Quantitative Analysis on Intensity of 1936 Jirisan Earthquake by Estimating Seismic Response Characteristics at the Site of Five-story Stone Pagoda in Ssang-gye-sa

− 187 −

地 盤 工 學

大 韓 土 木 學 會 論 文 集

第28卷 第3C 號·2008年 5月 pp. 187~196

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-sa

선창국*·정충기**·김재관***

Sun, Chang-Guk·Chung, Choong-Ki·Kim, Jae-Kwan

···

Abstract

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. Par- ticularly, 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 rep- resentative 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.

Keywords :site effects, seismic response analysis, earthquake intensity, stone pagoda, site period, instrumental earthquake

···

요 지

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 전 도하여 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 입 력 암반 노두 가속도 수준으로 대표적 쌍계사 부지에 대해 일차원 등가선형 및 비선형 기법을 적용하여 실시하였다. 부지고 유 지진 응답 결과로부터 쌍계사의 부지 주기 부근의 단주기 영역에서 증폭된 지반 운동을 확인할 수 있었다. 또한, 본 연 구의 부지 응답 해석 결과와 선행 연구의 석탑 실물 크기 지진 시험 결과를 비교 분석하여 1936년 지리산 지진의 암반 노두 지진 세기를 평가하였다.

핵심용어

:

부지 효과, 지진 응답 해석, 지진 세기, 석탑, 부지 주기, 계기 지진

···

1.

서 론

지진 발생과 그에 따른 지진 피해의 정량적 평가 및 예측 은 지역 고유의 국부적 지진 및 지반 특성이 고려되어야 한 다. 대상 지역 고유의 지진 및 지반 특성을 고려한 지진 피

해 정량화는 실제 발생한 지진 피해 사례들의 다각적 분석 을 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 진행해 왔다. 특히, 계기를 통한 지진 관측이 수반된 지진 피해 사

*정회원·교신저자·한국지질자원연구원 지진연구센터 선임연구원 (E-mail : [email protected])

**정회원·서울대학교건설환경공학부교수 (E-mail : [email protected])

***정회원·서울대학교건설환경공학부교수 (E-mail : [email protected])

례는 역사 지진 피해 기록과는 달리 지진원 및 전파 감쇠 관련 특성 규명은 물론이고 국가적 내진 성능 체계화의 실 질 자료로 유용하게 활용될 수 있다. 이와 같은 이유로 최 근 우리나라에서도 지진 통보와 지진 특성 연구를 위한 목 적의 디지털 지진 관측소들이 설치 운영되고 있다. 현재에도 지속적으로 지진 관측소들을 확충하고 있고 기존의 아날로 그 지진 관측소를 포함한 노후 관측소들을 개선함으로써 국 내 계기 지진 자료 확보를 진행하고 있다. 우리나라의 지진 관측은 1905년 인천에 일본인들이 지진 관측소를 세워 시작 하게 되었고, 그 이후 1977년 서울과 광주에 우리 손으로 관측소를 설치하였다. 본격적인 우리나라의 지진 관측은 주 거 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 전 무한 상황이며, 실제 국내 내진 성능 합리화의 기본 정보인 한반도 발생 가능 지진 세기는 주로 역사 지진 기록을 토대 로 산정되어 있다.

역사 지진 기록에 의존하는 지진 세기 평가 과정 중에는 여러 면의 불확실성이 내제되어 있으며, 그 중에서도 역사 문헌상 지진 피해 부지의 지리적 그리고 구조물의 형식적 모호성은 가장 지배적인 불확실성으로 고려될 수 있다(선창 국 등, 2007b). 반면, 한반도에서의 계기 지진 관측이 시작 된 1905년 이후 현재까지의 대표적 지진 피해 발생 사례들 은 역사 지진과는 달리 규모 및 진앙을 포함한 그 진원 특 성과 피해 발생 현황이 정량적으로 나타나 있으므로 지진 세기의 정량적 평가를 위한 유용한 지진 발생 기록으로 고 려될 수 있다. 현재까지의 대표적 피해 발생 지진 기록으로 는 앞서 언급한 홍성 지진과 1936년 7월 4일에 발생한 규 모 5.0 정도의 지리산 쌍계사 지진이 있다(서울대학교,

1999).

비록, 두 대표적 지진들이 국가적 지진 관측 체계화

이전에 발생함으로 인해 유용성이 확보된 계기 지진 관측 자료가 거의 전무하다 할지라도, 지리적 위치 정보가 확보된 정량적 지진 피해 기록은 지반지진공학적 분석 자료로 충분 히 활용 가능하다. 특히, 과거 역사 문헌의 지리적 모호성으 로 인해 역사 지진 피해 구조물 부지에서의 지반 특성에 따른 부지 효과(site effects)는 거의 확인이나 평가되지 못 해 왔으나, 계기 지진 발생 부지의 경우 피해 구조물 부지 에 대한 추가적인 지반 조사 및 해석적 분석을 통해 부지 고유 지반 특성에 따른 지진 증폭 특성 평가가 이루어 질 수 있다.

