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ISSN : 1598-4095(Print)
ISSN : 2287-7401(Online)
Journal of The korean Association For Spatial Structures Vol.19 No.4 pp.35-44
DOI : https://doi.org/10.9712/KASS.2019.19.4.35

Evaluation of Dynamic Behavior Characteristics of Cheomseongdae Considering Earthquake Load

Ho-Soo Kim*, Ha-Na Lee**
**Dept. of Architectural Eng., Cheongju University
교신저자, 정회원, 청주대학교 건축공학과 교수, 공학박사 Dept. of Architectural Eng., Cheongju University Tel: 043-229-8483 Fax: 043-229-8483 E-mail: hskim@cju.ac.kr
August 22, 2019 September 19, 2019 September 19, 2019

Abstract


Recently, the occurrence frequency of earthquake has increased in Korea, and many cultural assets have been damaged. Cheomseongdae is a valuable cultural assets that must be preserved historically and culturally. But, the masonry structure such as Chemseongdae is vulnerable to lateral forces. Therefore, in this study, structural modeling and dynamic analysis are performed to reflect the ground state and structural form of Cheomseongdae. Also, discrete element analysis technique is applied and dynamic behavior characteristics are analyzed according to earthquake load. For this purpose, displacements and stresses according to locations are reviewed and then swelling and distortion are analyzed.



지진 하중을 고려한 첨성대의 동적 거동 특성 평가

김 호 수*, 이 하나**
**학생회원, 청주대학교 건축공학과, 박사과정

초록


    Cheongju University

    1. 서론

    최근 국내의 지진 발생 빈도가 높아지고 있으며, 2016년 경주 지진과 2017년 포항 지진으로 인해 많 은 문화재에 피해가 발생하였다. 특히 석조 문화재 와 같은 조적식 구조물의 경우 지진에 의한 횡력에 취약한 특성을 지니고 있다. 석조 문화재 중 첨성대 는 국보 제 31호로 역사적 ‧ 문화적으로 보호되어야 할 귀중한 문화재이다. 현재 첨성대는 수평 방향으 로 약 1.3° 기울어져 있으며 지반 침하 현상을 동반 하고 있어서 지진에 더욱 취약한 특성을 지니고 있 다1),4).

    따라서 본 연구에서는 첨성대의 지반 현황과 구 조 형식에 따른 지진 거동 특성을 분석하고자 한다. 이를 위해 첨성대의 현황을 반영한 구조 모형화를 수행하고, 조적식 구조물의 불연속체 특성을 반영하 기 위해 개별 요소 해석 기법을 적용한 동적 해석을 수행한다. 이때 지진파는 경주 지진을 활용하며, 다 양한 설계 변수에 따른 첨성대의 동적 거동 특성을 평가하기 위해 위치에 따른 변위 및 응력 결과 분석 과 더불어 해석 결과 비교를 통한 배부름 및 비틀림 현상을 분석하고자 한다. <Fig. 1>

    2. 첨성대의 구조 형식

    첨성대의 구조는 크게 기단부, 원통부 및 정상부 로 구분된다. 기단부의 기단은 지대석 위에 한 단이 있고 원통부는 총 27단이며 정상부는 2단으로 총 30단으로 구성되어 있다. 남쪽에는 개구부가 존재하 며 1단부터 12단까지는 내부에 적심이 존재한다4),5). <Table 1>

    3. 구조 모형화 및 동적 해석 방안

    3.1 구조 모형화 방안

    본 연구에서는 정확한 3D 모델링을 위해 <Fig. 2> 의 위치별 평면도, 입면도 및 단면도 등을 이용하여 <Fig. 3>과 같이 정형화 및 3D 모형화 작업을 수 행하고 그에 따른 3D 모형화의 부재 좌표를 도출 하여 3DEC 모델링을 구축하는 작업을 수행한다1),2). 지반의 경우 ‘석조문화재 안전관리 방안 연구보고 서’의 내용1)을 바탕으로 지반 조사 크기와 동일한 가로 20m, 세로 20m, 높이 3m로 설정하고, 지반 크 기에 맞는 경계 조건을 입력한다. 이때 경계 조건은 변위 구속 방식을 이용하고 면접촉 모델을 적용하 여 구조물과 지반의 연계를 통한 구조 모형화를 수 행한다. 또한 북측 지반 침하의 영향을 검토하기 위해 <Fig. 4>와 같이 침하량의 평균값인 138mm (약 1.5°)를 구조 모형화에 반영한다1),2).

