Self-weight and seismic instability of a Qin Terracotta Army horse using finite element analysis
본 연구는 진나라 병마용 마상(馬像)의 3D 스캔 모델에 대한 유한 요소 분석을 활용하여, 자중과 빈번한 지진은 미미한 손상을 일으키는 반면 드문 지진은 전역적 미끄러짐 및 전도 불안정성을 유발하며, 마찰과 지반 운동 유형이 응답에 상당한 영향을 미치지만 쉘 두께의 변화는 주요 파손 모드에 미치는 영향이 무시할 만하다는 것을 입증한다.
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고대 세계는 수천 년 동안 살아남은 물체들로 가득 차 있지만, 이들에게 가장 큰 위협은 시간 그 자체라기보다 지면의 갑작스럽고 격렬한 흔들림에서 오는 경우가 많다. 무거운 점토로 만들어진 거대한 자립형 조각상의 경우, 지진은 독특한 역학적 문제를 제기한다. 지면에 고정된 건물과 달리, 조각상은 자신의 발로 서 있다. 지면이 움직일 때 조각상은 반드시 지면과 함께 움직이는 것은 아니다. 대신 바닥을 따라 미끄러지거나, 밑동 위에서 앞뒤로 흔들리거나, 완전히 넘어질 수도 있다. 특정 물체가 어떤 운명을 맞이할지 예측하려면 무게, 무게 중심, 그리고 발과 표면 사이에 존재하는 마찰력이라는 세 가지 요소를 이해해야 한다. 이것이 지진 활동이 빈번한 지역에서 취약한 문화유산을 보호하는 핵심 과제이며, 목표는 지면이 떨리기 시작할 때 이 침묵하는 역사의 목격자들이 똑바로 서 있을 수 있도록 유지하는 것이다.
중국 산시성 중심부에는 유명한 진시황릉의 테라코타 군상이 있는 진시황릉이 자리 잡고 있다. 수천 점의 실물 크기 전사와 말들 중에서도, 말들은 보존 측면에서 특히 까다로운 사례에 해당한다. 말들은 키가 크고 속이 비어 있으며 네 개의 가느다란 다리로 균형을 잡고 있어, 인간 형상보다 본질적으로 안정성이 떨어진다. 베이징 토목건축대학과 진시황릉 박물관의 연구팀은 단 한 마리의 테라코타 말이 지진 중에 어떻게 행동할지를 조사하기로 결정했다. 그들은 실제 유물을 흔드는 위험한 실험 대신, 복원된 말의 정밀한 디지털 트윈을 제작했다. 이 가상 모델을 물리 시뮬레이션이 가능한 컴퓨터 프로그램에 입력함으로써, 그들은 소중한 점토 유물을 전혀 건드리지 않고도 다양한 유형의 지면 흔들림, 다양한 마찰 수준, 그리고 다양한 방향의 힘에 대해 말이 어떻게 반응하는지 관찰할 수 있었다.
연구진은 먼저 약 1.7미터 높이에 무게가 약 332킬로그램인 복원된 실제 말(등록 번호 T23G9:C2④)을 스캔하는 것으로 시작했다. 휴대용 레이저 스캐너를 사용하여 수백만 개의 점을 포착해 말의 표면을 나타내는 3차원 지도를 만들었다. 그런 다음 이 지도를 수천 개의 작은 삼각형 껍질로 구성된 컴퓨터 모델로 변환하여, 실제의 속이 빈 구조와 가변적인 두께를 모사하는 디지털 피부를 입혔다. 모델의 정확성을 확보하기 위해, 연구진은 컴퓨터상의 말이 실제 무게와 정확히 일치할 때까지 디지털 피부의 두께를 조정했다. 그 후 이 디지털 말을 두 가지 유형의 지면 운동 기록에 노출시켰다. 하나는 캘리포니아의 유명한 역사적 지진을 기반으로 한 것이고, 다른 하나는 박물관 부지의 특정 토양 조건에 맞게 컴퓨터로 생성된 것이다. 이 운동들을 빈번하고 중간 정도의 진동과 드물지만 파괴적인 진동이라는 두 가지 강도로 테스트했다.
시뮬레이션 결과는 방향과 균형에 대한 이야기를 들려주었다. 지면이 부드럽게 흔들릴 때 말은 거의 움직이지 않았으며, 몇 밀리미터 정도 이동한 후 다시 제자리로 돌아왔다. 그러나 가상의 지면이 대규모 지진의 힘으로 흔들릴 때, 결과는 흔들림이 어느 방향에서 오느냐에 따라 완전히 달라졌다. 만약 지면이 말의 머리와 꼬리에 수직인 방향, 즉 옆으로 움직이면 말은 불안정해져서 넘어졌다. 이러한 시나리오에서 말은 격렬하게 흔들리다가 결국 쓰러졌는데, 이는 바닥면이 거칠든 매끄럽든 상관없이 시뮬레이션에서 공통적으로 나타난 현상이었다. 연구진은 말이 이 방향에 대해서는 너무 머리가 무겁고 폭이 좁아 강한 측면 충격을 견디지 못한다는 것을 발견했다.
반면, 지면이 코에서 꼬리 방향으로, 즉 말의 길이 방향을 따라 흔들릴 때 말은 넘어지지 않았다. 대신 미끄러졌다. 시뮬레이션에 따르면 말은 바닥을 따라 미끄러져 때로는 거의 0.5미터까지 이동했지만, 직립 상태는 유지했다. 지면 운동의 유형 또한 여기서 중요했다. 더 오래 지속된 컴퓨터 생성 지진은 캘리포니아의 역사적 기록보다 말을 훨씬 더 멀리 미끄러지게 했다. 말의 발과 바닥 사이의 마찰력은 미끄러지는 속도와 흔들림의 정도를 변화시켰지만, 미끄러짐 자체를 완전히 막지는 못했다. 결정적으로, 말이 미끄러지거나 넘어지는 모든 시나리오에서 점토 자체가 갈라지는 일은 발생하지 않았다. 움직임으로 인해 발생하는 내부 응력이 테라코타 재료의 파괴점에 도달하지 않았다. 위험은 말이 조각조각 부서지는 것이 아니라, 넘어지거나 바닥을 따라 끌려가는 것이었다.
연구진은 또한 말의 두께를 모델링하는 방식이 결과에 왜곡을 주었는지 확인했다. 그들은 실제 벽 두께의 20% 변동을 나타내기 위해 디지털 피부를 약간 더 얇게 혹은 약간 더 두껍게 만들어 시뮬레이션을 다시 수행했다. 결과는 동일했다. 말은 여전히 측면 방향에서는 넘어졌고, 길이 방향에서는 미끄러졌다. 이는 주요 위험이 재료가 응력에 의해 깨지는 것이 아니라, 전역적 불안정성(넘어지거나 미끄러지는 것)임을 확인시켜 주었다. 이 연구 결과는 이 고대 말들을 보호하기 위한 전략이 진동 자체로 인해 점토가 갈라지는 것을 걱정하기보다는, 옆으로 넘어지는 것을 방지하고 길게 미끄러지는 것을 막는 데 집중해야 함을 시사한다. 이 보물들을 보존하는 임무를 맡은 큐레이터와 엔지니어들에게 교훈은 명확하다. 말의 방향이 중요하며, 그 아래의 바닥은 지면이 움직일 가능성이 가장 높은 특정한 방식에 맞서 견딜 수 있도록 설계되어야 한다는 것이다.
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