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 특 성을 평가하였다.

2.

쌍계사의 지진 피해 상황 및 부지 특성

본 연구의 대상인 쌍계사는 한반도 백두대간 남단에 위치 한 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 산 지가 만나는 중간 지점에 위치해 있다. 1936년 7월 4일에 한반도 계기 지진 관측 이래 내륙 발생 지진중 가장 큰 규 모중 하나일 것으로 판단되는 지진이 지리산에서 발생했으 며, 진앙지(북위 35.14

^o,

동경 127.39

^o)

는 쌍계사 인근으로 조사되었다(서울대학교, 1999). 이 지진(지리산 (쌍계사) 지 진)의 주된 피해구역은 경상남도 하동군 화개면 일원이었다.

특히, 진앙지로 파악되는 화개면 운수리 소재의 쌍계사는 지 진 피해가 가장 심한 것으로 조사되었다.

2.1

쌍계사의 지진 피해

지리산 지진은 그 감진 영역이 쌍계사 부근을 중심으로 하여 경기도 및 강원도에 이르기까지 한반도 남부에 광범위 하게 걸쳐 있고, 대한 해협을 거쳐 일본의 대마도에서도 진 동을 감지하였다. 이 지진으로 인하여 진앙지 부근에서는 도 로와 가옥이 파손되는 피해를 입었고, 이러한 피해 상황을 근거로 판단한 진앙지의 JMA(Japan Meteorological Agency) 진도는 최대 V에 해당하는 것으로 보고되어 있다(田公地,

1940).

그림 1은 田公地(1940)에 의해 작성된 쌍계사 지진에

따른 당시의 진도 분포도를 나타낸 것이다. 또한, 田公地

(1940)

는 지리산 쌍계사 지진의 진원요소에 대하여 간략하게

언급하였는데, 대구, 부산, 엄원 및 구주에서 관측된 기록의

그림

1.

쌍계사 지진의

JMA

진도 분포도

(

田公地

, 1940)

− 189 − 초동 방향을 통하여 추정한 결과, 진원을 향해 대체로 동서

(EW)

방향으로 압력이 작용하고 남북(NS) 방향으로는 장력

이 작용한 것으로 판단하였다.

지진의 절대적인 크기를 나타내는 규모(Magnitude)는

1935

년 Richter가 미국의 남부 캘리포니아 지진에 대하여 처음으로 도입한 지표이기 때문에 쌍계사 지진 발생시에는 규모가 산정되지 않았다(서울대학교, 1999). 그러한 이유로 과거 한반도 및 주변지역에서 발생한 지진들은 JMA 진도만 으로 표현되어 있다. 그 이후 여러 연구자에 의하여 쌍계사 지진에 관한 규모 산정이 있었다. 대표적으로 한국동력자원 연구소는 각 관측소에 기록된 지진 기록의 절대 진폭으로부 터 일본에서 널리 쓰이고 있는 Tsuboi의 제안 공식을 통해 쌍계사 지진의 규모를 5.0으로 산정하였으며(서울대학교,

1999),

지진 규모 결정에 이용된 Tsuboi 공식은 다음의 식

(1)

과 같다.

(1)

여기서, A는

,

∆는 진앙 거리,

MNS

는 지진계 남북방향 성분의 최대 진폭,

MEW

는 지진계 동서방향 성분의 최대 진폭

1936

년 발생한 이 지진으로 인해 쌍계사 인근의 두 개소 에서 대규모 산사태가 발생하여 큰 바위가 추락하고 큰 나 무를 부러뜨렸으며, 쌍계사 입구의 금강문은 북쪽을 향하여 기울어져 기와 지붕의 파손이 심하고 벽에 균열이 생겨 넘 어졌다. 쌍계사 종무소 건물의 벽과 천장이 무너졌으며, 둘 레의 돌담이 붕괴하였다. 특히, 국보 제47호인 진감선사대공 탑비에 지진으로 인한 새로운 균열이 생겼고, 금당 앞에 위 치한 높이 2.5m의 오층 석탑의 탑두가 전도하여 추락하였 다. 이 오층 석탑은 현재는 대웅전 앞으로 옮겨 설치되어 있다. 그림 2는 쌍계사에서의 주요 지진 피해 사례인 종무 소, 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 조사 를 수행하였다.

