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과제기본정보

홍수시 유송잡물 집적에 따른 하천횡단 교량 주위의 3차원 유동, 전단응력, 유수압 변화에 관한 수리모형실험 및 수치해석 연구1년차

사업개요
사업개요에 대한 사업명, 분류코드(기술분류), 과제명, 주관연구기관, 총괄연구 책임자(성명, 소속, 전화번호), 총 연구기간, 당해연도 연구기간 정보제공
사업명 국토교통기술촉진연구사업 과제번호 21CTAP-C163624-01
국가과학표준분류 1순위 원자력 | None | None 적용분야 건설업
2순위 원자력 | None | None 실용화대상여부 실용화
3순위 원자력 | None | None 과제유형 기초
과제명 홍수시 유송잡물 집적에 따른 하천횡단 교량 주위의 3차원 유동, 전단응력, 유수압 변화에 관한 수리모형실험 및 수치해석 연구
주관연구기관 한양대학교산학협력단
총괄연구 책임자 성명 강석구
소속 한양대학교 직위 부교수
전화번호 02-2220-0114 FAX -
총 연구기간 2021-04-01 ~ 2022-12-31
당해연도 연구기간 2021-04-01 ~ 2021-12-31

(단위:원)

년도별 정부출연금, 기업부담금, 계 정보제공
년도 정부출연금 기업부담금
현금 현물 소계
1차년도 160,000,000 0 0 0 160,000,000
과제기본정보의 연구개발개요, 최종목표, 연구내용 및 범위 정보제공
연구개발개요 ○ 연구 배경
- 최근 장마철 산간지역의 소하천에서 발생하는 홍수 피해는 매년 꾸준히 증가하는 추세이다.
- 흔히 새마을 교량이라고도 알려져 있는 경간장이 짧고 여유고가 낮은 소하천 횡단교량에서 교량 붕괴나 제방붕괴 등의 심각한 피해가 발생하고 있다.
- 지난 2020년 8월에도 전국적으로 내린 집중호우로 인해 전국의 많은 산간지역 소하천 교량에서 교량 유실, 제방 붕괴, 도로 유실 등의 재해가 발생하였다.
- 이 같은 피해는 홍수시 교각이나 교량 상판에 집적되는 유송잡물이 하천통수단면을 급격히 축소시켜 수위 상승을 일으키고 교량에 가해지는 유수압을 가중시키기 때문에 발생한다.
- 소하천 횡단교량 관련 피해가 매년 수십 년째 끊임없이 발생하는 이유는 유송잡물의 영향을 고려한 하천횡단교량 설계지침이 현재까지도 국내에 존재하지 않기 때문이다.
- 관련 설계기술의 개발을 위해서는 홍수조건에서 유송잡물 집적시 하천횡단교량 주위에서 발생하는 흐름 현상의 메카니즘과 교량 구조물과 홍수 흐름 간의 상호작용에 관한 심도 있는 기초 연구를 수행할 필요가 있다.

○ 연구의 목표
- 본 연구의 최종 목표는 홍수발생시 유송잡물에 의한 교량 부근 하천 통수단면 폐색에 따른 교량 구조물에 작용하는 유수압 증가, 제방과 교각 주위 하상에 작용하는 전단응력 변화, 하천 내 3차원 유동구조 변화 현상을 관찰하고 이와 관련된 주요 설계인자 값을 산정하는 것이다.

○ 연차별 주요 연구내용
- 1차년도 연구내용: 실험실 개수로에 모형교량을 설치하여 3가지 홍수조건에 따른 3차원 유속, 난류응력, 수위 측정
- 2차년도 연구내용: 3건의 고정밀도 전산유체역학(CFD: Computational Fluid Dynamics) 시뮬레이션을 통한 주요 구조적, 수리적 설계인자 값의 산출

