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문제 정의
- 따라서 석탑문화재에 발생하는 손상 유형에는 다양한 손상 요인이 복합적으로 영향을 미칠 수 있기 때문에 본 연구에서는 손상 유형에 따른 구조적, 비구조적 영향 요인을 구분하고 석탑구조물의 거동에 영향을 미치는 구조적 영향 요인에 따른 손상도 평가를 집중적으로 수행한다.
- 이와 더불어 구조적 손상 유형별 및 손상 위치별 손상 등급 분류 기준을 제시하고, 손상 정도에 따른 등급 분류 기준을 제시하여 손상 지수를 산정함으로써 석탑문화재의 손상도를 평가하고자 한다.
제안 방법
- 1) 본 연구에서는 석탑문화재의 손상 유형을 분류하고, 구조적 손상에 따른 손상 등급 분류 기준을 제시하고, 손상 정도에 따른 손상 등급을 분류하여 부재별 손상도를 평가하고 손상 지수를 이용하여 석탑문화재의 전반적인 손상도 평가 방안을 제시하였다.
- 3.2절에 제시된 손상 등급 분류 기준 및 등급 분류를 통해 석탑문화재의 손상 유형에 따른 손상 등급을 정량적으로 평가하기 위해 손상 범주와 손상 지수를 이용하여 손상에 대한 정량적인 평가를 실시한다. 손상 범주를 통해 손상 유형에 대한 등급 설정이 이루어지고, 손상 지수를 통해 석탑문화재의 손상에 대한 지표화가 수행된다.
- Group 1의 파손과 박리는 부재 및 손상 부위의 부피로 평가하는 것이 좋으나 문화재의 특성상 해체를 하지 않으면 부재의 깊이를 정확하게 알 수 없으므로 부피에 대한 평가가 아닌 면적에 대한 손상 등급 분류를 실시하였다. 또한 정기 조사 및 정밀 안전 진단 자료에 돌출 및 탈락에 대한 자료가 미흡하기 때문에 손상 등급 분류 시 4개의 입면을 모두 평가한다.
- 균열의 손상 정도에 따른 등급 분류 기준은 균열 길이를 원의 면적으로 변환하여 손상 등급을 평가하기 때문에 크기가 작은 균열부터 관통 균열까지 모두 반영될 수 있도록 손상 정도의 비율을 설정하였다.
- 내구성 저하에 대한 손상도를 평가할 경우 일반적으로 초음파 속도를 측정하고 초음파 속도를 이용한 압축강도 추정식을 통해 부재의 강도를 비교한다. 그러나 압축강도 추정식이 정확하지 않은 계산식이므로 국립문화재연구소(2012)1)에서 제시한 풍화도 지수를 통해 내구성 저하에 대한 손상 등급을 평가한다.
- 파손은 부재의 일부가 떨어져 나가면서 응력집중 현상을 발생시켜 석탑에 큰 영향을 미치므로 가중치를 더 부여하였고, 박리의 경우 표면이 일부 떨어져 나가는 현상으로 비교적 석탑에 큰 영향을 미치지 않기 때문에 적은 가중치가 부여되었다. 돌출 및 탈락과 이격의 경우 파손, 박리와 달리 길이비로 측정되므로 적절한 손상 등급이 평가될 수 있도록 손상 정도에 따른 등급 분류를 설정하였다.
- 또한 손상 유형별 석탑구조물의 거동에 영향을 미치는 정도에 따라 가중치를 부여하여 각 손상에 따른 손상 정도의 등급 분류를 다르게 설정하였다. 파손은 부재의 일부가 떨어져 나가면서 응력집중 현상을 발생시켜 석탑에 큰 영향을 미치므로 가중치를 더 부여하였고, 박리의 경우 표면이 일부 떨어져 나가는 현상으로 비교적 석탑에 큰 영향을 미치지 않기 때문에 적은 가중치가 부여되었다.
