지진기록의 수평성분 S파 푸리에스펙트럼을 이용한 추계학적 지진동모델(stochastic point-source ground-motion model; Boore, 2003) 파라미터 역산결과를 기반으로 지진공학적으로 활용될 수 있는 지진관측소 분류를 시도하였다. 추계학적 지진동모델에서 부지효과는 고주파감쇠상수인 $K_0$ (Anderson and Hough, 1984)와 지층의 탄성임피던스의 차이에 의해 발생하는 부지증폭함수(A(f))의 조합으로 표현된다. 본 연구에서는 A(f)를 지진파 스펙트럼의 수평/수직성분비(H/V)와, 이를 초기값으로 하여 얻어진 역산결과에 의한 관측소별 로그오차평균을 합산하여 계산하였다. 지진관측소는 $1{\sim}10$ Hz 범위의 부지증폭함수의 상용로그 최대값($logA_{1-10}^{max}$(f))에 의해 다섯 등급(A: $logA_{1-10}^{max}$(f) < 0.2, B: 0.2 $\leq$$logA_{1-10}^{max}$(f) < 0.4, C: 0.4 $\leq$$logA_{1-10}^{max}$(f) < 0.6, D: 0.6 $\leq$log < 0.8, E: 0.8 $\leq$$logA_{1-10}^{max}$(f))으로 분류하였다. 분류된 진관측소의 평균적인 부지증폭함수는 A에서 E 등급으로 변함에 따라 지반의 고유진동수가 저주파로 이동하는 의미 있는 결과를 나타내었으며, 최근에 설치장소를 이전한 기상청 일부 관측소에 대해 이설 전후의 등급변화 및 최근 발생한 중규모 지진관측자료와 지진동 거리감쇠식과의 비교분석을 통해 관측소 분류결과의 타당성을 입증할 수 있었다.
지진기록의 수평성분 S파 푸리에스펙트럼을 이용한 추계학적 지진동모델(stochastic point-source ground-motion model; Boore, 2003) 파라미터 역산결과를 기반으로 지진공학적으로 활용될 수 있는 지진관측소 분류를 시도하였다. 추계학적 지진동모델에서 부지효과는 고주파감쇠상수인 $K_0$ (Anderson and Hough, 1984)와 지층의 탄성임피던스의 차이에 의해 발생하는 부지증폭함수(A(f))의 조합으로 표현된다. 본 연구에서는 A(f)를 지진파 스펙트럼의 수평/수직성분비(H/V)와, 이를 초기값으로 하여 얻어진 역산결과에 의한 관측소별 로그오차평균을 합산하여 계산하였다. 지진관측소는 $1{\sim}10$ Hz 범위의 부지증폭함수의 상용로그 최대값($logA_{1-10}^{max}$(f))에 의해 다섯 등급(A: $logA_{1-10}^{max}$(f) < 0.2, B: 0.2 $\leq$$logA_{1-10}^{max}$(f) < 0.4, C: 0.4 $\leq$$logA_{1-10}^{max}$(f) < 0.6, D: 0.6 $\leq$ log < 0.8, E: 0.8 $\leq$$logA_{1-10}^{max}$(f))으로 분류하였다. 분류된 진관측소의 평균적인 부지증폭함수는 A에서 E 등급으로 변함에 따라 지반의 고유진동수가 저주파로 이동하는 의미 있는 결과를 나타내었으며, 최근에 설치장소를 이전한 기상청 일부 관측소에 대해 이설 전후의 등급변화 및 최근 발생한 중규모 지진관측자료와 지진동 거리감쇠식과의 비교분석을 통해 관측소 분류결과의 타당성을 입증할 수 있었다.
The site effects of seismic stations were evaluated by conducting a simultaneous inversion of the stochastic point-source ground-motion model (STGM model; Boore, 2003) parameters based on the accumulated dataset of horizontal shear-wave Fourier spectra. A model parameter $K_0$ and frequen...
