교량 교각의 세굴 제어를 위한 최적 설계

Optimum Design for Controlling the Scouring on Bridge Piers

본 연구는 교량 붕괴의 주요 원인인 교각 주변의 국부 세굴 현상을 제어하기 위해 칼라(Collar)의 형상, 크기, 설치 위치 및 교각 간의 상호작용이 세굴 깊이 감소에 미치는 영향을 실험적으로 분석한 기술 보고서이다.

Paper Metadata

• Industry: 토목 공학 (Civil Engineering)
• Material: 모래 (Bed sediment), MDF 목재 (Pier models)
• Process: 수리 실험 및 세굴 분석 (Experimental Scour Analysis)

Keywords

• 교량 교각 (Bridge Piers)
• 칼라 (Collar)
• 세굴 (Scour)
• 상호작용 (Interaction)
• 수리 실험 (Experimental investigation)
• 세굴 방지 대책 (Countermeasure)

Executive Summary

Research Architecture

본 연구는 Kufa 대학교의 길이 18m, 폭 1m, 깊이 1.1m인 실험 수로에서 수행되었다. 실험에는 직경 8cm, 길이 60cm의 교각 모델이 사용되었으며, 세굴 방지를 위해 사각형 및 원형 칼라를 적용하였다. 칼라의 크기는 교각 직경의 2배 및 3배(16cm, 24cm)로 설정하였고, 설치 위치는 하상 높이(bed level)와 하상 위 4cm 지점으로 구분하여 실험을 구성하였다. 유속 조건은 0.1, 0.08, 0.07 m/sec의 세 가지 케이스를 적용하여 총 5.5시간 동안 물을 순환시키며 세굴 깊이를 측정하였다.

Key Findings

실험 결과, 사각형 칼라가 원형 칼라보다 세굴 깊이 감소에 더 효과적인 것으로 나타났다. 24x24cm 크기의 사각형 칼라를 하상 높이에 설치했을 때 세굴 감소율은 97%에서 최대 100%에 달했다. 반면, 칼라의 위치가 하상 위로 올라갈수록 효율은 급격히 저하되었다. 또한, 두 개의 교각을 직렬(tandem)로 배치(L/D=3.5)했을 때, 별도의 보호 조치 없이도 후면 교각의 세굴 깊이가 단일 교각 대비 약 58% 감소하는 상호작용 효과를 정량적으로 확인하였다.

Industrial Applications

본 연구의 결과는 교량 기초 설계 시 세굴 방지 구조물의 최적 형상과 배치 기준을 수립하는 데 직접적으로 활용될 수 있다. 특히 사각형 칼라의 우수한 성능과 하상 높이 설치의 중요성은 현장 시공 지침 마련에 기여한다. 또한 교각 배치 설계 시 상호작용에 의한 세굴 감소 효과를 고려함으로써 보다 경제적이고 안전한 교량 하부 구조 설계가 가능하다.

Theoretical Background

세굴 메커니즘 (Scour Mechanism)

흐르는 물속에 교각이 설치되면 유동의 3차원적 반응이 발생한다. 교각 상류면에서 물이 부딪히며 발생하는 추가적인 압력 수두는 흐름을 하향시켜 세굴 구덩이 내부로 유입되며 말발굽 와류(horseshoe vortex)를 형성한다. 동시에 수면에서는 선수파(bow wave)가 생성되어 흐름을 밀어내고, 교각 주변을 통과한 물은 하류에서 후류 와류(wake vortex)를 발생시킨다. 국부 세굴은 이러한 말발굽 와류와 후류 와류의 복합적인 작용으로 인해 하상 퇴적물이 제거되면서 발생하며, 이는 교량 기초의 안정성을 저해하는 핵심 요인이 된다.

차원 해석 (Dimensional Analysis)

국부 세굴 메커니즘에 영향을 미치는 변수들 간의 관계를 정의하기 위해 차원 해석이 수행되었다. 세굴 깊이(ys)는 수로 폭(w), 교각 직경(D), 칼라의 크기 및 설치 높이, 교각 간 거리(Lint), 유속(V), 임계 유속(Vc), 유체의 밀도 및 점성, 중력 가속도 등의 함수로 표현된다. 본 연구에서는 이를 무차원화하여 ys/D를 종속 변수로 설정하고, 칼라의 기하학적 조건과 유동 조건(V/Vc, Fr)에 따른 세굴 특성을 분석하였다.

