[논문]보수전과 후의 홍예교의 동적특성과 구조성능에 대한 해석연구

이가윤; 이성민; 이기학

doi:10.9712/kass.2020.20.4.177

보수전과 후의 홍예교의 동적특성과 구조성능에 대한 해석연구
Analytical Study of a Historic Stone Arch Bridge After Retrofit to Evaluate Dynamic Characteristics and Structural Behavior 원문보기

한국공간구조학회논문집 = Journal of the Korean Association for Spatial Structures, v.20 no.4, 2020년, pp.177 - 184

이가윤 (세종대학교 건축공학과) , 이성민 ((재)한국건설품질연구원) , 이기학 (세종대학교 건축공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

This study evaluates safety assessment before and after repair of Seonamsa temple seungseon bridge, which refer to the representative Hongye bridge in Korea. In this approach natural frequency of the structure were considered in the modeling procedure. Trial & error method is applied to obtain the approximate natural frequency before and after retrofit construction. Stiffness of the actual structure was examined to account for the dynamic characteristics of Hongye bridge measured in the field and adjusting parameters in computer modeling. The safety and usability of the stone structure in terms of load bearing capacity and displacement were examined.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

네 번째, 하중을 재하하여 안전성을 평가하였다. 동적 특성을 고려하여 보수전과 보수후의 컴퓨터 구조해석 모델링을 통해서 변수에 따라 홍예교의 거동을 검토하여 유지관리에 유용한 정보를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 연구는 2002~2004년 보수‧보강이 진행된 전라남도 순천에 위치한 선암사의 승선교에 대해서 연구하였다. 본 홍예교는 과거 차량이 통과하는 등의 이유로 지반이 이완되고 홍예석에 변형이 생겼으며 채움재에 공극이 생기면서 붕괴 위험이 있다고 판단되어 보수되었다.
(2012)에 의해 진행되었다^1-5). 본 연구는 선행연구를 바탕으로 보수전과 보수 후의 동적특성을 분석하고 안전성을 검토하는 것을 목적으로 한다.
본 연구에서는 국내의 대표적인 홍예교인 선암사 승선 교의 동적특성을 이용하여 컴퓨터 모델링을 진행한 후 내하력에 대한 안전성을 검토하였다. 컴퓨터 모델링과 하중재하에 대한 결론은 다음과 같다.
홍예석의 크기와 모양이 각각 다르고 구조체에 불규칙한 부분들이 많으므로 추후 해석 시 발생할 수 있는 오류를 방지하기 위해서 이상화를 진행하였다. <Fig.

