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문제 정의
- 국내 대표적 대도시이자 수도인 서울 지역에 대한 지반지진공학적 지진재해 예측 그리고 내진 활용 및 지진 대응을 위한 공간 정보 제공 목적으로, GIS 기법 토대의 지반 정보 시스템을 구축하고 부지고유 지진 응답 특성 지표인 부지 주기에 관한 공간 구역화를 수행하여, 다음과 같은 결론을 도출하였다.
- 그럼에도 불구하고, 최근 국내에서는 세계 선도적 국내 정보기술을 적극적으로 복합 활용하여 시범적 성격의 도시 일부 영역에 대한 지진재해 예측 정보를 공간 구역화(spatial zonation)의 삼차원 가시화로 구현하기도 하였다(선창국 등, 2007a; 선창국, 2009). 본 연구에서는 지반공학 및 지진공학 관점의 국내외 GIS 적용 및 부지 효과 평가 기법들에 대한 체계적 고찰을 수행하고(AnastasiaDis et al., 2001; Codermatz et al., 2003; Sun, 2004; Kolat et al., 2006; 선창국과 정충기, 2006; Sun et al., 2008; 선창국, 2009), 최신 기법들을 토대로 광범위한 대도시 영역 전체에 대한 효율적이고 합리적인 지진재해 구역화의 모범 절차 방안을 수립하고자 하였다. 이러한 지향적 목적을 달성하기 위하여, 지진 발생 시 다른 대도시들에 비해 상대적으로 피해가 크게 발생할 가능성이 높은 서울을 지진재해 구역화(seismic zonation) 대상으로 선정하고, 행정 구역 상 서울 전체를 포괄하는 영역에 대해 여러 지반공학 및 지진공학 특성 변수에 관한 신뢰성 높은 공간 구역화 정보를 제시하였다.
- ) 분포를 파악하고 수치적 접근으로서의 부지 응답 해석을 수행하여 지역 고유 지반 특성을 고려한 부지 분류 조건별 부지 증폭 계수들을 제시하였다. 본 연구에서는 지역적 지질과 지반 특성이 다른 미국 서부의 부지 분류 체계 및 부지 증폭 계수에 기반한 현행 국내 내진 설계 기준의 체계 및 계수 대신에(선창국 등, 2005b; Sun et al., 2005), 국내 지반 특성을 합리적으로 반영하기 위한 목적으로 Sun(2004)에 의해 제시된 부지 효과 정량화 기법으로서의 부지 분류 체계 및 부지 증폭 계수를 도입 적용하였다. 현행 국내 부지 분류 기준으로 우선 고려되고 있는 지표면부터 30m 심도까지의 평균 전단파속도(mean VS to a depth of 30m, VS30)는 국내에 비해 상대적으로 기반암 심도(depth to bedrock, H)가 깊은 미국 서부 지역의 100ft까지의 경험적 분류 기준으로서(선창국 등, 2005b; 선창국 등, 2007b), 현실적으로는 부지고유 지진 응답 특성이 흙의 동적특성 뿐만 아니라 기반암 심도에 매우 밀접한 관계가 있음에도 불구하고 이를 정량적으로 고려하지 못하는 분류 기준이 될 수 있다.
- 37 정도로 예측되었다. 뿐만 아니라, 지진 신속 대응을 위한 활용 기저 정보로서의 서울시 행정 동 단위별 평균적 부지 분류에 관한 공간 구역화 정보도 제시하였다. 본 연구의 대도시 서울에 대한 부지 주기의 지진재해 구역화와 그에 따른 다각적 부지 분류의 구역화 기법은 국내 주요 대도시 지역에서의 지진재해 예측과 예비적 내진 활용이나 지진 대응을 위한 정보 제공 목적의 차별적 지진재해 구역화 적용으로 확대될 수 있을 것으로 보인다.
- 따라서 부지 주기를 이용한 부지고유 지진 응답 예측 기법은 부지 응답 해석과 같은 수치적 기법 없이 구조물의 지진 취약도를 포함한 지역적 지진재해의 예측과 더불어 부지별 설계 지반 운동 결정을 통한 내진 설계 및 내진 성능 평가에도 직접 활용될 수 있다(선창국, 2009). 이러한 개념적 적용 가능성을 고려하여, 본 연구에서는 대도시 서울의 행정 영역 전체를 포괄하는 연구 영역에 대해 지역적 지진재해 예측과 내진 활용을 목적으로 공간 GIS 프레임 기반으로 구축된 지반 정보를 토대로 부지 주기에 대한 구역화를 수행하였다.
