쌍계사 오층 석탑 부지의 지진 응답 특성 평가를 통한 1936년 지리산 지진 세기의 정량적 분석 Quantitative Analysis on Intensity of 1936 Jirisan Earthquake by Estimating Seismic Response Characteristics at the Site of Five-story Stone Pagoda in Ssang-gye-sa원문보기
한반도 남쪽 경계 부근에 위치한 지리산 내의 불교 사찰인 쌍계사에서 1936년 7월 4일 규모 5.0의 지진이 발생하였다. 이 지진으로 인하여 쌍계사 경내 건축물과 구조물이 심각한 피해를 입었으며, 특히 지진시 사찰 내 오층 석탑의 탑두가 전도하여 추락하였다. 이 지진 피해 사례는 역사 지진 발생 이외의 강진 기록이 전무한 중진 지역의 한반도에서의 지반 운동 세기 평가에 유용하게 활용될 수 있다. 쌍계사 부지에서의 국부적 부지 효과 및 그에 따른 지반 운동을 평가하기 위하여, 시추와 크로스홀 및 SASW 시험과 같은 현장 탄성파 시험으로 구성된 종합적인 지반 조사를 사찰 경내에서 수행하였다. 조사된 지반 특성을 토대로, 다양한 지진파를 적용한 부지고유 지진 응답 해석을 0.044g부터 0.220g 범위의 여섯 가지 입력 암반 노두 가속도 수준으로 대표적 쌍계사 부지에 대해 일차원 등가선형 및 비선형 기법을 적용하여 실시하였다. 부지고유 지진 응답 결과로부터 쌍계사의 부지 주기 부근의 단주기 영역에서 증폭된 지반 운동을 확인할 수 있었다. 또한, 본 연구의 부지 응답 해석 결과와 선행 연구의 석탑 실물 크기 지진 시험 결과를 비교 분석하여 1936년 지리산 지진의 암반 노두 지진 세기를 평가하였다.
한반도 남쪽 경계 부근에 위치한 지리산 내의 불교 사찰인 쌍계사에서 1936년 7월 4일 규모 5.0의 지진이 발생하였다. 이 지진으로 인하여 쌍계사 경내 건축물과 구조물이 심각한 피해를 입었으며, 특히 지진시 사찰 내 오층 석탑의 탑두가 전도하여 추락하였다. 이 지진 피해 사례는 역사 지진 발생 이외의 강진 기록이 전무한 중진 지역의 한반도에서의 지반 운동 세기 평가에 유용하게 활용될 수 있다. 쌍계사 부지에서의 국부적 부지 효과 및 그에 따른 지반 운동을 평가하기 위하여, 시추와 크로스홀 및 SASW 시험과 같은 현장 탄성파 시험으로 구성된 종합적인 지반 조사를 사찰 경내에서 수행하였다. 조사된 지반 특성을 토대로, 다양한 지진파를 적용한 부지고유 지진 응답 해석을 0.044g부터 0.220g 범위의 여섯 가지 입력 암반 노두 가속도 수준으로 대표적 쌍계사 부지에 대해 일차원 등가선형 및 비선형 기법을 적용하여 실시하였다. 부지고유 지진 응답 결과로부터 쌍계사의 부지 주기 부근의 단주기 영역에서 증폭된 지반 운동을 확인할 수 있었다. 또한, 본 연구의 부지 응답 해석 결과와 선행 연구의 석탑 실물 크기 지진 시험 결과를 비교 분석하여 1936년 지리산 지진의 암반 노두 지진 세기를 평가하였다.
An earthquake of magnitude 5.0 occurred at Ssang-gye-sa, a Buddhist temple in Jirisan, located near the southern border of the Korean peninsula on 4 July 1936. It resulted in severe damage of several buildings and structures in Ssang-gye-sa. Particularly, the top component of a five-story stone pago...
An earthquake of magnitude 5.0 occurred at Ssang-gye-sa, a Buddhist temple in Jirisan, located near the southern border of the Korean peninsula on 4 July 1936. It resulted in severe damage of several buildings and structures in Ssang-gye-sa. Particularly, the top component of a five-story stone pagoda in the temple was tipped over and fell down during the earthquake. This earthquake damage case would be usefully applied to estimating the intensity of ground motion in the Korean peninsula, a moderate seismicity region, where strong motion has never been recorded with the exception of historic seismic events. In order to estimate the local site effects and the corresponding ground motion at Ssang-gye-sa site, intensive site investigations including borehole drilling and in-situ seismic tests such as crosshole and SASW tests were performed in the temple area. Based on the site characteristics, site-specific seismic response analyses using various input motions were conducted for a representative Ssang-gye-sa site by means of both one-dimensional equivalent-linear and nonlinear methods with six input rock outcrop acceleration levels ranging from 0.044g to 0.220g. The resultant site-specific seismic responses indicated the amplified ground motions in the short-period range near the site period of Ssang-gye-sa. Furthermore, the intensity on rock outcrop of the 1936 Jirisan earthquake was estimated by making a comparison between the site responses analysis results in this study and the full-scaled seismic test of pagoda model in the prior study.
An earthquake of magnitude 5.0 occurred at Ssang-gye-sa, a Buddhist temple in Jirisan, located near the southern border of the Korean peninsula on 4 July 1936. It resulted in severe damage of several buildings and structures in Ssang-gye-sa. Particularly, the top component of a five-story stone pagoda in the temple was tipped over and fell down during the earthquake. This earthquake damage case would be usefully applied to estimating the intensity of ground motion in the Korean peninsula, a moderate seismicity region, where strong motion has never been recorded with the exception of historic seismic events. In order to estimate the local site effects and the corresponding ground motion at Ssang-gye-sa site, intensive site investigations including borehole drilling and in-situ seismic tests such as crosshole and SASW tests were performed in the temple area. Based on the site characteristics, site-specific seismic response analyses using various input motions were conducted for a representative Ssang-gye-sa site by means of both one-dimensional equivalent-linear and nonlinear methods with six input rock outcrop acceleration levels ranging from 0.044g to 0.220g. The resultant site-specific seismic responses indicated the amplified ground motions in the short-period range near the site period of Ssang-gye-sa. Furthermore, the intensity on rock outcrop of the 1936 Jirisan earthquake was estimated by making a comparison between the site responses analysis results in this study and the full-scaled seismic test of pagoda model in the prior study.
