본문 바로가기
KERD
논문KCI 등재

불규칙파-해저지반-혼성방파제의 상호작용에 의한 지반과 구조물의 동적응답에 관한 수치시뮬레이션 (I)

Numerical Simulation of Dynamic Response of Seabed and Structure due to the Interaction among Seabed, Composite Breakwater and Irregular Waves (I)

김태형|김도삼|배기성|이광호|백동진
한국해안,해양공학회|2014.06|한국해안·해양공학회논문집 (Journal of Korean Society of Coastal and Ocean Engineers)|제26권 제3호|pp. 160-173|DOI http://dx.doi.org/10.9765/KSCOE.2014.26.3.160

1

조회

0

다운로드

3

인용

0

참고문헌

키워드

excess pore water pressure액상화응력경로과잉간극수압liquefaction불규칙파랑하중해저지반과 구조물의 동적거동Irregular wave loadingdynamic behavior of structure and seabedeffective stress path
주제분류토목공학

초록

해양 및 해안구조물 하부의 해저지반에 장시간 지속적인 고파랑이 작용하는 경우 진동성분과 잔류성분으로 구성되는 과잉간극수압의 증가에 따른 유효응력의 감소로 인하여 해저지반내에 액상화의 가능성이 나타나고, 일단 액상화가 발생되면 그의 진행에 따라 구조물의 침하 혹은 전도에 의해 종국적으로 구조물이 파괴될 가능성이 높아지게 된다. 본 연구에서는 2차원수치파동수로를 혼상류해석과 불규칙파동장으로 확장한 수치해석법을 적용하여 불규칙파동장하에서 해저지반상 및 혼성방파제의 표면상에서 시간변동의 동파압과 유속에 의한 전단응력을 산정하고, 그 결과를 지반의 동적거동을 정밀하게 재현할 수 있는 유한요소법에 기초한 탄소성해저지반응답용의 수치해석프로그램에 입력치로 적용하여 불규칙파동장에서 해저지반내에서 과잉간극수압 및 유효응력의 시공간적인 변화, 이로 인한 액상화, 그리고 지반의 시간변형과 케이슨의 시간변위 및 변위가속도 등을 정량적으로 평가한다. 이로부터 혼성방파제 전면 및 후면 하부의 해저지반내에서 액상화 가능성을 확인할 수 있었고, 이에 따라 액상화된 토립자는 흐름에 대한 저항력을 상실하므로 액상화된 지반은 세굴가능성이 클 것으로 판단된다. 또한, 액상화된 지반은 강도의 현저한 저하로 구조물의 진동변위가 증폭되고, 더불어 혼성방파제의 안정성에 큰 영향을 미칠 것으로 예상된다. 여기서, 본 연구의 전체 내용을 지면관계상 두 부분으로 나누며, 전반부를 (I)로 하여 구조물의 동적변위와 변위가속도 및 지반변형을 중심으로 다루고, 후반부를 (II)로 하여 지반내에서 간극수압의 시간변동, 액상화 및 유효응력경로 등을 상세히 다루며, 본 연구는 전반부인 (I)에 해당한다.

Abstract

Seabed beneath and near coastal structures may undergo large excess pore water pressure composed ofoscillatory and residual components in the case of long durations of high wave loading. This excess pore waterpressure may reduce effective stress and, consequently, the seabed may liquefy. If liquefaction occurs in the seabed,the structure may sink, overturn, and eventually increase the failure potential. In this study, to evaluate theliquefaction potential on the seabed, numerical analysis was conducted using the expanded 2-dimensional numericalwave tank to account for an irregular wave field. In the condition of an irregular wave field, the dynamic wavepressure and water flow velocity acting on the seabed and the surface boundary of the composite breakwater structure were estimated. Simulation results were used as input data in a finite element computer program for elastoplastic seabed response. Simulations evaluated the time and spatial variations in excess pore water pressure,effective stress, and liquefaction potential in the seabed. Additionally, the deformation of the seabed and thedisplacement of the structure as a function of time were quantitatively evaluated. From the results of the analysis,the liquefaction potential at the seabed in front and rear of the composite breakwater was identified. Since theliquefied seabed particles have no resistance to force, scour potential could increase on the seabed. In addition, thestrength decrease of the seabed due to the liquefaction can increase the structural motion and significantly influencethe stability of the composite breakwater. Due to limitations of allowable paper length, the studied results were divided into two portions; (I) focusing on the dynamic response of structure, acceleration, deformation of seabed, and (II) focusing on the time variation in excess pore water pressure, liquefaction, effective stress path in the seabed. This paper corresponds to (I).