The site effects of seismic stations were evaluated by conducting a simultaneous inversion of the stochastic point-source ground-motion model (STGM model; Boore, 2003) parameters based on the accumulated dataset of horizontal shear-wave Fourier spectra. A model parameter $K_0$ and frequency-dependent site amplification function A(f) were used to express the site effects. Once after a H/V ratio of the Fourier spectra was used as an initial estimate of A(f) for the inversion, the final A(f) which is considered to be the result of combined effect of the crustal amplification and loca lsite effects was calculated by averaging the log residuals at the site from the inversion and adding the mean log residual to the H/V ratio. The seismic stations were classified into five classes according to $logA_{1-10}^{max}$(f), the maximum level of the site amplification function in the range of 1 Hz < f < 10 Hz, i.e., A: $logA_{1-10}^{max}$(f) < 0.2, B: 0.2 $\leq$$logA_{1-10}^{max}$(f) < 0.4, C: 0.4 $\leq$$logA_{1-10}^{max}$(f) < 0.6, D: 0.6 $\leq$$logA_{1-10}^{max}$(f) < 0.8, E: 0.8 $\leq$$logA_{1-10}^{max}$(f). Implication of the classified result was supported by observing a shift of the dominant frequency of average A(f) for each classified stations as the class changes. Change of site classes after moving seismic stations to a better site condition was successfully described by the result of the station classification. In addition, the observed PGA (Peak Ground Acceleration)-values for two recent moderate earthquakes were well classified according to the proposed station classes.
The site effects of seismic stations were evaluated by conducting a simultaneous inversion of the stochastic point-source ground-motion model (STGM model; Boore, 2003) parameters based on the accumulated dataset of horizontal shear-wave Fourier spectra. A model parameter $K_0$ and frequency-dependent site amplification function A(f) were used to express the site effects. Once after a H/V ratio of the Fourier spectra was used as an initial estimate of A(f) for the inversion, the final A(f) which is considered to be the result of combined effect of the crustal amplification and loca lsite effects was calculated by averaging the log residuals at the site from the inversion and adding the mean log residual to the H/V ratio. The seismic stations were classified into five classes according to $logA_{1-10}^{max}$(f), the maximum level of the site amplification function in the range of 1 Hz < f < 10 Hz, i.e., A: $logA_{1-10}^{max}$(f) < 0.2, B: 0.2 $\leq$$logA_{1-10}^{max}$(f) < 0.4, C: 0.4 $\leq$$logA_{1-10}^{max}$(f) < 0.6, D: 0.6 $\leq$$logA_{1-10}^{max}$(f) < 0.8, E: 0.8 $\leq$$logA_{1-10}^{max}$(f). Implication of the classified result was supported by observing a shift of the dominant frequency of average A(f) for each classified stations as the class changes. Change of site classes after moving seismic stations to a better site condition was successfully described by the result of the station classification. In addition, the observed PGA (Peak Ground Acceleration)-values for two recent moderate earthquakes were well classified according to the proposed station classes.
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문제 정의
본 연구에서는 Fig. 6으로부터 확인되는 관측소 등급별 PGA 값에 대한 거리-감쇠 패턴의 유사성을 보다 정량적으로 분석하기 위해 분류된 관측자료에 대한 보정을 수행하였다. 국내와 같은 중·저 지진활동성 지역에서의 지진동감쇠식은 미소지진에 대한 추계학적 지진모델 특성을 반영하여 이론적으로 개발되는 경우가 많으며, 새로이 개발된 감쇠식의 공학적인 적용성을 평가하기 위해서는 지진관측자료와의 비교가 필수적이다.
현재 지진관측소 관측환경의 양호도에 대해서는 설치환경에 익숙한 소수 전문가들의 주관적인 판단에 의존하고 있는 상황이다. 본 연구에서는 향후 수행되어야 할 지반공학정보와 관측기록 간의 상관성 연구의 전단계로서 지진관측자료 만을 이용해 지진관측소 분류를 시도하였다. 특히 최근 다수의 가속도지 진관측소가 이설 혹은 확충됨에 따라 지진자료의 지진공학적 인 활용을 위해서는 지진관측소 부지증폭함수에 대한 분류 방안을 시급히 도출할 필요가 있다.
