[논문]지진 하중을 받는 홍예교의 아치 형태에 따른 동적 거동 특성

김호수; 이승희; 전건우; 방혁규

doi:10.9712/kass.2018.18.3.45

문제 정의

따라서, 본 연구에서는 국내에 존재하는 대표적인 홍예교의 아치 형태를 분석하여 이를 고려한 대표모델을 선정하고, 불연속체 특성을 반영한 구조 모형화 및 동적 해석을 수행하여 홍예교의 동적 거동특성을 분석하고자 한다.
5]와 같다. 또한 지진 하중은 단변 방향인 Y축 방향으로 적용하여 동적 거동 특성을 분석하고자 한다.
본 연구에서는 지진 하중을 받는 홍예교의 아치형태에 따른 동적 거동을 분석하였다. 이를 위해 우리나라 홍예교의 아치 형태를 분석하고 현존하는 홍예교 중 대표 모델을 선정하여 구조 모형화를 수행하였다.
홍예교의 동적 해석을 위해서는 구성 재료의 물리적 특성을 파악하여 컴퓨터 프로그램상의 수치로 입력해야 하는데, 현존하는 홍예교는 대부분 문화재로 지정되어 보존의 목적상 구성 재료의 특성을 직접 파악하는데 어려움이 있다. 이에 본 연구에서는 대부분 화강암으로 이루어진 우리나라 석조 문화재의 특성을 파악하여 암석의 재료 특성과 채석 산지를 조사 연구한 보고서⁸⁾를 검토하여 [Table 2, 3]과 같이 재료 특성과 절리면 특성을 설정하였다.
홍예교의 경우 지진 하중에 대한 구조 안전성 검토가 필요하나 이에 대한 정량적인 구조 성능 평가기준이 마련되어 있지 않다. 이에 본 연구에서는 홍예교와 같은 조적식 구조물이 지진 하중을 받을 경우 석재 접촉면의 미끄러짐에 대한 안전성 검토를통해 석교 구조물의 내진 특성을 평가하고자 한다.

제안 방법

이를 위해 우리나라 홍예교의 아치 형태를 분석하고 현존하는 홍예교 중 대표 모델을 선정하여 구조 모형화를 수행하였다. 또한 불연속체 표현이 가능한 개별 요소해석 기법을 적용하고, 재현 주기에 따른 지진 하중을 생성하여 동적 해석을 수행하였으며, 지진 거동특성을 분석한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.
본 연구에서는 아치 형태에 따른 동적 해석 모델을 3DEC 프로그램을 이용하여 [Fig. 8]과 같이 나타내었으며, [Fig. 9]는 해석 모델별 응력 및 변위측정 위치를 나타낸 것이다.
Hachinohe의 기록 지진을 암반에 작용하는 지진파가 아닌 실제 석조 구조물에 영향을 주는 지표면의 지진파로 변환하여 적용한다. 이를 위해 암반에 작용하는 기록 지진의 가속도 값을 재현 주기에 해당하는 최대 지반 가속도 값으로 스케일링을 수행하며, 이후 재현 주기에 따른 지진 하중을 적용한 결과값을 산출한다.
본 연구에서는 지진 하중을 받는 홍예교의 아치형태에 따른 동적 거동을 분석하였다. 이를 위해 우리나라 홍예교의 아치 형태를 분석하고 현존하는 홍예교 중 대표 모델을 선정하여 구조 모형화를 수행하였다. 또한 불연속체 표현이 가능한 개별 요소해석 기법을 적용하고, 재현 주기에 따른 지진 하중을 생성하여 동적 해석을 수행하였으며, 지진 거동특성을 분석한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.

대상 데이터

또한 일반적인 반원형의 홍예 구조인 선암사 승선교는 홍예 형태의 구조에서 중요한 좌우 대칭을 고려한 축조 방식으로서 홍예교의 특징이 잘 반영되어 있다. 따라서 본 연구에서는 [Fig. 3]과 같이 홍예교의 대표 모델로서 선암사 승선교를 선정하였다
본 연구를 진행하기 위해 대표 모델에 입력되는 부재별 크기는 현장 조사 자료⁵⁾를 참조하였으며, [Table 1]과 같이 입력 자료를 설정하였다.
재현 주기에 따른 지진 하중을 산정하기 위해Hachinohe의 지진 데이터를 적용한다. 또한 지진 하중 생성을 위해 SHAKE 프로그램⁶⁾을 이용하며 수행 절차는 [Fig.

