• 한국수자원학회:학술대회논문집
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• 한국수자원학회 2015년도 학술발표회
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• pp.379-379
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• 2015

최근 몇 년간 기록적인 집중호우와 태풍으로 인해 홍수피해가 점점 증가하고 있다. 국내 대부분의 하천은 고수부지 또는 제방으로 정비되어있다. 국지적으로 발생되는 집중호우는 수위를 급격하게 증가시켜 하천의 고수부지 또는 제방범람을 야기한다. 집중호우로 인한 흐름이 고수부지 또는 제방을 지나면 흐름양상은 매우 복잡하게 변화한다. 그러나 급격히 증가하는 흐름에 의해 하천의 제방, 옹벽 또는 계단지형으로 형성된 고수부지 등을 지나는 흐름특성을 분석하는 것은 매우 어렵고 이러한 불연속 단면을 고려하여 예측하기는 불가능하다. 이와 같이 급변하는 흐름이 계단형 구조물을 지날 때 잠김/드러남 특성을 조사하기위해 수리 실험을 실시하였다. 수리실험은 길이 6 m, 폭 0.4 m로 제작된 직선수로에서 수행되었다. 급격히 증가하는 댐 붕괴 흐름을 재현하기위해 수로중간에 게이트를 설치하고 상류에 물을 채운 후 빠른 속도로 게이트를 개방하였다. 하류에는 수로를 따라 계단형 구조물을 설치하고 하류경계는 물이 빠져나갈 수 있게 하였다. 하류 초기수위는 첫 번째 계단보다 약간 낮게 설정하였다. 계단형 구조물과 그 주변에 파고계를 설치하여 시간에 따른 수위변화를 측정하였다. 다양한 수리조건을 적용하여 수리실험을 수행하였고 측정된 데이터를 이용하여 급변한 비정상흐름이 계단형 구조물을 지날 때 잠김/드러남 특성을 분석하였다. 차후 이 실험 결과는 하천의 제방 및 계단지형을 고려할 수 있는 고정확도 수치모형을 개발하는 검증자료로 유용하게 사용될 수 있을 것이다.

• 한국수자원학회논문집
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• 제43권1호
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• pp.41-49
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• 2010

본 연구의 계단형 보는 자연형 횡단 구조물의 한 형태로 제안되고 있다. 계단형 보 하류에서의 흐름은 기존 보(Round Crest Weir)에서 발생하는 도수와 달리 WTF(Wave Type Flow)라는 독특한 흐름이 발생한다. WTF는 계단형 보 하류에서 단차로 인해 발생되는 재순환영역(recirculation area)이 일정조건에서 발달하여 수면을 상승시키는 현상이다. WTF 조건에서의 파고는 하류수위(tailwater level) 보다 높아지고 WTF 구간에서의 최대유속발생이 수면에 가까운 곳에서 발생한다. 이와 같은 결과는 WTF 현상이 설계 시 접합부에 영향을 줄 수 있는 중요 인자임을 나타내는 것이다. 본 연구는 수리실험을 통해 WTF이 발생되는 수리조건과 WTF의 규모를 파악하였고 계단형 하류흐름조건에 따른 유속분포를 분석하였다. 본 연구의 결과는 계단형 보 설계 시 고려되지 못한 부분으로서 차후에 계단형 구조물 또는 계단식 변형 구조물 설계 시 주요 자료로 활용 될 것이다.

• 한국수자원학회:학술대회논문집
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• 한국수자원학회 2008년도 학술발표회 논문집
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• pp.1889-1893
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• 2008

본 연구에서는 완경사 계단형 낙차공에서 하류수심 변화에 따른 도수 형태의 변화와 WTF 흐름 특성에 대한 분석을 수행하였다. 일정한 유량에서 하류수위를 증가시키면 도수 형태가 달라지는데 특히 계단 끝단에서 완전도수, 잠김도수(B점프), downward curved jet, upward curved jet, wave type flow(WTF)가 차례로 나타났다. 잠김도수에서는 표면 롤러 현상이 관찰되었고 curved jet에서는 큰 유속 감세 없이 파가 하류까지 전달되었다. WTF에서는 사류흐름이 바닥 recirculation 구역의 영향으로 변형되면서 wave 형태의 도수를 발생시켰다. 하류수위를 점점 증가 시키면 도수의 발생 위치가 계단 위쪽으로 이동하며 잠김도수와 WTF가 번갈아가며 발생하였다. 하류수위가 높아질수록 도수의 규모는 작아졌으며 표면 롤러도 미약해지는 경향을 보였다. 세 가지 유량조건에 따른 WTF의 규모를 비교한 결과 유량이 증가할수록 WTF의 크기가 증가하였으며 무차원화한 WTF의 형상은 거의 비슷한 것으로 나타났다. 계단형 낙차공은 기존낙차공에서 발생하는 도수와 달리 WTF가 발생되므로 이에 대한 분석이 필요하다. WTF가 발생하는 구간의 수위는 하류수위보다 높아지기 때문에 하천 설계 시 하천 접합부의 조건(구수부지설치, 제방설치 등)에 따라 wave의 높이가 설계의 중요 인자로 고려되어야 할 것이다. WTF는 지금까지의 계단형 낙차공 설계 시 고려되지 못한 부분으로서 차후에 계단형 구조물 또는 계단식 변형 구조물 설계 시 주요 자료로 활용 될 것이다.

