[논문]유한요소해석을 통한 송산리고분군 무령왕릉의 구조안전성 평가

이가윤; 조영훈; 이성민; 이찬희; 이기학

doi:10.9712/kass.2020.20.3.63

유한요소해석을 통한 송산리고분군 무령왕릉의 구조안전성 평가
Structural Safety Evaluation of Tomb of King Muryeong in Tumulis of Songsan-ri Through Finite Element Analysis 원문보기

한국공간구조학회논문집 = Journal of the Korean Association for Spatial Structures, v.20 no.3, 2020년, pp.63 - 70

이가윤 (세종대학교 건축공학과) , 조영훈 (공주대학교 문화재보존과학과) , 이성민 ((재)한국건설품질연구원) , 이찬희 (공주대학교 문화재보존과학과) , 이기학 (세종대학교 건축공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

Tomb of King Muryeong, located in Sonsan-ri, was found vulnerable due to leakages during since the summer of 2016. This research aims to evaluate structural safety of the Tomb under the tumulus. Site surveys were conducted to find vulnerable inner parts. Structural safety assessment is presented based on both site survey results and analytical results obtained through FEM analysis using the ANSYS program. The underground structure was explicitly modeled to focus on two types of loadings: design loads and actual gravity loads. In general, the tomb does not show any critical deflection increase or damage through the analytical investigation. However, maintenance through continuous monitoring is necessary to prevent severe deflections and stress concentrations since the rigidity of the tomb materials are very vulnerable and likely to be reduced due to prolonged weathering and continuous rain leakage.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 본 연구는 송산리고분군 무령왕릉의 현재 상태와 여름철 집중호우의 피해로 인한 구조적 안정성을 검토하여 보존과 관리에 필요한 정보를 제공하는데 그 목적이 있다. 본 연구는 무령왕릉의 재료학적, 형태적 및 구조적 특성을 고려한 구조해석을 통해서 무령왕릉의 안정성을 평가했다.
본 연구는 무령왕릉의 Macro 유한요소해석모델을 개발하고 현행 지하구조물 설계기준과 실제 봉분하중에 대해 변위 및 응력을 검토하였다. 결과는 다음과 같다.
따라서 본 연구는 송산리고분군 무령왕릉의 현재 상태와 여름철 집중호우의 피해로 인한 구조적 안정성을 검토하여 보존과 관리에 필요한 정보를 제공하는데 그 목적이 있다. 본 연구는 무령왕릉의 재료학적, 형태적 및 구조적 특성을 고려한 구조해석을 통해서 무령왕릉의 안정성을 평가했다. 이를 위해 2차례에 걸친 현장조사를 실시하고 컴퓨터 구조해석 모델링의 개발을 통해서 무령왕릉의 안정성을 평가하고 보전방안을 제시하였다.
본 연구는 유한요소해석프로그램인 ANSYS를 사용하여 구조적 안정성을 평가했다⁹⁾. 모델링은 3D scan data 와 도면을 참고하여 진행하였다.

