위험 단계를 구분할 수 있는 정량적 기준을 제공합니다.
R&D 및 운영을 위한 실질적 시사점
교량 유지보수 및 구조 건전성 모니터링 엔지니어: 이 연구는 교량의 고유 진동수를 지속적으로 모니터링하는 것이 효과적인 세굴 조기 경보 시스템이 될 수 있음을 시사합니다. 기준치 대비 진동수가 점진적으로 감소하다가 급격한 하락이 감지되면, 세굴 깊이가 경고 구간(6m~12m)에 도달했음을 의미하므로 즉각적인 정밀 안전 점검이 필요합니다.
안전 평가팀: 논문의 Figure 9와 Figure 10 데이터는 안전 임계치를 설정하는 정량적 근거를 제공합니다. 육안 검사나 수중 탐사에만 의존하는 대신, 고유 진동수 모니터링을 안전 프로토콜에 통합하여 세굴이 없는 상태 대비 정규화된 진동수가 특정 비율 이하로 떨어지는 교량을 위험 대상으로 자동 분류할 수 있습니다.
설계 엔지니어: 이 연구 결과는 교량 기초가 노출될 경우 구조물의 동적 응답이 얼마나 민감하게 변하는지를 명확히 보여줍니다. 이는 잠재적인 세굴 시나리오와 그것이 전체 구조적 안정성에 미치는 영향을 고려한 견고한 기초 설계의 중요성을 다시 한번 강조합니다.
논문 상세 정보
APPLICATION OF FINITE ELEMENT METHOD AND GENETIC ALGORITHMS IN BRIDGE SCOUR DETECTION
1. 개요:
제목: APPLICATION OF FINITE ELEMENT METHOD AND GENETIC ALGORITHMS IN BRIDGE SCOUR DETECTION
저자: Hsun-Yi HUANG, Wen-Yen CHOU, Shen-Haw JU, and Chung-Wei FENG
발행 연도: 정보 없음
학술지/학회: 정보 없음
키워드: Natural Frequency, Genetic Algorithm, Scouring around bridge piers
2. 초록:
본 연구에서는 유전 알고리즘과 시뮬레이션 기술을 결합한 통합 모델을 개발하여 교량 구조물의 고유 진동수를 이용해 교각 주변의 세굴 깊이를 추정한다. 교각 주변의 세굴은 교량의 기울어짐과 붕괴를 유발할 수 있으므로 교량 관리의 중요한 안전 문제이다. 그러나 교각 구조물 주변의 물 흐름 메커니즘은 복잡하여 세굴 깊이와 교량 안전성을 결정하는 일반적인 모델을 개발하기가 매우 어렵다. 많은 연구자들이 수심, 평균 유속, 모래 직경 등 다양한 요소를 고려하여 교량 모델을 시뮬레이션함으로써 교각 주변의 세굴 깊이를 추정하려고 시도했다. 그러나 대부분의 모델은 사전 정의된 조건이 필요하며 특정 유형의 교량에만 적용될 수 있다. 본 연구에서는 교량 환경을 잘 시뮬레이션하고 세굴 깊이와 고유 진동수 사이의 결과에 영향을 미치는 중요한 요소를 인식하기 위해 유한요소법을 사용했다. 유한요소법은 말뚝 기초 유형, 토양 강도, 세굴 깊이와 같은 다양한 조건을 메쉬로 시뮬레이션할 수 있다. 시뮬레이션은 방대한 양의 데이터를 생성하므로 세굴 깊이와 고유 진동수 사이의 관계를 분석하고 찾기가 어렵다. 이에 유전 알고리즘을 사용하여 세굴 깊이와 고유 진동수 사이의 관계를 정의하는 적합한 일반 공식을 찾는다. 본 논문에서는 다양한 교량 세굴 깊이 내에서 토양 강도와 고유 진동수를 비교하여 논의한다.
3. 서론:
교량은 교통 시스템의 중요한 구성 요소이므로 건강과 안전을 보장하는 것이 중요하다. Shirole과 Holt는 1960년부터 1990년까지 미국에서 1,000개 이상의 붕괴된 교량을 관찰한 결과, 이들 붕괴의 60%가 세굴 때문임을 확인했다[1]. 문헌 [2], [3]에서는 최근 미국에서의 교량 붕괴 사례를 조사하고, 세굴이 교량 붕괴의 주요 원인 중 하나라는 결론을 얻었다. Dargahi는 상류 경계층의 3차원 분리와 실린더 후류의 주기적인 와류 방출과 결합된 세굴 메커니즘을 제시했다. [4] Melville 등은 “교량 세굴”이라는 책을 출판했다. 이 책은 교량 기초의 세굴에 대한 설명, 분석 및 설계를 다룬다. 중심 초점은 기존 및 새로운 설계 방법을 완전한 교량 세굴 설계 방법론으로 결합하는 것이다. 이 책은 기존 연구 결과와 설계 경험의 광범위한 요약을 기반으로 한다[5]. 환경적 요인으로 인해 교각 구조물 주변의 물 흐름 메커니즘을 파악하는 것은 여전히 어렵다. 따라서 Johnson은 위험 기반 설계 방법과 붕괴 확률을 사용하여 교량 교각 설계에 불확실성을 통합하는 방법을 논의했다[9]. Johnson 등은 시뮬레이션을 통해 다양한 지점에서 교량이 붕괴될 확률을 결정했다.
4. 연구 요약:
연구 주제의 배경:
교량 붕괴의 약 60%는 교각 주변의 토사가 물에 의해 침식되는 세굴 현상으로 인해 발생한다. 세굴 깊이를 직접 측정하는 것은 특히 홍수 시에 어렵고 위험하여 교량의 안전 상태를 실시간으로 파악하기 힘들다. 따라서 원격으로, 비접촉 방식으로 세굴 위험을 감지할 수 있는 신뢰성 있는 기술이 필요하다.
이전 연구 현황:
많은 연구자들이 수심, 유속 등 다양한 변수를 고려하여 세굴 깊이를 시뮬레이션하려 했으나, 대부분의 모델은 특정 조건과 교량 유형에만 적용되는 한계가 있었다. 또한 위험 기반 설계나 확률적 접근법도 있었지만, 실시간 감지 방법으로는 부족했다.
연구 목적:
본 연구의 목적은 교량의 고유 진동수 변화를 측정하여 교각 주변의 세굴 깊이를 간접적으로 추정하는 통합 모델을 개발하는 것이다. 이를 위해 유한요소법(FEM)으로 다양한 조건의 시뮬레이션 데이터를 생성하고, 유전 알고리즘(GA)을 이용해 이 데이터로부터 세굴 깊이와 고유 진동수 간의 관계를 나타내는 보편적인 예측 공식을 도출하고자 한다.
핵심 연구:
핵심 연구 내용은 FEM을 사용하여 다양한 세굴 깊이와 토양 강도 조건에서 교량의 고유 진동수를 계산하고, 이 방대한 시뮬레이션 결과를 바탕으로 GA를 적용하여 고유 진동수로부터 세굴 깊이를 예측할 수 있는 최적의 수학적 공식을 찾는 것이다. 특히 토양 강도가 고유 진동수에 미치는 영향을 분석하여 모델의 실용성을 검증한다.
5. 연구 방법론
연구 설계:
본 연구는 시뮬레이션 기반의 모델 개발 연구이다. 7경간 프리스트레스트 박스 거더교를 대상으로 3D 유한요소 모델을 생성했다. 다양한 세굴 깊이(0m ~ 19m, 10단계)와 토양 강도(6가지 케이스)를 변수로 설정하여 시뮬레이션을 수행했다. 생성된 데이터(세굴 깊이에 따른 고유 진동수)를 기반으로 유전 알고리즘을 적용하여 예측 공식을 도출하는 방식으로 설계되었다.
데이터 수집 및 분석 방법:
데이터 생성: 유한요소 해석 프로그램(본문 미언급)을 사용하여 교량의 동적 문제에 대한 고유치 문제(eigenproblem)를 해결했다. 감쇠와 외력을 무시한 운동방정식 (Κ - ω²Μ)Φ = 0을 풀기 위해 부분공간 반복법(subspace iteration method)을 사용했다. 이를 통해 각 시뮬레이션 조건에 대한 교량의 고유 진동수(ω)를 계산했다.
Fig. 1 . 3D finite element mesh without the exposure of the foundation
데이터 분석: 생성된 방대한 양의 (세굴 깊이, 고유 진동수) 데이터 쌍에 대해 유전 알고리즘(GA)을 적용했다. GA는 잠재적 해(예측 공식)를 염색체 문자열로 표현하고, 교차 및 돌연변이 연산을 통해 더 나은 해를 탐색한다. 각 해의 성능은 시뮬레이션된 실제 값과 공식의 예측 값 사이의 평균 제곱근 오차(RMSE)를 최소화하는 적합도 함수로 평가되었다.
연구 주제 및 범위:
본 연구는 교량의 고유 진동수를 이용한 세굴 깊이 감지에 초점을 맞춘다. 연구 범위는 특정 유형의 교량(프리스트레스트 박스 거더교) 모델에 대한 시뮬레이션으로 한정된다. 주요 연구 주제는 (1) 세굴 깊이와 고유 진동수 간의 관계 규명, (2) 토양 강도가 이 관계에 미치는 영향 분석, (3) 유전 알고리즘을 이용한 예측 공식 개발 가능성 탐구이다.
6. 주요 결과:
주요 결과:
토양 강도는 교량의 고유 진동수에 큰 영향을 미치지 않는다. 특히 세굴 깊이가 0m에서 6m 사이일 때, 여러 토양 조건에 따른 고유 진동수 값의 차이는 거의 없었다.
세굴 깊이가 증가함에 따라 교량의 고유 진동수는 감소한다. 이 감소 경향은 특정 깊이에서 뚜렷해진다.
세굴 깊이가 6m에서 10m 사이가 되면 고유 진동수가 눈에 띄게 감소하기 시작하며, 12m에 도달하면 급격히 감소한다. 이는 6m~10m 구간이 세굴 위험을 감지하는 중요한 ‘경고 지수’가 될 수 있음을 시사한다.
유한요소 시뮬레이션 결과는 현장 실험과 비교했을 때 x, y 방향에서 각각 2.64%~4.58%, 1.42%~4.99%의 오차를 보여 수용 가능한 정확도를 가짐이 검증되었다.
Fig. 9 The relationship between natural frequency and scour depth for each soil case
그림 목록:
Fig. 1 3D finite element mesh without the exposure of the foundation
Fig. 2 3D finite element mesh with the exposure of the foundation
Fig. 3 Mode 1 in eigen-analysis
Fig. 4 Flowchart of GA
Fig. 5 GA string
Fig. 6 Illustration of transform function selection
Fig. 7 The size of the bridge section (unit=m)
Fig. 8 The bridge mesh with 13m scour depth
Fig. 9 The relationship between natural frequency and scour depth for each soil case
Fig. 10 The relationship between normalized natural frequency and scour depth
7. 결론:
본 논문에서는 시뮬레이션 기술과 유전 알고리즘을 결합하여 고유 진동수를 이용해 교각 주변의 세굴 깊이를 추정하는 통합 모델을 소개했다. 접촉식 측정 방식의 어려움 때문에 교량의 고유 진동수는 세굴 깊이를 측정하고 교량 안전을 위한 참고 자료를 제공하는 대안적인 대리 지표가 될 수 있다. 유한요소 해석을 통해 다양한 교량 조건에서 다수의 고유 진동수 데이터를 생성하고, 유전 알고리즘을 적용하여 시뮬레이션 데이터 기반으로 교량 고유 진동수와 세굴 깊이 간의 근사 관계식을 찾고 공식을 도출했다. 이를 통해 현장 실험에서 고유 진동수를 이용하여 교량의 세굴 깊이를 쉽게 계산할 수 있다.
제시된 모델을 통해 다양한 토양 강도가 고유 진동수에 미치는 영향을 분석한 결과, 토양 강도는 교량의 고유 진동수에 큰 영향을 미치지 않으며, 어떤 경우든 세굴 깊이가 0m에서 6m까지는 고유 진동수 변화가 거의 없었다. 6m에서 10m 사이에서는 고유 진동수가 눈에 띄게 감소하며, 12m에 도달하면 급격히 감소한다. 결과적으로, 6m에서 10m의 세굴 깊이는 경고 지수가 될 수 있다. 이는 고유 진동수가 해당 범위 내에 있을 때 교량의 안전을 확보하기 위해 특별 점검이나 유지보수가 필요할 수 있다는 기본적인 시각을 제공한다.
향후 연구에서는 교량 형태, 토양 유형, 교각 형태 등 다양한 환경 조건을 이 모델에 적용할 것이다. 더 중요한 요인들을 찾아내고 교량 세굴 깊이 감지를 위한 유용한 공식을 도출할 것이다.
8. 참고 문헌:
[1] Shirole A.M., and Holt, R.C., 1991. “Planning for a Comprehensive Bridge Safety Assurance Program”, Transp. Res. Rec. No. 1290, Transportation Research Board, Washington D.C., 137-142
[2] Wardhana, K. and Hadipriono, F.C., 2003. “Analysis of Recent Bridge failures in the United States”, Journal of Performance of Constructed Facilities, Vol. 17, No. 3, pp. 144-150.
[3] Biezma, M.V. and Schanack, F., 2007. “Collapse of Steel Bridges”, Journal of Performance of Constructed Facilities, Vol. 21, pp.398-405.
[4] Dargahi, B., 1990. “Controlling Mechanism of Local Scouring”, Journal of Hydraulic Engineering, ASCE, Vol.116, No.10, pp.1197-1214.
[5] Melville, B. W, Coleman, S. E., 2000. Bridge Scour, the University of Auckland, New Zealand.
[6] Melville, B.W., 1997. “Pier and Abutment Scour: Integrated Approach”, Journal of Hydraulic Engineering, ASCE, Vol.123, No. 2, pp. 125-136.
[7] Richardson, J.E. and Panchang, V.G., 1998. “Three-Dimensional Simulation of Scour-Inducing Flow at Bridge Piers”, Journal of Hydraulic Engineering, ASCE, Vol. 124, No. 5, pp. 530-540.
[8] Bolduc, L.C, Gardoni, P. and Briaud, J.L., 2008. “Probability of Exceedance Estimates for Scour Depth around Bridge Piers”, Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering, Vol. 134, No. 2, pp. 175-184.
[9] Johnson, P.A., 1992. “Reliability-Based Pier Scour Engineering”, Journal of Hydraulic Engineering, ASCE, Vol. 118, No. 10, pp. 1344-1358.
[10] Johnson, P. A. and B. M. Ayyub, 1992. “Assessing Time-Variant Bridge Reliability Due to Pier Scour” Journal of Hydraulic Engineering, ASCE, Vol. 118, No. 6, pp. 887-903.
[11] Lebeau, K.H. and Wadia-Fascetti, S.J., 2007. “Fault Tree Analysis of Constructed Facilities”, Journal of Performance of Constructed Facilities, Vol. 21, No. 4, pp.320-326.
[12] Holland, J. H., 1975. “Adaptation in natural and artificial systems”, University of Michigan Press, Ann Arbor, Mich.
[13] Goldberg, D. E., 1989, “Genetic algorithms in search”, Optimization and Machine Learning, Addison-Wesley, Reading, Mass.
전문가 Q&A: 자주 묻는 질문
Q1: 왜 다른 시뮬레이션 기법 대신 유한요소법(FEM)을 선택했나요?
A1: 논문에 따르면, FEM은 말뚝 기초 유형, 토양 강도, 다양한 세굴 깊이와 같은 복잡한 조건을 정밀하게 모델링하는 데 적합하기 때문입니다. 대부분의 일반 모델은 사전 정의된 조건이 필요하고 특정 교량에만 적용할 수 있는 한계가 있지만, FEM은 다양한 환경 변수를 고려하여 실제 교량 환경을 효과적으로 시뮬레이션할 수 있어 이 연구에 채택되었습니다.
Q2: FEM 시뮬레이션 데이터가 이미 있는데 유전 알고리즘(GA)을 사용한 이유는 무엇인가요?
A2: FEM 시뮬레이션은 방대한 양의 데이터를 생성했습니다. 이 수많은 데이터 포인트들 사이의 복잡한 관계를 수동으로 분석하여 세굴 깊이와 고유 진동수 간의 관계를 정의하는 보편적인 공식을 찾는 것은 매우 어렵습니다. 유전 알고리즘은 이 방대한 데이터 공간을 효율적으로 탐색하여 시뮬레이션 결과와 실제 값의 오차(RMSE)를 최소화하는 최적의 ‘맞춤형 일반 공식’을 자동으로 찾아내는 역할을 수행했습니다.
Q3: Figure 10에서 토양 강도가 거의 영향을 미치지 않는다는 결과가 왜 중요한가요?
A3: 이 발견은 감지 모델을 크게 단순화시켜 실용성을 높여주기 때문입니다. 현장에서 교각 아래의 토양 강도를 정확하게 측정하는 것은 매우 어렵습니다. 토양 강도에 따라 고유 진동수가 크게 변한다면, 이 방법은 실용성이 떨어질 것입니다. 하지만 이 연구는 토양 강도라는 불확실한 변수 없이도 고유 진동수만으로 세굴 깊이를 신뢰성 있게 추정할 수 있음을 보여주어, 실제 현장 적용 가능성을 크게 높였습니다.
Q4: 6m에서 12m 사이의 세굴 깊이가 ‘경고 지수’라는 것의 실질적인 의미는 무엇인가요?
A4: 이는 안전 관리의 중요한 임계점을 의미합니다. 6m 미만의 세굴에서는 고유 진동수 변화가 작아 감지가 어려울 수 있지만, 6m를 넘어서면서 진동수가 눈에 띄게, 그리고 12m에 가까워질수록 급격히 감소합니다. 이는 교량 기초의 지지력이 심각하게 약화되고 있으며 붕괴 위험이 빠르게 증가하고 있다는 명확한 신호입니다. 따라서 이 구간에 해당하는 진동수 변화가 감지되면 즉각적인 정밀 점검 및 보강 조치가 필요함을 의미합니다.
Q5: 시뮬레이션 결과는 어떻게 검증되었나요?
A5: 논문에 따르면, 시뮬레이션 결과는 현장 실험을 통해 검증되었습니다. “x 방향과 y 방향의 오차는 각각 약 2.64%~4.58%와 1.42%~4.99%였습니다. 유한요소 해석 결과는 수용 가능한 정확도 내에 있습니다”라고 명시되어 있어, 개발된 모델이 실제 교량의 거동을 신뢰성 있게 예측함을 확인했습니다.
결론: 더 높은 품질과 생산성을 위한 길
교량 붕괴의 주범인 세굴을 감지하는 것은 기존의 방식으로 많은 어려움이 있었습니다. 본 연구는 유한요소법과 유전 알고리즘을 결합하여 교량의 고유 진동수 변화만으로 위험한 교량 세굴 감지가 가능함을 입증한 중요한 돌파구를 제시했습니다. 특히 토양 강도와 무관하게 특정 세굴 깊이에서 진동수가 급격히 감소하는 ‘경고 구간’을 발견함으로써, 교량 안전 관리를 위한 실용적이고 정량적인 기준을 마련했습니다.
STI C&D는 최신 산업 연구를 적용하여 고객이 더 높은 생산성과 품질을 달성할 수 있도록 최선을 다하고 있습니다. 이 논문에서 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.
연락처 : 02-2026-0450
이메일 : flow3d@stikorea.co.kr
저작권 정보
이 콘텐츠는 Hsun-Yi HUANG 외 저자의 논문 “APPLICATION OF FINITE ELEMENT METHOD AND GENETIC ALGORITHMS IN BRIDGE SCOUR DETECTION”을 기반으로 한 요약 및 분석 자료입니다.
이 기술 요약은 Rui Lança, Cristina Fael, António Cardoso가 작성하여 발표한 “[Assessing equilibrium clear water scour around single cylindrical piers]” 논문을 기반으로 합니다. 이 자료는 STI C&D의 기술 전문가에 의해 분석 및 요약되었습니다.
키워드
Primary Keyword: 평형 세굴 심도
Secondary Keywords: 교각 세굴, 수리 실험, CFD, 국부 세굴, 시간 변화, 예측 모델
Executive Summary
The Challenge: 기존의 교각 세굴 평형 상태 판단 기준은 주관적이며, 실제 최대 세굴 심도를 심각하게 과소평가하여 구조물 안전에 위험을 초래할 수 있습니다.
The Method: 단일 원형 교각 주변의 평형 세굴을 평가하기 위해 최대 46일간의 장기 수리 실험 5건을 수행하고, 6-매개변수 다항 함수를 이용한 데이터 외삽법의 유효성을 검증했습니다.
The Key Breakthrough: 단 7일간의 세굴 심도 기록에 6-매개변수 다항 함수를 적용하고 무한 시간으로 외삽하면, 최종 평형 세굴 심도를 매우 정확하고 신뢰성 있게 예측할 수 있음을 발견했습니다.
The Bottom Line: 이 연구는 기존의 실험 기간 및 평형 판단 기준의 한계를 극복하고, 더 짧은 실험 데이터로도 교량 구조물의 장기적인 안정성을 평가할 수 있는 강력한 분석 도구를 제시합니다.
The Challenge: Why This Research Matters for CFD Professionals
교량의 안전성을 평가할 때 교각 주변에서 발생하는 국부 세굴(local scour) 현상을 정확히 예측하는 것은 매우 중요합니다. 세굴은 교각 기초의 지지력을 약화시켜 교량 붕괴의 주요 원인이 될 수 있기 때문입니다. 수리 실험에서 세굴이 더 이상 “실질적으로” 또는 “인지할 수 있을 정도로” 증가하지 않는 ‘평형 상태’에 도달했다고 판단하는 시점은 연구자마다 해석이 달라 매우 주관적입니다.
이러한 주관성은 실험 결과의 신뢰성에 큰 영향을 미칩니다. 너무 짧은 기간의 실험 데이터에 의존하여 평형에 도달했다고 잘못 판단하면, 실제 발생할 수 있는 최대 세굴 심도를 심각하게 과소평가하게 됩니다. 이는 교량 설계 시 안전율을 잘못 계산하게 만드는 치명적인 오류로 이어질 수 있습니다. 본 연구는 이러한 기존 접근법의 문제점을 명확히 하고, 보다 객관적이고 신뢰할 수 있는 평형 세굴 심도 예측 방법의 필요성을 제기하며 시작되었습니다.
The Approach: Unpacking the Methodology
본 연구는 기존 평형 세굴 평가 방법의 타당성을 검증하기 위해 5가지의 장기 수리 실험을 수행했습니다. 실험은 길이 12.7m, 폭 0.83m, 깊이 1.0m의 콘크리트 및 유리벽 수로에서 진행되었습니다.
실험 조건은 다음과 같습니다.
– 유사(Sediment): 두 종류의 균일한 석영사(D50 = 0.86mm 및 1.28mm)를 사용했습니다. – 교각(Pier): 직경 63mm, 75mm, 80mm의 PVC 파이프를 사용하여 단일 원형 교각을 모사했습니다. – 실험 기간: 각 실험은 최소 24.9일에서 최대 45.6일까지 매우 긴 시간 동안 수행되어, 세굴의 장기적인 시간 변화를 관찰했습니다.
연구팀은 시간에 따른 세굴 심도 변화를 정밀하게 측정했습니다. 수집된 데이터는 Melville & Chiew (1999), Cardoso & Bettess (1999) 등 기존에 널리 사용되던 평형 판단 기준과 비교 분석되었습니다. 또한, Bertoldi and Jones (1998)가 제안한 4-매개변수 다항 함수와 이를 개선한 6-매개변수 다항 함수를 데이터에 적용하여 무한 시간(t=∞)에서의 최종 평형 세굴 심도를 외삽(extrapolate)하는 새로운 접근법의 정확도를 평가했습니다.
The Breakthrough: Key Findings & Data
Finding 1: 기존 평형 판단 기준의 심각한 오차
연구 결과, 일반적으로 사용되는 평형 판단 기준들은 최종 세굴 심도를 상당히 과소평가하는 경향이 있었습니다. 이는 실험이 아직 평형에 도달하지 않았음에도 불구하고, 세굴 속도가 일시적으로 느려지는 구간을 평형 상태로 오인할 수 있기 때문입니다.
Table 2의 데이터에 따르면, Melville & Chiew (1999)의 기준을 적용했을 때 예측된 최종 세굴 심도는 6-매개변수 함수로 외삽한 값에 비해 최대 -23%(실험 #2)까지 낮게 나타났습니다. 가장 오차가 적었던 Cardoso & Bettess (1999)의 방법조차도 최대 -13%의 오차를 보였습니다. 이는 기존의 방법들이 교각의 장기적인 안전성을 평가하는 데 있어 심각한 오류를 야기할 수 있음을 명확히 보여줍니다.
Figure 4. a) Definition of time to equilibrium and end-scour depth according to Cardoso and Bettess (1999)
Finding 2: 7일 데이터 기반 외삽법의 높은 정확도
본 연구의 가장 중요한 발견은, 비교적 짧은 기간의 실험 데이터만으로도 최종 평형 세굴 심도를 신뢰성 있게 예측할 수 있다는 점입니다. 특히 6-매개변수 다항 함수(Equation 2)를 사용하여 데이터를 외삽하는 방법이 매우 효과적이었습니다.
Table 4는 서로 다른 기간(4일, 7일, 15일)의 데이터 기록을 사용하여 최종 세굴 심도를 외삽한 결과를 전체 기록(최대 46일)으로 외삽한 값과 비교합니다. – 4일 기록: 외삽 결과는 -21%에서 +12%까지 큰 편차를 보여 신뢰성이 낮았습니다. – 7일 기록: 외삽 결과는 -7%에서 +5% 사이의 훨씬 더 좁은 오차 범위를 보였습니다. 이는 단 7일간의 데이터만으로도 매우 견고하고 신뢰할 수 있는 예측이 가능함을 의미합니다. – 15일 기록: 7일 기록에 비해 예측 정확도가 약간 향상되었지만, 그 개선 폭은 미미했습니다.
결론적으로, 약 7일간의 세굴 심도 데이터를 6-매개변수 다항 함수로 외삽하는 것이 정확도와 실험 효율성 측면에서 최적의 균형을 제공하는 것으로 나타났습니다.
Practical Implications for R&D and Operations
For Hydraulic/Civil Engineers: 이 연구는 시간과 비용이 많이 소요되는 장기 수리 실험을 대체할 수 있는 효과적인 대안을 제시합니다. 잘 설계된 7일간의 실험과 본 논문에서 제안된 분석 기법을 결합하면, 교각 기초 설계에 필요한 신뢰성 있는 최종 세굴 심도 데이터를 확보할 수 있습니다.
For Infrastructure Project Managers: 더 짧은 실험으로 최대 세굴 심도를 정확하게 예측할 수 있게 됨에 따라, 안전성 평가를 저해하지 않으면서도 프로젝트 일정을 단축하고 실험 비용을 절감할 수 있습니다.
For CFD Modelers: 본 연구에서 얻어진 장기 실험 데이터와 기존 방법들의 한계점은 세굴 과정에 대한 CFD 시뮬레이션 모델을 검증하는 데 귀중한 벤치마크 자료를 제공합니다. 특히 6-매개변수 함수는 장기적인 시뮬레이션 결과가 지향해야 할 목표 거동을 제시할 수 있습니다.
Paper Details
Assessing equilibrium clear water scour around single cylindrical piers
1. Overview:
Title: Assessing equilibrium clear water scour around single cylindrical piers
Author: Rui Lança, Cristina Fael, António Cardoso
Year of publication: 2010 (inferred from source)
Journal/academic society of publication: River Flow 2010 Conference (inferred from source)
Keywords: Local scour; Single piers; Equilibrium phase.
2. Abstract:
본 연구의 목적은 실험 연구에서 단일 원형 교각의 세굴 평형 단계 시작을 평가하기 위한 기존 접근법의 타당성을 조사하는 것입니다. 5개의 장기 실험 결과가 보고되었습니다. 주어진 세굴 실험이 평형 단계에 도달했는지 여부를 결정하는 데 사용되는 일반적인 방법들이 잘못될 수 있음이 논의를 통해 충분히 나타났습니다. 또한, 평형 도달 시간에 대한 기존 예측 변수들이 평형 심도에 대해 상당히 잘못된 예측을 초래할 수 있음도 보여주었습니다. 마지막으로, 일반적으로 7일간의 세굴 심도 기록을 6-매개변수 다항 함수로 조정하고 무한 시간으로 외삽하면 단일 원형 교각에서의 평형 세굴 심도에 대한 견고한 값을 얻을 수 있는 것으로 보입니다.