2.2

쌍계사의 지진 피해

쌍계사는 두 계곡이 접하는 지리산 남쪽 입구의 산기슭에 위치하고 있으며, 기반 모암은 지리산 일대에서 확인할 수 있는 화강암으로 파악되었다. 이에 따라 모암의 풍화에 의한 풍화잔류토(weathered residual soil), 풍화암(weathered

rock)

및 연암(soft rock)이 심도 증가에 따라 분포할 것으

로 보이며(선창국 등, 2006), 그 상부에 주변 산지로부터의 토사 유입에 따른 퇴적토(alluvial soil)가 분포하고 부지 조 성을 위해 인위적으로 구성한 매립토(fill)가 존재할 것으로 지층 구성을 예상해 볼 수 있다. 그림 3은 쌍계사의 지리적 위치와 주변 지형 그리고 쌍계사 경내 및 주변에서 수행한 본 연구의 지반 조사 현황을 묘사한 것이다. 쌍계사 부지는 대웅전이나 종무소와 같은 큰 규모의 건축물들이 위치한 넓 은 부지 영역, 그 옆의 높은 지대에 금당이 위치한 좁은 부 지 영역, 그리고 이들 사이에 몇몇 건축물들이 존재하는 중 간 부지 영역으로 구분할 수 있다. 이러한 상황에 따라 본 연구에서는 세 부지 영역에 대해서 지반동적 특성인 전단파 속도(shear wave velocity, V

S)

획득 목적의 현장 탄성파 시 험(in-situ seismic test)을 포함한 지반 조사를 수행하고, 쌍 계사 부지의 지반지진공학적 대표 특성을 도출하고자 하였 다. 지반 조사는 시추공 탄성파 기법인 크로스홀 탄성파 시 험(crosshole seismic test)과 비파괴 탄성파 기법인 SASW

(spectral analysis of surface waves)

시험으로 구성하여 진 행하였다. 문화재라는 사찰 여건상 기본적으로 비파괴 개념 의 SASW 시험이 적용되었고, 시추 조사가 병행되는 크로스 홀 시험은 중간 부지(LK) 영역의 입구에서만 제한적으로 수 행되었다. SASW 시험은 크로스홀 시험 부지를 포함해서

1936

년 지진 당시 오층 석탑의 탑두가 추락했던 금당 부지

(KU)

와 천정 등이 붕괴되었던 종무소 부지(FG)에서 실시되 었다. 본 연구의 지반 조사는 오층 석탑의 지진 피해 사례 가 존재하는 금당 부지에 대한 지반지진공학적 특성 파악을

M=logA 1.73log∆ 0.83+ –

M_NS² +M_EW²

그림

2. 1936

년 지리산 지진시 쌍계사의 주요 피해 상황

주목적으로 수행되었다.

현장 원위치 지반 조사로부터 우선 시추를 통한 지층 구 성을 확인하였으며, 크로스홀 시험과 SASW 시험을 통해 심 도에 따른 전단파속도(V

S)

분포를 도출하였다. 그림 4는 쌍 계사 부지들에서 지반 조사를 통해 획득된 V

S

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 퇴

적토(심도 2.0m)와 매립토가 분포하고 있었다. 세 곳의 V

S

분포들을 토대로 쌍계사 부지의 지진 응답 평가를 위한 대 표 V

S

분포를 도출하였고(Sun 등, 2005), 이로부터 부지고 유 지진 응답 해석을 위한 기반암(bedrock) 심도를 결정하였 다. 대표 V

S

분포는 시추 조사가 이루어졌고 V

S

분포들 중 중간 값의 분포를 보이는 LK 부지의 SASW 시험으로부터 도출된 V

S

분포를 기준으로 도출되었다. 다른 부지들의

SASW

시험의 V

S

분포들과 LK 부지의 크로스홀 탄성파 시

험의 V

S

분포는 기준 V

S

값을 지하 12m까지 1m 간격

(10~12m

심도는 2m 간격)으로 조정하는 과정에서 정량적

편향 값으로 고려하였으며, 12m 이하 깊이는 크로스홀 시험 의 V

S

값의 평균적 분포를 대표 V

S

로 적용하였다. 대표 V

S

분포 도출은 현장 시험의 신뢰도를 고려하여 진행될 수 있 으나(Sun 등, 2005), 본 연구의 쌍계사 부지에서는 여러 위 치에서 수행된 시험 여건을 우선 고려하여 가용 자료의 평 균적 분포에 근거한 도출을 기본 개념으로 적용하였다. 기반 암은 V

S

값의 분포가 750m/s를 초과하여 1,100m/s로 나타 나는 깊이부터로 파악할 수 있으며(Sun 등, 2005), 연암 상 부의 풍화암 내에서 기반암 심도가 결정되었다. 쌍계사 부지 의 대표 V

S

분포로부터 결정된 기반암의 V

S

값은 한반도 내륙 기반암의 일반적 V

S

범위(800~1,200m/s)에 상응하였다

(

선창국 등, 2007a; 2007c). 조사된 지반 특성으로 볼 때, 쌍계사 부지의 경우 비교적 얕은 심도인 12.0m부터 기반암 이 분포하고, 그 상부 토사의 강성은 V

S

값이 4.0m 깊이부 터는 600m/s 정도로 상당히 크므로 지표면 부근에서의 단 주기(고주파수) 지진 증폭 가능성이 높을 것으로 보인다.

