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ISSN : 1598-4095(Print)
ISSN : 2287-7401(Online)
Journal of The korean Association For Spatial Structures Vol.17 No.2 pp.63-70
DOI : https://doi.org/10.9712/KASS.2017.17.2.063

Seismic Characteristics Evaluation According to Construction and Configuration Types of Fortress Structure

Ho-Soo Kim*, Jun Yoo**, So-Yeon Kim**, Jin-Wan Kim**
*Dept. of Architectural Engineering, Cheongju University
**Dept. of Architectural Engineering, Cheongju University
043-229-8483043-229-8483hskim@cju.ac.kr
May 8, 2017 May 24, 2017 May 31, 2017

Abstract

In Korea, the occurrence frequency of earthquakes has recently increased, compared with the past. So, the various damages for cultural properties due to earthquake can be expected, and especially fortress structure is vulnerable to earthquake. Therefore, the resonable seismic characteristics evaluation is required to secure the safety for fortress structure with the various construction and configuration types. Also, we should consider the various applied load conditions as design variables. To this end, this study classifies fortress structures according to the construction and configuration types, and then applies the discrete element method to model and analyze fortress structures. Finally, the seismic characteristics is evaluated through slip condition due to the analysis results considering the various design variables.


성곽구조물의 축조 및 구성형식에 따른 내진특성평가

김호수*, 유준**, 김소연**, 김진완**
*교신저자, 청주대학교 건축공학과 교수, 공학박사
**학생회원, 청주대학교 건축공학과 석사과정

초록


    National Research Foundation of Korea
    No.2015R1D1A1A01060114

    1.서론

    우리나라는 지리적 특성상 외세의 침략으로부터 방어하기 위해 일찍부터 축성 기술이 발달하였으며, 그로 인해 아직까지도 많은 성곽구조물이 존재한다. 그러나 성곽구조물은 오랜 기간 외기에 그대로 노 출되어 자연발생적인 풍화와 변형으로 인해 훼손이 발생하고 붕괴되는 경우가 많으며, 특히 성곽구조물 과 같은 조적식구조물은 횡력에 매우 취약하여 지 진발생 시 더욱 큰 피해를 입을 수 있다. 따라서 이 를 안전하게 보존 및 복원하기 위해서는 구조공학 적인 관점에서의 합리적인 구조성능평가 방안이 필 요하지만 이에 대한 연구가 미흡한 실정이다1),2).

    성곽구조물은 다른 조적식구조물과는 달리 전체구 조물의 규모가 크며, 대부분 산지에 위치하고 있어서 자중 뿐만 아니라 지형적인 특징의 영향으로 인해 상 재하중 및 토압이 작용하고 있다. 또한 성곽구조물은 특성상 구간별로 경사의 기울기와 형태에 따라 축조 및 구성형식이 다양하게 나타나며, 개별 부재들을 쌓 아올린 불연속체 구조물로써 연속체 구조물과는 다 른 역학적 거동을 나타내기 때문에 일반적인 구조해 석기법으로는 합리적인 내진특성평가가 어려운 실정 이다2),3).

    따라서 본 연구에서는 성곽구조물의 합리적인 지 진거동특성을 파악하기 위해 국내 성곽구조물의 축 조 및 구성형식의 다양한 분류를 통한 적용모델을 선 정하고, 불연속체 특성을 반영한 구조모형화 및 구조 해석을 수행하여 지진하중에 따른 성곽구조물의 내 진특성을 평가하고자 한다.

    2.축조 및 구성형식 분류

    2.1.성곽구조물의 구성요소

    성곽구조물을 구성하는 주요부재는 크게 세 부분 으로 기단석, 면석 및 성석이 있다. 또한 이를 지탱하 는 뒷채움석과 지반이 있으며, 성석의 경우 접촉면적 을 넓히기 위해 면석보다 내부의 길이를 길게하여 외 부면석과 뒷채움석을 원활하게 연결해준다. 성곽구 조물의 상부에는 여장 및 옥개석이 있으나, 구조적인 역할이 적기 때문에 구조모형화에선 제외하였다. <Fig. 1>은 성곽구조물의 구성요소를 보여준다.

    2.2.성곽구조물의 작용하중

    성곽구조물의 경우 일반적인 석조구조물과는 다 르게 자중 뿐만 아니라 토압에 의한 횡하중과 상재 하중이 작용하게 된다. 따라서 본 연구에서는 이러 한 작용하중에 지진하중을 추가로 구조모형화에 반 영하고자 한다.<Fig. 2>

    2.3.축조 및 구조형식 분류

    일반적으로 성곽구조물은 경사의 기울기에 따라 일반경사, 급경사 및 완경사로 구분되며, 형태별 특 징에 따라 크게 직선형과 곡선형으로 분류된다. 직 선형 성곽구조물의 경우 직선형, 굴절형 및 층단형 이 있으며, 곡선형 성곽구조물의 경우에는 규형, 궁 형 및 절충형으로 구분된다. <Fig. 3>은 성곽구조물 의 경사 기울기와 형태에 따른 분류를 보여준다.