- Group 1의 파손과 박리는 부재 및 손상 부위의 부피로 평가하는 것이 좋으나 문화재의 특성상 해체를 하지 않으면 부재의 깊이를 정확하게 알 수 없으므로 부피에 대한 평가가 아닌 면적에 대한 손상 등급 분류를 실시하였다. 또한 정기 조사 및 정밀 안전 진단 자료에 돌출 및 탈락에 대한 자료가 미흡하기 때문에 손상 등급 분류 시 4개의 입면을 모두 평가한다. 따라서 어느 한 면에 발생한 좌우 부재간 이격을 다른 한 면의 돌출 및 탈락으로 반영하여 부재의 폭에 대한 좌우 부재간 이격 길이를 돌출 길이로 반영한 비율로서 손상 등급을 분류한다.
- 2) 석탑문화재에는 여러 가지 손상 중 균열, 이격,파손, 돌출 및 탈락, 기울어짐, 침하, 내구성 저하 등의 손상은 구조적으로 영향을 미치는 것으로 판단되어 구조적 손상으로 분류하였다. 반면 부식, 백화, 변색, 지의류 등의 손상은 구조적으로 크게 영향을 미치지 않고 부재 표면에 영향을 미치므로 비구조적 손상으로 분류하였다.
- 파손, 박리, 돌출 및 탈락, 균열, 내구성 저하의 경우 부재별 손상 발생 여부를 분석하여 손상이 발생한 부재의 개수를 정리하였다. 반면 이격은 부재간 접촉면에 발생하기 때문에 이격이 발생한 부재 접촉면의 개수를 파악하였으며, 침하와 기울어짐은 손상 발생 여부에 따라 구조물 전체에 대해서 정리하였다. [Table 8]은 문경 내화리 삼층석탑에 발생한 손상 유형별 손상 부재수를 파악하여 정리한 것이다.
- 본 연구에서는 문경 내화리 삼층석탑을 대상으로 손상 유형을 분류하고, 손상 등급 분류 기준에 따라 부재별 손상 범주를 분류하여 손상 지수를 산정하였다. 우선 문경 내화리 삼층석탑의 손상 유형은 훼손도, 초음파 측정 자료, 변위·변형 자료 등의 현황 자료3),4)를 참고하여 분류하였다.
- 석탑문화재의 손상도 분석 및 지표화 작업을 실시하기 위해서는 수행된 정기 조사 및 정밀 안전 진단 내용을 바탕으로 손상도 분석이 필요한 대상 석탑문화재를 선정하고, 손상 유형을 분류한 후 석탑문화재의 손상도 분석을 수행한다. 손상도 분석은 손상 유형을 체계적으로 분류하고, 손상 유형에 따른 손상 정도의 등급을 분류하여 손상 유형의 종합적인 평가를 수행한다.
- 손상 유형별 손상 지수를 지표화 하기 위해 0~5.0 사이의 손상 지수를 6단계로 구분하여 손상 단계별 등급으로 분류하고, 각 단계별 손상도와 손상 상태를 제시한다. 손상도 평가 결과를 통해 얻어진 손상지수 값을 바탕으로 [Table 7]을 통한 손상도 등급화가 수행될 수 있다.
- 석탑문화재의 손상 유형에 따른 손상 등급 분류를 이용하여 손상 지수를 산정하기 위해 구조물의 거동에 영향을 크게 미치는 구조적 손상 유형에 대해 적용한다. 손상 유형은 구조적 영향 요소와 관련된 손상에 대해서 손상 등급 분류를 실시하며, 손상 유형별 및 손상 위치별 손상 정도의 등급화를 실시하였다.
- 손상 유형의 단계별 분류는 크게 4단계로 진행되며, 본 연구에서는 구조물의 거동에 영향을 미치는 구조적 손상에 대해서 분류한다.
- 석탑문화재의 손상도 분석 및 지표화 작업을 실시하기 위해서는 수행된 정기 조사 및 정밀 안전 진단 내용을 바탕으로 손상도 분석이 필요한 대상 석탑문화재를 선정하고, 손상 유형을 분류한 후 석탑문화재의 손상도 분석을 수행한다. 손상도 분석은 손상 유형을 체계적으로 분류하고, 손상 유형에 따른 손상 정도의 등급을 분류하여 손상 유형의 종합적인 평가를 수행한다.