부지별 주기에 따른 지진 응답 특성 예측은 부지 응답 해 석을 수행하기 전에 지반 및 지진공학적 특성 지표를 확인

함으로써도 가능하다. 이미 파악된 기반암 심도(bedrock

depth, H)

도 그러한 지표중의 하나일 수 있으며, 기반암 심

도와 더불어 V

S

분포를 고려하여 산정할 수 있는 부지 주기

(site period, TG)

도 대표적 지표이다. 뿐만 아니라 현행 국

내 내진 설계 지반 분류 기준인 지하 30m까지의 평균 전단 파속도(V

S30)

및 그에 따른 지반 분류도 지반지진공학적 지 표로 고려해 볼 수 있다(Sun 등, 2005; 선창국 등, 2005b).

TG

는 기반암 상부 지층의 두께 및 V

S

를 토대로 식 (2)와 같이 결정할 수 있다. 또한, V

S30

은 지진 증폭과 관련된 부 지 효과를 정량화한 단주기(short-period; 0.1~0.5초) 및 중 장주기(mid-period; 0.4~2.0초) 지반 증폭 계수(F

a

및 F

v)

의 경험적 분류 기준이며, 식 (3)을 이용해 산정할 수 있다(선 창국 등, 2005a; 2005b). 특히, T

G

는 지진시 대상 부지에서 의 일차적 공진 주기에 해당된다. 쌍계사 부지의 지반지진공 학적 지표를 산정해 보면, H는 12.0m, T

G

는 0.124초, 그리 그림

3.

쌍계사의 지리 지형적 특성 및 수행 지반 조사 현황

그림

4.

쌍계사 부지의 지층 구성 및 전단파속도 분포

− 191 − 고 V

S30

은 633m/s이었으며, 이에 따라 대상 부지는 C 지반

(360 < VS30

≤ 760)으로 분류된다(Sun 등, 2005). 지반 분류

C

의 경우 다소의 부지 증폭이 예상되는 조건인데, 부지고유 지진 응답 특성에 관한 대표적 지표중 하나인 쌍계사 부지 의 T

G

로 볼 때도 0.1초 부근이나 그 보다 다소 큰 주기의 단주기 구간에서 상대적으로 큰 지진 증폭이 나타날 것으로 보인다.

(2)

여기서, D

i

와 V

Si

는 각각 기반암 상부에 분포하는 i번째 지 층의 두께(H=ΣD

i)

와 V

S

(3)

여기서, d

i

와 V

Si

는 각각 지하 30 m까지 분포하는 i번째 지 층의 두께(Σd

i=30 m)

와 V

S

3.

쌍계사 부지에 대한 지진 응답 해석

본 연구에서는 구체적 피해 사례가 사진으로 기록된 계기 지진 중 가장 오래된 지진인 쌍계사 지진에 관한 지반공학 적 정량화의 일환으로, 쌍계사 부지의 대표적 지반 특성을 체계적으로 도출하고 이를 토대로 부지 효과를 평가하기 위 한 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 적용함 에 따른 문제 제기 가능성을 배제시켰다. 부지 특성 뿐만 아니라 발생 가능 지진의 다양한 주파수 특성에 따른 지표 면 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.

일차원 부지 응답 해석은, 건설교통부 내진 설계 기준에 따라 대상 쌍계사 부지가 지진 구역 I에 해당되므로, 쌍계사 의 국부적 부지 효과에 대한 다양한 가속도 수준의 종합적 평가를 위하여, 지진 구역 I에 대한 모든 수준(II, I 및 특 등급 구조물에 대한 기능수행수준(OLE)과 붕괴방지수준

(CLE))

의 6가지 조건(재현 주기 50년, 100년, 200년, 500년,

1,000

년, 2,400년)에 대해 입력 지진파의 최대 가속도를 각

각 보통암 노두 가속도 수준인 0.044g, 0.063g, 0.080g,

0.110g, 0.154g, 0.220g

로 조정하여 수행하였다. 그림 5는

입력 지진들의 재현 주기 500년 수준에 대한 암반 노두의 가속도(0.110g) 응답 스펙트럼으로서, 보통암 지반인 지반 분 류 B의 표준 설계 응답 스펙트럼도 함께 도시하였다.

깊이별 V

S

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 조사

시 병행된 표준관입 시험(SPT)을 통해 획득한 불교란 시료 를 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 요구

되는 매립토, 풍화암 및 기반암의 비선형 곡선은 국내 지반 에 대해 제시된 기존 문헌(선창국 등, 2005a)을 토대로 확 보하였다.