○ 연구의 활용 및 적용 분야
- 본 연구에서 유수압 항력계수, 제방전단응력, 하상전단응력 분포 등의 설계인자 값이 산출되면 향후 하천횡단 교량의 설계기준 개발에 필요한 후속 연구의 기초 자료로서 활용될 수 있을 것이다.
- 후속 연구에서 보다 다양한 조건에서 설계인자 값이 도출된다면 홍수량과 유송잡물 집적 조건을 고려한 교량 설계공식 개발로 이어질 것으로 본다. 향후 하천설계기준과 도로교설계기준 개정에 활용 가능할 것이다.
최종목표 ○ 연구의 목표
- 본 연구의 최종 목표는 홍수발생시 유송잡물에 의한 교량 부근 하천 통수단면 폐색에 따른 교량 구조물에 작용하는 유수압 증가, 제방과 교각 주위 하상에 작용하는 전단응력 변화, 하천 내 3차원 유동구조 변화 현상을 관찰하고 이와 관련된 주요 설계인자 값을 산정하는 것이다.
○ 연차별 주요 연구내용
- 1차년도 연구내용: 실험실 개수로에 모형교량을 설치하여 3가지 홍수조건에 따른 3차원 유속, 난류응력, 수위 측정
- 2차년도 연구내용: 3건의 고정밀도 전산유체역학(CFD: Computational Fluid Dynamics) 시뮬레이션을 통한 주요 구조적, 수리적 설계인자 값의 산출
연구내용 및 범위 ○ 수리모형실험
- 수리모형실험은 한양대학교 건설환경공학과에서 보유한 개수로 시설에서 고정상 조건에서 수행할 예정이다.

- 수리모형실험 연구는 교량 모형의 제작, 유속 측정, 난류응력 측정, 수위 측정의 세부 연구로 이루어진다. 세부 내용 별 추진전략을 아래에 기술하였다.
○ 실험 시나리오의 선정
- 단면 비폐색 조건 1건, 단면 폐색 조건 2건의 수리모형실험 시나리오를 수립한다.
- 단면 폐색 조건 중 1건은 홍수위가 교량 상판 하부에 위치한 비월류 조건으로 하고, 나머지 1건은 홍수위가 교량 상판 상부에 위치한 월류 조건으로 한다.

○ 교량 및 유송잡물 모형의 제작
- 교량 모형은 아크릴 및 목재를 이용하여 제작한 후 개수로에 실리콘 등을 활용해 접합할 계획이다.
- 유송잡물 모형은 교각에 집적되는 유송잡물에 관한 수학적 모형에 근거하여 형상을 디자인한 후, 3D 프린터를 이용하여 제작한다. 제작된 유송잡물 모형은 교량의 전면부에 부착한다.

○ 유속과 레이놀즈응력의 측정
- 3차원 유속과 난류 성분은 현재 보유 중인 Nortek Vectrino Profiler 초음파 유속계를 사용하여 약 10개의 수로 단면에서 측정할 계획이다.
- Jeon et al.(2018)이 동일한 수로에서 수행한 수리모형실험에서 난류 특성을 고려하여 적정 유속 샘플링 시간을 7-10분 정도로 추산하였으므로 본 연구에서는 한 지점 당 10분 동안 유속 샘플링을 할 계획이다. 적정 시간보다 짧은 시간 동안 유속을 샘플링하면 레이놀즈 응력 값이 시간수렴하지 않는 문제점이 발생한다. 각 지점에서 100 Hz의 주파수로 10분 동안 총 60,000개의 유속 시계열 자료를 취득한 후 노이즈 필터링과 후처리 과정을 거쳐 3차원 평균 유속과 레이놀즈 응력을 산출하게 된다.