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문제 정의
본 연구에서는 구체적 피해 사례가 사진으로 기록된 계기 지진 중 가장 오래된 지진인 쌍계사 지진에 관한 지반공학적 정량화의 일환으로, 쌍계사 부지의 대표적 지반 특성을 체계적으로 도출하고 이를 토대로 부지 효과를 평가하기 위한 일차원 지진 응답 해석을 수행하였다. 해석은 등가선형 (equivalent-linear) 기법인 SHAKE91(Idriss와 Sun, 1992)과 비선형(nonlinear) 기법인 NERA(Bardet와 Tobita, 2001)의 두 기법을 모두 적용 수행하여 한가지 기법을 선택 적용함에 따른 문제 제기 가능성을 배제시켰다.
본 연구에서는 국내의 대표적 계기 지진 피해 사례인 지리산 쌍계사 지진에 대한 정량적 지진 세기 평가의 일환으로 대상 부지에 대한 해석적 기법 적용의 국부적 부지 효과 평가를 수행하였다. 부지 효과의 평가에서는 선행 연구(Kim과 Ryu, 2003)에 기반한 해석 수행을 진행함에 따라 제한된 입력 지진파들만을 적용하여 국내 발생 기록 지진파의 체계적 고려가 결여되어 있으므로, 보다 종합적인 입력 지진파 고려 적용이 추가적으로 필요할 것이다.
본 연구에서는 국내의 대표적인 건축 구조물 피해 발생 계기 지진인 1936년 지리산 지진에 관한 기초적 문헌 및 현장 탐문 조사를 수행하고(서울대학교, 1999), 오층 석탑 탑두 추락과 같은 구체적이고 정량적인 피해들이 발생했던 쌍계사 부지를 대상으로 지진 응답 특성 평가를 수행하였다. 대상 부지에서는 현장 지반 조사를 수행하여 지반 특성을 파악하고, 이를 기본 정보로 이용하여 수치적 접근 기법인 지진 응답 해석을 수행함으로써 부지 고유의 지진 응답 특성을 평가하였다.
역사 지진 피해 기록 중에서도 여러 조건이 명료한 석가탑 지진 피해 사례와 같은 주요 석조 문화재를 대상으로 고려할 경우, 실제 지진 피해 사례에 대한 종합적 연구 및 이를 통한 한반도 발생 지진 세기의 정량적 평가가 향후 가능할 것으로 보인다. 본 연구에서는 이와 같은 향후 석탑 지진 피해 사례에 근거한 지진 세기 평가의 사전적 연구의 일환으로, 쌍계사 지진시 발생한 오층 석탑 탑두 추락 사례와 결부하여 쌍계사의 부지고유 지진 응답 특성 평가 결과를 분석하였다.
SASW 시험은 크로스홀 시험 부지를 포함해서 1936년 지진 당시 오층 석탑의 탑두가 추락했던 금당 부지 (KU)와 천정 등이 붕괴되었던 종무소 부지(FG)에서 실시되었다. 본 연구의 지반 조사는 오층 석탑의 지진 피해 사례가 존재하는 금당 부지에 대한 지반지진공학적 특성 파악을 주목적으로 수행되었다.
쌍계사 부지는 대웅전이나 종무소와 같은 큰 규모의 건축물들이 위치한 넓은 부지 영역, 그 옆의 높은 지대에 금당이 위치한 좁은 부지 영역, 그리고 이들 사이에 몇몇 건축물들이 존재하는 중간 부지 영역으로 구분할 수 있다. 이러한 상황에 따라 본 연구에서는 세 부지 영역에 대해서 지반동적 특성인 전단파 속도(shear wave velocity, VS) 획득 목적의 현장 탄성파 시험(in-situ seismic test)을 포함한 지반 조사를 수행하고, 쌍계사 부지의 지반지진공학적 대표 특성을 도출하고자 하였다. 지반 조사는 시추공 탄성파 기법인 크로스홀 탄성파 시험(crosshole seismic test)과 비파괴 탄성파 기법인 SASW (spectral analysis of surface waves) 시험으로 구성하여 진행하였다.
이미 수행한 쌍계사 오층 석탑 실물 모델에 대한 지진 시험(Kim과 Ryu, 2003)에서 본 연구의 부지고유 지진 응답해석 시 다양한 지진파 주파수 특성을 반영할 목적으로 입력한 계측 지진파들인 Coalinga, El Centro, Taft 및 Whittier Narrows 지진파들을 적용하여, 일층 탑신부의 불안정이 아닌 석탑(찰주가 없는 모델) 탑두 추락 피해 양상을 야기하는 지진파들을 El Centro 지진과 Taft 지진으로 제시하였다. 또한, 김재관과 류혁(2001)은 예비 시험을 통해서 쌍계사 오층 석탑의 고유 진동수(1차 모드) 범위를 1.
그림 2는 쌍계사에서의 주요 지진 피해 사례인 종무소, 진감선사대공탑비 그리고 오층 석탑의 피해 현황을 당시 확보된 사진 자료로 제시한 것이다. 이와 같은 여러 형태의 지진 피해가 발생했던 쌍계사에 대한 부지고유 지진 응답 특성 평가를 위해 본 연구에서는 대상 지역에 대한 답사를 실시하고 종합적 지반 특성 확보 목적의 다양한 지반 조사를 수행하였다.