대상 쌍계사 부지에 대한 일차원 지진 응답 해석을 수행 한 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 정

도의 단순 지표인 암반 노두에 대한 지표면 자유장 가속도 의 증폭비 역시 입력 지진파에 따라 다르게 나타났다. 표 2 에 암반 노두의 입력 가속도 수준에 따른 PGA를 해석 기 법에 따라 정리하였으며, 6종류의 암반 가속도 수준이므로 일률적 확인 비교를 위해 최대 가속도 증폭비의 평균도 제 시하였다. 모든 가속도 수준에서 등가선형에 비해 비선형 기 법의 평균 PGA와 그에 따른 증폭비가 작았으며, 등가선형

T_G 4 D_i

V_Si ---

i=1

∑

n

=

V_S30 30 d_i V_Si ---

i=1

∑

n

⁄

=

표

1.

입력 계측 지진들의 발생 및 계측 부지 조건

입력 계측 지진 지진 발생일 지진 규모 진앙 거리 (km) 계측 부지 조건

Coalinga 1983

년 5월 9일

5.3 1.4 Sedimentary rock

El Centro 1940

년 5월 18일

6.9 8.2 Alluvium

Taft 1952

년 7월 21일

7.5 43.7 Rock

Whittier Narrows 1987

년 10월 1일

6.1 8.6 Alluvium

그림

5.

입력 지진의 재현 주기

500

년 수준

(0.110g)

에 대한 암반

노두 가속도 응답 스펙트럼

기법의 경우 1.8~2.0 정도 그리고 비선형 기법의 경우

1.6~1.7

정도의 최대 가속도 증폭비를 보였다. 대체로 암반

노두의 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 이력 을 고려하기 때문인데, 이로 인해 가속도 수준이 클수록 비 선형 해석 시 변형 정도가 등가선형 해석에 비해 상대적으 로 커서 두 기법간의 해석 결과 차이가 커질 수 있다. 표

3

에 제시한 바와 같이, 입력 지진파별로 해석 기법에 따라 계산된 평균 증폭비를 살펴보면, Coalinga 지진의 NS 및

EW

성분과 인공 지진의 증폭비가 큰데, 그 중에서도

Coalinga NS

지진파의 증폭비가 가장 크다. Coalinga NS

지진파의 큰 증폭비는 이 지진의 지배적인 주기(그림 5 참 조)가 쌍계사의 부지 주기(약 0.12 초)와 대체로 유사하기 때문이다.

부지의 주기별 지진 응답 특성을 정량적으로 파악하기 위 해 본 연구에서는 지표면 가속도 응답 스펙트럼을 비교 분 석하였으며, 입력 지진파의 주파수(주기) 주요 성분이 다르므 로 서로 매우 다른 스펙트럼 형상을 보였다. 여러 해석 수 준 중에서 대표적으로 두 수준(0.080g 및 0.220g)에 대한 두 해석 기법의 지표면 가속도 응답 스펙트럼을 그림 7에 도시하였다. 비교 목적으로 쌍계사 부지의 해당 지반 분류인

C

와 그 상위 분류인 D 조건의 표준 설계 응답 스펙트럼을 함께 도시하였으며, 평균(Ave) 및 표준편차(StDev)를 고려한 스펙트럼들도 제시하였다.

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. 이 는 PGA에서 확인할 수 있었던 바와 같이, 가속도 수준이 커질수록 두 기법의 결과인 지표면의 가속도 시간 이력의 진폭 크기나 형상이 더욱 달라질 수 있기 때문이다. 그림 7 에 제시된 결과 이외의 다른 입력 수준(0.044g, 0.063g,

0.110g, 154g)

결과들에서도 대체로 동일한 응답 스펙트럼

형상 및 변화 경향을 보였다. 다양한 주파수 성분의 입력 그림

6.

쌍계사 부지 퇴적토 및 풍화잔류토의 전단변형률에 따른

지반특성의 비선형 변화 곡선

표

2.

쌍계사 부지의 지진 응답 해석을 통한 최대 지반 가속도

구분 암반 노두 가속도 입력 수준 및 해석 기법(등가선형(EL), 비선형(NL))에 따른 지표면 최대 지반 가속도(PGA) 암반 가속도 수준(g)

0.044 0.063 0.080 0.110 0.154 0.220

해석 기법

EL NL EL NL EL NL EL NL EL NL EL NL

최소값(g)

0.049 0.048 0.071 0.071 0.090 0.091 0.124 0.130 0.176 0.185 0.260 0.268

최대값(g)

0.099 0.096 0.146 0.136 0.186 0.179 0.253 0.246 0.425 0.369 0.701 0.516

평균값(g)

0.080 0.072 0.115 0.105 0.148 0.134 0.202 0.188 0.296 0.256 0.459 0.375

표준편차(g)

0.019 0.017 0.027 0.024 0.033 0.030 0.046 0.037 0.077 0.056 0.134 0.080

평균 가속도 증폭비 1.816

1.641 1.826 1.662 1.848 1.681 1.832 1.710 1.925 1.661 2.088 1.706

표

3.