참고문헌 (45)

  1. Biot, M. A., "General theory of three-dimensional consolidation", J. of Applied Physics, 12, pp.155~165 (1941)
  2. Burcharth, H. F., "The lessons from recent breakwater failures. Developments in breakwater design", Invited Speech Presented at World Federation of Engineering Organizations Technical Congress (1987)
  3. Research and development of numerical wave channel(CADMAS-SURF), "CDIT", CDIT, ~, pp.CDIT library, 12 (2001)
  4. Chang, S. C., "An experimental study on progressive wave-induced stresses duration in seabed soil", J. of Marine Science and Technology, 15(2), pp.129~140 (2007)
  5. Chen, Y., "Waterinduced pore water pressure in marine cohesive soils", Acta Oceanologica Sinica, 24(4), pp.138~145 (2005)
  6. Cheng, L., "Solutions l of pore pressure build up due to progressive waves", Intl. J. for Numerical and Analytical Methods in Geomechanics, 25, pp.885~907 (2001)
  7. Hirt, C.W., "Volume of fluid(VOF)method for the dynamics of free boundaries", J. of Computational Physics, 39, pp.201~225 (1981)
  8. Iai, S., "Strain space plasticity model for cyclic mobility, Soils and Foundations", Japanese Society of Soil Mechanics and Foundation Eng., 32(2), pp.1~15 (1992)
  9. Iai, S., "Analysis of undrained cyclic behavior of sand under anisotropic consolidation", Soils and Foundation, Japanese Society of Soil Mechanics and Foundation Eng., 32(2), pp.16~20 (1992)
  10. Jeng, D. S., "Wave-induced seabed response in front of a breakwater", 박사, pp.1997
  11. Jeng, D.S., "Wave-induced soil response in a nearly saturated seabed of finite thickness", Geotechnique, 46(3), pp.427~440 (1996)
  12. Jeng, D.S., "Simplified analytical approximation for pore-water pressure build up in marine sediments", J. of Waterway, Port, Coastal, and Ocean Eng., pp.309~312 (2007), ASCE
  13. A new approximation for pore pressure accumulation in marine sediment due to water waves, "Jeng, D.S", The Univ. of Sydney, 28~, pp.Research Report No.R868 (2006)
  14. Jeng, D. S., "Response of porous seabed to dynamic loadings", Geotechnical Engineering Journal of the SEAGS & AGSSEA, 41(4) (2010)
  15. Kianoto, T, "Boundary-layer theory for anisotropic seabed response to sea waves", J. of Waterway, Port, Coastal and Ocean Eng., 125(4), pp.187~194 (1999), ASCE
  16. 이광호, "파랑-지반-해안구조물의 상호작용에 기인하는 해저지반과 구조물의 동적응답에 관한 수치시뮬레이션", 한국해안·해양공학회논문집, 26(1), pp.49~64 (2014), 한국해안,해양공학회[DOI]
  17. 이광호, "해수교환을 고려한 진동수주형 파력발전구조물에서 불규칙공기흐름에 관한 수치해석", 한국해안·해양공학회논문집, 25(3), pp.128~137 (2013), 한국해안,해양공학회[DOI]
  18. Li, J., "Response of a porous seabed around breakwater heads", Ocean Eng., 35, pp.864~886 (2008)
  19. Madsen, O. S., "Wave-induced pore pressure and effective stresses in a porous bed", Geotechnique, 28, pp.377~393 (1978)
  20. Mase, H., "Wave-induced porewater pressures and effective stresses around breakwater", Ocean Eng, 21(4), pp.361~379 (1994)
  21. McDougal, W. G., "Wave-induced pore water pressure accumulation in marine soils", J. of Offshore Mechanics and Arctic Eng., 111(1), pp.1~11 (1989), ASME
  22. Mei, C.C, "Wave-induced response in a fluid-filled poroelastic solid with a free surface - A boundary layer theory", Geophysical J. of the Royal Astrological Society, 66, pp.597~631 (1981)
  23. Mitsuyasu, H., "On the growth of spectrum of wind-generated waves(2)-spectral shape of wind waves at finite fetch", Proc. Conf. on Coastal Eng., pp.1~7 (1970), JSCE
  24. Miyamoto, J., "Progressive solidification of a liquefied sand layer during continued wave loading", Geotechnique, 54(10), pp.617~629 (2004)
  25. Final report about prevention technology for coastal erosion, "MOLIT", ~ (2010)
  26. Okusa, S., "Marine geotechnology state-of-the-art", Proceedings of the JSCE, 346, pp.13~21 (1984)
  27. Okusa, S., "Wave-induced stresses in unsaturated submarine sediments", Geotechnique, 32(3), pp.235~247 (1985)
  28. Oumeraci, H., "Review and analysis of vertical breakwater failures and lessons learned", Coastal Engineering, 22, pp.3~29 (1994)
  29. Ozutsmi, O., "Effective stress analysis of liquefactioninduced deformation in river dikes", J. of Soil Dynamics and Earthquake Eng., 22, pp.1075~1082 (2002)
  30. Sakakiyama, T., "Numerical simulation of nonlinear wave interaction with permeable breakwater", Proceedings of the 22nd ICCE, pp.1517~1530 (1992), ASCE
  31. Sassa, S., "Analysis of wave-induced liquefaction of beds of sand in centrifuge", Geotechnique, 49(5), pp.621~638 (1999)
  32. Sassa, S., "Analysis of wave-induced liquefaction of sand beds", Geotechnique, 51(12), pp.115~126 (2001)
  33. Sassa, S., "Analysis of progressive liquefaction as a moving-boundary problem", Geotechnique, 51(10), pp.847~857 (2001)
  34. Sawada, S., "Analysis of liquefaction induced residual deformation for two types of quay wall:analysis by "FLIP"", Proceedings of the 12th World Conference on Earthquake Eng., pp.2486~ (2000)
  35. Seed, H.B, "Wave-induced pore pressure in relation to ocean floor stability of cohesionless soil", Marine Geotechnology, 3(2), pp.123~150 (1978)
  36. The generation and dissipation of pore water pressure during soil liquefaction, "Seed, H. B.", Univ. of California, ~, pp.Report EERC 75-26 (1975)
  37. Sekiguchi, H., "Response of poroelastoplastic beds to standing waves", Soil and Foundations, 35(3), pp.31~42 (1995)
  38. Sumer, B.M, "mechanics of scour in the marine environment" (2002), World Scientific
  39. Tsai, C.P., "Standing wave induced pore pressures in a porous seabed", Ocean Engineering, 22(6), pp.505~517 (1995)
  40. Tsuruya, H., "Study on fluidization and floating of bottom in surf zone", Proceedings of Coastal Engineering, 37, pp.289~293 (1990), JSCE
  41. Ulker, M.B.C, "Waveinduced dynamic response and instability of seabed around caisson breakwater", Ocean Eng., 37, pp.1522~1545 (2010)
  42. Yamamoto, T., "On the response of a poroelastic bed to water waves", J. of Fluid Mechanics, 87, pp.193~206 (1978)
  43. Ye, J., "Breaking wave-induced response of composite breakwater and liquefaction in seabed foundation", Coastal Eng., 85, pp.72~86 (2014)
  44. Yuhi, M., "Simplified solution of waveinduced seabed response in anisotropic seabed", J. of Waterway, Port, Coastal and Ocean Eng., 128(1), pp.46~50 (2002), ASCE
  45. Zen, K, "Liquefaction damage of the foundation of the breakwater against approaching waves", Proceedings of the Foundation of Marine Structure, 2, pp.225~232 (1986)