제안 방법
1. 쌍계사 경내의 세 곳의 부지를 대상으로 시추 조사와 크로스홀 시험 및 SASW 시험으로 구성된 현장 탄성파 시험을 수행하여 지층 구성을 확인하고 심도에 따른 VS 분포를 결정하였으며, 이로부터 쌍계사 부지의 지진 응답 해석을 위한 대표 부지 특성을 결정하였다. 대표 부지의 경우 기반암은 12.
2. 쌍계사 부지의 지진 응답 해석은 등가선형 및 비선형 해석 기법을 적용하였으며, 쌍계사 오층 석탑의 탑두 추락 검증을 위한 기존의 실물 모델 지진 시험에 입력된 8가지의 계측 지진과 한 가지의 인공 지진을 입력 지진파로 선정하여 국내 내진 설계 기준의 6가지 암반 노두 최대가속도 수준으로 조정하여 수행하였다. 부지고유 지진 응답 해석 결과, 토사 지표면 대 암반 노두의 최대 가속도 증폭비는 등가선형 기법의 경우 1.
문화재라는 사찰 여건상 기본적으로 비파괴 개념의 SASW 시험이 적용되었고, 시추 조사가 병행되는 크로스홀 시험은 중간 부지(LK) 영역의 입구에서만 제한적으로 수행되었다. SASW 시험은 크로스홀 시험 부지를 포함해서 1936년 지진 당시 오층 석탑의 탑두가 추락했던 금당 부지 (KU)와 천정 등이 붕괴되었던 종무소 부지(FG)에서 실시되었다. 본 연구의 지반 조사는 오층 석탑의 지진 피해 사례가 존재하는 금당 부지에 대한 지반지진공학적 특성 파악을 주목적으로 수행되었다.
깊이별 VS 분포와 더불어 부지고유 지진 응답 해석시 요구되는 전단변형률에 따른 지반의 정규화 전단계수 (normalized shear modulus, G/G0) 및 감쇠비(damping ratio, D)의 비선형 변화 곡선을 결정하기 위하여 시추 조사시 병행된 표준관입 시험(SPT)을 통해 획득한 불교란 시료를 밀도, 함수비 등의 현장 조건에 따라 재성형하여 공진주 시험을 수행하였다. 그림 6은 쌍계사 부지의 퇴적토와 풍화 잔류토에 대한 공진주 시험 결과로서, 해석 시 입력을 위한 대표 곡선을 Ramberg-Osgood 모델을 적용하여 결정하였다 (Sun 등, 2005).
대표 VS 분포는 시추 조사가 이루어졌고 VS 분포들 중 중간 값의 분포를 보이는 LK 부지의 SASW 시험으로부터 도출된 VS 분포를 기준으로 도출되었다. 다른 부지들의 SASW 시험의 VS 분포들과 LK 부지의 크로스홀 탄성파 시험의 VS 분포는 기준 VS 값을 지하 12m까지 1m 간격(10~12m 심도는 2m 간격)으로 조정하는 과정에서 정량적 편향 값으로 고려하였으며, 12m 이하 깊이는 크로스홀 시험의 VS 값의 평균적 분포를 대표 VS로 적용하였다. 대표 VS 분포 도출은 현장 시험의 신뢰도를 고려하여 진행될 수 있으나(Sun 등, 2005), 본 연구의 쌍계사 부지에서는 여러 위치에서 수행된 시험 여건을 우선 고려하여 가용 자료의 평균적 분포에 근거한 도출을 기본 개념으로 적용하였다.
본 연구에서는 국내의 대표적인 건축 구조물 피해 발생 계기 지진인 1936년 지리산 지진에 관한 기초적 문헌 및 현장 탐문 조사를 수행하고(서울대학교, 1999), 오층 석탑 탑두 추락과 같은 구체적이고 정량적인 피해들이 발생했던 쌍계사 부지를 대상으로 지진 응답 특성 평가를 수행하였다. 대상 부지에서는 현장 지반 조사를 수행하여 지반 특성을 파악하고, 이를 기본 정보로 이용하여 수치적 접근 기법인 지진 응답 해석을 수행함으로써 부지 고유의 지진 응답 특성을 평가하였다.
다른 부지들의 SASW 시험의 VS 분포들과 LK 부지의 크로스홀 탄성파 시험의 VS 분포는 기준 VS 값을 지하 12m까지 1m 간격(10~12m 심도는 2m 간격)으로 조정하는 과정에서 정량적 편향 값으로 고려하였으며, 12m 이하 깊이는 크로스홀 시험의 VS 값의 평균적 분포를 대표 VS로 적용하였다. 대표 VS 분포 도출은 현장 시험의 신뢰도를 고려하여 진행될 수 있으나(Sun 등, 2005), 본 연구의 쌍계사 부지에서는 여러 위치에서 수행된 시험 여건을 우선 고려하여 가용 자료의 평균적 분포에 근거한 도출을 기본 개념으로 적용하였다. 기반암은 VS 값의 분포가 750m/s를 초과하여 1,100m/s로 나타나는 깊이부터로 파악할 수 있으며(Sun 등, 2005), 연암 상부의 풍화암 내에서 기반암 심도가 결정되었다.
19g이었다. 모델 시험의 경험적 지진 피해 가속도와의 비교를 위하여, 그림 9에 본 연구에서 실시한 쌍계사 부지에 대한 지진 응답 해석으로부터 결정된 모든 암반 노두 가속도 수준의 지표면 최대 지반 가속도(PGA)들 중 El Centro 지진과 Taft 지진의 결과들을 정리하여 도시하였다. EPGA와 PGA의 비교에 따른 차이가 다소 있을 수는 있으나, 모델 시험과 부지 응답 해석의 결과 비교로부터 두 지진파 조건에 대한 탑두 추락시의 암반 노두 가속도를 확인해 볼 수 있다.