3. Introduction:
1950년대 이래로 많은 연구자들이 교량 교각 및 교대에서의 세굴 과정을 이해하고 세굴 심도 예측 변수를 도출하기 위해 실험 연구를 수행해 왔습니다. 그러나 지난 20년 전까지 보고된 많은 연구들은 평형에 도달하기에 충분히 길지 않은 실험에 기반했을 수 있습니다. 최근에는 세굴 심도의 시간적 변화에 대한 연구가 강화되었지만, 세굴 깊이가 “실질적으로” 더 이상 증가하지 않는 평형 상태의 정의는 여전히 주관적입니다. 이러한 주관성은 실험실에서 평형을 달성하는 데 필요한 시간에 중요한 영향을 미칩니다. 본 연구는 이러한 문제점을 해결하기 위한 대안적 접근법을 평가하고자 합니다.
4. Summary of the study:
Background of the research topic:
교각 주변의 국부 세굴은 흐름에 의해 발생하는 강력한 와류 시스템으로 인해 발생하며, 시간이 지남에 따라 점차 깊어집니다. 세굴 과정은 초기 단계, 주요 단계, 그리고 평형 단계로 나뉩니다. 특히 맑은 물 세굴(clear-water scour) 조건에서는 주요 단계가 매우 길며 평형 세굴 심도에 점근적으로 접근합니다.
Status of previous research:
많은 연구자들이 평형 상태를 정의하기 위해 다양한 기준을 제시했습니다. 예를 들어, Melville and Chiew (1999)는 24시간 동안 세굴 속도가 교각 직경의 5% 미만으로 감소할 때를 평형 시간으로 정의했습니다. Cardoso and Bettess (1999)는 세굴 심도 대 시간의 로그 그래프 기울기가 0에 가까워지는 시점으로 평형을 판단했습니다. 그러나 이러한 기준들은 자의적이며, 일시적인 정체기 이후에 세굴이 다시 시작될 수 있다는 비판도 있습니다.
Purpose of the study:
본 연구의 목적은 단일 원형 교각에서 세굴의 평형 단계 시작을 평가하는 기존 접근법들의 타당성을 조사하고, 비교적 짧은 기간의 실험 데이터로부터 최종 평형 세굴 심도를 신뢰성 있게 예측할 수 있는 대안적 방법을 제시하는 것입니다.
Core study:
연구의 핵심은 5건의 장기 수리 실험을 통해 얻은 세굴 심도 시간 기록을 분석하는 것입니다. 이 데이터를 사용하여 기존의 여러 평형 판단 기준(Melville & Chiew, Cardoso & Bettess 등)의 정확도를 평가하고, 4-매개변수 및 6-매개변수 다항 함수를 이용한 외삽법의 성능과 비교했습니다. 특히, 실험 기간을 인위적으로 단축(예: 4일, 7일, 15일)하여 짧은 데이터만으로도 최종 평형 심도를 얼마나 정확하게 예측할 수 있는지를 체계적으로 검증했습니다.
5. Research Methodology
Research Design:
본 연구는 통제된 실험실 환경에서 5건의 장기 수리 실험을 수행하는 실험적 연구 설계를 채택했습니다. 교각 직경, 유사 입경 등 일부 변수를 변경하며 세굴의 시간적 변화를 관찰하고, 이를 다양한 분석 모델에 적용하여 그 유효성을 비교 평가했습니다.
Data Collection and Analysis Methods:
데이터는 수로에 설치된 교각 주변의 최대 세굴 심도를 시간 경과에 따라 포인트 게이지(point gauge)를 사용하여 ±1mm의 정확도로 측정하여 수집되었습니다. 수집된 시계열 데이터(time-series data)는 기존의 평형 판단 기준들과 비교되었으며, 비선형 회귀 분석을 통해 4-매개변수 및 6-매개변수 다항 함수에 적합(fitting)시켜 무한 시간에서의 평형 세굴 심도를 외삽했습니다.
Research Topics and Scope:
연구 범위는 맑은 물 조건 하에서 단일 수직 원형 교각 주변에서 발생하는 국부 세굴로 제한됩니다. 실험은 상대 수심(d/Dp)이 약 2이고, 상대 유사 크기(Dp/D50)가 49.2에서 93.0 사이인 조건에서 수행되었습니다. 이는 세굴 심도를 최대화하는 조건에 해당합니다.
6. Key Results:
Key Results:
기존의 평형 판단 기준들은 최종 평형 세굴 심도를 최대 23%까지 과소평가할 수 있으며, 이는 매우 오류가 클 수 있음을 보여줍니다.
평형 도달 시간에 대한 기존 예측 공식들 또한 최종 세굴 심도를 예측하는 데 상당한 오차를 유발할 수 있습니다.
6-매개변수 다항 함수는 4-매개변수 함수보다 장기 세굴 데이터에 더 잘 부합하여 외삽에 더 적합합니다.
약 7일간의 세굴 심도 기록을 6-매개변수 다항 함수로 조정하고 무한 시간으로 외삽하면, 전체 기간의 데이터를 사용한 결과와 매우 유사한 견고한 평형 세굴 심도 값을 얻을 수 있습니다.
Figure List:
Figure 1. Time evolution of the scour depth
Figure 2. Time evolution of scour depth written in the coordinates of Oliveto and Hager (2005)
Figure 3. a) Data of Exp. # 2 adjusted by equation (1); b) idem for equation (2)
Figure 4. a) Definition of time to equilibrium and end-scour depth according to Cardoso and Bettess (1999)
7. Conclusion:
최대 약 46일 동안 수행된 단일 원형 교각에서의 세굴 실험은 명확한 평형에 도달하지 않았으며, 특히 더 미세한 유사에서 이러한 경향이 두드러졌습니다. 평형 단계의 시작을 결정하기 위해 실제 사용되는 일반적인 방법들은 상당히 오류가 있을 수 있습니다. 또한, 평형 도달 시간에 대한 기존 예측 변수들은 평형 세굴 심도에 대해 심각하게 잘못된 예측을 초래할 수 있습니다. 결론적으로, 일반적으로 7일간의 세굴 심도 기록을 6-매개변수 다항 함수(Equation 2)로 조정하고 무한 시간으로 외삽하는 방법이 단일 원형 교각에서의 평형 세굴 심도에 대한 견고한 값을 산출하는 것으로 보입니다.
8. References:
Bertoldi, D.A., Jones, J.S. 1998. Time to scour experiments as an indirect measure of stream power around bridge piers. Proceedings of the International Water Resource Engineering Conference, Memphis, Tennessee, August 1998, pp. 264-269.
Cardoso, A.H., Bettess, R. 1999. Effects of time and channel geometry on scour at bridge abutments. ASCE Journal of Hydraulic Engineering, Vol. 125 n° 4, Abril.
Chabert, J., Engeldinger, P. 1956. Etude des affouillements autour des piles des ponts. Laboratoire National d’Hydraulique, Chatou, France.
Coleman, S.E., Lauchlan, C.S., Melville, B.W. 2003. Clearwater scour development at bridge abutment. Journal of Hydraulic Research, IAHR, vol. 41, nº 5, pp. 521-531.
Ettema, R., 1980. Scour at bridge piers. University of Auckland, School of Engineering, Auckland, New Zealand, Rep. No. 216.
Fael, C.M.S., G. Simarro-Grande, Martín-Vide J.P., Cardoso, A.H. 2006. Local scour at vertical-wall abutments under-clear water flow conditions. Water Resources Research. vol. nº 42, W10408.
Franzetti, S., Larcan; E., and Mignosa, P. 1982. Influence of tests duration on the evaluation of ultimate scour around circular piers, International Conference on the Hydraulic Modelling of Civil Engineering Structures, paper G2, Coventry, England.
Franzetti, S., Malavasi, S., and Piccinin, C. 1994. Sull’erosione alla base delle pile di ponte in acque chiare. Proc., XXIV Convegno di Idraulica e Costruzioni Idrauliche, Vol. II, T4 13–24 (in Italian).
Grimaldi, C. 2005. Non-conventional countermeasures against local scouring at bridge piers. Ph.D. thesis, Hydraulic Engineering for Environment and Territory, Univ. of Calabria, Cosenza, Italy.
Kothyari, U. C., Hager, W. H., Oliveto, G. 2007. Generalized approach for clear-water scour at bridge foundations elements. ASCE Journal of Hydraulic Engineering, Vol. 133(11), pp 1229-1240.
Laursen, E.M. 1963. An analysis of relief bridge scour. Journal of Hydraulics Division, ASCE, Vol. 89, No. HY3, pp. 93-118.
Melville, B. W., Chiew Y.M. 1999. Time scale for local scour at bridge piers, Journal of Hydraulic Engineering, Vol.125, N°1, 59–65.
Oliveto, G., Hager, W. H. 2002. Temporal evolution of clear-water pier and abutment scour. ASCE Journal of Hydraulic Engineering, Vol. 128 n° 9, Sep.
Oliveto, G., Hager, W. H. 2005. Further results to time-dependent local scour at bridge elements. ASCE Journal of Hydraulic Engineering, Vol. 131(2), pp 97-105.
Radice, A., Franzetti, S., Balio, F. 2002. Local scour at bridge abutments. River Flow 2002, Bousmar & Zech (eds.), Balkema Publishers, The Netherlands, 1059-1068.
Expert Q&A: Your Top Questions Answered
Q1: 기존의 4-매개변수 다항 함수(Eq. 1) 대신 6-매개변수 함수(Eq. 2)를 도입한 이유는 무엇인가요?
A1: 논문의 Figure 3에서 볼 수 있듯이, 4-매개변수 함수는 장기간의 실제 세굴 데이터에 완벽하게 부합하지 않는 경향을 보였습니다. 특히 시간이 많이 경과한 후의 데이터에서 편차가 발생했습니다. 반면, 6-매개변수 함수는 추가적인 매개변수를 통해 데이터의 복잡한 거동을 더 잘 포착하여 전체 실험 기간에 걸쳐 훨씬 더 정밀한 적합(fit)을 보여주었습니다. 이는 무한 시간으로 외삽하여 최종 평형 심도를 예측할 때 더 높은 신뢰성을 제공하기 때문에 새로운 함수가 도입되었습니다.
Q2: 논문에서는 46일이 지난 후에도 평형에 “명확하게 도달하지 않았다”고 언급합니다. 이것이 실제 구조물에 대해 무엇을 의미하나요?
A2: 이는 세굴이 점근적으로 평형에 접근하는 과정이며, 이론적으로는 결코 완전히 멈추지 않을 수 있음을 시사합니다. 실제 자연 환경에서도 마찬가지로, 세굴 속도는 시간이 지남에 따라 극도로 느려지지만 0이 되지는 않을 수 있습니다. 중요한 것은 공학적 관점에서 더 이상 구조물에 위협이 되지 않는 실질적인 최종 한계 깊이를 예측하는 것이며, 본 논문에서 제안한 외삽법이 바로 이 목표를 달성하기 위한 효과적인 도구입니다.
Q3: Table 2를 보면 Cardoso and Bettess (1999)의 방법이 다른 전통적인 방법보다 오차가 적었습니다. 이 방법을 그냥 사용하면 안 되나요?
A3: 해당 방법이 다른 기준보다 더 나은 성능을 보인 것은 사실이지만, 여전히 -2%에서 -13%에 이르는 상당한 과소평가 오차를 보였습니다. 또한 이 방법은 데이터 그래프에서 ‘고원(plateau)’ 즉, 수평 구간을 식별하는 것에 의존합니다. 하지만 논문에서 지적했듯이, 이러한 고원은 일시적인 현상일 수 있으며 이후에 세굴이 다시 활발해질 수 있어 평형 상태로 판단하기에는 오해의 소지가 있습니다. 따라서 더 객관적이고 견고한 6-매개변수 외삽법이 더 우수한 대안입니다.
Q4: 실험 결과에서 사용된 모래 종류가 얼마나 중요했나요?
A4: 모래 종류는 결과에 중요한 영향을 미쳤습니다. Table 2에 대한 논의에서 언급되었듯이, 더 미세한 모래(실험 #1, #2)를 사용한 실험에서 예측 오차가 더 크게 나타났습니다. 이는 교각 주변의 와류 시스템이 미세한 입자를 더 오랫동안 유실시킬 만큼 강력하게 유지되기 때문입니다. 이는 미세 토사 지반에서 평형 세굴 심도를 예측하는 것이 더 어렵다는 것을 의미하며, 이러한 까다로운 조건에서도 신뢰할 수 있는 예측 방법의 중요성을 강조합니다.
Q5: 논문은 7일간의 기록이 충분하다고 결론 내렸습니다. 실험을 15일처럼 더 길게 실행하면 어떤 이점이 있나요?
A5: Table 4의 결과에 따르면, 실험 기간을 7일에서 15일로 늘렸을 때 예측 정확도의 개선은 “미미한(marginal)” 수준에 그쳤습니다. 즉, 추가적인 8일 동안 실험을 계속하는 데 드는 시간과 비용에 비해 정확도 향상이라는 이점이 크지 않았습니다. 따라서 실용적인 관점에서 볼 때, 7일간의 실험은 정확도와 실험 효율성 사이에서 최적의 균형을 제공하는 가장 합리적인 기간이라고 할 수 있습니다.
Conclusion: Paving the Way for Higher Quality and Productivity
교각의 장기적인 안정성을 보장하기 위해 평형 세굴 심도를 정확하게 예측하는 것은 필수적입니다. 본 연구는 기존의 주관적인 평형 판단 기준이 심각한 오차를 유발할 수 있음을 명확히 하고, 단 7일간의 실험 데이터와 6-매개변수 다항 함수 외삽법을 통해 최종 세굴 심도를 신뢰성 있게 예측할 수 있는 강력하고 효율적인 대안을 제시했습니다. 이 방법론은 R&D 및 운영 단계에서 비용과 시간을 절감하면서도 구조물의 안전성을 한층 더 높이는 데 기여할 것입니다.
(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.
연락처 : 02-2026-0442
이메일 : flow3d@stikorea.co.kr
Copyright Information
This content is a summary and analysis based on the paper “Assessing equilibrium clear water scour around single cylindrical piers” by “Rui Lança, Cristina Fael, António Cardoso”.
Source: The time records of the scour depth are available at http://w3.ualg.pt/~rlanca/riverflow2010.htm
이 기술 요약은 Ravi Teja Reddy Tippireddy가 2017년 Michigan Technological University에서 발표한 석사 학위 논문 “AIR INJECTION AS A SCOUR COUNTERMEASURE AT BRIDGE PIERS”를 기반으로 하여 분석 및 요약되었습니다.
도전 과제: 교량 붕괴의 주요 원인인 교각 주변의 국부 세굴은 기존 방지책의 신뢰성 및 환경 영향 문제로 인해 새로운 해결책이 필요합니다.
연구 방법: 교각 주위에 공기를 주입하여 발생하는 기포의 부력이 세굴을 유발하는 하강 흐름을 상쇄하는지 실험적으로 검증했습니다.
핵심 발견: 공기 주입은 교각 세굴을 최대 33%까지 효과적으로 감소시켰으며, 최적의 공기-물 속도비(Va/Vw = 57.1)가 존재함을 확인했습니다.
핵심 결론: 공기 주입은 기존 구조적 대책의 한계를 보완할 수 있는 제어 가능하고 효율적인 교량 세굴 방지 기술이 될 수 있습니다.
도전 과제: 왜 이 연구가 CFD 전문가에게 중요한가?
교량의 안정성을 위협하는 가장 큰 요인 중 하나는 교각 주변에서 발생하는 ‘국부 세굴(Local Scour)’입니다. 물이 교각과 부딪히면 말굽 모양의 강력한 하강 와류(Horseshoe Vortex)가 형성되어 교각 기초 주변의 토사를 쓸어내 가고, 이는 결국 교량 붕괴로 이어질 수 있습니다.
지금까지 립랩(Riprap), 칼라(Collar), 슬롯(Slot) 등 다양한 세굴 방지책이 사용되어 왔습니다. 하지만 이러한 전통적인 방법들은 다음과 같은 한계를 가집니다.
신뢰성 문제: 홍수 시 유송 잡물에 의해 막히거나, 유동층(Live Bed) 조건에서 그 효과가 감소합니다.
환경 영향: 세굴을 완전히 방지하도록 설계되어 물고기의 서식지가 될 수 있는 소(Pool)의 형성을 막아 수중 생태계에 부정적인 영향을 줄 수 있습니다.
따라서 변화하는 하천 조건에 더 효과적으로 대응하고, 생태학적 영향을 최소화할 수 있는 새로운 세굴 방지 기술의 필요성이 대두되었습니다. 이 연구는 바로 이 문제에 대한 혁신적인 해답으로 ‘공기 주입’ 기술을 제안합니다.
접근 방식: 연구 방법론 분석
본 연구는 공기 주입이 교각 세굴을 얼마나 효과적으로 억제할 수 있는지 실험적으로 검증하기 위해 정밀하게 통제된 실험실 환경에서 진행되었습니다.
실험 장비: 직사각형 개수로(Flume) 내부에 모래 하상을 조성하고 원통형 교각 모델을 설치했습니다. 물은 펌프를 통해 재순환되며, 유속은 침식 발생 직전의 한계 유속(Clear-water scour) 조건으로 유지되었습니다.
핵심 기술: 교각의 상류 측 절반을 감싸는 수평 디퓨저 파이프를 통해 압축 공기를 주입했습니다. 이 파이프에는 일정한 간격으로 구멍이 뚫려 있어 균일한 공기 기포 스크린을 형성합니다.
주요 변수: 연구의 핵심은 공기 주입량의 영향을 파악하는 것이었습니다. 이를 위해 공기 속도(Va)와 물의 접근 속도(Vw)의 비(Va/Vw)를 무차원 변수로 사용하여, 다양한 공기 유량 조건에서 세굴 깊이, 세굴 속도, 하상 변화 등을 측정했습니다. 또한, 염료 테스트를 통해 공기 주입 전후의 흐름 패턴 변화를 시각적으로 관찰했습니다.
이러한 실험 설계를 통해 연구진은 공기 주입이 세굴 메커니즘에 미치는 영향을 정량적, 정성적으로 분석할 수 있었습니다.
Figure 2. Schema of flume with sections
핵심 발견: 주요 결과 및 데이터
실험 결과, 공기 주입은 교각 세굴을 줄이는 데 매우 효과적이었으며, 특히 최적의 주입 조건이 존재한다는 중요한 사실을 발견했습니다.
결과 1: 최적 공기 주입률에서 최대 33% 세굴 감소 효과
가장 주목할 만한 결과는 공기 주입이 세굴 깊이를 현저히 감소시켰다는 점입니다. 그림 5에서 볼 수 있듯이, 공기를 주입하지 않은 기본 케이스(Va/Vw = 0)에 비해 공기 주입 시 세굴 깊이가 줄어들었습니다.
특히, 공기-물 속도비(Va/Vw)가 57.1일 때, 세굴 깊이가 0.67(ds/dso)로 측정되어 약 33%의 최대 감소 효과를 보였습니다. 흥미로운 점은 이 비율을 초과하여 공기를 과도하게 주입하면 오히려 세굴 감소 효과가 줄어든다는 것입니다. 이는 단순히 공기를 많이 주입하는 것보다 최적의 유량을 정밀하게 제어하는 것이 중요함을 시사합니다.
(Image Description: Figure 5 from the paper shows a plot of normalized scour depth (ds/dso) versus the air/water velocity ratio (Va/Vw). The data points form a U-shaped curve, with the minimum value (least scour) occurring at Va/Vw = 57.1.)
결과 2: 염료 테스트로 확인된 흐름 패턴의 변화
공기 주입이 어떻게 세굴을 줄이는지에 대한 해답은 염료 테스트 결과에서 명확히 드러났습니다. 그림 22는 공기 주입이 없는 경우로, 염료가 교각을 따라 수평 또는 하강하는 흐름을 보입니다. 이것이 바로 세굴을 유발하는 강력한 하강 와류입니다.
반면, 그림 23은 최적 조건에서 공기를 주입한 경우입니다. 상승하는 공기 기포들의 영향으로 염료의 흐름선이 미세하게 위쪽으로 꺾이는 것을 확인할 수 있습니다. 이는 공기 기포의 부력이 하강 와류를 효과적으로 약화시키거나 상쇄하여 하상에 가해지는 침식력을 줄인다는 직접적인 증거입니다. 이 미묘하지만 결정적인 흐름 패턴의 변화가 세굴을 33%나 감소시킨 핵심 메커니즘입니다.
(Image Description: A side-by-side comparison of Figure 22(c) showing a flat dye path and Figure 23(d) showing a slightly upward-angled dye path due to air bubbles.)
R&D 및 운영을 위한 실질적 시사점
본 연구 결과는 토목, 수리, 환경 분야의 엔지니어와 관리자에게 중요한 시사점을 제공합니다.
토목/수리 엔지니어: 공기 주입은 기존 세굴 방지책을 보완하거나 대체할 수 있는 새로운 설계 옵션이 될 수 있습니다. 특히, 이 연구는 최적의 공기 유량 설계를 위한 기초 데이터를 제공하며, 이는 향후 CFD 시뮬레이션을 통한 시스템 최적화의 중요한 기준이 될 것입니다.
품질 관리팀: 교량 안전 진단 시, 세굴 깊이뿐만 아니라 공기 주입 시스템의 작동 상태(유량, 압력)를 새로운 점검 기준으로 추가할 수 있습니다. 그림 5의 데이터는 특정 유량 조건이 세굴 방지에 미치는 영향을 명확히 보여줍니다.
인프라 유지보수 관리자: 공기 주입 시스템은 홍수와 같은 특정 고유량 이벤트 시에만 가동하는 ‘능동형’ 방지책으로 활용될 수 있습니다. 이는 상시 노출되어 마모되거나 유실될 수 있는 정적 방지책에 비해 유지보수 비용을 절감하고 신뢰성을 높일 수 있는 잠재력을 가집니다.
논문 상세 정보
AIR INJECTION AS A SCOUR COUNTERMEASURE AT BRIDGE PIERS
1. 개요:
Title: AIR INJECTION AS A SCOUR COUNTERMEASURE AT BRIDGE PIERS
Author: Ravi Teja Reddy Tippireddy
Year of publication: 2017
Journal/academic society of publication: Michigan Technological University (Open Access Master’s Thesis)
교각의 안정성과 공공의 안전에 있어 국부 세굴은 주요 관심사입니다. 국부 세굴을 다루기 위해 구조적 방지책과 흐름 변경 장치가 개발되었습니다. 많은 구조적 방호 대책은 청수 조건에서 매우 효과적이고 효율적이지만, 이동상 형태와 침출에 취약합니다. 흐름 변경 장치는 청수 조건과 이동상 형태 모두에서 효과적이지만, 막힘 현상이 발생하기 쉽고 흐름 방향 변경에 덜 효율적입니다. 본 연구는 주입된 공기 기포의 부력을 활용하여 세굴을 유발하는 하향 롤러 흐름 패턴의 영향을 줄임으로써 국부 세굴을 감소시키는 것을 목표로 합니다.
모래 하상에 교각이 박힌 직사각형 수로에서 청수 세굴 실험 연구가 수행됩니다. 공기는 원통형 교각의 상류 측 절반 주위에 감긴 수평 디퓨저 파이프를 통해 주입됩니다. 평형 상태에서 최대 국부 세굴 깊이, 수면 프로파일, 세굴 속도, 중심선 세굴 고도 및 하상 프로파일에 대한 측정이 이루어졌습니다. 공기 속도 대 물 속도의 비(Va/Vw)가 본 연구의 무차원 변수로 선택되었으며, 확장성을 위해 가장 적합한 표현으로 간주되었습니다. 공기 주입은 평형 상태에서 교각의 국부 세굴을 거의 35%까지 감소시켰습니다. 이 세굴 감소는 공기 기포 주입으로 인한 교각 주변 흐름 패턴의 변화에 기인합니다. 기본 케이스(공기 주입 없음)와 최적 케이스(Va/Vw = 57.1)에 대해 염료 테스트를 수행하여 교각 주변의 흐름 거동 변화를 관찰했습니다.
3. 서론:
세굴은 흐르는 물 속 장애물 주변에 와류가 형성되어 퇴적물이 씻겨 나가는 자연 현상입니다. 미국에서 세굴은 교량 붕괴의 주요 원인입니다. 사용 중인 많은 교량은 오래되었으며, 프로젝트 당시의 하천 및 하상 조건을 기반으로 설계 및 건설되었습니다. 하천은 수문학적 변화와 유역의 영향으로 자연 지형학의 일부로 변화하므로, 장기간에 걸친 하상 저하, 수축 세굴 및 국부 세굴로 인해 교량의 안전이 위협받을 수 있습니다. 이러한 변화는 극심한 강우 및 홍수 시 교량의 온전성에 더 큰 위험을 초래합니다.
기존의 세굴 방지책들은 유동층 조건에 취약하거나, 유송 잡물 축적, 흐름의 경사각 등에 의해 효과가 감소하는 경향이 있습니다. 또한, 구조적 방지책은 국부 세굴을 최소화하거나 제거하도록 설계되어 일부 어종이 선호하는 소(pool)의 형성을 막아 수중 생태에 영향을 줄 수 있습니다. 이 연구는 세굴을 방지하는 것이 아니라, 교량 붕괴를 막고 교각 존재로 인한 부작용을 최소화하는 수준까지 허용하는 방식으로 교량 세굴을 줄이는 것을 목표로 합니다.
4. 연구 요약:
연구 주제의 배경:
교량 붕괴의 주요 원인인 교각 세굴 문제를 해결하기 위한 기존 방지책(립랩, 칼라, 베드 실 등)은 신뢰성, 효율성, 생태학적 영향 측면에서 한계를 가지고 있습니다.
이전 연구 현황:
기존 연구들은 주로 립랩과 같은 구조적 방호책이나 슬롯, 베인과 같은 흐름 변경 장치에 집중되었습니다. 공기 기포 스크린을 흐름 패턴 및 하상 형태에 미치는 영향에 대한 연구가 있었으나, 교각 세굴 방지책으로 공기 주입을 직접적으로 다룬 연구는 거의 없었습니다.
연구 목적:
이 연구의 목적은 국부 세굴에 대한 방지책으로서 공기 주입의 사용을 실험적으로 조사하는 것입니다. 기존 방지책의 대안으로서 그 효과성을 검증하고, 교량 세굴에 대한 공기 주입의 적용 가능성을 탐구합니다. 구체적인 목표는 다음과 같습니다. 1. 공기 주입이 교량 세굴을 줄일 수 있는지 확인 2. 최대 세굴 감소를 위한 최적의 공기 주입 유량 결정
핵심 연구:
원통형 교각 주변에 설치된 디퓨저를 통해 공기를 주입하여 세굴 깊이의 변화를 측정하는 실험을 수행했습니다. 공기 유량을 다양하게 변화시키면서(공기-물 속도비 Va/Vw를 조절) 최대 세굴 깊이, 세굴 평형 도달 시간, 하상 프로파일 등을 분석하여 최적의 조건을 찾고, 염료 테스트를 통해 흐름 변화의 메커니즘을 규명했습니다.
5. 연구 방법론:
연구 설계:
실험실 내 직사각형 개수로(Flume, 길이 10.18m, 폭 0.92m)에서 실험적 연구를 수행했습니다. 수로 바닥에는 d50=0.56mm의 모래를 깔아 세굴 하상을 모사했으며, 중앙에 직경 14.2cm의 원통형 PVC 파이프를 교각으로 설치했습니다.
데이터 수집 및 분석 방법:
세굴 깊이 측정: 포인트 게이지를 사용하여 교각 전면의 최대 세굴 깊이를 시간 경과에 따라 측정했습니다. 평형 상태는 2시간 동안 0.5% 미만의 변화가 있을 때로 정의했습니다.
하상 프로파일 측정: 실험 종료 후 물을 빼고 10cm x 10cm 격자 간격으로 포인트 게이지를 사용하여 전체 하상 고도를 측정하고, MATLAB을 사용하여 등고선도를 작성했습니다.
유량 측정: 물의 유량은 수축관에 설치된 2-튜브 마노미터로, 공기 유량은 유량계로 측정했습니다.
흐름 시각화: 염료를 주입하여 공기 주입 유무에 따른 교각 주변의 흐름 패턴 변화를 사진으로 기록했습니다.