제안 방법

진동수를 측정하기 위한 센서는 홍예교의 중앙부에 설치하였다. Blastmate Ⅲ로 얻은 데이터를 Blastware 프로그램을 이용하여 F.F.T(Fast Fourier Transform) 분석했다. <Fig.
세 번째, 모델링이 측정된 고유진동수와 비슷한 거동을 보일 수 있도록 재료적 특징을 변수로 하여 시행착오를 거친 후 재료의 물성치를 결정하였다. 네 번째, 하중을 재하하여 안전성을 평가하였다. 동적 특성을 고려하여 보수전과 보수후의 컴퓨터 구조해석 모델링을 통해서 변수에 따라 홍예교의 거동을 검토하여 유지관리에 유용한 정보를 제공하는 것을 목적으로 한다.
선암사 승선교는 지정 문화재로 실물재하 실험을 할 수 없으므로 고유진동수를 통한 불연속면의 전단강성을 추정하였다. 두 번째, 유한요소해석 프로그램을 통해서 이상화‧ 단순화 하였지만 실제와 비슷한 거동을 하도록 모델링을 진행하였다. 세 번째, 모델링이 측정된 고유진동수와 비슷한 거동을 보일 수 있도록 재료적 특징을 변수로 하여 시행착오를 거친 후 재료의 물성치를 결정하였다.
따라서 기존에 연구된 의 전단탄성계수(G)를 이용하여 탄성계수(E)를 계산하였다11).
보수전‧후의 진동 측정 결과, 1차 모드만 두드러지게 보이는 것으로 보아 1차 모드에 가장 큰 에너지를 가지고 있다고 판단된다. 따라서 추후 구조해석 시 1차 모드의 고유진동수를 고려하여 모델링을 진행하였다. 보수전과 보수후의 진동수 스펙트럼은 각각 <Fig.
홍예석과 무사석, 적심석은 각 절점에 3개의 자유도를 가지고 3차원으로 해석하였으며, 큰 변형과 균열이 가능한 8개의 절점에 의하여 정의하여 모델링 되었다. 마찰계수는 석재면의 거친 정도에 영향을 받으며, 거친 정도에 따라 =0.4~0.7로 증가되므로 본 연구에서는 =0.5로 석재 표면의 거칠기를 고려하였다. <Fig.
무사석과 적심석은 깬 돌이나 잡석 등으로 이루어졌다. 불연속체로 이루어진 부재가 많은 경우 연속체 거동을 하므로 연속체로 가정을 해도 문제가 없을 것으로 판단된다¹⁰⁾.
Kim & Cheon(2014)에 의하면 홍예석은 흑운모 화강암으로 이루어졌다⁹⁾. 보수 시 일부 파손과 균열이 발생한 부재를 제외하고는 재사용이 가능한 정도였으므로 보수전과 보수후에 똑같은 홍예석을 사용하였다. <Table 3>은 보수 시 재사용된 홍예석과 대체된 홍예석을 보여준다.
<Table 6>은 보수전 재료의 물성치를 보여준다. 보수후 홍예석의 재사용률을 고려하여 연암과 경암 사이의 강도로 홍예석의 강성을 32.5GPa로 적용하였다. 무사석과 적심석의 강성도보수전보다 큰 값을 적용하였는데, 보수를 진행하면서 중간중간 비었던 내부 채움재들을 더 밀실하게 채웠을 것이라고 판단했기 때문이다.
국내의 홍예교들은 대부분 보도교에 해당되지만 승선교는 보수전에도 승용차가 지나다닐 수 있을 정도의 하중을 분담하였다. 본 연구에서는 도로의 구조시설기준에 관한 규칙에 따라서 자중과활화중 기준인 5kN/m²에 해당하는 하중을 적용하였다^{13), 14)}. <Fig.
첫 번째, 보수전과 보수후의 고유진동수를 측정하였다. 선암사 승선교는 지정 문화재로 실물재하 실험을 할 수 없으므로 고유진동수를 통한 불연속면의 전단강성을 추정하였다. 두 번째, 유한요소해석 프로그램을 통해서 이상화‧ 단순화 하였지만 실제와 비슷한 거동을 하도록 모델링을 진행하였다.
두 번째, 유한요소해석 프로그램을 통해서 이상화‧ 단순화 하였지만 실제와 비슷한 거동을 하도록 모델링을 진행하였다. 세 번째, 모델링이 측정된 고유진동수와 비슷한 거동을 보일 수 있도록 재료적 특징을 변수로 하여 시행착오를 거친 후 재료의 물성치를 결정하였다. 네 번째, 하중을 재하하여 안전성을 평가하였다.
2>와 같은 순서로 진행하였다. 첫 번째, 보수전과 보수후의 고유진동수를 측정하였다. 선암사 승선교는 지정 문화재로 실물재하 실험을 할 수 없으므로 고유진동수를 통한 불연속면의 전단강성을 추정하였다.
3>은 진동을 측정하는 절차를 보여준다. 홍예교 주변에 발생하는 상시진동과 교량의 안전에 영향을 주지 않는 선에서 가진을 주기 위해서 75kg의 남성이 본 문화재를 정상적인 속도로 걸어갔을 때를 기준으로 진동 측정을 진행하였다. 진동수를 측정하기 위한 센서는 홍예교의 중앙부에 설치하였다.
홍예교는 구조적으로 독립적인 홍예석들로 구성되어 있으며, 무사석과 적심석 부분은 작은 잡석들로 이루어져 하나로 거동하도록 모델링 하였다. 홍예석과 무사석, 적심석은 각 절점에 3개의 자유도를 가지고 3차원으로 해석하였으며, 큰 변형과 균열이 가능한 8개의 절점에 의하여 정의하여 모델링 되었다. 마찰계수는 석재면의 거친 정도에 영향을 받으며, 거친 정도에 따라 =0.

대상 데이터

<Table 3>은 보수 시 재사용된 홍예석과 대체된 홍예석을 보여준다. 147개의 홍예석 중 깨지거나 강도가 약해진 33개의 홍예석을 기존의 석재와 같은 흑운모 화강암으로 대체하였다.
제품인 Blastmate Ⅲ를 사용하였으며, 장비의 제원은 과 같다.

데이터처리

컴퓨터 모델링에는 유한요소해석 프로그램인 ANSYS 를 사용하였다⁸⁾. 홍예교는 구조적으로 독립적인 홍예석들로 구성되어 있으며, 무사석과 적심석 부분은 작은 잡석들로 이루어져 하나로 거동하도록 모델링 하였다.

