수문운영에 따라 상하류 수위차로 발생하는 압력변화는 수문 하단부 흐름에 변화를 주어 진동현상을 야기한다. 이러한 진동 현상이 발생할 경우, 구조적 위험성이 증가하여 치수의 기능을 상실할 수 있기에 진동에 대한 수문 안정성 및 위험성 검토에 대한 관심이 높아지고 있다. 본 연구에서는 상하류 수위차에 의한 진동으로 Radial Sluice Gate에 작용하는 구조적 영향을 피로해석 기법으로 분석하였다. 피로해석 모형으로 ANSYS 구조물 해석 모형에 포함된 Fatigue analysis tool을 사용하였으며 피로해석을 위한 입력값은 ANSYS CFX의 유체-구조 연성해석(Fluid-Structure Interaction, FSI)을 이용하여 시간대별 작용 하중을 산출하였다. 시간대별 작용 하중 결과의 최소 단위 기간을 한달로 설정하여 대표값으로 가정한 후, Radial Sluice Gate의 내구도 연한을 50년으로 산정하여 수문 개방고에 따라 진동 경향이 다른 4가지 조건에 대해 응력변화와 피로해석을 수행하여 비교하였다. 진동 크기가 증가함에 따라 응력변화가 커지는 것을 확인하였으며, 피로해석을 통해 구조물의 잠재 위험성을 확인하였다. 현재 수문진동 검토가 선택 과업으로 적용되고 있는 국내에서 본 연구 결과를 기초 자료로 활용하여 진동에 의한 구조적 영향 검토가 충분히 수행될 경우, 수문 설계와 진동 검토에 있어 현장의 특수한 여건을 반영한 안전성 및 위험성 예측 방법으로 유용하게 사용될 수 있을 것이다.

하천정비 사업과 치수, 이수 목적의 하천시설물이 증가함에 따라 시설물의 구조적 문제로 인한 사회적 피해예방을 위해 유지관리에 대한 관심이 높아지고 있다. 특히, 하천시설물 중 수문의 경우 개폐시 시간적, 공간적 흐름 변화가 크기 때문에 진동이 유발될 수 있다. 진동 발생 시 균열, 휨, 누수 등 안정성 문제가 발생하며 발생된 진동수가 구조물의 고유진동수와 일치하게 될 경우에는 공명현상으로 인해 붕괴될 수 있다. 이러한 피해 발생 후에는 많은 복구비와 노력이 필요하기 때문에 사전예방에 더 중점을 두어 설계해야한다. 종래의 진동해석 방법은 유체와 구조물의 해석을 각각 수행한 후, 시간 순서에 따라 유체의 해석결과를 구조물 해석의 초기 및 경계 조건으로 사용하였다. 따라서 수문의 부분 개방에 따른 유체흐름 변화에 의한 동수역학적 하중과 구조 변형에 의한 유체 흐름의 변화와 같은 지속적이고 상호적인 과정이 고려되지 않아 부정확성을 내포하였다. 반면에 FSI(Fluid-Structure Interaction) 분석은 유체와 구조물간의 상호작용을 시간과 공간에 있어 동시에 분석할 수 있어 이러한 부정확성을 감소시킬 수 있을 것으로 판단된다. 본 연구에서는 기존에 수리모형 실험 결과가 있는 Radial Sluice gate를 선정하였으며 수리모형실험과의 비교를 통해 FSI 분석의 적용성을 검토하였다. 수치모형으로는 FSI 해석이 가능한 CFX를 이용하였으며 수문의 개방비율에 따른 구조물의 변위를 분석하여 진동수를 산정하였다. 그 결과 진동해석에 FSI를 적용하는 것이 적합함을 확인하였고 수리모형 실험 결과와 전체적인 경향이 유사하다고 판단하였다. 추후 수문의 개방비율 뿐만 아니라 개폐중에 발생하는 진동수 변화에 대해서도 해석한다면 수문 운영에 따른 진동안정성을 검토하는데 중요한 자료로 활용될 수 있을 것이다.

급격한 기후변화와 무분별한 하천개발로 인한 하천특성의 변화는 치수 및 하천생태계 관리에 어려움을 주고 있으며 나아가 홍수 및 제방 붕괴로 인한 2차 피해를 유발시킬 수 있다. 하천특성은 흐름과 하상형태로 대표 될 수 있으며 하천특성과 관련된 각 인자들에 의한 하상형태 변화를 알 수 있다면 하천 및 생태계 관리에 중요한 단서를 제공 할 수 있다. 따라서 본 연구에서는 하천특성에 따른 하상변동을 정량화 할 목적으로 고정된 직선 개수로(폭 0.8 m, 길이 16 m, 높이 0.75 m)에서 실험을 진행한다. 하천특성과 관련된 각 인자들을 유량, 유속, 수위, Froude수, 하상재료로 결정하였고 하상재료로는 안트라사이트(D50 = 0.8 mm, S = 1.4)를 선택하고 하상경사는 일정하게 두었다. 실험은 크게 두 가지로 분류하여 첫 번째는 Froude수를 고정하고 유량 및 수위의 변화에 따른 하상변동을 관찰하는 방법이다. 두 번째는 유량을 고정하고 수위를 변화시켜 Froude수 변화에 따른 하상변동을 관찰하는 방법이다. 하상변동의 측정은 3D스캐너를 이용하며 획득 가능한 데이터로는 하상지형도와 하상고, 파장, 파고, 파상수가 있다. Froude수 및 유량 변화에 따른 흐름과 하상변동 특성의 결과를 정량화 할 주요인자로는 3D스캐너의 데이터 값을 대표 할 수 있는 파상수를 선택하였으며 하상지형도 및 파상수를 분석하여 각 실험조건별 정량화 가능여부를 판단 할 것이다. 이번 연구의 결과로 하천흐름 조건에 따른 하상변동을 예측할 수 있다면 치수 및 하천생태계와의 연관성도 고려하여 실 하천에서의 적용 및 관리와 하상 및 하천생태계의 변동도 예측할 수 있을 것이다.