2.1 지진에 의한 지표면 진동 평가를 통한 건축문화재의 지진재해 위험도 평가

지진에 의해 발생하는 건축문화재의 손상 가능성은 일반적으로 건축문화재가 경험하게 되는 지표면 진동의 크기가 증가함에 따라 커지게 된다. 단층의 미끄러짐에 의해 발생하는 지진파의 주된 에너지는 토사 지반 아래 존재하는 기반암을 따라 전파되며, 이러한 지진파가 기반암 위의 토사지반으로 입사하는 경우 기반암과 토사지반의 강성차이 및 깊이에 따른 지반의 강성 차이에 의해 지진파 진행 방향이 점차 바뀌어 기반암에서 지표면을 향해 연직 방향으로 지진파가 전달되게 된다. 넓은 지역에 걸쳐 분포하는 기반암의 경우 작은 감쇄비 및 큰 강성을 가지고 있어 기반암 수준에서는 넓은 지역에 걸쳐 동일한 크기의 지진파를 경험하게 된다. 이러한 기반암 수준에서 동일한 지진파가 토사층을 거쳐 지표면으로 전달되는 과정에서 지진파의 특성이 변화하게 된다. 즉 지진파의 주파수 스펙트럼의 모양(특성)이 변화하게 되며, 시간영역에서는 지표면 진동의 크기가 기반암에 비해 상대적으로 커지는 지반 증폭 현상이 발생하게 된다. 이러한 주파수 스펙트럼의 변화(주된 에너지가 집중된 주파수 대역) 및 지표면 진동의 증폭의 정도(기반암 진동크기에 대한 지표면 진동 크기의 비)는 기반암 상부 토사층 지반의 전단탄성계수와 감쇠비와 같은 동적 물성치에 영향을 받게 된다(Kramer, 1996).

국내 전 지역에 걸쳐 기반암에 발생 가능한 지진 진동의 크기는 내진설계기준에 따라 지진위험지도의 형태로 주어져 있다(건설교통부, 1997, 소방방재청, 2013). 지진 위험지도는 재현주기로 표현되는 지진에너지 크기에 따라 제시되어 있다. 지진 위험지도를 통해 각 지역에서 결정할 수 있는 값은 주어진 재현주기를 가지는 지진에 의해 발생하는 기반암 최대 진동 가속도 값이다. 이 값은 중력가속도에 대한 퍼센트 값으로 주어져 있으며, 서울 전 지역에서 동일한 크기를 가진다. 이러한 값은 구조물 설계 또는 내진성능평가를 위한 설계지반운동의 크기로 사용된다.

지진위험지도에서 결정되는 설계지반운동의 크기는 실제건축 문화재가 경험하는 지반 진동이 아니다. 지진에 의한 건축 문화재의 재해 위험도는 앞에서 언급한 바와 같이 건축 문화재가 경험하게 되는 지표면 진동의 크기에 비례하게 되며, 건축 문화재가 위치하는 각 개별 위치에서 실제 지표면 진동은 지반응답해석을 통해 결정될 수 있다.

지반응답해석을 통해 지진파에 의한 발생하는 지반 깊이별 최대 지반가속도, 지표면 최대 지반가속도, 깊이별 전단변형율, 전단응력, 응답스펙트럼 등을 결정할 수 있다. 지반응답해석을 수행하기 위해서는 먼저 해석이 수행되는 위치의 기반암에서 발생 가능한 설계지반운동 수준을 결정하는 것이 필요하다. 설계지반운동 수준을 결정하기 위해서는 대상 구조물의 중요도에 따른 구조물의 기능수행수준 및 붕괴방지 수준의 결정이 필요하며, 이에 따른 지진의 재현주기로 표현되는 설계지반운동 수준(크기)을 결정한다. 현재 문화재에 대한 내진성능기준은 제안되어 있지 않은 상황이나, 건축문화재의 중요성을 고려하였을 때, 국가 주요 지정 문화재들은 붕괴방지수준 특등급 또는 1등급과 같은 높은 수준의 설계지진가속도수준에 대해 위험도 평가가 수행되어야 할 것으로 생각된다. 이때 설계지진 가속도 수준은 지진위험지도(건설교통부1997; 소방방재청 2013)를 고려하여 결정할 수 있다. 기반암 위치에서 설계지진가속도가 결정되면, 결정된 설계지진가속도에 대한 지반증폭을 결정하게 된다. 이때 지반증폭을 결정하기 위해서는 기반암에서 토사층으로 입사하여 토사층을 따라 지표면 방향으로 전파되는 지진파가속도의 시간이력이 필요하다. 지반응답해석을 수행하기 위해서는 해석이 수행되는 지점에서 계측된 실제 지진기록을 사용하는 것이 가장 좋으나, 국내의 경우 사용가능한 지진기록이 거의 없는 상태로, 가상의 인공지진 및 국내외 지역에서 계측된 지진기록을 이용하였다. 본 연구에서는 지반응답해석을 위해 Fig. 1에 주어진 인공지진파 1개와 3개의 국외 계측 지진기록(엘 센트로, 하치노에, 오프나토 지진기록) 그리고 1997년 경주 지진기록을 사용하였다. 이러한 지진파 시간이력의 크기는 지진위험지도에서 결정된 설계지진 가속도 크기에 의해 수정된다. 본 연구에서는 지반응답해석을 수행하기 위해 SHAKE91 프로그램을 사용하였다(Schnabel et al., 1972). 이러한 해석을 통해 서울사대문 지역과 같은 역사도시 지역 내에 위치하는 개별 문화재 위치에서의 5개의 시나리오 지진에 대한 지반 최대가속도, 응답스펙트럼, 지반 고유주기 등을 결정할 수 있다. 또한 개별문화재 위치에서의 결과들을 활용하여 역사도시 전체 영역에서의 지반 최대가속도, 응답스펙트럼, 지반 고유주기 등을 결정할 수도 있다.