- 즉, 그림 8과 같은 연속적인 분포 양상의 부지 분류 정보가 관심 영역 내 임의의 위치에서의 내진 설계 및 내진 성능 평가와 같은 개방적 활용성이 우수할 수는 있지만, 지진 시 신속한 의사 결정 및 즉각 이행과 같은 대응적 유용성은 확보할 수는 없다. 이와 같은 적용 한계를 보완하기 위하여 본 연구에서는 지역적 지진 신속대응을 위한 실질적 정보 제공 및 적용성 확보를 목적으로 대상 연구 영역 내의 서울 행정 구역을 대상으로 행정 단위(동)별로 공간 평면상에서 각 해당 영역 폴리곤(polygon)에 대해 부지 주기의 평균 값을 연산하였다.
제안 방법
- 1. 대도시 서울과 그 인근에 대해 총 10,783개의 기존 시추 지반 조사 자료들과 921개의 기반암 노두 지표면 분포 자료들을 수집 종합하여 지반-지식 DB를 구축하고, 이 DB를 기지 자료로 삼차원 GIS 프레임 내에서 지구통계학적 크리깅 기법의 적용을 통해 연구 영역에 대한 공간지층 정보를 보간 예측함으로써 공간 지반 정보 시스템을 구축하였다. 삼차원 지층 분포 정보로부터 서울 연구 영역의 지형 특성과 관련된 남북 방향의 지표 및 지하 분지 형상에 따른 토사 두께 변화를 확인하였다.
- 3. 국내 내륙 지역의 부지 효과 평가 및 정량화에 관한 기존 연구 결과들을 고찰하여 부지 증폭 계수 결정이 가능한 부지 주기 기반의 부지 분류 체계를 도입 적용하였으며, GIS 기법 프레임 내에서 서울 지역 전체에 걸쳐 임의 부지에서의 부지 분류에 따른 증폭 계수 결정이 가능한 공간 구역화 정보를 추가적으로 제공하였다. 대상 영역 내의 주거와 산업 시설이 밀집한 평지 및 구릉지에서 대부분 부지 분류 C 및 D로 구분되었으며, 단주기 지반 증폭계수는 최대 2.
- 특히, Sun(2004)은 다양한 부지 조건에 대해 현장 부지 조사를 통한 지층 구성 및 VS 분포를 파악하고 실내에서는 지반의 비선형 특성을 획득하여 여러 조건의 지진파 주파수 성분을 고려한 부지고유 지진 응답 해석을 수행하였다. 그 결과, 현행 국내 설계 기준의 부지 증폭 계수와 매우 다른 경향의 부지 증폭 특성을 확인하고 표 1의 부지 분류 체계 내에 국내 지역에 대한 합리적 증폭 계수로서 해석 결과를 정량적으로 분석 반영하여 제안하였다. 본 연구에서는 대도시 서울의 광역적 대상 영역을 대상으로 부지 효과를 고려한 실질적 내진 활용 정보의 제공 과정에서의 전문가적 기법으로 Sun(2004)의 부지 분류 체계를 도입 적용하였다.
- 확장 영역을 대상으로 보간된 지층 정보로부터 그보다 작은 영역인 연구 영역의 지층 정보를 추출하여 연구 영역을 대상으로 공간 확장 예측된 지층 정보의 신뢰성을 향상 시킬 수 있다. 그림 4는 보간 예측된 확장 영역 전체의 공간 지층 정보로부터 서울의 연구 영역 정보를 추출하는 과정을 개념적으로 가시화한 지반 정보 시스템 구축 결과로서, 연구 영역 공간 지층 정보의 지표면에는 지리적 영역 경계와 도시 특성 파악을 위한 목적으로 지표상 배치 요소들 중 하천, 도로, 건물 및 등고선을 중첩 제시하였다. 그림 4에서 확인할 수 있는 바와 같이, 서울 지역은 남쪽과 북쪽의 산지 사이를 동서로 관통하는 한강과 지류 하천의 주변 평지를 중심으로 도시가 발달한 국내 내륙의 일반적인 도시 발달 상황을 반영하고 있으며(Sun et al.
- 대상 대도시인 서울의 확장 영역에 대해 구축된 지반-지식 DB의 지층 자료를 토대로 확장 영역 전체의 공간 지층 정보를 보간 예측하여 연구 영역의 종합적 지반 정보 구현을 위한 기초적 정보 시스템을 구축하였다. 서울 지역에 대한 공간 지층 정보는 이미 분류된 5종류 지층으로 구분하여 보간 예측하였다.
- 본 연구에서는 지반 정보 시스템 구축을 통한 기반암 상부 4개 지층(매립토, 퇴적토, 풍화잔류토, 풍화암)에 대한 두께 정보를 부지 주기 산정의 기저 자료로 활용하였다. 더불어 공간 분포 VS 정보도 필요하게 되는데, 대상 지역 내에서는 현장 탄성파 시험 수행을 통한 VS 분포 자료가 충분히 확보되지 못함에 따라 현재 상태의 가용 정보 활용 방안으로서 국내 내륙 지역의 기존 VS 획득 결과를 고찰하여 활용하기로 하였다. 국내 내륙 지역의 다양한 부지들을 대상으로 Sun(2004)은 다양한 현장 탄성파 시험을 수행하여 퇴적토, 풍화잔류토 및 풍화암의 지층별 VS를 기반암의 VS(1,000m/s)와 함께 제시하고 유한요소 모델링의 지진 응답 해석을 실시한 바 있다(Sun and Chung, 2008).