Results and Analysis

Experimental Setup

실험은 Kufa 대학교의 수리 실험실에서 수행되었다. 실험 수로는 길이 18m, 폭 1m의 제원을 가지며, 하상 재료로는 중간 입경(d50) 0.72mm의 모래를 0.3m 두께로 포설하였다. 교각 모델은 MDF 목재를 가공한 후 수분 흡수로 인한 변형을 방지하기 위해 바니시 코팅 처리를 하였다. 유동 조건은 정수 상태에서 서서히 유속을 증가시켜 맑은 물 세굴(clear-water scour) 조건인 유동 강도(V/Vc) 1.0 미만에서 실험을 진행하였다.

Visual Data Summary

시간에 따른 세굴 깊이 변화 그래프(Figure 10-15)를 분석한 결과, 칼라가 없는 경우 실험 시작 초기 50분 이내에 세굴의 약 80%가 발생하며 이후 완만하게 평형 상태에 도달하는 양상을 보였다. 하상 높이에 설치된 사각형 칼라의 경우, 전 유속 범위에서 세굴 깊이가 거의 0에 가깝게 유지되어 시각적으로도 탁월한 세굴 억제 효과를 입증하였다. 반면 원형 칼라는 동일 조건에서 미세한 세굴이 발생하여 사각형 대비 효율이 다소 낮음을 확인하였다.

Variable Correlation Analysis

변수 간 상관관계 분석 결과, 칼라의 크기가 교각 직경의 2배에서 3배로 증가할수록 세굴 감소 효율이 유의미하게 향상되었다. 설치 위치의 경우, 하상 높이(Dc/D=0)에서 설치했을 때가 하상 위(Dc/D=0.5)에 설치했을 때보다 세굴 감소율이 평균 60% 이상 높게 나타났다. 이는 칼라가 하향류(down-flow)를 차단하고 말발굽 와류의 강도를 약화시키는 데 있어 하상과의 밀착 정도가 결정적인 변수임을 시사한다.

Paper Details

Optimum Design for Controlling the Scouring on Bridge Piers

1. Overview

• Title: Optimum Design for Controlling the Scouring on Bridge Piers
• Author: Abdul-Hassan K. Al-Shukur, Manar Hussein Ali
• Year: 2019
• Journal: Civil Engineering Journal

2. Abstract

교각 주변의 세굴은 교량 붕괴의 가장 중요한 원인 중 하나로 간주될 수 있다. 따라서 본 연구에서는 교각의 물리적 모델을 사용하여 실험적 조사를 수행하였다. 폭 1m의 실험 수로에서 사각형 칼라, 원형 칼라를 장착한 단일 교각과 두 교각 간의 상호작용을 연구하였으며, 세 가지 유속(0.1, 0.08, 0.07 m/sec)을 적용하였다. 이 실험적 조사는 단일 교각 칼라의 최적 형상과 위치를 선택하고 이를 두 교각의 상호작용과 비교하기 위해 수행되었다. 결과에 따르면 사각형 및 원형 칼라 모두 세굴 깊이를 감소시켰으나, 사각형 칼라가 세굴 감소에 더 효과적이었으며 단일 교각의 경우 하상 높이가 최적의 위치였다. 단일 교각의 결과와 두 교각의 상호작용을 비교했을 때, 아무런 대책이 없는 상태에서도 두 교각의 상호작용은 세굴 깊이를 약 58% 감소시켰다.