이론/모형

홍예교는 일반 구조물는 달리 조적식 구조물이기 때문에 지진 하중 작용 시 석재와 석재 사이에 미끄러짐이 발생하여 구조물의 안전성에 영향을 준다. 이에 따라 미끄러짐 검토를 위해 Mohr-Coulomb조건을 식 (1)과 같이 적용하였으며, 전단 응력이 수직 응력에 의한 미끄러짐보다 클 경우 미끄러짐이 발생하는 것으로 평가하였다. [Fig.
또한 개별 석재 사이의 역학적 매커니즘이 단일 부재로 구성된 구조물의 매커니즘과 다르게 나타나 기존 유한 요소 해석을 이용한 방법으로는 개별 부재 사이의 처짐이나 변위 등에 대한 거동을 파악하기 어렵다. 이에 본 연구에서는 개별 요소 해석이 가능한 3DEC 해석 프로그램⁷⁾을 사용하여 개별부재 사이의 역학적 거동을 표현하였으며, [Fig. 7]과 같이 블록의 경우 모아-클롱 모델을 적용하였고, 절리면의 경우 면접촉 구성 모델을 적용하였다.

성능/효과

1) 아치 형태에 따른 홍예교의 수직 응력 분석 결과, 재현 주기가 클수록 응력이 크게 발생하였다.또한 수직 응력은 전체적으로 상부에서 하부로 갈수록 증가하였으며, 타원형, 반원형, 포물선형, 말굽형 순으로 크게 발생하였다.
2) 아치 형태에 따른 홍예교의 수평 변위 분석 결과, 재현 주기가 클수록 변위가 크게 나타났으며, 특히 재현 주기 1,000년, 2,400년에서 상부 변위로 인한 석재의 탈락 현상이 많이 발생하였다. 또한 타원형, 반원형, 포물선형, 말굽형 순서로 변위가 크게 나타났으며, 해석 모델 모두 하부에서 상부로 갈수록 변위가 증가하였다.
3) 홍예교의 미끄러짐에 대한 내진 특성 평가 결과, 재현 주기 1,000년보다 2,400년에서 미끄러짐 현상이 많이 발생하였고, 하부보다는 상부에서 더 많이 나타났다. 또한 타원형, 반원형, 포물선형, 말굽형 순서로 미끄러짐이 많이 발생하였는데, 특히 말굽형의 경우 재현 주기 1,000년과 2,400년 모두 미끄러짐이 거의 발생하지 않아 미끄러짐에 대한 안전성이 우수한 것으로 판단된다.
[Fig. 12]의 재현 주기에 따른 응력을 비교 분석한 결과, 전체적인 응력은 재현 주기 2,400년의 타원형 홍예 형태에서 약 3.3MPa로 가장 크게 나타났고, 다음으로 반원형(약 3.1MPa), 포물선형(약 2.7MPa), 말굽형(약 2.5MPa) 순서로 크게 나타났다.타원형 아치의 응력이 가장 크게 나온 이유는 다른 형태의 아치보다 폭이 가장 길어 무사석의 부재수가 상대적으로 많이 삽입되어 하부에서 받는 응력이 가장 크게 작용하는 것으로 판단된다.
[Fig. 13]의 재현 주기에 따른 변위를 비교 분석한 결과, 전체적인 변위는 재현 주기 2,400년의 타원형 아치에서 약 69mm로 가장 크게 나타났으며,다음으로 반원형, 포물선형, 말굽형 순서로 변위가 크게 나타났다. 이때 포물선형 아치와 말굽형 아치에서 최대 변위가 약 33mm로 가장 적게 나왔는데,이는 높이에 대한 폭의 비율이 감소됨으로써 지진하중에 대한 수평 변위가 다른 형태의 아치보다 비교적 적게 발생한 것으로 판단된다
또한 수직 응력은 전체적으로 상부에서 하부로 갈수록 증가하였으며, 타원형, 반원형, 포물선형, 말굽형 순으로 크게 발생하였다. 그리고 홍예의 곡률이 급격히 변하는 부분에서 응력이 크게 발생하는 것으로 확인되었으며, 이로 인해 인근 무사석에서도 응력이 크게 발생하는 것을 확인할 수 있었다. 또한 아치의 높이에 대한 폭의 비가 클수록 무사석의 부재수가 상대적으로 많이 삽입되어 수직 응력이 증가하는 것으로 확인되었다
1) 아치 형태에 따른 홍예교의 수직 응력 분석 결과, 재현 주기가 클수록 응력이 크게 발생하였다.또한 수직 응력은 전체적으로 상부에서 하부로 갈수록 증가하였으며, 타원형, 반원형, 포물선형, 말굽형 순으로 크게 발생하였다. 그리고 홍예의 곡률이 급격히 변하는 부분에서 응력이 크게 발생하는 것으로 확인되었으며, 이로 인해 인근 무사석에서도 응력이 크게 발생하는 것을 확인할 수 있었다.
