이 기술 요약은 Mohammad Saeed Fakhimjoo 외 저자가 2023년 발표한 학술 논문 “Experimental investigation and flow analysis of clear-water scour around pier and abutment in proximity”를 기반으로 하며, STI C&D에서 기술 전문가를 위해 분석하고 요약했습니다.
키워드
- Primary Keyword: 교량 세굴 분석
- Secondary Keywords: CFD, 수치 유체 역학, 교각 세굴, 교대 세굴, 흐름 분석, 수리 실험
Executive Summary
- 도전 과제: 교량의 교각과 교대가 서로 근접해 있을 때 발생하는 복합적인 세굴 현상은 기존의 개별 분석 방법으로는 정확히 예측하기 어렵습니다.
- 연구 방법: 다양한 형태의 교각(3종)과 교대(2종) 조합을 사용하여, 이들 사이의 거리를 변경하며 수리 실험을 수행하고, 음향 도플러 유속계(ADV)로 3차원 유동장을 정밀 분석했습니다.
- 핵심 발견: 교각이 교대 가까이 있을 때 교대 주변의 최대 세굴 깊이는 최대 19% 증가에 그쳤지만, 교각 주변의 최대 세굴 깊이는 최대 171%까지 폭발적으로 증가했습니다.
- 핵심 결론: 교량 설계 시 교각과 교대의 개별 세굴 깊이를 단순히 더하는 방식은 교각의 위험성을 심각하게 과소평가할 수 있으며, 두 구조물의 상호작용을 반드시 고려한 교량 세굴 분석이 필수적입니다.
도전 과제: CFD 전문가에게 이 연구가 중요한 이유
교량 붕괴의 가장 중요한 원인 중 하나는 기초 주변의 흙이 물의 흐름에 의해 침식되는 ‘세굴(scour)’ 현상입니다. 지금까지 수많은 연구가 단일 교각이나 단일 교대 주변에서 발생하는 국부 세굴에 초점을 맞춰왔습니다. 그러나 실제 교량 구조물에서는 교각과 교대가 근접하여 서로의 유동장에 영향을 미치는 경우가 많습니다.
이러한 상호작용을 무시하고 각각의 구조물에 대한 세굴 예측 공식을 그대로 적용할 경우, 실제 발생하는 세굴의 깊이나 범위를 예측하지 못해 교량의 안전성을 심각하게 위협할 수 있습니다. 특히, 두 구조물 사이의 좁은 공간에서 유속이 어떻게 변하고, 와류(vortex)가 어떻게 강화되는지에 대한 정보가 부족하여, 엔지니어들은 “과연 우리의 설계가 안전한가?”라는 근본적인 문제에 직면해 있었습니다. 이 연구는 바로 이 지식의 공백을 메우기 위해 시작되었습니다.
연구 접근법: 방법론 분석
본 연구는 길이 14m, 폭 1m, 높이 1m의 직사각형 실험 수로에서 수행되었습니다. 실제 하천과 유사한 조건을 만들기 위해 d50=0.88mm의 균일한 모래를 바닥 재료로 사용했습니다.
실험에는 실제 교량 구조물을 축소한 투명 플렉시글라스 모델이 사용되었으며, 주요 변수는 다음과 같습니다.
- 교각 유형 (3가지): 둥근 모서리 사각형 교각(R), 원통형 교각 3개 그룹(G), 단일 원통형 교각(S)
- 교대 유형 (2가지): 날개벽 교대(W), 반원형 교대(C)
- 교각과 교대 사이의 거리 (X): 교각 직경(D)의 1.5배, 3.0배, 6.0배로 설정
총 18개의 주요 실험과 5개의 대조군 실험(개별 교각 또는 교대)이 진행되었습니다. 각 실험은 27시간 동안 진행하여 세굴이 평형 상태의 80% 이상에 도달하도록 했습니다. 유동장 분석을 위해 25Hz SonTek 음향 도플러 유속계(ADV)를 사용하여 3차원 유속을 정밀하게 측정했으며, 이를 통해 유선, 유속 분포, 수직 유속, 바닥 전단 응력 등을 분석했습니다.
