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• 연구 주제
• 연구 방법
• 연구 결과

문제 정의

• 본 연구에서는 붕괴이력이 있는 미륵사지석탑을 장래 안정적으로 복원할 수 있도록 석재에 대해 실내시험을 수행하고 그 결과에 기초하여 구조안정성을 평가하였다. 석탑을 구성하고 있던 적심석의 암석시험 결과 석재 표면의 풍화를 확인하였고 암석강도 범위가 39-85 MPa로 축조시 기 가 비슷한 불국사 삼층석탑, 다보탑의 비 파괴 조사와 비교하여 유사함을 확인하였다.
• 석재의 파괴와 관련이 있다. 본 연구에서는 석재의 거동에 영향을 미치는 탄성계수와포아송비가 오랜 시간 풍화에 의해 변화하는 경우 구조적 안정성에 어떤 영향을 미치는지파악해 보고자 하였다. 현재의 석재 및 접촉면 물성 적용시 구조적으로 안정하므로 탄성계수가 7.
• 석재의 접촉면은 직접 대기에 노출되어 풍화가 진행됨에 따라 석재 자체보다 더 빨리 열화가 발생할 수 있으며, 본 연구에서는 불연속면의 수직 및 전단강성, 점착력, 마찰각이 감소할 때 어떤 거동을 보이는지 검토하였다.

제안 방법

• 정확히 파악하여 반영하는 과정이 필수적이다. 석재의 물리적 특성을 파악하기 위하여해체된 석재 가운데 일부 적심석에서 시료를 채취하고 일축 및 삼축, 간접인장시험을 수행하였으며, 기존의 석탑 재료특성에 관한 연구결과와 비교하였다.
• 일부 석재에서 시료를 채취하고 암석시험을 수행하여 재료 특성을 파악하였으며, 이를 근거로 석탑 축조시 자중으로 인해 발생하는 응력에 대해 구조안정성을 검토하였다. 석재의 실제 접촉면이 작은 점을 고려하여 응력의 집중여부를 확인하였으며, 풍화에 따른 석재 및 접촉면의 열화가 안정성에 미치는 영향을 파악하였다. 또한 석재의 일부가 탈락한 경우 전체 석탑의 거동 변화를 확인하였다.
• 석재의 파괴 또는 미끄러짐으로 석탑의 일부 영역이 부분적으로 탈락한 경우 구조안정성에 어떠한 영향을 미치는지 파악하기 위해서 그림 12와 같이 응력이 비교적 집중되는 1층천장부의 좌측 일부를 제거한 후 전체 구조물의 안정성을 검토하였다.
• 석탑의 구체적인 복원안은 현재 계획 중에 있으므로 해석모델은 그림 2와 같이 복원된동탑을 기초로 하여 복원 계획 층수인 6층까지 구현하였으며, 적심석의 역할을 파악할 수있도록 그림 3과 같이 전 층을 비워둔 경우와 석재로 채운 경우로 나누었다.
• 오랜된석조식 교량 및 그리스 파르테논 신전과 같은 석조 건축물의 안정성 검토에 적용된 사례가있으며, 선행된 미륵사지석탑의 붕괴원인 조사 연구도 3DEC을 사용하여 수행되었다.
• 이러한 검토의 일환으로 본 연구에서는 현재 구성중인 복원안 중 1개안에 대해 석탑의내부를 석재(적심석)로 채운 경우와 비워둔 경우를 가정하고 3차원 개별요소법 프로그램인 3DEC으로 모사하여 전산해석을 수행하였다. 일부 석재에서 시료를 채취하고 암석시험을 수행하여 재료 특성을 파악하였으며, 이를 근거로 석탑 축조시 자중으로 인해 발생하는 응력에 대해 구조안정성을 검토하였다.
• 모사하여 전산해석을 수행하였다. 일부 석재에서 시료를 채취하고 암석시험을 수행하여 재료 특성을 파악하였으며, 이를 근거로 석탑 축조시 자중으로 인해 발생하는 응력에 대해 구조안정성을 검토하였다. 석재의 실제 접촉면이 작은 점을 고려하여 응력의 집중여부를 확인하였으며, 풍화에 따른 석재 및 접촉면의 열화가 안정성에 미치는 영향을 파악하였다.
• 본 연구에서는 석재의 거동에 영향을 미치는 탄성계수와포아송비가 오랜 시간 풍화에 의해 변화하는 경우 구조적 안정성에 어떤 영향을 미치는지파악해 보고자 하였다. 현재의 석재 및 접촉면 물성 적용시 구조적으로 안정하므로 탄성계수가 7.5 GPa, 포아송비 0.32인 경우를 기준으로 탄성계수는 1/10~1/60배(0.125~0.75 GPa), 포아송비는 0.5~0.9배(0.16~0.29)로 각각 변화시켜 수직응력에 미치는 영향을 파악하였다.