해석은 등가선형 (equivalent-linear) 기법인 SHAKE91(Idriss와 Sun, 1992)과 비선형(nonlinear) 기법인 NERA(Bardet와 Tobita, 2001)의 두 기법을 모두 적용 수행하여 한가지 기법을 선택 적용함에 따른 문제 제기 가능성을 배제시켰다. 부지 특성 뿐만 아니라 발생 가능 지진의 다양한 주파수 특성에 따른 지표면 부근 지진 응답을 종합적으로 평가하기 위하여 8가지의 강진 지역 계측 지진들을 선정하고 한 가지의 인공(Artificial) 지진을 합성하여 입력 지진파로 활용하였다. 계측 지진은 총 4가지의 지진에 대한 NS 및 EW 방향 성분을 취하여 8가지 지진파로 구성하였으며, Coalinga, El Centro, Taft 및 Whittier Narrows 지진시의 대표적 계측 지진이다.
부지의 주기별 지진 응답 특성을 정량적으로 파악하기 위해 본 연구에서는 지표면 가속도 응답 스펙트럼을 비교 분석하였으며, 입력 지진파의 주파수(주기) 주요 성분이 다르므로 서로 매우 다른 스펙트럼 형상을 보였다. 여러 해석 수준 중에서 대표적으로 두 수준(0.
220g)에 대한 두 해석 기법의 지표면 가속도 응답 스펙트럼을 그림 7에 도시하였다. 비교 목적으로 쌍계사 부지의 해당 지반 분류인 C와 그 상위 분류인 D 조건의 표준 설계 응답 스펙트럼을 함께 도시하였으며, 평균(Ave) 및 표준편차(StDev)를 고려한 스펙트럼들도 제시하였다.
0m)와 매립토가 분포하고 있었다. 세 곳의 VS 분포들을 토대로 쌍계사 부지의 지진 응답 평가를 위한 대표 VS 분포를 도출하였고(Sun 등, 2005), 이로부터 부지고유 지진 응답 해석을 위한 기반암(bedrock) 심도를 결정하였다. 대표 VS 분포는 시추 조사가 이루어졌고 VS 분포들 중 중간 값의 분포를 보이는 LK 부지의 SASW 시험으로부터 도출된 VS 분포를 기준으로 도출되었다.
일차원 부지 응답 해석은, 건설교통부 내진 설계 기준에 따라 대상 쌍계사 부지가 지진 구역 I에 해당되므로, 쌍계사의 국부적 부지 효과에 대한 다양한 가속도 수준의 종합적 평가를 위하여, 지진 구역 I에 대한 모든 수준(II, I 및 특등급 구조물에 대한 기능수행수준(OLE)과 붕괴방지수준(CLE))의 6가지 조건(재현 주기 50년, 100년, 200년, 500년, 1,000년, 2,400년)에 대해 입력 지진파의 최대 가속도를 각각 보통암 노두 가속도 수준인 0.044g, 0.063g, 0.080g, 0.110g, 0.154g, 0.220g로 조정하여 수행하였다. 그림 5는 입력 지진들의 재현 주기 500년 수준에 대한 암반 노두의 가속도(0.
정량적 피해 사례가 사진으로 남아있는 한반도 계기 지진 중 가장 오래된 1936년 지리산 지진의 진앙 부근인 쌍계사에 대한 부지고유 지진 응답 특성 및 피해 기록에 근거한 지진 세기의 평가를 목적으로, 다양한 현장 조사를 수행하고 지진 응답 해석을 실시하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
계측 지진은 총 4가지의 지진에 대한 NS 및 EW 방향 성분을 취하여 8가지 지진파로 구성하였으며, Coalinga, El Centro, Taft 및 Whittier Narrows 지진시의 대표적 계측 지진이다. 특히, 이 계측 지진들은 Kim과 Ryu(2003)가 쌍계사 지진 세기 평가를 위해 수행한 쌍계사 오층 석탑 실물 모델 진동 시험의 입력 지진파들로서, 표 1에 지진 발생 및 계측 지반 조건에 대해 정리하여 제시하였다.
이에 따라 부지 지진 증폭 정도의 단순 지표인 암반 노두에 대한 지표면 자유장 가속도의 증폭비 역시 입력 지진파에 따라 다르게 나타났다. 표 2에 암반 노두의 입력 가속도 수준에 따른 PGA를 해석 기법에 따라 정리하였으며, 6종류의 암반 가속도 수준이므로 일률적 확인 비교를 위해 최대 가속도 증폭비의 평균도 제시하였다. 모든 가속도 수준에서 등가선형에 비해 비선형 기법의 평균 PGA와 그에 따른 증폭비가 작았으며, 등가선형 기법의 경우 1.
그림 3. 쌍계사의 지리 지형적 특성 및 수행 지반 조사 현황
현장 원위치 지반 조사로부터 우선 시추를 통한 지층 구성을 확인하였으며, 크로스홀 시험과 SASW 시험을 통해 심도에 따른 전단파속도(VS) 분포를 도출하였다
. 그림 4는 쌍계사 부지들에서 지반 조사를 통해 획득된 VS 분포 및 지층 구성이다.
대상 데이터
부지 특성 뿐만 아니라 발생 가능 지진의 다양한 주파수 특성에 따른 지표면 부근 지진 응답을 종합적으로 평가하기 위하여 8가지의 강진 지역 계측 지진들을 선정하고 한 가지의 인공(Artificial) 지진을 합성하여 입력 지진파로 활용하였다. 계측 지진은 총 4가지의 지진에 대한 NS 및 EW 방향 성분을 취하여 8가지 지진파로 구성하였으며, Coalinga, El Centro, Taft 및 Whittier Narrows 지진시의 대표적 계측 지진이다. 특히, 이 계측 지진들은 Kim과 Ryu(2003)가 쌍계사 지진 세기 평가를 위해 수행한 쌍계사 오층 석탑 실물 모델 진동 시험의 입력 지진파들로서, 표 1에 지진 발생 및 계측 지반 조건에 대해 정리하여 제시하였다.