• 한국수자원학회:학술대회논문집
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• 한국수자원학회 2016년도 학술발표회
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• pp.339-339
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• 2016

하천의 수질 개선을 위한 방법 중에서도 하천 구조체를 활용하는 방법은 기존의 하천 구조체가 가지는 고유의 기능을 훼손하지 않으면서 하천 수질을 개선할 수 있는 방법으로 점차로 그 영역이 확대되고 있는 추세이다. 이러한 방법의 대부분은 하천 구조체를 통과하는 흐름에 공기유입 기능을 강화하여 물의 용존산소량을 증가시킴으로써 수질의 개선을 유도한다. 따라서 하천 구조체를 통과하는 물에 공기유입을 향상시킬 수 있는 구조체 형상의 개발은 하천의 수질개선에 영향을 줄 수 있는 중요한 연구 주제이다. 본 연구에서는 하천 구조체 중에서도 댐의 여수로와 보에 사용되어지는 계단형 구조물의 흐름에 대해 공기연행 해석이 가능한 난류모형을 적용하여 수치모의를 이용한 검토를 수행하였다. 그 결과 연구에 사용된 모형이 계단형 흐름 구조체의 수리적 특성과 공기유입의 변화를 각각의 형태에 따라 적절히 모의하는 것을 확인 할 수 있었다.

• 한국수자원학회:학술대회논문집
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• 한국수자원학회 2016년도 학술발표회
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• pp.454-454
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• 2016

하천의 치수안정성 확보 및 수심유지, 생태복원 등과 같은 다양한 요구를 충족하기 위한 보의 성능 개선에 대한 연구가 필요하며, 계단형 보는 재료에 의한 폭기효과 및 서식처 효과 등의 환경적요소를 내포하고 있다. 기존 연구는 표면류 흐름특성을 검증하고 유량변화에 따른 하류단 도수발생위치 변화를 분석하는 등 계단형 보에 대해 수리특성을 정량화한 연구가 대부분이며 흐름변화에 따른 유속장에 관한 연구는 미흡한 실정이다. 따라서 본 연구는 기능성 친환경 횡단 구조물 유형 중 하나인 계단형 보의 안정성 검토를 위한 수리적 특성을 분석하고자 함으로써 구조물 안정성에 영향을 줄 수 있는 자체 및 하류 보호공 주변의 유속 분석을 통한 흐름 특성을 검토하고 설계시 외력 고려를 위한 자료를 제공하기 위한 목적이 있다. 이를 위해 계단형 보모형에 대해 수리모형실험을 수행하였다. 폭 0.24 m, 총 길이 3.70 m, 높이 0.30 m인 순환실험수로를 이용하였으며, 계단형 보 모형은 5단으로 단 높이 2 cm와 단 길이 5 cm이며, 보 높이는 10 cm, 보 길이는 25 cm 모형으로 실험하였다. 하류에 전도식 게이트를 설치하여 하류 수위를 증가시키면서 보 하류부에서 발생하는 완전도수부터 하류수심이 보 높이를 초과하는 잠김흐름 조건에 대해 실험하였다. 측정기법은 입자영상측정계(Particle Image Velocimetry; PIV)를 이용하였으며, 상류영역부터 하류영역에 대해 보 주변 흐름의 순간적 유속분포를 확인하였다. 또한 측정된 전반적 흐름 양상에 대해 통계적 수리분석을 수행하였다. 흐름특성에 대한 연구는 향후 계단형 보의 물받이 길이 및 보의 적정 규모 설계시 중요한 자료가 될 것으로 기대한다.

• 한국수자원학회:학술대회논문집
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• 한국수자원학회 2021년도 학술발표회
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• pp.253-253
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• 2021

천수방정식에 대한 불연속 갤러킨 기법 (DG) 모형은 주로 양해법 기반으로 개발되어 적용되어 왔으나, 바닥마찰항의 처리, 과도한 CFL 조건 등의 불리한 점이 지적되어 왔으며, 이로 인하여 실제 적용에서 FDM, FEM 등 다른 고전적인 수치기법과 비교하여 경쟁력을 갖기 어려웠다. 이에 대한 대안으로써, 최근, 불연속 갤러킨 기법에 대한 음해법 기반의 모형이 연구되고 있으며, 다소 복잡한 알고리즘에도 불구하고 적용이 확대되고 있다. 또한, 널리 알려진 바와 같이, 천수방정식의 실제 하도에 대한 적용에 있어 문제점 중 하나는 나비에-스토크스 방정식으로부터 유도할 때 사용된 정수압 가정으로 인하여, 하도의 계단과 같은 불연속 지형에 적용이 용이하지 않다는 것이다. 본 연구에서는 기존에 개발된 불연속 갤러킨 음해법에 불연속 지형의 해석을 위한 표면경사법(surface gradient method)을 결합하여 이러한 문제에 효과적으로 대응할 수 있는 기법을 제시하였다. 개발된 모형의 검증을 위하여, 제방 등 하도 구조물 위의 장주기 조석흐름, 홍수파, 계단 등을 포함하는 댐 붕괴류 모의에 적용하고 실용적인 기능성을 검증하였다. 향후 구조물이 많은 국내 하천에 적용이 가능할 것으로 사료된다.

