Estimation of Seabed Settlement and Impact Force for a Box-type Artificial Reef considering Seabed Soil Conditions in the Initial Installation Stage

Abstract

자유낙하로 인공어초를 설치하는 경우에는 인공어초는 해저지반과 충돌하게 되고 이는 지반의 초기침하를 발생시킬 수 있다. 발생된 초기침하는 인공어초의 세굴과 전도와 같은 안정성에 대한 문제를 야기시킬 수 있다. 따라서 본 논문에서는 수치 시뮬레이션을 이용하여 사각어초 설치 중 발생하는 해저지반의 침하 및 인공어초의 충격력을 산정하였다. 이를 위해, 첫째, 흐름해석으로부터 대상어초의 항력계수를 계산하여 종단속도를 산정하였다. 둘째, 산정된 종단속도를 외력으로 적용시켜 충돌각(θ = 0°, 15°, 30°, 45°)과 지반모델(포화된 모래지반, 자갈이 섞인 포화된 모래지반, 점토가 섞인 포화된 모래지반)의 변화에 따른 해저지반의 침하 및 인공어초의 충격력에 대한 충돌해석을 수행하였다. 모든 해저지반에서 충돌속도가 종단속도이고 충돌각이 45° 일 경우 최대 침하량이 발생하였다. 포화된 모래지반에서 0.51m, 자갈이 섞인 포화된 모래지반에서는 0.258m의 최대침하가 발생하였다. 점토가 섞인 포화된 모래지반의 경우에는 1.01m의 최대침하가 발생하였다. 이를 통해 자갈이 섞인 포화된 모래지반보다 점토가 섞인 포화된 모래지반이 충돌에 취약함을 알 수 있다. 충돌해석을 통해 얻은 침하량을 이용하여 유효공용적 손실률을 산정해 보면, 최대유효공용적 손실률은 포화된 모래지반에서 θ = 30° 인 경우 9.52%, 자갈이 섞인 포화된 모래지반에서는 θ = 30° 인 경우 6.08%, 점토가 섞인 포화된 모래지반의 경우 θ = 45° 인 경우 25.50% 발생하였다. 따라서 점토가 섞인 포화된 모래지반에서는 사각어초의 초기침하에 따른 유효공용적 손실이 유의하다. 인공어초의 최대 von-Mises 응력은 충돌속도가 종단속도이며 θ = 0° 인 경우에 발생하였다. 자갈이 포함된 포화된 모래지반에서 38.2MPa, 포화된 모래지반에서 33.8MPa, 점토가 포함된 모래지반에서 30.8MPa만큼 최대응력이 발생하였다. 따라서 자갈이 섞인 포화된 모래지반에서는 지반과의 충돌에 의한 사각어초의 충격력이 유의함을 알 수 있다.