연구 주제 및 범위:
본 연구는 단일 원통형 교각에 대한 청수(Clear-water) 세굴 조건에 국한됩니다. 주요 변수는 공기 주입 유량이며, 이를 공기 속도와 물 속도의 비(Va/Vw)로 무차원화하여 분석했습니다. 디퓨저의 위치, 구멍 크기 및 각도 등 다른 설계 변수는 고정되었습니다.
6. 주요 결과:
주요 결과:
공기 주입은 평형 상태에서 교각의 국부 세굴을 최대 33%까지 감소시켰습니다.
최소 세굴(ds/dso = 0.67)은 공기-물 속도비(Va/Vw)가 57.1일 때 발생했습니다. 이 값을 초과하면 세굴 감소 효과가 다시 줄어들었습니다.
평형에 도달하는 시간은 공기 유량이 증가함에 따라 감소하는 경향을 보였습니다.
공기 유량이 증가할수록 교각 후류(wake)에서의 퇴적물 축적이 증가했으며, 이는 흐름 패턴의 변화를 시사합니다.
염료 테스트 결과, 공기 주입은 세굴을 유발하는 하강 흐름을 상쇄하는 상향 흐름을 만들어내는 것으로 확인되었습니다.
Figure List:
Figure 1. View of flume looking upstream. Features are described in the numbered list below
Figure 2. Schema of flume with sections
Figure 3. Steel diffuser pipe around the upstream half of the pier (looking downstream)
Figure 4. Rate of scour with varied air flow rate
Figure 5. Scour depth variation with change in air flow rate
Figure 6. Centerline bed elevation with varied air flow rate
Figure 7. Time to equilibrium with varied air flow rate
Figure 8. Water surface elevation with varied air flow rate
Figure 9. Bed Profile for the base case of Va /Vw = 0. (Flow was from left to right. Contour interval was 1 cm)
Figure 10. Bed profile for Va /Vw = 7.14. (Flow was from left to right. Contour interval was 1 cm)
Figure 11. Bed profile for Va /Vw= 21.41. (Flow was from left to right. Contour interval was 1 cm)
Figure 12. Bed profile for Va/Vw = 35.69. (Flow was from left to right. Contour interval was 1 cm)
Figure 13. Bed profile for Va /Vw = 49.96. (Flow was from left to right. Contour interval was 1 cm)
Figure 14. Bed profile for Va/Vw = 57.10. (Flow was from left to right. Contour interval was 1 cm)
Figure 15. Bed profile for Va /Vw= 64.24. (Flow was from left to right. Contour interval was 1 cm)
Figure 16. Bed profile for Va/Vw= 71.37. (Flow was from left to right. Contour interval was 1 cm)
Figure 17. Bed profile for Va /Vw = 85.65. (Flow was from left to right. Contour interval was 1 cm)
Figure 18. Bed profile for Va /Vw = 99.92. (Flow was from left to right. Contour interval was 1 cm)
Figure 19. Bed profile for Va/Vw = 114.20. (Flow was from left to right. Contour interval was 1 cm)
Figure 20. Bed profile for Va/Vw = 142.75. (Flow was from left to right. Contour interval was 1 cm)
Figure 21. Plain view bed profile photos from a through j resulting from varied air flow rate represented by ratio of air velocity to water flow velocity Va/Vw (Flow was from left to right)
Figure 22. Side view of the flume with dye introduced at different positions for the base case (Va/Vw = o) (Flow from left to right)
Figure 23. Side view of the flume with dye introduced at different positions for Va/Vw = 71 (Flow from left to right. Air diffuser hidden by bubbles.)
7. 결론:
원통형 교각에서 공기 주입을 세굴 방지책으로 사용하는 효과를 결정하기 위한 실험을 수행한 결과, 다음과 같은 결론을 도출할 수 있습니다. 1. 세굴 속도는 초기 단계에서 공기 속도비가 증가함에 따라 증가하는 점근적 경향을 따릅니다. 2. 평형 상태에서의 최대 세굴 깊이와 중심선 세굴 깊이는 공기-물 속도비가 Va/Vw = 57.1에 도달할 때까지 감소하고, 그 이후에는 다시 증가합니다. 최소 세굴은 Va/Vw=57.1에서 발생했으며, 33%의 감소 효과를 보였습니다. 3. 평형에 도달하는 시간은 공기 유량이 증가함에 따라 감소합니다. 4. 하상 프로파일은 공기 속도가 증가함에 따라 교각 후류에서 더 많은 퇴적물 축적(즉, 더 적은 세굴)을 보여줍니다. 또한 하류의 퇴적물 패턴 변화는 흐름 거동의 변화를 나타냅니다.
8. 참고 문헌:
Barkdoll, Brian D., and Casey J. Huckins. 2012. “The Role of Bridge Scour in Relation to Stream Restoration.” World Environmental and Water Resources Congress . Albuquerque, New Mexico, United States: ASCE. 2546-2555.
Champagne, Ted M., Rachael R. Barlock, Santosh R Ghimre, Brian D. Barkdoll, Juan A. Gonzalez-Castro, and Larry Deaton. 2016. “Scour Reduction by Air Injection Downstream of Stilling Basins: Optimal Configuration Determination by Experimentation.” Journal of Irrigation and Drianage Engineering 1-9.
Chiew, Yee-Meng. 2004. “Local Scour and riprap Stability at Bridge Piers in a Degrading Channel.” Journal of Hydraulic Engineering 218-226.
Chiew, Yee-Meng. 1992. “Scour Protection at Bridge Piers .” Journal of Hydraulic Engineering 118(9): 1260-1269.
Chiew, Yee-Meng, and Foo-Hoat Lim. 2000. “Failure Behavior of Riprap Layer at Bridge Piers Under Live-Bed Conditions.” Journal of Hydraulic Engineering 43-55.
Chiew, Yee-Meng, and Siow-Yong Lim. 2003. “Protection of bridge piers using a sacrificial sill.” Water and Maritime Engineering. Institute of Civil Engineers. 53-62.
Dugue, Violaine, Ph.D., Koen, Ph.D. Blanckaert, Qiuwen Chen, and Anto J. and Schleiss. 2015. “Influencing Flow Patterns and Bed Morphology in Open Channels and Rivers by means of an Air-Bubble Screen.” Journal of Hydraulic Engineering 141(2):-1–1.
Grimaldi, Carmelo, Roberto Gaudio, Francesco Calomino, and Antonio H Cardoso. 2009. “Countermeasures against Local Scouring at Bridge Piers: Slot and Combined Sysytem of Slot and Bed Sill.” Journal of Hydraulic Engineering (ASCE) 135 (5): 425-431.
Harrison, Lawrence J. 1992. “Magnitude of The Scour Evaluation Program.” Hydraulic Engineering: Saving a Threatened Resource – In Search of Solutions. Baltimore, MD: American Society of Civil Engineers.
Isbash, S.V. 1935. “Construction of Dams by Dumping Stones In Flowing Water” Translated by A. Doujikov. Eastport, Maine: United States Engineer Office, Engineer Division.
Koloseus, Herman J. 1984. “Scour Due to Riprap and Improper Filters.” Journal of Hydraulic Engineering 110(10): 1315-1324.
Lagasse, P F, PE Clopper, L W Zevenbergen, L G Girard, and Transportation Research Board. 2007. Countermeasures to Protect Bridge Piers from Scour. National Cooperative Highway Research Program Report 593, Washington: Transportation Research Board.
Lauchlan, Christine S., and Bruce W. Melville. 2001. “Riprap Protection at Bridge Piers.” Journal of Hydraulic Engineering 412-418.
Melville, Bruce W., and Anna C. Hadfield. 1999. “Use of Sacrificial Piles as Pier Scour Countermeasures.” Journal of Hydraulic Engineering 1221-1224.
Moncada-M, A.T., J Aguire-PE, J.C. Bolivar, and E.J. Flores. 2009. “Scour protection of circular piers with collars and slots.” Journal of Hydraulic Research 119-126.
Parola, A. C., Jr, and J. S. Jones. 1991. “Sizing Riprap to Protect Bridge Piers from Scour.” Transportation Research Record (1290), 276-280.
Red FLint Sand & Gravel, LLC. Eau Claire,WI. 2008. “Particle Size Distribution Report.” 12 20.
Tafarojnoruz, Ali, Roberto Gaudio, and Francesco Calomino. 2012. “Evaluation of Flow-Altering Countermeasures against Bridge Pier Scour.” Journal of Hydraulic Engineering 297-305.
Worman, Anders. 1989. “Riprap Protection Without Filter Layer.” Journal of Hydraulic Engineering 115 (0733-9429/89/0012): 1615-1630.
Yoon, Tae Hoon. 2005. “Wire Gabion for Protecting Bridge Piers.” Journal of Hydraulic Engineering 942-949.
Yoon, Tae Hoon, and Dae-Hong Kim. 2001. “Bridge Pier Scour Protection by Sack Gabions.” World Water Congress . Orlando, Florida: ASCE.
전문가 Q&A: 자주 묻는 질문
Q1: 이 연구에서 왜 ‘청수 세굴(Clear-water scour)’ 조건을 선택했나요?
A1: 청수 세굴 조건은 상류에서 유입되는 퇴적물이 없이 순수하게 흐름의 힘만으로 세굴이 발생하는 상황을 의미합니다. 이 조건에서 일반적으로 가장 깊은 세굴이 발생하기 때문에, 방지책의 성능을 가장 보수적이고 가혹한 환경에서 테스트하기 위해 선택되었습니다. 이 조건에서 효과가 입증된다면, 퇴적물 유입이 있는 실제 하천 조건에서는 더 안정적인 성능을 기대할 수 있습니다.
Q2: 세굴 감소의 물리적 메커니즘은 정확히 무엇인가요?
A2: 핵심 메커니즘은 ‘부력에 의한 하강 흐름 상쇄’입니다. 교각 전면에서 발생하는 말굽 와류(horseshoe vortex)는 강력한 하강 흐름을 만들어 하상을 침식시킵니다. 이때 디퓨저에서 분출된 공기 기포들은 부력에 의해 위로 상승하려는 힘을 가집니다. 이 상승력이 하강 흐름에 직접적으로 반대 방향으로 작용하여 그 힘을 약화시키고, 결과적으로 하상에 가해지는 전단 응력을 감소시켜 세굴을 억제하는 것입니다.
Q3: 그림 5를 보면, 공기를 너무 많이 주입하면 왜 오히려 세굴이 다시 증가하나요?
A3: 논문에서 명시적으로 설명하지는 않지만, 두 가지 현상이 복합적으로 작용했을 가능성이 높습니다. 첫째, 과도한 공기 주입으로 발생한 극심한 난류가 말굽 와류를 약화시키는 긍정적 효과를 넘어, 하상 자체를 직접 교란시켜 퇴적물을 띄우는 새로운 침식 메커니즘으로 작용할 수 있습니다. 둘째, 높은 유량의 공기 주입은 흐름을 교각 중심에서 수로 양옆으로 밀어내어, 측면에서 새로운 세굴을 유발할 수 있습니다.
Q4: 무차원 변수인 Va/Vw를 사용한 이유는 무엇이며, 왜 중요한가요?
A4: Va/Vw(공기 속도/물 속도 비)는 이 연구의 결과를 특정 실험 조건에 국한되지 않고 일반화하기 위해 사용되었습니다. 이 변수는 공기 주입 시스템의 특성(유량, 디퓨저 구멍 면적 등)과 수리학적 조건(유속, 수로 단면적 등)을 모두 포함합니다. 따라서 실험실 규모의 결과를 실제 교량 설계에 적용할 때, 서로 다른 크기와 유속 조건에 맞게 결과를 확장(scaling)하고 예측하는 데 매우 유용한 지표가 됩니다.
Q5: 높은 공기 유량에서 수로 측면의 세굴이 증가했다는 점은 어떤 의미를 가지나요?
A5: 이는 공기 주입 방지책이 교각 자체는 보호하지만, 침식 문제를 다른 곳으로 전이시킬 수 있다는 중요한 가능성을 시사합니다. 특히 폭이 좁은 수로에서는 교각에서 밀려난 흐름이 제방을 침식할 수 있습니다. 따라서 이 기술을 실제 하천에 적용하기 전, 더 넓은 수로에서의 실험이나 3차원 CFD 해석을 통해 교각 주변뿐만 아니라 하천 전체의 형태학적 변화에 미치는 영향을 종합적으로 평가해야 함을 의미합니다.
결론: 더 높은 품질과 생산성을 향한 길
본 연구는 교량 세굴이라는 오랜 난제에 대해 ‘공기 주입’이라는 혁신적인 해법을 제시합니다. 실험을 통해 입증된 최대 33%의 세굴 감소 효과와 최적의 주입 조건의 발견은, 이 기술이 기존 구조적 대책의 한계를 넘어설 수 있는 효과적이고 제어 가능한 대안임을 보여줍니다. 특히 흐름 패턴을 직접 제어하여 세굴의 근본 원인을 완화하는 접근법은 향후 교량 안전 기술의 새로운 패러다임을 열 수 있습니다.
(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.
연락처 : 02-2026-0450
이메일 : flow3d@stikorea.co.kr
저작권 정보
이 콘텐츠는 Ravi Teja Reddy Tippireddy의 논문 “AIR INJECTION AS A SCOUR COUNTERMEASURE AT BRIDGE PIERS”를 기반으로 한 요약 및 분석 자료입니다.
이 기술 요약 자료는 Pedro Ramos, João Pedro Pêgo & Rodrigo Maia가 2014년 3rd IAHR Europe Congress에 발표한 논문 “NUMERICAL SIMULATION OF THE FLOW AROUND A PIER USING OPENFOAM”을 기반으로 하여 분석 및 요약되었습니다.
The Challenge: 교량 기초 주변에서 발생하는 세굴(Scour) 현상은 교량 붕괴로 이어질 수 있는 심각한 문제이며, 이를 유발하고 유지하는 구동 메커니즘에 대한 이해는 여전히 부족합니다.
The Method: 오픈소스 CFD 툴박스인 OpenFOAM을 사용하여 고립된 원형 교각 주변의 유동을 수치 시뮬레이션했으며, 평탄한 하상(초기 상태)과 평형 세굴 상태의 두 가지 고정층 구성에 대해 LES(Large Eddy Simulation) 난류 모델을 적용했습니다.
The Key Breakthrough: 이전 연구(Fluent 사용) 대비 정규화된 구조 격자(structured mesh)를 적용한 OpenFOAM 시뮬레이션은 교각 후류에서 발생하는 와류(wake vortex)를 더 크고 현실에 가깝게 모사했으며, 이는 세굴 과정 해석의 정확도를 크게 향상시켰습니다.
The Bottom Line: 오픈소스 CFD 소프트웨어인 OpenFOAM이 적절한 격자 구성과 설정을 통해 상용 소프트웨어에 필적하는 고품질의 복잡한 수리 현상 시뮬레이션 결과를 제공할 수 있음을 입증했습니다.
The Challenge: Why This Research Matters for CFD Professionals
교각 세굴은 하상에 위치한 교량 기초에 심각한 손상을 입히는 주요 원인으로, 전체 교량 구조의 안정성 붕괴 위험을 증가시킵니다. 포르투갈에서는 도루강의 Entre-os-Rios 교량 붕괴 사고의 부분적인 원인이 교각 세굴이었습니다. 이처럼 교각 주변의 국부 세굴은 광범위하게 연구되어 왔지만, 대부분의 연구는 실험에 기반하여 최대 평형 세굴 깊이를 예측하는 데 중점을 두었습니다.
하지만 세굴 과정을 촉발하고 유지하는 핵심적인 구동 메커니즘에 대한 지식은 여전히 부족한 실정입니다. 기존의 수치 시뮬레이션 연구들은 존재했지만, 난류 모델의 한계로 인해 와류와 같은 미세한 유동 구조의 직접적인 영향을 연구하는 데 어려움이 있었습니다. 본 연구는 수치 시뮬레이션을 통해 이 분야의 지식을 확장하고, 특히 오픈소스 CFD 툴의 성능을 검증하는 것을 목표로 합니다.
The Approach: Unpacking the Methodology
본 연구는 오픈소스 소프트웨어인 OpenFOAM을 사용하여 교각 주변 유동의 3차원 수치 시뮬레이션을 수행했습니다. 세굴 과정에서 와류와 같은 유동 구조의 역할을 규명하기 위해 LES(Large Eddy Simulation) 난류 모델이 적용되었습니다.
시뮬레이션은 두 가지 주요 구성(Configuration)으로 진행되었습니다. 1. Configuration A (평탄한 하상): 세굴 과정이 시작되기 전의 초기 상태를 모사합니다. 2. Configuration B (세굴된 하상): 실험을 통해 얻은 평형 세굴 깊이에 도달한 후의 하상 형상을 나타냅니다.
이전 연구(Ramos, 2012)와의 가장 큰 차이점은 격자(mesh) 구성에 있습니다. 본 연구에서는 교각 주변과 채널 벽, 하상 근처에 더 미세하고 정규화된 분포를 갖는 구조 격자(structured mesh)를 사용했습니다(Figure 5, 6). 이는 데이터 처리 속도를 높이고 계산의 정확성을 향상시키는 핵심적인 개선 사항입니다. 유입 경계 조건으로는 평균 유속 0.32 m/s의 대수 법칙 프로파일을 적용했으며, 난류성 비압축성 유동 해석을 위해 interFoam 솔버를 사용했습니다.
The Breakthrough: Key Findings & Data
본 연구는 OpenFOAM을 활용한 시뮬레이션이 이전 Fluent 기반 연구 결과와 비교하여 몇 가지 중요한 개선점을 보여주었습니다.
Finding 1: 향상된 후류 와류(Wake Vortex) 모사
세굴 과정에서 교각 후류에서 발생하는 와류는 하상 입자를 들어 올려 하류로 이동시키는 중요한 역할을 합니다. Configuration A(평탄한 하상)에서 OpenFOAM 시뮬레이션 결과(Figure 10)는 Fluent 결과(Figure 9)보다 후류 와류 영역이 더 크고 난류성이 강하게 나타났습니다. 논문은 이 결과가 “실험실에서 관찰된 것에 더 가깝다”고 언급하며, 개선된 격자 구성이 더 현실적인 유동 구조를 모사하는 데 기여했음을 시사합니다. 이는 와류에 의한 하상 입자의 흡입 효과가 더 강하게 나타남을 의미하며, 세굴 현상 분석의 신뢰도를 높입니다.
좌: Figure 9 (Fluent 결과), 우: Figure 10 (OpenFOAM 결과). OpenFOAM 결과에서 더 넓고 강한 후류 와류가 관찰된다.
Finding 2: 항력 계수(Drag Coefficient)의 동적 거동 분석
교각에 작용하는 항력 계수는 구조물의 동적 안정성 분석에 필수적인 데이터입니다. OpenFOAM 시뮬레이션(Configuration A)을 통해 계산된 평균 항력 계수는 1.21이었습니다(Figure 15). 이는 이전 Fluent 시뮬레이션의 0.68이나 경험식에 따른 예상치인 약 0.73과는 차이가 있습니다.
하지만 더 중요한 것은 항력 계수가 시간에 따라 진동하는 패턴을 보인다는 점입니다. 이 진동은 교각 후류에서 발생하는 와류 방출(vortex shedding)로 인해 발생하는 힘의 변화를 나타내며, 이러한 진동의 주파수 정보는 교량 구조물의 동적 해석에 매우 중요한 정보를 제공합니다. OpenFOAM 결과는 이러한 동적 거동을 성공적으로 포착했습니다.
Figure 15. 시간에 따른 항력 계수의 변화. 와류 방출로 인한 주기적인 진동이 명확하게 나타난다.
Practical Implications for R&D and Operations
For Hydraulic Engineers: 이 연구는 OpenFOAM과 같은 오픈소스 툴이 적절한 격자 전략과 함께 사용될 때, 하상 전단 응력(bed shear stress)을 정확하게 예측할 수 있음을 보여줍니다. 시뮬레이션 결과(Figure 14)는 세굴이 교각 측면에서 시작될 가능성이 높다는 것을 나타내며, 이는 세굴 발생의 임계 지점을 파악하는 데 도움을 줍니다.
For Bridge Maintenance Engineers: 평형 세굴 상태(Configuration B)에 대한 시뮬레이션은 세굴이 최대로 진행되었을 때의 하상 형상과 유동 특성에 대한 통찰력을 제공합니다. 이는 교량의 정기 점검 시 중점적으로 확인해야 할 부분을 결정하고, 보수 및 보강 전략을 수립하는 데 활용될 수 있습니다.
For Bridge Design Engineers: 항력 계수의 시간에 따른 진동 데이터(Figure 15)는 와류 방출로 인한 유체-구조 상호작용(Fluid-Structure Interaction)을 고려한 교량의 동적 해석에 필수적입니다. 이 연구 결과는 설계 단계에서부터 교량의 안정성을 더욱 정밀하게 평가할 수 있는 기초 자료를 제공합니다.
Paper Details
NUMERICAL SIMULATION OF THE FLOW AROUND A PIER USING OPENFOAM
1. Overview:
Title: NUMERICAL SIMULATION OF THE FLOW AROUND A PIER USING OPENFOAM
Author: PEDRO RAMOS, JOÃO PEDRO PÊGO & RODRIGO MAIA
Year of publication: 2014
Journal/academic society of publication: 3rd IAHR Europe Congress, Book of Proceedings
Keywords: Scour, OpenFOAM, Large Eddy Simulation, CFD.
2. Abstract:
세굴은 하상에 위치한 교량 기초 손상의 주요 원인으로, 전체 교량 구조의 안정성 붕괴 위험을 증가시킵니다. 포르투갈에서는 도루강의 Entre-os-Rios 교량 붕괴 사고가 부분적으로 교각 세굴 때문이었습니다. 교각 주변의 국부 세굴은 광범위하게 연구되었으며, 대부분 실험 연구를 기반으로 최대 평형 깊이를 예측하는 데 중점을 둡니다. 그럼에도 불구하고, 세굴 과정을 촉발하고 유지하는 구동 메커니즘에 대한 지식은 여전히 부족합니다. 본 논문은 수치 시뮬레이션을 통해 이 분야의 지식을 추가하고자 합니다. 이 연구의 주요 목표는 OpenFOAM 툴박스를 사용하여 고립된 원형 교각 주변의 유동을 두 가지 고정층 구성, 즉 세굴 과정의 시작에 해당하는 평탄한 고정층과 실험적으로 얻은 평형 세굴 깊이에 도달한 후의 하상 형상을 대표하는 구성에 대해 수치 시뮬레이션하는 것입니다. Large Eddy Simulation 난류 모델을 적용하여 두 구성에 대한 속도 및 와도장, 하상 전단 응력, 교각의 항력 계수를 특성화할 것입니다. OpenFOAM 결과는 Ramos(2012)가 Fluent를 사용하여 얻은 데이터와 비교 검증될 것입니다. Fluent와 OpenFOAM은 산업 및 유체 역학 연구에서 널리 사용되는 두 가지 CFD 도구로, 전자는 상용 소프트웨어이고 후자는 무료 오픈 소스 소프트웨어입니다. 사용된 두 3차원 수치 모델은 세굴 과정에서 중요한 역할을 하는 말굽 와류와 같은 유동 구조를 연구할 수 있게 합니다. 두 CFD 도구의 성능을 분석하고 비교할 것입니다. 수치 결과는 참고 문헌으로 인정된 서지에서 얻은 데이터와 비교 검증될 것입니다.
3. Introduction:
교량 기초 주변의 국부 세굴은 교각의 부분적 파손이나 붕괴로 이어질 수 있습니다. 수직 원형 교각이 일정한 흐름 속에서 하상에 놓이면, 하상과 상호 작용하는 유동 패턴에 변화가 생깁니다. 특징적인 유동 구조는 말굽 와류(교각 앞에서 형성됨)와 교각의 바람이 불어가는 쪽(lee-side)에서 형성되는 후류 와류 유동 패턴(보통 와류 방출 형태)입니다(Figure 1). 또한, 교각 상류에서 유동 감속의 결과로 하향류(downflow)가 존재합니다. 이러한 변화의 전반적인 효과는 일반적으로 퇴적물 이동을 증가시켜 교각 주변의 국부 세굴을 초래합니다.
4. Summary of the study:
Background of the research topic:
교각 세굴은 교량의 안정성을 위협하는 중요한 수리 현상입니다. 유동 속에 놓인 교각은 주변 유동장을 변화시키고, 이로 인해 발생하는 말굽 와류(horseshoe vortex), 하향류(downflow), 후류 와류(trailing vortex) 등이 하상의 퇴적물 이동을 촉진하여 국부적인 침식을 유발합니다.
Figure 1. Flow around pier (reproduced from Breusers and Raudkivi, 1991).
Status of previous research:
세굴 현상에 대한 연구는 주로 실험적으로 이루어졌습니다. Twaites(1960), Bachelor(1967) 등의 공기역학 연구를 시작으로 Melville과 Raudkivi(1977) 등이 수중 세굴 현상으로 연구를 확장했습니다. 수치 시뮬레이션 분야에서는 Deng과 Piquet(1992)가 RANS 모델을 사용하여 3차원 시뮬레이션을 수행했으며, Olsen과 Melaaen(1993)이 처음으로 유동 시뮬레이션과 세굴 모델링을 결합했습니다. Roulund 등(2005)은 SST k-ω 모델을 사용했으나, 이는 와류의 직접적인 영향을 연구하기에는 한계가 있었습니다. Ramos(2012)는 이러한 한계를 극복하기 위해 LES 모델을 사용하여 Fluent로 시뮬레이션을 수행했으며, 본 연구는 이 결과를 비교 대상으로 삼습니다.
Figure 2. Scour cavity obtained in the laboratory test (Ramos, 2012).
Purpose of the study:
본 연구의 주된 목적은 오픈소스 CFD 툴인 OpenFOAM을 사용하여 교각 주변 유동을 수치 시뮬레이션하고, 그 결과를 상용 소프트웨어인 Fluent를 사용한 이전 연구(Ramos, 2012) 및 실험 데이터와 비교 검증하는 것입니다. 이를 통해 오픈소스 CFD 툴의 성능을 평가하고, 개선된 격자 기법을 적용하여 세굴을 유발하는 와류 구조에 대한 더 깊은 이해를 얻고자 합니다.
Core study:
연구의 핵심은 두 가지 하상 조건(평탄한 하상, 세굴된 하상)에 대해 OpenFOAM을 이용한 LES 시뮬레이션을 수행하는 것입니다. 시뮬레이션을 통해 속도장, 와도장, 하상 전단 응력, 교각의 항력 계수를 분석합니다. 특히, 이전 연구 대비 개선된 구조 격자를 사용하여 결과의 질을 향상시키고, 이를 Fluent 결과와 비교하여 OpenFOAM의 신뢰성과 유용성을 검증합니다.
5. Research Methodology
Research Design:
본 연구는 실험 및 수치 해석 연구(Ramos, 2012)를 참조 사례로 사용했습니다. 실험은 폭 1m, 길이 32.2m의 수로에서 직경 0.05m의 PVC 실린더를 사용하여 수행되었습니다. 하상 재료는 중간 직경 0.86mm의 석영 모래였습니다. 유량 64 L/s, 수심 0.20m 조건에서 평균 유속은 0.32 m/s였으며, 이는 입자 이동이 시작되는 임계 속도에 가깝습니다. 이 조건을 OpenFOAM을 사용하여 3차원 수치 시뮬레이션으로 재현하고, LES 난류 모델을 적용했습니다.
Data Collection and Analysis Methods:
수치 시뮬레이션 데이터는 오픈소스 시각화 툴인 Paraview를 사용하여 분석되었습니다. 속도장, 하상 전단 응력, 항력 계수 등의 데이터를 추출하여 이전 Fluent 연구 결과와 정성적, 정량적으로 비교 분석했습니다. 항력 계수는 OpenFOAM의 forceCoeffs functionObject를 사용하여 계산되었습니다.
Research Topics and Scope:
연구 범위는 고정된 하상(fixed bed)을 가진 단일 원형 교각 주변의 난류 유동 시뮬레이션에 한정됩니다. 두 가지 시나리오, 즉 세굴 전 평탄한 하상(Configuration A)과 평형 세굴 후의 하상(Configuration B)을 다룹니다. 이동상(mobile bed)이나 세굴 과정 자체의 시뮬레이션은 포함되지 않습니다.