    본 연구에서는 성곽구조물의 구조형태에 따른 주요 특징을 설계변수로 설정하고자 한다. 이에 따라 경 사 기울기와 형태에 따라 대표되는 해석모델을 설 정하고, 지진하중을 적용하여 성곽구조물의 축조 및 구성형식에 따른 내진거동특성을 평가하고자 한다.

    3.지진하중 적용

    3.1.입력지진파 결정

    일반적으로 가속도시간이력은 실지진을 사용하 나, 국내의 경우 지진기록이 거의 없어 인공지진 및 국외에서 계측된 지진을 주로 이용한다. 따라서 본 연구에서는 보편적으로 많이 사용하는 Hachinohe 기록지진을 적용하여 지표면에 작용하는 지진하중 데이터를 생성하고자 한다.

    3.2.지진하중 적용방안

    Hachinohe 기록지진을 지표면의 지진파로 변환하 기 위해 암반에 작용하는 지진의 가속도를 재현주기 2400년에 해당하는 최대지반 가속도 값으로 조정하 며, 지반의 특성을 고려하여 결과 값을 도출한다. <Fig. 4>는 SHAKE 프로그램4)을 이용하여 지진하중 을 생성하는 과정을 보여주며, 이에 따른 2400년 재 현주기의 Hachinohe 지진파는 <Fig. 5>와 같다.

    4.구조모형화 및 구조해석기법

    4.1.구성형식에 따른 구조모형화 방안

    성곽구조물의 경우 석조구조물 중에서 규모가 크 고 구간별 지형적 특징에 따라 다양한 축조형식이 나타나기 때문에 구조모형화에 어려움이 있다. 따라 서 본 연구에서는 축조형태를 고려한 성곽구조물의 다양한 유형의 구조모형화를 위해 현존하는 편축법 의 대표 성곽구조물인 남한산성, 명활산성 및 노성 산성의 형태별 특징이 잘 나타나는 구간을 분석하여 적용모델의 설계변수를 설정하였다. 이에 <Fig. 6> 및 <Fig. 7>과 같이 축조형태 및 기울기의 변화에 따라 대표모델을 설정하여 구조모형화를 수행하였 다. 경사 기울기의 경우 크게 일반경사, 급경사 및 완경사 모델로 설정하였으며, 축조형태는 3.5m의 높 이를 가진 직선형태와 곡선형태 모델로 설정하였다. 또한 기울기의 변화에 따라 설계변수당 6개씩 총 18 개의 구조모형화를 수행하였다. <Table 1>은 대표모 델로 선정된 성곽구조물에 대한 기초 자료를 바탕으 로 설정한 적용모델의 입력자료를 보여준다.

    <Table 2>은 축조형태 및 기울기에 따른 다양한 설계변수의 설정을 나타낸다.

    4.2.재료특성

    성곽구조물의 구조해석을 위해서는 석재 및 절리 면의 재료특성과 성벽을 지지하고 있는 지반의 물 리적 특성에 대한 분석이 선행되어야 한다. 이를 위 해 국립문화재연구소의 암석의 특성과 채석 산지에 대한 연구보고서5)를 검토하여 <Table 3, 4>와 같이 재료특성을 설정하였다.

    4.3.불연속체 특성을 고려한 구조해석기법

    성곽구조물의 합리적인 구조모델링을 수행하기 위해서는 구성요소들의 불연속체 특성 및 기하학적 특성이 파악되어야 한다. 따라서 개별요소해석 프로 그램인 3DEC6)을 이용하여 블록구성모델과 절리면 구성모델을 기본으로 구조모형화를 수행한다. 본 연 구에서 적용된 개별요소해석기법은 석재와 석재 사 이의 미끄러짐, 석재 사이의 큰 변위 및 회전, 균열 에 의한 벌어짐, 석재의 완전한 분리, 새로운 접촉 면의 탐색이 가능하다3). <Fig. 8>은 불연속체의 블 록 및 절리면 구성모델을 보여주며, <Fig. 9>는 3DEC의 해석과정을 보여준다.

    5.해석결과분석 및 내진특성평가

    5.1.해석결과 측정위치

    성곽구조물의 지진거동특성을 평가하기 위해 <Fig. 10>과 같이 변위 및 응력의 측정위치를 선정 하였으며, 위치별 변위 및 응력을 검토하였다.

