[논문]풍하중을 고려한 거수의 구조적 안정성 및 보강법에 관한 연구

이정준; 강준석

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이정준 (서울대학교 조경.지역시스템공학부) , 강준석 (서울대학교 조경.지역시스템공학부)

현재 시행되고 있는 수목 보강의 단점을 보완할 수 있는 새로운 보강법을 개발하기 위하여 거수의 풍하중에 의한 거동특성을 유한요소해석기법을 사용하여 파악하였다. 개발한 유한요소모델은 속리의 정이품송을 토대고 구성하였다. 새로운 보강법으로 시도된 FRP wrap으로 보강된 나무에 대한 구조해석을 풍하중하에서 수행하였다. 그 결과 FRP wrapping에 의한 명확한 구조적 안정성의 증가를 보였으며 그 효과는 지반으로부터 1.2 m높이를 중심으로 wrapping을 한 모델에서 안정성증대효과가 극대화되는 것으로 나타났다. 본 연구의 해석결과가 향후 실물 실험을 통해 타당한 것으로 입증된다면, 수목 보강기법의 새로운 가이드라인을 제공하게 될 것으로 사료된다.

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문제 정의

(2015)은 나무의 기울어짐과 풍속을 실시간으로 측정하여 풍속과 기울기의 관계를 정량적으로 확인하였다. 연구에서는 구조적 실패를 경험하는 나무에 대한 측정 결과가 쌓이면 안정적으로 나무가 있을 수 있는 기울기의 한계치를 정립할 수 있으리라 보았다.

가설 설정

1. 수관부의 질량 및 풍하중의 영향은 고려하지 않는다.
2. 뿌리 부분은 땅에 완전히 고정되어 움직이지 않는다.
4. 나무와 FRP wrapping 사이에는 어떠한 미끄러짐도 존재하지 않는다.
6. 풍속은 모든 높이에서 동일하다.

제안 방법

단방향 FRP 소재의 물성치는 알려진 epoxy resin의 물성치와 e-glass fiber의 물성치를 이용하여 값을 도출해 내었다.
나무 전체에 대한 해석을 실행하기 이전에 단순한 모델을 통하여 기본적인 거동 특성을 파악할 필요가 있다. 따라서 이하의 가정을 적용하여 모델을 단순화 하였다.
먼저, FRP를 통한 보강을 하지 않은 채로 분석을 하였다.
보강을 설정한 방법은 FRP wrap 중심을 0.7 m를 시작으로 0.5 m 간격으로 옮겨, 3.2 m 지점까지 이동시켰고, 추가적으로 지면에 FRP wrap의 하단이 닿도록 하여 분석하였다.
또한 FEM의 다양한 확장성을 통하여 단순한 현상의 진단뿐 아니라 여러 구조보강에 대한 분석이 가능하다. 서두에 언급한 문제점을 해결하기 위해 FEM을 적용한 수목보강의 연구를 진행하였다.
풍압력은 바람을 맞는 면에만 적용되므로 옆쪽으로 압력을 적용할 경우 일어날 수 있는 영향을 줄이기 위해, 앞쪽 120° 영역에만 압력을 적용하였다.
풍하중을 적용할 풍속의 기준을 태풍으로 설정하고, 대한민국에서 관측된 태풍의 최대풍속을 적용하였다. 국가태풍센터의 자료에 의하면 관측된 태풍의 순간 최대 풍속은 60 m s^-1 였다.

대상 데이터

사용 물질은 나무와 단방향 FRP 소재이다. 소나무(PinusDensiflora)의 정확한 물성치가 알려져 있지 않아, 같은 속의 Red Pine(Pinus resinosa)의 값을 적용하였다.
사용 물질은 나무와 단방향 FRP 소재이다. 소나무(PinusDensiflora)의 정확한 물성치가 알려져 있지 않아, 같은 속의 Red Pine(Pinus resinosa)의 값을 적용하였다.
형상은 2007년 문화재청의 정밀실측 결과를 토대로 높이 10.9 m, 근원반경 0.780 m, 흉고반경 0.684 m, 상부 반경 0.444 m의 원통형으로 구성하였고, FRP wrapping은 높이는 1 m이며 나무에 밀착하도록 구성하였다.

성능/효과

3. 나무와 FRP는 완전한 탄성을 갖는다.
5. 나무의 재질은 완전히 균일하며 같은 특성을 지닌다.
보강한 수간의 전체적인 값을 보면 1.2 m 지점의 보강이 가장 낮은 최대 응력을 보였다, 또한 1.2 m 지점에 대한 보강을 제외하고는 보강되지 않았을 경우보다 높게 나타났다. 이것은 보강부 끝단에서의 응력 증가가 원인으로 보인다.

후속연구

FEM을 뿌리부에 적용하여 실제에 가까운 결과를 얻었다면 다른 부분에 대하여도 실제에 가까운 결과를 얻을 수 있을 것으로 예상된다. 또한 FEM의 다양한 확장성을 통하여 단순한 현상의 진단뿐 아니라 여러 구조보강에 대한 분석이 가능하다.
하지만, 이 결과는 시뮬레이션을 통한 것일 뿐이므로 실험을 통한 실증이 필요하다. 또한 다른 형태의 보강법과의 비교를 통하여 어느 정도의 효용성을 갖는지도 검증해 보아야 한다.
이 결과가 실험을 통해 증명이 된다면 새롭고 간편하게 수목을 보호할 수 있는 방법이 되리라 생각한다.

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