제안 방법

3D scan data를 기반으로 무령왕릉 위의 토사를 재연하였다. 4개 층의 토사를 모두 고려해서 모델링하는 방법이 제일 정확하지만 봉분이 비선형이므로 모델링 과정에서 접촉면에 대한 정확도가 떨어지므로 1개의 토 층으로 치환 후 모델링하여 중력하중을 재하하였다.
3D scan data를 기반으로 무령왕릉 위의 토사를 재연하였다. 4개 층의 토사를 모두 고려해서 모델링하는 방법이 제일 정확하지만 봉분이 비선형이므로 모델링 과정에서 접촉면에 대한 정확도가 떨어지므로 1개의 토 층으로 치환 후 모델링하여 중력하중을 재하하였다. [Fig.
여기서 Case1은 2개의 경우로 1개의 토층과 4개의 토층으로 나누어 해석을 수행하였다. Case2와 Case3은 실제 봉분을 모델링하여 고분 모델에 대한 수직토압 및 수직토압과 수평토압을 고려한 해석을 진행하였다. [Table 3]은 각 Case별 하중해석 방법을 정리해서 보여준다.
. 모델링은 3D scan data 와 도면을 참고하여 진행하였다. Case1의 구조해석 시 밑면을 고정단으로 두어 구조물을 지지하는 방법을 사용하였다.
설계토압과 실제 봉분을 모델링하여 계산한 자중을 통한 해석을 비교하여 해석 결과를 검증하였다. Case1은 지하구조물 시공 시 사용하는 설계하중을 적용하여 매우 보수적으로 해석을 진행하였다.
실제 봉분은 산 중턱에 위치하므로 수평토압이 더 크게 작용할 것이라고 판단하여 Case2와 동일한 조건에 지반 깊이별 토압을 적용한 Case3의 안전성을 평가하였다. 식 (3)은 토층의 깊이별 토압을 계산하는 식이며, 식 (4)는 식 (3)을 계산하기 위한 지반활동계수를 계산 하는 식이다.
이를 고려했을 때 무령왕릉의 전돌은 1.02GPa의 탄성계수를 가지고 있으나 추후 발생할 수 있는 강도저하까지 고려하여 상한 및 하한 값의 범위를 고려하기 위해 100~1,800MPa의 탄성계수를 달리하여 구조해석을 수행하였다. [Table 1]은 무령왕릉의 전돌에 대한 물성치를 정리해서 보여주고 있다.
본 연구는 무령왕릉의 재료학적, 형태적 및 구조적 특성을 고려한 구조해석을 통해서 무령왕릉의 안정성을 평가했다. 이를 위해 2차례에 걸친 현장조사를 실시하고 컴퓨터 구조해석 모델링의 개발을 통해서 무령왕릉의 안정성을 평가하고 보전방안을 제시하였다. [Fig.

데이터처리

14MPa가 계측되었다^2),3). 본 연구에서는 유한요소해석 프로그램인 ANSYS를 사용하였다. 또한 유한요소해석모델의 효율성을 높이기 위해서 전돌과 줄눈을 모두 고려해서 하나의 재료로 해석할 때 식 (1)을 이용하여 부재의 탄성계수를 고려하였다^4),5).

성능/효과

1) 무령왕릉은 현행 설계기준으로 내벽1 수평방향 (x-dis)으로 1.65mm 발생했으며, 전체적으로 미세한 변위가 예측되어 구조적으로 변위의 급격한 증가나 손상 등은 해석상 예측되지 않았다. 그러나 풍화와 지속적인 강우 침투는 전돌 및 채움재 강성의 감소를 초래하여 구조적 불안정성을 초래할 수 있다.
2) 응력 검토 결과, 큰 응력집중은 발생하지 않는다. 무령왕릉은 대부분 압축력(-)을 받는 상태이므로 인장력(+)에 의한 부재의 들뜸이나 탈락 등에 대한 급격한 위험성은 없을 것으로 판단된다.
3) 실제 봉분하중을 고려한 Case2와 Case3은 천정부 위에서 8mm의 처짐이 발생한다. 응력의 경우 집중응력이 발생하는 곳은 없으며 수평토압보다 수직토압에 더 큰 영향을 받는 것으로 판단되므로 천장 부위에 큰 변위가 발생했을 때를 대비하여 변위 센서를 설치하여 지속적인 관측이 필요할 것으로 판단된다.
4) 봉분을 둘러싸고 있는 다짐층은 실트질 모래와 자갈입도의 암편 등으로 구성되어 있다. 따라서 봉분을 이루고 있는 재료의 강성에 따른 안정성을 검토했을 때 사질점토 이상의 강성을 가진 토질에서 처짐이 급격하게 감소함을 확인할 수 있었다. 여름철 장마로 인해서 흙에 수분이 침투하여 점착력의 감소로 강성이 감소하여도 사질점토 이상의 강성을 가지는 토질로 이루어져 있다면 송산리고분의 구조적 안정성에 도움을 줄 것으로 판단된다.
전돌로 이루어진 대부분의 문화재는 공적법으로 모르타르 등의 접촉요소 없이 전돌과 전돌로 이루어져 있으나 무령왕릉은 전돌과 전돌 사이에 줄눈이 있는 특수한 경우이다. 문헌 조사 결과, 백제시대 전돌의 압축강도는 28.21MPa이다. 백제 시대 당시 줄눈의 경우 진흙을 섞었을 때 최대 2MPa로 추정되며, 실험에 의한 줄눈의 평균은 0.
02GPa를 기준으로 하였으며, 각 하중 조건별 무령왕릉의 변위를 보여준다. 설계하중을 고려한 유한요소해석 결과, 설계하중을 기준으로 했을 때 최대변위가 무령왕릉 내벽1에서 수평 방향 (x-dis.)으로 1.65mm 발생했다. 전체적으로 미세한 변위가 예측되어 구조적으로 변위의 급격한 증가나 손상 등은 예측되지 않았다.
03mm보다는 구조해석 결과가 큰 값으로 측정되었다. 해석 결과, Case1보다는 Case2 및 Case3에서 더 큰 변위가 발생한 것을 볼 수 있는데, 이는 봉분의 위에서부터 내려오는 토압을 설계하중에서는 다 반영할 수 없으므로 큰 차이를 보이는 것으로 판단된다.

