[논문]첨성대의 축조현황을 고려한 구조적 특성평가

김호수; 김정환

doi:10.9712/kass.2015.15.3.069

첨성대의 축조현황을 고려한 구조적 특성평가
Structural Characteristics Evaluation Considering Construction Circumstances of Cheomseongdae 원문보기

한국공간구조학회논문집 = Journal of the Korean Association for Spatial Structures, v.15 no.3, 2015년, pp.69 - 76

Abstract ▼ AI-Helper

Cheomseongdae is the masonry stone structure with the cultural and historical values. But, this structure has the various damages such as cracks, gaps, slope variations and ground subsidence. So, the interests for the safety security in the structural parts have been increased. Therefore, this study performs the structural modelling which considers the several damage cases, and then evaluates the structural behavior characteristics through the discrete element analysis. Especially, this study checks the swelling and displacement gap of the whole structure and the separation between the neighboring members.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

그러나 오랜세월이 지남에 따라 균열 및 이격, 기울어짐 현상 등의 다양한 손상유형이 나타나 구조적인 측면에서 안전성 여부에 대한 관심이 증대되고 있는 실정이다. 따라서 본 연구에서는 현재 첨성대의 다양한 손상현황과 지반침하 현황을 고려한 구조모형화 방안을 실시하고 개별요소해석기법을 적용하여 첨성대의 구조적 특성을 평가하고자 한다. 특히 해석결과의 다양한 분석을 통해 첨성대의 배부름과 찌그러짐 및 이격발생부재의 벌어짐 현상을 검토하고자 한다.
따라서 본 연구에서는 현재 첨성대의 다양한 손상현황과 지반침하 현황을 고려한 구조모형화 방안을 실시하고 개별요소해석기법을 적용하여 첨성대의 구조적 특성을 평가하고자 한다. 특히 해석결과의 다양한 분석을 통해 첨성대의 배부름과 찌그러짐 및 이격발생부재의 벌어짐 현상을 검토하고자 한다.

제안 방법

본 연구에서는 보다 정확한 3D 모델링을 위해 [Fig. 3]과 같은 실측도면 자료의 각 단별 평면도, 입면도 및 단면도 등을 이용하여 [Fig. 4]와 같이 정형화 작업 및 3D 모형화 작업을 수행하고 이어서 3D 모형화의 부재 좌표를 도출하여 3DEC 모델링을 구축하는 작업을 수행하였다.⁵⁾ 또한 지반의 경우 [Fig.
지반침하 반영모델을 대상으로 [Fig. 16]과 같이 동측과 서측의 X축 변위차, 남측과 북측의 Y축 변위차를 각 단별로 측정하였고 각각의 변위차를 이용하여 배부름 현상과 찌그러짐 현상을 분석하였다. 동, 서측의 X축 변위차를 측정한 결과, 전체적으로는 하부에선 배부름 현상이 발생하였으며 상부에선 일부 찌그러짐 현상이 발생한 것으로 나타났다.
첨성대에 이격이 발생된 부재에 대해서 벌어짐 현상의 진행 여부를 파악하기 위해 [Fig. 17]과 같이 지반침하 반영모델을 대상으로 동측 6단, 서측 10단, 북측 8단 및 20단에 이미 이격이 발생한 부재를 선정하여 X축 및 Y축 변위를 검토하였다.
첨성대의 기본적인 축조현황과 현재 발생된 균열, 이격 등 각종 손상현황과 내부의 적심을 고려하였고 특히 [Fig. 7]과 같이 첨성대의 수평방향 기울기 1°19′ (약 1.3°)를 반영하였다.

대상 데이터

따라서 ‘석조문화재 안전관리 방안 연구보고서’의 내용1)을 바탕으로 [Table 1] 및 [Table 2]와 같이 석재 및 절리면의 재료 특성을 설정하였으며, 풍화도 3등급의 데이터를 적용하였다.

이론/모형

6]과 같이 블록구성 모델과 절리면 구성모델을 이용하게 된다.⁵⁾ 따라서 블록구성 모델로는 모아-쿨롱소성모델을 사용하고 절리면 구성모델로는 면접촉 모델을 이용한다.

