지진계수는 지진재해도 함께 지표면에서의 설계응답스펙트럼을 생성하는데 사용된다. 지진계수는 일반적으로 결정론적인 방법으로 도출되는 반면 지진재해도는 확률론적으로 계산되어 이들은 혼용될 수 없으나, 국내외 내진설계기준에서는 이들을 명확한 근거없이 혼용하고 있다. 이와 같은 근본적인 문제점을 해결하기 위해서 본 연구에서는 기존의 지진재해분석과 암반노두에서는 동일한 결과를 재현하되 지반응답해석 기능을 추가하여 토층에서의 부지증폭현상을 고려한 확률론적인 지진계수를 도출할 수 있는 신(新) 지진재해분석 기법을 적용하였다. 신(新) 지진재해분석 기법의 또다른 장점은 지반의 불확실성과 임의성을 합리적으로 고려할 수 있다는 점이다. 본 연구에서 계산된 확률론적 지진계수는 내진설계기준(II)과 국내에서 제안된 지진계수 세트들과 비교하여 차이점을 분석하였다. 비교 결과, 내진설계기준(II)과는 현격한 차이가 있는 반면, 또다른 지진계수와는 일부 지반분류에서만 차이가 나는 것으로 나타났다.
지진계수는 지진재해도 함께 지표면에서의 설계응답스펙트럼을 생성하는데 사용된다. 지진계수는 일반적으로 결정론적인 방법으로 도출되는 반면 지진재해도는 확률론적으로 계산되어 이들은 혼용될 수 없으나, 국내외 내진설계기준에서는 이들을 명확한 근거없이 혼용하고 있다. 이와 같은 근본적인 문제점을 해결하기 위해서 본 연구에서는 기존의 지진재해분석과 암반노두에서는 동일한 결과를 재현하되 지반응답해석 기능을 추가하여 토층에서의 부지증폭현상을 고려한 확률론적인 지진계수를 도출할 수 있는 신(新) 지진재해분석 기법을 적용하였다. 신(新) 지진재해분석 기법의 또다른 장점은 지반의 불확실성과 임의성을 합리적으로 고려할 수 있다는 점이다. 본 연구에서 계산된 확률론적 지진계수는 내진설계기준(II)과 국내에서 제안된 지진계수 세트들과 비교하여 차이점을 분석하였다. 비교 결과, 내진설계기준(II)과는 현격한 차이가 있는 반면, 또다른 지진계수와는 일부 지반분류에서만 차이가 나는 것으로 나타났다.
The seismic site coefficients are often used with the seismic hazard maps to develop the design response spectrum at the surface. The site coefficients are most commonly developed deterministically, while the seismic hazarde maps are derived probabilistically. There is, hence, an inherent incompatib...
The seismic site coefficients are often used with the seismic hazard maps to develop the design response spectrum at the surface. The site coefficients are most commonly developed deterministically, while the seismic hazarde maps are derived probabilistically. There is, hence, an inherent incompatibility between the two approaches. However, they are used together in the seismic design codes without a clear rational basis. To resolve the fundamental imcompatibility between the site coefficients and hazard maps, this study uses a novel probabilistic seismic hazard analysis (PSHA) technique that simulates the results of a standard PSHA at a rock outcrop, but integrates the site response analysis function to capture the site amplification effects within the PSHA platform. Another important advantage of the method is its ability to model the uncertainty, variability, and randomness of the soil properties. The new PSHA was used to develop fully probabilistic site coefficients for site classes of the seismic design code and another sets of site classes proposed in Korea. Comparisons highlight the pronounced discrepancy between the site coefficients of the seismic design code and the proposed coefficients, while another set of site coefficients show differences only at selected site classes.
The seismic site coefficients are often used with the seismic hazard maps to develop the design response spectrum at the surface. The site coefficients are most commonly developed deterministically, while the seismic hazarde maps are derived probabilistically. There is, hence, an inherent incompatibility between the two approaches. However, they are used together in the seismic design codes without a clear rational basis. To resolve the fundamental imcompatibility between the site coefficients and hazard maps, this study uses a novel probabilistic seismic hazard analysis (PSHA) technique that simulates the results of a standard PSHA at a rock outcrop, but integrates the site response analysis function to capture the site amplification effects within the PSHA platform. Another important advantage of the method is its ability to model the uncertainty, variability, and randomness of the soil properties. The new PSHA was used to develop fully probabilistic site coefficients for site classes of the seismic design code and another sets of site classes proposed in Korea. Comparisons highlight the pronounced discrepancy between the site coefficients of the seismic design code and the proposed coefficients, while another set of site coefficients show differences only at selected site classes.
