지진과 천년고도 경주 문화재!!
흔들려도 무너지지 않는 안전함을 위하여…
첨성대와 석가탑에 숨어 있는 내진 성능
2016년 9월 12일 경주, 1978년 기상청 계기관측 이래 최대 규모의 지진이 발생하였습니다.
그동안 경험해보지 못한 강진과 함께 수개월 동안 이어진 크고 작은 여진은 시밀들을 불안에 떨게 했습니다. 경주는 양산단층대에 인접한 지역에 위치해 있으며 기원전 1세기 후반 혁거세(赫居世) 시대부터 935년 신라가 망하기까지 천년동안 도읍지로 발전된 유서 깊은 역사도시입니다.
<삼국사기>와 <삼국유사> 등 실록에는 경주 지역에 발생한 지진 기록이 많이 남아 있습니다. 지진 위험 지역임에도 불구하고 경주에는 석굴암과 불국사, 첨성대 등 수많은 문화재가 오늘날까지 남아 역사적 고도(古都)의 풍모를 느끼게 합니다. 그러나 9월 12일 경주지진 이후부터는 과학적 안정성 평가와 함께 실제적인 보존대책 실시되었습니다. 여러 차례 지진에도 건재한 문화재들은 건축구조공학적, 물리역학적 측면에서 무심코 지나칠 수 없게 합니다.
신라 선덕왕(632~646년)시기에 건축 된 첨성대는 당시 보기 드문 고대 천문관측 시설입니다. 호리병 모양의 독특한 형태미가 역사적 신비감까지 더해 사람들의 많은 관심을 받고 있습니다. 역사연구자들에게도 흥미진진한 영감을 불러 일으키며 축조 원리에 대한 여러 해석과 추론을 거듭하게 했습니다.
9월 12일 경주지진 때 첨성대는 지반침하로 기울어진 것 말고는 별다른 피해가 없었습니다. 중심축이 약 2 cm 더 기울어졌는데, 이는 오래전부터 북측으로 20cm 정도 기울어져 있던 것이 이번 지진 영향으로 기울기가 더 증가된 것입니다. 최상단에 있는 정(井)자석은 최대 5cm 정도 움직였는데, 예전 모서리 맞춤이 떨어져 나간 자리의 부재가 미끄러지면서 변형된 것입니다.
첨성대는 2010년도에 지반조사와 함께 지진위험도 평가를 실시한 바 있습니다. 평가 결과 첨성대는 국내 내진설계 기준 1등급에 해당하는 ‘지진 재현주기 1000년(1000년에 한 번 발생하는 강진 수준)’의 내진구조로 건축됐음이 밝혀졌습니다.
지진진동시험에서 1000년 주기 ㅈ진력(진도 6.4)를 가했을 때 최상단 정자석에 모서리 맞춤부 파손과 함께 헝클어짐 현상이 발행했는데, 지난 9월 12일 경주지진에서 나타난 변형과 비슷한 양상이었습니다.
종합해보면 첨성대는 과거에 1000년 주기이상의 강진을 겪었던 것으로 판단됩니다.
지진재현주기 최강, 불국사 석가탑
불국사 석가탑은 신라시대 대표적인 석탑 문화재입니다. 742년 창건 직후 755년과 779년, 1036년 세 차례에 걸쳐 경주지역 지진발생과 피해기록이 <삼국사기> 등에 나타나 있습니다. 특히 1036년 지진에는 ‘석가탑이 기울어져서 버팀목을 설치하였다’라고 기술돼 있습니다.
2011년 지진 위험도 평가에서 석가탑은 국내 내진설계 기준 특등급에 해당하는 ‘지진재현주기 2400년’ 내진구조로 평가되었습니다. 지진진동 시험 평가를 통해 석가탑이 기울어졌다는 1036년에 리히터 규모 7이상 되는 역대 최대 규모 강진이 발생했을 것으로 보이며, 이전에 상당한 내구성 저하와 구조 변형이 이뤄진 상태에서 지진 진동 영향을 받았을 것으로 추정됩니다.