성능/효과

1) 해석모델에 따른 거동분석결과, 지반침하 반영모델이 기본모델에 비해 상대적으로 큰 응력 및 변위값이 나타났다. 또한 전체적으로 응력은 상부에서 하부로 갈수록 증가하는 경향이 나타났는데 이는 상부하중이 하부로 전달되면서 부재자중의 누적과 함께 지반침하 현상이 반영된 결과로 판단된다.
2) 배부름 및 찌그러짐 현상 검토 결과 전체적으로 하부에서는 배부름 현상이 발생하였고 상부에서는 찌그러짐 현상이 나타났다. 이는 1단부터 11단 내부에 있는 적심의 측압의 영향을 받아 배부름 현상이 발생한 것으로 판단되며 상부에서는 적심의 영향을 받지 않고 부재들이 개별적으로 거동하면서 찌그러짐 현상이 발생한 것으로 판단된다.
3) 이격발생 부재의 벌어짐 현상 검토 결과 내부 적심이 있는 단에서 적심이 없는 단보다 상대적으로 큰 벌어짐 현상이 발생한 것으로 나타났다. 이는 내부 적심의 측압의 영향으로 부재 사이의 이격이 발생된 것으로 판단된다.
14]와 같이 Y축 응력검토결과, 모든 방향에서 유사한 경향을 나타내고 있으며, 특히 북측에서 상대적으로 큰 경향을 보여주고 남측에서 작은 경향을 보여주었다. Y축 변위검토결과, 전체적으로 하부에서 상부로 갈수록 변위값이 증가하는 경향을 보여주었고, 특히 적심이 채워져 있는 하부에서는 북측의 결과값이 상대적으로 크게 나타났다.
[Fig. 12]와 같이 Z축 응력검토결과, 전체적으로 X축, Y축 응력에 비해 상대적으로 변동폭이 크게 나타났으며, 상부에서 하부로 갈수록 응력값이 증가하는 경향을 보여주었다. 또한 Z축 변위검토결과, 모든 방향에서 하부에서 상부까지 4.
16]과 같이 동측과 서측의 X축 변위차, 남측과 북측의 Y축 변위차를 각 단별로 측정하였고 각각의 변위차를 이용하여 배부름 현상과 찌그러짐 현상을 분석하였다. 동, 서측의 X축 변위차를 측정한 결과, 전체적으로는 하부에선 배부름 현상이 발생하였으며 상부에선 일부 찌그러짐 현상이 발생한 것으로 나타났다. 또한 남, 북측의 Y축 변위차를 측정한 결과, 하부 1단부터 11단까지는 배부름 현상이 발생하였고 12단 이후로는 찌그러짐 현상이 발생하였다.
13]과 같이 X축 응력검토결과, 일부 부재를 제외하면 모든 방향에서 전체적으로 유사한 경향이 나타났으며, 그 중 북측이 상대적으로 큰 경향을 보여주었는데 이는 북측의 지반침하로 인해 북측의 일부 부재들이 집중하중을 받는 것으로 판단된다. 또한 X축 변위검토결과, 적심이 채워져 있는 하부에서 동측과 서측의 변위가 상대적으로 크게 서로 반대방향으로 나타났는데 이는 내부적심의 측압 영향과 함께 배부름현상과 관련이 있음을 보여준다.
11]과 같이 Y축 응력검토결과, 전체적으로 비슷한 경향을 보여주었으며, 대체적으로 서측과 북측의 결과값이 상대적으로 크게 나타났고 남측의 결과값이 작게 나타났다. 또한 Y축 변위검토결과, 전체적으로 적심으로 채워져 있는 하부에서 북측의 변위가 다른 방향에 비해 상대적으로 크게 나타났다. 특히, 동측과 서측은 기단석에서 18단까지 변위가 증가하다가 20단까지는 떨어진 뒤 다시 증가하는 경향이 나타났는데 이는 19단과 20단에 위치하는 비녀석이 어느정도 긴결재 역할을 한 것으로 판단된다.
12]와 같이 Z축 응력검토결과, 전체적으로 X축, Y축 응력에 비해 상대적으로 변동폭이 크게 나타났으며, 상부에서 하부로 갈수록 응력값이 증가하는 경향을 보여주었다. 또한 Z축 변위검토결과, 모든 방향에서 하부에서 상부까지 4.5~5.8mm의 거의 일정한 변위값이 나타났다.
Z축 변위검토결과, 북측이 가장 크게 남측이 가장 작으며 동측과 서측은 유사한 것으로 나타났다. 특히 최대변위는 북측에서 약 144mm로 나타나 북측 지반의 평균 침하값 138mm보다 약간 증가한 것으로 나타났다.