- 삼차원 지층 분포 정보로부터 서울 연구 영역의 지형 특성과 관련된 남북 방향의 지표 및 지하 분지 형상에 따른 토사 두께 변화를 확인하였다. 또한, 실무적 활용 목적의 지층 두께 정보 및 기반암 심도에 관한 지표면 투영의 삼차원 공간 분포 정보를 구축 제시하였다.
- 대상 서울 지역의 확장 영역에 대해 본 연구에서는 서울시지반정보시스템(서울시, 2008), 건설관련 설계 또는 시공 업체, 지반조사 업체 등을 통해 기존 시추 조사 자료를 수집하고(서울대학교, 2002), 중복 및 오류 자료를 정리하였다. 또한, 정리된 시추 조사 자료의 분포 양상을 파악하여 자료가 없거나 부족한 지역들에 대해 지반-지식 개념의 기반암 노두 자료의 추가 확보를 위한 현장 지표 조사를 실시하였다. 이런 과정을 통해 수집 분석 및 확보한 자료는 관리 활용을 위해 지반-지식 데이터베이스(database, DB)로 구축하였으며, 총 10,783개의 기존 시추 조사 자료와 921개의 지표 분포의 기반암 노두 자료를 확보하였다.
- 대상 영역 내 임의 위치에서의 지층 두께와 각 지층별 VS 자료를 입력 변수로 하여 식 (1)에 따라 GIS 프레임 내에서 서울 지역에 대한 부지 주기를 연산하고 이의 정량적 분포 수준에 따른 공간 분포를 가시적으로 제시하게 된다. 본 연구 대상인 대도시 서울지역에 대한 부지 주기의 연산 결과를 공간 GIS 기법 내에서 그림 7과 같이 가시적으로 표출하여 지진재해에 관한 공간 구역화를 수행하였으며, 상대적 공간 위치 확인을 위해 지표상 배치의 수계 및 건물 레이어들도 중첩 제시하였다.
- , 1996; 천성호 등, 2005), 광범위한 영역에 대한 지반 지층의 공간 정보화 시스템의 신뢰성을 증대시켜 구축 가능케 한다(천성호 등, 2005; 선창국과 정충기, 2006). 본 연구에서는 그림 1에 제시한 지반 정보 시스템 전체 구성과 같이 일반적인 삼차원 GIS 구성과 연계하여 부지고유 지진 응답 예측 관련 지반지진공학적 자료 생성을 위한 전문가적 연산 목적의 지반 분석(geotechnical analysis) 요소를 추가 구성하였다. 지층 두께 연산 및 이를 통한 기반암 심도 연산을 수행하며, 연산된 지층별 두께와 지반 동적 특성인 VS를 종합 활용하여 부지 주기(TG)를 산정한다.
- 지반 구성 재료인 지층은 학문적 활용 분야나 전문가적 관점에 따라 분류 방법이나 기준이 매우 다양하다(선창국과 정충기, 2006). 본 연구에서는 지반 및 지진공학적 견지의 실무적 보편성을 반영하여 기존 시추 지반 조사 자료의지층을 매립토(fill), 퇴적토(alluvial soil 또는 deposited soil), 풍화잔류토(weathered residual soil), 풍화암(weathered rock), 그리고 기반암(bedrock)의 총 5종류로 구분하였다(Sun, 2004).
- 대도시 서울과 그 인근에 대해 총 10,783개의 기존 시추 지반 조사 자료들과 921개의 기반암 노두 지표면 분포 자료들을 수집 종합하여 지반-지식 DB를 구축하고, 이 DB를 기지 자료로 삼차원 GIS 프레임 내에서 지구통계학적 크리깅 기법의 적용을 통해 연구 영역에 대한 공간지층 정보를 보간 예측함으로써 공간 지반 정보 시스템을 구축하였다. 삼차원 지층 분포 정보로부터 서울 연구 영역의 지형 특성과 관련된 남북 방향의 지표 및 지하 분지 형상에 따른 토사 두께 변화를 확인하였다. 또한, 실무적 활용 목적의 지층 두께 정보 및 기반암 심도에 관한 지표면 투영의 삼차원 공간 분포 정보를 구축 제시하였다.