사실 석가탑은 2010년 12월 기단 파손이 발견되어 완전 해체 후 복원 수리를 결정했습니다. 사전조사에서 복원은 앞서 지진 위험도 평가를 참고해 석가탑의 원형회복을 중요한 목표로 삼았습니다. 2012년 공사가 시작되었어습니다. 석가탑 내진 성능의 핵심요소인 구조중심축은 현대 과학 장비로 정밀도를 향상시켜 쌓았고, 내부식성 재료인 티타늄과 새로 개발된 무기바인더(접착을 돕는 무기질 혼합물)를 배합한 다짐흙을 사용해 내구성을 높였습니다.
2016년 7월에야 복원이 끝난 석가탑은 약 2개월 뒤 강도 5.8의 지진을 겪었습니다. 지진 직후 측정된 데이터를 분석한 결과 석가탑 구조중심축은 변형이 없었으며 2층 탑신에서 시공오차가 오히려 감소된 사실이 파악되었습니다.
문화재는 역사적인 존속기간이 실제 내진 성능을 대변합니다. 첨성대나 석가탑에 오늘날의 개념인 ‘내전설계’가 적용됐다고는 할 수 없습니다. 그러나 전통 건축구조 기술에는 지진에 견딜 수 있는 ‘내진 성능’이 있다고 보는게 정확합니다.
석가탑 사례는 우리나라 문화재에 대한 지진대책 방향을 분명하게 제시하고 있습니다. 건축 당시 적용된 구조 원리의 안전성을 확보할 때 내진 성능이 효과적으로 발휘될 수 있습니다. 문화재의 구조원리는 보다 과학적이고 구체적인 조사연구를 통해 규명하고 발전시켜 나가야 하라 또 하나의 중요한 학술적 무형유산임에 틀림없습니다.
1) 탑신은 하중에 의한 관성력으로 상부 증폭현상 억제
2) 내부 적심구조가 지진 파동을 분산시키고 지진파를 전달하는 과정에서 진동과 충격을 경감하는 ‘댐퍼(Damper)’ 효과 발생. 댐퍼는 지진을 견딜 수 있는 진동 에너지 흡수 장치로 건물의 손상을 최대한 방지할 수 있다.
지진재현주기란?
건축물의 지진하중(지진을 견디는 힘)을 정의할 때 ‘재현주기’라는 표현을 사용합니다.
예를 들면, 100년 재현주기라고 하면 100년에 한 번 꼴로 발생하는 지진. 2400년 재현주기는 2400년에 한 번 정도 발생하는 지진에 견딜 수 있는 건축물이라는 의미입니다. 재현주기가 클수록, 즉 드물게 발생하는 지진일수록 지진세기도 강합니다. 우리나라 내진설계 기준은 한반도에서 2400년에 한 번 정도 발생할 것으로 예상되는 지진을 최고 등급으로 지진하중을 계산해왔으며, 최근 4800년 주기를 추가하는 방안을 마련하고 있습니다.
내진성능이란?
내진성능은 건축물이 지진에 저항 할 수 있는 능력을 총체적으로 표현한 것입니다. 일반적으로 통용되는 건축물의 내진성능은 4단계로 구분됩니다.
1) 기능수행 : 지진 발생 후에도 이전과 동일하게 정상적으로 건물을 사용 할 수 있다.
2) 즉시입주 : 지진 발생 후에도 건물에 계속 거주할 수 있으며, 정상적으로 사용하기 위해 경미한 보수가 필요할 수 있다.
3) 인명안전 : 지진에 의해 건물 및 설비에 상당한 손상이 발생하여 재사용을 위해서는 상당한 복구 비용이 소요된다.
4) 붕괴방지 : 지진에 의해 건물이 붕괴되지는 않으나 여진 발생 시 붕괴 가능성이 크고 건물의 재사용은 거의 불가능하다.