Architectural heritages are exposed to natural and man-made disasters so that the need for systematic safety management and research to prevent disasters and to preserve the structures has arisen. Gyeongju and Buyeo are the most important historic areas in Korea, boasting a wealth of historic sites and a legacy of cultural heritage dating back more than a thousand years. Thus the necessity of estimating the seismic risk of historic areas has been recognized. The geotechnical information including shear wave velocity profiles for architectural heritage sites is determined by field site investigation and then the site-specific ground response analyses and GIS based microzonation are performed based on this information.
Many Korean stone cultural heritages have masonry structures that are seemingly vulnerable to horizontal dynamic load such as earthquakes. However, the stone heritages with masonry structure have kept their forms for over a thousand years despite numerous historic records of earthquakes. Understanding the needs of the architectural heritages, this study proposes dynamic centrifuge modeling test as a way of seismic risk assessment in order to find out how stone architectural heritages with masonry structure endured the seismic load, and whether there is any possibility of future earthquake damage. The stress condition and the scaling law of the miniatures within a centrifuge are examined and the modeling of models for the stone block is performed. As the results, it turns out that similar behavior appears when the results of the dynamic centrifuge tests for three miniatures are reverted to the prototype scale. Therefore, it is verified that the characteristics of seismic behavior as well as the seismic risk of actual stone architectural heritage can be assessed through dynamic centrifuge test.
The dynamic centrifuge tests for one fifteenth scale models of the three storied stone pagoda at Bulguksa Temple and the five storied stone pagoda of Jeongnimsa Temple site which are Korean representative stone pagodas, are conducted, and the behavior of the stone pagodas are predicted in the event of a scenario earthquake. Cheomseongdae is apparently vulnerable masonry structure for horizontal dynamic load such as earthquakes. Unlike the appearances, however, four remarkable factors can increase the resistance to horizontal dynamic load. Through the dynamic centrifuge test results, it could be verified that the long shaped horizontal tie stones are increasing the seismic resistance, catching a glimpse of the seismic design of our ancestors.
For the seismic risk assessment for architectural heritages in historic areas, this study organizes the field site investigation, site-specific ground response analysis and GIS based microzonation for Korean historic areas. And this study proposes dynamic centrifuge modeling test for stone masonry structures and shows that the seismic risk of actual architectural heritages can be assessed through this test.
건축문화유산은 우리 겨레의 시대적 배경과 역사를 반영하는 인류문화의 자산이다. 우리에게는 이 유산을 안전하게 보존하여 후손들에게 전달해야 할 의무가 있다. 건축문화재는 항상 외부에 노출된 상태로, 자연재해 및 급격한 환경 변화에 대비하여야 한다. 특히 지진과 같은 자연재해로부터 문화재를 보호하기 위해서는 체계적이고 공학적인 접근 방법이 필요하다. 또한 문화재의 특성을 반영할 수 있는, 일반구조물과는 다른 재해예방 안전관리 대책이 필요하다.
본 연구에서는 현장시험 및 동적원심모형 시험을 이용한 역사도시 건축문화재 지진위험도 평가를 수행하였고, 이에 대한 연구방법 및 결과를 체계적으로 정리하였다. 추가적으로 지반지진공학적 관점을 중심으로 건축문화재 지진위험도 평가 방법을 제안하였다.
건축문화재의 내진성능 평가는 구조물이 위치한 지반의 공학적 특성을 파악하는 일에서 시작된다. 먼저 경주 및 부여 역사 도시 지역에 대하여, 문화재 위치 지역에 대한 현장지반조사 및 지반 고유의 지진응답해석을 수행하였다. 이를 통해 문화재 위치 지반의 공학적 정보를 정리하였고, 시나리오 지진 발생 시 그 지반의 흔들림 정도를 예측하였다. 또한 지리정보시스템 기반의 지진공학적 지반 정보화 시스템을 구축하여 역사 도시 지역의 지진 위험도를 평가하였다.