    5.2.축조 및 구성형식에 따른 결과분석

    축조 및 구성형식에 따른 성곽구조물의 구조해석을 수행한 결과 변위 및 응력은 <Table 5, 6>과 같으 며, 결과검토부분은 성곽 모델의 중앙부로 설정하였 다. 특히, 성곽구조물은 토압에 의한 배부름 현상과 상재하중에 의한 수직 방향의 응력이 중요하다고 판단하여 배부름 현상이 발생하는 Y축 방향의 변위 와 수직방향에 해당하는 Z축 응력을 표현하였다.

    1)직선 형태에 따른 결과분석

    구조해석 수행결과, 모든 성곽구조물에서 하부로 갈수록 변위가 증가하였으며, 경사가 급할수록 변위 가 더 크게 발생한 것을 볼 수 있다. 이는 상부에 비 해 하부가 상재하중과 토압에 의한 횡하중이 더 크 게 작용하기 때문에 나타난 것으로 판단된다. 변위 의 크기를 살펴보면 직선형, 굴절형, 층단형 순으로 응력이 크게 발생하는 것을 알 수 있는데, 이는 직선 형의 접촉면적이 가장 작아 변위가 크게 나타난 것 으로 판단된다. 특히 굴절형의 경우 성벽이 꺾어지 는 중간부분에서 변위가 증가하는 현상을 볼 수 있 으며, 이 부분에서 지진에 더 큰 영향을 받는 것을 알 수 있다. 응력분포를 살펴보면 변위와 마찬가지 로 직선형이 가장 큰 응력을 보여주며, 굴절형, 층단 형 순으로 응력이 크게 발생하였다. 또한 경사가 급 할수록 응력이 크게 발생하며, 급경사와 일반경사의 경우 경사의 기울기에 따라 영향을 받지만 완경사의 경우 형태와 상관없이 비슷한 응력형상을 보여준다.

    2)곡선 형태에 따른 결과분석

    곡선형태에 따른 구조해석 결과 궁형, 절충형, 규 형의 순서로 변위가 크게 발생하였으며, 하부로 갈 수록 변위가 증가하는 것을 볼 수 있다. 이는 규형 의 경우 부재의 접촉면적이 가장 크기 때문에 곡선 형태의 모델중 지진에 가장 안전한 것으로 판단된 다. 응력분포를 살펴보면 변위와 마찬가지로 응력의 크기가 궁형, 절충형, 규형의 순으로 나타났다. 응력 의 경우에는 직선형태와는 달리 성벽이 꺾어지는 중 앙부분에서 응력이 급증하는 현상을 볼 수 있다. 이는 접촉면적이 중앙부분에서 급격히 작아지면서 응력이 상승하는 것으로 판단된다. 특히 궁형의 경우 상부로 갈수록 접촉면적이 감소하므로 응력이 급격 히 상승함에 따라 상부부분에 응력이 집중되어 구조 적 안전성에 영향을 미칠 수 있는 것으로 판단된다.

    5.3.내진특성평가

    성곽구조물의 경우 지진하중에 따른 횡변위의 안 전성에 대한 검토가 필요하나 이에 대한 정량적인 구조성능평가 기준이 마련되어 있지 않다. 이에 본 연구에서는 성곽구조물과 같은 조적식구조물이 지 진하중을 받을 경우 석재의 접촉면에 따른 미끄러 짐이 발생할 우려가 있으므로 미끄러짐에 대한 안 전성 검토를 통해 성곽구조물의 내진특성을 평가하 고자 한다. 미끄러짐 평가를 위해 Mohr-Coulomb 조건을 식 (1)과 같이 적용하였으며, 전단응력이 수 직응력에 의한 미끄러짐 강도보다 클 경우 미끄러 짐이 발생하는 것으로 평가하였다.<Fig. 11><Table 7>

    τ p = c + σ n tan ϕ p
    (1)

    • τp : 미끄러짐 강도

    • c : 불연속면의 점착강도

    • σn : 수직 응력

    • ϕp : 절리면의 마찰각

    미끄러짐에 따른 안전성을 검토한 결과, 급경사의 경우 많은 부분에서 미끄러짐 현상이 나타났으며, 전체적으로 상부에 비해 하부에서 미끄러짐 현상이 더 많이 발생하였다. 이는 상부보다 하부에 토압이 집중되기 때문으로 판단된다. 일반경사의 경우 직선 형태는 직선형, 굴절형, 층단형 순으로 미끄러짐이 심한 것을 볼 수 있으며, 이는 직선형의 접촉면적이 상대적으로 작기 때문으로 판단된다. 반면 곡선형태 의 경우 궁형과 절충형이 규형에 비해 상대적으로 미끄러짐 현상이 많이 나타났다. 완경사의 경우에는 전반적으로 일부 부재에서 미끄러짐 현상이 나타나 구조물의 전체적인 거동에는 영향이 적은 것으로 판 단된다.