핵심 발견: 주요 결과 및 데이터
결과 1: 교각 주변 세굴 깊이의 폭발적인 증가
교각이 교대 가까이 위치할 때, 교각 자체의 세굴 깊이가 극적으로 증가했습니다. 논문의 그림 7(b)는 교각과 교대 사이의 상대 거리(X/D)에 따른 교각의 상대 최대 세굴 깊이(dsp/dsp0) 변화를 보여줍니다.
가장 주목할 만한 결과는 단일 원통형 교각(S)과 날개벽 교대(W)가 결합된 SWR1 실험(X/D = 1.5)에서 나타났습니다. 이 조건에서 교각의 최대 세굴 깊이는 단독으로 있을 때보다 2.71배(171%) 더 깊어졌습니다. 이는 교대에서 가속된 흐름과 강해진 와류가 교각에 직접적인 영향을 미쳐 침식 작용을 크게 강화했기 때문입니다. 거리가 멀어질수록(X/D ≥ 3.0) 이 효과는 감소했지만, 여전히 단독 교각에 비해 훨씬 깊은 세굴이 발생했습니다.
결과 2: 교대 주변 세굴 깊이에 미치는 제한적 영향
반면, 교각의 존재가 교대 주변의 최대 세굴 깊이에 미치는 영향은 상대적으로 미미했습니다. 논문의 그림 7(a)는 교대의 상대 최대 세굴 깊이(dsa/dsao) 변화를 보여줍니다.
교각과 교대가 가장 가까운 X/D = 1.5 조건에서도 교대의 최대 세굴 깊이는 단독으로 있을 때보다 최대 19% 증가하는 데 그쳤습니다. 대부분의 경우 증가율은 1%~7% 수준이었습니다. 이는 세굴을 유발하는 주된 유동 구조(하강류, 말굽 와류)가 주로 교대 상류단에서 형성되며, 하류 측에 위치한 교각의 영향을 덜 받기 때문입니다. 하지만 표 1에서 볼 수 있듯이, 전체 세굴 구멍의 부피는 교각이 추가됨에 따라 최대 87%까지 증가하여 침식 범위가 훨씬 넓어졌음을 알 수 있습니다.
R&D 및 운영을 위한 실질적 시사점
- 수리/토목 엔지니어: 이 연구는 교각과 교대 사이의 거리가 매우 중요한 설계 변수임을 명확히 보여줍니다. 논문에서 제안된 중첩 원리 기반의 경험식(식 3)과 회귀 분석 기반의 경험식(식 4)은 기존의 단순 합산 방식보다 훨씬 정확하게 교각 세굴 깊이를 예측하는 데 기여할 수 있습니다.
- 구조 안전성 평가팀: 그림 7과 표 1의 데이터는 교각이 교대에 근접할수록(특히 X/D = 1.5) 기초 안정성을 위협하는 심각한 세굴이 발생할 수 있음을 경고합니다. 기존 교량의 안전 진단 시 이러한 위치의 교각은 최우선 점검 대상이 되어야 합니다.
- 교량 설계 엔지니어: 본 연구 결과는 교각/교대의 형상과 배치에 따라 세굴 깊이를 더 정밀하게 예측할 수 있는 새로운 도구를 제공합니다. 특히, 회귀 분석식(식 4)을 활용하면 설계 초기 단계에서부터 상호작용 효과를 고려하여 더 안전하고 경제적인 기초 설계를 수행할 수 있습니다.