건축문화재에 지진 하중이 작용하게 되면, 구조적 형태와 양식, 하중전달특성에 따라 지진 거동 및 내진성능은 달라지게 된다. 따라서 건축문화재의 지진거동 특성을 알기 위해서는 건축문화재 별로 모형제작을 통한 실험적 접근 또는 수치모델링을 통한 해석적 접근이 필요하다. 이 연구의 효율을 높이기 위해서 우선적으로 시대와 양식을 대표하는 주요 문화재를 선정하고 이에 대한 실험적 또는 수치해석적 지진거동특성 평가가 수행되어야 한다. 본 연구에서는 건축문화재의 지진거동특성 평가를 위하여 수치해석 및 실대형 진동대 시험을 대체할 수 있는 동적원심모형을 제안하였다. 동적원심모형시험은 문화재 모형제작을 통해 원심가속도 장 내에서 지진 거동을 파악할 수 있는 시험이고, 실제 상태와 같은 응력조건 모사가 가능하다는 장점을 가지고 있다.
한국에는 다수의 석조문화재가 분포하고 있다. 현존하는 많은 석조 문화재들은 겉보기에 지진과 같은 횡방향 하중에 의해 취약한 조적식 구조를 가지고 있다. 하지만 다수의 역사 지진기록에도 불구하고, 1000년 이상 조적식 석조 건축문화재들이 그 모습을 유지하고 있다. 석조 건축문화재들이 지진하중을 어떻게 견뎌 왔는지, 그리고 향후 지진피해의 가능성은 없는지를 알아보기 위한 내진성능평가 방법으로 동적원심모형시험을 제안하였다. 먼저 축소모형에 대한 원심가속도장 내에서의 응력조건과 상사비를 검토하고, 석조 블록에 대한 모델의 모델링 시험을 수행하였다. 이를 통해 지진하중에 대한 석조 구조물 축소모형의 거동이 실제 건축문화재의 거동을 예측할 수 있는지 가능성을 확인하였다. 이를 바탕으로 시대를 대표하는 양식을 가진 불국사삼층석탑 및 정림사지오층석탑에 대한 모형 제작을 통해 동적원심모형 시험을 수행하고 그 지진거동을 평가하였다. 또한 경주첨성대에 대한 동적원심모형시험을 통해 조상들의 내진설계기술을 엿볼 수 있었다.
국내에는 아직까지 문화재에 대한 내진 기준이 마련되어 있지 않은 상태이다. 또한 건축문화재 지진위험도 평가 시에는 문화재의 특성 상 직접적인 현황 조사가 제한되고, 내진 보수 보강이 어렵다는 점을 고려하여야 한다. 각 건축문화재들은 다양한 지반조건과 문화재 고유의 건축양식 및 하중전달 특성을 가지고 있다. 이에 따른 보편성을 가질 수 있는 방법론이 정립되어야 한다. 이들을 고려하여, 본 논문에서는 역사도시 지역과 그 지역에 위치한 건축문화재에 대한 내진성능 및 지진위험도 평가 방법을 제안하였다. 이 연구를 통하여 역사도시지역의 지진 위험도 평가 방법을 정립하고, 이를 종합적인 문화재 방재시스템 개발을 위한 자료로 활용하고자 한다.
본 연구를 통하여 다음과 같은 기대 효과가 예상된다. 역사도시의 문화재 위치지역에 대한 지진공학적 지반조사 자료를 체계적으로 구축하여, 향후 관련 분야에 대한 연구 효율성 증대 및 연구 활성화가 가능하다. 건축문화재 유지 보수를 위한 시간적, 인력적, 예산적 낭비를 줄일 수 있다. 또한 본 연구와 같은 다양한 분야의 건축문화재 재해예방 안전관리기술 정립을 통해 최적의 문화재 방재시스템을 구축할 수 있다.