후속연구

그러나 풍화와 지속적인 강우 침투는 전돌 및 채움재 강성의 감소를 초래하여 구조적 불안정성을 초래할 수 있다. 본 해석 결과에서 기존의 초기 강성에서 풍화와 누수로 인한 강성의 감소는 급격한 변위의 증가를 가져오고 불안정성을 초래하는 것을 볼 때 주의 깊은 모니터링이 필요하다.
3) 실제 봉분하중을 고려한 Case2와 Case3은 천정부 위에서 8mm의 처짐이 발생한다. 응력의 경우 집중응력이 발생하는 곳은 없으며 수평토압보다 수직토압에 더 큰 영향을 받는 것으로 판단되므로 천장 부위에 큰 변위가 발생했을 때를 대비하여 변위 센서를 설치하여 지속적인 관측이 필요할 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	무령왕릉은 어디에서 발견되었는가?	무령왕릉은 공주 송산리 고분군 가운데 7번째로 발견된 백제 무령왕과 그 왕비의 능이다. 무령왕릉은 송산리 제5호분, 제6호분과 서로 봉토를 접하고 있다.
	무령왕릉은 어떻게 발견되었는가?	무령왕릉은 송산리 제5호분, 제6호분과 서로 봉토를 접하고 있다. 1971년 6호분 배수로 공사 중 우연히 발견된 무령왕릉은 처녀분으로 발굴되면서 삼국시대 고분 중 유일하게 피장자의 신원과 고분의 축조연대가 확인되었다. 따라서 무령왕릉은 백제시대 고분문화와 편년연구의 기준이 되었으며, 당시 주변국과의 역사적 교류 및 문화적 영향 등을 살펴볼 수 있는 매우 귀중한 국가 문화유산으로 평가받고 있다.
	무령왕릉 고분 내부로의 출입이 금지된 경위는 무엇 때문인가?	무령왕릉 발굴 이후 고분 내부를 공개하면서 외부 환경변화에 쉽게 노출되었고, 체계적인 보존관리가 미흡하여 고분의 손상이 급격하게 발생하였다. 특히 1995년 장마 기간에 심한 누수 현상과 이로 인한 배수 불량의 영향으로 고분군의 안정성에 문제점이 발생하여 관리 목적을 제외하고는 고분 내부로의 출입을 금지하였다. 1999년도에 보존관리 대책 및 보수지침에 따라 각종 보수공사를 실시하고 고분 내부에 에어컨 및 제습기를 설치하여 온습도를 일정하게 유지하고자 하였지만 여러 문제점을 가지고 있어 2011년부터 가동이 중단되었다.

참고문헌 (9)

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Kwon, Y. H., & Hong, S. G., "Material Characteristics of Traditional Bricks used in the Royal Tomb of King Muryeong, Gongju, Korea and Its Reproduction Bricks", Journal of Conservation Science, Vol.30, No.3, pp.287-298, 2014, doi: 10.12654/JCS.2014.30.3.04

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Ridwan, M., Yoshitake, I., & Nassif, A. Y., "Proposal of Design Formulae for Equivalent Elasticity of Masonry Structures Made with Bricks of Low Modulus", Advances in Civil Engineering, Vol.2017, pp.1-11, 2017, doi: 10.1155/2017/6456070

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Li, T., & Atamturktur, S., "Fidelity and Robustness of Detailed Micromodeling, Simplified Micromodeling, and Macromodeling Techniques for a Masonry Dome", Journal of Performance of Constructed Facilities, Vol.28, No.3, pp.480-490, 2014

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ANSYS Academic Research Mechanical, Release 19.0.

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].

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