Fig. 1

Input Earthquake motions for Seismic Ground Response Analysis.

지반응답해석을 통한 개별 문화재의 지진재해 위험도 평가 시, 문화재가 위치하는 지반의 물성평가가 매우 중요한 요소이다. 지반의 물성평가는 다양한 방법에 의해 수행될 수 있다. 그러나 문화재 주변부에서 실험을 수행하기 위해서는 문화재인접 지반에 손상을 유발하지 않는 비파괴 방법이 가장 적합하다. 다양한 비파괴 시험법들 중 직접적으로 지진해석에 사용되는 지반의 탄성계수 결정이 가능한 탄성파를 이용한 비파괴 시험을 본 연구에서 선정 사용하였다. 비파괴 탄성파 시험은 지표면에 가해진 가진에 의해 발생하는 탄성파의 평가를 통해 지반의 층상구조(전단파 속도 주상도 또는 전단탄성계수 주상도)를 평가하는 방법이다. 서울과 같은 도시 지역 내에서는 지속적인 교통하중에 의한 진동과 같은 다양한 배경잡음이 존재하며, 경우에 따라 실험가능장소가 매우 협소한 경우가 있다. 따라서 서울과 같은 도시 지역내 문화재들의 지진 재해 위험성 평가를 위한 하부 지반 평가 방법은 높은 잡음수준에서도 신뢰할 수 있는 결과를 도출할 수 있어야 하며, 협소한 장소에서도 실험이 가능해야 한다. 본 연구에서는 이러한 조건하에서 실험이 가능한 HWAW방법(Park&Kim, 2004a, b)을 사용하여 지진 위험도 평가를 위한 하부 지반 평가를 수행하였다.

2.2 도시지역 지반응답 해석을 위한 지반 조사 기법: HWAW 방법

HWAW방법(Park and Kim, 2004a, b)은 비파괴 탄성파 시험법인 표면파 탐사기법 중의 한가지로서 현장실험, 분산곡선의 결정, 역산을 통한 대상 지반의 전단파 속도(또는 전단탄성계수) 주상도의 결정으로 구성되어 있다(Fig. 2). 표면파 시험은 대상 지반의 손상 없이 신속한 시험이 가능하다.

Fig. 2

HWAW method.

HWAW 방법을 위한 현장실험은 Fig. 2(a)에서 보는 바와 같이 2개의 감지기(속도계)와 햄머를 사용한 진동 가진원으로 구성된다. S(가진원)-R1(감지기1)의 간격은 6~12 m, R1(감지기1)-R2(감지기2)의 간격은 1~3 m이다. 이와 같은 짧은 감지기 간격의 사용은 협소한 공간에서도 효과적인 실험을 가능하게 한다. 전단파 속도 주상도를 결정하기 위해서는 계측된 신호로부터 분산곡선을 결정해야 한다. 분산곡선은 파장에 따른 위상속도 곡선으로, 일반적으로 각각의 전단파 속도 주상도는 고유한 분산곡선 형태를 가진다. 분산곡선을 결정하기 위해서 먼저 각 감지기에서 획득된 시간영역 신호에 대해 하모닉 웨이브릿 변환을 수행하여 Fig. 2(b)와 같은 시간-주파수영역에서의 크기 및 위상 지도를 결정한다. 결정된 시간-주파수 지도에서 각 주파수 성분들의 에너지가 최대가 되는 영역(Fig. 2(b)의 시간-주파수 지도에서 점선 부분)의 위상 정보만을 사용하여 각 주파수 성분의 동일 위상이 감지기 1과 2를 어떤 시간에 통과하는 지를 결정한다. 각 주파수 성분의 위상속도는 감지기 간격을 동일 위상이 감지기 1과 2 사이를 통과하는 데 소요되는 시간으로 나누어 결정한다. 일단 분산곡선이 결정되면 역산과정을 통해 대상 지반의 전단파 속도 주상도를 결정할 수 있다.