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문제 정의
본 연구에서는 SC, SD, 그리고 SE 지반에 대한 UHRS 으로부터 새롭게 재현주기 500년 지진에 대한 확률론적인 지진계수를 계산하였다. 대상 부지는 PGA가 0.
전절에서 설명하였다시피, 新 PSHA은 암반노두에서 생성된 지진기록들을 입력지진파로 사용하여 특정 부지에 대한 지반응답해석을 수행할 수 있으며, 계산된 해석결과로부터 토층의 UHRS와 확률론적인 지진계수를 도출할 수 있다. 본 연구에서는 내진설계 기준(II)와 Kim 등(2008)의 지진계수와 新 PSHA로 계산된 지진계수를 비교하였다.
대표 지층과 동적곡선을 적용하였을 경우, 이를 적절히 고려하지 못하므로 엄격한 의미의 확률론적인 지진계수라고 볼 수 없다. 본 연구에서는 지반의 불확실성과 임의성을 고려하기 위하여 지층 주상도와 동적곡선에 대한 데이터베이스를 구축하였으며 해석시 임의로 이들을 선정하도록 해석기법을 프로그래밍하였다.
본 연구에서는 지진재해도와 호환되는 확률론적인 지진계수를 유도하였다. 이를 위해서 기존의 확률론적인 지진재해분석(PSHA)과 근본적으로는 동일하지만, 지진재해를 유한기간 내에 가상의 지진시나리오를 발생시키며 이에 상응하는 인공지진기록으로 나타내는 新 PSHA 기법을 적용하였으며 생성된 모든 지진기록에 대한 지반응답해석을 수행하여 확률론적인 지진계수를 계산하였다.
본 연구에서는 新 PSHA을 한반도에 적용하여 지진 재해도를 생성하였다. 본 연구의 궁극적인 목적은 내진 설계기준연구(II)(건설교통부, 1997) 맞춤형 지진계수를 도출하는 것이므로 지진계수의 기반이 되는 지진재해도를 내진설계기준(II)과 일치시켜야 한다. 이를 위해서는 내진설계기준연구(II)의 지진재해도와 동일한 지진 활동도(G-R의 상수)와 감쇠공식을 적용해야 한다.
가설 설정
은 각각 토층과 암반 기록지점과 지진원과의 이격거리이다. 본 논문에서 Rsoil / Rrock 은 1로 가정하였다. 1997 NEHRP(FEMA, 1997)의 근간이 된 Dobry 등(1994)과 Dobry 등(1999)에서 Fa 은 RRS의 평균값, 그리고 Fv는 RRS의 +1σ를 취했다고 설명하였다.
제안 방법
나아가, 지반 물성치의 불확실성과 임의성을 과학적으로 고려하기 위하여 98개의 지반주상도와 15 개의 동적곡선을 적용하였다. 新 PSHA 기법을 적용하여 등재해스펙트럼(UHRS)을 생성하였으며 이를 기반으로 확률론적인 지진계수를 유도하여 기존의 결정론 적으로 유도된 지진계수와 비교하였다. 먼저, 내진설계 기준(II)와 본 연구결과를 비교한 결과, 내진설계기준(II) 은 SC , SD 지반은 각각 크게 예측한 반면, SE 지반에서는 과도하게 작게 예측하는 것으로 나타났다.
이를 위해서 기존의 확률론적인 지진재해분석(PSHA)과 근본적으로는 동일하지만, 지진재해를 유한기간 내에 가상의 지진시나리오를 발생시키며 이에 상응하는 인공지진기록으로 나타내는 新 PSHA 기법을 적용하였으며 생성된 모든 지진기록에 대한 지반응답해석을 수행하여 확률론적인 지진계수를 계산하였다. 나아가, 지반 물성치의 불확실성과 임의성을 과학적으로 고려하기 위하여 98개의 지반주상도와 15 개의 동적곡선을 적용하였다. 新 PSHA 기법을 적용하여 등재해스펙트럼(UHRS)을 생성하였으며 이를 기반으로 확률론적인 지진계수를 유도하여 기존의 결정론 적으로 유도된 지진계수와 비교하였다.
내진설계기준(II) 은 재현주기 500년 지진에 대해서 지반분류별 Ca – Cv 를 제시하였으며 이외의 재현주기에서는 위험도지수를 곱하여 계산하도록 제안하였다.