• 한국수자원학회:학술대회논문집
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• 한국수자원학회 2011년도 학술발표회
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• pp.142-142
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• 2011

자연형 하천 복원 사업은 하천 복원 사업과 함께 친환경적 기능을 중시하는 연구가 활발하게 진행중이다. 본 연구에서는 계단형 낙차공의 평면형상의 곡선형 낙차공에서의 수리모형 실험과 수치모의를 통해 흐름 특성 및 형상을 검증하였다. 계단형 낙차공으로 수리모형 실험과 수치모의를 한 결과 복잡한 수공 구조물의 흐름 특성은 동일하게 나타났다. 본 연구에서 수리모형과 수치모형은 동일한 SCALE과 실험조건으로 하였다. 계단형 낙차공은 우측에어도가 설치되어 있어 흐름이 우측으로 많이 편향 되어 세굴심이 일어나는 것을 확인 할수 있다. 이러한 세굴 특성은 실제 자연형 하천에 적용 되었을 경우 문제점을 야기 시킬 수 있으므로 본 연구 결과를 분석하여 물받이공 산정 등에 활용될 수 있을 것이다.

• 한국전산구조공학회논문집
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• 제21권4호
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• pp.401-410
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• 2008

보의 고유진동수는 진동해석 뿐만 아니라 구조물의 동적특성을 파악하는데 중요한 역할을 한다 보의 단면이 불연속적으로 변하는 계단형 보의 고유진동수 해석은 복잡하다. 이런 계단형 보의 진동해석은 Rayleigh-Ritz법, FEM 등과 같은 근사해석법이 흔히 사용되는데 이들 해석의 정확성은 분할요소의 수, 계산의 반복수, 가정처짐곡선의 형상에 따라 좌우된다. 본 연구에서는 계단형 외팔보의 등가보 변환 방법을 이용한 기본고유진동수의 근사해석방법을 제시하고자 하였으며 여러 예제에 대하여 제안방법과 유한요소해석 결과를 비교하여 그 적용성과 신뢰성을 검증하였다.

• 에너지공학
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• 제29권3호
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• pp.97-102
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• 2020

본 연구에서는 화재가 발생하였을 때 작동되는 옥외형 피난계단 구조물이 태풍에 따른 풍압이 작용하였을 때 내구성을 검증하기 위하여 단방향 유동-구조 연성해석을 진행하였다. 이를 위해, 피난계단 구조물 주위에 대한 유동장을 정상상태로 유동해석을 수행하였고, 이러한 해석결과를 구조해석을 위한 입력 데이터로 사용하여 구조응력, 변형량, 피로수명 등의 계산을 통해 내구성을 분석하였다. 유동해석 결과, 피난계단 구조물 형상에 따라 공기에 의한 유동 흐름이 다르게 나타났으며, 이러한 유동속도 분포는 구조물 표면에 전압력으로 작용하였다. 또한, 이러한 전압력에 의해 계산된 구조해석 결과, 최대응력값으로 계산된 안전율이 허용치 이상으로 나타났으며, 피로수명과 변형량 분석을 통해 내구성을 입증하였다.

• 재활복지공학회논문지
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• 제10권1호
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• pp.65-72
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• 2016

본 논문은 계단 보행 조건에서 작동할 수 있는 능동형 대퇴의지를 설계하고 구조 최적화를 통해 경량화를 진행하는 것을 목적으로 한다. 계단 보행 시 무릎에 걸리는 토크는 일반 보행에 비해 크므로 능동형 상대적으로 큰 토크를 낼 수 있는 동력 시스템이 필요하다. 또한 의지의 무게는 사용자의 착용감과 피로감과 연관이 되므로 의지의 경량화 설계 또한 필수적이다. 계단 보행 시 필요한 토크를 만들어내고 경량화와 소형화 구조를 적용하기 위해 플랫형 BLDC 모터를 사용하였다. 다양한 감속 장치를 이용해 필요 토크를 생성하고 작동각도 및 속도를 만족할 수 있게 감속비를 선정하였다. 구조 및 구동부 설계가 완료된 후 최적화를 통해 구조 경량화를 수행하였다. 계단 보행 시 나타나는 하중 조건을 고려하여 최적화를 수행하였으며, 해석 및 실험을 통해 최적화된 구조의 안정성을 검증하였다. 결과적으로 구조물의 강성은 유지하면서 위상 최적화와 형상 최적화를 통하여 무게를 감량하였으며, 공간 효율이 좋아졌다.