    3.2 석재 및 절리면 재료 특성 분석

    첨성대의 동적 해석을 위해서는 석재 및 절리면의 재료 특성이 필요하다. 따라서 ‘석조문화재 안전관리 방안 연구보고서’의 내용1)을 바탕으로 <Table 2> 및 <Table 3>과 같이 석재 및 절리면의 재료 특성을 설정하였으며, 풍화도 3등급의 데이터를 적용하였다.

    3.3 동적 해석 방안

    첨성대에 대한 동적 해석 기법을 구현하기 위해 서는 조적조 구조물의 불연속체 거동 특성 분석이 선행되어야 한다. 본 연구에서는 불연속면의 역학적 특성을 잘 반영할 수 있는 개별 요소법을 적용하고 자한다. 개별 요소 해석은 단위 부재의 Rocking 및 Sliding 현상을 반영하므로 부재가 개별적으로 거동 하는 석조 구조물의 거동을 가장 잘 표현할 수 있 다. 이를 위해 3차원 수치 해석 프로그램인 3DEC가 활용된다3). 특히 블록 구성 모델로는 모아쿨롱 소성 모델이 적용되고, 절리면 구성 모델은 면 접촉 모델 을 적용하여 구조 모형화한다2). 또한 본 연구에서는 정확한 동적 거동 특성을 분석하기 위해 <Fig. 6>과 같이 시간 이력 해석이 적용된다. <Fig. 5>

    3.4 입력 지진파 산정

    첨성대의 동적 거동 특성 분석을 위해 2016년 발 생한 경주 지진파를 사용한다. 지반은 Sc로 가정하 며, 지진파는 목표 스펙트럼과 경주 지진 간의 유효 지반 가속도의 비율(0.22/0.209=1.05)을 구하고 지 반 조사 결과에 따른 KBC 2016의 지반 증폭 계수 (Fa = 1.38)를 반영한다. 이에 따라 재현 주기 2,400년 에 맞는 Scale factor는 1.45(=1.05×1.38)이며, 이를 반영하여 <Fig. 7>과 같이 지진파를 산정한다6).

    4. 동적 거동 특성 분석

    4.1 해석 모델 설정

    4.1.1 해석 모델

    첨성대는 12단까지 내부 적심이 존재하고, 수평 방향으로 약 1.3° 기울어져 있는 상태이다. 이를 바 탕으로 구조 모형화를 수행하고, 지반 침하가 없는 모델을 기본 모델(Model 1)로 설정하였다.

    또한 1~12단 내부에 있는 적심과 19~20단, 25~26단 에 존재하는 비녀석 및 정자석이 첨성대의 동적 거 동 특성에 큰 영향을 미칠 것으로 판단되어 적심 무 (Model 2), 비녀석 및 정자석 무(Model 3)를 적용하 여 해석 모델을 선정하였다. 이와 더불어 지반 침하 모델(Model 4)을 반영하여 다양한 설계 변수에 대 한 동적 거동 특성을 평가하고자 한다. <Table 4>

    4.1.2 가진 방안 및 측정 위치 설정

    첨성대는 원통형으로 모든 면의 형태가 유사하여 가진 방향에 따른 영향이 크지 않은 것으로 판단된 다. 그러나 첨성대의 수평 방향 기울어짐, 구성 형 식에 따른 정자석 및 비녀석의 형태와 위치 등을 고 려할 때 남북 방향보다는 동서 방향의 지진이 더 많 은 영향을 미치는 것으로 판단된다. 따라서 본 연구 에서는 <Fig. 8>과 같이 동서 방향으로 가진하여 설 계 변수에 따른 동적 거동 특성을 분석한다. 또한 동적 해석 결과 검토 시 횡 변위는 <Fig. 9>와 같이 가진 방향인 동측과 서측의 변위를 주로 분석하며, 동측과 서측의 변위차를 통해 배부름 및 비틀림 변 형 분석을 추가로 반영한다. <Table 5>

