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석조 홍예아치교의 구조적 안정성 평가시스템 개발
Development of a Structural Safety Evaluation System for Stone Voussoir Arch Bridges 원문보기

한국전산구조공학회논문집 = Journal of the computational structural engineering institute of Korea, v.22 no.1, 2009년, pp.15 - 23  

김남희 (서울대학교 교량설계핵심기술연구단) ,  고현무 (서울대학교 건설환경공학부) ,  홍성걸 (서울대학교 건축공학과)

초록
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압축력에 강한 석조 홍예아치교의 경우 재료적 음력한계보다는 구조적 형상의 불안정성에 의해서 구조물이 붕괴된다. 이러한 특성을 고려하면, 석조 홍예아치교의 구조적 안정성 평가에는 구조물의 붕괴기구 형상에 초점을 둔 한계상태 해석이 보다 적합하다. 이 연구에서는 한계상태 해석법을 이용하여 건식법(dry construction)으로 축조된 우리나라 석조 홍예아치교의 구조적 거동을 살펴보고, 이 결과를 구조적 안정성 평가시스템 개발에 이용하고자 한다. 이 연구결과는 우리나라 석조 홍예아치교의 구조적 거동을 이해하는데 도움이 되며, 향후 문화재 유지관리 측면에서 공학적 판단기준을 주리라 기대한다.

Abstract ▼ AI-Helper 아이콘AI-Helper

Masonry structures that are very strong in compression fail due to the instability of structural shape of geometry rather than the material stress limit. Considering such structural behavior, the use of the limit theorem that focuses on structural collapse mechanisms is more appropriate for the eval...

주제어

#석조 홍예아치교   #한계상태 해석법   #추력선   #붕괴기구   #홍예아치의 안정성   #구조적 안정성 평가시스템  

AI 본문요약
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문제 정의

  • 평가를 수행하였다. 스팬길이가 9.1m로 비교적 긴 석조 홍예교에 속하는 선암사 승선교에 대해서 평가를 수행해 보았다. 그림 15에서와 같이 소성영역이 어디에서 발생 하든지 전 영역에서 최대 수평추력이 최소 수평추력보다 크게 나타나는 안정적 결과를 보여주었다.
  • 도해법이나 유한요소법을 이용해서 구조해석을 수행하는 경우. 아치 구조의 구조적 안정성은 일반적인 압축재의 안전성 평가에서처럼 탄성영역에서 추력선이 단면핵에 존재하는 지 여부에 따라서 안정성을 평가한다. 그림 5는 단면의 1/3을 단면 핵으로 가정하여 추력선이 단면핵의 내부에 존재하는 경우를 도식화한 것이다.
  • 더욱이 기존 교량의 구조적 안정성 평가 이후 보강대책을 마련하는 경우라면, 단순히 하나의 변수만을 조절하여 구조적 안정성을 얻는 것은 매우 불합리하다. 이 연구에서는 구조적 안정성 평가와 더불어 보수보강에 도움을 주는 평가시스템을 개발하고자 다양한 주요 변수에 대해서 구조적 안정성 평가가 용이하도록 MATLAB을 이용하여 구조적 안정성 평가시스템을 개발하였다.
  • 그러나 문화재 교량의 유지관리 측면에서 옛 구조물에 대한 구조적 거동에 대한 공학적 연구가 거의 이루어지지 않은 까닭에 올바른 복원 또는 보수 보강이용이 하지 않다. 이 연구에서는 국내 옛 교량의 주된 시공 방법인 건식 석조 아치교의 구조적 거동에 대한 연구를 수행하고자 한다.
  • 이 연구에서는 동일한 소성힌지가 발생하는 위치에서 최대수평 추력과 이 최소 수평추력의 크기를 이용해서 구조적 안정성 평가를 수행한다. 아치의 설계 또는 보수보강측면에서 안전율이 적용되어야 하겠지만, 여기서는 논외로 한다.
  • 이 연구에서는 소성개념에 근거한 한계상태법을 이용하여 우리나라 옛 교량의 구조적 안정성을 살펴보았다. 특히, 허용 가능한 붕괴기구와 평형방정식을 이용하여 지점에서 발생하는 최소 및 최대 수평반력을 구한 결과를 구조적 안정성 평가에 이용하였다.
  • 소성영역이 발생하고, 소성힌지의 개수가 증가하면 결국 붕괴기구가 형성된다. 이 연구에서는 아치의 수평 추력의 한계상태를 이용해서 구조적 안정성평가를 수행하고자 한다. 그림 7은 추력선이 외호면 또는 내호면에 접한 경우를 보여준다.
  • 우리나라의 건식 석조 교량 구조물의 경우에 석재의 압축강도와 접촉면에서 발생하는 마찰력에 의해서 힘을 저항하고 있다. 이 연구에서는 이러한 특성을 고려하여 소성개념에 근거한 한계상태 구조해석법을 토대로 석조 아치교의 구조적 안정성 평가시스템을 개발하고자 한다. 우선적으로 한계 상태 개념을 이용하여 아치교의 구조적 거동에 영향을 주는 주요 변수들에 대하여 고찰하고, 이러한 주요 변수들을 변화시켜가면서 구조적 거동을 편리하게 살펴볼 수 있도록 구조적 안정성 평가시스템을 개발한다.
  • 특히, 교각을 포함한 하부구조의 규모가 다른 경우에는 구조적 안전성에 매우 커다란 영향을 미치며, 구조적 거동을 분석하기 위해서 별도로 다루어야 한다. 이 연구에서는 하부구조가 구조적 안전성에 영향을 주는 부분에 대해서는 논외로 하고, 상부 아치 구조의 안정성에 대해서만 살펴본다.
  • 반면에, 재료적 한계 상태를 이용한 소성해석법(Boothby 등, 1992; Boothby 1994; Molins 등, 1998)의 경우에는 구조물의 붕괴 기구를 가정하고, 이에 대한 소성해석을 통해서 구조적 안정성 평가가 가능하다. 이 연구에서도 이러한 맥락에서 소성해석을 도입하여 아치구조의 안정성 평가시스템을 개발한다.
  • 이와 같이 조적조 아치구조도 한계 상태를 예측할 수 있다고 가정하고 강구조의 한계상태 이론 (Horne, 1978)을 접목시켜서 조적조 석조아치구조의 거동에 대한 연구가 많이 이루어져 오고 있다(Boothby, 1992; 1994; Heyman, 1995). 이 연구에서도 한계상태 이론에 의한 구조적 해석을 통하여 아치구조의 안정성을 살펴본다. 이를 위해서 우선적으로 다음과 같은 가정들을 전제로 한다.

