KR940009457B1 - 파도를 감쇠시키는 방법 및 장치 - Google Patents

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Abstract

내용 없음.

Description

파도를 감쇠시키는 방법 및 장치
제 1 도 : 물의 깊이가 입사파도의 파장에 비해 얕은 경우 탱크가 있고 멀리 떨어진 파도의 계를 개략적으로 나타낸 도면.
제 2 도 : 제 1 도의 탱크에 유압작동기를 통하여 병진운동을 가하는 개략도.
제 3 도 : 제 2 도의 유압작동기를 강성의 단순 스프링으로 대신한 개략도.
제 4 도 : 제 3 도에 있어 탱크의 측벽을 제거하고 케이블로 고정시킨 평판으로 구성한 파도 감쇠기의 개략도.
제 5 도 : 물의 깊이 11m에서 수면으로부터 1.5m 잠긴 길이 L=12m, 두께 e=0.24m인 평판의 파도 주기에 따른 효율 R의 그래프.
제 6 도 : 물의 깊이가 입사파도의 파장에 비해 클 경우 두 평판을 적당한 높이로 설치함으로 "물의 벽" 현상이 시작되는 개략도.
제 7 도 : 물의 깊이 20m에 잠기고 해저로부터 하나는 14m 다른하나는 18m 즉 서로 4m 거리만큼 떨어진 길이 12m, 두께 0.24m의 두겹판으로 구성된 장치의 파도 주기에 따른 효율 R의 그래프.
제 8 도 : 두가지 형태의 장치를 연속적으로 파도의 통로에 차례로 연합시킨 장치의 개략도.
제 9 도 : 세 평탄을 평행으로 겹쳐놓은 장치의 개략도.
제 10 도 : 주위 환경과 조건이 나쁜 경우 가능한 구성의 개략도.
제 11 도 : 보호받는 제방과 등심선(等深線)과 파도의 방향을 나타낸 개략도.
제 12 도 : 본 발명에 따라 설치된 수심 35m에 3m 물에 잠기고 H 방향에 수직인 너비 12m, 두께 1.2m인 평판의 개략도.
제 13 도 : 제 12 도의 장치에 의해 얻어진 효율의 그래프.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
1 : 유압 작동기 2, 2' : 케이블
3, 3', 4, 4' : 평판 5, 5' : 릴
P1: 주평판 P1, P2, P3: 평판
C : 케이블 D : 제방
본 발명은 해안 또는 연안 구조물이나 시설을 보호하기 위한, 파도를 감쇠시키는 방법 및 장치에 관한 것이다.
건축하는데 매우 비용이 싸며, 유지하는데 최저 비용을 요구하며, 나쁜 날씨 조건에도 견디며, 용적 톤수가 적은 배들의 항해를 방해하지 않고, 부지의 미관을 해치지 않는 파도 감쇠 장치를 설치함으로써 해양 산업 활동의 많은 부분에 커다란 유익이 있다는 것은 알려져 있다.
이 장치의 적용예 중 몇가지를 언급하겠다.
-항구와 자연 피난처에서의 물의 들이 침 감소
-피로 징후를 보이기 쉬운 제방의 보호
-연안 설치물(또는 유형의 범장(帆裝)과 물에 잠긴(저장탱크등)의 보호
-바닥에서의 작업(구조물의 운반, 조립식 요소들의 조립 : 수면에 떠있는 기름의 제거 등)의 안정성 향상.
-파도로부터 에너지 회복
이러한 종류의 효과를 나타내려고 많은 장치들이 이미 제안되었다. 실질적으로 이러한 주제의 철저한 연구조사는 1971년 5월 미국 해군성에 의해 발생된 리포트 R127에서 뚜렷히 발견될 수 있다.
그럼에도 불구하고 이제까지 제안된 장치들은 일반적으로 점성으로 인한 감쇠 효과들을 포함하는 재료 요소들을 사용하며, 반면에 파도가 주기적인 진동형 현상이라면 이런 굽이치는 현상에서 통상의 수학적 계산 결과의 수단들을 사용하는 것과 감쇠를 얻는 것은 더욱 장래성이 있을 것이다. 이제 본 발명은 그런 경우가 아니며, 소위 "물의 진동벽"이라 명명되어질 현상의 개념에 기초한 계의 완전히 새로운 형태에 정확한 목적이 있고, 이러한 형태의 굽이치는 현상의 이론적 계산에 기초한 장치는 실제로 값싸고 간단한 재료 요소들에서 요구되어진 결과들을 얻는다.