역산과정은 먼저 대상 지반의 전단파 속도 주상도를 가정한 후 가정된 주상도에서 존재하는 분산곡선(이론분산곡선)을 계산한다. 이론분산곡선과 실험에서 결정된 실험분산곡선이 일정 수준내에서 동일하다면 가정된 주상도를 대상 지반의전단파 속도 주상도로 결정한다. 만일 일치하지 않는다면 주상도를 재가정하여 동일한 과정을 수행한다. 이러한 과정은 이론분산곡선과 실험분산곡선이 일정 수준 내에서 일치할 때까지 반복된다. 이러한 과정은 최적화 방법에 의해 자동화 될 수 있다. 본 연구에서는 역산 자동화를 위하여 유전자 알고리즘을 사용하였다(Park and Hwang, 2012).

2.1장에서 언급된 바와 같이 일반적으로 도시지역에서는 교통하중에 의한 진동과 같은 다양한 원인에 의한 배경잡음(진동)이 존재한다. 일반적으로 계측된 시간영역신호에서 해석을 위해 필요한 주파수 대역이 배경잡음의 주파수 대역과 떨어져 있으면, 쉽게 배경잡음의 영향을 제거할 수 있다(Hwangand Park, 2014). 그러나 표면파 시험을 위해서는 넓은 주파수 대역에서 분산곡선을 결정하여야 하며, 일반적으로 배경잡음이 존재하는 주파수 대역과 일치하게 된다. 이러한 경우 시간영역 전체에 걸친 주기함수들을 기저함수로 사용하는 퓨리에 변환에 바탕을 둔 탄성파 시험에서는 배경잡음의 영향을 제거하기가 어렵다. HWAW방법은 각 주파수 성분의 시간영역에서 시간에 따른 에너지 변화를 고려하여 시간영역에서 국부적으로 가장 큰 에너지를 가진 영역(국부적인 신호/잡음 비가 가장 큰 부분)을 사용하기 때문에 심한 잡음 조건하에서도 신뢰성 있는 분산곡선 결정 및 전단파 속도 주상도의 결정이 가능한다(Hwang and Park, 2014). 따라서 서울과 같은 도시지역에 위치하는 건축문화재 하부 지반 평가에 효과적으로 사용될 수 있다.

3.1 HWAW방법을 이용한 대상 문화재 하부지반 평가

Fig. 4는 서울지역에서 수행된 지반조사 예이다. Fig. 4(a)는 현장에서 계측된 시간영역 신호이다. 그림을 보면 교통하중과 같은 배경잡음에 의한 신호 부분이 실험을 위해 사용된 충격가진원에 의해 발생한 신호 외에도 시간영역 전체에 걸쳐 존재함을 볼 수 있다. Fig. 4(b)는 계측된 시간영역 신호를 사용하여 결정된 위상각 스펙트럼이다.

Fig. 4

Time Domain Signals Measured in the Field and Phase Spectrum.

위상각 스펙트럼은 일반적인 표면파 실험에서 분산곡선을 결정하기 위해 사용되며, 배경잡음이 없는 경우 톱니 모양을 하고 있다. Fig. 4(b)를 보면 위상각 스펙트럼은 배경잡음에 의해 심한 왜곡을 보이고 있으며, 이러한 경우 분산곡선 결정에 사용하기가 매우 어렵다. Fig. 5는 Fig. 4(a)에서 계측된 시간영역 신호에 대해 HWAW방법을 적용하여 결정된 분산곡선과 전단파 속도 주상도이다. 그림을 보면 HWAW방법은 서울과 같은 다양한 배경 진동 잡음이 존재하는 장소에서도 신뢰할 수 있는 전단파 속도 주상도를 결정할 수 있음을 알 수 있다.

Fig. 5

Dispersion Curve and Shear Wave Velocity Profile determined by HWAW method.