쌍계사 부지의 지진 응답 해석을 통한 입력 지진파별 평균 가속도 증폭비

해석 기법 입력 지진파

^*

별 평균 가속도 증폭비

AR CG NS CG EW EC NS EC EW TF NS TF EW WN NS WN EW

등가선형

2.245 2.523 2.239 1.973 1.911 1.328 1.137 1.619 2.028

비선형

1.968 2.249 1.999 1.626 1.448 1.289 1.161 1.571 1.781

* AR : Artificial; CG : Coalinga; EC : El Centro; TF : Taft; WN : Whittier Narrows

− 193 − 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 단주 기 구간에서 스펙트럴 가속도가 크게 증폭되었다. 따라서 쌍 계사나 인근에서 주요 주파수 성분이 부지 주기 정도인 지 진이 발생할 경우 그 피해가 상대적으로 커질 수 있으며, 부지 주기와 유사한 고유 주기를 보이는 건축물이나 시설물 의 지진시 공진으로 인한 피해가 유발될 수 있다. 대부분의 사찰 건축물이나 시설물들은 저층이므로 이러한 부지 조건 에서의 지진시 피해 가능성이 높을 것으로 판단된다.

4.

쌍계사 지진 세기의 정량적 분석

한반도의 발생 지진 피해 사례에 근거한 지진 세기의 평 가는 매우 제한된 범위 내에서 객관적인 현상보다는 전문가 적 견지에 근거한 주관적 평가 위주로 진행되어 왔다. 특히, 역사 지진 기록에 근거한 지진 세기 평가의 경우 다양한 피 해 상황이 기록되어 있으나, 지진 피해 대상의 정확한 지리 적 위치나 구체적 시설물에 관한 기술이 미흡하기 때문에 지진 세기 평가 결과에 있어서 항상 잠재적 모호성을 전제 하게 된다. 내진 설계를 위한 우리나라의 현재 지진 구역도 또한 이와 같은 역사 지진 기록에 주로 근거하므로 그 정량 적 위치 정보나 크기에 있어서 다소 개략적일 수 있다. 이

러한 상황 하에서, 최근 1966년 불국사 경내 석가탑 탑신에 서 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 대상으 로 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 사례 와 결부하여 쌍계사의 부지고유 지진 응답 특성 평가 결과 를 분석하였다.

이미 수행한 쌍계사 오층 석탑 실물 모델에 대한 지진 시 험(Kim과 Ryu, 2003)에서 본 연구의 부지고유 지진 응답 해석 시 다양한 지진파 주파수 특성을 반영할 목적으로 입 력한 계측 지진파들인 Coalinga, El Centro, Taft 및 Whittier

Narrows

지진파들을 적용하여, 일층 탑신부의 불안정이 아닌

석탑(찰주가 없는 모델) 탑두 추락 피해 양상을 야기하는 지

진파들을 El Centro 지진과 Taft 지진으로 제시하였다. 또한,

김재관과 류혁(2001)은 예비 시험을 통해서 쌍계사 오층 석

탑의 고유 진동수(1차 모드) 범위를 1.9~2.5Hz로 제시한 바

그림

7.

쌍계사 부지 지표면에서의 가속도 응답 스펙트럼

있고, Kim과 Ryu(2003)는 이 고유 진동수를 개략적으로 약

2.0Hz

로 결정하였다. 이 진동수는 약 0.5초에 해당되는 고유

주기로서, 쌍계사의 부지 주기(0.124초)와는 차이가 있지만

El Centro NS

와 EW 및 Taft NS와 EW의 입력 지진파

스펙트럼들의 지배적인 탁월 성분들과 대체로 상응하며(그림

5

참조), 그림 8에 도시한 바와 같이, 해당 지진파들의 푸리 에(Fourier) 스펙트럼에서도 2.0Hz 부근의 탁월하고 지배적 인 푸리에 진폭을 확인할 수 있었다. 암반 노두에 작용한

El Centro

및 Taft 지진파와 유사한 주파수 성분의 지진파

가 오층 석탑이 놓였던 토사 지표면에서도 그 크기가 증폭 되고 주파수 성분이 크게 바뀌지 않았다면, 오층 석탑의 고 유 주기 부근에서 다른 주기 영역에 비해 상대적으로 크게 증폭된 가속도를 보이게 되고, 그로 인해 탑두를 추락시킬 수 있었을 것이다.