내진설계기준(II)는 토층 상부 30m의 평균 전단파속도(Vs), SPT N치, 비배수전단강도, 그리고 지반의 특성을 고려해서 지반을 6개로 분류하였으며 지반분류별 지진계수(Ca와 Cv)를 제안하였다. Ca와 Cv는 각각 PGA와 1초 스펙트럴 가속도를 의미한다.
대상 부지는 PGA가 0.11g인 위치(36.15°, 128.95°)를 선정하여 이 부지 반경 300km 내에 생성된 지진 시나리오에 대한 지진기록을 입력지 진파로 적용하여 지반응답해석을 수행하였다.
본 연구에서는 PSHA와 지반응답해석을 융합한 新 PSHA 기법을 적용하여 내진설계기준(II) 맞춤형 확률론적인 지진계수를 도출하였다. 지반의 불확실성과 임의성은 구축된 국내외 지반조사자료 데이터베이스로써 모델링되었다.
본 연구에서는 新 PSHA을 한반도에 적용하여 지진 재해도를 생성하였다. 본 연구의 궁극적인 목적은 내진 설계기준연구(II)(건설교통부, 1997) 맞춤형 지진계수를 도출하는 것이므로 지진계수의 기반이 되는 지진재해도를 내진설계기준(II)과 일치시켜야 한다.
지반의 불확실성과 임의성은 구축된 국내외 지반조사자료 데이터베이스로써 모델링되었다. 새롭게 유도된 지진계수는 결정론적으로 생성된 내진설계기준(II)와 또다른 지진계수 세트와 비교하여 이들 간의 차이점을 분석하였다.
본 연구에서는 지진재해도와 호환되는 확률론적인 지진계수를 유도하였다. 이를 위해서 기존의 확률론적인 지진재해분석(PSHA)과 근본적으로는 동일하지만, 지진재해를 유한기간 내에 가상의 지진시나리오를 발생시키며 이에 상응하는 인공지진기록으로 나타내는 新 PSHA 기법을 적용하였으며 생성된 모든 지진기록에 대한 지반응답해석을 수행하여 확률론적인 지진계수를 계산하였다. 나아가, 지반 물성치의 불확실성과 임의성을 과학적으로 고려하기 위하여 98개의 지반주상도와 15 개의 동적곡선을 적용하였다.
303×b) 이다. 이와 같이 충분한 수의 t 기간 시뮬레이션을 수행하여 모든 격자에서 충분한 수의 지진원을 생성한다.
SC, SD, 그리고 SE 지반에는 각각 52, 36, 그리고 10개의 주상도가 사용되었다. 지반 동적곡선은 점토, 모래, 자갈, 암반으로 각각 분류하여 표 2와 그림 6과 같은총 15개의 동적곡선이 적용되었으며 지층구성도를 바탕으로 상응하는 동적곡선이 적용되었다.
Kim 등(2008)은 내진설계기준(II)의 지반분류 방법의 문제점을 인식하여 국내 지반 환경에 보다 적합한 새로운 분류 기준을 제안하였으며 이는 표 4에 정리하였다. 지반분류 기준은 기반암 심도와 평균 전단파속도 2가지를 적용하였으며 총 7가지로 분류하였다. 지반분류별 Fa와 Fv는 NEHRP (FEMA, 1997)과 동일하게 주기범위 0.
지반분류별 Fa와 Fv는 NEHRP (FEMA, 1997)과 동일하게 주기범위 0.2 – 0.5s와 0.4 – 2.0을 적용하였으며 각각 RRS 평균값과 +1σ을 적용하였다.
대상 데이터
각각의 주상도에는 상응하는 지층구성도 자료가 확보되었다. SC, SD, 그리고 SE 지반에는 각각 52, 36, 그리고 10개의 주상도가 사용되었다. 지반 동적곡선은 점토, 모래, 자갈, 암반으로 각각 분류하여 표 2와 그림 6과 같은총 15개의 동적곡선이 적용되었으며 지층구성도를 바탕으로 상응하는 동적곡선이 적용되었다.
본 연구에서는 곽동엽 등(2009)의 방법에 의거하여 내진설계기준연구(II)(건설교통부, 1997) 맞춤형 G-R 상수를 추정하였으며, 감쇠공식은 내진설계기준연구(II)(건설교통부, 1997) 에서 사용된 공식 3개 중에서 가장 적용비율이 높았던 공식 1을 사용하였다. 新 PSHA의 경우, 정확한 해석을 위하여 10년-기간 시뮬레이션을 4,000번 수행하여 40,000년 기간에 상응하는 16,378개의 가상 지진원을 생성하였다(그림 2).