6. Key Results:
Key Results:
Configuration A (평탄한 하상): OpenFOAM 시뮬레이션은 Fluent 시뮬레이션보다 더 크고 난류성이 강한 후류 와류를 보여주었으며, 이는 실험 관찰 결과와 더 일치합니다. 하상 전단 응력은 양쪽 시뮬레이션에서 유사한 크기(최대 약 2 Pa)를 보였으나, OpenFOAM에서 와류의 영향이 더 명확하게 나타났습니다. OpenFOAM으로 계산된 평균 항력 계수는 1.21로, Fluent의 0.68보다 높았지만 와류 방출로 인한 주기적인 진동을 잘 포착했습니다.
Configuration B (세굴된 하상): 세굴된 하상 지형으로 인해 후류 와류의 강도는 Configuration A보다 약해졌습니다. 이는 평형 상태에 도달했음을 시사합니다. 하상 전단 응력 값은 임계 전단 응력(0.5 Pa) 이하로 낮아져 추가적인 세굴이 발생하지 않는 평형 상태와 일치하는 결과를 보였습니다. 평균 항력 계수는 0.053으로 계산되었습니다.
전반적 평가: 개선된 구조 격자를 사용한 OpenFOAM 시뮬레이션은 이전 Fluent 연구에 비해 결과의 질이 향상되었으며, 특히 와류 구조 모사에서 뚜렷한 개선을 보였습니다. 두 소프트웨어의 시뮬레이션 결과는 정성적, 정량적으로 합리적인 일치를 보였습니다.
Figure List:
Figure 1. Flow around pier (reproduced from Breusers and Raudkivi, 1991).
Figure 2. Scour cavity obtained in the laboratory test (Ramos, 2012).
Figure 3. Final bed geometry (Ramos, 2012).
Figure 4. a) Velocity vs. time on a random point in a turbulent flow b) Different eddies sizes in turbulence (reproduced from Fergizer, 2002).
Figure 5. 3D representation of the meshes (left – Ramos (2012); right – OpenFOAM).
Figure 6. Details of the mesh used in OpenFOAM simulations.
Figure 7. Schematic description of the geometry and its boundary-conditions.
Figure 8. Schematic description of the configurations and the planes where are presented the velocity fields (left – side view; right – top view).
Figure 9. Fluent results to velocity field (m/s) (t=20s; Configuration A) in the parallel plane to the bed channel, on half depth of the flow (Ramos, 2012).
Figure 10. OpenFOAM results to velocity magnitude (m/s) (t=20s; Configuration A) in the parallel plane to the bed channel, on half depth of the flow.
Figure 11. Fluent results to velocity magnitude (m/s) (t=20s; Configuration A) in the symmetry plane of the channel (Ramos, 2012).
Figure 12. OpenFOAM results to velocity magnitude (m/s) (t=20s; Configuration A) in the symmetry plane of the channel.
Figure 13. Fluent results to bed shear stress (Pa) (t=20s; Configuration A).
Figure 14. OpenFOAM results to bed shear stress (Pa) (t=20s; Configuration A).
Figure 15. Drag coefficient vs. flow time (Configuration A).
Figure 16. Fluent results to velocity magnitude (m/s) (t=20s; Configuration B) in the parallel plane to the bed channel, on half depth of the flow (Ramos, 2012).
Figure 17 – OpenFOAM results to velocity magnitude (m/s) (t=20s; Configuration B) in the parallel plane to the bed channel, on half depth of the flow.
Figure 18. Fluent results to velocity magnitude (m/s) (t=20s; Configuration B) in the symmetry plane of the channel (Ramos, 2012).
Figure 19. Fluent results to longitudinal velocity (m/s) (t=20s; Configuration B) in the symmetry plane of the channel (Ramos, 2012).
Figure 20. Fluent results to bed shear stress (Pa) (t=20s; Configuration B).
Figure 21. OpenFOAM results to bed shear stress (Pa) (t=20s; Configuration B).
Figure 22. Drag coefficient vs. flow time (Configuration B).
7. Conclusion:
OpenFOAM 툴박스를 사용하여 교각 주변의 유동에 대한 3차원 수치 시뮬레이션이 개발되었습니다. 평탄한 하상과 세굴된 하상 구성에 대해 LES 난류 모델을 사용하여 난류 유동을 시뮬레이션했습니다. 결과 중 일부는 상용 소프트웨어 Fluent를 사용하여 Ramos(2012)가 얻은 동일한 유동의 시뮬레이션과 비교되었습니다. Configuration A(평탄한 하상)에서는 Ramos(2012)의 연구와 달리 정규 격자를 사용하여 결과의 질을 명확하게 향상시켰습니다. 두 번째 구성(평형 세굴 깊이)에서도 정규 격자를 다시 적용했으며, 이를 위해 복잡한 모래 하상 형상으로 인한 문제를 방지하기 위해 불규칙한 하상을 단순화해야 했습니다. 와류, 특히 후류 와류 방출의 계산이 개선되었습니다. 속도장에서 말굽 와류의 출현은 명확하지 않지만, 세굴 구덩이 바로 상류에서 관찰된 교란은 긍정적인 신호입니다. 저자들의 관점에서, 각 소프트웨어(Fluent 및 OpenFOAM)로 얻은 시뮬레이션은 Ramos(2012)가 수행한 실험실 테스트에서 관찰된 예상 결과와 정성적, 정량적으로 합리적인 일치를 보입니다. 교각의 항력 계수 결과는 경험식(White, 2006)에서 주어진 값과 일치합니다.
8. References:
Batchelor, G. K. (1967) An introduction to fluid dynamics. University Press, Cambridge.
Breusers, H.; Raudkivi, A. J. (1991) Scouring. IAHR Hydraulic Structures Design Manual. A. A. Balkema, Rotterdam, Netherlands.
Dargahi, B. (1990) Controlling Mechanism of Local Scouring, J. Hydr. Engrg, ASCE, Vol 116, No.10
Deng, G.; Piquet, J. (1992) Navier-Stokes computations of horseshoe vortex flows. Int. J. Numer. Meth. Fluids, 15: 99-124.
Ferziger, J.H.; Peric, M. (2002) Computational Methods for Fluid Dynamics. Springer, Berlim.
Jongho L., Jungwoo K., Haecheon C. (2011) Sources of spurious force oscillations from an immersed boundary method for moving-body problems, Journal of Computational Physics, Vol. 230, Issue 7.
Melville, B.; Coleman S. (2000) Bridge Scour; Water Resources Publications LLC, (2000) Colorado, U.S.A.
Melville, B.; Raudkivi, A.J. (1977) Flow characteristics in Local Scour at Bridge Piers, J. Hydr. Research, ASCE, Vol 15, pp. 373-380.
Olsen, N.R.B.; Melaaen, M.C. (1993) Three-dimensional calculation of scour around cylinders. Journal of Hydraulic Engineering (ASCE), 119, 1048–1054.
Ramos, P.X. (2012, Modelação numérica do escoamento em torno de um pilar, MSc Thesis at Faculty of Engineering of University of Porto, Portugal.
Richardson, J.; Panchang, V. (1998) Three-dimensional simulation of scour-inducing flow at bridge piers. Journal of Hydraulic Engineering.
Roulund, A.; Sumer, M. Fredsøe, J. Michelsen, J. (2005) Numerical and experimental investigation of flow and scour around a circular pile. Journal of Fluid Mechanics, 534, pp 351-401.
Thwaites, B. (1960) Incompressible aerodynamics. University Press, Oxford.
White, F. (2006) Fluid Mechanics. McGraw-Hill Companies; 6th edition.
Expert Q&A: Your Top Questions Answered
Q1: OpenFOAM 시뮬레이션에서 구조 격자(structured mesh)를 사용한 이유는 무엇이며, 이전 연구와 비교하여 어떤 개선을 가져왔나요?
A1: 구조 격자는 셀이 정규적인 방식으로 정렬되고 분포되어 있어 데이터 처리 속도를 높입니다. 특히 본 연구에서는 교각 주변과 경계층 근처에 셀을 미세하게 배열하여 유동 구조를 더 정확하게 포착할 수 있었습니다. 논문에 따르면, 이 개선된 격자 구성은 후류 와류(wake vortex)를 더 현실에 가깝게 모사하는 데 결정적인 역할을 했으며, 이는 이전 연구(Ramos, 2012) 대비 결과의 질을 명확하게 향상시킨 핵심 요인입니다.
Q2: OpenFOAM으로 계산된 항력 계수(평균 1.21)가 경험식 값(약 0.73)과 상당한 차이를 보입니다. 이 결과를 어떻게 해석해야 하나요?
A2: 수치 자체의 차이도 중요하지만, 더 주목할 점은 Figure 15에서 보이는 항력 계수의 주기적인 진동입니다. 이 진동은 교각 후류에서 와류가 주기적으로 방출되면서 발생하는 힘의 변화를 물리적으로 올바르게 표현한 것입니다. 이 진동의 주파수와 진폭 정보는 교량 구조물의 피로 파괴나 공진 현상 등을 분석하는 동적 해석에 매우 중요한 데이터입니다. 따라서 평균값의 차이보다는 이러한 동적 거동을 성공적으로 포착했다는 점에 더 큰 의미를 둘 수 있습니다.
Q3: OpenFOAM 시뮬레이션에서 VOF(Volume of Fluid) 기법을 적용한 이유는 무엇인가요?
A3: 논문에 따르면, OpenFOAM 시뮬레이션은 20cm의 물층과 5cm의 공기층으로 구성된 2상 유동(two-phase flow)을 모사했습니다. VOF 기법은 이처럼 서로 섞이지 않는 두 유체(물과 공기)의 경계면을 추적하는 데 사용됩니다. 이는 이전 Fluent 연구에서 물만 시뮬레이션했던 것과 차이가 있으며, 자유 수면의 효과를 더 현실적으로 고려하기 위한 접근 방식입니다.
Q4: 복잡한 형상의 세굴된 하상(Configuration B)에 대해 어떻게 정규 격자를 적용했나요?
A4: 논문에서는 실제 세굴된 하상의 복잡하고 불규칙한 형상을 그대로 격자로 만드는 대신, 형상을 단순화(simplified)했다고 명시하고 있습니다. 이는 정규적인 셀 분포를 가진 구조 격자를 적용하기 위한 일종의 타협이었습니다. LES 모델이 많은 계산 시간을 요구하기 때문에, 격자 생성의 복잡성을 줄여 수치 해석 문제를 덜 복잡하게 만들기 위한 중요한 단계였습니다.
Q5: 세굴 과정에서 중요한 말굽 와류(horseshoe vortex)는 시뮬레이션에서 성공적으로 관찰되었나요?
A5: 논문에 따르면, 속도장(Figure 18, 19)에서 말굽 와류의 존재가 명확하게 나타나지는 않았습니다. 말굽 와류는 작고 복잡한 와류 시스템이라 계산하기 어렵기 때문입니다. 하지만 해당 영역에서 상당한 난류(turbulence)가 관찰되었으며, 저자들은 이를 “좋은 신호(a good signal)”라고 평가했습니다. 이는 비록 와류의 형태가 뚜렷하지 않더라도, 해당 물리 현상이 어느 정도 모사되고 있음을 시사합니다.
Conclusion: Paving the Way for Higher Quality and Productivity
이 연구는 교량 붕괴의 주된 원인인 교각 세굴 시뮬레이션에서 오픈소스 CFD 소프트웨어인 OpenFOAM의 높은 잠재력을 명확히 보여주었습니다. 특히, 체계적인 구조 격자 설계를 통해 상용 소프트웨어인 Fluent에 필적하거나 일부 측면(예: 와류 모사)에서는 더 현실적인 결과를 도출할 수 있음을 입증했습니다. 이는 고가의 상용 소프트웨어에 대한 효과적인 대안을 제시하며, 더 많은 엔지니어와 연구자들이 복잡한 수리 현상 해석에 접근할 수 있는 길을 열어줍니다.
“STI C&D는 최신 산업 연구 결과를 적용하여 고객이 더 높은 생산성과 품질을 달성할 수 있도록 최선을 다하고 있습니다. 이 논문에서 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.
연락처 : 02-2026-0442
이메일 : flow3d@stikorea.co.kr
Copyright Information
This content is a summary and analysis based on the paper “NUMERICAL SIMULATION OF THE FLOW AROUND A PIER USING OPENFOAM” by “PEDRO RAMOS, JOÃO PEDRO PÊGO & RODRIGO MAIA”.
Source: ISBN 978-989-96479-2-3, 3rd IAHR Europe Congress, Book of Proceedings, 2014, Porto – Portugal.
Chiew, Y.-M., “Scour protection at bridge piers,” J. Hydraul. Eng., vol. 118, no. 9, pp. 1260–1269, 1992.
Breusers, H. N. C., Nicollet, G., and Shen, H. W., “Erosion locale autour des piles cylindriques,” J. Hydraul. Res., vol. 15, no. 3, pp. 211–252, 1977.
Bhalerao, A. R. and Garde, R. J., “Design of Riprap for protection against scour around bridge pier,” ISH J. Hydraul. Eng., vol. 16, no. 1, pp. 79–92, 2010.
Escarameia, M., “River and channel revetments,” A Des. Man., vol. 20, p. 245, 1998.
Parker, G., Toro-Escobar, C., and Voigt Jr, R. L., “Countermeasures to protect bridge piers from scour,” 1998.
Simons, D. B., Chen, Y.-H., and Swenson, L. J., “Hydraulic test to develop design criteria for the use of reno mattresses,” Rep. Maccaferri, 1984.
Yoon, T. H. and Kim, D. H., “Sack gabion as scour countermeasures at bridge piers.’,” in 28th Congress of IAHR, Graz, Austria, CD-Rom, 1999.
Elshahat, E. and Elnikhely, E., “Influence of The Shape and Properties of The Bridge Pier’s Nose on Scour Depth,” Egypt. Int. J. Eng. Sci. Technol., vol. 42, no. 1, pp. 15–22, 2023.
Alabi, P. D., “Time development of local scour at a bridge pier fitted with a collar.” 2006.
Grimaldi, C., Gaudio, R., Calomino, F., and Cardoso, A. H., “Countermeasures against local scouring at bridge piers: slot and combined system of slot and bed sill,” J. Hydraul. Eng., vol. 135, no. 5, pp. 425–431, 2009.
Obied, N. A. and Khassaf, S. I., “Experimental study for protection of piers against local scour using slots,” Int. J. Eng. Trans. B Appl., vol. 32, no. 2, pp. 284–291, 2019.
Bestawy, A., Eltahawy, T., Alsaluli, A., Almaliki, A., and Alqurashi, M., “Reduction of local scour around a bridge pier by using different shapes of pier slots and collars,” Water Sci. Technol. Water Supply, vol. 20, no. 3, pp. 1006–1015, 2020.
Saleh, H. H., Abozeid, G., and Darweesh, M. S., “Reduction of Local Scour Around Oblong Bridge Piers Using Slots,” J. Adv. Eng. Trends, vol. 39, no. 1, pp. 45–62, 2020.
Devi, G. and Kumar, M., “Countermeasures against local scouring at circular bridge piers using collar and combination of slot and collar,” River Hydraul. Hydraul. Water Resour. Coast. Eng. Vol. 2, pp. 289–296, 2022.
KIM, U.-Y., KIM, Jon.-S., AHN, S.-J., and HAHM, C.-H., “Scour countermeasure using additional facility in front of bridge pier,” 31st IAHR Congr., Seoul, 5823–5829., pp. 1289–1290, 2005.
Setia, S., “Scour protection by collar plates: A parametric study,” in Proc. Int. Conf. Fluvial Hydraulics, 2016, pp. 486–493.
Dey, S., Sumer, B. M., and Fredsøe, J., “Control of Scour at Vertical Circular Piles,” J. Hydraul. Eng., vol. 132, no. 3, pp. 270–279, 2006.
Khaple, S., Hanmaiahgari, P. R., Gaudio, R., and Dey, S., “Splitter plate as a flow-altering pier scour countermeasure,” Acta Geophys., vol. 65, no. 5, pp. 957–975, 2017.
Abd El-Razek, M., Abd El-Motaleb, M., and Bayoumy, M., “Scour reduction around bridge piers using internal openings through the pier,” Alexandria Eng. J., vol. 42, no. 2, pp. 241–248, 2003.
El-Ghorab, E. A. S., “Reduction of scour around bridge piers using a modified method for vortex reduction,” Alexandria Eng. J., vol. 52, no. 3, pp. 467–478, 2013.
Chang, F. F. and Karim, M., “An experimental study of reducing scour around bridge piers using piles,” Report, South Dakota Dep. Highw., 1972.
EA, E., “Control of local scour at a bridge abutment using a protective pile,” JES. J. Eng. Sci., vol. 42, no. 4, pp. 956–967, 2014.
Haque, M. A., Rahman, M. M., Islam, G. M. T., and Hussain, M. A., “Scour mitigation at bridge piers using sacrificial piles,” Int. J. Sediment Res., vol. 22, no. 1, p. 49, 2007.
Raeisi, F., Zomorodian, S. M. A., Zolghadr, M., and Azamathulla, H. M., “Sacrificial piles as a countermeasure against local scour around underwater pipelines,” Water Sci. Eng., 2023.
Elnikhely, E. A., “Minimizing scour around bridge pile using holes,” Ain Shams Eng. J., vol. 8, no. 4, pp. 499–506, 2017.
Chiew, Y. and Lim, S., “Protection of bridge piers using a sacrificial sill,” in Proceedings of the Institution of Civil Engineers-Water and Maritime Engineering, 2003, vol. 156, no. 1, pp. 53–62.
Soltani-Gerdefaramarzi, S., Afzalimehr, H., Chiew, Y.-M., and Lai, J. S., “Jets to control scour around circular bridge piers,” Can. J. Civ. Eng., vol. 40, no. 3, pp. 204–212, 2013.
Vittal, N., Kothyari, U. C., and Haghighat, M., “Clear-water scour around bridge pier group,” J. Hydraul. Eng., vol. 120, no. 11, pp. 1309–1318, 1994.
Abdelhaleem, F. S. F., “Roughened bridge piers as a scour countermeasure under clear water conditions,” ISH J. Hydraul. Eng., vol. 25, no. 1, pp. 94–103, 2019.
Jones, J. S., Kilgore, R. T., and Mistichelli, M. P., “Effects of footing location on bridge pier scour,” J. Hydraul. Eng., vol. 118, no. 2, pp. 280–290, 1992.
Yoon, T. H., “Wire gabion for protecting bridge piers,” J. Hydraul. Eng., vol. 131, no. 11, pp. 942–949, 2005.
Lagasse, P. F., Clopper, P. E., Zevenbergen, L. W., and Gerard, L. G., “NCHRP report 593: countermeasures to protect bridge piers from scour,” Transp. Res. Board Natl. Acad. Washington, DC, 2007.
Pagliara, S., Carnacina, I., and Cigni, F., “Sills and gabions as countermeasures at bridge pier in presence of debris accumulations,” J. Hydraul. Res., vol. 48, no. 6, pp. 764–774, 2010.
I. P. on C. Change., Global warming of 1.5° C: An IPCC special report on the impacts of global warming of 1.5° C above pre-industrial levels and related global greenhouse gas emission pathways, in the context of strengthening the global response to the threat of climate chang. Intergovernmental Panel on Climate Change, 2018.
Kendon, E. J., Roberts, N. M., Fowler, H. J., Roberts, M. J., Chan, S. C., and Senior, C. A., “Heavier summer downpours with climate change revealed by weather forecast resolution model,” Nat. Clim. Chang., vol. 4, no. 7, pp. 570–576, 2014.
Melville, B. W. and Chiew, Y.-M., “Time scale for local scour at bridge piers,” J. Hydraul. Eng., vol. 125, no. 1, pp. 59–65, 1999.
Craswell, T. and Akib, S., “Reducing Bridge Pier Scour Using Gabion Mattresses Filled with Recycled and Alternative Materials,” Eng, vol. 1, no. 2, pp. 188–210, 2020.
Ghodsian, M. and Vaghefi, M., “Experimental study on scour and flow field in a scour hole around a T-shape spur dike in a 90 bend,” Int. J. Sediment Res., vol. 24, no. 2, pp. 145–158, 2009.
Chiew, Y.-M. and Melville, B. W., “Local scour around bridge piers,” J. Hydraul. Res., vol. 25, no. 1, pp. 15–26, 1987.
Melville, B. W., “Pier and abutment scour: integrated approach,” J. Hydraul. Eng., vol. 123, no. 2, pp. 125–136, 1997.
Tafarojnoruz, A., “Discussion of ‘Genetic Programming to Predict Bridge Pier Scour’ by H. Md. Azamathulla, Aminuddin Ab Ghani, Nor Azazi Zakaria, and Aytac Guven,” J. Hydraul. Eng., vol. 138, no. 7, pp. 669–671, 2012.
교량의 안전을 위협하는 ‘ 국부 세굴(Local Scour)’이라는 문제를 해결하기 위한 새로운 교각디자인 연구입니다. 이 연구는 기존의 둥근 교각대신, 특별히 설계된 교각(M2, M3)이 어떻게 세굴깊이를 최대 55%까지 줄일 수 있는지 실험으로 보여줍니다. 특히, 교각의 모양과 배치(혼자 또는 줄지어), 그리고 물의 흐름에 대한 기울기(경사각)가 세굴에 어떤 영향을 미치는지 자세히 분석하여, 실제 다리를 설계할 때 가장 좋은 교각모양과 배치를 선택하는 데 필요한 구체적인 방법을 알려줍니다. 또한, m5 모델을 사용하여 세굴깊이를 정확하게 예측하는 방법을 개발하여, 기존의 예측 방식보다 더 안전하고 경제적인 다리 설계를 가능하게 합니다.
1. 서론: 다리 파손의 주범, 국부 세굴과 연구 목표
다리 파손의 주요 원인:
다리 기둥 주변의 국부 세굴은 다리가 무너지는 가장 큰 이유입니다.
미국에서는 다리 파손의 45%가 홍수나 국부 세굴같은 물 관련 현상 때문에 발생합니다.
다리 기둥 주변이 너무 많이 깎이면 다리가 불안정해지고 무너질 수 있습니다.
국부 세굴이 생기는 과정:
다리 기둥이 강물의 흐름을 막으면, 기둥 앞쪽에는 말굽 모양의 소용돌이가 생기고, 뒤쪽에는 물이 갈라지면서 꼬리 모양의 소용돌이가 생깁니다.
이런 소용돌이들이 바닥의 흙을 깎아내어 국부 세굴이 발생합니다.
세굴을 막는 연구의 중요성:
안전하고 경제적인 다리를 설계하려면, 세굴을 줄이는 새로운 모양의 다리 기둥을 사용해야 합니다.
이 연구의 목표:
새로운 모양의 다리 기둥을 찾아 둥근 기둥보다 국부 세굴을 줄이는 것입니다.
최대 세굴깊이를 예측하기 위한 M5 모델을 개발하고, 기존 방식과 비교하는 것입니다.
다리 기둥의 모양과 정렬(방향)이 국부 세굴에 미치는 영향을 실험으로 알아보는 것입니다.
이를 위해 둥근 기둥(M1)과 두 가지 새로운 기둥(M2, M3)을 사용합니다.
2. 기존 연구 살펴보기 및 한계
2.1. 교각 형태 및 세굴 줄이기 연구
교각 분류 및 유선형 교각의 효과:
유선형 교각은 물의 흐름과 같은 방향으로 정렬되어 있어 세굴을 막는 데 효과적입니다.
교각 형태 변경의 중요성:
다리 기둥의 형태를 바꾸는 것이 세굴방지에 매우 중요합니다.
가장 좋은 기둥 모양은 물의 흐름 방해와 세굴깊이를 최소화합니다.
다양한 교각 형태 연구 결과:
사각형 기둥이 세굴깊이가 가장 깊고, 비행기 날개 모양 기둥이 가장 얕습니다.
비행기 날개 모양 기둥은 둥근 기둥보다 세굴깊이가 50% 적습니다.
기존 연구의 한계:
기존 연구는 전통적인 형태의 기둥에만 집중되어 있어, 세굴깊이를 더 줄일 수 있는 새로운 기둥 모양을 찾기 위한 추가 연구가 필요합니다.
2.2. 교각 경사각(Skew Angle)의 영향
경사각의 중요성:
교각경사각(α)은 다리 기둥 주변의 물 흐름과 세굴깊이에 큰 영향을 미칩니다.
경사각 증가 시 세굴 변화:
경사각이 있는 기둥은 물에 노출되는 폭이 늘어나 세굴깊이가 급격히 증가합니다.
유선형 기둥도 경사각이 증가하면 효율성을 잃습니다.
경사각 관련 기존 연구 결과:
여러 연구에서 경사각이 증가함에 따라 세굴깊이가 증가한다는 것을 확인했습니다.
경사각 연구의 한계:
기존 연구는 사각형 및 정사각형 기둥에만 집중되어 있어, 다른 형태의 기둥에 대한 추가 연구가 필요합니다.
2.3. 세굴 깊이 예측 모델 및 M5 모델의 활용
기존 경험식의 한계:
기존 세굴깊이 예측 공식은 중요한 요소들을 무시하고 복잡한 비선형 관계를 제대로 파악하지 못했습니다.
인공지능 모델의 등장:
인공신경망(ANN) 모델이 세굴깊이 예측에서 높은 정확도를 보였지만, 명확한 공식을 제공하지 못합니다.
M5 모델의 장점 및 이 연구의 혁신:
M5 모델은 복잡한 비선형성을 잘 파악하고, 현장 엔지니어가 사용할 수 있는 간단한 공식을 제공합니다.
이 연구는 다양한 형태의 기둥 세굴깊이 예측을 위한 M5 모델을 개발하여 새로운 방법을 제시합니다.
2.4. 줄지어 배치된 교각(Tandem Piers)의 세굴 현상
줄지어 배치된 교각의 특성:
다리 기둥이 줄지어 배치되면 기둥 간섭 현상이 발생하여 세굴방식이 달라집니다.
세굴 메커니즘의 유형:
앞 기둥 때문에 뒤 기둥의 세굴깊이가 감소하는 차폐 효과가 나타납니다.
교각 간격(X)의 영향:
줄지어 배치된 기둥 사이의 간격(X)은 두 기둥의 세굴깊이에 영향을 미칩니다.
복잡한 줄지어 배치된 기둥의 세굴방식을 이해하기 위한 추가 연구가 필요합니다.
3. 실험 목표 및 방법
기존 연구를 통한 연구 필요성:
기둥 모양과 경사각이 국부 세굴에 큰 영향을 미치지만, 연구와 모델링이 아직 부족합니다.
이 실험 연구의 목표:
다양한 형태의 기둥 주변 세굴을 조사하고, 줄지어 배치된 기둥의 간섭 효과를 연구합니다.
실험 데이터와 기존 문헌 데이터를 사용하여 최대 세굴깊이를 예측하기 위한 M5 모델을 개발합니다.
실험에 사용된 교각 모델:
둥근 기둥(M1)과 두 가지 새로운 형태의 기둥(M2, M3)을 사용합니다.
M2는 반원과 삼각형을 합친 모양이고, M3는 M2a를 개선한 형태입니다.
실험 조건:
실험은 일정한 흐름과 맑은 물 세굴조건에서 진행되었습니다.
M5 모델 평가:
개발된 M5 모델의 정확도는 통계 지수를 사용하여 평가하고, 기존 공식과 비교합니다.
연구의 활용:
개발된 M5 모델은 실제 현장에서 다리 기초 설계에 유용하며, 최적의 기둥 모양과 배치 방법을 찾는 데 도움이 됩니다.
4. 실험 장치 및 방법
4.1. 실험 장치
수로(Flume) 구성:
실험은 길이 8.0m, 폭 1.0m, 깊이 1.0m의 유리벽 수로에서 진행되었습니다.
수로 바닥은 평균 입자 크기 0.56mm의 균일한 강 모래로 채워졌습니다.
흐름을 안정화하고 과도한 흙 침식을 막기 위해 수로 양 끝에 자갈 커튼을 설치했습니다.
흐름 제어 시스템:
펌프가 물을 계속 순환시켜 안정적이고 균일한 흐름을 유지했습니다.
SCADA 시스템이 장착된 밸브로 물의 양을 정확하게 조절했습니다.
Figure 2. Schematic diagram of the experimental setup
4.2. 차원 분석
세굴 깊이(h_s)에 영향을 미치는 변수:
세굴깊이에는 기둥 모양, 흐름 특성, 흙 특성 등이 영향을 미칩니다.
정규화된 세굴 깊이(h_s/D)에 대한 변수:
차원 분석을 통해 흙 거칠기 비율, 흐름 얕음 비율, 흐름 강도, 프루드 수 등이 도출되었습니다.