본 연구의 대상인 쌍계사는 한반도 백두대간 남단에 위치한 지리산 기슭에 자리 잡고 있다. 지리산의 남쪽 입구에 자리잡은 쌍계사는 입구의 급한 산지와 이 산의 양옆에서 내려오는 두 줄기의 계곡 그리고 그 앞의 비교적 완만한 산지가 만나는 중간 지점에 위치해 있다.
쌍계사 종무소 건물의 벽과 천장이 무너졌으며, 둘레의 돌담이 붕괴하였다. 특히, 국보 제47호인 진감선사대공탑비에 지진으로 인한 새로운 균열이 생겼고, 금당 앞에 위치한 높이 2.5m의 오층 석탑의 탑두가 전도하여 추락하였다. 이 오층 석탑은 현재는 대웅전 앞으로 옮겨 설치되어 있다.
이론/모형
) 및 감쇠비(damping ratio, D)의 비선형 변화 곡선을 결정하기 위하여 시추 조사시 병행된 표준관입 시험(SPT)을 통해 획득한 불교란 시료를 밀도, 함수비 등의 현장 조건에 따라 재성형하여 공진주 시험을 수행하였다. 그림 6은 쌍계사 부지의 퇴적토와 풍화 잔류토에 대한 공진주 시험 결과로서, 해석 시 입력을 위한 대표 곡선을 Ramberg-Osgood 모델을 적용하여 결정하였다 (Sun 등, 2005). 또한, 부지 응답 해석을 위해 추가로 요구되는 매립토, 풍화암 및 기반암의 비선형 곡선은 국내 지반에 대해 제시된 기존 문헌(선창국 등, 2005a)을 토대로 확보하였다.
그림 6은 쌍계사 부지의 퇴적토와 풍화 잔류토에 대한 공진주 시험 결과로서, 해석 시 입력을 위한 대표 곡선을 Ramberg-Osgood 모델을 적용하여 결정하였다 (Sun 등, 2005). 또한, 부지 응답 해석을 위해 추가로 요구되는 매립토, 풍화암 및 기반암의 비선형 곡선은 국내 지반에 대해 제시된 기존 문헌(선창국 등, 2005a)을 토대로 확보하였다.
이러한 상황에 따라 본 연구에서는 세 부지 영역에 대해서 지반동적 특성인 전단파 속도(shear wave velocity, VS) 획득 목적의 현장 탄성파 시험(in-situ seismic test)을 포함한 지반 조사를 수행하고, 쌍계사 부지의 지반지진공학적 대표 특성을 도출하고자 하였다. 지반 조사는 시추공 탄성파 기법인 크로스홀 탄성파 시험(crosshole seismic test)과 비파괴 탄성파 기법인 SASW (spectral analysis of surface waves) 시험으로 구성하여 진행하였다. 문화재라는 사찰 여건상 기본적으로 비파괴 개념의 SASW 시험이 적용되었고, 시추 조사가 병행되는 크로스홀 시험은 중간 부지(LK) 영역의 입구에서만 제한적으로 수행되었다.
본 연구에서는 구체적 피해 사례가 사진으로 기록된 계기 지진 중 가장 오래된 지진인 쌍계사 지진에 관한 지반공학적 정량화의 일환으로, 쌍계사 부지의 대표적 지반 특성을 체계적으로 도출하고 이를 토대로 부지 효과를 평가하기 위한 일차원 지진 응답 해석을 수행하였다. 해석은 등가선형 (equivalent-linear) 기법인 SHAKE91(Idriss와 Sun, 1992)과 비선형(nonlinear) 기법인 NERA(Bardet와 Tobita, 2001)의 두 기법을 모두 적용 수행하여 한가지 기법을 선택 적용함에 따른 문제 제기 가능성을 배제시켰다. 부지 특성 뿐만 아니라 발생 가능 지진의 다양한 주파수 특성에 따른 지표면 부근 지진 응답을 종합적으로 평가하기 위하여 8가지의 강진 지역 계측 지진들을 선정하고 한 가지의 인공(Artificial) 지진을 합성하여 입력 지진파로 활용하였다.
성능/효과
3. 기존 선행 연구에서 실물 모델 지진 시험을 통해 여러 입력 지진파 중 쌍계사 오층 석탑의 탑두를 전도 추락시킬 수 있는 지진파인 El Centro 지진과 Taft 지진에 대해 탑두 추락 시의 평균적인 유효 최대 지반 가속도로 El Centro 지진은 0.15g 그리고 Taft 지진은 0.19g를 제시하였다. 이 기존 결과와 본 연구의 여러 암반 노두 가속도 수준별 최대 지반 가속도를 비교 분석하여 쌍계사 지진시 암반 노두의 최대 가속도를 El Centro 지진파 및 Taft 지진파의 경우 각각 약 0.
12초, 그리고 VS30은 633m/s이었다. VS30에 근거한 현행 내진 설계 지반 분류 조건은 다소의 부지 증폭이 예상되는 C 지반으로 구분되었고, 부지고유 지진응답 특성에 관한 대표적 지표인 부지 주기로 볼 때 0.1초 부근이나 그 보다 다소큰 주기의 단주기 구간에서의 지진 증폭이 예상되었다.
110g, 154g) 결과들에서도 대체로 동일한 응답 스펙트럼 형상 및 변화 경향을 보였다. 다양한 주파수 성분의 입력 지진파를 적용하고 6가지 입력 최대 가속도 수준을 고려한 쌍계사 부지의 지진 응답 해석 결과를 종합적으로 살펴보면, 부지 주기에 상응한 0.1초 부근이나 그 보다 다소 큰 단주기 구간에서 스펙트럴 가속도가 크게 증폭되었다. 따라서 쌍계사나 인근에서 주요 주파수 성분이 부지 주기 정도인 지진이 발생할 경우 그 피해가 상대적으로 커질 수 있으며, 부지 주기와 유사한 고유 주기를 보이는 건축물이나 시설물의 지진시 공진으로 인한 피해가 유발될 수 있다.
