교량 붕괴의 숨은 주범: 압력 유동 조건에서의 교각 세굴 심층 분석

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.

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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.
출처: http://researchonline.ljmu.ac.uk/id/eprint/10811/

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