○ 수위 측정
- 수위는 초음파 거리측정 센서를 사용하여 측정한다. 컴퓨터에 연결된 초음파 센서로부터 전압 값이 출력되면 이를 거리값으로 환산하여 수위를 측정하게 된다.
○ 3차원 CFD 해석
- 3차원 CFD 해석은 본 연구자가 직접 개발한 슈퍼컴퓨터 기반의 LES 모형(Kang et al., Advances in Water Resources, 2011)인 Virtual Flow Simulator 소프트웨어를 이용할 계획이다. 해당 CFD 모형은 미국 정부의 에너지부(Department of Energy)에 정식 소프트웨어 등록된 프로그램으로서 미국 5개 대학과 중국 1개 대학의 연구팀에서 활발히 사용 중인 신뢰성 있는 모형이다.
- LES 기법은 Navier-Stokes 방정식에 공간 필터링을 적용한 후 subgrid 항을 Smagorinsky 모형을 이용하여 모델링하는 방법이다. 이 기법은 Flow3D, Fluent, CFX 등의 상용 CFD 모형에서 사용되는 RANS(레이놀즈평균) 기법에 비해 월등히 높은 정확도를 가지지만 막대한 컴퓨터 자원을 요구한다는 단점도 있다.
- 이를 극복하기 위해 본 연구진이 자체 보유한 400개 CPU 코어의 병렬컴퓨터를 활용하여 연산을 수행하고 이를 일부 업그레이드하여 수치연산에 필요한 시간을 단축할 계획이다.
- 추가적으로 국가슈퍼컴퓨팅센터(KISTI)의 유료 슈퍼컴퓨터 자원도 연산에 활용할 계획이다.