국내 지진관측소의 경우 이상의 지반분류 기준과 관련하여 참조할 수 있는 지반 공학 자료가 전무하기 때문에 Table 1에서 분류된 관측소별 부지증폭함수의 타당성을 정량적으로 평가하기는 어렵다. 이러한 상황을 고려해 본 연구에서는 다음과 같은 두 가지 정성적인 방법으로 관측소 등급 분류결과에 대한 타당성을 간접적으로 검토하였다.
제안 방법
는 각각 동·서방향 지진동의 수평성분 푸리에 스펙트럼을, V는 수직성분에 대한 푸리에스펙트럼을 나타낸다. H/V 비로부터 부지증폭함수를 도출하기 위해 먼저 모든 관측소에 대한 관측스펙트럼의 H/V 비를 계산하였다. 한편 일반적으로 계산된 H/V 비 스펙트럼 형상을 보게 되면 많은 수의 관측소에서 1 Hz 미만의 주파수에서 H/V 비가 크게 증가하고 있음을 확인할 수 있으며, Boore and Joyner(1997)가 이론적으로 제시한 부지증폭율 값인 1.
H/V 비를 계산할 수 없는 관측소에 대해서는 logAjH/V(f) 대신 국내 평균 지각모델(김성균, 1995)에 대한 이론적인 지각증폭함수를 역산시 입력자료로서 이용한 후, 역산결과로서 나타나는 잔여오차의 평균값과 합산함으로써 해당 관측소의 부지 증폭함수를 결정하였다.
를 기준으로 A, B, C, D, E 다섯 등급으로 지진관측소를 분류하였다(표 1 참조). 관측소 등급분류 결과의 타당성은 지진관측소 이설에 따른 이설 전후의 관측소 등급 변화와 중규모 지진관측자료와 기 제시된 지진동감쇠식인 UJA-KEPRI05 모델(임창복 외, 2006)의 관측소 등급별 오차분석을 통해 간접적으로 확인하였다.
4 및 Table 1은 H/V 비를 기반으로 하여 최종적으로 도출된 부지증폭함수(Aj(f))에 대한 분류결과이다. 관측소는 1 ~ 10 Hz 범위에 대한 부지증폭함수의 상용로그 최대값인 #의 크기 순서에 따라 A, B, C, D, E의 5 등급으로 분류하였다. 이와 같이 분류된 여러 관측소의 부지증폭함수에 대해서는, Fig.
본 연구에서 제안된 지진관측소 부지증폭함수의 5가지 등급 분류 기준에 따라, 국내에서 발생한 두개의 중규모 지진인 울진앞바다지진(ML=5.2, '04. 5. 29; 기상청, 2007)과 오대산지진 (ML=4.8, '07. 1. 20, 기상청, 2007)의 최대지반가속도(Peak Ground Acceleration; PGA) 관측값을 분류하여 보았다. 지진관측기록으로는 기상청, 지질자원연구원, 전력연구원, 원자력 안전기술원이 운영하고 있는 가속도지진관측망 자료를 모두 사용하였으며, 울진앞바다지진과 오대산지진에 대한 총 자료 수는 각각 101개, 82개이다.
관측소 부지증폭특성을 보정하는 방법으로는 지진자료를 통해 추정된 관측소별 부지증폭함수를 대표적인 기준 지진관측소의 부지증폭함수로 대체한 후, 이 결과를 기반으로 지진동 관측값을 보정하는 방법(연관희 외, 2005)이 제안된 바 있다. 본 연구에서는 관측소에 대한 등급을 분류한 후 등급별 보정상수를 이용하여 관측값을 개략적으로 보정하는 방법을 시도 하였다.
본 연구에서는 지진자료의 관측소별 H/V(수평/수직) 스펙트럼 비를 초기해로 이용하고, 국내 지진에 대한 추계학적 지진동모델 파라미터 역산결과로부터 얻어진 부지증폭함수의 1 ~ 10 Hz 구간 스펙트럼 크기 #를 기준으로 A, B, C, D, E 다섯 등급으로 지진관측소를 분류하였다(표 1 참조). 관측소 등급분류 결과의 타당성은 지진관측소 이설에 따른 이설 전후의 관측소 등급 변화와 중규모 지진관측자료와 기 제시된 지진동감쇠식인 UJA-KEPRI05 모델(임창복 외, 2006)의 관측소 등급별 오차분석을 통해 간접적으로 확인하였다.