본 발명의 이해를 쉽게 하고자 먼저 거기에 있는 기초 이론이 설명될 것이다.
[물의 진동벽 현상의 서술]
설치 지점에서 물의 깊이에 따라 두가지 가능한 경우를 생각할 수 있다.
제 1 경우 : 물의 깊이가 입사파도의 파장에 비해 얕다.
이 경우 해저에 놓이고 입사파 Ф1에 수직인 길이L, 높이 h의 평행육면체를 생각한다면, 멀리 떨어진 파도의 계는 입사파 Ф1와 반사파 ФR그리고 앞서 말한 탱크에 의한 회절파 ФD로 구성된다. 제 1 도는 이것을 설명한다.
식 X(t)=Aeiwt로 수평 병진 운동을 상기 탱크에 가하는 수중 작동기(1)와 같은 어떤 기계 장치를 생각할 때, 탱크의 양면에서 퍼지는 두 방사파 Фr과 Фr'의 계는 상기 파도계에 겹쳐질 것이다. 제 2 도는 이것을 설명한다.
작동기(1)의 운동의 진폭 A를 정확하게 조절함으로써 ФR이 ФD와 같은 진폭을 갖는 것은 언제나 가능할 것이며 반면에 작동기의 병진 운동의 위상을 조절함으로써 Фr이 ФD의 반대 위상에 위치하고 방사파 Фr와 회절파 ФD가 상호간 상쇄되어 그래서 이상적인 파도 감쇠기를 얻을 수 있다.
수학적으로 기술하면, 관성력과, 수학적인 힘과 그와 연관된 결과들의 영향을 받는 고체의 운동을 지배하는 뉴톤 방정식에서 작동기(1)이 강성의 단순 스프링 K로 대치될 때 이상적인 감쇠기 특성을 보존하기 위한 최소한의 파도 주기가 항상 존재한다는 것이 관찰될 수 있다. 이 경우 존재한 스플래싱(splashing) 현상이 탱크의 앞면에서 관찰되고 제 3 도는 이것을 설명한다.
또한 스프링 k의 계수가 영이되도록 탱크의 질량에 M의 값을 정하는 것은 훨씬 더 가능하다. 이때 어떤 방법으로 이 탱크를 작동시키는 것이 반드시 필요하지는 않으나, 탱크가 있는 이상적인 파도 감쇠기가 얻어진다.
마침내 그 탱크에 대하여 높이 h가 고정되어지면 질량 M이 대치된 물의 체적에 해당하는 질량과 같아지도록 너비 L을 정한다. 이 순간, 탱크는 물로 가득찬 용기에 상당하며 오직 수직력만 받게 된다. 이러한 조건에서 탱크의 측벽을 제거하는데 있어, 단점이 없으며, 따라서 팽팽한 케이블 2, 2'로 고정되고 약간의 부력을 받는 얇은 평판으로 탱크를 대신한 이상적인 파도 감쇠기가 만들어진다.
다시 말해, 이론적으로 "이상적인" 파도 감쇠기 즉, 단지 적당한 크기와 적당한 깊이에 잠긴 단일 평판으로써 입사파도를 완전히 소멸시키는 파도 감쇠기를 생각할 수 있으며, 그래서 이러한 평판아래 한정된 물의 갈라짐은 이런 감쇠를 얻도록 요구된 진폭과 위상을 가지고 수평으로 진동한다. 이것이 물의 진동벽 현상이라 명명되었으며 제 4 도는 이것을 설명한다.
실제적으로 관련 변수들의 수와 크기는 최대 감쇠효과 즉 주어진 조건에서 최적조건을 얻도록 추구할 수 있는 것이라는 것은 명백하며, 이러한 효율은 공식
Figure kpo00001
로 나타난다.