진동대를 이용한 오층 석탑 모델의 지진 시험(Kim과

Ryu, 2003)

을 통해 도출된 탑두 추락 시의 평균적인 유효

최대 지반 가속도(effective peak ground acceleration, EPGA) 는 El Centro 지진의 경우 0.15g이었고 Taft 지진의 경우

0.19g

이었다. 모델 시험의 경험적 지진 피해 가속도와의 비

교를 위하여, 그림 9에 본 연구에서 실시한 쌍계사 부지에 대한 지진 응답 해석으로부터 결정된 모든 암반 노두 가속 도 수준의 지표면 최대 지반 가속도(PGA)들 중 El Centro 지진과 Taft 지진의 결과들을 정리하여 도시하였다. EPGA와

PGA

의 비교에 따른 차이가 다소 있을 수는 있으나, 모델 시험과 부지 응답 해석의 결과 비교로부터 두 지진파 조건

에 대한 탑두 추락시의 암반 노두 가속도를 확인해 볼 수 있다. El Centro 지진의 경우 약 0.07~0.110g 그리고 Taft 지진의 경우 약 0.14~0.17g의 암반 노두 최대 가속도에서 지표면 PGA가 각각 0.15g 그리고 0.19g 정도 작용하여 쌍 계사 오층 석탑의 탑두가 전도될 것으로 파악해 볼 수 있다.

그림 9(a)의 El Centro 지진에서 (A)와 (B) 및 그림 9(b) 의 Taft 지진에서 (C)로 표시한 타원 영역은 부지 응답 해 석 결과중 탑두 추락 유발 지표면 PGA(El Centro 지진은

0.15g; Taft

지진은 0.19g) 부근의 결과들인데, El Centro

지진의 경우 암반 노두 가속도 0.080g와 0.110g가 해당되고

Taft

지진의 경우 0.154g가 해당된다. 이 결과들의 가속도

응답 스펙트럼들의 확인(그림 11)을 통해 쌍계사 오층 석탑 의 탑두 전도 지진 피해에 대해 보다 체계적으로 부지 특성 과 관련된 분석을 수행할 수 있다.

오층 석탑 모델의 진동대 시험시 적용된 지진파(Kim과

Ryu, 2003)

는 본 연구의 암반 노두 입력 지진파와 진폭은

다르지만 주파수 형상이 동일하며, 토사 부지 응답 지진파와 는 주파수 특성의 차이가 있을 수 있다. 즉, 암반 노두 입 력 지진파의 고유 주파수(주기) 특성 및 부지고유 응답 특성 이 복합적으로 결합된 형태로 토사 지표면의 지진동이 나타 나게 된다. 그림 10에는 El Centro 및 Taft 두 지진파 성

그림

8.

오층 석탑 탑두 추락 유발 입력 지진파들의 푸리에 스펙 트럼

그림

9.

탑두 추락 피해 유발 지진파를 적용한 부지 응답 해석으

로부터 결정된 지표면 최대 지반 가속도

− 195 − 분들의 암반 노두 지진파들의 가속도 응답 스펙트럼을 도시 하였다. 암반 노두 응답 스펙트럼(그림 10)은 최대 가속도

0.110g

에 해당되고, 비교를 위해 지반 분류 B 조건의 설계

스펙트럼도 중첩 도시하였다. 또한, 그림 11은 부지고유 지 진 응답 해석을 통해 도출된 El Centro 지진(그림 11(a) 및

(b))

과 Taft 지진(그림 11(c))의 토사 지표면 가속도 응답 스 펙트럼을 도시한 것이다. 그림 10 및 그림 11의 모든 스펙 트럼에는 쌍계가 부지의 부지 주기(characteristic site period) 와 오층 석탑의 고유 주기(fundamental period)의 개략적 범위를 제시하였으며, 이 두 주기 간에 상당한 차이가 있음 을 알 수 있다.

그림 10의 El Centro 및 Taft 지진파들에 대한 암반 노 두 스펙트럼에서는 오층 석탑 고유 주기 부근에서 큰 스펙 트럴 가속도를 보이나 부지 주기 부근에서는 큰 스펙트럴 가속도를 보이지 않는다. 반면, 그림 11에 제시된 토사 지표 면에서의 가속도 응답 스펙트럼에서는 지진 응답 해석 과정 시 쌍계사 부지고유 특성이 반영되어 부지 주기 부근에서 스펙트럴 가속도가 크게 증폭되어 나타난다. 뿐만 아니라 각 지진파의 지배적인 주기와 상응하는 석탑의 고유 주기 부근 에서도 다른 주기에 비해 비교적 큰 스펙트럴 가속도를 보 이며, 지진시 지표면에 이 주기에 상응하는 고유 주기를 보 이는 오층 석탑이 존재할 경우 이와 같은 지진파 조건들에 서 탑두가 추락하는 등의 피해가 발생할 수 있을 것으로 보 인다.

