[논문]라오스 홍낭시다 주신전 만다파의 구조적 거동특성 분석

김호수; 홍석일; 김소연; 김진완; 유준

doi:10.9712/kass.2017.17.3.035

문제 정의

따라서 본 연구에서는 먼저 홍낭시다 주신전 만다파의 축조 및 구성형식을 분석하고 이를 구성하고 있는 재료특성을 검토한 후 실측 및 복원도면을 이용한 구조모형화를 실시하고자 한다. 특히 주신전 만다파와 같은 조적식 구조물은 연속체가 아닌 불연속체의 거동특성을 나타내기 때문에 본 연구에서는 불연속체 요소 및 절리면 특징을 반영할 수 있는 개별요소 해석기법을 적용하고자 하며 이에 따른 위치별 응력 및 변위값을 분석하여 구조적 거동특성을 분석하고자 한다.
하중분배법은 프로그램의 해석 없이도 현장에서 기술자들이 빠른 시간 내에 구조물에 대한 대략적인 수직하중의 흐름을 분석할 수 있도록 하기 위한 방법이다. 본 연구에서는 상부 코벨아치로부터 하부 벽체까지의 힘의 전달 분포 검토를 위해 6~18단의 코벨아치와 벽체가창부를 대상으로 하중분배법을 이용한 하중전달매커니즘을 분석하여 Z축 응력 해석결과와 비교하고자 한다.
따라서 본 연구에서는 먼저 홍낭시다 주신전 만다파의 축조 및 구성형식을 분석하고 이를 구성하고 있는 재료특성을 검토한 후 실측 및 복원도면을 이용한 구조모형화를 실시하고자 한다. 특히 주신전 만다파와 같은 조적식 구조물은 연속체가 아닌 불연속체의 거동특성을 나타내기 때문에 본 연구에서는 불연속체 요소 및 절리면 특징을 반영할 수 있는 개별요소 해석기법을 적용하고자 하며 이에 따른 위치별 응력 및 변위값을 분석하여 구조적 거동특성을 분석하고자 한다. 또한 하중분배법을 이용하여 주신전 만다파의 벽체 및 코벨아치의 각 단별 부재에 따른 하중전달 매커니즘을 분석하고 해석결과값과 비교하고자 한다.

제안 방법

1) 본 연구에서는 라오스 홍낭시다 주신전 만다파의 구조모형화 및 구조해석을 통한 구조적 거동 분석을 위해 축조 및 구성형식에 대해 분석하였으며, 실측도면을 바탕으로 3D 구조모형화를 수행하였고, 불연속체 표현이 가능한 개별요소해석기법을 적용하여 부위별 응력 및 변위를 비교하였다.
5) 만다파 하중전달 매커니즘을 분석하기 위해 하중분배법에 의한 힘의 흐름을 파악하였다. 벽체 부재들은 하부로 갈수록 응력값이 증가하였으며, 좌측 벽체와 우측 벽체보다 코벨아치 자중이 벽체로 전달 되면서 폭이 줄어든 가창부분의 벽체 중앙에서 수직 응력이 집중되는 현상이 발생하였다.
첫째, 수직하중은 부재 자중으로 고려하며, 자중은 밀도에 부피를 곱하여 계산한다. 둘째, 상부 부재의 자중은 지지하고 있는 하부 부재의 접촉 면적비율에 따라 분담한다. 셋째, 응력은 각각의 블록 자중에 상부하중을 더한 후 해당블록의 평균면적으로 나누어 계산한다.
특히 주신전 만다파와 같은 조적식 구조물은 연속체가 아닌 불연속체의 거동특성을 나타내기 때문에 본 연구에서는 불연속체 요소 및 절리면 특징을 반영할 수 있는 개별요소 해석기법을 적용하고자 하며 이에 따른 위치별 응력 및 변위값을 분석하여 구조적 거동특성을 분석하고자 한다. 또한 하중분배법을 이용하여 주신전 만다파의 벽체 및 코벨아치의 각 단별 부재에 따른 하중전달 매커니즘을 분석하고 해석결과값과 비교하고자 한다.
본 연구에서는 보다 정확한 3D 구조모형을 모델링 하기 위해 ‘홍낭시다 유적 관련 고증연구 최종보고서’1) 를 참고하였으며 이를 최종 복원도면과 비교 후 구재, 신재를 구분하고 3DEC 프로그램8) 적용을 위한 부재 정형화 작업 및 3D 모형화 작업을 수행하고 이어서 3DEC 모델링을 구축하는 작업을 수행하였다.
둘째, 상부 부재의 자중은 지지하고 있는 하부 부재의 접촉 면적비율에 따라 분담한다. 셋째, 응력은 각각의 블록 자중에 상부하중을 더한 후 해당블록의 평균면적으로 나누어 계산한다. 이때 응력계산은 최상층의 블록의 경우 식 (1)과 같이 각각의 블록 자중만을 가지고 해당블록의 평균면적으로 나누어 응력을 계산하게 된다.
또한, [Table 10]의 벽체의 Z축 응력분포를 보면 표시한 부분과 같이 코벨아치 하부 벽체의 경 우 벽체 가창부분에 대해 응력이 집중되는 분포경향을 보여준다. 이에 따라 상부 코벨아치로부터 하부 벽체까지의 힘의 전달 분포를 살펴보기 위해 코벨아치와 벽체가창을 중심으로 6~18단에 대해 Z축 응력을 추가 검토하였다. 결과분석을 위해 좌우, 상하 대칭인 만다파 구조적 특징을 고려하여 4개의 벽체 중 동남 측 벽체를 선정하였으며, 측정위치와 각 단별 Z축 응력은 [Table 11]과 같다.
첫째, 수직하중은 부재 자중으로 고려하며, 자중은 밀도에 부피를 곱하여 계산한다. 둘째, 상부 부재의 자중은 지지하고 있는 하부 부재의 접촉 면적비율에 따라 분담한다.
하중분배법에 의한 하중전달매커니즘 분석을 위해 [Table 11]에서 검토했던 것과 마찬가지로 동남측 벽체를 선정하여 각 단별 응력전달을 분석하였다.
홍낭시다 주신전 만다파의 해석모델에 따른 해석 결과를 검토하기 위하여 응력 및 변위의 방향 축을 [Fig. 7]과 같이 설정하고, 코벨아치 벽체 4곳과 기둥 2곳의 측정위치를 표시하였다. 또한 벽체 및 기둥의 단별 측정위치는 [Table 4]와 같이 설정하였다.