이론/모형

al.(2016)의 연구를 통해 10GPa의 탄성계수를 적용하였다¹²⁾. 무사석은 외부에 쌓은 돌들로 적심석보다 더큰 강성을 가질 것이라고 판단하였다.

성능/효과

1) 홍예교의 동적특성 분석 결과, 보수전 고유진동수는 9.89Hz, 보수후 고유진동수는 14.49Hz로 측정되었다. 이는 보수전 공극인 부위가 밀실하게 채워져 고유진동수가 증가한 것으로 판단된다.
2) 같은 재료를 사용하여도 견고성에 따라서 동적 특성에 큰 차이가 나타났다. 따라서 재료의 강성을 변화시켜서 고유진동수가 같도록 모델링을 하는 것이 현실적이며, 현재의 상태를 반영하기 위한 가장 효과적인 방법으로 판단된다.
3) 선암사 승선교에 도로 구조시설기준에 관한 규칙에 따라서 자중과 활화중 기준인 5kN/m²를 적용하였을 때 보수전 처짐은 0.68mm, 보수후 처짐은 0.28mm이다. 수직 최대 압축응력은 보수전 압축 0.
4) 무사석과 적심석의 강도는 3배 증가하였지만, 인장에 대한 저항력은 10배 이상의 차이가 나타났다. 이는 내부 채움재의 강성이 증가하면서 홍예의 변형을 구속함으로써 홍예교의 전체적인 강성을 증가시키는 것으로 판단된다.
큰 차이가 나타났다. 따라서 재료의 강성을 변화시켜서 고유진동수가 같도록 모델링을 하는 것이 현실적이며, 현재의 상태를 반영하기 위한 가장 효과적인 방법으로 판단된다.
모래-자갈 혼합체의 포와송비를 로 가정하면 전단탄성계수(G) 210~1, 960MPa, 탄성계수(E) 525~4, 900MPa 범위의 값을 가진다는 것을 알 수 있다.
<Table 10>은 보수전‧후의 최대 인장력 및 압축력을 보여준다. 보수전 수직방향으로 받는 응력은 홍예석에서 압축응력이 0.85MPa로 나타났으며, 보수후 홍예교의 홍예석 응력은 압축응력이 1.20MPa 로 나타났다. 붉은색으로 표시된 부분은 인장력이 발생하는 것을 나타내며, 그 외의 구간들은 압축력을 나타낸다.
보수전보다 보수후에 주변 노이즈가 적어진 것으로 보아 보수전보다 보수후에 무사석 및 적심석이 더 밀실하게 채워졌다는 것을 알 수 있다. 보수전‧후의 진동 측정 결과, 1차 모드만 두드러지게 보이는 것으로 보아 1차 모드에 가장 큰 에너지를 가지고 있다고 판단된다. 따라서 추후 구조해석 시 1차 모드의 고유진동수를 고려하여 모델링을 진행하였다.
측정 결과를 볼 때 똑같은 재료를 사용하더라도 채움재의 조밀함과 견고성에 따라서 동적특성에 많은 영향을 준다는 것을 볼 수 있다. 보수전보다 보수후에 주변 노이즈가 적어진 것으로 보아 보수전보다 보수후에 무사석 및 적심석이 더 밀실하게 채워졌다는 것을 알 수 있다. 보수전‧후의 진동 측정 결과, 1차 모드만 두드러지게 보이는 것으로 보아 1차 모드에 가장 큰 에너지를 가지고 있다고 판단된다.
28mm이다. 수직 최대 압축응력은 보수전 압축 0.83MPa 및 인장 0.01MPa, 보수후 압축 1.16MPa 및 인장 0.008MPa로 측정되었다. 보수전과 보수후 모두 극한응력에 미달하였다.
49Hz로 측정되었다. 측정 결과를 볼 때 똑같은 재료를 사용하더라도 채움재의 조밀함과 견고성에 따라서 동적특성에 많은 영향을 준다는 것을 볼 수 있다. 보수전보다 보수후에 주변 노이즈가 적어진 것으로 보아 보수전보다 보수후에 무사석 및 적심석이 더 밀실하게 채워졌다는 것을 알 수 있다.
확인되었다. 측정된 압축강도는 43~100MPa 정도이며, 평균 강도는 74.5MPa로 확인되었다. 이는 <Table 4> 건설공사 비탈면 설계기준에서 암석의 일축압축강도에 따른 분류에 따르면 연암에 해당하는 강도로 판단된다.
홍예석의 보수전 강도는 신재의 50~60%의 강도를 가진다고 확인되었다. 측정된 압축강도는 43~100MPa 정도이며, 평균 강도는 74.