대상 쌍계사 부지에 대한 일차원 지진 응답 해석을 수행한 결과, 동일 암반 노두 가속도 수준에서도 입력 지진파에 따라 매우 상이한 지표면 최대 지반 가속도(peak ground acceleration, PGA)를 보였다. 이에 따라 부지 지진 증폭 정도의 단순 지표인 암반 노두에 대한 지표면 자유장 가속도의 증폭비 역시 입력 지진파에 따라 다르게 나타났다.
7 정도의 최대 가속도 증폭비를 보였다. 대체로 암반노두의 입력 가속도 수준이 커질수록 비선형 해석의 PGA와 증폭비가 등가선형 해석에 비해 상대적으로 작아졌다. 이는 주파수 영역에서 등가의 지반 특성을 반영하여 선형 해석을 실시하는 등가선형 기법과는 달리 시간 영역의 비선형 해석 과정에서는 비선형 응력-변형률 모델 적용을 통해 변형 이력을 고려하기 때문인데, 이로 인해 가속도 수준이 클수록 비선형 해석 시 변형 정도가 등가선형 해석에 비해 상대적으로 커서 두 기법간의 해석 결과 차이가 커질 수 있다.
세 곳의 VS 분포들을 토대로 쌍계사 부지의 지진 응답 평가를 위한 대표 VS 분포를 도출하였고(Sun 등, 2005), 이로부터 부지고유 지진 응답 해석을 위한 기반암(bedrock) 심도를 결정하였다. 대표 VS 분포는 시추 조사가 이루어졌고 VS 분포들 중 중간 값의 분포를 보이는 LK 부지의 SASW 시험으로부터 도출된 VS 분포를 기준으로 도출되었다. 다른 부지들의 SASW 시험의 VS 분포들과 LK 부지의 크로스홀 탄성파 시험의 VS 분포는 기준 VS 값을 지하 12m까지 1m 간격(10~12m 심도는 2m 간격)으로 조정하는 과정에서 정량적 편향 값으로 고려하였으며, 12m 이하 깊이는 크로스홀 시험의 VS 값의 평균적 분포를 대표 VS로 적용하였다.
1초 정도나 그 보다 다소 큰 주기에서 크게 증폭 되어 나타났다. 등가선형과 비선형 해석 결과를 비교해 보면, 암반 가속도 수준이 클수록 등가선형에 비해 비선형 해석 결과의 스펙트럴 가속도가 다소 작아지는 경향을 보인다. 이는 PGA에서 확인할 수 있었던 바와 같이, 가속도 수준이 커질수록 두 기법의 결과인 지표면의 가속도 시간 이력의 진폭 크기나 형상이 더욱 달라질 수 있기 때문이다.
17g로 추정하였다. 또한, 추정된 암반 노두 가속도와 유사한 수준에 대한 두 지진파의 지표면 응답 스펙트럼으로부터 쌍계사의 부지 주기 뿐만 아니라 석탑의 고유 주기에 상응하는 지진파의 지배 주기 부근에서의 큰 증폭을 확인하였다.
표 2에 암반 노두의 입력 가속도 수준에 따른 PGA를 해석 기법에 따라 정리하였으며, 6종류의 암반 가속도 수준이므로 일률적 확인 비교를 위해 최대 가속도 증폭비의 평균도 제시하였다. 모든 가속도 수준에서 등가선형에 비해 비선형 기법의 평균 PGA와 그에 따른 증폭비가 작았으며, 등가선형 기법의 경우 1.8~2.0 정도 그리고 비선형 기법의 경우 1.6~1.7 정도의 최대 가속도 증폭비를 보였다. 대체로 암반노두의 입력 가속도 수준이 커질수록 비선형 해석의 PGA와 증폭비가 등가선형 해석에 비해 상대적으로 작아졌다.
쌍계사 부지의 지진 응답 해석은 등가선형 및 비선형 해석 기법을 적용하였으며, 쌍계사 오층 석탑의 탑두 추락 검증을 위한 기존의 실물 모델 지진 시험에 입력된 8가지의 계측 지진과 한 가지의 인공 지진을 입력 지진파로 선정하여 국내 내진 설계 기준의 6가지 암반 노두 최대가속도 수준으로 조정하여 수행하였다. 부지고유 지진 응답 해석 결과, 토사 지표면 대 암반 노두의 최대 가속도 증폭비는 등가선형 기법의 경우 1.8~2.0 정도 그리고 비선형 기법의 경우 1.6~1.7 정도를 보였는데, 부지 주기와 유사한 지배 주기를 갖는 Coalinga NS 지진파의 증폭비가 가장 컸다. 뿐만 아니라 지표면 가속도 응답 스펙트럼으로부터 쌍계사 부지 주기 부근의 단주기 구간에서의 큰 증폭을 확인하였으며, 부지 주기와 유사한 고유 주기의 저층 건축물이나 시설물들의 지진시 피해 가능성이 높을 것으로 판단된다.
반면, 그림 11에 제시된 토사 지표면에서의 가속도 응답 스펙트럼에서는 지진 응답 해석 과정시 쌍계사 부지고유 특성이 반영되어 부지 주기 부근에서스펙트럴 가속도가 크게 증폭되어 나타난다. 뿐만 아니라 각 지진파의 지배적인 주기와 상응하는 석탑의 고유 주기 부근에서도 다른 주기에 비해 비교적 큰 스펙트럴 가속도를 보이며, 지진시 지표면에 이 주기에 상응하는 고유 주기를 보이는 오층 석탑이 존재할 경우 이와 같은 지진파 조건들에서 탑두가 추락하는 등의 피해가 발생할 수 있을 것으로 보인다.