대상 데이터
1의 과정을 거쳐 얻어진 스펙트럼을 부지증폭함수(AjH/V(f), j = 관측소 인덱스)로 활용하고, 1995 ~ 2005년 기간중 축적된 다수의 국내 지진관측자료를 이용하여 수정된 Levenberg-Marquardt 비선형 역산방법(Marquardt, 1963; 연관희, 2007)을 통해 추계학적 지진동모델 파라미터에 대한 동시역산을 수행하였다. 관측자료로는 한반도 인근 지역에서 발생한 297개 천부 미소지진(M ~ 3.0)에 대해, 145개 국내 지진관측소에서 기록된 10,211개 지진자료의 S파 수평성분 스펙트럼 자료가 사용되었다. 추계학적 지진동모델에서는 Brune의 1-corner ω2 지진원 모델(Aki, 1967; Brune, 1970, 1971) 및 κ0와 부지증폭함수(A(f))의 부지효과 모델이 사용된다.
20, 기상청, 2007)의 최대지반가속도(Peak Ground Acceleration; PGA) 관측값을 분류하여 보았다. 지진관측기록으로는 기상청, 지질자원연구원, 전력연구원, 원자력 안전기술원이 운영하고 있는 가속도지진관측망 자료를 모두 사용하였으며, 울진앞바다지진과 오대산지진에 대한 총 자료 수는 각각 101개, 82개이다. 관측소등급에 따른 분류 결과는 Fig.
데이터처리
Figure panels of (a) to (b) and (c) to (d) are the comparison result and error statistics for Odaesan (07/01/20) and off-shore Uljin (04/ 05/29) earthquakes, respectively. The error statistics include mean and standard deviation of the residuals between the logs of observed and predicted PGA-values by the UJA-KEPRI05 model for all the station.
7은 등급별 관측값을 보정상수를 이용하여 B등급 관측소 자료로 보정한 결과와 UJA-KEPRI05 지진동감쇠식을 비교한 결과이다. i 등급 관측소 자료의 j 등급 관측소 자료로 의 보정은 (5)식과 같이 관측소 등급별로 감쇠식의 로그값과 관측치의 로그값 차이의 평균(로그오차평균)을 이용하여 수행하였다.
역산을 수행한 후 관측소별로 계산된 로그오차 평균을 역산에 사용된 H/V 비 부지증폭함수의 로그(logAjH/V(f))에 더하여 최종적인 관측소별 부지증폭함수(Aj(f))를 도출하였다. 즉
이러한 부지증폭함수 추정을 위해, 관측 스펙트럼의 수평성분과 수직성분의 비(H/V 비)를 이용해 개략적인 부지증폭함수로 활용하였고, 최종적인 관측소별 부지증폭함수는 관측스펙트럼의 H/V 비와, 이를 초기값으로 하여 얻어진 추계학적 지진동모델 동시역산 결과에 의한 관측소별 잔차(= 관측치 − 추정치) 평균을 합산하여 얻어졌다.
이론/모형
Schematic figure to show how to derive an approximate site amplification function (solid line) for a site from the H/V ratio spectrum. Below a low frequency limit (vertical solid line), the site amplification function is considered to follow the theoretical crustal amplification function calculated for a crustal velocity model of Kim (1995) that was scaled to match the level of H/V ratio at the point of low frequency limit.
6에서 관측소등급이 A→E 측으로 갈수록 PGA 값의 크기가 커짐을 알 수 있으며, 관측소 등급별 PGA 거리-감쇠 패턴이 서로 유사함을 알 수 있다. 관측소등급별 거리-감쇠 패턴의 유사성을 용이하게 확인하기 위해 울진원전부지에 대해 개발된 지진동감쇠식인 (4)식의 UJA-KEPRI05 모델(임창복 외, 2006)을 Fig. 6에 함께 도시하였다. 울진원전 지진동감쇠식을 비교에 사용한 이유는 울진원전이 비교적 오대산지진 및 울진앞바다지진 진앙지의 인근에 위치하기 때문이다.
