Calculation of Expected Sliding Distance of Concrete Caisson of Vertical Breakwater Considering Variability in Wave Direction

In this study, the reliability design method developed by Shimosako and Takahashi in 1999 for calculation of the expected sliding distance of the caisson of a vertical breakwater is extended to take into account the variability in wave direction such as directional spreading of waves, obliquity of the deep-water design principal wave direction from the shore-normal direction, and its variation about the design value. To calculate the transformation of random directional waves, the model developed by Kweon et al. in 1997 is used instead of Goda's model, which was developed in 1975 for unidirectional random waves normally incident to a straight coast with parallel depth contours and has been used by Shimosako and Takahashi. The effects of directional spreading and the variation of deep-water principal wave directions were minor compared with those of the obliquity of the deep-water design principal wave direction from the shore-normal direction, which tends to reduce the expected sliding distance as it increases. Especially when we used the field data in a part of east coast of Korea, considering the variability in wave directions reduced the expected sliding distance to about one third of that not considering the directional variability. Reducing the significant wave height calculated at the design site by 6％ to correct the effect of wave refraction neglected in using Goda's model was found to be proper when the deep-water design principal wave direction is about 20 degrees. When it is smaller than 20 degrees, a value smaller than 6％ should be used, or vice versa. When we designed the caisson with the expected sliding distance to be 30㎝, in the area of water depth of 25 m or smaller, we could reduce the caisson width by about 30％ at the maximum compared with the deterministic design, even if we did not consider the variability in wave directions. When we used the field data in a part of east coast of Korea, considering the variability in wave directions reduced the necessary caisson width by about 10% at the maximum compared with that not considering the directional variability, and is needed a caisson width smaller than that of the deterministic design in the whole range of water depth considered (10∼30 m).

파향의 변동성을 고려한 직립방파제 콘크리트 케이슨의 기대활동량 산정

본 연구에서는 Shimosako and Takashi(1999)가 직립방파제 케이슨의 기대활동량을 계산하기 위해 개발한 신뢰성 설계법을 방향 불규칙파의 방향 분산, 심해 설계주파향이 해안선에 직각 방향과 이루는 각도, 심해 주파향의 설계치에 대한 변동 등과 같은 파향의 변동성을 고려할 수 있도록 확장하였다. 심해로부터 방파제 설계 위치까지의 파랑변형을 계산하기 위하여 Shimosako and Takahashi는 평행한 등심선을 갖는 직선 해안에 직각으로 입사하는 일방향 불규칙파를 가정하여 Goda(1975)가 개발한 모형을 사용하였다. 본 연구에서는 방향 불규칙파의 변형을 계산하기 위하여 Kweon et al.(1997)이 개발한 모형을 사용하였다. 파랑의 방향분산 및 심해 주파향의 변동에 의한 영향은 별로 크지 않은 반면에, 심해 설계주파향이 해안선에 직각 방향과 이루는 각도의 영향은 상대적으로 커서, 이 각도가 증가함에 따라 기대활동량이 감소하는 경향을 보였다. 특히 우리나라 동해안 일부 지역의 현장 자료를 이용한 경우 파향의 변동성을 고려했을 때의 기대활동량이 이를 고려하지 않았을 때에 비해 약 1/3수준으로 감소하였다. 파랑변형 계산을 위하여 Goda 모형을 사용하는 경우 무시되는 굴절의 영향을 보정하기 위하여 계산된 유의파고를 일률적으로 6% 감소시키는 것은 심해 설계주파향이 약 20$^{\circ}$인 경우에 적합한 값이며, 심해 설계주파향이 보다 작은 경우에는 6%보다 작은 값을, 보다 큰 경우에는 6%보다 큰 값을 사용해야 한다. 케이슨의 기대활동량을 30cm로 설계할 경우 수심이 약 25 m 이하의 지역에서는 파향의 변동성을 고려하지 않더라도 기존의 결정론적 설계보다 최대 약 30% 정도까지 케이슨의 폭을 줄일 수 있다. 동해안 일부 지역의 현장 자료를 사용하여 파향의 변동성을 고려할 경우에는 이를 고려하지 않은 경우보다 최대 약 10% 정도까지 케이슨의 소요 폭이 감소하며, 고려한 전 수심 구간(10∼30 m)에서 결정론적 설계보다 작은 케이슨 폭이 요구된다.