이 연구의 초점 및 고정 변수:
이 연구는 기둥 모양과 정렬의 영향을 고려하여 세굴깊이를 최소화하는 최적의 기둥 모양을 찾는 데 집중했습니다.
4.3. 교각 모델
세 가지 교각 모델:
둥근 기둥(M1)과 두 가지 새로운 형태의 기둥(M2, M3)을 사용했습니다.
M2는 반원형과 삼각형을 합친 모양이고, M3는 M2의 반원형 부분에 작은 홈을 추가한 것입니다.
M2 교각의 방향:
M2 기둥은 반원형 면(M2a)과 삼각형 면(M2b)이 물의 흐름 방향을 향하도록 모두 테스트되었습니다.
교각 모델의 공통점 및 배치:
M2 및 M3 기둥의 단면적은 M1과 동일하게 유지되었습니다.
실험 조건 및 측정:
8가지 다른 경사각(α = 0°~45°)에 대해 테스트를 수행했습니다.
세굴깊이는 디지털 포인트 게이지로 측정했습니다.
줄지어 배치 실험:
둥근 기둥과 새로운 형태의 기둥을 다양한 조합으로 배치하여 실험했습니다.
간격(X)은 0.5D에서 2.5D로 다양하게 설정되었습니다.
4.4. 흐름 조건
흐름 깊이 및 임계 속도:
흐름 깊이(h)는 12cm로 유지되었습니다.
모래 이동의 임계 속도(Vc)는 0.29m/s입니다.
흐름 강도 및 유량:
흐름 강도(V/Vc)는 0.9로 유지되어 맑은 물 세굴조건을 보장했습니다.
실험은 0.027m³/s의 유량(Q)에서 수행되었습니다.
프루드 수 및 레이놀즈 수:
프루드 수(Fr)는 0.24, 레이놀즈 수(Re)는 31200으로, 아임계 및 난류조건임을 나타냅니다.
스케일 효과 최소화:
수로 폭, 기둥 크기, 흐름 깊이등은 스케일 효과를 최소화하도록 선택되었습니다.
4.5. 실험 절차
초기 설정:
각 실험 전에 모래 바닥을 평평하게 만들고 초기 높이를 측정했습니다.
기둥은 입구에서 4.75m 떨어진 곳에 설치되었습니다.
과도한 초기 침식을 막기 위해 기둥 주변 바닥은 아크릴 시트로 보호했습니다.
흐름 조건 설정 및 측정:
흐름이 원하는 유량과 깊이에 도달한 후, 흐름 속도를 측정했습니다.
아크릴 시트는 흐름과 모래 바닥을 방해하지 않고 제거되었습니다.
세굴 깊이 측정:
시간별 세굴깊이는 디지털 포인트 게이지를 사용하여 기둥 전면, 후류, 측면 등 주요 위치에서 측정되었습니다.
측정은 세굴구멍이 평형 상태에 도달할 때까지 이루어졌습니다.
실험 종료 및 데이터 기록:
실험 완료 후, 흐름을 천천히 멈추고 최대 세굴깊이를 측정했습니다.
세굴구멍 사진은 카메라로 촬영되었습니다.
Figure 4. Photographs of (a) experimental setup and (b) scour hole around the circular pier (M1)
4.6. M5 모델 트리
의사결정 트리(DT) 및 모델 트리(MT):
의사결정 트리(DT)는 분류 및 예측에 사용되는 기계 학습 방법입니다.
모델 트리(MT)는 DT 원리에 기반하여 잎 노드에서 선형 회귀 모델을 사용하는 방법입니다.
M5 모델 트리의 특징:
M5 모델트리(M5)는 쉽게 이해할 수 있는 공식을 만들 수 있습니다.
M5는 선형 회귀를 사용하여 DT를 만들고, 그로부터 정보를 추출하는 두 단계로 구성됩니다.
M5 모델의 첫 번째 단계: DT 생성:
선형 회귀 모델은 데이터 포인트를 재귀적으로 하위 집합으로 나눕니다.
이 분할은 하위 집합 값의 표준 편차(SD)에 의해 결정됩니다.
M5 모델의 두 번째 단계: 정보 추출 및 가지치기:
각 잎과 관련된 데이터를 사용하여 각 하위 영역에 대한 선형 회귀 모델이 만들어집니다.
과적합을 막기 위해 너무 커진 트리는 가지치기됩니다.
4.7. 성능 평가 기준
평가 지수:
개발된 M5 모델과 기존 공식의 정확도는 결정 계수(R²), 평균 제곱근 오차(RMSE), 불일치 비율(DR)과 같은 통계 지수를 사용하여 평가됩니다.
모델 성능 판단 기준:
성능이 좋은 모델은 낮은 RMSE, 최소한의 과소 예측(DR ≥ 1), 높은 R² 값을 특징으로 합니다.
5. 결과 및 논의
5.1. 정렬된 교각 주변 세굴 깊이
실험 조건 및 측정:
세 가지 기둥 모델을 사용하여 기둥 모양과 정렬이 국부 세굴에 미치는 영향을 평가했습니다.
세굴은 정규화된 세굴깊이(H\*)로 나타냅니다.
최대 세굴 깊이 위치:
M1, M2a, M3 기둥은 상류 코 부분에, M2b 기둥은 측면 또는 기둥 중앙 근처에서 최대 세굴깊이가 발생했습니다.
정규화된 세굴 깊이(H\*)의 시간적 변화:
새로운 기둥(M2a, M2b, M3)은 둥근 기둥(M1)보다 훨씬 빨리 평형 세굴상태에 도달했습니다.
새로운 기둥의 최대 세굴깊이 감소는 M1 대비 각각 23.5%, 50%, 55%입니다.
형태 계수(K_s) 및 M3 교각의 효율성:
M3는 가장 낮은 H\*(= 0.46)를 보였으며, 국부 세굴감소에 가장 효율적입니다.
M2b와 M3 기둥 모두 효과적인 세굴방지 대책이 될 수 있습니다.
5.2. 교각 경사각의 영향
경사각의 중요성 및 실험 범위:
둥글지 않은 기둥 형태에서 경사각(α)은 성능을 결정하는 주요 요소입니다.
최대 세굴 깊이 위치 변화:
기둥이 기울어질 때 최대 세굴깊이 위치가 이동했습니다.
경사각 증가에 따른 세굴 변화:
경사각이 높을수록 물에 노출되는 폭이 늘어나 세굴속도가 더 커집니다.
경사각이 세굴 깊이(H\*) 및 경사 계수(K_α)에 미치는 영향:
세굴깊이는 경사각에 직접 비례한다고 추론할 수 있습니다.
K_α와 경사각(α)의 관계:
세굴깊이는 경사각(α > 5°)에 매우 민감하며, M2a 및 M3 기둥 주변의 세굴깊이가 증가했습니다.
유선형화 효과의 감소:
기둥이 더 기울어질수록 유선형화의 세굴감소 효과가 줄어들었습니다.
5.3. 줄지어 배치된 교각
실험 목적 및 조건:
기둥 모양과 줄지어 배치된 기둥 간의 간격이 국부 세굴에 미치는 영향을 분석했습니다.
둥근 줄지어 배치된 교각의 세굴 깊이 변화 (T1):
앞 기둥이 뒤 기둥보다 더 많은 세굴깊이를 경험했습니다.
뒤 기둥은 차폐 효과로 인해 세굴깊이가 감소했습니다.
흙 크기별 세굴 깊이 변화 패턴:
기둥 간의 임계 간격은 흙 크기가 증가함에 따라 증가합니다.
다양한 줄지어 배치된 교각의 세굴 깊이 (평균 입자 크기 0.56mm):
새로운 기둥이 있는 모든 조합에서 세굴깊이가 감소했습니다.
M3 기둥이 둥근 기둥의 상류 또는 하류에 배치된 조합(T4 및 T7)은 가장 적은 세굴깊이를 나타냅니다.
새로운 교각의 활용성:
새로운 기둥은 기존 둥근 기둥이 있는 다리 옆에 새로운 다리를 건설할 경우 효과적인 세굴방지 대책으로 사용될 수 있습니다.
5.4. M5 모델을 이용한 세굴 깊이 예측
M5 모델 개발 목적 및 도구:
세굴깊이 예측은 기둥 기초 설계에 매우 중요합니다.
이 연구에서는 혼자 있는 기둥과 줄지어 배치된 기둥 주변의 최대 세굴깊이(h_s/D)를 예측하기 위해 M5 모델을 개발했습니다.
5.4.1. 혼자 있는 교각
데이터셋 구성:
현재 실험 연구 및 문헌의 데이터를 사용하여 M5 모델을 개발했습니다.
M5 모델 성능 평가:
M5 모델은 세굴깊이를 정확하게 예측할 수 있었습니다 (R² = 0.837, RMSE = 0.625, DR = 1.018).
민감도 분석:
경사각(α/45)이 h_s/D 예측에 가장 큰 영향을 미쳤습니다.
기존 회귀 방정식과의 비교:
M5 모델성능은 기존 회귀 기반 방정식보다 우수합니다.
잔차 오차 분포 (박스 플롯):
M5 모델은 기존 회귀 방정식보다 상대적으로 더 정확합니다.
5.4.2. 줄지어 배치된 교각
데이터셋 구성:
현재 연구 및 문헌의 실험 데이터를 사용하여 M5 모델을 개발했습니다.
M5 모델 개발 및 데이터 분할:
앞(h_sf/D) 및 뒤(h_sr/D) 기둥 주변 세굴깊이에 대해 별도의 M5 모델이 개발되었습니다.
M5 모델 성능 평가 (앞 교각):
앞 기둥 세굴깊이(h_sf/D)에 대한 M5 모델의 훈련 및 테스트 성능은 R² = 0.965, RMSE = 0.129, DR = 1.125입니다.
M5 모델 성능 평가 (뒤 교각):
뒤 기둥 세굴깊이(h_sr/D) 예측에 대한 M5 모델은 R² = 0.953, RMSE = 0.123, DR = 1.102입니다.
민감도 분석 (줄지어 배치된 교각):
흐름 강도(V/Vc)가 h_sf/D 예측에 더 큰 영향을 미쳤습니다.
6. 결론
교각 형태 및 정렬의 영향:
새로운 형태 기둥 모델의 최대 세굴깊이는 기존 둥근 기둥에 비해 최대 55% 감소했습니다.
그러나 경사각이 증가함에 따라 세굴깊이는 증가했습니다.
줄지어 배치된 교각의 세굴 감소:
줄지어 배치에서 둥근 기둥을 새로운 형태 기둥으로 교체하면 세굴깊이가 감소했습니다.
M5 모델의 성능:
M5 모델은 혼자 있는 기둥과 줄지어 배치된 기둥의 최대 세굴깊이(h_s/D)를 정확하게 예측합니다.
민감도 분석 결과, 경사각과 흐름 강도가 세굴깊이 예측에 가장 영향력 있는 매개변수임을 보여주었습니다.
향후 연구 방향:
이 연구는 더 복잡한 다리 기둥 형태로 확장될 수 있습니다.
References
Choudhury, J. R., & Hasnat, A. (2015, August). Bridge collapses around the world: Causes and mechanisms. IABSE-JSCE joint conference on advances in bridge engineering-III, 21-22 August, 2015, Dhaka, Bangladesh.
Najafzadeh, M., & Oliveto, G. (2021). More reliable predictions of clear-water scour depth at pile groups by robust artificial intelligence techniques while preserving physical consistency. Soft Computing, 25, 5723-5746. doi:10.1007/s00500-020-05567-3.
Kashmoola, A., Ismael, A., & Suleiman, S. (2019). Comparison of Bridge Piers Shapes According to Local Scour Countermeasures. The Eurasia Proceedings of Science Technology Engineering and Mathematics, 6, 171–180.
Oliveto, G., & Hager, W. H. (2005). Further Results to Time-Dependent Local Scour at Bridge Elements. Journal of Hydraulic Engineering, 131(2), 97–105. doi:10.1061/(asce)0733-9429(2005)131:2(97).
Pandey, M., Oliveto, G., Pu, J. H., Sharma, P. K., & Ojha, C. S. P. (2020). Pier scour prediction in non-uniform gravel beds. Water (Switzerland), 12(6), 1696. doi:10.3390/W12061696.
Zarrati, A. R., Gholami, H., & Mashahir, M. B. (2004). Application of collar to control scouring around rectangular bridge piers. Journal of Hydraulic Research, 42(1), 97-103. doi:10.1080/00221686.2004.9641188.
Al-Shukur, A. H. K., & Obeid, Z. H. (2016). Experimental study of bridge pier shape to minimize local scour. International Journal of Civil Engineering and Technology, 7(1), 162-171.
Etemad-Shahidi, A., Bonakdar, L., & Jeng, D. S. (2015). Estimation of scour depth around circular piers: Applications of model tree. Journal of Hydroinformatics, 17(2), 226–238. doi:10.2166/hydro.2014.151.
Fael, C., Lança, R., & Cardoso, A. (2016). Effect of pier shape and pier alignment on the equilibrium scour depth at single piers. International Journal of Sediment Research, 31(3), 244–250. doi:10.1016/j.ijsrc.2016.04.001.
Habib, I. A., Mohtar, W. H. M. W., Elsaiad, A., & El-Shafie, A. (2018). Nose-angle bridge piers as alternative countermeasures for local scour reduction. Baltic Journal of Road and Bridge Engineering, 13(2), 110–120. doi:10.7250/bjrbe.2018-13.405.
Qi, M., Li, J., & Chen, Q. (2016). Comparison of existing equations for local scour at bridge piers: parameter influence and validation. Natural Hazards, 82(3), 2089–2105. doi:10.1007/s11069-016-2287-z.
Sabbagh-Yazdi, S.-R., & Bavandpour, M. (2021). Introducing ring collars and effective spiral threading elevation for cylindrical pier scour control. Marine Georesources & Geotechnology, 40(6), 639–654. doi:10.1080/1064119x.2021.1922555.
Abdulkathum, S., Al-Shaikhli, H. I., Al-Abody, A. A., & Hashim, T. M. (2023). Statistical Analysis Approaches in Scour Depth of Bridge Piers. Civil Engineering Journal (Iran), 9(1), 143–153. doi:10.28991/CEJ-2023-09-01-011.
Baranwal, A., Shankar Das, B., & Setia, B. (2023). A comparative study of scour around various shaped bridge pier. Engineering Research Express, 5(1), 15052. doi:10.1088/2631-8695/acbfa1.
Dargahi, B. (1990). Controlling Mechanism of Local Scouring. Journal of Hydraulic Engineering, 116(10), 1197–1214. doi:10.1061/(asce)0733-9429(1990)116:10(1197).
Huda, M. B., Lone, M. A., Rather, N. A., & Chadee, A. A. (2023). Scouring around different shapes of bridge pier. Water Practice and Technology, 18(7), 1608–1616. doi:10.2166/wpt.2023.108.
Chiew, Y. (1992). Scour Protection at Bridge Piers. Journal of Hydraulic Engineering, 118(9), 1260–1269. doi:10.1061/(asce)0733-9429(1992)118:9(1260).
Li, J., & Tao, J. (2015). Streamlining of Bridge Piers as Scour Countermeasures Optimization of Cross Sections. Transportation Research Record, 2521(1), 162–171. doi:10.3141/2521-17.
Vijayasree, B. A., Eldho, T. I., Mazumder, B. S., & Ahmad, N. (2019). Influence of bridge pier shape on flow field and scour geometry. International Journal of River Basin Management, 17(1), 109–129. doi:10.1080/15715124.2017.1394315.
Laursen, E. M., & Toch, A. (1956). Scour around bridge piers and abutments. Iowa Highway Research Board, Iowa City, United States.
Farooq, R., & Ghumman, A. R. (2019). Impact assessment of pier shape and modifications on scouring around bridge pier. Water (Switzerland), 11(9), 1761. doi:10.3390/w11091761.
Keshavarz, A., Vaghefi, M., & Ahmadi, G. (2022). Effect of the Shape and Position of the Bridge Pier on the Bed Changes in the Sharp 180-Degree Bend. Iranian Journal of Science and Technology – Transactions of Civil Engineering, 46(3), 2449–2467. doi:10.1007/s40996-021-00787-5.
Ismael, A., Gunal, M., & Hussein, H. (2015). Effect of Bridge Pier Position on Scour Reduction According to Flow Direction. Arabian Journal for Science and Engineering, 40(6), 1579–1590. doi:10.1007/s13369-015-1625-x.
Melville, B. W. (1997). Pier and Abutment Scour: Integrated Approach. Journal of Hydraulic Engineering, 123(2), 125–136. doi:10.1061/(asce)0733-9429(1997)123:2(125).
National Academies of Sciences, Engineering, and Medicine. (2011). Evaluation of Bridge Scour Research: Pier Scour Processes and Predictions. The National Academies Press, Washington, United States. doi:10.17226/22886.
Habibi, K., Fard, F. E., Pari, S. A. A., & Shafai-Bejestan, M. (2024). Experimental and theoretical study of sediment scour around angled bridge piers. Canadian Journal of Civil Engineering. doi:10.1139/cjce-2023-0277.
Hoffmans, G. J. C. M., & Verheij, H. J. (2009). Scour Manual. Routledge, London, United Kingdom. doi:10.1201/9780203740132.
do Carmo, J. A. (2005). Experimental study on local scour around bridge piers in rivers. WIT Transactions on Ecology and the Environment, 83. doi:10.2495/RM050011.
Ahmad, N., Melville, B., Mohammad, T., Ali, F., & Yusuf, B. (2016). Clear-water scour at long skewed bridge piers. Journal of the Chinese Institute of Engineers, 40(1), 10–18. doi:10.1080/02533839.2016.1259021.
Raudkivi, A. J. (1986). Functional Trends of Scour at Bridge Piers. Journal of Hydraulic Engineering, 112(1), 1–13. doi:10.1061/(asce)0733-9429(1986)112:1(1).
Melville, B. W., & Sutherland, A. J. (1988). Design Method for Local Scour at Bridge Piers. Journal of Hydraulic Engineering, 114(10), 1210–1226. doi:10.1061/(asce)0733-9429(1988)114:10(1210).
Richardson, E. V., & Davis, S. R. (2001). Evaluating scour at bridges (No. FHWA-NHI-01-001). Federal Highway Administration, Office of Bridge Technology, Washington, United States.
Chiew, Y. M. (1984). Local scour at bridge piers. PhD Thesis, University of Auckland, Auckland, New Zealand.
Abudallah Habib, I., Wan Mohtar, W. H. M., Muftah Shahot, K., El-Shafie, A., & Abd Manan, T. S. B. (2021). Bridge failure prevention: An overview of self-protected pier as flow altering countermeasures for scour Protection. Civil Engineering Infrastructures Journal, 54(1), 1–22. doi:10.22059/CEIJ.2020.292296.1627.
Melville, B. (2008, November). The physics of local scour at bridge piers. Fourth International Conference on Scour and Erosion, 5-7 November, 2008, Tokyo, Japan.
Ettema, R., Mostafa, E. A., Melville, B. W., & Yassin, A. A. (1998). Local Scour at Skewed Piers. Journal of Hydraulic Engineering, 124(7), 756–759. doi:10.1061/(asce)0733-9429(1998)124:7(756).
Fenocchi, A., & Natale, L. (2016). Using Numerical and Physical Modeling to Evaluate Total Scour at Bridge Piers. Journal of Hydraulic Engineering, 142(3). doi:10.1061/(asce)hy.1943-7900.0001096.
Peng Yu, & Zhu, L. (2020). Numerical simulation of local scour around bridge piers using novel inlet turbulent boundary conditions. Ocean Engineering, 218, 108166. doi:10.1016/j.oceaneng.2020.108166.
Shen, H. W., Schneider, V. R., & Karaki, S. (1969). Local Scour Around Bridge Piers. Journal of the Hydraulics Division, 95(6), 1919–1940. doi:10.1061/jyceaj.0002197.
Hancu, S. (1971). On the calculation of local scours in the area of bridge piers. Proceedings of the 14th IAHR congress, 29 August-3 September, 1971, Paris, France. (In French).
Sheppard, D. M., Odeh, M., & Glasser, T. (2004). Large Scale Clear-Water Local Pier Scour Experiments. Journal of Hydraulic Engineering, 130(10), 957–963. doi:10.1061/(asce)0733-9429(2004)130:10(957).
Breusers, H. N. C., Nicollet, G., & Shen, H. W. (1977). Erosion locale autour des piles cylindriques. Journal of Hydraulic Research, 15(3), 211–252. doi:10.1080/00221687709499645.
Heza, Y. B. M., Soliman, A. M., & Saleh, S. A. (2007). Prediction of the scour hole geometry around exposed bridge circular-pile foundation. Journal of Engineering and Applied Science-Cairo, 54(4), 375.
Richardson, J. E., & Panchang, V. G. (1998). Three-Dimensional Simulation of Scour-Inducing Flow at Bridge Piers. Journal of Hydraulic Engineering, 124(5), 530–540. doi:10.1061/(asce)0733-9429(1998)124:5(530).
Kumar, V., Baranwal, A., & Das, B. S. (2024). Prediction of local scour depth around bridge piers: modelling based on machine learning approaches. Engineering Research Express, 6(1), 15009. doi:10.1088/2631-8695/ad08ff.
Quinlan, J. R. (1992). Learning with continuous classes. 5th Australian joint conference on artificial intelligence, 16-18 November, 1992, Hobart, Australia.
Pal, M., Singh, N. K., & Tiwari, N. K. (2012). M5 model tree for pier scour prediction using field dataset. KSCE Journal of Civil Engineering, 16(6), 1079–1084. doi:10.1007/s12205-012-1472-1.
Hassan, Z. F., Karim, I. R., & Al-Shukur, A. H. K. (2020). Effect of interaction between bridge piers on local scouring in cohesive soils. Civil Engineering Journal (Iran), 6(4), 659–669. doi:10.28991/cej-2020-03091498.
Khaple, S., Hanmaiahgari, P., & Dey, S. (2014). Studies on the effect of an upstream pier as a scour protection measure of a downstream bridge pier. River Flow 2014, 2047–2052, CRC Press, Boca Raton, United States. doi:10.1201/b17133-273.
Amini Baghbadorani, D., Beheshti, A. A., & Ataie-Ashtiani, B. (2017). Scour hole depth prediction around pile groups: review, comparison of existing methods, and proposition of a new approach. Natural Hazards, 88(2), 977–1001. doi:10.1007/s11069-017-2900-9.
Hosseini, R., & Amini, A. (2015). Scour depth estimation methods around pile groups. KSCE Journal of Civil Engineering, 19(7), 2144–2156. doi:10.1007/s12205-015-0594-7.
Keshavarzi, A., Shrestha, C. K., Melville, B., Khabbaz, H., Ranjbar-Zahedani, M., & Ball, J. (2018). Estimation of maximum scour depths at upstream of front and rear piers for two in-line circular columns. Environmental Fluid Mechanics, 18(2), 537–550. doi:10.1007/s10652-017-9572-6.
Khaple, S., Hanmaiahgari, P. R., Gaudio, R., & Dey, S. (2017). Interference of an upstream pier on local scour at downstream piers. Acta Geophysica, 65(1), 29–46. doi:10.1007/s11600-017-0004-2.
Selamoğlu, M. (2015). Modeling temporal variation of scouring at dual bridge piers. Ph.D. Thesis, Middle East Technical University, Ankara, Turkey.
Ravanfar, S. M., Mohammadpour, R., & Sabzevari, T. (2023). Experimental study of local scour around non-uniform twin piers. International Journal of River Basin Management, 2023, 1–16. doi:10.1080/15715124.2023.2167823.
Elliott, K. R., & Baker, C. J. (1985). Effect of Pier Spacing on Scour Around Bridge Piers. Journal of Hydraulic Engineering, 111(7), 1105–1109. doi:10.1061/(asce)0733-9429(1985)111:7(1105).
Ataie-Ashtiani, B., & Beheshti, A. A. (2006). Experimental Investigation of Clear-Water Local Scour at Pile Groups. Journal of Hydraulic Engineering, 132(10), 1100–1104. doi:10.1061/(asce)0733-9429(2006)132:10(1100).
Liu, M. ming, Wang, H. cheng, Tang, G. qiang, Shao, F. fei, & Jin, X. (2022). Investigation of local scour around two vertical piles by using numerical method. Ocean Engineering, 244, 110405. doi:10.1016/j.oceaneng.2021.110405.
Dey, S., & Sarkar, A. (2006). Scour Downstream of an Apron Due to Submerged Horizontal Jets. Journal of Hydraulic Engineering, 132(3), 246–257. doi:10.1061/(asce)0733-9429(2006)132:3(246).
Yang, Y., Melville, B. W., Macky, G. H., & Shamseldin, A. Y. (2019). Local scour at complex bridge piers in close proximity under clear-water and live-bed flow regime. Water (Switzerland), 11(8), 1530. doi:10.3390/w11081530.
Ettema, R. (1980). Scour at Bridge Piers. Ph.D. Thesis, University of Auckland, Auckland, New Zealand.
Neill, C.R. (1967) Mean Velocity Criterion for Scour of Coarse Uniform Bed Material. Proceeding of the 12th Congress of the International Association of Hydraulics Research, 11-14 September, 1967, Colorado State University, Fort Collins, United States.
Raudkivi, A. J., & Ettema, R. (1983). Clear‐Water Scour at Cylindrical Piers. Journal of Hydraulic Engineering, 109(3), 338–350. doi:10.1061/(asce)0733-9429(1983)109:3(338).
Ettema, R., Melville, B. W., & Barkdoll, B. (1998). Scale Effect in Pier-Scour Experiments. Journal of Hydraulic Engineering, 124(6), 639–642. doi:10.1061/(asce)0733-9429(1998)124:6(639).
문제 정의: 샤프 크레스트 위어는 수로에서 유량 측정과 조절을 위해 가장 널리 사용되는 구조물이다.
목표: CFD(Computational Fluid Dynamics) 기법을 활용하여 샤프 크레스트 위어 위의 유동 특성을 분석하고 방출 계수(Discharge Coefficient)를 예측.
접근법: FLOW-3D를 사용하여 수치 해석을 수행하고 실험 데이터와 비교.
연구 방법
위어 특성 및 방출 계수(Cd) 분석
기존 실험 연구를 기반으로 방출 계수 CdCdCd 추정식을 개발.
다양한 유량 및 위어 높이 조합을 사용하여 최적의 방출 계수 관계식 도출.
FLOW-3D 기반 수치 모델링
VOF(Volume of Fluid) 기법을 적용하여 자유 수면을 해석.
RNG k−ϵk-\epsilonk−ϵ난류 모델을 사용하여 난류 흐름을 해석.
FAVOR(Fractional Area-Volume Obstacle Representation) 기법을 활용하여 격자 내 장애물 표현.
격자 수렴 분석
다양한 해상도의 격자를 비교하여 최적의 계산 비용과 정확도를 확보.
주요 결과
수치 모델링 vs 실험 데이터 비교
방출 계수(Cd) 예측값과 기존 실험값 간의 오차 범위가 ±3% 이내로 매우 높은 정확도를 보임.
Cd는 Ht/tw(총 수두 대비 위어 높이)와 강한 상관관계를 가짐.
유동 특성 분석
유량 변화에 따른 방출 계수:
유량이 증가할수록 방출 계수가 점진적으로 감소하는 경향 확인.
위어 주변의 속도 및 압력 분포 분석:
위어 크레스트에서 유동이 가속되면서 속도 증가 및 압력 감소 현상 관찰.
위어 하류에서 수압이 낮아지며 유동 패턴이 변화.
FLOW-3D의 유용성
FLOW-3D는 실험 대비 비용이 낮고 신속한 설계 검토 가능.
다양한 위어 형상 및 유량 조건에서 적용 가능성이 높음.
결론 및 향후 연구
FLOW-3D 기반 CFD 시뮬레이션이 샤프 크레스트 위어의 방출 계수 예측 및 유동 분석에 효과적임을 입증.
실험 결과와 비교했을 때 높은 정확도(오차 ±3%)를 나타내며, 초기 설계 검토에 유용함.
향후 연구에서는 다양한 위어 형상 및 추가적인 난류 모델 적용(k-ω, LES 등)을 통해 더욱 정밀한 해석이 필요.
연구의 의의
이 연구는 샤프 크레스트 위어의 유동 특성을 CFD 기반으로 해석하여 설계 최적화 및 방출 계수 예측의 신뢰성을 향상시켰다는 점에서 의미가 크다.
Reference
Bhallamudi, S.M. and M.H. Chaudhry, 1994. Computation of Flows in Open Channel Transitions. Journal of Hydraulic. Research, 30(1): 77-93.