예를 들어 물의 깊이 11m에서 수면으로부터 1.5m 잠긴 길이 L=12m, 두께 e=0.24m인 평판에 대해 효율 R은 제 5 도에 나타난 그래프에 따라 파도의 주기에 따라서 변화한다. 그러므로 이러한 제 1 의 경우에 진동수의 넓은 범위에 걸쳐 이 효율은 우수한 것으로 나타난다.
제 2 의 경우 : 물의 깊이가 입사 파도의 파장에 비해 크다.
실제적인 기술적 구성을 얻기 위해 이러한 경우 윗판 P1의 윗면과 아래판 P2의 밑면 사이에 높이 h 만큼 떨어진 모형 탱크를 설치함으로 "물의 벽" 현상은 시작 되어질 것이다. 제 6 도는 이것을 설명한다.
제 1 의 경우와 같은 방법으로, 물의 깊이 20m에 잠기고 해저로부터 하나는 14m 다른 하나는 18m 즉 서로 4m 거리만큼 떨어진 길이 12m 두께 0.24m인 두 겹판들로 구성된 장치에 대하여 파도의 주기에 따르는 효율을 정할 수 있다.
그때 우리는 제 7 도에 나타난 그래프를 얻으며 또한 그 그래프는 합리적인 진동수 범위에서 매우 만족할만한 효율을 지시한다.
물론 두가지 형태의 장치를 연속적으로 즉 파도의 통로에 차례로 연합시키거나 평행으로 즉 다른 것 위에 하나를 겹쳐 놓아 연합시키는 것은 두가지 다 가능하여 바람직하다. 제 8 도와 9 도는 각기 이것을 설명한다.
제 8 도에서 두 평판 3, 3'으로 구성된 긴 파도 감쇠기가 먼저 설치되고 다음에 두평판 4, 4'로 구성된 짧은 파도 감쇠기가 처음 것보다 얕은 깊이에 설치된다.
이에 반해 제 9 도에서는 겹쳐 놓여진 세 평판 3, 3', 4'가 사용되며 평행으로 작용한다.
이제 구체적인 이행을 언급하면 이것은 다음에 따라 매우 다양한 형태들을 취할 수 있다 :
-물의 깊이
-조수 범위의 크기
-지반의 성질
-입사파도의 특성
-파도 감쇠기의 성능
주어진 위치에 가장 적합한 감쇠기를 정하는데 고려될 수 있는 변수들의 수는 매우 많다. 이 조건은, 점성으로 인한 감쇠 효과의 장점을 가졌던 선행한 파도 감쇠기와는 반대로, 적용된 장치가 아무리 복합하더라도 굽이치는 성질의 물의 진동벽 현상이 계산에 의해 쉽게 파악될 수 있기 때문에 본 발명의 내용에 그다지 불리하지 않다. 그러므로 완전한 예비 설계가 이미 존재하는 수학적인 모델들(최적의, 수력학적 작용, 구조설계, 앵커링(anchorings)에 전달된 힘등)로부터 생각될 수 있다. 작은 크기의 모형들에 행하는 실험은 그 계획안을 구체화시키기 전에 이론적인 예측들의 합리성을 확립하는데 필요하다.
예를 들어, 특히 다음과 같이 형편이 나쁜 경우 가능한 구성이 제 10 도에 도시되어 있다 :
-조수의 범위가 상당하다.
-물이 매우 깊다.
-바다의 조건이 매우 나쁘다.
-지반의 성질 때문에 큰 고정력을 취하는 것이 불가능하다.
제 8 도와 비교하여 나타난 경우로 두 연속적인 감쇠장치들은 다음의 네 평판으로 구성되었다 :
P1: 앵커링에 전달된 동역학적힘을 감소시키도록 고안된 주평판
P2: 긴 파도를 감소시키며 잠긴 깊이가 릴(reels) 5에 의해 지지된다.
변화할 수 있는 평판들
P3: 짧은 파도를 감쇠시키는 두 평판으로 잠긴 깊이는
P4: 변화할 수 있으며 릴(reels) 5'에 의해 지지된다.
바다 조건들의 전개가 언제나 매우 느리다는 사실을 감안한다면, 평판 P2와 두 평판(P3, P4)을 물에 잠기게 하는 케이블 릴 5와 5'는 오직 매우 낮은 동력으로 전개되어야만 한다.