3. Methodology

3.1. 실험 수로 구성: Kufa 대학교에 위치한 길이 18m, 폭 1m, 깊이 1.1m의 콘크리트 수로를 사용하였으며, 유량 조절을 위해 수직 슬루스 게이트와 메인 펌프 시스템을 갖추었다.
3.2. 교각 및 칼라 모델 제작: 직경 8cm, 길이 60cm의 MDF 목재 교각을 제작하고, 16x16cm 및 24x24cm 크기의 사각형 칼라와 동일 직경의 원형 칼라를 준비하였다.
3.3. 실험 절차: 수로에 0.3m 두께의 모래를 채우고 교각을 중앙에 고정시킨 후, 정해진 유속으로 5.5시간 동안 실험을 지속하였다. 실험 종료 후 펌프를 끄고 배수한 뒤 포인트 게이지를 사용하여 교각 주변의 최대 세굴 깊이를 측정하였다.

4. Key Results

실험 결과, 24x24cm 사각형 칼라를 하상 높이에 설치했을 때 모든 유속 조건에서 세굴이 거의 발생하지 않아 가장 우수한 성능을 보였다. 16x16cm 사각형 칼라 역시 하상 높이 설치 시 91~100%의 높은 세굴 감소율을 기록하였다. 원형 칼라의 경우 동일 크기에서 사각형보다 약 5~10% 낮은 효율을 보였다. 두 교각의 상호작용 실험에서는 전면 교각이 흐름을 차단하여 후면 교각의 세굴 깊이를 크게 줄여주는 효과가 확인되었으며, 이는 교각 배치 설계의 중요성을 뒷받침한다.

5. Mathematical Models

본 연구에서 사용된 국부 세굴의 무차원 관계식은 다음과 같다: $$ys/D = f(L_{collar}/D, d_{collar}/D, Dc/D, Lint/D, V/Vc, Fr)$$ 여기서 $ys$는 세굴 깊이, $D$는 교각 직경, $L_{collar}$는 칼라 길이, $d_{collar}$는 칼라 직경, $Dc$는 하상으로부터의 칼라 거리, $Lint$는 교각 간 거리, $V$는 유속, $Vc$는 임계 유속, $Fr$은 프루드 수이다.

Figure List

1. 실험 수로의 구성도 (The flume, lateral basin, head basin 등)
2. 16x16cm 사각형 칼라의 두 가지 설치 위치 (하상 높이 및 하상 위)
3. 24x24cm 사각형 칼라의 두 가지 설치 위치
4. 16cm 직경 원형 칼라의 설치 위치
5. 24cm 직경 원형 칼라의 설치 위치
6. 대책이 없는 두 교각의 상호작용 (L/D=3.5)
7. 하상 높이에 24x24cm 사각형 칼라를 적용한 두 교각의 상호작용
8. 두 교각에 적용된 트리플 사각형 칼라 배치
9. 수로 내부에 고정된 교각 모델 전경
10. 16x16cm 사각형 및 원형 칼라의 시간별 세굴 깊이 비교 (Q=37 l/sec)
11. 16x16cm 사각형 및 원형 칼라의 시간별 세굴 깊이 비교 (Q=31 l/sec)
12. 16x16cm 사각형 및 원형 칼라의 시간별 세굴 깊이 비교 (Q=26 l/sec)
13. 24x24cm 사각형 및 원형 칼라의 시간별 세굴 깊이 비교 (Q=37 l/sec)
14. 24x24cm 사각형 및 원형 칼라의 시간별 세굴 깊이 비교 (Q=31 l/sec)
15. 24x24cm 사각형 및 원형 칼라의 시간별 세굴 깊이 비교 (Q=26 l/sec)
16. 16x16cm 사각형 칼라의 실험 후 세굴 상태 사진
17. 24x24cm 사각형 칼라의 실험 후 세굴 상태 사진
18. 16cm 원형 칼라의 실험 후 세굴 상태 사진
19. 24cm 원형 칼라의 실험 후 세굴 상태 사진
20. 두 교각 상호작용 실험의 최종 세굴 양상 사진

References

1. Jalali, S. K. (2014). Prediction of clear water local scour at bridge piers.
2. Anderson, I. A., et al. (2014). Scour Related Vermont Bridge Damage from Tropical Storm Irene.
3. Raleigh, A. (2015). How to mitigate the effects of scour on bridge piers through the use of combined countermeasures.
4. Amini, S. A., et al. (2016). Physical Modelling of Local Scouring at Complex Bridge Piers.