본 연구에서는 국내의 대표적 계기 지진 피해 사례인 지 리산 쌍계사 지진에 대한 정량적 지진 세기 평가의 일환으 로 대상 부지에 대한 해석적 기법 적용의 국부적 부지 효과 평가를 수행하였다. 부지 효과의 평가에서는 선행 연구(Kim 과 Ryu, 2003)에 기반한 해석 수행을 진행함에 따라 제한 된 입력 지진파들만을 적용하여 국내 발생 기록 지진파의 체계적 고려가 결여되어 있으므로, 보다 종합적인 입력 지진 파 고려 적용이 추가적으로 필요할 것이다. 뿐만 아니라 본 연구의 지진 세기 평가는 일차원 부지 응답 해석을 통해 이 루어 졌으며, 쌍계사와 같이 지형 변화가 심한 지역에 대한 지진 세기의 정량적 평가를 위해서는 보다 확대된 지반 조 사의 추가 수행을 통해 지하 지층 변화를 고려한 다차원 지 진 응답 해석이 향후 필요할 것으로 판단된다. 그렇다 할지

라도 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.

5.

요약 및 결론

정량적 피해 사례가 사진으로 남아있는 한반도 계기 지진 중 가장 오래된 1936년 지리산 지진의 진앙 부근인 쌍계사 에 대한 부지고유 지진 응답 특성 및 피해 기록에 근거한 지진 세기의 평가를 목적으로, 다양한 현장 조사를 수행하고 그림

10. El Centro

및

Taft

지진파에 대한 암반 노두

(0.110g)

가속도 응답스펙트럼

그림

11. El Centro

및

Taft

지진파에 대한 지표면 가속도 응답스

펙트럼 비교

지진 응답 해석을 실시하여 다음과 같은 결론을 얻었다.

1.

쌍계사 경내의 세 곳의 부지를 대상으로 시추 조사와 크 로스홀 시험 및 SASW 시험으로 구성된 현장 탄성파 시 험을 수행하여 지층 구성을 확인하고 심도에 따른 V

S

분 포를 결정하였으며, 이로부터 쌍계사 부지의 지진 응답 해 석을 위한 대표 부지 특성을 결정하였다. 대표 부지의 경 우 기반암은 12.0m, 부지 주기는 약 0.12초, 그리고

VS30

은 633m/s이었다. V

S30

에 근거한 현행 내진 설계 지 반 분류 조건은 다소의 부지 증폭이 예상되는 C 지반으 로 구분되었고, 부지고유 지진응답 특성에 관한 대표적 지 표인 부지 주기로 볼 때 0.1초 부근이나 그 보다 다소 큰 주기의 단주기 구간에서의 지진 증폭이 예상되었다.

2.

쌍계사 부지의 지진 응답 해석은 등가선형 및 비선형 해 석 기법을 적용하였으며, 쌍계사 오층 석탑의 탑두 추락 검증을 위한 기존의 실물 모델 지진 시험에 입력된 8가지 의 계측 지진과 한 가지의 인공 지진을 입력 지진파로 선정하여 국내 내진 설계 기준의 6가지 암반 노두 최대 가속도 수준으로 조정하여 수행하였다. 부지고유 지진 응 답 해석 결과, 토사 지표면 대 암반 노두의 최대 가속도 증폭비는 등가선형 기법의 경우 1.8~2.0 정도 그리고 비 선형 기법의 경우 1.6~1.7 정도를 보였는데, 부지 주기와 유사한 지배 주기를 갖는 Coalinga NS 지진파의 증폭비 가 가장 컸다. 뿐만 아니라 지표면 가속도 응답 스펙트럼 으로부터 쌍계사 부지 주기 부근의 단주기 구간에서의 큰 증폭을 확인하였으며, 부지 주기와 유사한 고유 주기의 저 층 건축물이나 시설물들의 지진시 피해 가능성이 높을 것 으로 판단된다.

3.

기존 선행 연구에서 실물 모델 지진 시험을 통해 여러 입력 지진파 중 쌍계사 오층 석탑의 탑두를 전도 추락시 킬 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 제시하

였다. 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 0.07~0.110g 및 0.14~0.17g로 추 정하였다. 또한, 추정된 암반 노두 가속도와 유사한 수준 에 대한 두 지진파의 지표면 응답 스펙트럼으로부터 쌍계 사의 부지 주기 뿐만 아니라 석탑의 고유 주기에 상응하 는 지진파의 지배 주기 부근에서의 큰 증폭을 확인하였다.

감사의 글

본 연구는 한국지질자원연구원 기본 사업인 ‘실시간 지진 분석 및 지진재해 정량적 예측기술 개발’과제의 지원과 한전

전력연구원, 한국원자력안전기술원 및 서울대학교 지진공학 연구센터의 연구 지원으로 진행되었고, 서울대학교 공학연구 소의 연구 협조로 수행된 바, 이에 감사 드립니다.

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접수일: 2008.2.19/심사일: 2008.4.21/심사완료일: 2008.4.21)