이런 릴의 조절기는 최적화가 단지 조수 범위에 따라서 요구되었거나 혹은 바다의 조건에 따라 요구된 수성인지 아닌지에 따라 다소 복잡해질 수 있거나 덜 복잡해질 수 있다.
제 1 의 경우에 조절기는 단순히 압력감지기에 의해 작동되며 제 2 의 경우는 반드시 마이크로프로세서(microprocessor)에 의해 작동된다.
더우기 현재는 입사파도의 전부 혹은 일부를 흡수하도록 평판 P2또는 두 평판 P1, P 흔들리며 요동하는 운동의 장점을 취하기 위해 릴의 조절기가 쓰여질 수 있다. 즉, 입사파도의 에너지를 회복시키거나 단지 릴의 작동에 요구된 에너지를 공급하기 위해.
위의 실례는 당연히 설명으로써만 단지 주어질 뿐이며, 본 발명은 서두에 기술한 적용예에 한정되는 것은 아니지만 파도 현상의 결과들은 감소시키면 효과를 지닌 "물의 진동벽"을 만드는 빔(beam)들의 모든 연결과 조합을 포함한다.
그러므로 제 11 도에서 제 13 도까지는 다른 조건에서의 제방의 보호를 위한 응용예로써 본 발명의 다른 실시예를 설명한 것이다.
제 11 도는 참조기호 D로 표시된 보호받는 제방과 5, 10, 20, 35, 40m에 있는 등심선(等深線)과 일반적인 파도의 방향 H를 도식적으로 보여준다.
본 발명에 따라 제 12 도에 나타난 것처럼 해저 35m에 3m 물에 잠기고 H방향에 수직인 너비 12m 두께 1.2m인 평판 P에 의해 제방은 보호받는다. 그 평판은 큰 부력을 받고 강체로 되어 있으며 가벼운 금속이 10mm 두께로 피복되어 있다. 그 평판의 각 단부로부터 1m 떨어진 곳에 위치하고 그 평판의 그 지점으로부터 평판의 길이방향으로 각기 8m 떨어진 곳에 위치한 블럭들을 통하여 해저에 매여진 케이블 C에 의해 평판이 보지되어 있다. 이러한 케이블들은 파도 층에 평행 방향으로 간격을 두는 10m 케이블을 포함한 미터당 10,000톤의 강성을 갖는다.
이러한 장치에 의해 얻어진 효율은 제 13 도에 그래프로 나타나며 파도의 주기 4.5초로부터 7초 동안 80과 100% 사이에서 아주 만족적으로 생각되어질 수 있다.
단순성이 명확한, 본 발명에 따른 장치를 통해 가장 일반적인 환경에서 파도의 결과들에 대하여 제방 D가 효과적으로 보호받는다는 것이 고려될 수 있다.

Claims (13)

  1. 해안 또는 연안 구조물이나 시설물을 보호하기 위해 파도를 감쇠시키는 방법에 있어서, 방사파계를 발생시키는 "물의 진동벽(oscillating wall of water)" 형태로 구체화되는 굽이치는 형태의 현상을 입사파도로부터 발생시키는 것으로 구성되며, 상기 방사파는 상기 "물의 진동벽"으로부터 하류에 존재하는 회전파와 합성되어 0 또는 낮은 진폭의 결과를 발생시키는 것을 특징으로 하는 파도 감쇠방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 굽이치는 현상은 입사파도에 수직으로 어떤 깊이에 설치되는 평행 6면체 탱크에 의해 발생되는바, 상기 탱크는, 입사 파도 주기의 넓은 범위동안 상기 탱크와 하류에 나타난 회절된 파도에 소멸 또는 현저한 감쇠를 일으키는 진폭과 위상으로 진동을 발생시킬 수 있는 질량을 지니는 것을 특징으로 하는 방법.
  3. 제 1 항 및 제 2 항중 어느 한 항에 있어서, 상기 탱크는 단지 해수로 가득찬 용기로 구성되고, 상기 탱크의 크기는 탱크의 질량이 대체된 물의 질량과 같으며 그 용기는 오직 수직력만 받는다는 것을 특징으로 하는 방법.