Fritz, H.M. and H.W. Hager, 1998. Hydraulics of Embankment Weirs. Journal of Hydraulic Engineering,
ASCE., 124(9): 963-971.
Hargreaves, D.M., H.P. Morvan, N.G. Wright, 2007. Validation of the Volume of Fluid Method for Free
Surface Calculation. Engineering Applications of Computational Fluid mechanics, 1(2): 136-147.
Kindsvater, C.E., R.W. Carter, 1957. Discharge Characteristics of Rectangular Thin-Plate Weirs. Journal of Hydraulic Engineering, ASCE., 14: 1-36.
King, H.W. and E.F. Brater, 1963. Handbook of Hydraulics, 5th Edition, McGraw-Hill Book Company, New York.
Patankar, S.V., 1980. Numerical Heat Transfer and Fluid Flow. McGraw-Hill Book Company, New York.
Raju, K.G.R., G.L. Asawa, 1977. Viscosity and Surface Tension Effects on Weir Flow. Journal of Hydraulic Engineering, ASCE., 103: 1227-1231.
Rouse, H., 1950. Engineering Hydraulics. Proceedings of the Fourth Hydraulics Conference, Iowa Institute of Hydraulic Research, John Wiley and Sons, Inc., New York.
Sarginson, E.J., 1972. The Iinfluence of Surface Tension on Weir Flow. Journal of Hydraulic Research, 10:431-446.
FLOW-3D 소프트웨어를 이용한 직사각형 침전지(Rectangular Sedimentation Tank) 치수가 수리 효율(Hydraulic Efficiency)에 미치는 영향에 대한 수치적 연구
연구 배경 및 목적
문제 정의: 침전지(Settling Basin)는 수처리 및 폐수 처리 공정에서 입자 침전(Sediment Separation)을 위해 중요한 역할을 한다.
침전지의 효율을 높이기 위해서는 원활하고 균일한 흐름을 유지하고, 순환 영역(Circulation Zone)을 최소화해야 한다.
기존 설계 방법은 경험적 공식에 의존하여 유체의 역학적 세부 사항을 충분히 고려하지 못하는 한계가 있다.
연구 목적:
FLOW-3D 소프트웨어를 사용하여 직사각형 침전지의 치수(Length/Width 및 Length/Depth 비율)가 흐름 패턴과 수리 효율에 미치는 영향을 분석.
침전지의 순환 영역 감소 및 침전 효율 최적화를 목표로 함.
L/W(길이/너비) 및 L/d(길이/깊이) 비율 변화를 통한 최적의 침전지 설계 조건 도출.
연구 방법
수치 모델링 및 시뮬레이션 설정
FLOW-3D 소프트웨어의 VOF(Volume of Fluid) 기법 및 FAVOR(Fractional Area/Volume Obstacle Representation) 기법을 사용하여 유동 및 지형 모델링.
k-ε 난류 모델을 사용하여 유동 패턴을 시뮬레이션.
침전지 설계:
입구(Inlet) 및 출구(Outlet) 위치와 부피는 모든 시나리오에서 동일하게 유지.
직사각형 침전지의 L/W 비율: 1, 2, 4, 8 (Case 1~4)
L/d 비율: 5, 7, 10 (Case 5, 3, 6)
모델 검증:
Shahrokhi et al. 실험 데이터와 비교하여 수치 모델의 신뢰성 평가.
침전지 치수 시나리오
L/W 비율 시나리오:
길이 증가와 너비 감소를 동시에 적용하여 순환 영역의 부피 변화 분석.
Case 1(정사각형, L/W = 1)부터 Case 4(L/W = 8)까지 비교.
L/d 비율 시나리오:
깊이 감소와 함께 길이 고정(2 m) 조건에서 순환 영역 및 에너지 분포 분석.
Case 5(L/d = 5), Case 3(L/d = 7), Case 6(L/d = 10) 비교.
주요 결과
L/W 비율 변화에 따른 영향
순환 영역 부피 감소 효과:
L/W 비율 증가 시, 순환 영역 부피가 53% → 22%로 감소.
정사각형 탱크(L/W = 1)에서 순환 영역 부피는 53%, L/W = 8에서는 22%로 감소.
유속 및 에너지 분포 변화:
최대 운동 에너지(red zone)가 80% → 30%로 감소.
이는 입자 침전 효율을 크게 개선함을 의미.
L/d 비율 변화에 따른 영향
순환 영역 감소 효과:
L/d 비율 증가(5 → 10) 시, 순환 영역 부피 54% → 16%로 감소.
깊이 감소(0.4m → 0.2m) 시, 순환 영역 감소 및 유속 균일화 효과 발생.
운동 에너지 분포 개선:
최대 운동 에너지 영역 길이가 1.5m → 0.9m로 감소.
이는 침전지 바닥에 부드럽고 균일한 흐름을 형성하여 침전 효율을 향상시킴.
모델 검증 결과
FLOW-3D 시뮬레이션 결과와 실험 데이터 간 높은 일치도 확인.
속도 프로파일의 평균 제곱근 오차(RMSE)가 x 방향 0.11, 0.07, 0.08, z 방향 0.13, 0.10, 0.19로 분석됨.
이는 유동 패턴 예측 정확도가 높음을 의미.
결론 및 향후 연구
결론:
FLOW-3D를 활용한 침전지 설계 최적화 가능성 입증.
L/W 비율이 4 이상, L/d 비율이 7 이상일 때 최적의 침전 효율을 제공.
순환 영역 부피를 감소시켜 입자 침전 성능을 개선할 수 있음.
최적화된 설계는 건설 및 유지보수 비용 절감에도 기여할 수 있음.
향후 연구 방향:
다양한 형태의 침전지(L자형 등)를 대상으로 L/W 및 L/d 비율에 따른 추가 연구 필요.
다양한 유동 조건 및 입자 특성을 고려한 수치 모델 고도화.
AI 및 머신러닝을 활용한 실시간 침전지 성능 예측 모델 개발.
연구의 의의
이 연구는 FLOW-3D 소프트웨어를 통해 직사각형 침전지의 치수 최적화를 위한 설계 가이드라인을 제공하며, 수처리 및 폐수 처리 공정의 효율을 극대화할 수 있는 실질적인 데이터와 설계 기준을 제시한다.
Reference
H. Asgharzadeh, B. Firoozabadi, H. Afshin,Experimental investigation of effects of baffleconfigurations on the performance of asecondary sedimentation tank, SharifUniversity of Technology (2011) pp. 938-949.
Metcalf & Eddy 2003. Wastewater engineeringtreatment and reuse, New York, McGraw-Hill.
S. Kawamura, Integrated design and operationof water treatment facilities, 2nd ed.; JohnWiley and Sons Inc.: New York, NY, USA,(2000) pp. 159–160.
A. Razmi1, B. Firoozabadi1, G. Ahmadi,Experimental and numerical approach toenlargement of performance of primary settlingtanks, Journal of Applied Fluid Mechanics 2 (1)(2009) pp. 1-12.https://doi.org/10.36884/JAFM.2.01.11850
F. Rostami, M. Shahrokhi, Md Azlin Md Said,A. Rozi, Syafalni, Numerical modeling on inletaperture effects on flow pattern in primarysettling tanks, Applied MathematicalModelling 35 (6) (2011) pp. 3012-3020.https://doi.org/10.1016/j.apm.2010.12.007
M. Shahrokhi, Influence of Baffle structure onthe improvment efficiency of primaryrectangular sedimentation tank, UniversitiSains Malaysia (2012) pp. 42-99.
M. Patziger, Computational fluid dynamicsinvestigation of shallow circular secondarysettling tanks: inlet geometry and performanceindicators, Chemical engineering research anddesign 112 (2016) pp. 122–131.https://doi.org/10.1016/j.cherd.2016.06.018
B. Lee, Evaluation of double perforated bafflesinstalled in rectangular secondary clarifiers,(2017).
Y. Liu, P. Zhang, W. Wei, Simulation of theeffect of a baffle on the flow patterns andhydraulic efficiency in a sedimentation tank.Desalination and Water Treatment, 57 (54)(2016) pp.1-10.https://doi.org/10.1080/19443994.2016.1157521
H. Zanganeh, S. Narakorn, Three-dimensionalVIV prediction model for a long flexiblecylinder with axial dynamics and mean dragmagnifications. Journal of Fluids andStructures (2016) pp. 127–146.https://doi.org/10.1016/j.jfluidstructs.2016.07.004
M. Javadi Rad, M. Shahrokhi, T. Rajaee,Numerical investigation of the number ofbaffles effect on the efficiency of primarysedimentation tank in true dimensions,Modares Civil Engineering Journal (M.C.E.J)17 (5) (2017) pp. 49-59.
S. Zhou, C. Vitasovic, J.A. McCorquodale, S.Lipke, M. DeNicola, P. Saurer, Improvingperformance of large rectangular secondaryclarifier. Available online: (28 April 2017).https://hydrosims.com/files/Optimization_Rectangular_Clarifiers.pdf
B. Amin nezhad, A. Lajvardi, The effect ofbasin shape on the amount of sediment,Bibliography number: 4535528, (2017).
A. Alighardashi, D. Goodarzi, Simulation ofdepth and wind effects on the hydraulicefficiency of sedimentation tanks, Water andEnvironment Journal, 34 (4) (2019) pp. 432-440.https://doi.org/10.1111/wej.12478
F. Bouisfi, A. Bouisfi, H. Ouarriche, M. E.Bouhali, M. Chaoui, Improving RemovalEfficiency of Sedimentation Tanks UsingDifferent Inlet and Outlet Position, FMETransactions, 47 (4) (2019) pp. 894-900.https://doi.org/10.5937/fmet1904894B
N. Patel, J. Ruparelia, J. Barve, Experimentaland simulation study of rectangular andcircular primary clarifier for wastewatertreatment, Environmental Technology &Innovation, 23 (2021) pp.1-12.https://doi.org/10.1016/j.eti.2021.101610
R. Monk , J.F. Willis, Designing watertreatment facilities. JounalAWWA, 79 (2)(1987) pp. 45-57 .https://doi.org/10.1002/j.1551-8833.1987.tb02798.x
A. L. Stamou, E. W. Adams, W. Rodi,Numerical modeling of flow and settling inprimary rectangular clarifiers, Journal ofHydraulic Research. 27 (1989) pp. 665-682.https://doi.org/10.1080/00221688909499117
C. W. Hirt, B. D. Nichols, Volume of Fluid(VOF) Method for the Dynamics of FreeBoundaries. Journal of Computational Physics39 (1) (1981) pp. 201-225.https://doi.org/10.1016/0021-9991(81)90145-5
Flow-3D Users Manuals, v 11.1. (2016).M. Javadi Rad et al. – Acta Technica Jaurinensis, Vol. 15, No. 4, pp. 207-220, 2022220
A. Ghaderi, M. Dasineh, F. Aristodemo, A.Ghahramanzadeh, Characteristics of free andsubmerged hydraulic jumps over differentmacroroughnesses, Journal of Hydroinformatics, 22 (6) (2020) pp. 1554-1572.https://doi.org/10.2166/hydro.2020.298
M. Ahmadi, A. Ghaderi, H. MohammadNezhad, A. Kuriqi, S. D. Francesco, NumericalInvestigation of Hydraulics in a Vertical SlotFishway with Upgraded Configurations,Water, 13 (19) (2021) pp. 1-23.https://doi.org/10.3390/w13192711
S. Abbasi, S. Fatemi, A. Ghaderi, S. D. Francesco, The Effect of Geometric Parameters of the Antivortex on a Triangular Labyrinth SideWeir, Water, 13 (1) (2020) pp. 2-25. https://doi.org/10.3390/w13010014
이 소개자료는 “Numerical Model for a Nineteenth-Century Hydrometric Module”논문의 소개자료임.
연구 목적
본 연구는 19세기에 건설된 수량 측정 모듈의 작동을 연구하고, 수치 모델을 통해 원래의 유량 조절 목표를 충족했는지 여부를 확인하는 것을 목적으로 함.
연구 방법:
모델링 설정
FLOW-3D 전산 유체 역학(CFD) 소프트웨어를 사용하여 수량 측정 모듈의 수치 모델을 생성하였음.
19세기 수량 측정 모듈의 기하학적 형상 및 관련 유압 시스템을 모델에 반영하였음.
모듈의 동적 거동(과도 상태)을 재현하기 위한 시뮬레이션을 수행하였음.
모델 검증
실제 실험 측정값이 부족하기 때문에 문헌의 해석적 모델과 비교하여 수치 모델을 검증하였음.
모델이 수량 측정 모듈의 유량 조절 기능을 정확하게 예측하는지 평가하였음.
모델의 정확성을 확인하고 신뢰성을 확보하였음.
주요 결과:
흐름 특성 분석
수량 측정 모듈 내부의 흐름 속도, 수위 변화 등 흐름 특성을 FLOW-3D 모델을 통해 분석하였음.
모듈의 자동화 시스템 작동 시 유량 조절 과정을 시각적으로 제시하였을 것으로 예상됨.
설계 유량 조건에서 모듈의 유압적 성능을 평가하였을 것으로 예상됨.
구조물 영향 평가
수량 측정 모듈의 구조가 흐름 특성 및 유량 조절에 미치는 영향을 평가하였음.
19세기 자동화 시스템이 설정된 유량을 유지하는 능력을 분석하였음.
수치 모의실험 결과를 통해 역사적인 수량 측정 구조물의 작동 원리를 규명하였음.
결론 및 시사점:
FLOW-3D를 이용한 수치 모델은 역사적인 수량 측정 모듈의 동적 거동을 성공적으로 재현하였음.
19세기 자동화 시스템이 요구되는 유량 제한 값을 정확하게 유지하며 작동했음을 확인하였음.
수치 모델은 수리 공학 분야의 역사적 연구를 위한 유용한 도구로 활용될 수 있을 것으로 기대됨.
Fig. 2. Plan view of the project of the hydrometric module. (Adapted with permission from J. de Castro, unpublished data, 1863, CDAHCF Archives, Parc de la Sèquia, Manresa, Spain.)Fig. 7. Right-side view of model geometry.Fig. 9. Rear view at t ¼ 240 s and Q ¼ 1,300 L=s.
레퍼런스:
Ali, Z., P. G. Tucker, and S. Shahpar. 2017. “Optimal mesh topologygeneration for CFD.” Comput. Methods Appl. Mech. Eng. 317 (Apr):431–457. https://doi.org/10.1016/j.cma.2016.12.001.
Andersson, A. G., P. Andreasson, and T. Staffan Lundström. 2013. “CFDmodelling and validation of free surface flow during spilling of reservoirin down-scale model.” Eng. Appl. Comput. Fluid Mech. 7 (1): 159–167.https://doi.org/10.1080/19942060.2013.11015461.
Arvanaghi, H., and N. N. Oskuei. 2013. “Sharp-crested weir dischargecoefficient.” J. Civ. Eng. Urbanism 3 (3): 87–91.
Aydin, I., A. B. Altan-Sakarya, and C. Sisman. 2011. “Discharge formulafor rectangular sharp-crested weirs.” Flow Meas. Instrum. 22 (2):144–151. https://doi.org/10.1016/j.flowmeasinst.2011.01.003.
Aydin, M. C. 2016. “Investigation of a sill effect on rectangular side-weirflow by using CFD.” J. Irrig. Drain. Eng. 142 (2): 04015043. https://doi.org/10.1061/(ASCE)IR.1943-4774.0000957.
Babaali, H., A. Shamsai, and H. Vosoughifar. 2015. “Computational modeling of the hydraulic jump in the stilling basin with convergence wallsusing CFD codes.” Arabian J. Sci. Eng. 40 (2): 381–395. https://doi.org/10.1007/s13369-014-1466-z.
Bhajantri, M. R., T. I. Eldho, and P. B. Deolalikar. 2006. “Hydrodynamicmodelling of flow over a spillway using a two-dimensional finitevolume-based numerical model.” Sadhana 31 (6): 743–754. https://doi.org/10.1007/BF02716893.
Blasone, M., F. Dell’Anno, R. De Luca, O. Faella, O. Fiore, andA. Saggese. 2015. “Discharge time of a cylindrical leaking bucket.”Eur. J. Phys. 36 (3): 035017. https://doi.org/10.1088/0143-0807/36/3/035017.
Franchini, M., and L. Lanza. 2013. “Leakages in pipes: GeneralizingTorricelli’s equation to deal with different elastic materials, diametersand orifice shape and dimensions.” Urban Water J. 11 (8): 678–695.https://doi.org/10.1080/1573062X.2013.868496.
Hargreaves, D. M., H. P. Morvan, and N. G. Wright. 2007. “Validation ofthe volume of fluid method for free surface calculation: The broadcrested weir.” Eng. Appl. Comput. Fluid Mech. 1 (2): 136–146. https://doi.org/10.1080/19942060.2007.11015188.
Kirchner, H., J. Oliver, and S. Vela. 2002. Aigua prohibida:Arqueologia hidràulica del feudalisme a la Cerdanya: El CanalReial de Puigcerdà. Bellaterra, Spain: Universitat Autònoma deBarcelona.
Latorre, X. 1995. Història de l’aigua a Catalunya. L’abecedari S.L.Barcelona: Barcelona, Spain.
Latorre, X. 2002. La Sèquia de Manresa. Girona, Spain: Fundaci ́o PereGarcía Fària.
Lin, C. H., J. F. Yen, and C. T. Tsai. 2002. “Influence of sluice gate contraction coefficient on distinguishing condition.” J. Irrig. Drain. Eng.128 (4): 249–252. https://doi.org/10.1061/(ASCE)0733-9437(2002)128:4(249).
Namaee, M. R., M. Rostami, S. Jalaledini, and M. Habibi. 2014.“A 3D numerical simulation of flow over a broad-crested side weir.”In Advances in hydroinformatics, 511–523. Dordrecht, Netherlands:Springer.
Namaee, M. R., and R. Shadpoorian. 2016. “Numerical modeling of flowover two side weirs.” Arabian J. Sci. Eng. 41 (4): 1495–1510. https://doi.org/10.1007/s13369-015-1961-x.
Oliveras, J. 1986. La consolidaci ́o de la ciutat industrial: Manresa(1871-1900). Manresa, Spain: Caixa d’Estalvis de Manresa.
Pandeyp, R., P. K. Mittalp, and P. M. K. Choudharyp. 2016. “Flow characteristics of sharp crested rectangular weir: A review.” Int. J. InnovateSci. Eng. Technol. 3 (3): 171–178.
Sarkardeh, H., A. Reza Zarrati, E. Jabbari, and M. Marosi. 2014. “Numerical simulation and analysis of flow in a reservoir in presence of vortex.”Eng. Appl. Comput. Fluid Mech. 8 (4): 598–608. https://doi.org/10.1080/19942060.2014.11083310.
Sarret, J. 1906. La Cequia de Manresa. Manresa, Spain: Caixa d’Estalvisde Manresa.
Taghavi, M., and H. Ghodousi. 2015. “Simulation of flow suspended loadin weirs by using FLOW-3D model.” Civ. Eng. J. 1 (1): 37–49.
Turalina, D., D. Yembergenova, and K. Alibayeva. 2015. “The experimental study of the features of water flowing through a sharp-crested weir inchannel.” In Vol. 92 of Proc., EPJ Web of Conf., 1–5. Les Ulis, France:EDP Sciences.
Verstappen, R., and A. Veldman. 2003. “Symmetry-preserving discretization of turbulent flow.” J. Comput. Phys. 187 (1): 343–368. https://doi.org/10.1016/S0021-9991(03)00126-8.
Versteeg, H. K. H. K., and W. W. Malalasekera. 2007. An introduction tocomputational fluid dynamics: The finite volume method. Harlow, UK:Pearson.
White, F. M. 1999. Fluid mechanics. Boston: McGraw-Hill.
Wu, S., and N. Rajaratnam. 2015. “Solutions to rectangular sluice gate flowproblems.” J. Irrig. Drain. Eng. 141 (12): 06015003. https://doi.org/10.1061/(ASCE)IR.1943-4774.0000922.
Zeng, J., L. Zhang, M. Ansar, E. Damisse, and J. A. González-Castro. 2017.“Applications of computational fluid dynamics to flow ratings at prototype spillways and weirs. I: Data generation and validation.” J. Irrig.Drain. Eng. 143 (1): 04016072. https://doi.org/10.1061/(ASCE)IR.1943-4774.0001112.
Figure 13 | 3D illustration of Fr variation in the old stilling basin at (a) 129.10 m tailwater, (b) 129.70 m tailwater, and (c) 130.30 m tailwater.
In the new stilling basin at (d) 129.10 m tailwater, (e) 129.70 m tailwater, and (f) 130.30 m tailwater
이 소개자료는 “2023, Water Supply”에서 발표된 “Hydraulic investigation of stilling basins of the barrage before and after remodelling using FLOW-3D” 논문에 대한 소개자료입니다.
연구 목적
본 연구는 FLOW-3D를 사용하여 보의 감세지의 개조 전후 수리학적 성능을 조사하는 것을 목적으로 함.
연구 방법:
모델링 설정
FLOW-3D 소프트웨어를 사용하여 개조 전후의 감세지에서 자유 표면, 수심, 프루드 수, 롤러 길이, 유속, 도수 효율, 난류 운동 에너지와 같은 수리학적 매개변수를 시뮬레이션하고 비교 분석하였음.
개조 전 감세지에는 방해벽과 마찰 블록이 있었고, 개조 후에는 슈트 블록과 톱니 모양의 여울로 대체되었음.
문헌 결과와의 비교를 통해 모델의 정확성을 검증하였음.
모델 검증
FLOW-3D 모델을 사용하여 개조 전후 감세지의 수리학적 특성을 분석하고, 문헌 결과와 비교하였음.
감세지에서 발생하는 도수 현상의 특성을 파악하고, 개조가 도수에 미치는 영향을 평가하였음.
다양한 수리학적 매개변수를 비교 분석하여 모델의 신뢰성을 검증하였음.
주요 결과:
흐름 특성 분석
개조 전후 감세지에서의 자유 표면, 수심, 유속 분포 등을 FLOW-3D 모델을 통해 분석하였음.
도수 현상의 길이, 높이, 에너지 손실 등을 비교 분석하여 개조의 영향을 평가하였음.
난류 강도 및 롤러 특성을 분석하여 감세지 성능 변화를 파악하였음.
구조물 영향 평가
감세지의 크기 및 기하학적 형상이 수리학적 성능에 미치는 영향을 평가하였음.
개조 전후 감세지의 수리학적 매개변수를 비교하여 개조가 성능에 미치는 영향을 분석하였음.
수치 모의실험 결과를 바탕으로 감세지의 설계 및 운영 최적화 방안을 제시하였을 것으로 예상됨.
결론 및 시사점:
FLOW-3D를 이용한 수치 모델링은 보 감세지의 수리학적 성능을 분석하고 개조 효과를 평가하는 데 유용한 도구임이 확인되었음.
개조 전 감세지의 결과가 문헌 결과에 더 가까웠으며, 개조 후 감세지의 결과는 문헌 결과에서 벗어나는 경향을 보였음.
본 연구 결과는 감세지 설계 및 개조 시 수리학적 성능 변화를 예측하고 최적의 설계 방안을 도출하는 데 기여할 수 있을 것으로 기대됨.
Figure 2 | 3D representation of stilling basins: (a) modified USBR-III (1958–2004) and (b) USBR-II with dentated sill (2008–2022).
Figure 4 | Geometries resolution by the FAVOR method: (a) old stilling basin (1958–2004) and (b) new stilling basin (2008–2022).
Figure 13 | 3D illustration of Fr variation in the old stilling basin at (a) 129.10 m tailwater, (b) 129.70 m tailwater, and (c) 130.30 m tailwater.
In the new stilling basin at (d) 129.10 m tailwater, (e) 129.70 m tailwater, and (f) 130.30 m tailwater
레퍼런스:
Abid, K. M., Hussain, S. S., & Ahmad, S. 2017 Numerical investigation of hydraulic jump characteristics in a channel with baffle blocks.
Alhamid, A. A., & Negm, A. M. 2015 Numerical simulation of hydraulic jump in a channel with positive step. Ain Shams Engineering Journal 6, 1177–1187.
Chanson, H. 2009 Applied hydrodynamics: an introduction to idealized flow models. CRC press.
Chanson, H. 2011 Free-surface flows: An introduction for engineers. CRC press.
Chanson, H. 2013 Open channel hydraulics: An introduction. CRC press.
Chanson, H., & Brattberg, T. 1998 Experimental study of air entrainment in hydraulic jumps. International Journal of Multiphase Flow 24, 703–716.
Chanson, H., & Gualtieri, C. 2008 Discussion of “Hydraulic jump in trapezoidal channel” by M. G. Brown. J. Hydraul. Eng. 134, 1572–1574.
Chanson, H., & Qiao, G. 2010 Hydraulic jumps in stepped channels: mean flow properties. J. Hydraul. Res. 48, 166–174.
Hager, W. H. 1992 Energy dissipators and hydraulic jump. Water resources publications, Littleton, Colorado, USA.
Hager, W. H. 2009 Hydraulic structures. Imperial college press.
Hager, W. H. 2010 Momentum transfer in hydraulic jumps. J. Hydraul. Res. 48, 145–151.
Henderson, F. M. 1966 Open channel flow. Macmillan.
Hughes, D. G., & Flay, R. G. J. 2011 The effect of inflow conditions on hydraulic jump characteristics. J. Hydraul. Res. 49, 44–54.
Kadavy, K. C., & Hager, W. H. 2008 Hydraulic jump as a wall jet. J. Hydraul. Res. 46, 579–587.
Kadavy, K. C., & Knight, D. W. 2011 Mean flow measurements within hydraulic jumps. J. Hydraul. Res. 49, 725–736.
Keulegan, G. H. 1950 Characteristics of roll waves. US National Bureau of Standards.
Kim, Y. M., & Park, J. H. 2005 Numerical analysis of hydraulic jump in stilling basin. KSCE Journal of Civil Engineering 9, 381–388.
Koroušić, A., & Matović, G. 2017 Numerical simulation of hydraulic jump on rough bed. Journal of the Serbian Society for Computational Mechanics 11, 44–58.
Lagerstrom, P. A., Cole, J. D., & Trilling, L. 1949 Energy dissipation at a hydraulic jump. Quarterly of Applied Mathematics 7, 59–77.
Lin, P., & Falconer, R. A. 2002 Three-dimensional modeling of hydraulic jumps. International journal for numerical methods in fluids 40, 147–164.
Long, D., & Sharma, H. R. 2014 Design of hydraulic structures. CRC press.
Pagliara, S., & Carnacina, G. 2011 Hydraulic jump in channels with macro-roughness. Journal of Hydraulic Research 49, 319–327.
Rajaratnam, N. 1965 Discussion of “The hydraulic jump in a rectangular channel” by H. Rouse, T. Siao, and S. C. Hsu. Transactions of the American Society of Civil Engineers 130, 273–277.
Rajaratnam, N. 1967 Hydraulic jumps. Advances in hydroscience 4, 197–280.
Rajaratnam, N., & Subramanian, N. 1968 Flow downstream of a vertical sluice. Journal of the Hydraulics Division 94, 601–615.
Rouse, H., Siao, T. T., & Hsu, S. C. 1959 The hydraulic jump in a rectangular channel. Transactions of the American Society of Civil Engineers 124, 561–585.
Saemi, N., & Yeganeh-Bakhtiary, A. 2014 Numerical simulation of flow over stepped spillways using FLOW-3D. KSCE Journal of Civil Engineering 18, 1373–1382.
Wang, Y., Wang, B., Zhang, H., Wang, Z., Zhou, S. & Ye, L. 2016 Three-dimensional Numerical Simulation on Stilling Basin of Sluice in Low Head Proceedings of the 2016 5th International Conference on Civil, Architectural and Hydraulic Engineering (ICCAHE 2016). pp. 503–509. https://doi.org/10.2991/iccahe-16.2016.84.
Wu, S. & Rajaratnam, N. 1996 Transition from hydraulic jump to open channel flow. J. Hydraul. Eng 122, 526–528.
Yakhot, V., Thangam, S., Gatski, T. B., Orszag, S. A. & Speziale, C. G. 1991 Development of turbulence models for shear flows by a double expansion technique. Phys. Fluids A 4, 1510–1520.
Zulfiqar, C. & Kaleem, S. M. 2015 Launching/Disappearance of stone apron, block floor downstream of the Taunsa barrage and unprecedent drift of the river towards kot addu town. Sci. Technol. Dev. 34, 60–65. https://doi.org/10.3923/std.2015.60.65.