15]와 같이 Z축 응력검토결과, 전체적으로 상부에서 하부로 갈수록 응력값이 증가하는 경향을 볼 수 있으며, 북측에서 상대적으로 큰 값이 나타났다. 특히 최대응력은 약 1.6MPa로 기본모델의 최대응력 0.46MPa에 비해 약 3.5배 증가하였다. Z축 변위검토결과, 북측이 가장 크게 남측이 가장 작으며 동측과 서측은 유사한 것으로 나타났다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	불연속체 구조물의 역학적 거동을 파악하기 위해 필요한 것은?	첨성대와 같은 조적식 구조물은 근본적으로 연속체구조물과는 다른 역학적 거동을 나타내는 불연속체구조물로서 다루어져야 한다. 불연속체 구조물의 역학적 거동을 파악하기 위해서는 특히 불연속면에 대한 모델링이 매우 중요하며, 불연속면의 역학적 특징을 잘 표현할 수 있는 개별요소법은 석재 사이의 미끄러짐, 큰 변위 및 회전, 균열에 의한 벌어짐, 석재의 완전한 분리, 새로운 접촉면의 탐색이 가능하다. 본 연구에서 사용되는 3DEC 프로그램2)은 불연속체 모델의 해석을 위해 개별요소법을 적용한 3차원 수치해석 프로그램으로써 [Fig.
	첨성대는 무엇인가?	첨성대는 신라시대에 축조된 조적식 구조물로서 문화적, 역사적 가치가 높고 당시의 과학적 수준을 보여주는 귀중한 문화재라 할 수 있다. 그러나 오랜세월이 지남에 따라 균열 및 이격, 기울어짐 현상 등의 다양한 손상유형이 나타나 구조적인 측면에서 안전성 여부에 대한 관심이 증대되고 있는 실정이다.
	첨성대에서 이격이 발생된 부재에 대해, 벌어짐 현상을 분석한 결과는?	[Fig. 18]과 같이 벌어짐 현상의 분석결과, 동측 6단 부재의 경우 두 부재 모두 북측으로 이동하였으며 각각의 변위는 약 22mm와 20mm로 2mm의 벌어짐 현상이 발생한 것으로 나타났다. 서측 10단의 경우에도 두 부재 모두 북측으로 이동하였으며 그 변위값은 약 36mm 및 32mm로 변위차는 4mm로 나타났다. 또한 북측 8단 부재의 경우 서측으로 이동하였고 그 변위값은 3mm와 10mm로 7mm만큼 벌어짐이 발생한 것으로 나타났으며, 북측 20단 부재의 경우 동측으로 이동하였고 그 변위값은 각각 4mm 및 3mm로 1mm로 매우 미소한 벌어짐 현상이 나타났다.

참고문헌 (6)

National Cultural Properties Research Institute, "Safety Management Research of Stone Cultural Properties", 2011
Itasca Consulting Group, 3 Dimensional Distinct Element Code User's Guide, 2003
H.S. Kim, S.I. Hong, "Analysis Method for Masonry Stone Pagoda using Discrete Element Method", Journal of the Architectural Institute of Korea Structure & Construction Vol.23, No.2, 2007
K.T. Kim, "A Study on the Chumsungdae's Figures and Functions", Publication of the Korean Astronomical Society, Vol.28, No.2, 2013
J.H. Kim, H.B. Jeong, H.S. Kim, "Structural Modelling Considering Construction Type of Cheomseongdae", Proceedings of Korean Association for Spatial Structures, Vol.11, No.1, 2015
H.G. Choi, S.G. Hong, "Structural Analysis and Stability of Cheomseongdae based on Graphic Statics", Proceeding of Autumn Annual Conference of the Architectural Institute of Korea Structure & Construction Vol.26, No.1, 2006

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용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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