- 우선 문경 내화리 삼층석탑의 손상 유형은 훼손도, 초음파 측정 자료, 변위·변형 자료 등의 현황 자료3),4)를 참고하여 분류하였다.
- 6]과 같이 손상 지수 산정 및 손상도를 평가한다. 이 때 침하와 기울어짐에 대한 면적은 4개의 입면면적의 평균값으로 산정하며, 부재별 손상 등급에 따라 전체 면적에 대한 면적비로서 손상도를 평가한다.
- 이러한 손상 지수 산정을 통해 석탑문화재의 전체적인 손상도를 평가하기 위해서 석탑 4개의 입면과 침하 및 기울어짐을 각각 1면으로 산정하여 총 6개 면을 전체 면적으로 하고, 전체 면적에 대한 부재별 손상 등급의 분표 비율을 통해 [Fig. 6]과 같이 손상 지수 산정 및 손상도를 평가한다. 이 때 침하와 기울어짐에 대한 면적은 4개의 입면면적의 평균값으로 산정하며, 부재별 손상 등급에 따라 전체 면적에 대한 면적비로서 손상도를 평가한다.
- 3) 손상도 평가의 경우 정기 조사 및 정밀 안전진단의 주관적인 석탑의 상태 평가를 정량화 및 지표화 시키기 위해 개발되었으며, 구조물의 거동에 크게 영향을 미치는 구조적 손상에 대해서 손상 유형별 및 손상 위치별 손상 등급 분류 기준 및 손상 정도의 등급 분류를 제시하였다. 이와 더불어 석탑문화재의 전반적인 손상도를 평가하기 위한 손상 지수를 제시하고 손상 지수에 따른 손상도 등급을 제시하였다.
- 이와 더불어 석탑의 손상 위치에 따라 손상 유형이 미치는 영향이 다르기 때문에 석탑을 기단부, 탑신 하부, 탑신 상부로 구분하여 손상 위치에 따른 가중치를 반영하였으며, 침하 및 기울어짐과 같은 손상의 경우 단일 부재에 발생하는 손상이 아닌 석탑문화재 전체에 발생하는 손상이므로 구조물 전체에 대해서 손상 등급을 평가하였다.
- 석탑문화재에 발생하는 이격은 면석과 우주 등이 벌어지는 좌우 부재간의 이격, 면석과 갑석과 같이 판석과 면석 사이에 발생하는 상하 부재간 이격으로 구분할 수 있다. 좌우 부재간 이격은 하중의 전달 경로를 바꿀 수 있으며, 응력집중 현상을 유발할 수 있기 때문에 상부 부재에 닿고 있는 부재의 길이 변화율로서 손상 등급을 평가하며, 상하 부재간 이격은 적심유출, 응력집중 현상을 유발할 수 있으므로 이격이 발생한 상하 부재의 높이 중 최소값에 대한 상하 부재간 이격 길이에 대한 비율로 손상 등급을 평가한다. 이와 더불어 다중 부재로 구성된 석탑의 경우 통줄눈으로 된 석탑이 존재한다.
- 파손, 박리, 돌출 및 탈락 등과 같이 부재의 일부분이 떨어져 나가거나 정면으로 이동하는 손상 형태는 ‘Group 1(재료의 손실 및 파손)’로 그룹화 하였으며, 균열, 이격, 내구성 저하, 침하, 기울어짐과 같이 부재에 직접적인 영향을 미치는 손상은 ’Group 2(구조적 손상)’로 그룹화 하여 손상 등급을 분류하였다.