논문 정보
Experimental investigation and flow analysis of clear-water scour around pier and abutment in proximity
1. 개요:
- 제목: Experimental investigation and flow analysis of clear-water scour around pier and abutment in proximity
- 저자: Mohammad Saeed Fakhimjoo, Abdollah Ardeshir, Kourosh Behzadian, Hojat Karami
- 발행 연도: 2023 (게재 저널 정보는 논문에 명시되지 않음)
- 발행 학술지/학회: 정보 없음
- 키워드: Abutment; ADV; Bridge scour; Laboratory experiment; Maximum scour depth; Pier
2. 초록:
교각 및 교대 주변의 국부 세굴은 교량 붕괴의 가장 중요한 원인 중 하나입니다. 개별 교각 또는 교대 주변의 세굴에 대한 수많은 연구에도 불구하고, 근접한 교각과 교대의 공동 영향에 초점을 맞춘 연구는 거의 없었습니다. 본 연구는 교각과 교대의 상호작용이清水세굴에 미치는 영향을 조사하기 위해 실험실 실험과 유동 분석을 수행했습니다. 실험은 직사각형 실험 수로에서 수행되었으며, 18개의 주요 실험(다양한 유형의 교각과 교대 조합)과 5개의 대조군 실험(개별 교각 또는 교대)을 포함했습니다. 세 종류의 교각(둥근 모서리 사각형 교각, 원통형 교각 3개 그룹, 단일 원통형 교각)과 두 종류의 교대(날개벽 교대, 반원형 교대)가 사용되었습니다. 음향 도플러 유속계(ADV)를 사용하여 유선, 유속 크기, 수직 유속 및 바닥 전단 응력 분석을 위한 3차원 유동 속도를 측정했습니다. 결과에 따르면 교각과 교대 근처의 유속은 최대 80%까지 증가했습니다. 교대 주변의 최대 세굴 깊이는 최대 19%까지 증가했습니다. 반면, 교각 주변의 최대 세굴 깊이는 최대 171%까지 크게 증가했습니다. 교대 부근에 교각이 존재함에 따라 개별 교대의 경우에 비해 세굴 구멍 부피가 최대 87%까지 증가했습니다. 또한 교대에 인접한 교각의 최대 세굴 깊이를 정확하게 추정하기 위한 경험적 방정식이 도출되었습니다.
3. 서론:
교량 세굴은 교량 기초로부터 하상이나 제방 물질이 침식되거나 제거되는 현상입니다. 교각과 교대에서의 세굴은 교통 인프라의 주요 부분인 교량에 상당한 손상을 초래하는 교량 붕괴의 가장 큰 원인 중 하나로 인식되고 있습니다. 세굴은 미국 전체 교량 붕괴의 60% 이상, 영국에서는 70%의 주요 원인입니다. 이전 연구들은 교각과 교대에서의 세굴 메커니즘이 유사하다는 것을 증명했습니다. 접근하는 흐름이 교각과 교대의 상류 측에 부딪히면, 유속이 수심을 통해 감소하면서 정체 압력이 발생하여 하강류(downflow)가 생겨납니다. 이 하강류는 수평 말굽 와류와 수직 후류 와류를 형성하며, 이것이 국부 침식의 주요 원인입니다.
4. 연구 요약:
연구 주제의 배경:
교량의 안정성은 기초부의 세굴 현상에 크게 좌우됩니다. 대부분의 연구는 교각이나 교대가 단독으로 존재할 때의 세굴에 집중해왔으나, 실제로는 이 두 구조물이 근접하여 유체역학적 상호작용을 일으키는 경우가 많습니다. 이러한 상호작용은 세굴의 정도와 패턴을 크게 변화시킬 수 있어 교량 안전 설계에 있어 중요한 고려사항입니다.
이전 연구 현황:
Oben-Nyarko와 Ettema(2011)는 교각이 교대 근처에 있을 때 교대 세굴 깊이에는 미미한 영향을 주지만 교각 세굴 깊이는 크게 증가할 수 있다고 보고했습니다. Saha 등(2018)은 교각의 존재가 세굴 위치에는 영향을 미치지 않지만 최대 세굴 깊이를 약간 감소시킨다고 밝혔습니다. 이처럼 기존 연구들은 상반된 결과를 보이거나, 교각과 교대 사이의 거리 영향을 분석하지 않는 등 제한적인 정보만을 제공했습니다. 특히, 다양한 형상의 구조물 조합에 대한 체계적인 데이터와 유동장 분석은 거의 이루어지지 않았습니다.
연구 목적:
본 연구는 근접한 교각과 교대 사이의 상호작용이 세굴 깊이와 유동장에 미치는 영향을 실험적으로 규명하는 것을 목표로 합니다. 구체적으로, 다양한 형상과 배치, 그리고 거리에 따른 세굴 깊이의 변화를 분석하고, 이를 설명할 수 있는 3차원 유동 특성(유선, 유속, 전단 응력 등)을 측정하고자 했습니다. 최종적으로는 이 상호작용을 고려하여 교각의 최대 세굴 깊이를 정확하게 예측할 수 있는 새로운 경험식을 개발하는 것을 목적으로 합니다.