  4. 제 1 항 내지 3 항중 어느 한 항에 있어서, 상기 진동은 용기내에 담긴 전체 물기둥 질량의 진동이며, 용기는 상기 굽이치는 현상이 "물의 진동벽" 현상이 되도록 측벽을 가지지 않게 하는 것을 특징으로 하는 방법.
  5. 제 1 항 내지 4 항중 어느 한 항에 있어서, 다른 크기에 비해 아주 얇은 두께를 가지고, 얇은 판과 해저 사이의 물의 질량이 탱크의 질량과 같으며 상기 평판은 오직 수직력만 받도록 해저로부터 이격된 거리에서 물에 잠긴 적어도 하나의 평판에 의해 상기 "물의 진동벽"이 획득하는 것을 특징으로 하는 방법.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항중 어느 한 항에 따른 방법을 사용하여 해안 또는 연안구조물이나 시설물을 보호하기 위해 정해진 위치에 설치되는 파도감쇠장치에 있어서, 물의 깊이가 입사 파도의 파장에 비해 낮은 경우 어떤 깊이로 물에 잠긴 얇은 수평형 판으로 구성되며, 상기 평판은 상기 "물의 진동벽"이 평판과 해저사이의 물기둥을 구성하도록 견고한 지지물에 고정되거나 약간의 부력에 의해 팽팽히 당겨진 케이블을 통해 고정되는 것을 특징으로 하는 파도감쇠장치.
  7. 제 1 항 내지 제 5 항중 어느 한 항에 따른 방법을 사용하여 해안 또는 연안 구조물이나 시설을 보호하기 위해 정해진 위치에 설치되는 파도감쇠장치에 있어서, 물의 깊이가 입사 파도의 파장에 비해 클 경우, 상기 "물의 진동벽"은 다른 깊이로 잠겨져 상기 각각의 다른 깊이로 유지되는 두개의 겹쳐진 판들 사이에서 발생되는 것을 특징으로 하는 파도감쇠장치.
  8. 제 6 항 및 제 7 항중 어느 한 항에 있어서, 파도감쇠방법을 달성하기 위한 진동수의 범위를 확대하기 위해, 다양한 상기 "물의 진동벽"들이 연속적으로 또는 평행하게 연계되는 것을 특징으로 하는 장치.
  9. 제 6 항 내지 제 8 항중 어느 한 항에 있어서, 상기 장치는 상호 수직이격되어 겹쳐져 배치된 2개 또는 몇개의 물에 잠긴 평판으로 구성되어 상기 평판들 사이에 있는 물의 질량이 "물의 진동벽" 현상에 따라 진동하는 것을 특징으로 하는 장치.
  10. 제 6 항 내지 제 8 항중 어느 한 항에 있어서, 상기 장치는 상호 수평 이격된 2개 또는 여러개의 평판으로 구성되어, 상기 평판들과 해저 사이에 위치한 물의 질량이 "물의 진동벽" 현상에 따라 진동할 수 있는 깊이에 잠겨지는 것을 특징으로 하는 장치.
  11. 제 6 항 내지 제 8 항중 어느 한 항에 있어서, 상기 장치는 수평으로 간격을 두고 설치된 물에 잠긴 2개 또는 여러개의 평판 구조로 구성되고, 상기 구조는 각각 서로 이격된 2개 또는 몇개의 겹쳐진 판들로 구성되며, 그 판들 사이에 위치한 물의 질량들은 "물의 진동벽" 현상에 따라 진동하는 것을 특징으로 하는 장치.
  12. 제 1 항 내지 제 5 항의 방법을 실행하는 장치에 있어서, 상기 장치는 다른 크기에 비해 두께가 얇으며 조절가능한 높이로 해저 상의 물에 잠긴 적어도 하나의 평판으로 구성되는 것을 특징으로 하는 장치.
  13. 제 12 항에 있어서, 위치의 특성들(깊이, 조수범위)과, 파도의 특성들(주기와 진폭)에 따라 각기 입력감지기 또는 마이크로프로세서를 통하여 평판들중 적어도 하나의 침수 설정이 최적으로 정해지는 것을 특징으로 하는 장치.
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