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ISSN : 1598-4095(Print)
ISSN : 2287-7401(Online)
Journal of The korean Association For Spatial Structures Vol.19 No.1 pp.37-44
DOI : https://doi.org/10.9712/KASS.2019.19.1.37

Structural Safety Evaluation of Yangjindang in Sang-ju Using Vibration Characteristics

Ga-Yoon Lee*, Sung-Min Lee**, Si-Yun Kim***, Kihak Lee****
*College of Architecture, Sejong University
**Korea Construction Quality Research Center(KCQR)
***College of Architecture, Keimyung University
교신저자, 정회원, 세종대학교 건축공학과 교수, 공학박사 College of Architecture, Sejong University Tel: 02-3408-3286 Fax: 02-3408-4331 E-mail: kihaklee@sejong.ac.kr
October 11, 2018 November 9, 2018 November 18, 2018

Abstract


Yangjindang house, which is located in Sang-ju province of South Korea, is one of the special Hanok structures dated back to Joseon dynasty. This study aims to examine structural safety of the Yangjindang wood frame building considering dynamic parameters such as the natural frequency and damping ratio. The numerical model of the wood frame building is implemented using Midas Gen, especially the wood joint where column and beam were connected. The behavior of the actual frame building was compared with the modeling results. In addition, structure responses such as shear force, axial force, flexural moment and deflections were calculated and compared with the allowable limits. Numerical results show that, generally, despite of some local members shear failure, Yangjindang’s structural response does not exceed the limitation according to current standards.



동적 특성을 고려한 상주 양진당의 구조 안전성 평가

이 가 윤*, 이 성 민**, 김 시 윤***, 이 기 학****
*학생회원, 세종대학교 건축공학과, 석박사통합과정
**정회원, (재)한국건설품질연구원 부원장, 공학박사
***학생회원, 계명대학교 건축공학과, 박사과정

초록


    Ministry of Land, Infrastructure and Transport
    19CTAP-C143093-02

    1. 연구의 목적

    상주 양진당(이하 양진당)은 경상북도 상주시 낙 동면에 있는 조선시대의 가옥이다. <Fig. 1>에서 보 이는 바와 같이 양진당은 배산임수이며, 후면이 높 고 전면이 낮은 주변 지형을 가지고 있다. <Fig. 2> 는 양진당의 전체적인 모습을 보여준다. 양진당은 정면 9칸, 측면 7칸 규모의 ‘ㅁ’자형 평면으로 각 중 앙에 대청이 있고 그 주위를 동익사와 서익사가 감 싸는 구조이다. <Fig. 3>은 위에서 바라본 양진당의 모습이다. 양진당은 고상식 주거에 속하는 건물로 고상식 주거에서는 보기 드문 구들을 설치한 점에 서 조선시대 주거 유형의 다양성을 보여주고 있다. 방이 두 줄로 나열되는 겹집의 형식을 취하고 있는 점도 특색이며, 기둥은 굵은 부재를 사용하면서도 모서리를 접어서 투박하게 보이지 않도록 하는 기 술적 성숙도를 보이고 있어 역사적 ․ 학술적 ․ 예술적 가치가 높은 건물로 인정받아 2008년 대한민국 보 물 제1568호로 지정되었다. 최근 자연재해로 인한 문화재의 손상 및 안전성에 대한 관심이 높아지고 있는 추세에 따라 주요 문화재에 대한 안전성 평가 가 진행되고 있다. 그러나 기존의 목재 문화재 연구 에서는 한 동의 건물을 위주로 안전 진단이 이루어 졌으며 양진당처럼 ㅁ자형의 독특한 구조를 가진 한옥 건물은 조사되지 않았다1).

    문화재는 원형 그대로 유지되는 것을 원칙으로 하므로 내력 시험을 위한 실물 테스트에 한계가 있 어 구조 안전성을 평가하는데 어려움을 겪고 있다. 또한 목조 구조물로 이루어진 문화재의 경우 접합 부의 긴결 형상에 따라 발생하는 연결부의 강성이 다르기 때문에 실제 거동을 정확하게 예측하여 구 조 해석을 하는 것에 어려움이 존재한다. 따라서 본 연구는 대상 문화재의 동적 특성에 대한 실험 결과 를 토대로 컴퓨터 프로그램을 이용한 모델링을 하 여 구조 안전성을 검토하였다. 본 연구의 목적은 양 진당의 내력 평가와 유지 관리에 유용한 정보를 제 공하여 추후에 발생할 수 있는 진동이나 지진 등의 동적 외력에 대한 피해를 예방하고, 구조물의 변위 를 예측하여 필요한 경우 부분적 또는 전체적으로 보강하는 것이다.