- 우선 문경 내화리 삼층석탑의 손상 유형은 훼손도, 초음파 측정 자료, 변위·변형 자료 등의 현황 자료3),4)를 참고하여 분류하였다. 파손, 박리, 돌출 및 탈락, 균열, 내구성 저하의 경우 부재별 손상 발생 여부를 분석하여 손상이 발생한 부재의 개수를 정리하였다. 반면 이격은 부재간 접촉면에 발생하기 때문에 이격이 발생한 부재 접촉면의 개수를 파악하였으며, 침하와 기울어짐은 손상 발생 여부에 따라 구조물 전체에 대해서 정리하였다.
이론/모형
- 손상 피해의 정량화 및 지표화를 위한 손상 지수는 Fitzner & Heinrichs(2002)5)의 연구 자료에서 제시한 [Table 5]의 식을 통해 산정되며, 손상 범주의 정량적 평가를 기반으로 실시한다.
성능/효과
- 2) 석탑문화재에는 여러 가지 손상 중 균열, 이격,파손, 돌출 및 탈락, 기울어짐, 침하, 내구성 저하 등의 손상은 구조적으로 영향을 미치는 것으로 판단되어 구조적 손상으로 분류하였다. 반면 부식, 백화, 변색, 지의류 등의 손상은 구조적으로 크게 영향을 미치지 않고 부재 표면에 영향을 미치므로 비구조적 손상으로 분류하였다.
- 3) 손상도 평가의 경우 정기 조사 및 정밀 안전진단의 주관적인 석탑의 상태 평가를 정량화 및 지표화 시키기 위해 개발되었으며, 구조물의 거동에 크게 영향을 미치는 구조적 손상에 대해서 손상 유형별 및 손상 위치별 손상 등급 분류 기준 및 손상 정도의 등급 분류를 제시하였다. 이와 더불어 석탑문화재의 전반적인 손상도를 평가하기 위한 손상 지수를 제시하고 손상 지수에 따른 손상도 등급을 제시하였다.
- 4) 문경 내화리 삼층석탑의 손상도 평가 결과, 정기 조사 및 정밀 안전 진단 결과와 유사하게 나타나 손상도 평가만으로도 석탑의 상태를 평가할 수 있을 것으로 판단된다. 그러나 힘의 흐름상 주요 위치에 있는 일부 부재에 심각한 손상이 발생할 경우 구조물 전체적으로 위험할 수 있으므로 석탑 전체에 대한 평균적인 손상 평가뿐만 아니라 부재별, 입면별 손상 평가가 동반되어야 할 것으로 판단된다.
- , 큰 구조적 문제점은 없으나 정기적인 계측 관리를 통한 상시 모니터링 또는 집중적인 관찰이 필요하다는 것으로 보아 정기 조사 및 정밀 안전 진단 자료도 손상도 등급이 D3에 해당된다고 할 수 있다. 또한 손상도 분석을 통해 문경 내화리 삼층석탑의 손상도를 분석한 결과 손상 지수가 2.90이므로 D3으로 나타났다. 이에 따라 문경 내화리 삼층석탑의 손상도 평가 결과와 기존에 실시한 정기 조사 및 정밀 안전 진단 결과를 비교해 본 결과 모두 D3으로 유사하게 나타난 것으로 보아 손상도 평가만으로도 석탑의 상태를 평가할 수 있을 것으로 판단된다.
- 71로 나타났다. 또한 침하와 기울기의 손상 등급 평가를 위해 변위 및 변형 자료를 평가한 결과 문경 내화리 삼층석탑의 최상층 수평 변위는 85mm, 지대석의 최대 수직 변위는 47mm로 나타났다. 이를 이용하여 산정한 각 변위는 침하 9/383(1/42), 기울어짐 18/911(1/51)로 산정되며, 손상 등급은 각각 5등급과 4등급으로 나타나 구조적 안전성에 영향이 있을 것으로 판단된다.