Technical Q&A

Q: 사각형 칼라가 원형 칼라보다 세굴 방지에 더 효과적인 이유는 무엇입니까?

사각형 칼라는 원형 칼라에 비해 교각 주변의 유동 박리(flow separation)를 더 광범위하게 제어하고, 하향류가 하상에 직접 부딪히는 영역을 더 효과적으로 차단하기 때문입니다. 실험 결과에 따르면 사각형 칼라의 모서리 부분이 와류의 형성을 교각에서 더 멀리 밀어내는 역할을 하여 세굴 구덩이의 발달을 억제하는 데 유리한 것으로 분석되었습니다.

Q: 칼라의 최적 설치 위치가 하상 높이(bed level)인 기술적 근거는 무엇입니까?

칼라가 하상 높이에 밀착되어 설치될 때, 교각 상류에서 발생하는 하향류(down-flow)를 가장 직접적으로 차단할 수 있기 때문입니다. 칼라가 하상보다 높은 위치에 있으면 칼라 아래쪽으로 흐름이 유입되어 다시 말발굽 와류를 형성하게 되며, 이는 세굴 방지 효율을 급격히 떨어뜨리는 원인이 됩니다. 본 연구의 데이터에서도 하상 높이 설치 시 세굴 감소율이 가장 극대화되었습니다.

Q: 두 교각의 상호작용(Interaction)이 세굴을 줄이는 원리는 무엇입니까?

직렬(tandem) 배치된 두 교각 사이에서는 전면 교각이 흐름에 대한 차폐막 역할을 수행합니다. 전면 교각에 의해 유속이 감쇠되고 유동 방향이 분산되면서 후면 교각에 도달하는 흐름의 에너지가 약화됩니다. 이로 인해 후면 교각 주변의 와류 강도가 낮아져 단일 교각일 때보다 세굴 깊이가 약 58% 감소하는 효과가 나타납니다.

Q: 실험에서 사용된 ‘맑은 물 세굴(clear-water scour)’ 조건의 의미는 무엇입니까?

맑은 물 세굴 조건은 상류에서 공급되는 유량이 하상의 모래를 이동시키지 않을 정도의 유속(V < Vc)에서 발생하는 세굴을 의미합니다. 이 조건에서는 교각 주변의 국부적인 와류에 의해서만 세굴이 발생하며, 상류로부터의 퇴적물 유입이 없기 때문에 세굴 구덩이가 최대 깊이에 도달할 때까지 지속적으로 발달하는 특징이 있습니다.

Q: 트리플 칼라(triple collar) 배치의 효과는 단일 칼라와 비교하여 어떠합니까?

실험 결과에 따르면, 트리플 칼라 배치는 세굴 깊이를 약 28~30% 감소시키는 효과를 보였으나, 하상 높이에 설치된 단일 칼라(감소율 100%)에 비해서는 효율이 낮았습니다. 이는 여러 층의 칼라를 사용하는 것보다 적절한 크기의 단일 칼라를 정확한 위치(하상 높이)에 설치하는 것이 세굴 제어 측면에서 더 경제적이고 효과적임을 시사합니다.

Conclusion

본 연구를 통해 교량 교각의 세굴을 제어하기 위한 최적의 설계 요소들을 확인하였다. 칼라는 세굴 깊이를 획기적으로 줄일 수 있는 환경 친화적이고 경제적인 대책이며, 특히 사각형 형상의 칼라를 하상 높이에 설치하는 것이 가장 우수한 성능을 발휘한다. 또한 교각의 배치 설계 시 상호작용 효과를 고려한다면 추가적인 구조물 없이도 세굴 위험을 상당 부분 완화할 수 있다. 이러한 결과는 향후 교량 설계 및 유지관리 지침에 반영되어 교량의 구조적 안전성을 높이는 데 기여할 것이다.

Source Information

Citation: Abdul-Hassan K. Al-Shukur, Manar Hussein Ali (2019). Optimum Design for Controlling the Scouring on Bridge Piers. Civil Engineering Journal.

DOI/Link: http://dx.doi.org/10.28991/cej-2019-03091381

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