    2. 연구 방법

    2.1. 양진당 단면 구조 특징

    대청 부분의 초석과 기둥은 특별한 결구 방식이 없기 때문에 구조 해석 측면에서 이동단에 가깝지 만 상부의 하중과 기둥 및 초석의 마찰 계수를 고려 할 때 힌지 접합에 가까운 것으로 해석된다. <Fig. 4> 는 대청 부분의 단면을 보여주고 있다. 지붕 하중은 대청 부분의 경우 서까래가 일차적으로 받아 종도 리와 대공을 거쳐 종량으로 전달되며, 중앙부는 장 연과 단연이 만나는 중도리를 거쳐 대량으로 전달 된다. 단부측은 주심도리를 거쳐 바로 기둥으로 전 달되는 구조를 가지고 있다. 종량으로 전달된 하중 은 소로를 거쳐서 대량으로 전달된다. 종도리, 중도 리, 주심도리 하부에는 장여라는 부재를 덧붙여서 휨 모멘트에 대한 내력을 증강시키도록 처리하였다. 대량과 기둥이 만나는 부분에는 보아지를 설치하여 전단력에 대해 저항하도록 하였다. 구조체의 하중은 기둥을 통해 초석-지반으로 전달된다. <Fig. 5>는 내부의 각 부재 접합을 보여준다.

    측면과 정면부는 앞뒤 기둥에 대들보를 두고, 대 들보 중앙에 대공을 두었으며, 앞뒤 평주와 대공 위 에 각각 도리를 걸어 서까래를 받치는 3량 구조로 서 지붕 하중을 연목을 통해 대들보로 전달하는 매 우 간단한 구조로 이루어져 있다. 기둥은 일정한 간 격을 두고 정형으로 배치되어 있다. 기둥의 길이는 2.8m 내외로 동서 방향 8경간, 남북 방향 7경간의 격자형으로 구성되어 있다. 대청 부분은 내부에 기 둥을 두지 않아 기둥 길이를 갑절로 늘렸고, 이에 따라 보의 크기도 증가하게 된다.

    대청마루는 외주부의 기둥과 기둥 사이에 귀틀을 사용하여 기둥을 구속함과 동시에 마루 외곡부를 지지하는 보로 사용하였고, 내부 단변 방향으로는 기둥과 기둥 사이에 장귀로 큰 보 역할을 하도록 하 였다. 장귀틀 사이에는 동귀틀을 설치하여 작은 보 역할을 하도록 배치하였다. 또한 동귀틀 위에 마루 판을 설치함으로써 경제성을 꾀하면서 처짐을 방지 하도록 시공하였다.

    2.2. 진동 측정 장비 및 진동 측정 방법

    본 연구에서는 캐나다 Blastmate Inc.의 Blastmate Ⅲ를 사용하였다. 본 제품은 센서와 데이 터로거가 유선으로 연결된 이동식 진동 측정 시스 템이다. 측정 파라메터는 속도 진폭으로 설정하였으 며 데이터 간격은 1/1024초, 측정 범위는 0.127~254mm/sec이다. <Table 1>은 본 연구의 진 동 측정 장비와 측정 범위를 보여주고 있다.

    진동 측정은 상시 진동 측정과 인력 가진 계측의 2가지 방법을 사용하였다. <Fig. 6>은 상시 진동을 측정하는 모습을 보여주고 있다. 상시 진동 측정은 인위적인 가진 장치 없이 바람, 교통과 같은 일상적 인 진동원으로부터의 진동을 측정하는 방식으로 문 화재 구조물에 적용하기 적합하다. 하지만 본 문화 재는 주변에 진동을 발생시킬만한 상시 진동원이 없기 때문에 인력 가진 계측법을 사용하였다. 인력 가진 계측은 사람의 힘으로 건물에 진동을 발생시 킨 후 가진을 중지한 상태에서 건물의 자유 진동 파 형을 얻는 방법이다. 노이즈의 영향이 크지 않기 때 문에 신뢰성 있는 동특성을 산정할 수 있는 장점이 있지만, 고차 모드의 경우 가진 주기를 정확히 맞추 기 어렵다는 단점이 있다2).