    4.2 동적 해석 결과 분석

    4.2.1 적심 유무에 따른 동적 거동 특성

    1) X축 변위

    적심 유무에 따른 첨성대의 X축 변위 검토 결과, 동측과 서측 모두 유사한 변위 형상이 나타났다. 그 러나 서측 하부에서 적심이 없는 Model 2의 변위가 Model 1에 비해 약 1.5배 더 크게 나타났으며, 상부 에서는 큰 차이가 발생하지 않았다. 이는 적심이 없 는 하부에서 주로 변위가 크게 발생하고, 상부는 적 심 유무와 관계없이 구성이 동일하기 때문에 변위 차가 크게 나타나지 않은 것으로 판단된다. <Table 6>

    2) Y축 변위

    적심 유무에 따른 Y축 변위 검토 결과, 모든 위치 에서 큰 차이가 발생하지 않는 것으로 나타났다. 그 러나 서측의 16단에서부터 Model 2의 변위가 Model 1보다 2배 이상 크게 나타났다. 이는 Model 2 하부에 발생한 X축 변위로 인해 상부 부재가 회전 하면서 변위가 크게 나타난 것으로 판단된다. <Table 7>

    3) Z축 응력

    적심 유무에 따른 Z축 응력 검토 결과, 전체적으 로 큰 차이는 발생하지 않았으나 Model 1의 경우 Model 2보다 동측에서 일부 응력이 크게 나타나는 구간이 존재하였다. 반면 서측의 경우 하부에서 Model 2의 응력이 대부분 0.15 MPa 이상으로 크게 나타났으며, 상부는 두 모델이 유사하게 나타났다. 이는 Model 2의 서측 하부에 발생한 X축 변위가 크기 때문에 이격 및 돌출 현상이 발생하며 이로 인 해 응력이 더 크게 나타나는 것으로 판단된다. <Table 8>

    4.2.2 정자석 및 비녀석 유무에 따른 동적 거동 특성

    1) X축 변위

    정자석 및 비녀석 유무에 따른 X축 변위 검토 결 과, 동측의 경우 큰 변위 차이가 없는 것으로 나타 났다. 그러나 서측의 경우 Model 3의 변위가 평균 적으로 약 1.5배 크게 나타났으며, 특히 정자석 및 비녀석이 제거된 19단부터 상부의 변위차가 심해지 는 것으로 나타났다. 이는 정자석 및 비녀석이 횡 방향의 하중을 어느정도 감소시켜주는 역할을 하며, 이로 인해 서측의 19단부터 변위차가 크게 나타나 는 것으로 판단된다. <Table 9>

    2) Y축 변위

    정자석 및 비녀석 유무에 따른 Y축 변위 검토 결 과, X축 변위와 달리 Model 3의 변위가 동측의 대 부분의 위치에서 더 크게 나타났으나 전체적으로 큰 변위는 발생하지 않았다. 이는 정자석과 비녀석 이 제거된 위치에 발생한 공극으로 인해 부재가 일 부 회전하면서 차이가 발생하는 것으로 판단된다. 그러나 두 모델 모두 X축 변위에 비해 크지 않게 발 생한 것으로 보아 정자석 및 비녀석이 가진 방향에 는 비교적 큰 영향을 미치나 가진의 수직 방향에는 큰 영향을 미치지 않는 것으로 판단된다. <Table 10>

    3) Z축 응력

    정자석 및 비녀석 유무에 따른 Z축 응력 검토 결 과, 동측의 경우 유사하게 나타났으나 서측의 경우 하부에서 Model 3의 응력이 Model 1에 비해 평균 적으로 약 2배 높게 나타났다. 서측 상부의 경우 두 모델 모두 유사하게 나타났다. 이는 Model 3의 서 측에 발생한 X축 변위로 인해 이격 및 돌출 현상이 발생하며, 이로 인해 하중의 불균등 흐름으로 응력 이 비교적 크게 나타나는 것으로 판단된다. <Table 11>

    4.2.3 지반 침하 유무에 따른 동적 거동 특성

    1) X축 변위

    지반 침하 유무에 따른 X축 변위 검토 결과, 동측 과 서측 모두 큰 차이 없이 유사하게 나타났다. 그 러나 서측의 경우 하부에서 Model 4의 변위가 Model 1에 비해 약 1.5배 크게 나타났으며, 상부의 경우 큰 변위가 발생하지 않는 것으로 나타났다. 이 는 북서측 방향으로 지반 침하가 반영되어 서측 하 부에서 변위가 다소 크게 나타나는 것으로 판단된 다. 그러나 전체적으로 두 모델의 변위차가 크지 않 으므로 가진 방향인 X축 변위보다 침하에 의한 Y축 변위가 더 큰 영향을 미친 것으로 판단된다. <Table 12>