본 소개자료는 2021, IOP Conf. Ser.: Earth Environ. Sci. 920 012036에 발표된 A hydrodynamic model of an embankment breaching due to overtopping flow using FLOW-3D 논문에 대한 소개자료입니다.
Figure 7. Modelling results of velocity magnitude of the embankment at time interval (a) 60 s, (b) 100 s, and (c) 140 s.
연구 목적
본 연구는 FLOW-3D를 사용하여 제방 월류로 인한 제방 파괴의 수력학적 모델을 개발하는 것을 목적으로 함.
연구 방법:
모델링 설정
FLOW-3D 소프트웨어를 사용하여 제방 월류로 인한 파괴 현상을 수치적으로 모의실험하였음.
제방의 기하학적 형상 및 재료 특성을 모델에 반영하였음.
월류 흐름 조건 및 하류 수위를 설정하여 모의실험을 수행하였음.
모델 검증
개발된 수력학적 모델의 결과를 기존의 실험 연구 또는 실제 제방 파괴 사례와 비교하여 검증하였을 것으로 예상됨.
파괴 시간, 파괴 형상, 유출 수문곡선 등 주요 변수에 대한 모델의 예측 성능을 평가하였을 것으로 예상됨.
다양한 시나리오에 대한 민감도 분석을 통해 모델의 신뢰성을 확인하였을 것으로 예상됨.
주요 결과:
흐름 특성 분석
제방 월류 시 발생하는 흐름의 속도, 수심, 압력 분포 등을 FLOW-3D 모델을 통해 분석하였을 것으로 예상됨.
제방 표면에서의 전단 응력 분포를 파악하여 침식 가능성이 높은 영역을 확인하였을 것으로 예상됨.
파괴 진행 과정에 따른 흐름 특성의 변화를 시뮬레이션을 통해 시각적으로 제시하였을 것으로 예상됨.
구조물 영향 평가
제방의 재료적 특성 및 기하학적 형상이 파괴 과정에 미치는 영향을 평가하였을 것으로 예상됨.
월류 수위 및 지속 시간이 파괴 규모 및 시간에 미치는 영향을 분석하였을 것으로 예상됨.
수치 모의실험 결과를 바탕으로 제방의 안정성 평가 및 보강 대책 마련에 필요한 정보를 제공하였을 것으로 예상됨.
결론 및 시사점:
FLOW-3D를 이용한 수력학적 모델은 제방 월류로 인한 파괴 현상을 이해하고 예측하는 데 유용한 도구임이 확인되었을 것으로 예상됨.
모델링 결과는 제방 설계, 운영 및 비상 대응 계획 수립에 활용될 수 있을 것으로 기대됨.
향후 다양한 제방 조건 및 파괴 시나리오에 대한 추가적인 연구를 통해 모델의 적용성을 확대할 필요가 있음.
Figure 2. Modelling setup; (a) Meshing size, (b) Boundary conditions, (c) Initial conditions, and (d) Flux setupFigure 7. Modelling results of velocity magnitude of the embankment at time interval (a) 60 s, (b) 100 s, and (c) 140 s.
레퍼런스:
Foster M, Fell R and Spannagle, M (2000) The statistics of embankment dam failures and accidents Can. Geotech. J 37(5) 1000–1024.
Allsop N W H A, Kortenhaus A and Morris M W (2007) Failure mechanisms for flood defensestructures FLOODsite Rep. T04-06-01 FLOODsite Consortium 〈www.floodsite.net〉.
Costa J E (1985) Floods from dam failures Open-File Rep. No. 85-560, USGS, Denver, 54.
Ralston D C (1987) Mechanics of embankment erosion during overflow Hydraulic Engineering, Proc 1987 National Conf. on Hydraulic Eng. ASCE Reston VA 733–738.
Xu Y and Zhang L M (2009) Breaching parameters of earth and rockfill dams Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering 135(12) 1957–1970.
Mat Lazin N A (2013) Erodible Dam Breaching Patterns Due to Overtopping. Johor Bahru: Universiti Teknologi Malaysia.
Zhao G. et al. (2015) Flow hydrodynamics in embankment breach Journal of Hydrodynamics27(6) 835-844.
Powledge G R, Ralston D C, Miller P, Chen Y H, Clopper P E and Temple D M (1989) Mechanics of overflow erosion on embankments II: Hydraulics and design considerations Journal of Hydraulic Research 115(8) 1056–1075.
ASDSO (Association of State Dam Safety Officials) (2020) Lessons learned: From Dam Incidents and Failure. https://damfailures.org/lessons-learned/high-and- significant-hazard-dams- should-be-design-to-pass-an-appropriate-design-flood-dams-constructed-prior-to-the-availability-of-extreme-rainfall-data-should-be-assessed-to-make-sure-they-have-ad/, retrieved date 15th July 2020.
이 소개 자료는 “Water Supply Vol 22 No 10″에 게재된 “Numerical simulation of pollution transport and hydrodynamic characteristics throughthe river confluence using FLOW 3D” 논문을 기반으로 작성되었습니다.
Figure 6 | (a) Contaminant concentration distribution (gr/L) at 13 cm distance from channel bed; (b) contaminant concentration distribution
(gr/L) at 17 cm distance from the channel bed.
1. 연구 목적
주요 연구 질문:
본 연구는 하천망의 지류를 통해 유입되는 오염 물질의 농도와 본류와 지류 간의 수위 차이가 오염 물질 혼합에 미치는 영향을 조사하는 것을 목표로 한다.
특히, 90도 각도로 합류하는 지류와 본류를 대상으로 오염 물질의 혼합과 확산, 그리고 그에 따른 수리학적 현상을 분석하고자 한다.
기존 연구의 한계:
기존의 합류점에서의 침식 및 퇴적 과정에 대한 연구는 많았으나, 오염 물질의 혼합 및 분포와 관련된 효과적인 매개 변수에 대한 정보는 여전히 부족하다.
따라서 본 연구는 오염 물질 혼합 및 분포에 대한 이해를 높이고, 오염 영향을 줄이기 위한 수위 조절 구조의 필요성을 강조하고자 한다.
2. 연구 방법
수치 모델링:
본 연구에서는 FLOW 3D 수치 모델을 사용하여 하천 합류점에서의 오염 물질 수송 및 수리학적 특성을 시뮬레이션하였다.
모델은 주류 7m, 폭 1m, 지류 길이 1.8m, 폭 1m, 높이 1m의 3차원 형상으로 설계되었으며, 합류점 부근에는 정확도를 높이기 위해 중첩 격자(nested mesh)를 사용하였다.
경계 조건:
주류와 지류의 상류에는 일정한 수압 조건(constant pressure)을 적용하였고, 주류 하류에는 자유 유출 조건(free outlet)을 설정하였다.
중첩 격자에는 다양한 방향으로부터의 경계 조건 유입을 고려하여 대칭 조건(symmetry boundary condition)을 적용하였다.
3. 주요 결과
수위 차이와 혼합:
지류와 본류 간의 수위 차이가 증가할수록 횡방향 혼합이 더 빠르게 일어나는 것을 확인하였다.
수위 차이가 없는 경우에는 혼합 곡선 추출 방법을 통해 횡방향 혼합이 완료되는 하천 길이를 파악하였다.
재순환 영역의 특징:
합류점의 재순환 영역에서 가장 높은 오염 물질 농도와 유속 벡터가 관찰되었으며, 2차 흐름이 발생하여 오염 물질을 일시적으로 가두는 현상을 확인하였다.
이 영역은 높은 전단 속도, 난류 에너지, 난류 강도를 가지며, 때로는 음의 회전 흐름으로 인해 낮은 종방향 유속을 나타냈다.
4. 결론
수위 조절의 중요성:
수위 차이는 지류에서 본류로 오염 물질이 유입되는 데 가장 중요한 요인이며, 본류의 오염 영향을 줄이기 위해 합류점에 수위 조절 구조를 설치하는 것이 필요하다.
본 연구에서 관찰된 합류점에서의 흐름 패턴과 영역들은 기존 연구와 일치했으며, 각 영역이 오염 물질 확산에 미치는 영향을 논의하였다.
향후 연구 방향:
재순환 영역에서 생성되는 와류는 오염 물질을 일시적으로 포획하고 농도를 증가시키는 데 효과적인 매개 변수이다.
지류에서 홍수 흐름이 발생하여 지류의 수위가 본류보다 높아지는 경우에만 합류점 상류에서 오염 농도 증가가 관찰되었다.
Figure 1 | Conceptual model of different flow pattern zones through the river confluence.
Figure 6 | (a) Contaminant concentration distribution (gr/L) at 13 cm distance from channel bed; (b) contaminant concentration distribution
(gr/L) at 17 cm distance from the channel bed.
Reference
Alizadeh, L. & Fernandes, J. 2021 Turbulent flow structure in a confluence: influence of tributaries width and discharge ratios. Water 13 (4), 465.
Ashmore, P. E. 1991 How do gravel-bed rivers braid? Canadian Journal of Earth Sciences 28 (3), 326-341.
Ashmore, P. & Gardner, J. 2008 Unconfined confluences in braided rivers. In Rice, S. P., Roy, A. G. & Rhoads, B. L. (eds) River Confluences, Tributaries and the Fluvial network John Wiley & Sons, Chichester, UK, pp. 119–147.
Benda, L., Poff, N. L., Miller, D., Dunne, T., Reeves, G., Pess, G. & Pollock, M. 2004 The network dynamics hypothesis: how channel networks structure riverine habitats. BioScience 54 (5), 413–427.
Best, J. L. 1986 The morphology of river channel confluences. Progress in Physical Geography 10 (2), 157–174.
Best, J. L. 1987 Flow Dynamics at River Channel Confluences: Implications for Sediment Transport and Bed Morphology. SEPM Special Publication, Tulsa, OK, USA.
Best, J. L. 1988 Sediment transport and bed morphology at river channel confluences. Sedimentology 35 (3), 481–498.
Best, J. L. & Ashworth, P. J. 1997 Scour in large braided rivers and the recognition of sequence stratigraphic boundaries. Nature 387 (6630), 275–277.
Best, J. L. & Reid, I. 1984 Separation zone at open-channel junctions. Journal of Hydraulic Engineering 110 (11), 1588–1594.
Best, J. L. & Rhoads, B. L. 2008 Sediment transport, bed morphology and the sedimentology of river channel confluences. In Rice, S. P., Roy, A. G. & Rhoads, B. L. (eds) River Confluences, Tributaries and the Fluvial Network John Wiley & Son, Chichester, UK, pp. 45–72.
Best, J. L. & Roy, A. G. 1991 Mixing-layer distortion at the confluence of channels of different depth. Nature 350 (6317), 411–413.
Biron, P. M. & Lane, S. N. 2008 Modelling hydraulics and sediment transport at river confluences. In Rice, S. P., Roy, A. G. & Rhoads, B. L. (eds) River Confluences, Tributaries and the Fluvial Network John Wiley & Sons, Chichester, UK, pp. 17–43.
Biron, P., Best, J. L. & Roy, A. G. 1996a Effects of bed discordance on flow dynamics at open channel confluences. Journal of Hydraulic Engineering 122 (12), 676–682.
Biron, P., Roy, A. & Best, J. 1996b Turbulent flow structure at concordant and discordant open-channel confluences. Experiments in Fluids 21 (6), 437–446.
Biron, P. M., Ramamurthy, A. S. & Han, S. 2004 Three-dimensional numerical modeling of mixing at river confluences. Journal of Hydraulic Engineering 130 (3), 243–253.
Biron, P. M., Buffin-Bélanger, T. & Martel, N. 2018 Mixing processes at an ice-covered river confluence. In E3S Web of Conferences.
Boyer, C., Roy, A. G. & Best, J. L. 2006 Dynamics of a river channel confluence with discordant beds: flow turbulence, bed load sediment transport, and bed morphology. Journal of Geophysical Research: Earth Surface 111 (F4), 1–22.
Bridge, J. S. 1993 The interaction between channel geometry, water flow, sediment transport and deposition in braided rivers. Geological Society, London, Special Publications 75 (1), 13–71.
Chabokpour, J. & Samadi, A. 2020 Analytical solution of reactive hybrid cells in series (HCIS) model for pollution transport through the rivers. Hydrological Sciences Journal 65 (14), 2499–2507.
Chabokpour, J., Azamathulla, H. M., Azhdan, Y. & Ziaei, M. 2020a Study of pollution transport through the river confluences by derivation of an analytical model. Water Science and Technology 82 (10), 2062–2075.
Chabokpour, J., Chaplot, B., Dasineh, M., Ghaderi, A. & Azamathulla, H. M. 2020b Functioning of the multilinear lag-cascade flood routing model as a means of transporting pollutants in the river. Water Supply 20 (7), 2845–2857.
Ettema, R. 2008 Management of confluences. In Rice, S. P., Roy, A. G. & Rhoads, B. L. (eds) River Confluences, Tributaries and the Fluvial Network John Wiley & Sons, Chichester, UK, pp. 93–118.
Fielding, C. R. & Gupta, A. 2008 Sedimentology and stratigraphy of large river deposits: recognition in the ancient record, and distinction from ‘incised valley fills’. In Gupta, A. (ed.) Large Rivers: Geomorphology and Management John Wiley & Sons, Chichester, UK, pp. 97–113.
Gaudet, J. M. & Roy, A. G. 1995 Effect of bed morphology on flow mixing length at river confluences. Nature 373 (6510), 138–139.
Ghostine, R., Vazquez, J., Terfous, A., Rivière, N., Ghenaim, A. & Mosé, R. 2013 A comparative study of 1D and 2D approaches for simulating flows at right angled dividing junctions. Applied Mathematics and Computation 219 (10), 5070–5082.
Holbrook, J. M. & Bhattacharya, J. P. 2012 Reappraisal of the sequence boundary in time and space: case and considerations for an SU (subaerial unconformity) that is not a sediment bypass surface, a time barrier, or an unconformity. Earth-Science Reviews 113 (3–4), 271–302.
Ikinciogullari, E., Emiroglu, M. E. & Aydin, M. C. 2022 Comparison of scour properties of classical and Trapezoidal Labyrinth Weirs. Arabian Journal for Science and Engineering 47, 4023–4040.
Konsoer, K. M. & Rhoads, B. L. 2014 Spatial–temporal structure of mixing interface turbulence at two large river confluences. Environmental Fluid Mechanics 14 (5), 1043–1070.
Lane, S. N., Parsons, D. R., Best, J. L., Orfeo, O., Kostaschuk, R. & Hardy, R. J. 2008 Causes of rapid mixing at a junction of two large rivers: Río Paraná and Río Paraguay, Argentina. Journal of Geophysical Research: Earth Surface 113 (F2), 1–16.
Liu, X., Li, L., Hua, Z., Tu, Q., Yang, T. & Zhang, Y. 2019 Flow dynamics and contaminant transport in Y-shaped river channel confluences. International Journal of Environmental Research and Public Health 16 (4), 572.
Lyubimova, T. P., Lepikhin, A. P., Parshakova, Y. N., Kolchanov, V. Y., Gualtieri, C., Roux, B. & Lane, S. N. 2020 A numerical study of the influence of channel-scale secondary circulation on mixing processes downstream of river junctions. Water 12 (11), 2969.
Mackay, J. R. 1970 Lateral mixing of the Liard and Mackenzie rivers downstream from their confluence. Canadian Journal of Earth Sciences 7 (1), 111–124.
Mosley, M. P. 1976 An experimental study of channel confluences. The Journal of Geology 84 (5), 535–562.
Parsons, D. R., Best, J. L., Lane, S. N., Orfeo, O., Hardy, R. J. & Kostaschuk, R. 2007 Form roughness and the absence of secondary flow in a large confluence–diffluence, Rio Paraná, Argentina. Earth Surface Processes and Landforms: The Journal of the British Geomorphological Research Group 32 (1), 155–162.
Ramamurthy, A. S., Carballada, L. B. & Tran, D. M. 1988 Combining open channel flow at right angled junctions. Journal of Hydraulic Engineering 114 (12), 1449–1460.
Ramón, C. L., Hoyer, A. B., Armengol, J., Dolz, J. & Rueda, F. J. 2013 Mixing and circulation at the confluence of two rivers entering a meandering reservoir. Water Resources Research 49 (3), 1429–1445.
Rhoads, B. L. & Kenworthy, S. T. 1998 Time-averaged flow structure in the central region of a stream confluence. Earth Surface Processes and Landforms: The Journal of the British Geomorphological Group 23 (2), 171–191.
Rhoads, B. L. & Sukhodolov, A. N. 2001 Field investigation of three-dimensional flow structure at stream confluences: 1. Thermal mixing and time-averaged velocities. Water Resources Research 37 (9), 2393–2410.
Rhoads, B. L. & Sukhodolov, A. N. 2008 Lateral momentum flux and the spatial evolution of flow within a confluence mixing interface. Water Resources Research 44 (8), 1–17.
Richards, K. 1980 A note on changes in channel geometry at tributary junctions. Water Resources Research 16 (1), 241–244.
Riley, J. 2013 The Fluvial Dynamics of Confluent Meander Bends. University of Illinois at Urbana, Champaign, IL, USA.
Sambrook Smith, G. H., Ashworth, P. J., Best, J. L., Woodward, J. & Simpson, C. J. 2005 The morphology and facies of sandy braided rivers: some considerations of scale invariance. Fluvial Sedimentology VII, 145–158.
Schindfessel, L., Creëlle, S. & De Mulder, T. 2015 Flow patterns in an open channel confluence with increasingly dominant tributary inflow. Water 7 (9), 4724–4751.
Shit, P. K. & Maiti, R. 2013 Confluence dynamics in an ephemeral gully basin (A case study at Rangamati, Paschim Medinipur, West Bengal, India). Research Journal of Applied Sciences, Engineering and Technology 15 (5), 3895–3911.
Shin, J., Lee, S. & Park, I. 2021 Analysis of storage effects in the recirculation zone based on the junction angle of channel confluence. Applied Sciences 11 (24), 11607.
Song, C. G., Seo, I. W. & Do Kim, Y. 2012 Analysis of secondary current effect in the modeling of shallow flow in open channels. Advances in Water Resources 41, 29–48.
Tang, H., Zhang, H. & Yuan, S. 2018 Hydrodynamics and contaminant transport on a degraded bed at a 90-degree channel confluence. Environmental Fluid Mechanics 18 (2), 443–463.
Van Rooijen, E., Mosselman, E., Sloff, K. & Uijttewaal, W. 2020 The effect of small density differences at river confluences. Water 12 (11), 3084.
Webber, N. B. & Greated, C. 1966 An investigation of flow behavior at the junction of rectangular channels. Proceedings of the Institution of Civil Engineers 34 (3), 321–334.
Xiao, Y., Xia, Y., Yuan, S. & Tang, H. 2019 Distribution of phosphorus in bed sediment at confluences responding to hydrodynamics. Proceedings of the Institution of Civil Engineers-Water Management, 149–162.
Yu, Q., Yuan, S. & Rennie, C. D. 2020 Experiments on the morphodynamics of open channel confluences: implications for the accumulation of contaminated sediments. Journal of Geophysical Research: Earth Surface 125 (9), 1–25. e2019JF005438.
Yuan, S., Tang, H., Xiao, Y., Qiu, X., Zhang, H. & Yu, D. 2016 Turbulent flow structure at a 90-degree open channel confluence: accounting for the distortion of the shear layer. Journal of Hydro-Environment Research 12, 130–147.
Yuan, S., Tang, H., Xiao, Y., Chen, X., Xia, Y. & Jiang, Z. 2018 Spatial variability of phosphorus adsorption in surface sediment at channel confluences: field and laboratory experimental evidence. Journal of Hydro-Environment Research 18, 25–36.
Yuan, S., Tang, H., Li, K., Xu, L., Xiao, Y., Gualtieri, C., Rennie, C. & Melville, B. 2021 Hydrodynamics, sediment transport and morphological features at the confluence between the Yangtze River and the Poyang Lake. Water Resources Research 57 (3), 1–21. e2020WR028284.
Zhang, T., Feng, M., Chen, K. & Cai, Y. 2020 Spatiotemporal distributions and mixing dynamics of characteristic contaminants at a large asymmetric confluence in northern China. Journal of Hydrology 591, 125583.
FLOW-3D를 이용한 다양한 정수지(Stilling Basin)에서의 수력 도약(Hydraulic Jump) 수치적 연구
Graphical Abstract
연구 배경 및 목적
문제 정의
Taunsa Barrage(파키스탄)의 정수지는 기존의 USBR Type-III Basin을 개량한 형태로, 충격 바플(Impact Baffle)과 마찰 블록(Friction Block) 포함.
하지만 운영 초기부터 바플 블록이 뽑히는 문제 발생 → 기존 사각형 바플 블록이 흐름 재부착(Flow Reattachment)과 낮은 항력(Drag) 문제를 가짐.
기존 연구에서는 쐐기형(Wedge-Shaped) 분리 블록(Splitter Blocks)의 사용이 제한적이었으며, 이들의 수력 도약(HJ) 및 에너지 소산 성능이 충분히 검토되지 않음.
연구 목적
FLOW-3D를 활용하여 USBR Type-III 및 쐐기형 바플 블록을 적용한 정수지에서의 수력 도약 및 유동 특성을 비교 분석.
자유 수면 프로파일, 롤러 길이(Roller Length), 상대 에너지 손실(Relative Energy Loss), 유속 분포 및 난류 운동 에너지(TKE) 분석.
새로운 정수지 설계가 HJ를 안정화하고 에너지 소산 성능을 향상시키는지 평가.
연구 방법
FLOW-3D 모델링 및 실험 검증
VOF(Volume of Fluid) 기법을 사용하여 자유 수면 추적.
RNG k-ε 난류 모델을 적용하여 유동장 해석 수행.
Taunsa Barrage의 USBR Type-III 및 개량된 쐐기형 바플 블록 정수지 모델을 구축하여 비교 실험.
수치 모델 설정
세 가지 정수지 유형 비교
Type-A: 기존 USBR Type-III 정수지
Type-B: 쐐기형 바플 블록 적용 정수지
Type-C: USBR 바플과 쐐기형 바플 블록을 혼합한 정수지
시험 조건
두 가지 유량 조건(44 m³/s, 88 m³/s)에서 실험 수행.
유입 Froude 수(Fr) 범위: 5.75까지 고려.
경계 조건: 유입부와 유출부는 압력(P), 벽면은 No-Slip 조건 적용.
주요 결과
자유 수면 프로파일 분석
Type-B 및 Type-C 정수지에서 수력 도약(HJ)이 더 짧고 안정적으로 형성됨.
유량 증가 시 HJ의 롤러 길이가 감소하는 경향을 보임.
Type-B 및 Type-C 정수지는 USBR Type-A보다 더 높은 상대 에너지 손실을 기록하여 효율적인 에너지 소산을 확인.
유속 및 난류 운동 에너지(TKE) 분석
Type-B 및 Type-C 정수지에서 난류 운동 에너지(TKE)가 빠르게 감소하여 난류 제어 효과가 우수함.
유속 분포 결과, Type-B 및 Type-C 정수지에서 바플 블록이 흐름을 효과적으로 분산시켜 유속 감소 효과를 제공.
전반적으로 Type-C(혼합형 정수지)가 가장 효과적인 유동 제어 및 에너지 소산을 제공함.
결론 및 향후 연구
결론
쐐기형 바플 블록을 포함한 Type-B 및 Type-C 정수지는 기존 USBR Type-III 모델보다 더 높은 에너지 소산 효과를 제공.
HJ 길이가 짧아지고, 전단 응력이 감소하여 침식 가능성이 줄어듦.
FLOW-3D를 이용한 시뮬레이션이 정수지 설계 최적화 및 유지보수 비용 절감에 기여할 수 있음.
향후 연구 방향
LES(Large Eddy Simulation) 및 더 정밀한 난류 모델을 적용하여 연구 정밀도를 향상.
보다 높은 유량(예: 100~500 m³/s)에서의 테스트 수행.
다양한 바플 블록 형상(예: 삼각형, 원형 등) 및 배열 최적화를 통한 추가 연구 진행.
연구의 의의
이 연구는 FLOW-3D를 활용하여 다양한 정수지 설계에서의 수력 도약(HJ) 및 에너지 소산 효과를 분석한 연구로, 기존 USBR Type-III 정수지의 문제점을 개선하고, 새로운 설계 방안을 제시함으로써 대형 수리 구조물의 안정성 향상 및 침식 저감에 기여할 수 있는 실질적인 데이터를 제공하였다.
Figure 12 At 44 m3 s, 2D illustration of the velocity contour after the HJ and at basin’s end in the Type-A stilling basin (a and b), Type-B stilling basin (c and d), and Type-C stilling basin (e and f)
Figure 14 At 88 m3 s, 2D illustration of the velocity contour after HJ and at basin’s end in the Type-A stilling basin (a and b), Type-B stilling basin (c and d), and Type-C stilling basin (e and f)
Figure 15 2D illustration of turbulent kinetic energy (TKE) and turbulent intensity (TI) at 44 m3 s discharge in (a and b) Type-A, (c and d) Type-B, and (e and f) Type-C stilling basins, respectively
References
Ali, C. Z. & Kaleem, S. M. 2015 Launching/disappearance of Stone Apron, block floor downstream of the Taunsa Barrage and unprecedent drift of the river towards Kot Addu Town. Sci. Technol. Dev. 34, 60–65. https://doi.org/10.3923/std.2015.60.65.
Al-Mansori, N. J. H., Alfatlawi, T. J. M., Hashim, K. S. & Al-Zubaidi, L. S. 2020 The effects of different shaped baffle blocks on the energy dissipation. Civ. Eng. J. 6, 961–973. https://doi.org/10.28991/cej-2020-03091521.
Aydogdu, M., Gul, E. & Dursun, O. F. 2022 Experimentally verified numerical investigation of the sill hydraulics for abruptly expanding stilling basin. Arabian J. Sci. Eng. 48 (4), 4563–4581. https://doi.org/10.1007/s13369-022-07089-6.
Bakhmeteff, B. A. & Matzke, A. E. 1936 The hydraulic jump in terms of dynamic similarity. Trans. ASCE 100, 630–680.
Bayon, A., Valero, D., García-Bartual, R., Vallés-Morán, F. J. & López-Jiménez, P. A. 2016 Performance assessment of OpenFOAM and FLOW-3D in the numerical modeling of a low Reynolds number hydraulic jump. Environ. Modell. Software 80, 322–335. https://doi.org/10.1016/j.envsoft.2016.02.018.
Bayon-Barrachina, A. & Lopez-Jimenez, P. A. 2015 Numerical analysis of hydraulic jumps using OpenFOAM. J. Hydroinf. 17, 662–678. https://doi.org/10.2166/hydro.2015.041.
Bayon-Barrachina, A., Valles-Moran, F. J., Lopes-Jiménez, P. A., Bayn, A., Valles-Morn, F. J. & Lopes-Jimenez, P. A. 2015 Numerical analysis and validation of south valencia sewage collection system. In: E-proceedings 36th IAHR World Congr, 28 June–3 July, 2015, Hague, Netherlands, Numer. 17, pp. 1–11.
Bradley, J. N. & Peterka, A. J. 1958 Discussion of ‘Hydraulic design of stilling basins: Hydraulic jumps on a horizontal apron (Basin I)’. J. Hydraul. Div. 84, 77–81. https://doi.org/10.1061/jyceaj.0000243.
Chachereau, Y. & Chanson, H. 2011 Free-surface fluctuations and turbulence in hydraulic jumps. Exp. Therm. Fluid Sci. 35, 896–909. https://doi.org/10.1016/j.expthermflusci.2011.01.009.
Chanel, P. G. & Doering, J. C. 2009 Assessment of spillway modeling using computational fluid dynamics. 35, 1481–1485. https://doi.org/10.1139/L08-094.
Chanson, H. & Gualtieri, C. 2008 Similitude and scale effects of air entrainment in hydraulic jumps. J. Hydraul. Res. 46, 35–44. https://doi.org/10.1080/00221686.2008.9521841.
Chaudary, Z. A. & Sarwar, M. K. 2014 Rehabilitated taunsa barrage: Prospects and concerns. Sci. Technol. Dev. 33, 127–131.
Ead, S. A. & Rajaratnam, N. 2002 Hydraulic jumps on corrugated beds. J. Hydraul. Eng. 128, 656–663. https://doi.org/10.1061/(asce)07339429(2002)128:7(656).