    6.결론

    본 연구에서는 성곽구조물의 축조 및 구성형식에 따른 내진특성을 평가하였다. 이를 위해 성곽구조물 중 편축법에 해당하는 축조형식을 분류 및 분석하였 으며, 이를 바탕으로 적용모델을 선정하였다. 또한 불연속체 특성을 반영할 수 있는 개별요소해석기법 을 적용하여 성곽구조물의 구조해석을 수행하였으 며, 지진거동특성을 분석한 결과 다음과 같은 결론 을 얻었다.

    • 1) 성곽구조물의 하부로 갈수록 변위 및 응력이 증가하였으며, 이는 상부에서 하부로 갈수록 토압이 증가하여 나타나는 배부름 현상과 관련이 있는 것으 로 판단된다. 또한 경사가 급할수록 변위 및 응력이 크게 발생하였으며, 토압의 영향이 적은 상단부로 갈수록 응력의 크기가 점차 감소되었다. 완경사의 경우 급경사에 비해 전체적인 변위와 응력의 크기가 작은 것으로 확인되었다.

    • 2) 축조형식에 따른 해석결과를 살펴보면, 직선형 태의 경우 직선형, 굴절형, 층단형 순으로 변위 및 응력이 크게 발생하였으며, 이는 직선형의 접촉면적 이 상대적으로 작아 변위가 크게 나타난 것으로 판 단된다. 곡선형태의 경우에는 궁형, 절충형, 규형의 순서로 변위 및 응력이 크게 발생하였으며, 직선형 태와 달리 성벽이 꺾어지는 성벽의 중앙부분에서 응 력이 증가하였다. 이는 접촉면적이 중앙부분에서 급 격히 작아지면서 응력이 상승하는 것으로 판단된다.

    • 3) 미끄러짐에 따른 횡방향 안전성을 검토한 결과 경사가 급할수록 미끄러짐 현상이 많이 발생하였으 며, 급경사의 경우에는 형태에 상관없이 전반적으로 미끄러짐 현상이 발생하였으나, 완경사의 경우에는 일부 부재에서만 미끄러짐 현상이 나타나 구조물의 전체적인 거동에는 영향이 작은 것으로 판단된다. 축조형식에 따른 미끄러짐 검토 결과, 직선형태의 경우 직선형, 굴절형, 층단형 순으로 미끄러짐 현상 이 발생하였으며, 곡선형태의 경우에는 궁형과 절충 형이 규형에 비해 미끄러짐 현상이 많이 발생하는 것 으로 나타났다.

    • 4) 미끄러짐에 대한 안전성 검토에서 일반적으로 축조형태보다 경사도의 영향이 더 큰 것으로 나타났 으며 미끄러짐으로 인해 부재의 이격 및 탈락이 예상 되는 부분에 대한 대처방안이 필요한 것으로 판단된 다. 이와 같이 성곽구조물의 축조 및 구성형식에 따 른 지진거동특성을 파악함으로써 향후 성곽구조물의 보존 및 복원 사업수행에 큰 도움을 줄 것으로 판단 된다.

    감사의 글

    이 논문은 2015년도 정부(교육부)의 재원으로 한 국연구재단의 지원을 받아 수행된 기초연구사업임. (No.2015R1D1A1A01060114) 또한 이 연구는 2016~ 2017년도 청주대학교 연구장학지원에 의한 것임.

    Figure

    KASS-17-63_F1.gif

    Components of fortress structure

    KASS-17-63_F2.gif

    Applied loads of fortress structure

    KASS-17-63_F3.gif

    Construction types of fortress structure

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    Calculation procedure of seismic data using SHAKE program

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    Hachinohe seismic wave

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    Structural modelling according to construction types

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    Structural modelling according to slope variation

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    Structural modelling of block and joint surface

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    Discrete element analysis

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    Measurement location of stress and displacement

    KASS-17-63_F11.gif

    Basic concept of slip condition

    Table

    Input data of applied model

    Design variables according to construction types and slope variation

    Material properties of stone

    Material properties of joint

    *JCS : Joint Compressive Strength
    JRC : Joint Roughness Coefficient

    Stress and displacement according to linear shape

    Stress and displacement according to curved shape

    Evaluation of slip condition

    Reference

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