첨성대의 축조형식에 따른 구조모형화 및 구조해석 방안 = Structural Modelling and Analysis according to Construction Type of Cheomseongdae

국문 초록 (Abstract)

석조 문화재의 경우 지진과 같은 횡력에 매우 취약하기 때문에 쉽게 훼손이 발생할 수 있으며, 훼손이 발생할 경우 문화재 본래 가치를 회복하기 어렵기 때문에 지진과 같은 자연재해로부터 석조 문화재를 보호하기 위해서는 좀 더 과학적이고 공학적인 평가방법과 내진성능수준 및 지진재해 저감대책에 대한 체계적인 접근이 필요하다. 이에 따라 본 연구에서는 지진하중을 받는 석탑 구조물의 동적거동 특성을 평가하기 위해 개별요소 해석기법을 통한 구조모형화 및 동적해석을 수행하고자 한다. 이를 위해 본 연구에서는 먼저 형상비에 따른 석탑구조물의 다양한 설계변수에 따른 동적거동 특성을 평가하였다. 또한 세 가지의 대표적인 석탑모델을 선정하고 재현주기에 따른 지진하중을 적용하여 응력 및 변위를 분석하고 이를 통해 내진성능을 평가하였다.
재현주기에 따라 지진하중은 석탑 구조물의 지진성능을 평가하기 위해 추정된다. 기록된 지진데이터는 기반암에 영향을 미치지 않고 석탑 구조물에 실제로 영향을 줄 수 있는 지진파로 변형된다. 이를 위해 기반암에 사용하는 기록지진의 가속도 값은 재현주기 동안에 우려되는 최대지반가속도 값으로 변환되고, 그 결과는 주어진 지반조건과 재현주기에 따라 산출된다.
재현주기에 따라 지진하중이 적용된 구조물의 해석결과는 수치적으로 시간위상의 알고리즘에 의해 설명된다. 해석결과를 바탕으로 석탑 구조물의 동적 거동 및 구조 성능이 평가된다. 이를 위해 석탑구조물의 지반조건에 따라 각 재현주기의 지진하중이 산정된다.
형상비 및 접촉상황에 따른 동적거동 특성 분석결과를 통해 총 높이가 높고 부재가 분할되 있을수록 변위가 서서히 증가하는 것을 알 수 있었다. 이는 구조물이 높을수록 무게중심이 상부로 이동하기 때문에 지진하중에 대한 저항특성이 감소하는 것으로 판단된다.
동적해석 결과, 불국사 3층 석탑이 정림사지 5층 석탑보다 낮지만 상부부재의 처짐은 가장 크게 나타났다. 또한 일반적으로 1층 및 2층에 응력이 집중되는 것으로 나타났다. 한편, 정림사지 5층 석탑의 동적해석 결과 재현주기가 길고 상륜부의 처짐이 가장 클 때 미끄러짐 현상이 발생할 우려가 있는 것으로 나타났다. 추가적으로, 탑신부의 두 번째 층 옥개석에 응력이 집중되지만 다른 위치의 수치와 유사한 것으로 나타났다.
또한, 불국사 3층 석탑은 대부분의 부재에서 미끄러짐 현상이 발생하지 않는 것으로 나타났다. 반면에, 정림사지 5층 석탑은 대부분의 층에서 미끄러짐 현상이 발생하는 것으로 나타났다. 이는 불국사 3층 석탑의 경우 하나의 층이 단일부재로 구성되어 있기 때문에 미끄러짐에 대해서 안전한 반면에 정림사지 5층 석탑의 경우 하나의 층이 다중부재로 구성되어 각각의 부재가 단일 거동을 하지 못하기 때문으로 판단된다.
특히 지진 하중에 대한 안전성 평가결과 석탑의 구성형식에 따라 다르게 나타났다. 또한, 재현주기가 길어질수록 석탑의 층간변위가 증가하고 더 많은 미끄러짐 현상이 발생할 우려가 있는 것으로 나타났다. 따라서 지진 상황 및 다양한 손상요인들에 대한 대응책을 마련해야 할 것으로 판단된다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Cheomseongdae is the masonry stone structure with the cultural and historical values. But, this structure has the various damages such as cracks, gaps, slope variations and ground subsidence. So, the interests about the structural safety of Cheomseongdae have been increased. But, it is difficult to perform the structural modelling process because of the discontinuum behavior characteristics of masonry stone structure. Therefore, this study presents the reasonable structural modelling and analysis to be able to consider the discontinuum behavior and contact surface according to the construction type of Cheomseongdae. Also, this study checks the structural behavior characteristics according to Jeoksim and the swelling and displacement gap of the whole structure and the separation between the neighboring members.
The analysis models are classified as two models, such as the basic damage model and ground subsidence model. Through the analysis results, the basic damage model shows maximum stress about 0.4 MPa and maximum displacement about 5.7 mm. Also, the damage model of ground subsidence shows maximum stress about 1.5 MPa and maximum displacement about 144 mm. Thus, the damage model of ground subsidence shows the stress and displacement more than basic damage model.
Also, through the behavior analysis results according to Jeoksim, as the lateral pressure according to Jeoksim is higher, we can find out that the overall stress and displacement of structure are increased. Additionally, as this pressure generates the swelling and separation between the neighboring members, the reasonable repair and maintance are needed for the safe preservation of Cheomseongdae.

목차 (Table of Contents)

• 1. 서 론 1
• 1.1 연구배경 및 목적 1
• 1.2 연구내용 및 방법 2
• 2. 축조형식 및 재료특성 분석 5
• 2.1 부분별 축조 현황 5
• 2.2 지반현황 분석 13
• 2.3 초음파탐사를 통한 풍화도등급 및 압축강도 분석 15
• 2.4 석재 및 절리면 재료특성분석 18
• 3. 구조모형화 및 해석기법 21
• 3.1 실측도면을 이용한 부재 모형화 21
• 3.2 부재 정형화 방안 22
• 3.3 지반 및 주요 상세부 구조모형화 방안 25
• 3.4 해석기법 분석 27
• 3.5 응력과 변위 측정위치 및 방향축 설정 29
• 4. 해석모델 설정 및 해석결과 분석 33
• 4.1 해석모델 설정 33
• 4.2 기본모델의 해석결과분석 35
• 4.3 지반침하 반영모델의 해석결과분석 41
• 4.4 해석모델의 응력 및 변위 비교 47
• 4.5 적심의 유무에 대한 해석결과분석 56
• 4.6 배부름 및 찌그러짐 현상 검토 64
• 4.7 이격발생 부재의 벌어짐 현상 검토 64
• 5. 결 론 69
• ▣ 참고문헌 73
• ▣ ABSTRACT 77