핵심 연구:
연구의 핵심은 세 가지 유형의 교각과 두 가지 유형의 교대를 조합하고, 이들 사이의 거리를 세 가지(X/D = 1.5, 3.0, 6.0)로 변경하며 총 18가지 조건에서 세굴 실험을 수행한 것입니다. 각 실험에서 ADV를 이용해 3차원 유동장을 측정하여, 교각과 교대의 상호작용이 유선 분포, 유속 증폭, 와류 구조, 그리고 바닥 전단 응력에 미치는 영향을 정량적으로 분석했습니다. 이 분석을 통해 교각 주변에서 세굴이 급격히 증가하는 물리적 메커니즘을 밝혔고, 실험 결과를 바탕으로 교각 세굴 깊이를 예측하는 경험식을 도출했습니다.
5. 연구 방법론
연구 설계:
본 연구는 실험실 수조(flume)를 이용한 물리적 모델링 실험으로 설계되었습니다. 대조군(개별 교각/교대)과 실험군(교각+교대 조합)을 설정하여, 교각과 교대의 근접 효과를 명확히 비교 분석할 수 있도록 했습니다. 주요 독립 변수는 교각 형상, 교대 형상, 그리고 둘 사이의 거리(X/D)이며, 종속 변수는 최대 세굴 깊이(d_sp, d_sa), 세굴공 부피, 그리고 3차원 유동 특성입니다.
데이터 수집 및 분석 방법:
- 세굴 깊이 및 지형 측정: 각 실험 종료 후, 물을 조심스럽게 배수하고 ±1.5mm 정확도의 레이저 미터를 사용하여 최대 세굴 깊이와 세굴공의 전체 지형을 측정했습니다.
- 3차원 유속 측정: 바닥을 수지로 고정하여 세굴이 발생하지 않는 조건에서, 25Hz SonTek ADV를 사용하여 5개의 다른 수심에서 총 1,700 지점의 3차원 유속을 측정했습니다.
- 데이터 분석: 측정된 유속 데이터로부터 유선(streamline), 시간 평균 유속, 수직 유속, 그리고 바닥 전단 응력을 계산하여 유동장을 분석했습니다. 바닥 전단 응력은 Dey and Barbhuiya (2005b)가 사용한 방정식을 통해 산출되었습니다.
연구 주제 및 범위:
본 연구는 청수(clear-water) 조건, 즉 상류로부터 유사의 유입이 없는 조건에서의 국부 세굴에 초점을 맞춥니다. 연구 범위는 세 가지 교각 형상(둥근 모서리 사각형, 원통형 3개 그룹, 단일 원통형)과 두 가지 교대 형상(날개벽, 반원형)의 조합으로 제한됩니다. 또한, 교각과 교대 사이의 상대 거리는 1.5, 3.0, 6.0으로 한정하여 실험을 수행했습니다.
6. 주요 결과:
주요 결과:
- 교각과 교대가 근접할 때, 두 구조물 사이와 상류 측에서 유속이 최대 80%까지 증가했습니다.
- 교각의 존재는 교대 주변의 최대 세굴 깊이에 미미한 영향을 미쳤으며, 가장 가까운 거리(X/D=1.5)에서도 최대 19% 증가에 그쳤습니다.
- 반면, 교대의 존재는 교각 주변의 최대 세굴 깊이를 최대 171%까지 극적으로 증가시켰으며, 이 효과는 두 구조물이 가까울수록 현저하게 나타났습니다.
- 교각이 추가됨으로써 전체 세굴공의 부피는 개별 교대만 있을 때에 비해 12%에서 87%까지 증가하여 침식 범위가 크게 확대되었습니다.
- 실험 결과를 바탕으로, 개별 구조물의 세굴 깊이를 이용한 중첩 원리 기반의 예측식(식 3)과 구조물 형상 및 거리를 변수로 하는 회귀 분석 기반의 예측식(식 4)을 개발했으며, 두 식 모두 높은 정확도(R² > 0.86)로 교각 세굴 깊이를 예측했습니다.
그림 목록:
- Fig. 1. Schematic side view (up) and plan view (down) of laboratory flume.
- Fig. 2. Schematic representation of different shapes and dimensions of piers and abutments used in tests: (a) rectangular pier with rounded edge; (b) group of three cylindrical piers; (c) single cylinderial pier; (d) wing-wall abutment; (e) semi-circular abutment, and (f) definitions of D, La, and X.
