노거수의 구조 안정성에 대한 유한요소해석 연구

Finite Element Analysis study on the Structural Stability of Large-old Trees

본 연구는 기존까지 생리적 안정성 진단에 한정되었던 노거수에 대한 구조적 안정성을 진단하는 방법 개발을 목적으로 하였다. 이를 위해 천연기념물과 보호수, 도시와 공원의 가로수로 차지하는 비중이 높은 느티나무에 대한 유한요소해석을 시도하였다. 연구대상은 우리나라 중부 지역인 부여군 내 생육 중인 보호수 중에서 선정하였다. 외과수술이 시행되어 수간에 공동이 있는 느티나무 4그루에 대해 3차원 모델을 제작하고, 유한요소해석을 수행하였다. 연구결과는 다음과 같다. 첫째, 수목의 스캐닝과 음파단층촬영을 실시하여 유한요소분석을 위한 3차원 형상모델을 제작하였다. 유한요소해석을 위한 메쉬 제작과 형상에 따른 자중 및 풍하중 산출 방법을 제안하였다. 둘째, 유한요소해석에서 수관의 형상과 수목의 크기에 따라 풍하중의 발생은 비례하는 것으로 확인되었다. 수관의 형상이 부정형이거나 2개 이상으로 나눠질 때 풍하중이 불규칙적으로 변화하는 것이 발견되었다. 셋째, 외과수술로 주간의 하부에 공동이 있는 수목의 유한요소해석결과, 전반적으로 태풍에 의한 강풍(70m/s)이 발생하여도 자중에 의한 주간 부러짐 피해가 발생할 가능성은 높지 않음을 밝혔다. 넷째, 부후로 인해 발생한 공동부가 내부 응력 분포에서 구조적 취약점 발생에 영향을 주는 것도 확인되었다. 그러므로, 노거수에 대한 조사에서 공동부의 형상 측정과 기록이 수반될 필요가 있다. 또한, 공동이 있고 수간에서 분지한 측지가 발달한 경우에 구조적 취약점이 발생할 가능성이 있으므로, 해당 지점의 형상 측정과 기록이 중요할 것으로 판단된다. 연구의 수행 과정에서 수관의 자중과 투관율, 풍향별 투영면적의 산정 등에 한계를 발견하였다. 향후 유한요소해석의 정확도를 높이기 위해서는 수관의 측정과 모델링의 정밀도를 높이는 방안의 모색이 필요하다.

This study aims to develop a method for assessing the structural stability of large-old trees, which are typically evaluated primarily for their physiological health. To achieve this, finite element analysis(FEA) was applied to Zelkova serrata (Thunb.) Makino, which are significant as natural monuments, protected trees and street trees in urban areas and parks. Four representative large-old trees in Buyeo-gun, which had undergone surgical treatment, were selected for creating analytical models and being conducted FEA. The key findings are as follows: first, we made 3D models by acquiring 3D scanning and ultra sonic tomography data for analyzing FEA. We proposed methods for constructing 3D meshes and calculating self-weight and wind loads based on tree shape to interpret FEA. Second, the study confirmed that wind loads increase proportionally with the size of the tree and the shape of the canopy. Wind loads were observed irregularly in cases of unusual shapes or multiple segments of the canopy. Third, FEA's result of large-old trees with decay-induced cavities indicated that even under strong winds (70m/s) from typhoons, the likelihood of damage from trunk breakage due to self-weight was relatively low. Fourth, decay-induced cavities were found to affect internal stress distribution, leading to structural weaknesses. This highlights the need for measuring and documenting the shape of cavities during tree assessments. Accurate measurement and documentation of branching and tree form are also crucial, as complex branching and cavities increase the likelihood of structural weaknesses. The study also identified limitations in estimating self-weight, transmissivity, and projected areas of the canopy based on wind direction. To improve the accuracy of FEA, the method for enhancing precision of the 3D model and measuring the canopy and is necessary.