이론/모형

• 중 최소값을 택하였다. 불연속면에 해당하는 석재 접촉면 모델은 절리, 단층과같은 일반적인 암석의 불연속면 모사에 사용되는 면접촉 쿨롱 슬립 모델(Coulomb-slip model)을 적용하였으며, 적용 물성은 국립문화재연구소(2005)의 시험결과를 참조하였다.
• 석재의 구성모델은 암석 및 콘크리트, 흙 등에 가장 널리 적용되는 모어-쿨롱 소성모델 (Mohr-Coulomb plasticity model)이며, 재료특성은 안전측 해석이 되도록 적심석에 대한 암석시험결과 중 최소값을 택하였다. 불연속면에 해당하는 석재 접촉면 모델은 절리, 단층과같은 일반적인 암석의 불연속면 모사에 사용되는 면접촉 쿨롱 슬립 모델(Coulomb-slip model)을 적용하였으며, 적용 물성은 국립문화재연구소(2005)의 시험결과를 참조하였다.

성능/효과

• 적심석을채우는 경우 전체 석재의 무게가 크게 증가했다는 점을 고려한다면 이러한 수직응력의 감소비율은 더욱 크다고 할 수 있다. 또한 2층 이후부터는 적심석을 채운 경우 최대수직응력이층에 상관없이 큰 차이를 보이지 않고 안정적으로 발생하는 반면, 채우지 않은 경우 편차가있음을 확인할 수 있다.
• 문화재의 특성상 두 석탑의 압축강도는 간접적인 방법으로 추정되었으나 표 2에서 확인할 수 있는바와 같이 미륵사지석탑과 동일한 암종으로 축조시기가 100여 년 차이로 유사하며 다수의지점에서 측정이 수행(삼층석탑의 경우 44 개 부재에서 456 지점, 다보탑의 경우 255 개 부재에서 641 지점)된 점을 고려할 때 비교대상으로 적절하다고 판단된다.
• 최대수직변위 역시 강성 감소에 따라 더 많이 발생하였다. 반면 점착력과 마찰각의 변화는 그림 11과 같이 응력에 큰 영향을 미치지 않았으며 변위도 거의 일정한 값을 유지하였다.
• 본 연구의 시험결과는 두 석탑의 압축강도 분포 범위에 포함되며 최소강도값이 두 석탑의 평균 압축강도에 근접해 있음을 확인할 수 있다. 이러한 차이는 일반적으로 실내시험에서 사용하는 암석 시료의 상태가 거의 무결암에 가까워 현장 측정에 비해 강도가 비교적 크게 나오는 측면에서 이해될 수 있다.
• 2 %을 가정하였을 때적심석 유무에 따른 응력집중의 다른 양상을 확인하였다. 석재의 풍화로 인한 물성 변화시포아송비보다 탄성계수의 영향이 더 크며 탄성계수 감소는 응력보다는 변위증가를 더 유발하였다. 접촉면의 물성 변화에서 점착력과 마찰각의 영향은 상대적으로 작으며 수직 및 전단강성이 기준값의 1/60까지 감소할 때 최대수직응력은 최대 159 %까지 증가하였다.
• 대해 실내시험을 수행하고 그 결과에 기초하여 구조안정성을 평가하였다. 석탑을 구성하고 있던 적심석의 암석시험 결과 석재 표면의 풍화를 확인하였고 암석강도 범위가 39-85 MPa로 축조시 기 가 비슷한 불국사 삼층석탑, 다보탑의 비 파괴 조사와 비교하여 유사함을 확인하였다. 자중으로 발생한 층별 최대수직응력은 적심석을 채운 경우 최대 52 %까지 감소하였으며 층에 상관없이 안정적으로 발생하였다.
• 접촉면의 물성 변화에서 점착력과 마찰각의 영향은 상대적으로 작으며 수직 및 전단강성이 기준값의 1/60까지 감소할 때 최대수직응력은 최대 159 %까지 증가하였다. 석탑의 구조안정성은 석재 재료특성보다는 접촉면 물성이 더 지배적임을 확인하였다. 안정적인상태의 석탑에서 부분적으로 일부 석재가 탈락한 경우 전체 구조의 안정성에는 크게 영향을미치지 않았으며, 자중, 재료의 열화, 석재 탈락 등 모든 검토결과에서 적심석을 채운 경우가 비워둔 경우보다 상대적으로 안정함을 파악하였다.