가설 설정

  • (b) 석재의 압축강도는 무한하다. 실제적으로 하중을 받는 아치에 나타난 압죽응력이 매우 낮기 때문에 구조해석이나 설계를 위해서 이러한 가정은 타당하다.
  • (c) 석재의 접합부에서 미끄러짐은 발생하지 않는다.
  • (d) 구조물에 붕괴기구(collapse mechanism) 가 발생할만한 소성힌지가 형성되면 구조물은 파괴에 이른다.
  • 석재 개체는 약간의 인장강도를 가지고 있지만 건식법 또는 약한 모르타르 시공 어느 경우에나 접합부에서는 인장력을 전달하지는 못한다. 따라서 구조적 안정성 측면에서 인장력만이 발생하는 부분에는 소성힌지 (plastic hinge) 가 발생한다고 가정하는 것이다.
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참고문헌 (14)

  1. 김남희, 고현무, 홍성걸 (2008) 전통석조아치교량의 구조적 거동에 대한 연구, 한국전산구조공학회 학술발표대회논문집, 1(2), pp.83-90 

  2. 대한토목학회 (2001) 한국토목공사-제4편 교량, 대한토목학회 

  3. 수표교 (2003) 실측조사 및 안전진단보고서, 서울특별시 

  4. 장기인 (1997) 한국건축대계 VII - 석조, 보성각 

  5. Block, P. (2005) Equilibrium Systems: Studies in Masonry Structure. M.S. thesis Cambridge:Massachusetts Institute of Technology 

  6. Boothby, T.E., Brown, C.B. (1992) Stability of Masonry Piers and Arches, J. Engrg. Mech, ASCE, 120(2) 

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  7. Boothby, T.E. (1994) Stability of Masonry Piers and Arches Including Sliding, J. Engrg. Mech, ASCE. 120(2) 

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  8. Creazzal, G., Matteazzi, R, Saetta, A., Vitaliani, R (2002) SAnalysis of Masonry Vaults: A Macro Approach based on Three-Dimensional Damage Model, J. Structural Engineering. ASCE. 128(5) 

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  9. Hong, N.K., Koh, H.M., Hong, S.G. (2007) Characteristics of Historical Arch Bridges In Korea, 5th International Conference On Arch Bridges. Maderia. Portugal 

  10. Heyman, J. (1982) The Masonry Arch. Chichester. Ellis Horwood 

  11. Heyman, J. (1995) The Stone Skeleton. Cambridge University Press. Cambridge. U.K 

  12. Horne, M.R. (1978) Plastic Theory of Structures. Pergamon Press, New York. N.Y 

  13. Molins, C., Roca, P. (1998) Capacity of Masonry Arches and Spatial Frames. J. Struct. Eng., 124(6), pp.653-663 

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  14. The Mathworks Inc. (2001) Introduction to Graphical User Interface(GUI) Matlab 6.5 

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