관측소별로 Fig. 1의 과정을 거쳐 얻어진 스펙트럼을 부지증폭함수(AjH/V(f), j = 관측소 인덱스)로 활용하고, 1995 ~ 2005년 기간중 축적된 다수의 국내 지진관측자료를 이용하여 수정된 Levenberg-Marquardt 비선형 역산방법(Marquardt, 1963; 연관희, 2007)을 통해 추계학적 지진동모델 파라미터에 대한 동시역산을 수행하였다. 관측자료로는 한반도 인근 지역에서 발생한 297개 천부 미소지진(M ~ 3.
지진원으로부터 부지에 도달하기까지의 지각 경로감쇠에 대한 전달특성은 주파수의 함수인 Q(=Q0fη) 및 기하학적 감쇠의 조합으로 모델링 된다. 기하학적 감쇠모델로는 (2)식의 이절점 기하학적 감쇠모델을 사용하였다(Boore, 2003).
이러한 측면을 고려하여 1 Hz 부근의 특정 주파수 이하에서는 국내의 평균적인 지각모델(김성균, 1995)에 대해 이론적으로 계산된 지각증폭을 부지증폭함수로 사용하고, 특정 주파수 이상에서는 관측자료의 평균적인 H/V 비를 부지증폭함수로 이용하였다.
0)에 대해, 145개 국내 지진관측소에서 기록된 10,211개 지진자료의 S파 수평성분 스펙트럼 자료가 사용되었다. 추계학적 지진동모델에서는 Brune의 1-corner ω2 지진원 모델(Aki, 1967; Brune, 1970, 1971) 및 κ0와 부지증폭함수(A(f))의 부지효과 모델이 사용된다. 지진원으로부터 부지에 도달하기까지의 지각 경로감쇠에 대한 전달특성은 주파수의 함수인 Q(=Q0fη) 및 기하학적 감쇠의 조합으로 모델링 된다.
성능/효과
7에서 관측자료를 B등급 관측소 자료로 보정한 이유는 비교된 지진동감쇠식인 UJA-KEPRI05 모델이 B등급 관측소인 울진원전 지진관측소 UJA에 대해 개발되었기 때문이다. Fig. 7에서 B 등급으로 변환된 보정자료와 UJA-KEPRI05 모델과의 자연로그오차 평균(Mean) 및 표준편차(STDln)는 오대 산지진과 울진앞바다지진에 대해 각각 Mean=0.154, 0.08, STDln=0.57, 0.44로서, 오대산지진의 관측자료 보정결과는 UJA-KEPRI05 감쇠식이 예측한 수준보다 약간 크게 나타났지만 거리-감쇠양상은 만족할 만한 수준으로 감쇠식에 의해 예측되었다. 일반적으로 확률론적 지진재해도분석(Probabilistic Seismic Hazard Analysis; Cornell, 1968)에서 사용되는 지진동 감쇠식의 로그표준편차는 0.
)이다. 본 연구에서 평가된 지진관측소별 부지증폭함수 역시 Vs30에 큰 영향을 받을 것으로 추정되나, 이 이외에도 지형효과, 분지효과, 인근 구조물 효과 등도 주요한 영향 인자일 수 있다. 국내 지진관측소의 경우 이상의 지반분류 기준과 관련하여 참조할 수 있는 지반 공학 자료가 전무하기 때문에 Table 1에서 분류된 관측소별 부지증폭함수의 타당성을 정량적으로 평가하기는 어렵다.
이상의 결과는 본 연구에서 얻어진 지진관측소 등급 분류결과를 이용하여 (5)식과 같이 간략하게 보정할 경우 Fig. 7과 같이 지진공학적으로 유용하게 활용할 수 있는 자료를 보다 많이 확보할 수 있음을 의미하며, 역으로 지진관측소 등급 분류 결과의 타당성을 입증한다.
Table 2는 이전된 지진관측소(KWA → KWJ, ULC → ULJ, SOS → SES, PUS → BUS, TAG → DAG, CHU → CHC, SOC → SKC, ICH → ITN, CHA → CEA, JOU → JEU)의 이전 전후별 지진관측소 등급분류 결과를 정리한 표로서, Table 2의 지반분류 결과에 의해 관측소의 환경개선 효과가 정량적으로 표시될 수 있음을 입증한다. 즉 A 등급 지진관측소의 수는 7개 증가하였으며 C 등급 이하의 지진관측소는 전무한 것으로 확인되었다. 이러한 결과는 역으로 Fig.