Ebrahimiyan, S., Hajikandi, H., Shafai Bejestan, M., Jamali, S. & Asadi, E. 2021 Numerical study on the effect of sediment concentration on jump characteristics in trapezoidal channels. Iran. J. Sci. Technol. – Trans. Civ. Eng. 45, 1059–1075. https://doi.org/10.1007/s40996-02000510-w.
Eloubaidy, A., Al-Baidhani, J. & Ghazali, A. 1999 Dissipation of hydraulic energy by curved baffle blocks. Pertanika J. Sci. Technol. 7, 69–77.
Frizell, K. & Svoboda, C. 2012 Performance of Type III Stilling Basins-Stepped Spillway Studies. US Bur. Reclam, Denver, CO, USA.
Gadge, P. P., Jothiprakash, V. & Bhosekar, V. V. 2018 Hydraulic investigation and design of roof profile of an orifice spillway using experimental and numerical models. J. Appl. Water Eng. Res. 6, 85–94. https://doi.org/10.1080/23249676.2016.1214627.
Ghaderi, A., Daneshfaraz, R., Dasineh, M. & Di Francesco, S. 2020 Energy dissipation and hydraulics of flow over trapezoidal-triangular labyrinth weirs. Water (Switzerland) 12. https://doi.org/10.3390/w12071992.
Goel, A. 2007 Experimental study on stilling basins for square outlets. In: 3rd WSEAS International Conference on Applied and Theoretical Mechanics, Spain, pp. 157–162.
Goel, A. 2008 Design of stilling basin for circular pipe outlets. Can. J. Civ. Eng. 35, 1365–1374. https://doi.org/10.1139/L08-085.
Habibzadeh, A., Wu, S., Ade, F., Rajaratnam, N. & Loewen, M. R. 2011 Exploratory study of submerged hydraulic jumps with blocks. J. Hydraul. Eng. 137, 706–710. https://doi.org/10.1061/(asce)hy.1943-7900.0000347.
Habibzadeh, A., Loewen, M. R. & Rajaratnam, N. 2012 Performance of baffle blocks in submerged hydraulic jumps. J. Hydraul. Eng. 138, 902–908. https://doi.org/10.1061/(asce)hy.1943-7900.0000587.
Hager, W. H. & Sinniger, R. 1985 Flow characteristics of the hydraulic jump in a stilling basin with an abrupt bottom rise. J. Hydraul. Res. 23, 101–113. https://doi.org/10.1080/00221688509499359.
Hirt, C. W. & Nichols, B. D. 1981 A computational method for free surface hydrodynamics. J. Press. Vessel Technol. Trans. ASME 103, 136–141. https://doi.org/10.1115/1.3263378.
Ikhsan, C., Permana, A. S. & Negara, A. S. 2022 Armor layer uniformity and thickness in stationary conditions with steady uniform flow. Civ. Eng. J. 8, 1086–1099. https://doi.org/10.28991/CEJ-2022-08-06-01.
Jesudhas, V., Balachandar, R., Roussinova, V. & Barron, R. 2018 Turbulence characteristics of classical hydraulic jump using DES. J. Hydraul. Eng. 144, 1–15. https://doi.org/10.1061/(asce)hy.1943-7900.0001427.
Johnson, M. C. & Savage, B. M. 2006 Physical and numerical comparison of flow over ogee spillway in the presence of tailwater. J. Hydraul. Eng. 132, 1353–1357. https://doi.org/10.1061/(asce)0733-9429(2006)132:12(1353).
Jones, W. P. & Launder, B. E. 1972 The prediction of laminarization with a two-equation model of turbulence. Int. J. Heat Mass Transfer 15, 301–314. https://doi.org/10.1016/0017-9310(72)90076-2.
Kamath, A., Fleit, G. & Bihs, H. 2019 Investigation of free surface turbulence damping in RANS simulations for complex free surface flows. Water (Switzerland) 3, 456. https://doi.org/10.3390/w11030456.
Kucukali, S. & Chanson, H. 2008 Turbulence measurements in the bubbly flow region of hydraulic jumps. Exp. Therm. Fluid Sci. 33, 41–53. https://doi.org/10.1016/j.expthermflusci.2008.06.012.
Lueker, M. L., Mohseni, O., Gulliver, J. S., Schulz, H. & Christopher, R. A. 2008 The Physical Model Study of the Folsom Dam Auxiliary Spillway System. Associates California Engineers LLC, Walnut Creek, CA and Sacramento District of the US Army Corps of Engineers Minneapolis, Minnesota.
Macián-Pérez, J. F., Bayón, A., García-Bartual, R., Amparo López-Jiménez, P. & Vallés-Morán, F. J. 2020a Characterization of structural properties in high reynolds hydraulic jump based on CFD and physical modeling approaches. J. Hydraul. Eng. 146, 04020079. https://doi.org/10.1061/(asce)hy.1943-7900.0001820.
Macián-Pérez, J. F., García-Bartual, R., Huber, B., Bayon, A. & Vallés-Morán, F. J. 2020b Analysis of the flow in a typified USBR II stilling basin through a numerical and physical modeling approach. Water (Switzerland) 12, 6–20. https://doi.org/10.3390/w12010227.
Mirzaei, H. & Tootoonchi, H. 2020 Experimental and numerical modeling of the simultaneous effect of sluice gate and bump on hydraulic jump. Model. Earth Syst. Environ. 6, 1991–2002. https://doi.org/10.1007/s40808-020-00835-5.
Moghadam, K. F., Banihashemi, M. A., Badiei, P. & Shirkavand, A. 2019 A numerical approach to solve fluid-solid two-phase flows using time splitting projection method with a pressure correction technique. Prog. Comput. Fluid Dyn. 19, 357–367. https://doi.org/10.1504/pcfd.2019.10024491.
Moghadam, K. F., Banihashemi, M. A., Badiei, P. & Shirkavand, A. 2020 A time-splitting pressure-correction projection method for complete two-fluid modeling of a local scour hole. Int. J. Sediment Res. 35, 395–407. https://doi.org/10.1016/j.ijsrc.2020.02.004.
Murzyn, F. & Chanson, H. 2009 Experimental investigation of bubbly flow and turbulence in hydraulic jumps. Environ. Fluid Mech. 9, 143–159. https://doi.org/10.1007/s10652-008-9077-4.
Nikmehr, S. & Aminpour, Y. 2020 Numerical simulation of hydraulic jump over rough beds. Period. Polytech. Civ. Eng. 64, 396–407. https://doi.org/10.3311/PPci.15292.
Peterka, A. J. 1984 Hydraulic design of stilling basins and energy dissipators. Water Resour. Tech. Publ. – US Dep. Inter. 240, 1–240.
Pillai, N. N. & Kansal, M. L. 2022 Stilling basins using wedge-shaped baffle blocks. In: 9th IAHR International Symposium on Hydraulic Structures (9th ISHS). Proceedings of the 9th IAHR International Symposium on Hydraulic Structures, 9th ISHS, 24–27 October 2022, IIT Roorkee, Roorkee, India.
Pillai, N. N., Goel, A. & Dubey, A. K. 1989 Hydraulic jump type stilling basin for low Froude numbers. J. Hydraul. Eng. 115, 989–994. https://doi.org/10.1061/(asce)0733-9429(1989)115:7(989).
Qasim, R. M., Mohammed, A. A. & Abdulhussein, I. A. 2022 An investigating of the impact of bed flume discordance on the Weir-Gate hydraulic structure. HighTech Innov. J. 3, 341–355. https://doi.org/10.28991/HIJ-2022-03-03-09.
Savage, B. M. & Johnson, M. C. 2001 Flow over ogee spillway: Physical and numerical model case study. J. Hydraul. Eng. 127, 640–649. https://doi.org/10.1061/(asce)0733-9429(2001)127:8(640).
Shirkavand, A. & Badiei, P. 2014 The application of a Godunov-type shock capturing scheme for the simulation of waves from deep water up to the swash zone. Coast. Eng. 94, 1–9.
Shirkavand, A. & Badiei, P. 2015 Evaluation and modification of time splitting method applied to the fully dynamic numerical solution of water wave propagation. Prog. Comput. Fluid Dyn. Int. J. 15, 228–235.
Siuta, T. 2018 The impact of deepening the stilling basin on the characteristics of hydraulic jump. Czas Tech., 173–186. https://doi.org/10.4467/2353737xct.18.046.8341.
Tiwari, H. L. & Goel, A. 2016 Effect of impact wall on energy dissipation in stilling basin. KSCE J. Civ. Eng. 20, 463–467. https://doi.org/10.1007/s12205-015-0292-5.
Tiwari, H. L., Gahlot, V. K. & Goel, A. 2010 Stilling basins below outlet works – an overview. Int. J. Eng. Sci. 2, 6380–6385.
Tohamy, E., Saleh, O. K., Mahgoub, S. A., Abd, N. F., Azim, E., Abd, S. H. & Ghany, E. 2022 Effect of vertical screen on energy dissipation and water surface profile using flow 3D. Egypt. Int. J. Eng. Sci. Technol. 38, 20–25.
Torkamanzad, N., Dalir, A. H., Salmasi, F. & Abbaspour, A. 2019 Hydraulic jump below abrupt asymmetric expanding stilling basin on rough Bed. Water (Switzerland) 11, 1–29.
Verma, D. V. S. & Goel, A. 2003 Development of efficient stilling basins for pipe outlets. J. Irrig. Drain. Eng. 129, 194–200. https://doi.org/10.1061/(asce)0733-9437(2003)129:3(194).
Verma, D. V. S., Goel, A. & Rai, V. 2004 New stilling basins designs for deep rectangular OutletS. IJE Trans. A Basics 17, 1–10.
Wang, H. & Chanson, H. 2015 Experimental study of turbulent fluctuations in hydraulic jumps. J. Hydraul. Eng. 141, 04015010. https://doi.org/10.1061/(asce)hy.1943-7900.0001010.
Widyastuti, I., Thaha, M. A., Lopa, R. T. & Hatta, M. P. 2022 Dam-break energy of porous structure for scour countermeasure at bridge abutment. Civ. Eng. J. 8, 3939–3951. https://doi.org/10.28991/CEJ-2022-08-12-019.
Wilcox, D. C. 2008 Formulation of the k-ω turbulence model revisited. AIAA J. 46, 2823–2838. https://doi.org/10.2514/1.36541.
Yakhot, V., Thangam, S., Gatski, T. B., Orszag, S. A. & Speziale, C. G. 1991 Development of turbulence models for shear flows by a double expansion technique. Phys. Fluids A 4, 1510–1520.
Yamini, O. A., Movahedi, A., Mousavi, S. H., Kavianpour, M. R. & Kyriakopoulos, G. L. 2022 Hydraulic performance of seawater intake system using CFD modeling. J. Mar. Sci. Eng. 10. https://doi.org/10.3390/jmse10070988.
Zaffar, M. W. & Hassan, I. 2023 Hydraulic investigation of stilling basins of the barrage before and after remodelling using FLOW-3D. Water Supply 23, 796–820. https://doi.org/10.2166/ws.2023.032.
Zaidi, S. M. A., Khan, M. A. & Rehman, S. U. 2004 Planning and design of Taunsa Barrage Rehabilitation Project. In: Pakistan Engineering Congress. Lahore. 71st Annu. Sess. Proceedings, Pap.687, pp. 228–286.
Zaidi, S. M. A., Amin, M. & Ahmadani, M. A. 2011 Performance evaluation of Taunsa barrage emergency rehabilitation and modernization project. In Pakistan Engineering Congress. 71st Annu. Sess. Proceedings, Pap. pp. 650–682.
이 소개자료는 Sustainability에서 발표한 FLOW-3D Model Development for the Analysis of the Flow Characteristics of Downstream Hydraulic Structures 논문에 대한 소개자료입니다.
Figure 8. Numerical simulation results for the gate discharge test conditions, Case 1. (a) Case 1 surface velocity distribution. (b) Case 1 longitudinal velocity distribution of gate center.
연구 목적
본 연구는 하류 수리 구조물의 흐름 특성을 분석하기 위해 FLOW-3D 모델을 개발하는 것을 목표로 함.
연구 방법
모델링 설정
FLOW-3D 모델을 사용하여 3차원 비정상류 해석을 수행하였음.
하류 수리 구조물의 형상 및 주변 지형을 고려하여 계산 영역을 설정하였음.
적절한 난류 모델 및 경계 조건을 적용하여 모델의 정확도를 높였음.
모델 검증
실험실 또는 현장 측정 데이터를 확보하여 모델 예측 결과와 비교 분석하였음.
수위, 유속 등 주요 흐름 변수에 대한 모델의 적합성을 평가하였음.
모델 파라미터 민감도 분석을 통해 모델의 신뢰성을 검증하였음.
주요 결과
흐름 특성 분석
하류 수리 구조물 주변에서 발생하는 복잡한 흐름 패턴(예: 재순환, 박리)을 시각적으로 확인하였음.
구조물 특정 지점에서의 유속 및 압력 변화를 정량적으로 분석하였음.
설계 변수 변화에 따른 흐름 특성 변화를 파악하여 최적 설계 방안 도출의 기초 자료를 제공하였음.
구조물 영향 평가
하류 수리 구조물의 존재 유무에 따른 상하류 흐름 변화를 비교 분석하였음.
구조물 형상(예: 높이, 폭) 변화가 흐름 특성에 미치는 영향을 평가하였음.
특정 흐름 조건에서 구조물의 안정성 및 기능성을 예측하였음.
결론 및 시사점
본 연구에서 개발된 FLOW-3D 모델은 하류 수리 구조물의 흐름 특성 분석에 효과적인 도구로 활용될 수 있음.
모델링 결과를 바탕으로 하류 수리 구조물의 안정성 및 효율성을 향상시킬 수 있을 것으로 기대됨.
향후 다양한 형태의 하류 수리 구조물에 대한 모델링 및 실험 연구를 통해 모델의 적용 범위를 확대할 필요가 있음.
Figure 1. Effect of downstream riverbed erosion according to the type of weir foundation.
Figure 8. Numerical simulation results for the gate discharge test conditions, Case 1. (a) Case 1
surface velocity distribution. (b) Case 1 longitudinal velocity distribution of gate center.
레퍼런스
Kim, S.H.; Kim, W.; Lee, E.R.; Choi, G.H. Analysis of Hydraulic Effects of Singok Submerged Weir in the Lower Han River. J. Korean Water Resour. Assoc. 2005, 38, 401–413. [CrossRef]
Kim, K.H.; Choi, G.W.; Jo, J.B. An Experimental Study on the Stream Flow by Discharge Ratio. Korea Water Resour. Assoc. Acad. Conf. 2005, 05b, 377–382.
Lee, D.S.; Yeo, H.G. An Experimental Study for Determination of the Material Diameter of Riprap Bed Protection Structure. Korea Water Resour. Assoc. Acad. Conf. 2005, 05b, 1036–1039.
Choi, G.W.; Byeon, S.J.; Kim, Y.G.; Cho, S.U. The Flow Characteristic Variation by Installing a Movable Weir having Water Drainage Equipment on the Bottom. J. Korean Soc. Hazard Mitig. 2008, 8, 117–122.
Jung, J.G. An Experimental Study for Estimation of Bed Protection Length. J. Korean Wetl. Soc. 2011, 13, 677–686.
Kim, J.H.; Sim, M.P.; Choi, G.W.; Oh, J.M. Hydraulic Analysis of Air Entrainment by Weir Types. J. Korean Water Resour. Assoc. 2006, 39, 109–119.
French, R.H. Open-Channel Hydraulics; McGraw-Hill: New York, NY, USA, 1985.
Chow, V.T. Open-Channel Hydraulics; McGraw-Hill: New York, NY, USA, 1959.
Henderson, F.M. Open Channel Flow; Macmillan: New York, NY, USA, 1966.
Montes, J.S. Hydraulics of Open Channel Flow; ASCE Press: Reston, VA, USA, 1998.
Liggett, J.A. Fluid Mechanics; McGraw-Hill: New York, NY, USA, 1994.
Anderson, J.D. Fundamentals of Aerodynamics; McGraw-Hill: New York, NY, USA, 2010.
Wilcox, D.C. Turbulence Modeling for CFD; DCW Industries: La Canada, CA, USA, 1998.
Launder, B.E.; Spalding, D.B. The numerical computation of turbulent flows. Comput. Methods Appl. Mech. Eng. 1974, 3, 269–289. [CrossRef]
Rodi, W. Turbulence Models and Their Application in Hydraulics—A State-of-the-Art Review; IAHR: Delft, The Netherlands, 1980.
Pope, S.B. Turbulent Flows; Cambridge University Press: Cambridge, UK, 2000.
Fluent Inc. FLUENT 6.3 User’s Guide; Fluent Inc.: Lebanon, NH, USA, 2006.
FLOW-3D. FLOW-3D User’s Manual, Version 10.5; Flow Science: Santa Fe, NM, USA, 2010.
Kim, Y.D.; Park, J.H.; Lee, J.H.; Kim, K.H. Numerical Analysis of Hydraulic Characteristics around Fishway using FLOW-3D. J. Korean Soc. Civ. Eng. 2012, 32, 1–10. [CrossRef]
Kim, K.H.; Choi, G.W.; Jo, J.B. An Experimental Study on the Stream Flow by Discharge Ratio. Korea Water Resour. Assoc. Acad. Conf. 2005, 05b, 377–382.
Lee, D.S.; Yeo, H.G. An Experimental Study for Determination of the Material Diameter of Riprap Bed Protection Structure. Korea Water Resour. Assoc. Acad. Conf. 2005, 05b, 1036–1039.
Choi, G.W.; Byeon, S.J.; Kim, Y.G.; Cho, S.U. The Flow Characteristic Variation by Installing a Movable Weir having Water Drainage Equipment on the Bottom. J. Korean Soc. Hazard Mitig. 2008, 8, 117–122.
Jung, J.G. An Experimental Study for Estimation of Bed Protection Length. J. Korean Wetl. Soc. 2011, 13, 677–686.
Kim, S.H.; Kim, W.; Lee, E.R.; Choi, G.H. Analysis of Hydraulic Effects of Singok Submerged Weir in the Lower Han River. J. Korean Water Resour. Assoc. 2005, 38, 401–413. [CrossRef]
Kim, J.H.; Sim, M.P.; Choi, G.W.; Oh, J.M. Hydraulic Analysis of Air Entrainment by Weir Types. J. Korean Water Resour. Assoc. 2006, 39, 109–119.
본 소개 자료는 “Arabian Journal for Science and Engineering”에서 발행한 “An Investigation on Hydraulic Aspects of Rectangular Labyrinth Pool and Weir Fishway Using FLOW-3D” 논문을 기반으로 합니다.
Fig. 9 Velocity vectors and the plunging flow for Model A (Q 0.035 m3/s; l 0.685 m; w 0.141 m)
연구 배경 및 목적
본 연구에서는 둑의 기하학적 매개변수(둑 모양, 둑 간격, 둑 오리피스 유무, 바닥 경사)가 흐름 체제, 유량-수심 관계, 수심 평균 유속의 변화 및 분포, 난류 특성, 어도에서의 에너지 소산 등에 미치는 영향을 평가하기 위해 서로 다른 두 가지 둑 배열(직선 둑 및 사각형 미로 둑)을 사용했음.
FLOW-3D® 소프트웨어를 사용하여 흐름 조건에 미치는 영향을 조사하기 위해 전산 유체 역학 시뮬레이션을 수행했음.
계산된 표면 프로파일 및 속도를 문헌에서 실험적으로 측정된 값과 비교하여 수치 모델의 유효성을 검증했음.
연구 방법
FLOW-3D® v11.2를 사용하여 Ead et al. [6]의 실험적인 라이너 풀 둑을 검증하고 오리피스가 있는 사각형 미로 풀 둑의 영향을 조사하기 위해 CFD(전산 유체 역학) 시뮬레이션을 수행했음.
수치 모델의 채널 및 데이터 수집 영역의 치수는 실험실 모델의 치수와 동일함.
두 가지 유형의 풀 둑, 즉 기존식과 미로식을 고려했음.
연구 결과
수치 모델과 실험 데이터 결과, 플런징 흐름의 표면 프로파일과 정규화된 속도 프로파일에 대한 RMSE(제곱 평균 제곱근 오차)와 MAPE(평균 절대 백분율 오차)는 각각 0.014m와 3.11%로, 수치 모델이 풀 및 둑의 흐름 특성을 예측하는 능력을 확인했음.
L/B=1.83 값에서 플런징 흐름이 발생할 수 있고(L: 둑의 거리, B: 채널의 폭), 각 모델에 대해 L/B=0.61에서 스트리밍 흐름이 발생할 수 있음.
사각형 미로 둑 모델은 기존 모델보다 큰 무차원 방전 값(Q+)을 가짐.
침수 흐름에서 기존 둑 및 사각형 미로 둑의 경우 Q는 각각 1.56h 및 1.47h에 비례함(h: 둑 위의 수심).
기존 둑의 풀에서 평균 수심 속도는 사각형 미로 둑의 평균 수심 속도보다 높음.
그러나 주어진 유량, 바닥 경사 및 둑 간격에서 난류 운동 에너지(TKE) 및 난류 강도(TI) 값은 기존 둑에 비해 사각형 미로 둑에서 더 높음.
기존 둑은 사각형 미로 둑보다 에너지 소산이 적음.
미로 둑 상단, 둑 하류 벽의 모서리, 둑의 측벽과 채널 벽 사이에서 더 낮은 TKE 및 TI 값이 관찰되었음.
둑 사이의 거리와 하단 경사가 증가함에 따라 평균 수심 속도, 난류 운동 에너지의 평균값 및 난류 강도가 증가하고 풀에서 체적 에너지 소산이 감소했음.
둑에 개구부가 있으면 평균 수심 속도 및 TI 값이 증가하고 풀 내에서 가장 높은 TKE 범위가 감소하여 물고기를 위한 더 넓은 휴식 공간(더 낮은 TKE)이 생성되고 두 모델 모두에서 에너지 소산율이 감소했음.
Fig. 1 Weir fishways dimensionless discharge equations: a: Plunging flow and b: Streaming flowFig. 9 Velocity vectors and the plunging flow for Model A (Q 0.035 m3/s; l 0.685 m; w 0.141 m)
참고 문헌
Katopodis C (1992) Introduction to fishway design, working document. Freshwater Institute, Central Arctic Region
Marriner, B.A.; Baki, A.B.M.; Zhu, D.Z.; Thiem, J.D.; Cooke, S.J.; Katopodis, C.: Field and numerical assessment of turning pool hydraulics in a vertical slot fishway. Ecol. Eng. 63, 88–101 (2014). https://doi.org/10.1016/j.ecoleng.2013.12.010
Dasineh, M.; Ghaderi, A.; Bagherzadeh, M.; Ahmadi, M.; Kuriqi, A.: Prediction of hydraulic jumps on a triangular bed roughness using numerical modeling and soft computing methods. Mathematics 9, 3135 (2021)
Silva, A.T.; Bermúdez, M.; Santos, J.M.; Rabuñal, J.R.; Puertas, J.: Pool-type fishway design for a potamodromous cyprinid in the Iberian Peninsula: the Iberian barbel—synthesis and future directions. Sustainability 12, 3387 (2020). https://doi.org/10.3390/su12083387
Santos, J.M.; Branco, P.; Katopodis, C.; Ferreira, T.; Pinheiro, A.: Retrofitting pool-and-weir fishways to improve passage performance of benthic fishes: effect of boulder density and fishway discharge. Ecol. Eng. 73, 335–344 (2014). https://doi.org/10.1016/j.ecoleng.2014.09.065
Ead, S.; Katopodis, C.; Sikora, G.; Rajaratnam, N.J.J.: Flow regimes and structure in pool and weir fishways. J. Environ. Eng. Sci. 3, 379–390 (2004)
Guiny, E.; Ervine, D.A.; Armstrong, J.D.: Hydraulic and biological aspects of fish passes for Atlantic salmon. J. Hydraul. Eng. 131, 542–553 (2005)
Dizabadi, S.; Hakim, S.S.; Azimi, A.H.: Discharge characteristics and structure of flow in labyrinth weirs with a downstream pool. Flow Meas. Instrum. 71, 101683 (2020). https://doi.org/10.1016/j.flowmeasinst.2019.101683
Zhong, Z.; Ruan, T.; Hu, Y.; Liu, J.; Liu, B.; Xu, W.: Experimental and numerical assessment of hydraulic characteristic of a new semi-frustum weir in the pool-weir fishway. Ecol. Eng. 170, 106362 (2021). https://doi.org/10.1016/j.ecoleng.2021.106362
Roache, P.J.: Perspective: a method for uniform reporting of grid refinement studies. J. Fluids Eng. 1994(116), 405–413 (1994)
Guo, S.; Chen, S.; Huang, X.; Zhang, Y.; Jin, S.: CFD and experimental investigations of drag force on spherical leak detector in pipe flows at high Reynolds number. Comput. Model. Eng. Sci. 101(1), 59–80 (2014)
Ahmadi, M.; Kuriqi, A.; Nezhad, H.M.; Ghaderi, A.; Mohammadi, M.: Innovative configuration of vertical slot fishway to enhance fish swimming conditions. J. Hydrodyn. 34, 917–933 (2022). https://doi.org/10.1007/s42241-022-0071-y
Ahmadi, M.; Ghaderi, A.; MohammadNezhad, H.; Kuriqi, A.; Di Francesco, S.J.W.: Numerical investigation of hydraulics in a vertical slot fishway with upgraded configurations. Water 13, 2711 (2021)
Celik, I.B.; Ghia, U.; Roache, P.J.; Freitas, C.J.J.: Procedure for estimation and reporting of uncertainty due to discretization in CFD applications. J. Fluids Eng. Trans. ASME (2008). https://doi.org/10.1115/1.2960953
Li, S.; Yang, J.; Ansell, A.: Evaluation of pool-type fish passage with labyrinth weirs. Sustainability (2022). https://doi.org/10.3390/su14031098
Ghaderi, A.; Dasineh, M.; Aristodemo, F.; Aricò, C.: Numerical simulations of the flow field of a submerged hydraulic jump over triangular macroroughnesses. Water 13(5), 674 (2021)
Branco, P.; Santos, J.M.; Katopodis, C.; Pinheiro, A.; Ferreira, M.T.: Pool-type fishways: two different morpho-ecological cyprinid species facing plunging and streaming flows. PLoS ONE 8, e65089 (2013). https://doi.org/10.1371/journal.pone.0065089
Dizabadi, S.; Azimi, A.H.: Hydraulic and turbulence structure of triangular labyrinth weir-pool fishways. River Res. Appl. 36, 280–295 (2020). https://doi.org/10.1002/rra.3581
Faizal, W.M.; Ghazali, N.N.N.; Khor, C.Y.; Zainon, M.Z.; Ibrahim, N.B.; Razif, R.M.: Turbulent kinetic energy of flow during inhale and exhale to characterize the severity of obstructive sleep apnea patient. Comput. Model. Eng. Sci. 136(1), 43–61 (2023)
Cotel, A.J.; Webb, P.W.; Tritico, H.: Do brown trout choose locations with reduced turbulence? Trans. Am. Fish. Soc. 135, 610–619 (2006). https://doi.org/10.1577/T04-196.1
Hargreaves, D.M.; Wright, N.G.: On the use of the k–ε model in commercial CFD software to model the neutral atmospheric boundary layer. J. Wind Eng. Ind. Aerodyn. 95, 355–369 (2007). https://doi.org/10.1016/j.jweia.2006.08.002
Kupferschmidt, C.; Zhu, D.Z.: Physical modelling of pool and weir fishways with rock weirs. River Res. Appl. 33, 1130–1142 (2017). https://doi.org/10.1002/rra.3157
Romão, F.; Quaresma, A.L.; Santos, J.M.; Amaral, S.D.; Branco, P.; Pinheiro, A.N.: Multislot fishway improves entrance performance and fish transit time over vertical slots. Water (2021). https://doi.org/10.3390/w13030275
![Figure 8. Time variations of ensemble-averaged Reynolds stresses vxvx and vxvy: comparison between bed configuration A (no element) [Top] and bed configuration B [Bottom] at (x-xo)/D=-2 - Flow conditions: Q = 0.061 m3/s, d1 = 0.155 m at x = 5.9 m, Fr1 = 1.39, y = 0 (centreline), Tainter gate opening after closure: h = 25 mm](https://flow3d.co.kr/wp-content/uploads/image-829.webp)
![Figure 1. Simplified scouring mechanism around a bridge pier [7]](https://flow3d.co.kr/wp-content/uploads/image-747.webp)