관련 논문AI추천

불규칙파-해저지반-혼성방파제의 상호작용에 의한 지반과 구조물의 동적응답에 관한 수치시뮬레이션 (II)김도삼, 김태형, 배기성, 백동진, 이광호한국해안,해양공학회 · 한국해안·해양공학회논문집2014 · 제26권 제3호파랑-지반-해안구조물의 상호작용에 기인하는 해저지반과 구조물의 동적응답에 관한 수치시뮬레이션김도삼, 김태형, 배기성, 백동진, 이광호한국해안,해양공학회 · 한국해안·해양공학회논문집2014 · 제26권 제1호규칙파동장하 잠제 주변지반의 동적거동에 관한 수치해석김도삼, 김동욱, 김태형, 류흥원, 이광호한국해안,해양공학회 · 한국해안·해양공학회논문집2016 · 제28권 제3호불규칙파동장하 잠제 주변지반의 동적거동에 관한 수치해석김도삼, 김동욱, 김태형, 류흥원, 이광호한국해안,해양공학회 · 한국해안·해양공학회논문집2016 · 제28권 제4호콘크리트매트 피복을 이용한 잠제하 해저지반에서의 액상화 대책공법에 관한 수치해석 (불규칙파 조건)김도삼, 김동욱, 김태형, 류흥원, 이광호한국해안,해양공학회 · 한국해안·해양공학회논문집2017 · 제29권 제1호파압에 의한 해안구조물-해저지반의 침하거동에 대한 수치해석강기천, 김도삼, 김태형, 윤성규한국해안,해양공학회 · 한국해안·해양공학회논문집2013 · 제25권 제1호

이 간행물의 다른 논문 (7건)

상자형 어초의 흐름 및 구조응답 특성우진호, 윤한삼, 나원배, 김동하pp. 113-119해안개발과 기후변화로 인한 서해 연안해역의 평균해수면 변화정태성pp. 120-130전달함수 모형을 이용한 포항신항 내·외의 외중력파 특성 분석조홍연, 오상호, 정원무pp. 131-139FLOW-3D 모형을 이용한 부유 플랩형 고조방파제의 수리학적 특성 분석고동휘, 정신택, 김정대pp. 140-148관측치를 활용한 동해안 너울성 고파 예측권석재, 이병욱, 김신웅, 안석진, 이창훈pp. 149-159
원문 보기