대상 데이터

이에 따라 상부 코벨아치로부터 하부 벽체까지의 힘의 전달 분포를 살펴보기 위해 코벨아치와 벽체가창을 중심으로 6~18단에 대해 Z축 응력을 추가 검토하였다. 결과분석을 위해 좌우, 상하 대칭인 만다파 구조적 특징을 고려하여 4개의 벽체 중 동남 측 벽체를 선정하였으며, 측정위치와 각 단별 Z축 응력은 [Table 11]과 같다.

이론/모형

본 연구에서 사용되는 3DEC 프로그램은 불연속체 모델의 해석을 위해 개별요소법을 적용한 3차원 수치해석 프로그램으로써 모델링 시 블록들을 하나 하나 쌓아서 만들게 되는 블록구성 모델과 블록구성 모델 사이의 경계면을 이루고 있는 절리면 모델을 이용하게 된다. 블록구성 모델로는 일반적으로 흙, 암석, 콘크리트 재료의 표현이 가능한 모아-쿨롱소성모델을 사용하고 응력해석을 위해서 블록을 임의의 요소로 나누어 생성된 변형 가능한 블록을 사용한다. 블록 구성모델을 이용하여 모델링을 하면 블록과 블록이 만나는 불연속면이 존재하게 되는데 이러한 불연속면을 절리면 구성모델이라 한다.

성능/효과

2) 홍낭시다 주신전의 만다파 부분에 부분적으로 남아있는 코벨아치를 통해 크메르시대의 코벨아치와 유사하다는 결론을 얻었다. 또한 만다파 구성형식의 경우 적심 중앙 부분은 흙다짐으로 구성되고 흙다짐을 감싼 라테라이트가 둘러쌓여 있으며, 그 위에 라테라이트, 만다파 바닥 석재가 쌓여있을 것으로 추정된다.
3) 만다파 벽체 및 기둥에 대한 구조거동을 분석한 결과, X, Y축 변위에 대해 벽체 및 기둥 모두 하부에서 상부로 갈수록 만다파 중앙으로 모이는 현상이 나타났다. 벽체의 경우 특히 14~18단인 코벨아치 부재의 자중이 벽체보다 크기 때문에 더 큰 변위가 발생하여 기단하부에서부터 코벨아치로 갈수록 만다파 중앙으로 모이는 현상이 나타났으며 남북방향으로 코벨아치가 구속되어 있지 않기 때문에 X축 변위보다 Y축 변위가 더 크게 나타났다.
4) Z축 응력을 분석한 결과, 벽체 및 기둥의 경우 상부에서 하부로 갈수록 응력이 증가하는 현상이 나타났다. 또한 코벨아치에서 벽체로 내려오는 벽체 가창부분에 대하여 추가로 분석한 결과 코벨아치에서 벽체로 내려오는 부재가 상부 부재에 비해 작은 단면을 가져 벽체 가창부분의 응력이 집중된 것으로 나타났다.
또한 코벨아치에서 벽체로 내려오는 벽체 가창부분에 대하여 추가로 분석한 결과 코벨아치에서 벽체로 내려오는 부재가 상부 부재에 비해 작은 단면을 가져 벽체 가창부분의 응력이 집중된 것으로 나타났다. Z축 변위검토 결과, 만다파 중앙부분에 Z 축 변위가 가장 크게 발생하였고 이 영향으로 X, Y 축 변위가 만다파 중앙으로 모이는 현상에 영향을 끼친 것으로 판단된다.
Z축 응력검토결과, [Table 9]와 같이 벽체 부분에서 약간의 차이는 보이나 모든 벽체에서 기단하부로 갈수록 Z축 응력이 상대적으로 증가하는 경향을 볼 수 있으며 기둥 역시 모두 하부로 갈수록 응력이 증가하는 경향이 나타났다.
벽체 부재들은 하부로 갈수록 응력값이 증가하였으며, 좌측 벽체와 우측 벽체보다 코벨아치 자중이 벽체로 전달 되면서 폭이 줄어든 가창부분의 벽체 중앙에서 수직 응력이 집중되는 현상이 발생하였다. 또한 중앙 벽체 측정위치에 따른 결과를 비교하면, 3DEC 해석에 비해 하중전달 매커니즘의 Z축 응력값이 비교적 작게 나왔으나 분포경향이 거의 유사하며, 작은 단면을 가지는 벽체 중앙부분에서 응력이 증가하는 것으로 나타났다. 이를 통해 크메르 건축의 특성상 벽체의 단면에 비해 부재의 크기가 큰 코벨아치가 쌓여지는 축조형식에서 코벨아치와 벽체가 만나는 부분이 응력집중에 의한 구조적 취약성을 보여주므로 추후 보존 및 복원 시 이를 고려할 필요가 있다.
이는 3DEC 해석에 의한 Z축 응력 [Table 11]과 하중전달매커니즘에 의한 Z축 응력 [Table 14]를 서로 비교한 결과이다. 전체적으로 하중분배법에 의한 하중전달 매커니즘의 Z축 응력값이 3DEC 해석결과 보다 비교적 작게 나왔으나 분포경향은 서로 유사함을 보여주었고, 모두 코벨아치 하부 가창부분의 작은 단면을 가지는 벽체 중앙부분에서 응력이 증가함을 알 수 있었다. 이를 통해 크메르 건축의 특성상 벽체의 단면에 비해 부재의 크기가 큰 코벨아치가 쌓여지는 형태를 고려할 경우 코벨아치와 벽체가 만나는 부분이 취약해 질 수 있으므로 보존 및 복원 작업 시 주의가 필요할 것으로 판단된다.