    2) Y축 변위

    지반 침하 유무에 따른 Y축 변위 검토 결과, Model 1의 경우 동측과 서측 모두 비교적 큰 변위 가 발생하지 않는 것으로 나타났다. 그러나 Model 4 의 경우 상부로 갈수록 변위가 증가하는 켄틸레버 와 같은 변형 형상이 나타났으며, 특히 서측의 경우 21단에서부터 변위가 급격하게 증가하는 거동 형상 이 나타났다. 이는 북서측 방향으로 지반 침하가 반 영되었기 때문에 Y축 방향으로 변위가 크게 나타나 는 것으로 판단된다. 또한 서측 일부도 지반 침하가 반영되어 상부에서 변위가 급격하게 증가하는 거동 특성이 나타나는 것으로 판단된다.

    지반 침하 유무에 따른 동적 거동 특성 분석 결 과, 다른 설계 변수 요인보다 침하에 의한 구조 거동 이 구조물에 더 큰 영향을 미치는 것으로 판단된다. <Table 13>

    3) Z축 응력

    지반 침하 유무에 따른 Z축 응력 검토 결과, 지반 침하 유무와 관계없이 동서측의 응력이 유사하게 나타났다. 이는 지반 침하에 따라 하중이 북측으로 대부분 전달되면서 서측과 동측의 응력에서 큰 차 이가 발생하지 않은 것으로 판단된다.

    4.3 배부름 및 비틀림 변형 분석

    첨성대의 동적 해석 결과를 통해 <Table 14>와 같이 설계 변수별 동측과 서측의 X방향 및 Y방향 변위차를 이용하여 배부름 및 비틀림 변형 현상을 검토하였다.

    모든 Model이 하부에서는 배부름 현상이 주로 발 생하고, 상부에서는 비틀림 변형 현상이 발생하였다.

    Model 1의 경우 하부에 배부름이 발생하고, 상부 에 반시계 방향으로 비틀리는 현상과 함께 서측으 로 약간 기울어지는 거동 형상이 나타났다. Model 2 의 경우 하부의 배부름 현상은 Model 1에 비해 더 많이 발생하였으나 상부의 비틀림 현상은 거의 발 생하지 않았다. Model 3의 경우 하부의 배부름 현 상은 Model 1과 큰 차이가 없으나 비틀림 현상은 상부로 갈수록 더 많이 발생하는 것으로 나타났다. Model 4의 경우 하부에 배부름 현상이 국지적으로 발생하며 북측으로 기울어지는 현상과 함께 비틀림 현상이 불규칙적으로 발생하였다.

    이에 따라 적심 유무에 상관없이 하부에서는 배 부름 현상이 나타났다. 그러나 하부에 적심이 있는 경우 강성이 크고 지진 하중 증폭이 더 많이 되기 때문에 상부에서 비틀림 현상이 더 발생하는 것으 로 판단된다. 또한 정자석 및 비녀석이 없는 경우 상부의 비틀림 변형이 크게 나타났기 때문에 정자 석 및 비녀석이 구조물에 작용하는 횡력을 어느 정 도 분담하는 것으로 판단된다. 반면 지반 침하의 경 우 다른 설계 변수와 달리 침하에 의한 기울어짐이 크게 영향을 받기 때문에 배부름이나 비틀림 현상 이 기본 모델에 비해 국지적이면서 불규칙하게 발 생한 것으로 판단된다.

    5. 결론

    첨성대의 구조 형식을 반영한 구조 모형화 및 동 적 해석 결과를 바탕으로 지진 거동 특성을 분석한 결과, 다음과 같은 결론을 얻었다.

    • 1) 적심 유무에 따른 동적 거동 특성 분석 결과, 두 모델의 거동 형상은 유사하나 적심이 없는 경우 하부의 변위가 더 크게 나타났다. 이에 비해 상부는 구성 형식이 서로 동일하여 변위차가 크게 나타나 지 않았다. 이는 적심이 없는 하부의 강성이 낮기 때문에 변위 차이가 더 크게 발생한 것으로 판단 된다.