Table 1

List of Selected Heritage for Seismic Hazard Assessment

Fig. 6은 문화재가 위치하는 19개 위치에서 HWAW방법에 의해 결정된 전단파 속도 주상도 들이다. 그림을 보면 사대문 지역안에서 문화재 위치에 따라 기반암 깊이, 토사층 전단파속도의 크기 등 전단파 속도 주상도의 구조가 다양함을 볼 수 있다. 이러한 지반 구조의 차이는 동일한 지진하에서 각 문화재가 경험하게 되는 실제 지표면 진동의 크기에 차이를 유발하게 된다. 그림을 보면 대부분 위치에서 기반암 위 토사층은 500 m/s 이하의 전단파 속도값을 가지며 기반암 부근 깊이에서 500 m/s 이상의 높은 갚을 가짐을 볼 수 있다. 일반적으로 지반의 전단파 속도값의 크기가 증가할수록 지반 증폭의 크기는 감소하게 된다. Fig. 7은 19개 위치에서 결정된 기반암 깊이의 분포이다. 기반암은 전단파 속도 760 m/s 이상을 가지는 층으로 정의하였다. 기반암은 2.5~12.9 m 사이에 위치하며, 많은 수가 2~3 m 사이의 얕은 깊이와 12 m 부근의 상대적으로 깊은 깊이에 치우쳐 위치함을 볼 수 있다. 이러한 기반암 깊이는 지반 증폭 크기 및 지반의 고유주기에 영향을 준다. 기반암 깊이가 깊어질수록 지반의 고유주기는 길어지게 된다. 이러한 지반의 고유주기는 지표면 진동의 크기와 함께 지표면에 위치하는 구조물의 지진재해 위험도에 영향을 준다. 일반적으로 지반의 고유주기와 유사한 주기(또는 주파수)에 주된 에너지를 가지는 지진 발생 시 지반 증폭 현상의 영향이 커지게 된다. 또한 지표면에 위치하는 구조물의 고유주기가 지반의 고유주기와 유사할수록 동일한 지표면 지반 진동의 크기에서 구조물의 지진 재해 위험도가 커지게 된다. 이러한 지반 고유 주기에 의한 구조물의 지진재해 영향을 평가하기 위해서는 구조물의 동적 해석을 통한 구조물 고유주기 평가가 필요하다.

Fig. 6

Shear Wave Velocity Profiles.

Fig. 7

Distribution of Bedrock Depth.

3.2 지반응답해석을 통한 지반 공학 관점에서의 서울 사대문 지역 문화재 지진재해 위험도 평가

서울 사대문 지역 석조 및 건축 문화재의 지진재해 위험도평가를 위해 각 문화재 위치에서 지반응답해석을 수행하였으며, 이를 통해 각 문화재가 지진 발생 시 경험하게 되는 실제지표면 진동의 크기를 결정하였다. 본 연구에서는 서울 지역문화재를 위한 지진재해 위험도 평가를 위해 설계지진 가속도로 0.20 g와 0.14 g를 사용하였다. 이 값은 붕괴방지 특등급과 1등급에 해당하는 설계지진 가속도와 같은 크기이다(건설교통부, 1997).

3.1절에서 언급한 바와 같이 전단파 속도 760 m/s 이상되는 층을 기반암(보통암)으로 결정하였다. 설계 지진가속도는 이 기반암 층에 가해지는 지진 가속도이다.

입력 지진파는 Fig. 1에 주어진 5개 시나리오 지진을 설계지진 가속도 값에 따라 scale 조정하여 사용하였다. 기존 시추자료에 의하면 서울 사대문 지역은 매립토층 하부에 퇴적토, 풍화토, 풍화암, 그리고 연암층으로 구성되어 있다. 본 연구에서는 지반응답해석을 위해 HWAW방법에 의해 결정된 전단파 속도 주상도와 토질 종류에 따라 문헌에서 제공된 값을 사용한 댐핑비 및 G/G_max 곡선을 입력 물성치로 사용하였다(국립문화재연구소, 2012). Fig 8과 9는 경복궁 경회루 위치에서 수행된 지반응답해석 결과이다.

Fig. 8

Ground Response Analysis Result for Gyeonghoeru in Gyengbokgung Palace (Peak Bedrock Acceleration : 0.14 g).

Fig. 9

Ground Response Analysis Result for Gyeonghoeru in Gyengbokgung Palace (Peak Bedrock Acceleration : 0.2g).