후속연구

또한 중앙 벽체 측정위치에 따른 결과를 비교하면, 3DEC 해석에 비해 하중전달 매커니즘의 Z축 응력값이 비교적 작게 나왔으나 분포경향이 거의 유사하며, 작은 단면을 가지는 벽체 중앙부분에서 응력이 증가하는 것으로 나타났다. 이를 통해 크메르 건축의 특성상 벽체의 단면에 비해 부재의 크기가 큰 코벨아치가 쌓여지는 축조형식에서 코벨아치와 벽체가 만나는 부분이 응력집중에 의한 구조적 취약성을 보여주므로 추후 보존 및 복원 시 이를 고려할 필요가 있다.
전체적으로 하중분배법에 의한 하중전달 매커니즘의 Z축 응력값이 3DEC 해석결과 보다 비교적 작게 나왔으나 분포경향은 서로 유사함을 보여주었고, 모두 코벨아치 하부 가창부분의 작은 단면을 가지는 벽체 중앙부분에서 응력이 증가함을 알 수 있었다. 이를 통해 크메르 건축의 특성상 벽체의 단면에 비해 부재의 크기가 큰 코벨아치가 쌓여지는 형태를 고려할 경우 코벨아치와 벽체가 만나는 부분이 취약해 질 수 있으므로 보존 및 복원 작업 시 주의가 필요할 것으로 판단된다.

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	라오스 홍낭시다 주신전은?	라오스 홍낭시다 주신전은 캄보디아 앙코르와트 유적으로 이어지는 ‘고대길’의 출발점에 자리하고 있어 세계적으로 역사적, 문화적 가치를 높게 평가받고 있는 절대적으로 보존하여야 하는 문화유산이다. 11~12세기에 축조된 것으로 보이는 홍낭시다 주신전은 붕괴된 이후에도 오랜 세월의 경과에 따른 풍화, 부식은 물론 최근의 기후온난화, 대기오염 등으로 퇴락, 훼손이 가속화되고 있으며, 각종 자연재해에 의한 피해가 계속 증가하고 있다1),2).
	홍낭시다 주신전은 어떻게 구성되어 있나?	홍낭시다 주신전은 주 출입구로 들어가는 바닥형태의 높이가 낮은 플랫폼, 예배실인 만다파, 성소인 셀라로 구성되어 있다. 플랫폼과 만다파 일부분을 제외하고는 대부분 붕괴되어 사실상 본래의 구조와 형태가 대부분 변형되어 있는 상태이다.
	홍낭시다 주신전의 만다파에서 볼 수 있는 구조물의 형식은?	플랫폼과 만다파 일부분을 제외하고는 대부분 붕괴되어 사실상 본래의 구조와 형태가 대부분 변형되어 있는 상태이다. 구조물의 형태가 어느 정도 남아있는 만다파 부분에서는 벽체, 기둥, 상인방 부재를 볼 수 있으며 부분적으로 코벨아치 형식도 볼 수 있다. 만다파에 부분적으로 남아있는 코벨아치는 시대적으로나 형태적으로 크메르시대의 코벨아치와 유사한 것으로 판단된다. [Fig.

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