• 978 MPa이다. 시험결과 적심석의 압축강도가 최소 39.0 MPa인 점을 감안한다면 강도 측면에서는 안정적인 수준이라고 판단되며, 해석결과 파괴영역은 나타나지 않았다. 축조시 발생한 변위를 살펴보아도 최대수직변위가 채우지 않은 경우 0.
• 석탑의 구조안정성은 석재 재료특성보다는 접촉면 물성이 더 지배적임을 확인하였다. 안정적인상태의 석탑에서 부분적으로 일부 석재가 탈락한 경우 전체 구조의 안정성에는 크게 영향을미치지 않았으며, 자중, 재료의 열화, 석재 탈락 등 모든 검토결과에서 적심석을 채운 경우가 비워둔 경우보다 상대적으로 안정함을 파악하였다. 향후 연구사항으로는 내진에 대한 구조안정성 검토가 요구되며 해석상의 가정 및 해석기법의 한계로 고려되지 못한 변수가 있을수 있으므로 모형실험 및 기존 사례를 통해 보완할 필요가 있다.
• 석탑을 구성하고 있던 적심석의 암석시험 결과 석재 표면의 풍화를 확인하였고 암석강도 범위가 39-85 MPa로 축조시 기 가 비슷한 불국사 삼층석탑, 다보탑의 비 파괴 조사와 비교하여 유사함을 확인하였다. 자중으로 발생한 층별 최대수직응력은 적심석을 채운 경우 최대 52 %까지 감소하였으며 층에 상관없이 안정적으로 발생하였다. 접촉면적 1 % 및 0.
• 적심석을 채우지 않은 경우 탄성계수의 감소는 최대수직응력의 증가를 유발하였으나 적심석을 채운 경우 오히려 10 % 정도최대수직응력이 감소하며 보다 안정적인 상태를 유지하였다.
• 전체 구조물이 축조되고 구조적으로 안정한 상태에서 일부 석재의 탈락으로 인해 발생한변위를 확인한 결과 적심석을 채우지 않은 경우 전체 석재 중 좌측에서 최대 0.67mm 발생하였으며 그림 13 (a)의 중심 단면에서는 최대 0.48mm 하향으로 발생하였다.
• 석재의 풍화로 인한 물성 변화시포아송비보다 탄성계수의 영향이 더 크며 탄성계수 감소는 응력보다는 변위증가를 더 유발하였다. 접촉면의 물성 변화에서 점착력과 마찰각의 영향은 상대적으로 작으며 수직 및 전단강성이 기준값의 1/60까지 감소할 때 최대수직응력은 최대 159 %까지 증가하였다. 석탑의 구조안정성은 석재 재료특성보다는 접촉면 물성이 더 지배적임을 확인하였다.
• 해석결과 두 경우 모두 수직 및 전단강성의 감소에 따라 최대수직응력은 증가하여 1/60 감소를 가정하였을 때 적심석을 채우지 않은 경우 최대 159 %의 응력이 증가하였으며 채운경우에도 98 %의 응력 증가가 나타났다. 최대수직변위 역시 강성 감소에 따라 더 많이 발생하였다.

후속연구

• 안정적인상태의 석탑에서 부분적으로 일부 석재가 탈락한 경우 전체 구조의 안정성에는 크게 영향을미치지 않았으며, 자중, 재료의 열화, 석재 탈락 등 모든 검토결과에서 적심석을 채운 경우가 비워둔 경우보다 상대적으로 안정함을 파악하였다. 향후 연구사항으로는 내진에 대한 구조안정성 검토가 요구되며 해석상의 가정 및 해석기법의 한계로 고려되지 못한 변수가 있을수 있으므로 모형실험 및 기존 사례를 통해 보완할 필요가 있다.

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