- Fig. 3. Near-bed streamlines for (a) an individual pier, (b) an individual abutment, and (c) a pier and an abutment in proximity with X/D = 3.
- Fig. 4. Time-averaged velocity relative to upstream mean velocity (U/Umean) in different tests and at different depths: (a) individual pier at z/H = 0.033, (b) individual pier at z/H = 0.200, (c) individual pier at z/H = 0.500, (d) individual abutment at z/H = 0.033, (e) individual abutment at z/H = 0.200, (f) individual abutment at z/H = 0.500, (g) pier and abutment at z/H = 0.033, (h) pier and abutment at z/H = 0.200, and (i) pier and abutment at z/H = 0.500.
- Fig. 5. Distributions of relative vertical velocities (w/Umean) at z/H = 0.2 for (a) individual pier, (b) individual abutment, and (c) pier and abutment in proximity at X/D = 3 (with a positive w value denoting velocity in upward direction).
- Fig. 6. Relative near-bed shear stresses at z/H = 0.033 for tests: (a) individual pier, (b) individual abutment, and (c) pier and abutment in proximity.
- Fig. 7. Relative maximum scour depths at abutment for various combinations of pier and abutment (a) and relative maximum scour depth at pier for various combinations of pier and abutment (b).
- Fig. 8. Scour topographies of control tests for (a) wing-wall abutment and (b) semi-circular abutment (with circles representing locations of maximum scour depth at piers in main tests, dashed line A denoting location of upstream head of rounded rectangular pier and group of three piers, and dashed line B standing for location of the upstream head of single cylindrical pier).
- Fig. 9. 3D views and contours of scour hole topographies of main tests SWS1, SWS2, and SWS3.
- Fig. 10. Lateral cross-sections of scour holes for maximum scour depths around pier and abutment (at longitudinal reaches of x = 570.0 cm and 582.5 cm) with different relative distances from abutment (X/D = 1.5, 3.0, and 6.0) for main tests (a) SWS1, SWS2, SWS3, (b) SWG1, SWG2, SWG3, c) SWR1, SWR2, SWR3, d) SCS1, SCS2, SCS3, e) SCG1, SCG2, SCG3, f) SCR1, SCR2, SCR3.
- Fig. 11. Comparison between measured and calculated scour depths using (a) Eq. (3) and Eq. (4).
7. 결론:
본 연구는 다양한 형상과 배치를 가진 교각과 교대가 결합되었을 때 청수 조건에서의 최대 세굴 깊이와 세굴 패턴을 분석하기 위해 실험실 테스트를 수행했습니다. 유선, 유속, 바닥 전단 응력, 세굴 지형 및 측면 세굴공 단면을 측정하고 분석했습니다. 주요 결론은 다음과 같습니다:
(1) 교각이 교대 근처에 위치하면 교각 주변의 유동 특성이 변하고, 교대에 의해 생성된 주 와류가 교각과 교대 주변에 더 깊고 넓은 세굴공을 만들었습니다. 높은 유속은 교대 상류 좌측과 교각의 두 영역에 나타나 더 넓은 세굴공을 유발했습니다. (2) 교대 부근에 교각이 존재하더라도 교대 주변의 최대 세굴 깊이에는 미미한 영향을 미쳤지만, 세굴공 부피는 최대 87%까지 증가했습니다. 최대 세굴 깊이는 X/D = 1.5일 때 약간 증가했습니다. (3) 교대 근처에 교각이 존재하면 교각 주변의 세굴 깊이가 크게 증가했습니다. 교각과 교대 사이의 거리가 감소하면, X/D=1.5에서 교각 주변의 최대 세굴 깊이가 최대 175%까지 증가했습니다. (4) 개별 교각과 개별 교대 주변의 세굴 깊이의 중첩 원리를 사용하여, 교대에 인접한 교각의 최대 세굴 깊이를 정확하게 추정하기 위한 경험적 방정식이 도출되었습니다.
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전문가 Q&A: 자주 묻는 질문
Q1: 주요 실험의 진행 시간을 27시간으로 설정한 특별한 이유가 있나요?