○ CFD 해석 영역의 설정 및 계산 격자의 정밀도
- CFD 해석의 계산 영역은 방대한 하류영역에서 발생하는 다양한 흐름을 관찰하기 위하여 교량 하류 방향으로 최소 10L(L: 유송잡물의 폭)이 되도록 설정하며, 유입부와 간섭 현상을 피하기 위해 유입부의 위치가 상류 방향으로 10L 이상 떨어지도록 한다.
- CFD 해석에서는 1~10 mm 크기의 계산 격자를 사용한다. 단, 수로의 바닥과 벽 근처에서는 벽의 점성저층(viscous sublayer) 두께의 1/10 이하인 약 0.1 mm 크기의 초고정밀 격자를 사용할 계획이다. 계산 영역 전체를 0.1~10 mm 크기의 격자를 사용한 고정밀 해석을 위해서는 총 3천만 개의 이상의 계산격자가 소요될 것으로 본다.
○ CFD 해석 소요 기간
- 수치해석에 필요한 기간은 Kang et al. (Water Resources Research, 2016)이 수행한 해석을 근거로 추산하였다.
- 해당 수치해석에서는 1억 개의 계산 격자와 400개의 CPU를 이용하여 수제 주위의 3차원 흐름을 해석하였고 수치해석 1건 완료에 총 6개월의 기간이 소요되었다.
- 본 연구에서는 약 3천만 개의 계산 격자를 사용할 계획이므로 1건의 수치해석에 2개월, 3건의 수치해석에는 6개월이 소요될 것이다.
- 3건의 수치해석에 총 6개월의 기간이 소요되고 계산 격자의 생성과 수치해석 후처리 작업에 3-4개월이 소요됨을 감안하면 2차년도 3건의 CFD 해석은 적절한 목표로 판단된다.
건설기술연구개발사업 주요내용
건설기술연구개발사업 주요내용의 구분, 연구개발목표, 연구개발 내용 및 방법 정보제공
구분 연구개발목표 연구개발 내용 및 방법
1차년도 총 3건의 단면 폐색 시나리오에 대한 수리모형실험 수행 ○ 문헌조사: 교량 폐색 조건과 유송잡물 형상에 관한 연구
○ 수리모형실험 시나리오 수립
- 교량 상부 구조 및 교각 제원의 결정
- 3건의 단면 폐색 시나리오 선정: 단면 비폐색 조건 1건(Case 1)과 폐색 조건 2건(Case 2, 3)
- 시나리오별 유량, 수위 조건 결정
○ 교량 및 유송잡물 모형 제작
- 아크릴 및 목재를 이용하여 교량 모형 제작
- 3D 프린터를 이용하여 유송잡물 모형 제작
○ 수리모형실험 수행
- 교량 및 유송잡물 모형의 실험수로 내 설치
- 초음파 유속계(ADV: Acoustic Doppler Velocimetry)를 이용한 3차원 유속, 난류응력의 측정
- 초음파 거리센서를 이용한 교량 단면 주위의 수위 측정
○ 수리모형실험 결과 분석
- 실험결과의 후처리 작업을 통한 3차원 유속, 난류응력, 수위 분포도 산출
연구성과 기술적 기대성과 - 본 연구의 성과를 활용하여 향후 관련 설계기준이 마련된다면 국내 하천횡단 교량의 홍수 방어능력을 크게 증대시킬 수 있을 것으로 본다.
- 본 연구의 연구 성과를 활용하여 설계기법 또는 공식이 개선된다면 홍수 시 발생되는 구조물의 피해와 그로 인해 발생되는 인명, 재산 피해를 줄일 수 있을 것이다.
- 본 연구의 성과물인 수리모형실험과 수치모형실험(CFD) 결과자료는 소하천 횡단교량의 설계 가이드라인 개발에 유용하게 활용되어 국내 하천 및 교량 설계기술 선진화에 크게 기여할 것으로 기대하며 물 관리를 수행하는 국가기관의 자연하천 보호, 하천정비, 복원 사업과 관련된 다양한 정책 수립에도 활용 가능할 것이다.
- 슈퍼컴퓨팅 기반의 고정밀 3차원 CFD 시뮬레이션 기법을 이용하여 하천 구조물의 설계인자 값 산정에 관한 연구는 향후 수공구조물 설계기술 분야에 새로운 연구 패러다임을 제시할 것이다.
- 슈퍼컴퓨터 기반의 3차원 흐름해석 기법을 교량 구조물 뿐 아니라 댐 여수로, 어도, 낙차공 등 타 하천 시설물에 적용한다면 향후 수공구조물 설계기술의 전반적인 향상으로 이어질 것으로 기대한다.
- 본 연구성과물은 하천횡단 교량에서 유송잡물로 인해 발생하는 수리적 구조적 변화를 동시에 연구하는 최초의 연구로서 높은 학술적 가치를 지닌다. 연구 결과물을 국외 수리학 분야 저명학술지에 투고하여 국내의 기술수준을 국외에 적극적으로 알릴 계획이다.
사회 경제적 파급효과 ○ 경제적ㆍ산업적 측면
- 본 연구는 홍수 시 제방유실이나 하천횡단 구조물 파괴로 인한 인적 및 물적 손실을 저감하는데 크게 기여할 것이다.
- 본 연구를 바탕으로 향후 신뢰성 있는 하천횡단 교량의 설계기법이 구축될 경우 과다 또는 과소 설계를 방지하여 궁극적으로 국가예산 절감에 이바지 할 수 있을 것이다.
- 또한 홍수 재난에 대한 선재적 대응 가능성을 증가시켜 더 큰 재난의 발생확률을 감소시킬 수 있을 것으로 판단된다.
- 소하천 횡단교량의 파괴에 대한 복구비용이 증가하고 있는 상황에서, 선재적 대응으로 인한 복구비용의 감소는 전체적인 하천관리비용의 증가로 이어질 수 있으며 이는 하천의 치수 안전성 증대에 기여를 할 것으로 판단된다.
- 합리적이고 과학적인 설계기법을 기반으로 홍수 시 하천의 범람 또는 교량의 전도 파괴를 방지하고, 재해가 발생하였을 때 경제적 피해를 최소화 할 것으로 기대된다.
- 미래예측 가능한 하천 설계를 통해 추후 유지·관리의 편의성과 장기적으로 경제적 이익을 줄 수 있을 것이다.
- 설계기술 선진화가 이루어진다면 홍수 등 자연재해로 인한 경제적 및 인명피해를 저감할 수 있을 뿐 아니라 과학적인 설계기법을 활용하여 과다설계를 방지함으로서 국가예산을 절감할 수 있을 것이며 장기적으로 수제 설계기술을 축적하여 해외시장에서 우위를 점할 수 있을 것으로 기대된다.
- 본 연구에 참여하는 연구원들을 수준 높은 수공학 엔지니어로 양성하여 이들이 산업계나 공기업, 공직 등으로 진출한다면 해당 분야 설계기술 발전에 크게 기여할 수 있을 것이다.
- 기존의 하천수리학 분야에서 흔히 사용되는 1차원적 접근 기법에서 탈피하여, 향후 3차원 시뮬레이션에 근거한 과학적인 설계 기법을 설계에 활용하는데 도움이 되는 기초 연구가 될 것이다.