7 정도를 보였는데, 부지 주기와 유사한 지배 주기를 갖는 Coalinga NS 지진파의 증폭비가 가장 컸다. 뿐만 아니라 지표면 가속도 응답 스펙트럼으로부터 쌍계사 부지 주기 부근의 단주기 구간에서의 큰 증폭을 확인하였으며, 부지 주기와 유사한 고유 주기의 저층 건축물이나 시설물들의 지진시 피해 가능성이 높을 것으로 판단된다.
쌍계사 부지의 대표 VS 분포로부터 결정된 기반암의 VS 값은 한반도 내륙 기반암의 일반적 VS 범위(800~1,200m/s)에 상응하였다 (선창국 등, 2007a; 2007c). 조사된 지반 특성으로 볼 때, 쌍계사 부지의 경우 비교적 얕은 심도인 12.0m부터 기반암이 분포하고, 그 상부 토사의 강성은 VS 값이 4.0m 깊이부터는 600m/s 정도로 상당히 크므로 지표면 부근에서의 단주기(고주파수) 지진 증폭 가능성이 높을 것으로 보인다.
지진파별 응답은 PGA로부터도 확인한 바와 같이 Coalinga NS 및 인공 지진의 스펙트럴 가속도가 부지 주기 부근인 0.1초 정도나 그 보다 다소 큰 주기에서 크게 증폭 되어 나타났다. 등가선형과 비선형 해석 결과를 비교해 보면, 암반 가속도 수준이 클수록 등가선형에 비해 비선형 해석 결과의 스펙트럴 가속도가 다소 작아지는 경향을 보인다.
그림 4는 쌍계사 부지들에서 지반 조사를 통해 획득된 VS 분포 및 지층 구성이다. 지층 구성은 이미 예상된 바와 같이, 모암의 풍화 진행에 따라 LK 부지에서 연암(심도 16m), 풍화암(심도 10m) 및 풍화잔류토(심도 7.0m)가 확인되었고 그 상부에 퇴적토(심도 2.0m)와 매립토가 분포하고 있었다. 세 곳의 VS 분포들을 토대로 쌍계사 부지의 지진 응답 평가를 위한 대표 VS 분포를 도출하였고(Sun 등, 2005), 이로부터 부지고유 지진 응답 해석을 위한 기반암(bedrock) 심도를 결정하였다.
후속연구
뿐만 아니라 본 연구의 지진 세기 평가는 일차원 부지 응답 해석을 통해 이루어 졌으며, 쌍계사와 같이 지형 변화가 심한 지역에 대한 지진 세기의 정량적 평가를 위해서는 보다 확대된 지반 조사의 추가 수행을 통해 지하 지층 변화를 고려한 다차원 지진 응답 해석이 향후 필요할 것으로 판단된다. 그렇다 할지라도 본 연구의 실제 석탑 지진 피해 사례 및 그의 모델 시험 결과를 토대로 부지고유 지진 응답 해석을 수행하여 지진 세기를 평가하는 방안은 역사 문헌 기록의 주요 석탑 문화재 지진 피해 사례에 근거한 향후 한반도 지진 세기의 종합적 평가 시에 유용하게 활용될 수 있을 것이다.
본 연구에서는 국내의 대표적 계기 지진 피해 사례인 지리산 쌍계사 지진에 대한 정량적 지진 세기 평가의 일환으로 대상 부지에 대한 해석적 기법 적용의 국부적 부지 효과 평가를 수행하였다. 부지 효과의 평가에서는 선행 연구(Kim과 Ryu, 2003)에 기반한 해석 수행을 진행함에 따라 제한된 입력 지진파들만을 적용하여 국내 발생 기록 지진파의 체계적 고려가 결여되어 있으므로, 보다 종합적인 입력 지진파 고려 적용이 추가적으로 필요할 것이다. 뿐만 아니라 본 연구의 지진 세기 평가는 일차원 부지 응답 해석을 통해 이루어 졌으며, 쌍계사와 같이 지형 변화가 심한 지역에 대한 지진 세기의 정량적 평가를 위해서는 보다 확대된 지반 조사의 추가 수행을 통해 지하 지층 변화를 고려한 다차원 지진 응답 해석이 향후 필요할 것으로 판단된다.
부지 효과의 평가에서는 선행 연구(Kim과 Ryu, 2003)에 기반한 해석 수행을 진행함에 따라 제한된 입력 지진파들만을 적용하여 국내 발생 기록 지진파의 체계적 고려가 결여되어 있으므로, 보다 종합적인 입력 지진파 고려 적용이 추가적으로 필요할 것이다. 뿐만 아니라 본 연구의 지진 세기 평가는 일차원 부지 응답 해석을 통해 이루어 졌으며, 쌍계사와 같이 지형 변화가 심한 지역에 대한 지진 세기의 정량적 평가를 위해서는 보다 확대된 지반 조사의 추가 수행을 통해 지하 지층 변화를 고려한 다차원 지진 응답 해석이 향후 필요할 것으로 판단된다. 그렇다 할지라도 본 연구의 실제 석탑 지진 피해 사례 및 그의 모델 시험 결과를 토대로 부지고유 지진 응답 해석을 수행하여 지진 세기를 평가하는 방안은 역사 문헌 기록의 주요 석탑 문화재 지진 피해 사례에 근거한 향후 한반도 지진 세기의 종합적 평가 시에 유용하게 활용될 수 있을 것이다.