Fig. 8은 설계지진 가속도 0.14 g에 해당하는 깊이별 지반최대 가속도와 응답스펙트럼이며, Fig. 9는 설계지진 가속도0.2 g에 해당하는 깊이별 지반 최대 가속도와 응답스펙트럼이다. 지진재해 위험도 평가를 위한 지반 증폭비 및 지표면 최대 지진 가속도 등을 평가하기 위해서 5개의 시나리오 지진에 대한 해석 결과로부터 평균값을 결정하였다. 깊이별 지반 최대 가속도 결과로부터 경복궁 경회루의 경우 설계지진 가속도 0.2 g 및 0.14 g 지진 발생 시 실제 구조물이 경험하는 지표면 최대 지진가속도는 설계지진 가속도 0.2 g의 경우 약 0.332 g이며, 설계지진 가속도 0.14 g의 경우 약 0.245 g가 됨을 알 수 있다. 응답 스펙트럼으로부터는 주파수별 기반암 진동에 대한 지표면 진동 가속도의 증폭정도를 볼 수 있다. 지반 증폭비는 설계지진 가속도 0.2 g 및 0.14 g에 대해 1.87배, 1.78배를 보였으며 지반의 고유주기는 0.18초 및 0.208초이다. 각 문화재 위치에서 기반암 깊이, 설계지진 가속도 0.2 g 및 0.14 g 별로 시나리오 지진에 따른 최대 지표면 가속도, 지반증폭비, 지반 고유주기는 표 2와 같다.

Fig. 10은 지진에 의한 문화재 위치들에서의 최대 지표면가속도의 분포이다. 그림을 보면 설계지진 가속도 0.2 g의 경우 최대 지표면 가속도는 0.217 g~0.345 g 사이의 값을 가지며 설계지진 가속도 0.14 g의 경우 0.152 g~0.260 g 사이의 값을 가짐을 볼 수 있다.

Fig. 10

Distribution of Peak Ground Acceleration.

최대 지표면 가속도 분포의 경우 설계지진 가속도 크기에 따른 분포의 형태가 일치하지 않음을 볼 수 있다. 각 문화재들이 경험하는 최대 지표면 가속도 값의 비교를 통해 사대문지역 석조, 건축 문화재 사이의 상대적인 지진재해위험도 평가가 가능하다. 설계지진 가속도 0.2 g 지진의 경우 경복궁 및 창경궁 지역에 위치하는 경회루, 근정전, 옥천교, 명전전 등의 문화재가 0.330 g 이상의 상대적으로 높은 수준의 지반 진동을 경험하게 되며 지진재해 위험도가 상대적으로 높음을 알 수 있다. 풍기대, 중화전 및 중화문-자격루, 함녕전, 종묘 정전, 원각사지 삼층석탑 태원각사비 등의 문화재들은 0.240 g 이하의 상대적으로 낮은 수준의 지반 진동을 경험하게 되며 상대적으로 지진재해위험도가 낮음을 알 수 있다.

Table 2

Result of ground response analysis

Fig. 11은 지진에 의한 지반 증폭비의 분포이다. 표 2를 보면 최대 지표면 가속도 값이 큰 위치에서 지반 증폭비의 값도 크게 나타남을 알 수 있다. Fig. 12는 지반 고유주기 분포이다. 그림을 보면 설계지진 가속도 0.2 g의 경우 지반고유주기는 0.040초~0.216초 사이의 값을 가지며 설계지진 가속도 0.14 g의 경우 0.040초~0.220초 사이의 값을 가짐을 볼 수 있다. 지반 고유주기는 설계지진 가속도 0.2 g와 0.14 g의 경우 유사한 범위에 존재하며, 또한 분포의 형태도 유사하다. 풍기대, 부용지 권역, 관천대, 중화전 및 중화문 – 자격루, 함녕전, 종묘 정전, 원각사지 삼층석탑 태원각사비 등의 문화재 위치에서 지반고유주기가 1초 이하의 상대적으로 단주기 값을 보이며, 그 외 위치에서는 1초 이상의 지반고유주기 값들을 보이고 있다.

Fig. 11

Distribution of Site Amplification Ratio.

Fig. 12

Distribution of Site Natural Period.

표 2에서 기반암 깊이와 지반고유주기들을 비교해 보면, 기반암 깊이가 증가할수록 일반적으로 고유주기가 증가함을 볼 수 있다. 또한 사대문 지역 문화재들의 경우 지반고유주기가 1초 이하의 상대적으로 작은 지역에 위치하는 문화재들이 지진재해 위험도가 상대적으로 작음을 볼 수 있다.

실제 개별 문화재의 정밀한 지진 피해 유형 및 정도는 결정된 지표면 최대 지진 가속도를 입력으로 한 수치해석이나 실대형 진동대 실험 또는 진동대가 설치된 센트리 퓨지 시험기를 사용한 축소모형실험(김동수&박헌준, 2011)을 통해 결정될 수 있다.