95°)를 선정하여 이 부지 반경 300km 내에 생성된 지진 시나리오에 대한 지진기록을 입력지 진파로 적용하여 지반응답해석을 수행하였다. 해석에 적용된 지진파는 총 851개 였다. 즉, 하나의 UHRS를 생성하는데 필요한 지반응답해석 횟수는 851회이며 1차원 등가선형해석을 수행하였다.
데이터처리
해석에 적용된 지진파는 총 851개 였다. 즉, 하나의 UHRS를 생성하는데 필요한 지반응답해석 횟수는 851회이며 1차원 등가선형해석을 수행하였다.
이론/모형
SMSIM의 지진환경 변수는 Noh와 Lee(1994)가 국내 계측지진기록을 기반으로 제안한 값들을 적용하여 인공지진파를 생성하였다. SMSIM으로 인공지진기록의 PGA는 감쇠공식에 상응하도록 조절하였다.
新 PSHA는 나아가 Kim 등(2008)이 제안한 새로운 지반분류에 대한 지진계수를 도출하는데 사용되었다. Kim 등(2008)은 내진설계기준(II)의 지반분류 방법의 문제점을 인식하여 국내 지반 환경에 보다 적합한 새로운 분류 기준을 제안하였으며 이는 표 4에 정리하였다.
지진재해 도에 상응하는 a – b를 산정하기 위한 역예측 과정은 곽동엽 등(2009)에 자세하게 설명하였다. 본 연구에서는 곽동엽 등(2009)의 방법에 의거하여 내진설계기준연구(II)(건설교통부, 1997) 맞춤형 G-R 상수를 추정하였으며, 감쇠공식은 내진설계기준연구(II)(건설교통부, 1997) 에서 사용된 공식 3개 중에서 가장 적용비율이 높았던 공식 1을 사용하였다. 新 PSHA의 경우, 정확한 해석을 위하여 10년-기간 시뮬레이션을 4,000번 수행하여 40,000년 기간에 상응하는 16,378개의 가상 지진원을 생성하였다(그림 2).
성능/효과
또한, UHRS의 강성이 DS보다 현저하게 커서 전체적으로 낮은 주기로 이동한 것을 확인할 수 있다. SD 지반은 UHRS가 DS에 비하여 크기는 하나, SC 지반과 같이 현격한 차이가 나지 않는 것으로 나타났다. 마지막으로, SD 지반은 UHRS에 비하여 DS가 오히려 큰 것으로 나타났다.
가장 UHRS와 일치성이 높은 주기 범위를 찾기 위하여 다양한 범위들을 시험한 결과, Fa는 0 – 0.3s, Fv는 0.3 – 0.6s가 가장 적절한 것으로 나타났다.
SC 지반에서는 UHRS 가 DS에 비하여 월등하게 큰 것으로 나타났다. 또한, UHRS의 강성이 DS보다 현저하게 커서 전체적으로 낮은 주기로 이동한 것을 확인할 수 있다. SD 지반은 UHRS가 DS에 비하여 크기는 하나, SC 지반과 같이 현격한 차이가 나지 않는 것으로 나타났다.
SD 지반은 UHRS가 DS에 비하여 크기는 하나, SC 지반과 같이 현격한 차이가 나지 않는 것으로 나타났다. 마지막으로, SD 지반은 UHRS에 비하여 DS가 오히려 큰 것으로 나타났다. 전체적으로 SC, SD, SE의 UHRS와 DS는 상당한 차이를 보이며 DS의 T0 와 Ts는 UHRS에 비하여 큰 것으로 나타났다.
新 PSHA 기법을 적용하여 등재해스펙트럼(UHRS)을 생성하였으며 이를 기반으로 확률론적인 지진계수를 유도하여 기존의 결정론 적으로 유도된 지진계수와 비교하였다. 먼저, 내진설계 기준(II)와 본 연구결과를 비교한 결과, 내진설계기준(II) 은 SC , SD 지반은 각각 크게 예측한 반면, SE 지반에서는 과도하게 작게 예측하는 것으로 나타났다. 내진설계기준(II)은 특히 SC 지반의 응답을 매우 크게 과소예측하는 것으로 나타났다.
본 연구에서는 내진설계기준(II)의 지진계수를 대체 하는 새로운 지진계수를 개발하되 결과는 1997 NEHRP (FEMA, 1997)과 동일하게 Fa와 Fv로 나타내었다. 전술하였다시피 NEHRP(FEMA, 1997)은 각각 주기 범위 0.