이러한 상황 하에서, 최근 1966년 불국사 경내 석가탑 탑신에서 무구정광대다라니경과 함께 발견되었던 묵서지편(墨書紙片) 일부의 중수기 관련 내용이 부분적으로 판독되었으며, 석가탑 중수의 주된 이유가 지진(지동; 地動)이라는 내용이 판독 결과로부터 제시되었다(강태섭, 2007; 한겨레신문, 2007). 역사 지진 피해 기록 중에서도 여러 조건이 명료한 석가탑 지진 피해 사례와 같은 주요 석조 문화재를 대상으로 고려할 경우, 실제 지진 피해 사례에 대한 종합적 연구 및 이를 통한 한반도 발생 지진 세기의 정량적 평가가 향후 가능할 것으로 보인다. 본 연구에서는 이와 같은 향후 석탑 지진 피해 사례에 근거한 지진 세기 평가의 사전적 연구의 일환으로, 쌍계사 지진시 발생한 오층 석탑 탑두 추락 사례와 결부하여 쌍계사의 부지고유 지진 응답 특성 평가 결과를 분석하였다.
대상 지역 고유의 지진 및 지반 특성을 고려한 지진 피해 정량화는 실제 발생한 지진 피해 사례들의 다각적 분석을 통해 이루어 질 수 있으며, 해외의 지진 다발 및 강진 발생 국가들에서는 여러 실질 사례 분석으로부터 발생 가능 지진과 국부적 지반 특성에 관한 체계적 정량화를 진행해왔다. 특히, 계기를 통한 지진 관측이 수반된 지진 피해 사례는 역사 지진 피해 기록과는 달리 지진원 및 전파 감쇠 관련 특성 규명은 물론이고 국가적 내진 성능 체계화의 실질 자료로 유용하게 활용될 수 있다. 이와 같은 이유로 최근 우리나라에서도 지진 통보와 지진 특성 연구를 위한 목적의 디지털 지진 관측소들이 설치 운영되고 있다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
우리나라에서 본격적으로 지진관측을 하게 만든 사건은 무엇인가?
우리나라의 지진관측은 1905년 인천에 일본인들이 지진 관측소를 세워 시작하게 되었고, 그 이후 1977년 서울과 광주에 우리 손으로 관측소를 설치하였다. 본격적인 우리나라의 지진 관측은 주거 생활 지역에서의 실질 피해 기록이 있었던 1978년 10월 홍성 지진(규모 5.0)이 발생한 이후이며, 1990년 중후반부터 전국에 지리적 위치를 고려한 지진 관측소를 설치 운영하여 계기 지진 자료를 확보하고 있다(한국지질자원연구원, 2006). 그렇다 할지라도 아직까지는 양질의 지진 관측 자료와 실제 지진 피해 기록이 확보된 계기 지진 정보의 확보는 거의 전무한 상황이며, 실제 국내 내진 성능 합리화의 기본 정보인한반도 발생 가능 지진 세기는 주로 역사 지진 기록을 토대로 산정되어 있다.
지진발생과 그에 따른 지진 피해의 정량적 평가 및 예측은 어떤 것이 고려되어야 하는가?
지진 발생과 그에 따른 지진 피해의 정량적 평가 및 예측은 지역 고유의 국부적 지진 및 지반 특성이 고려되어야 한다. 대상 지역 고유의 지진 및 지반 특성을 고려한 지진 피해 정량화는 실제 발생한 지진 피해 사례들의 다각적 분석을 통해 이루어 질 수 있으며, 해외의 지진 다발 및 강진 발생 국가들에서는 여러 실질 사례 분석으로부터 발생 가능 지진과 국부적 지반 특성에 관한 체계적 정량화를 진행해왔다.
우리나라의 지진관측은 언제 어떻게 시작하게 되었는가?
현재에도 지속적으로 지진 관측소들을 확충하고 있고 기존의 아날로그 지진 관측소를 포함한 노후 관측소들을 개선함으로써 국내 계기 지진 자료 확보를 진행하고 있다. 우리나라의 지진관측은 1905년 인천에 일본인들이 지진 관측소를 세워 시작하게 되었고, 그 이후 1977년 서울과 광주에 우리 손으로 관측소를 설치하였다. 본격적인 우리나라의 지진 관측은 주거 생활 지역에서의 실질 피해 기록이 있었던 1978년 10월 홍성 지진(규모 5.
참고문헌 (16)
강태섭(2007) 한반도 지진활동의 과거와 현재, "지진: 피할 수 없는 지구의 몸부림", 제4회 전재규 추모 학술대회 발표집, 서울대학교, pp. 117-142
김재관, 류혁(2001) 쌍계사 오층석탑 실물 크기 모델의 동적 거동 시험, 한국지진공학회 논문집, 한국지진공학회, 제5권 제4호, pp. 51-66
선창국, 한진태, 최정인, 김기석, 김명모(2007c) 지반 응답 해석 Round Robin Test의 입력 지진파 및 물성에 관한 고찰, 2007 한국지반공학회 가을 학술발표회 논문집, 한국지반공학회, pp. 266-292
한겨레신문(2007) 석가탑, 고려때 지진으로 두 번이나 무너져, 문화일반, 뉴스, 한겨레 신문, 8월 7일, http://www.hani.co.kr
한국지질자원연구원(2006) 지진 통합관측망 운영 및 신속경보 시스템 개발 연구 (부산-경남 지역), 과학기술부
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Bardet, J.P. and Tobita, T. (2001) NERA: A Computer Program for Nonlinear Earthquake Site Response Analyses of Layered Soil Deposits, University of Southern California.
Idriss, I.M. and Sun, J.I. (1992) User's Manual for SHAKE91: A Computer Program for Conducting Equivalent Linear Seismic Response Analyses of Horizontally Layered Soil Deposits, University of California, Davis
Kim, J.K. and Ryu, H. (2003) Seismic test of full-scale model of a five-storey stone pagoda, Earthquake Engineering and Structural Dynamics, Vol. 32, pp. 731-750
Sun, C.G., Kim, D.S., and Chung, C.K. (2005) Geologic site conditions and site coefficients for estimating earthquake ground motions in the inland areas of Korea, Engineering Geology, Vol. 81, pp. 446-469
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