본 연구에서는 Navier-Stokes solver에 기초한 TWOPM-3D와 자유수면을 효과적으로 추적할 수 있는 VOF법을 결합한 수치해석법으로 연안역의 육상 교량에 작용하는 고립파에 의한 지진해일파력을 수치적으로 검토하였으며, 연직벽체와 연직주상구조물에 작용하는 단파파력에 관한 기존의 실험치와 비교·검토하여 본 수치해석의 타당성을 검증하였다. 실제로 피해를 입은 교량에 대해 지진해일파고의 변화에 따른 파력의 특성을 수치실험을 통하여 조사하였으며, 육상 교량에 작용하는 지진해일파력의 추정에 항력 성분만을 고려한 Morison식으로부터 얻어진 항력계수의 결과와 설계기준과의 비교로부터 본 3차원 수치해석의 유용성을 논의하였다. 또한, 지진해일파력을 보다 고정도로 추정할 수 있는 합리적인 방법으로 항력과 관성력을 동시에 고려한 Morison식의 적용을 제안하였다.

우리나라 해안지역에는 많은 섬들이 위치하고 있어 대규모 지진해일이 발생하였을 때 섬과 지진해일의 상호작용으로 예기치 않은 지진해일 피해가 우려된다. 2011년 발생한 동일본 지진해일의 경우 제주도를 비롯한 남해안 섬들에 영향을 미쳤다. 본 연구에서는 천수이론에 근거한 수치모형을 이용하여 섬 중앙에 대하여 비대칭으로 입사하는 고립파의 처오름높이에 관하여 연구한다. 연구에서 얻은 결과는 지진해일의 급습에 대비한 방재대책을 수립하는데 사용될 수 있을 것이다.

본 연구는 고립파를 이용하여 수중에 설치된 연직구조물에 작용하는 지진해일 파력 측정 수리실험을 수행하였다. 다수의 파압계를 이용하여 구조물에 작용하는 파압분포를 측정하였고 측정된 파압분포를 통해 파력을 산출하였다. 측정된 실험결과를 바탕으로 해안구조물 설계에 사용되는 파압예측 경험식과 비교하였고 구조물 단면현상에 따라 파압분포의 차이를 분석하였다. 또한, 구조물 전 후면에서 파고측정을 통해 입사파와 투과파를 비교하였으며 구조물의 형상이 파고변화에 미치는 영향을 분석하였다.

내륙으로 범람한 지진해일은 구조물의 전도, 붕괴, 유실 등 다양한 피해를 발생시킨다. 2011년 발생한 동일본 지진해일 피해사례에 의해 다양한 연구들이 내륙으로 범람한 지진해일과 구조물의 상호작용 관계에 대해 분석하는 방향으로 연구가 집중되고 있고, 정확한 지진해일 하중산정을 통해 구조물의 피해를 최소화하기 위해 노력하고 있다. 이에, 본 연구에서는 지진해일의 특성을 잘 나타내는 고립파를 이용하여 연직구조물에 작용하는 파압을 2차원 수리실험을 통해 제시한다. 2차원 수리실험은 총 길이 32m의 고립파 발생이 가능한 피스톤 서보타입의 조파기가 설치된 2차원 조파수조에서 수행하였다. 일반적으로 먼 바다로부터 전파된 고립파는 쇄파가 발생하지 않기 때문에 쇄파가 발행하지 않는 조건인 상대파고() 0.1∼0.2로 하였고, 조파기로부터 발생된 고립파가 구조물에 도달하기 전까지 바닥마찰에 의해 발생하는 파고감소 영향을 최소화하기 위하여 구조물 전면에 파고계를 설치하여 파고를 분석하였다. 구조물에 작용하는 파압을 측정하기 위하여 아크릴로 제작된 구조물에 파압계를 연직으로 설치하여 파고변화에 따라 발생하는 파압분포를 동시에 측정하였으며, 발생한 최대 파압으로 파압분포도를 나타내었다. 2011년 동일본 지진해일 피해사례에 의하면 다수의 구조물이 유실 또는 전파되었으나 일반적으로 큰 창문과 문 또는 피로티 형식으로 된 구조물은 잔존한 것으로 보고되었다. 이에, 실험 구조물에 추가적으로 개구부가 존재하는 형태의 구조물을 이용하여 단순한 형태의 연직 구조물과 개구부가 존재하는 구조물에 발생하는 파압을 비교하여 개구부의 크기가 파압감소에 미치는 영향을 수리실험을 통해 도시하였다. 본 연구를 통해 직사각기둥에 발생하는 고립파의 연직파압을 측정하여 구조물에 작용하는 파력 산정하여 지진해일과 구조물에 상호작용관계를 분석하였으며, 정면에 개구부의 크기를 변화시켜 개구부가 파압을 감소시키는 영향에 대해 실험을 통해 제시하였다. 이를 통해, 지진해일 발생시 구조물에 작용하는 파력을 추산하여 연안 구조물에 발생이 가능한 피해규모를 예측 할 수 있도록 하였다.

해안 근처에서의 파의 변형은 매우 복잡하다. 그러므로 해안 근처에서의 파의 거동은 매우 정밀하게 분석하고 예측해야 한다. 또한, 해안구조물 건설시 파고가 제방 중량, 형상 등을 결정하는데 직접적인 영향을 미치기 때문에 구조물 근처의 변형된 파의 분석은 경제적이고 안전한 해안구조물의 건설과 밀접한 관련이 있다. 그러므로 더욱더 정확한 분석을 위해, 3차원 수치모형은 현재 널리 사용되고 있는 2차원 수치모형 대신 파의 변형을 분석하는데 사용되어야만 한다. 3차원 수치모형의 정확성을 파악하기 위해, 이번 연구에서는 고립파 처오름높이에 관련된 실험을 수치모형에 적용하였다. 본 수치모형은 Navier-Stokes 방정식에서 상대적으로 큰 에디(eddy)만을 고려하는 Space-filtered averaged Navier-Stokes 방정식의 해를 구한다. 본 연구에서 사용되는 LES 기법은 Smagorinsky SGS model을 이용하여 난류 해석을 한다. 그리고 Bi-CGSTAB 기법을 이용하여 Poisson 방정식을 해석함으로서 압력장을 계산하였다. 또한 변형된 자유수면의 추적을 위하여 2차 정확도 VOF 기법을 사용하였다. 위의 기법들을 사용하는 모델은 가파른 경사에서의 처오름 해석에 적용하였고, 수리실험결과와 비교 및 분석하였다.

급경사에서의 고립파의 처오름을 예측하기 위해 3차원 수치모형에 내부조파기법을 도입하여 수치모형실험을 수행하였다. 수치모형은 Navier-Stokes 방정식을 유한차분법을 이용하여 계산하는 동수압 모형으로서, 난류의 해석을 위해서 상대적으로 큰 에디(eddy)만을 고려하는 SANS(spatially averaged Navier-Stokes) 방정식을 푸는 LES(large-eddy-simulation) 기반의 수치모형을 사용한다. 엇갈림 격자체계에서 유한

Lagrange 방법과 B-spline 기법을 이용한 경계요소법으로 경사면에 작용하는 고립파의 특성을 연구하였다. 최대 처오름높이는 실험자료와 비교한 결과, 기존의 경계요소법에 의한 결과에 비해 높은 정확도를 나타냈다. 또한, 벽면 경사각의 변화에 따른 최대 처오름높이와 속도벡터의 변화를 나타내었으며, 경사면에 작용하는 동수압의 특성을 조사하였다.