참고문헌 (16)

Chung, H. S., & Lee, S. H., Hwang, Y. C., & Kim, N. Y., "A study on Local Carrying Capacity of Ancient Stone Arch Bridge", Journal of the Korean Geotechnical Society, Vol.8, No.4, pp.31-39, 1992
Lee, S. G., Lee, S. M., & Song, C. Y., "The Influence of Spandrel Wall and Fill on the Dynamic Characteristic of Historic Stone Masonry Arch Bridge", Journal of the Korea Institute for Structural Maintenance and Inspection, Vol.9 No.3, pp.161-168, 2005
Lee, S. M., Park, I. S., Choi, H. S., & Choi, C. K., "Computational Modelling Method by Using the Dynamic Characteristics of Stone Masonry Arch Bridges", Journal of Korean Association for Spatial Structures, Vol.8, No.3, pp.83-90, 2008, Retrieved from file:///C:/Users/user/Downloads/Computational_Modelling_Method_by_Using_the_Dynamic_Characteristics_of_Stone_Masonry_Arch_Bridges.pdfa
Mai, K. Q., Lee, S. M., & Lee, K. (2019). Assessment of historic stone arch bridge characterisation: experiments and numerical model. Proceedings of the Institution of Civil Engineers - Structures and Buildings, Republic of Korea, Vol.172, No.7, pp.480-489, doi: 10.1680/jstbu.18.00014

상세보기
Kim, H. S., Cha, G. C., Jung, S. J., Kim, W. J., Bae, B. S., & Kim, D. M., "Structural Behavior Analysis of Arched Stone Bridges considering Arch Type", Journal of the Architectural Institute of Korea Structure & Construction, Vol.28, No.9, pp.91-98, 2012
Park, Y. H., Back, Y. J., Kwon, G. W., Lee, S. M., & Lee, S. G. (2000). A experimental study on natural frequency of ancient stone arch bridge. Proceedings of the Architectural Institute of Korea, Republic of Korea, Vol.20 No.1, pp.35-38
Bayraktar, A., Turker, T., & Altunisik, A. C., "Experimental frequencies and damping ratios for historical masonry arch bridges", Construction and Building Materials, Vol.75, pp.234-241, 2015, doi: 10.1016/j.conbuildmat.2014.10.044

상세보기
ANSYS Academic Research Mechanical, Release 19.0
Kim, J. E., & Cheon, D. Y., "A Study on the Repair Method for Performance Degradation Cause of Korean Arch Bridge-Focused on the Seonamsa Seungseonggyo, Songgwangsa Geukrockgyo-", Journal of Architectural History, Vol.23, No.1, pp.7-19, 2014, doi: 10.7738/JAH.2014.23.1.007

원문보기 상세보기
Lee, S. M., Shon, H. W., & Lee, S. G., "Dynamic Characteristics and Compressive Stress of Multi-Layered Stone Masonry Model", Journal of the Korea Geophysical Society, Vol.7 No.1, pp.31-40, 2004, Retrieved from https://www.koreascience.or.kr/article/JAKO200410102453495.pdf
Lee, J. H., Park, H. K., Lee, S. M., & Lee, S. G. (1999). A Experimental Study on Natural Frequency of Ancient Castle Wall. Proceedings of the Architectural Institute of Korea, Republic of Korea, Vol.19, No.2, pp.625-630
Seo, Y. S., Yun, H. S., Kim, D. G., & Kwon, O. I., "Analysis on Physical and Mechanical Properties of Rock Mass in Korea", The Journal of Engineering Geology, Vol.26, No.4, pp.593-600, 2016, doi: 10.9720/kseg.2016.4.593

원문보기 상세보기
Ministry of Land, Infrastructure and Transport, Rules about the Road Structure & Facilities Standards
Ng, K. H., Fairfield, C. A., & Lusas, A. S. (1999). Finite-element analysis of masonry arch bridges. Proceedings of the Institution of Civil Engineers - Structures and Buildings, Vol.134 No.2, pp.119-127, doi: 10.1680/istbu.1999.31378

상세보기
Aydin, A. C., & Ozkaya, S. G., "The finite element analysis of collapse loads of singlespanned historic masonry arch bridges (Ordu, Sarpdere Bridge)", Engineering Failure Analysis, Vol.84, pp.131-138, 2018, doi: 10.1016/j.engfailanal.2017.11.002

상세보기
Lee, S. M., "Non-destructive Diagnosis and Maintenance of Historic Stone Masonry Arch Bridges in Korea", Computational Structural Engineering, Vol.19, No.4, pp.25-31, 2006, Retrieved from https://www.koreascience.or.kr/article/JAKO200606141775340.pdf

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

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].

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