    • 2) 정자석 및 비녀석 유무에 따른 동적 거동 특성 분석 결과, 하부에서는 변위 차이가 크지 않게 나타 났으나 상부에서는 정자석 및 비녀석이 없는 모델 의 변위가 더 크게 나타났다. 이에 따라 상부에 존 재하는 정자석 및 비녀석이 횡 방향의 하중을 어느 정도 감소시켜주는 것으로 판단된다. 특히 Y축 변 위가 크지 않게 발생한 것으로 보아 정자석 및 비녀 석이 가진 방향에는 큰 영향을 미치나 가진의 수직 방향에는 큰 영향을 미치지 않는 것으로 판단된다.

    • 3) 지반 침하에 따른 동적 거동 특성 분석 결과, X축 변위는 전체적으로 큰 차이가 없으나 Y축 변위 는 지반 침하 모델에서 상부로 갈수록 변위가 증가 하는 거동 특성이 나타났다. 이는 북서측 방향으로 지반 침하가 반영되어 Y축 변위가 크게 나타나며, 다른 설계 변수 요인보다 침하에 의한 구조 거동이 구조물에 더 큰 영향을 미치는 것으로 판단된다.

    • 4) 배부름 및 비틀림 변형 분석 결과, 모든 Model 이 주로 하부에서 배부름이 발생하고 상부에서 비 틀림 현상이 발생하였다. 특히 하부에 적심이 있는 경우 지진 하중이 증폭되어 상부에서 비틀림 현상 이 더 크게 발생되는 것으로 판단된다. 또한 정자석 및 비녀석 유무에 따라 하부의 배부름 현상은 큰 차 이가 없으나 상부의 비틀림 현상은 차이가 크게 나 타나므로 정자석 및 비녀석이 지진에 의한 횡력을 어느 정도 분담하는 것으로 판단된다. 반면 지반 침 하의 경우 다른 설계 변수와 달리 침하에 의한 기울 어짐이 크게 영향을 받기 때문에 배부름이나 비틀 림 현상이 기본 모델에 비해 국지적이면서 불규칙 하게 발생하는 것으로 판단된다.

    추후 남북 방향 및 2축 방향 가진에 따른 동적 거 동 특성을 분석할 필요가 있을 것으로 사료된다. 또 한 적심 유무, 정자석 및 비녀석 유무, 지반 침하 유 무 등에 따른 동적 실험을 수행하여 해석 결과와 비 교 검토하는 연구가 수행될 필요가 있다.

    감사의 글

    이 논문은 2018~2019학년도에 청주대학교 산업과학 연구소가 지원한 학술연구조성비(특별연구과제)에 의해 연구되었음.

    Figure

    KASS-19-4-35_F1.gif

    Composition of Cheomseongdae

    KASS-19-4-35_F2.gif

    Elevation by location

    KASS-19-4-35_F3.gif

    Structural modelling process

    KASS-19-4-35_F4.gif

    Structural modelling of ground subsidence

    KASS-19-4-35_F5.gif

    Block and joint modelling

    KASS-19-4-35_F6.gif

    Dynamic analysis method

    KASS-19-4-35_F7.gif

    Gyeongju earthquake

    KASS-19-4-35_F8.gif

    Direction of seismic excitation

    KASS-19-4-35_F9.gif

    Check position and direction

    Table

    Summary of Cheomseongdae

    Material properties

    Contact properties

    Analysis models

    Comparison of X displacement

    Comparison of Y displacement

    Comparison of Z stress

    Comparison of X displacement

    Comparison of Y displacement

    Comparison of Z stress

    Comparison of X displacement

    Comparison of Y displacement

    Comparison of Z stress

    Displacement gap according to analysis models

    Reference

    1. National Cultural Properties Research Institute, “Safety Management Research of Stone Cultural Properties”, 2011.
    2. Kim, H. S., & Kim, J. H., “Structural Characteristics Evaluation Considering Construction Circumstances of Cheomseongdae”, Journal of Korean Association for Spatial Structures, Vol.15, No.3, pp.69~76, 2015
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    4. Kim, K. T., “A Study on the Chumsungdae’s Figures and Functions”, Publications of the Korean Astronomical Society, Vol.28, No.2, pp.25~36, 2013
    5. National Cultural Properties Research Institute, “Survey Report on Measurement and Damage Assessment of Cheomseongdae in Gyeongju”, 2009.
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