- 문경 내화리 삼층석탑의 개별 부재에 따른 손상 유형 분류 및 손상도 평가를 수행하였으며, 각 방향의 개별 부재의 손상 등급과 손상 지수를 검토한 결과 배면(북동측), 정면(남서측), 우측면(남동측), 좌측면(북서측) 순으로 크게 나타났으며, 손상 지수는 각각 2.33, 2.19, 2.16, 1.71로 나타났다. 또한 침하와 기울기의 손상 등급 평가를 위해 변위 및 변형 자료를 평가한 결과 문경 내화리 삼층석탑의 최상층 수평 변위는 85mm, 지대석의 최대 수직 변위는 47mm로 나타났다.
- 방향에 따른 부재 전체의 손상 등급을 검토한 결과, 파손은 네 방향에서 고르게 나타나며 입면면적이 비교적 큰 기단면석에 가장 많이 발생하여 손상지수에 영향을 크게 영향을 끼친다. 박리의 경우 석탑 전체에 부분적으로 발생하였으나 그 면적이 크지 않고 구조적으로 큰 영향을 미치지 않아 손상 지수 산정에는 영향을 미치지 않는 것으로 판단된다.
- 석탑 전체에 대한 손상도를 평가한 결과, 석탑 전체 면적에 대한 손상 등급 비율은 0등급 10.51%, 1등급 21.86%, 2등급 4.70%, 3등급 18.83%, 4등급 18.26%, 5등급 25.83%로 나타난다.
- 90이므로 D3으로 나타났다. 이에 따라 문경 내화리 삼층석탑의 손상도 평가 결과와 기존에 실시한 정기 조사 및 정밀 안전 진단 결과를 비교해 본 결과 모두 D3으로 유사하게 나타난 것으로 보아 손상도 평가만으로도 석탑의 상태를 평가할 수 있을 것으로 판단된다.
- 또한 손상 유형별 석탑구조물의 거동에 영향을 미치는 정도에 따라 가중치를 부여하여 각 손상에 따른 손상 정도의 등급 분류를 다르게 설정하였다. 파손은 부재의 일부가 떨어져 나가면서 응력집중 현상을 발생시켜 석탑에 큰 영향을 미치므로 가중치를 더 부여하였고, 박리의 경우 표면이 일부 떨어져 나가는 현상으로 비교적 석탑에 큰 영향을 미치지 않기 때문에 적은 가중치가 부여되었다. 돌출 및 탈락과 이격의 경우 파손, 박리와 달리 길이비로 측정되므로 적절한 손상 등급이 평가될 수 있도록 손상 정도에 따른 등급 분류를 설정하였다.
후속연구
- 5) 본 연구에서 제안된 손상도 평가 방법이 실무에 적용된다면 기존에 정성적으로 석탑의 상태를 평가하는 방법에서 벗어나 정량적으로 석탑의 상태를 판별할 수 있을 것으로 판단된다.
- 4) 문경 내화리 삼층석탑의 손상도 평가 결과, 정기 조사 및 정밀 안전 진단 결과와 유사하게 나타나 손상도 평가만으로도 석탑의 상태를 평가할 수 있을 것으로 판단된다. 그러나 힘의 흐름상 주요 위치에 있는 일부 부재에 심각한 손상이 발생할 경우 구조물 전체적으로 위험할 수 있으므로 석탑 전체에 대한 평균적인 손상 평가뿐만 아니라 부재별, 입면별 손상 평가가 동반되어야 할 것으로 판단된다.
- 또한 본 연구의 손상도 평가 기법이 석탑의 다양한 손상 유형을 모두 반영하기 어려우므로 지속적인 연구를 통해 보완한다면 석탑문화재의 손상도를 체계적으로 평가하는데 크게 기여할 수 있을 것으로 판단된다.
- 박리의 경우 석탑 전체에 부분적으로 발생하였으나 그 면적이 크지 않고 구조적으로 큰 영향을 미치지 않아 손상 지수 산정에는 영향을 미치지 않는 것으로 판단된다. 또한 석탑의 방위별 손상 지수는 크지 않으나 2층 옥개석 균열이 정면을 제외한 4개면에서 크게 발생하였으므로 2층 옥개석에 대한 주의가 필요할 것으로 판단된다.
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