    무선 데이터 수신기로 계측된 데이터는 ‘Anylogger Wing’이라는 프로그램을 사용하였다. Blastmate Ⅲ로 수집한 데이터는 Blastware V 8.01 을 이용하여 고속 푸리에 변환 (Fast Fourier Transform) 분석하였다. 본 연구에서 감쇠비는 시 간 이력 데이터에서 가진 요소를 최대한 배제한 자 유 진동 곡선을 이용하여 일반적으로 많이 쓰이는 대수감쇠법을 사용하였다. 대부분 구조물의 감쇠율 은 0.1 미만이므로 식 (1)과 같은 약산식을 사용하 였다.

    ξ = 1 2 π ·  ln x i x i + 1
    (1)

    • xi : 자유 진동 응답 파형에서의 i 차 진폭

    • xi+1 : 자유 진동 응답 파형에서의 i+1차 진폭

    • ξ : 감쇠율

    2.3. 데이터 해석 결과

    진동 측정으로 나온 <Fig. 7>의 시간 이력 곡선을 <Fig. 8>의 진동수 스펙트럼으로 해석한 결과, 본채 정면 중앙 건물의 1차 고유 진동수인 단변 방향 고유 진동수는 2.88Hz, 2차 고유 진동수인 장변 방향 고유 진동수는 3.06Hz로 분석되었다. 정침의 동편과 서편 은 동익사와 서익사가 연결되어 있어서 종방향 변위 를 어느 정도 구속하고 있으므로 단변 방향의 고유 진동수가 비교적 높게 나타나는 것으로 판단된다.

    구조물의 감쇠 계수는 0.024로 계산되었다. 대부 분 콘크리트 건물의 감쇠 계수가 0.01~0.1인 것에 비해 다소 낮은 편인데, 일반적으로 문화재는 다른 건물에 비해 감쇠비가 낮게 나타난다. 다른 목조 건 축 문화재의 진동 측정 데이터와 본 문화재를 비교 하였을 때 크게 차이가 나지 않는 것으로 분석되었 는데 접합부의 강성이 다른 문화재와 비슷한 수준 일 것이라고 추정된다. <Table 2>는 기존에 측정된 문화재와 본 문화재의 진동 데이터 보여준다. <Table 3>은 다른 한옥 건물과의 동적 특성을 비교 한 진동 데이터를 보여준다. 양진당과 거의 유사한 고유 진동수와 감쇠 계수를 가지는 것을 볼 수 있다.

    3. 모델 개발 및 적용 구조 해석

    3.1. 목조 구조물의 모델링 조건 및 하중

    본 문화재는 궁궐이나 사찰 건물과 달리 접합부 가 비교적 단순한 편이므로 접합부를 부분 강접 (Semi-rigid)으로 가정하여 모델링 하였다. 모델링에 는 컴퓨터 구조 해석 프로그램인 MIDAS Gen 2017 을 사용하였다. 기본적으로 구조 부재 간 접합부의 절점 조건을 힌지로 가정하여 모델링 한 후, 해석 상 고유 진동수와 실측된 고유 진동수를 비교하여 이차로 접합부 강성을 조절하여 최종 모델링을 하 였다. 본 모델링에서는 Mode shape과 간단한 진동 수를 측정하는 작업이므로 Elastic rink는 사용하지 않았다. MIDAS Gen의 특성상 절점으로 나누어진 부분을 각각의 부재로 해석하기 때문에 기둥과 도 리가 만나는 부분과 기와 부분의 부재들에 Merge를 적용하여 절점으로 나누어져 있지만 하나의 부재로 해석될 수 있도록 조절하였다. 이러한 방법을 통해 <Fig. 9>는 완성된 전체 해석 모델을 보여주고 있 다. <Fig. 10>은 3D 모델의 종 단면도를 보여주고 있다.

    <Fig. 11>에서와 같이 지붕은 중도리를 기준으로 상연과 하연으로 나누어져 있기 때문에 하중을 상 연과 하연으로 나누어 계산하였다. <Table 4>와 같 이 상연은 강회 및 보토(Quicklime and soil)에 대 한 비중을 16kN/m3로 두고 평균 두께를 0.23m로 두었으며, 적심(Small wood stick)은 5N/m3에 평균 두께를 0.2m로 계산하였다. 개판(Roof board)은 0.3kN/m2로 계산하였다. <Table 5>와 같이 하연은 보토에 대한 비중을 16kN/m3로 두고 평균 두께를 0.23m로 두었으며, 적심은 5kN/m3에 평균 두께를 0.2m로 계산하였다.