A1: 네, 본 연구의 3페이지에 언급된 바와 같이, 대조군 실험의 예비 실행을 통해 27시간이 경과했을 때 세굴 깊이가 최대 평형 세굴 깊이의 80% 이상에 도달하는 것을 확인했습니다. 평형 상태에 도달하는 데는 더 긴 시간이 필요하지만, 다수의 실험을 효율적으로 수행하면서도 각 조건의 세굴 특성을 신뢰성 있게 비교하기 위해 27시간을 표준 실험 시간으로 설정했습니다.
Q2: 그림 7(b)에서 보듯이, 교각과 교대의 거리가 가까울 때(X/D=1.5) 교각 세굴이 급격히 증가하는 물리적인 메커니즘은 무엇인가요?
A2: 논문의 3.1부터 3.4절까지의 유동 분석 결과에 따르면, 교각이 교대 가까이 있을 때 두 구조물 사이의 흐름이 ‘채널화’되어 유속이 크게 증가합니다(그림 4). 또한, 교대로 인해 발생한 강한 하강류와 와류가 교각에 직접적인 영향을 미치면서 바닥 전단 응력을 증폭시킵니다(그림 6). 이로 인해 두 개의 분리된 세굴공이 아닌, 하나의 크고 깊은 연합된 세굴공이 형성되어 교각 주변의 침식이 극심해지는 것입니다.
Q3: 본 연구에서 제안한 두 가지 새로운 경험식(식 3과 식 4)의 주된 차이점과 용도는 무엇인가요?
A3: 식 (3)은 ‘중첩의 원리’에 기반한 공식으로, 개별 교각(d_sp0)과 개별 교대(d_sa0)의 세굴 깊이 데이터를 알고 있을 때 교각의 세굴 깊이를 예측합니다. 이 식은 세굴이 진행되는 어느 시점에서든 깊이를 계산할 수 있는 장점이 있습니다. 반면, 식 (4)는 실험 결과를 바탕으로 한 ‘회귀 분석’ 공식으로, 교각과 교대의 형상 계수(K_sa, K_sp)와 상대 거리(X/D)만으로 최종 최대 세굴 깊이(d_sp)를 직접 예측합니다. 따라서 대조군 실험 데이터 없이 설계에 바로 적용할 수 있는 실용적인 도구입니다.
Q4: 교각의 존재가 교대 주변의 유선(streamline) 분포에 어떤 영향을 미쳤나요?
A4: 그림 3(c)에서 볼 수 있듯이, 교각은 교대 주변의 흐름을 채널화하는 역할을 했습니다. 유선은 여전히 교대를 향해 왼쪽으로 휘어졌지만, 교각을 통과한 후에는 흐름 방향으로 더 정렬되었습니다. 또한, 교각이 없을 때(그림 3(b))보다 수로 중앙선까지 도달하는 유선의 수가 줄어들어, 교각이 흐름을 일정 구역에 가두는 효과를 보였습니다.
Q5: 교각을 추가했을 때 전체 세굴 부피에도 유의미한 변화가 있었나요?
A5: 네, 매우 큰 변화가 있었습니다. 표 1의 ‘Scour volume’ 데이터를 보면, 교각이 추가되었을 때 전체 세굴공의 부피가 개별 교대만 있을 때에 비해 최소 12%에서 최대 87%까지 증가했습니다. 이는 교대 주변의 최대 세굴 ‘깊이’는 크게 변하지 않았더라도, 침식이 일어나는 전체 ‘범위’는 교각의 상호작용으로 인해 훨씬 더 넓어졌음을 의미합니다.
결론: 더 높은 품질과 생산성을 위한 길
본 연구는 교각과 교대의 상호작용이 교량 세굴 분석에서 반드시 고려되어야 할 핵심적이고 비선형적인 요소임을 명확하게 증명했습니다. 특히 두 구조물이 근접할 때, 교각 주변의 세굴 깊이가 예측을 훨씬 뛰어넘는 수준으로 증가할 수 있다는 사실은 기존의 설계 관행에 경종을 울립니다. 이러한 복잡한 유체-구조물 상호작용을 정확히 예측하고 안전한 설계를 위해서는 정밀한 CFD 시뮬레이션의 역할이 그 어느 때보다 중요합니다.
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- 이 콘텐츠는 Mohammad Saeed Fakhimjoo 등의 논문 “Experimental investigation and flow analysis of clear-water scour around pier and abutment in proximity”를 기반으로 한 요약 및 분석 자료입니다.
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