○ 사회적 측면
- 연구 결과를 통해 하천 재난의 복구비용 복구 감소로 인한 사회적 복지 관련 예산이 증가하는 효과를 가져 올 수 있고, 국민 삶의 질 향상에 기여할 수 있을 것으로 기대된다.
- 소하천 주변 산간 지역의 안전한 하천 환경 조성에 기여하여 국민 생활환경 향상으로 이어질 것으로 기대된다.
- 하천 내 유송잡물 집적으로 의한 수위증가로 발생되는 교량의 전도파괴를 최소화하여 하천운용의 안정성을 확보하고 홍수피해로 인한 사회적 불안감을 해소하는데 기여할 것이다.
활용방안 ○ 국내에서는 아직까지 교량설계시 홍수방재개념이 체계적으로 도입되어 있지 않아 홍수로 인한 교량의 피해가 지속적으로 발생하고 있다. 향후 관련 홍수방재를 고려한 교량 설계기준 개발이 시급하나 국내의 관련 연구는 미진한 상황이다.
○ 본 연구는 하천 단면의 유송잡물 폐색에 따른 교량 주위의 3차원 유동현상, 유수압 변화를 연구하려는 국내외 최초의 시도라는 점에서 의의가 있다.
○ 본 연구의 성과물인 유수압 항력계수, 제방전단응력, 하상전단응력 분포도는 향후 하천횡단 교량 관련 하천 시설물 설계기준 개발에 필요한 후속 연구의 기초 자료로서 활용될 수 있을 것이다. 후속 연구에서 보다 다양한 조건에서 설계인자 값이 도출된다면 홍수량과 유송잡물 집적 조건을 고려한 교량 설계공식 개발로 이어질 것으로 본다. 향후 하천설계기준과 도로교설계기준 개정에 활용 가능할 것이다.
○ 또한 본 연구의 성과물은 유송잡물 폐색을 고려한 교량 설계기준 개발에 중요한 기초 수리자료로 활용될 수 있을 것이다. 이 같은 설계인자의 측정·계산과 관련된 연구성과는 국내뿐만 아니라 외국에서도 존재하지 않으므로 국내의 하천 시설물 설계 기술수준을 선진화하는 토대가 될 것으로 본다.
○ 일반적으로 하천의 호안은 설계빈도유량에 관한 단면평균유속에 근거하여 설계하는 것이 원칙이다. 그러나 소하천 교량에 유송잡물 집적이 발생하는 경우에는 단면 내 유속분포의 심각한 불균등이 발생할 것으로 예상되며 이로 인해 제방 부근에서 평균유속 대비 수~수십 배 이상의 유속 증가가 발생할 가능성이 충분하다. 이러한 조건에서 호안은 국부적으로 증가한 유속을 견디지 못하고 탈락하여 제방 손상을 유발할 가능성이 크다. 본 연구의 주요 성과물인 하천 단면 별 최대유속분포도와 제방전단응력 분포도를 이용하여 홍수 시 유송잡물이 제방 부근 유속 변화에 미치는 영향을 평가하고 필요한 경우 호안 설계시 설계유속을 재산정하는 기초 연구자료로 활용가능하다.
○ 본 연구의 결과물은 물 관리를 수행하는 국가기관의 자연하천 보호, 하천정비, 복원 사업과 관련하여 본 연구결과를 하천횡단구조물 설계에 활용하는 것은 물론이고 유지관리 및 정책 수립에도 활용 가능할 것이다.
핵심어
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