    지진 하중은 <Table 6>과 같이 지역 계수는 경북 상주시, 중요도 계수는 문화재이므로 특등급을 적용 하였다. 또한 양진당의 주변 지반이 대부분 성토인 것으로 판단되어 SC로 분류하였다. 지진 저항 시스 템에 대한 설계 계수는 KBC2016 기준 목구조에 경 골목조 전단벽을 기준으로 적용하였다. 벽체뿐만 아 니라 하부의 바닥 구조, 상부의 천장 및 지붕 구조 와 유기적으로 접합되어 외부로부터 작용하는 하중 에 대하여 일체화된 구조로 저항력을 나타낸다고 판단되었기 때문이다.

    3.2. 목재의 재료 특성

    목재는 재료의 섬유 방향(길이 방향), 방사 방향 (섬유 방향에 수직), 접선 방향(나이테의 접선)에 따라 각기 다른 재료 특성을 갖는다. 섬유 방향의 탄성 계수는 방사 방향의 약 10배 정도이지만, 방 사 방향과 접선 방향이 큰 차이를 보이지 않고 부 재의 두 방향을 정의하는 것이 모호하기 때문에 방사 방향과 접선 방향의 탄성 계수는 동일하다고 가정하였다. 재료적 특징을 나타내는 포아송비를 제외한 탄성 계수와 전단 계수의 물성치가 1방향 과 2방향일 때 각각 다름을 <Table 7>을 통해서 알 수 있다.

    양진당은 여러 종류의 목재 중에서도 전통 건축 의 구조 재료로 가장 많이 쓰이는 적송을 사용한다 고 가정하였다. 소나무를 제외한 나머지 목재는 주 로 창호재나 외장재로 일부 사용되나 모델링에서 하나하나 다 적용하는 것은 골조를 해석하는데 어 려움이 있고 공학적으로 큰 결과 차이가 없을 것으 로 판단되어 모든 부재를 적송으로 가정하여 모델 링을 진행하였다. <Table 8>과 같이 적송의 압축 응 력은 8MPa, 인장 응력은 9MPa, 전단 응력은 7MPa 이다8).

    3.3. 컴퓨터 구조 해석 결과

    구조 부재에 대한 검토는 허용 응력 설계법을 적 용하였으며, 부재 내력 산정 시 구조 재료 강도는 보수 공사 기간에 작성된 도면과 현장 조사 결과 등 을 참고하여 적용하였다. 고정 하중 및 활하중은 현 장 조사 결과를 참고하였으며, 부재 안전성 검토는 KBC2016을 참고하였다.

    기둥은 대청, 동·서익사, 대운간채로 나누어서 해 석하였다. 컴퓨터 해석 결과 비교적 안전하지 않다 고 생각되는 기둥 부재의 안전성을 <Table 9>와 같 이 다시 계산해보았다.

    보와 도리 등 수평 부재의 응력을 검토한 결과, 컴퓨터 해석상으로는 일부 부재가 허용 응력 이상 인 것으로 평가되었다. 특히 중도리와 주심도리는 전단력에 취약한 것으로 나타났다. 시공 시 이를 고 려하여 전단력의 취약성을 보완하기 위해 보아지를 설치하였고 상태도 건전하므로 전단력에 대해서도 문제가 없다고 평가되었다. <Fig. 12>는 컴퓨터 해 석 결과 모멘트의 어떤 부분이 취약한지 부분별로 나누어서 보여주고 있다. <Table 10>은 주요 부재 의 모멘트(M)와 전단력(V)을 보여주고 있다. 모멘트 는 kN·m이며, 전단력은 kN이다. 각각 허용 모멘트 (Ma)와 허용 전단력(Va)을 초과하지 않으므로 안전 한 것으로 판단된다.

    3.4. 횡하중 검토

    대상 구조물은 일정량의 부분 고정도를 가지는 힌지 접합으로 지진 발생 시 부재의 파손이 없다고 가정하고, 지진에 대한 안전성은 층간 변위를 통해 검토하였다. 층간 변위는 지붕층의 횡변위를 높이로 나누어 계산하였다. 한계치는 우리나라 구조 설계 기준 KBC2016을 적용하였고, 가장 높은 특등급의 중요도를 부여하였다. 검토 결과, 최대 층간 변위율 은 0.24%로 허용 층간 변위인 약 1.5%를 초과하지 않았으므로 안전하다고 판단된다. <Table 11>과 <Fig. 13>은 1~3차까지의 각 모드별 진동수와 Mode shape을 보여준다.