그리고 홍예의 곡률이 급격히 변하는 부분에서 응력이 크게 발생하는 것으로 확인되었으며, 이로 인해 인근 무사석에서도 응력이 크게 발생하는 것을 확인할 수 있었다. 또한 아치의 높이에 대한 폭의 비가 클수록 무사석의 부재수가 상대적으로 많이 삽입되어 수직 응력이 증가하는 것으로 확인되었다
하지만 상부 부재는 지면과 평행으로 위치하여 지지하는 부재가 없기 때문에 지진하중 작용 시 변위가 크게 발생하는 것으로 판단된다. 또한 전체적인 수평 변위의 크기는 타원형(최대 69mm), 반원형(최대 58mm), 포물선형(최대 34mm),말굽형(최대 33mm)의 순서로 나타났다.
3) 홍예교의 미끄러짐에 대한 내진 특성 평가 결과, 재현 주기 1,000년보다 2,400년에서 미끄러짐 현상이 많이 발생하였고, 하부보다는 상부에서 더 많이 나타났다. 또한 타원형, 반원형, 포물선형, 말굽형 순서로 미끄러짐이 많이 발생하였는데, 특히 말굽형의 경우 재현 주기 1,000년과 2,400년 모두 미끄러짐이 거의 발생하지 않아 미끄러짐에 대한 안전성이 우수한 것으로 판단된다. 아치의 형태별로 미끄러짐 현상이 많이 발생한 순서를 고려하였을때, 아치의 높이에 대한 폭의 비가 안전성에도 영향을 주는 것으로 판단된다.
2) 아치 형태에 따른 홍예교의 수평 변위 분석 결과, 재현 주기가 클수록 변위가 크게 나타났으며, 특히 재현 주기 1,000년, 2,400년에서 상부 변위로 인한 석재의 탈락 현상이 많이 발생하였다. 또한 타원형, 반원형, 포물선형, 말굽형 순서로 변위가 크게 나타났으며, 해석 모델 모두 하부에서 상부로 갈수록 변위가 증가하였다. 특히 지지하는 부재가 적은 상부에서 변위가 크게 증가하는 것으로 나타났다.
재현 주기 2,400년의 경우 해석 모델 모두 재현 주기 1,000년보다 미끄러짐이 많이 발생하였다. 또한 홍예교의 아치 형태에 따른 모든 해석 모델이 하부보다 상부에서 미끄러짐 현상이 많이 발생하는 것으로 나타났으며, 타원형, 반원형, 포물선형, 말굽형 순서로 많이 발생하였다. 특히, 타원형에서 미끄러짐이 가장 많이 발생하였는데 이는 다른 형태에 비해 높이에 대한 폭의 비가 커서 하부에서는 상부 부재의 자중과 지반으로 인해 미끄러짐이 비교적 적게 발생하지만, 상부에서는 지지하는 부재가 적기 때문에 미끄러짐 현상에 대해 많이 취약한 것으로 판단된다.
특히 반원형의 경우 1번부재인 선단석에서 최대 응력이 발생하였으며, 이는 상부에서의 하중이 하부로 전달되면서 점차 누적되어 나타난 것으로 판단된다. 또한, 타원형과 포물선형, 말굽형은 각각 2번, 5번, 4번 부재에서 최대 응력이 발생하였는데, 이는 각각 홍예의 곡률이 급격히 변하는 부분에서 응력이 집중되는 것으로 나타났다
미끄러짐에 대한 안전성 평가는 재현 주기 1,000년과 2,400년에 대해 수행하였으며, 결과는 [Table 6~9]와 같다. 미끄러짐에 대한 안전성 검토 결과,재현 주기 1,000년의 경우 포물선형과 말굽형에서는 허용값 초과 부분이 각각 9.5%, 0%로 미끄러짐이 거의 발생하지 않았으나, 반원형과 타원형의 경우 허용값 초과 부분이 각각 28.6%와 33.3%로 비교적상부에서 많이 발생하는 것으로 나타났다. 재현 주기 2,400년의 경우 해석 모델 모두 재현 주기 1,000년보다 미끄러짐이 많이 발생하였다.
특히, 타원형에서 미끄러짐이 가장 많이 발생하였는데 이는 다른 형태에 비해 높이에 대한 폭의 비가 커서 하부에서는 상부 부재의 자중과 지반으로 인해 미끄러짐이 비교적 적게 발생하지만, 상부에서는 지지하는 부재가 적기 때문에 미끄러짐 현상에 대해 많이 취약한 것으로 판단된다. 포물선형과 말굽형의 경우 미끄러짐 현상이 가장 적게 나타났는데 이는 구조 해석 결과에서와 같이 각 부재에 받는 응력과 변위가 상대적으로 작아 미끄러짐 현상도 적게 나타난 것으로 판단된다.
홍예교의 아치 형태에 따른 모델링 4가지 모두 상부에서 하부로 갈수록 응력이 커지는 것을 확인할 수 있었지만, 최대 응력이 발생하는 위치는 모두 다른 것으로 나타났다. 특히 반원형의 경우 1번부재인 선단석에서 최대 응력이 발생하였으며, 이는 상부에서의 하중이 하부로 전달되면서 점차 누적되어 나타난 것으로 판단된다.