후속연구
최근 지진관측소의 공학적인 중요성이 부각되면서 지진관측 환경을 개선하고자 기존 관측소가 이설되거나 다수의 지진관 측소가 새로이 신설되고 있어, 지진관측자료 활용시 각별한 주의가 요구되고 있다. 본 연구에서 제시된 지진관측소 분류결과는 지진자료의 공학적인 활용에 참조될 수 있으며 향후 지진 기록의 스펙트럼 해석, 등진도도작성 및 가속도센서 설치기준 수립 등의 기초자료로서도 유용하게 활용될 수 있다. 아울러 향후 조사 및 실험 등을 통해 지진관측소에 대한 지반공학 특성이 알려질 경우, 지진관측소 등급과 지반공학적 지반물성과 의 상관성 연구를 통해 지진피해와 직결된 지반공학적 특성 도출이 가능해질 것으로 판단된다.
본 연구에서 제시된 지진관측소 분류결과는 지진자료의 공학적인 활용에 참조될 수 있으며 향후 지진 기록의 스펙트럼 해석, 등진도도작성 및 가속도센서 설치기준 수립 등의 기초자료로서도 유용하게 활용될 수 있다. 아울러 향후 조사 및 실험 등을 통해 지진관측소에 대한 지반공학 특성이 알려질 경우, 지진관측소 등급과 지반공학적 지반물성과 의 상관성 연구를 통해 지진피해와 직결된 지반공학적 특성 도출이 가능해질 것으로 판단된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
지반공학특성은 무엇이 있나?
등급분류 기준은 지진관측자료를 이용하여 평가된 부지증폭함수 특성 혹은 천부지반의 지반공학적 특성을 기반으로 할 수 있다 (박동희 등, 2003; 선창국 등, 2007). 지반공학특성으로는 지반 최상부 30 m의 평균 전단파속도, 표준관입시험 N 값, 비배수 전단강도, 지질암상, 기반암심도 등이 있으며, 부지증폭함수의 특성으로는 부지증폭함수의 형상 및 크기, 주요진동수, 고주파 감쇠 상수(κ0; Anderson and Hough, 1984) 등이 있다. 부지증 폭함수 평가방법은 지진특성인자 동시역산(배경잡음, 지진파의) H/V비 평가, Coda 평가, 인근 기반암과의 상대적인 크기 평가 등과 같이 다양하며, 평가방법에 따라서도 부지특성 평가 결과는 차이가 날 수 있다.
관측된 지진동의 크기를 결정짓는 개념적 요소는 무엇이 있는가?
관측된 지진동의 크기를 결정짓는 개념적 요소인 지진원, 지진파전달특성 이외의 부지효과는 주파수의 함수로 표현되는 부지증폭함수로 평가될 수 있으며, 지진재해 저감의 공학적인 목적을 위해서는 체계적으로 분류되어야 한다. 이는 동일한 지진원, 지진파전달특성을 갖는 인접 부지라 하더라도 부지효과에 의해 지진동의 크기가 큰 차이를 나타내기 때문이다.
관측자료의 분포에 비해 적지 않은 편차를 나타내는 이유는 무엇인가?
앞에서 언급한 바와 같이 기상청이 울진앞바다지진 이후 지진관측소 환경개선사업을 추진했음에도 불구하고 이와 같이 이전 관측자료의 분포에 비해 적지 않은 편차를 나타내는 이유는 다음과 같은 두가지 이유로 추정된다. 하나는, 오대산지진의 규모가 작기 때문에 지진파의 주요 에너지대역의 주파수(코너주파수)가 울진앞바다지진 보다 크고 따라서 고주파영역에 민감한 영향을 주는 관측소 부지특성이 관측된 지진동의 크기에 보다 많은 영향을 주었기 때문이다. 또 다른 이유는 도심지 등에 새로이 확충된 일부 가속도지진관측소의 제한된 설치여건으로 인해 매우 양호한 지반상태에 설치되지 않았기 때문에 부지증폭효과를 완전히 배제할 수 없었기 때문으로 판단된다.
참고문헌 (19)
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