    3.5. 처짐 검토

    컴퓨터 해석 결과, 종도리와 중도리, 주심도리, 출 목도리의 처짐은 20.2~30.9mm 범위로 관련 기준에 따른 허용치(L/240)인 104.2mm 이내일 뿐 아니라 사용성 및 시각적 측면에서도 문제가 없는 것으로 판단되었다.

    컴퓨터 해석 결과, 일반적인 구조물에서는 보에 해당하는 창방에 대한 처짐량이 10mm 이하로 나타 났는데, 이는 종도리의 강성과 하중 분담 능력이 100% 고려된 상태이다. 만약 창방의 강성을 전혀 고려하지 않을 경우 처짐은 다음 식 (2)와 같다.

    δ = 2 , 320 × 3 , 420 3 48 × 686.7 × 17 , 747 , 000 = 159 m m
    (2)

    그러나 현장에서 측정된 실제 처짐량은 약 50mm 로 관련 기준에 따른 허용치(L/240)인 13mm를 초 과하는 것으로 조사되었다. 따라서 창방 부재는 안 전상 반드시 교체를 해야 할 필요는 없으나 처짐이 심한 앞면과 후면 중앙부 창방 2개 부재는 적절한 시점에 교체하는 것이 바람직할 것이다.

    4. 결론

    본 연구는 전통 목조 건축물의 고유 진동수를 파 악하고 동적 해석 결과를 바탕으로 구조물의 안전 성을 평가하였다. 본 연구의 결과는 다음과 같다.

    • 1) 양진당의 동적 특성 분석 결과, 단변 방향 고 유 진동수가 2.88Hz, 장변 방향 고유 진동수가 3.06Hz로 측정되었다. 다른 한옥 건물과는 다르게 정침의 동편과 서편은 동익사와 서익사가 연결되어 있어서 종방향 변위를 어느 정도 구속하고 있으므 로 단변 방향의 고유 진동수가 비교적 높게 나타나 는 것으로 판단된다.

    • 2) 양진당의 감쇠 계수는 0.024 정도로 계산되었 는데, 일반 콘크리트 건물에 비해 다소 낮은 편이나 일반적으로 문화재는 다른 건물에 비해 감쇠비가 낮게 나타난다.

    • 3) 컴퓨터 시뮬레이션을 통한 해석 결과, 수평 부 재인 종도리, 중도리, 주심도리가 휨 모멘트 또는 전단력에 다소 취약한 것으로 나타났다. 휨 모멘트 에 대한 취약성을 보완하기 위하여 장여를 설치하 고, 전단력에 대한 취약성을 보완하기 위하여 보아 지를 설치함으로써 구조적 문제점을 해결하고 있다.

    • 4) 창방 부재는 구조적인 문제가 없는 것으로 판 단되었으나 처짐과 손상 상태를 주기적으로 관찰하 여야 한다. 수직 부재인 기둥의 전 부재는 모두 안 전한 것으로 판단된다.

    감사의 글

    본 연구는 국토교통부 국토교통과학 기술진흥원 기 술촉진 연구사업의 연구비지원 (19CTAP-C143093-02) 에 의해 수행되었습니다. 이에 감사를 드립니다.

    Figure

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    Around view of Yangjindang in Sang-ju

    KASS-19-1-37_F2.gif

    Site plan of Yangjindang in Sang-ju9)

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    Top view

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    Sectional view of main floored room

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    Basic elements of Hanok structure10)

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    Natural frequency measurement

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    Time history curve

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    Spectrum of frequency

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    3D modeling using MIDAS

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    Yangjindang of longitudinal section

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    Junction diagram

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    Stress of beam members

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    Mode shape

    Table

    Vibration measurement apparatus

    Comparison of dynamic characteristics of major cultural properties3-6)

    Comparison of dynamic characteristics of Hanok

    Upper part of roof (Unit: kN/m2)

    Lower part of roof (Unit: kN/m2)

    Seismic load (Unit: kN/m2)7)

    Material constant of timber (Unit: MPa)

    Allowable stress of timber (Unit: MPa)

    Safety of column members

    Safety of beam members

    Sidesway of mode

    Reference

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