후속연구

이와 같이 홍예교의 아치 형태에 따른 지진 거동특성을 분석함으로써 향후 석교 구조물의 보존 및 복원 사업 수행에 큰 도움을 줄 것으로 판단된다.

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	석교 구조물 중 홍예교의 아치부와 외형부는 어떻게 구성되어 있는가?	홍예교는 중심에서 홍예를 구성하는 아치부와 벽면을 구성하는 외형부로 크게 구분할 수 있다. 아치부에는 홍예종석과 선단석 및 둘을 이어주는 홍예석으로 구성되어 있으며, 외형부는 벽면을 구성하는무사석과 홍예교를 횡방향으로 관통해 상판석을 지지하는 귀틀석으로 구성된다4)
	석교 구조물은 무엇인가?	우리나라의 대표적인 석조 문화재 중 하나인 석교 구조물은 크게 평석교와 홍예교로 구분할 수 있다. 이 중 홍예교는 아치 형태의 석교로서 상부의 하중을 아치 구조를 통해 지지하는 형식으로 구조적 안전성이 높고 조형미가 뛰어나 주로 사찰 입구의 계곡이나 개울을 건널 수 있도록 지어졌다.
	홍예교의 특징은 무엇인가?	우리나라의 대표적인 석조 문화재 중 하나인 석교 구조물은 크게 평석교와 홍예교로 구분할 수 있다. 이 중 홍예교는 아치 형태의 석교로서 상부의 하중을 아치 구조를 통해 지지하는 형식으로 구조적 안전성이 높고 조형미가 뛰어나 주로 사찰 입구의 계곡이나 개울을 건널 수 있도록 지어졌다. 아직까지 남아있는 홍예교는 대부분 예술적 가치가 높아 문화재로 지정되어 있지만, 오랜 시간이 지남에 따라 외기에 그대로 노출되어 다양한 훼손이 발생하고 있으며, 지진과 같은 자연재해가 발생할 경우 더욱 큰 피해를 입을 수 있다

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증

지진 하중을 받는 홍예교의 아치 형태에 따른 동적 거동 특성
Dynamic Behavior Characteristics According to Arch Types of Arched Stone Bridge Subjected to Seismic Load 원문보기

Abstract ▼ AI-Helper

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

문제 정의

제안 방법

대상 데이터

이론/모형

성능/효과

후속연구

질의응답

참고문헌 (8)

이 논문을 인용한 문헌

저자의 다른 논문 :

연구과제 타임라인

관련 콘텐츠

원문 보기

원문 URL 링크

오픈액세스(OA) 유형

이 논문과 함께 이용한 콘텐츠

AI-Helper ※ AI-Helper는 오픈소스 모델을 사용합니다.

선택된 텍스트

연합인증

지진 하중을 받는 홍예교의 아치 형태에 따른 동적 거동 특성 Dynamic Behavior Characteristics According to Arch Types of Arched Stone Bridge Subjected to Seismic Load 원문보기

Abstract ▼ AI-Helper

주제어

AI 본문요약 엑셀 다운로드 AI-Helper

문제 정의

제안 방법

대상 데이터

이론/모형

성능/효과

후속연구

질의응답

참고문헌 (8)

이 논문을 인용한 문헌

저자의 다른 논문 :

김호수 (39) 이승희 (1) 전건우 (5)

연구과제 타임라인

전체(0) 논문(0) 특허(0) 보고서(0)

전체(0) 논문(0) 특허(0) 보고서(0)

관련 콘텐츠

원문 보기

원문 URL 링크

오픈액세스(OA) 유형

이 논문과 함께 이용한 콘텐츠

AI-Helper ※ AI-Helper는 오픈소스 모델을 사용합니다.

선택된 텍스트

지진 하중을 받는 홍예교의 아치 형태에 따른 동적 거동 특성
Dynamic Behavior Characteristics According to Arch Types of Arched Stone Bridge Subjected to Seismic Load 원문보기

AI 본문요약
AI-Helper