新 PSHA 기법은 나아가 국내에서 새롭게 도출된 지진분류기준과 이에 상응하는 지진계수와도 비교되었다. 비교결과, 본 연구결과와 새롭게 도출된 계수와는 한 가지 지반을 제외하고는 차이가 내진설계기준(II)에 비하여 작은 것으로 나타났다.
새롭게 정의한 주기 범위(New interval)를 적용하여 계산된 Fa와 Fv를 적용한 DS도 그림 9에 비교하였으며 도출된 Fa와 Fv 값은 표 3에 정리하였다. 비교결과, 새롭게 지진계수의 주기범위를 적용하였을 경우, UHRS 맞춤형 DS를 생성할 수 있는 것으로 나타났다.
新 PSHA의 가장 큰 장점은 부지효과를 정량화할 수 있다는 점이다. 전절에서 설명하였다시피, 新 PSHA은 암반노두에서 생성된 지진기록들을 입력지진파로 사용하여 특정 부지에 대한 지반응답해석을 수행할 수 있으며, 계산된 해석결과로부터 토층의 UHRS와 확률론적인 지진계수를 도출할 수 있다. 본 연구에서는 내진설계 기준(II)와 Kim 등(2008)의 지진계수와 新 PSHA로 계산된 지진계수를 비교하였다.
마지막으로, SD 지반은 UHRS에 비하여 DS가 오히려 큰 것으로 나타났다. 전체적으로 SC, SD, SE의 UHRS와 DS는 상당한 차이를 보이며 DS의 T0 와 Ts는 UHRS에 비하여 큰 것으로 나타났다. 위와 같이 내진설계기준(II)의 지진계수는 국내 지반 특성에는 적합하지 않은 것으로 나타났다.
후속연구
Kim 등(2008)의 지진계수는 결정론적인 방법으로 유도되었으며, Fa와 Fv에 각각 RRS의 평균값과 +1σ을 사용하였으며, 다른 주상도, 동적곡선, 입력지진파를 적용 하였음에도 불구하고 본 연구와 결과가 비교적 유사하게 나온 것은 매우 흥미롭다. 본 연구결과만으로 결과가 유사하게 계산된 이유를 규명하기는 어려우며 추후 이 에 대한 이유를 분석할 필요가 있을 것으로 판단된다.
내진설계기준(II)은 특히 SC 지반의 응답을 매우 크게 과소예측하는 것으로 나타났다. 추후 지반분류별 지진계수는 반드시 수정･보완이 필요할 것으로 판단된다. 新 PSHA 기법은 나아가 국내에서 새롭게 도출된 지진분류기준과 이에 상응하는 지진계수와도 비교되었다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
지진계수는 무엇에 사용되는가?
지진계수는 지진재해도 함께 지표면에서의 설계응답스펙트럼을 생성하는데 사용된다. 지진계수는 일반적으로 결정론적인 방법으로 도출되는 반면 지진재해도는 확률론적으로 계산되어 이들은 혼용될 수 없으나, 국내외 내진설계기준에서는 이들을 명확한 근거없이 혼용하고 있다.
지진계수는 어떠한 문제점이 있는가?
지진계수는 지진재해도 함께 지표면에서의 설계응답스펙트럼을 생성하는데 사용된다. 지진계수는 일반적으로 결정론적인 방법으로 도출되는 반면 지진재해도는 확률론적으로 계산되어 이들은 혼용될 수 없으나, 국내외 내진설계기준에서는 이들을 명확한 근거없이 혼용하고 있다. 이와 같은 근본적인 문제점을 해결하기 위해서 본 연구에서는 기존의 지진재해분석과 암반노두에서는 동일한 결과를 재현하되 지반응답해석 기능을 추가하여 토층에서의 부지증폭현상을 고려한 확률론적인 지진계수를 도출할 수 있는 신(新) 지진재해분석 기법을 적용하였다.
확률론적인 지진재해분석의 결과물은 무엇에 대한 설계지반운동변수인가?
PSHA 는 지진원, 전파경로, 부지효과 등의 불확실성을 고려할수 있으며 특정 기간내에 특정 크기를 초과하는 지진동이 부지에 발생할 확률을 예측한다. PSHA의 결과물은 특정 지진위험도(지진의 재현주기 또는 연간초과확률) 에 대한 설계지반운동변수이며 결과는 지진재해도로 나타낸다. 일반적으로 PSHA는 부지효과를 포함하지 않으며 암반노두에서의 설계지반운동변수만을 계산한다.
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