- 대상 대도시인 서울의 확장 영역에 대해 구축된 지반-지식 DB의 지층 자료를 토대로 확장 영역 전체의 공간 지층 정보를 보간 예측하여 연구 영역의 종합적 지반 정보 구현을 위한 기초적 정보 시스템을 구축하였다. 서울 지역에 대한 공간 지층 정보는 이미 분류된 5종류 지층으로 구분하여 보간 예측하였다. 확장 영역을 대상으로 보간된 지층 정보로부터 그보다 작은 영역인 연구 영역의 지층 정보를 추출하여 연구 영역을 대상으로 공간 확장 예측된 지층 정보의 신뢰성을 향상 시킬 수 있다.
- , 2008). 이러한 개념들을 각각 지반-지식(geo-knowledge) 및 확장 영역(extended area)이라고 정의하며(선창국과 정충기, 2006), 본 연구 과정에서 광역적 대상 영역의 공간 지층 정보의 예측을 위해 공간 GIS 프레임 내에서 적용하였다. 확장 영역은 대상 연구 영역(study area)를 평면 상에서 포함하는 영역으로서, 지반-지식 개념에 근거한 지표면 부근 지층 자료의 추가 획득 목적의 현장 부지 지표 조사(site visit)는 확장 영역에 걸쳐 주로 산지나 자료 부족 지역들을 대상으로 수행된다(Sun et al.
- 서울 대도시 지역에 대한 지반 정보 시스템의 대표적 결과인 삼차원 공간 지층 정보는 GIS 환경 내에서는 가상적 현실성(virtual reality) 및 가시성이 뛰어날 수 있으나 현업이나 실무의 활용성에 있어서는 제한적일 수 있다. 이러한 실무적 접근성의 단점을 보완하고 공간적 가시성도 손상시키지 않기 위하여 삼차원 공간 지반 지층 정보를 재가공하여 지층의 두께 및 심도에 관한 특성 정보를 지표면 투영의 가시적 구역화(zonation) 지도로 GIS의 일반적 기능 적용을 통해 구현하였다. 본 연구에서의 대상 정보는 각 지층의 두께, 인접 지층의 조합 두께, 각 지층까지의 심도 그리고 기반암 심도이다.
- , 2008; 선창국, 2009), 최신 기법들을 토대로 광범위한 대도시 영역 전체에 대한 효율적이고 합리적인 지진재해 구역화의 모범 절차 방안을 수립하고자 하였다. 이러한 지향적 목적을 달성하기 위하여, 지진 발생 시 다른 대도시들에 비해 상대적으로 피해가 크게 발생할 가능성이 높은 서울을 지진재해 구역화(seismic zonation) 대상으로 선정하고, 행정 구역 상 서울 전체를 포괄하는 영역에 대해 여러 지반공학 및 지진공학 특성 변수에 관한 신뢰성 높은 공간 구역화 정보를 제시하였다.
- 국내 내륙 지역의 다양한 부지들을 대상으로 Sun(2004)은 다양한 현장 탄성파 시험을 수행하여 퇴적토, 풍화잔류토 및 풍화암의 지층별 VS를 기반암의 VS(1,000m/s)와 함께 제시하고 유한요소 모델링의 지진 응답 해석을 실시한 바 있다(Sun and Chung, 2008). 이에 본 연구에서는 Sun(2004)의 기존 결과를 토대로 국내 내륙 대도시인 서울 지역의 퇴적토, 풍화잔류토 및 풍화암의 VS를 각각 330m/s, 450m/s 및 550m/s로 설정하고(선창국, 2009), 매립토의 VS는 Sun(2004)과 선창국 등(2007b)의 국내 매립토 지층에서의 현장 탄성파 시험 결과를 종합하여 350m/s로 설정하였다. 이러한 지층별 VS는 대상 서울 지역에 대한 추가적 자료 확보 분석 및 보완 조사를 통해 보다 현실적 신뢰성이 높은 정량적 값으로 향후 재고될 수 있을 것이다.
- , 2000; Borcherdt, 2002; 선창국, 2009). 이와 같은 부지 증폭 응답 특성이 고려된 계수들을 토대로 설계 지반 운동의 구조물 주기에 따른 응답 형상인 표준 설계 응답 스펙트럼을 작성하여 실제 내진 설계나 내진 성능 평가를 수행한다. 부지 증폭 계수는 경험적으로 구분되는 주기 구간에서의 기반암 노두 대 지표면에서의 상대적인 지반 운동 크기 비율을 의미하며, 지반운동의 구조물 주기(T)별 응답 스펙트럼(response spectrum, RS)이나 푸리에 스펙트럼(Fourier spectrum, FS)을 이용하여 결정할 수 있다(Dobry et al.
- 그러나 광역적 개념의 예측 정보임을 고려해 볼 때 예비적 수준의 설계 지반 운동 결정으로 한정하여 활용될 수 있을 것이다. 제한적이지만 실질적 유용성이 확보될 수 있는 이러한 적용을 위해, 본 연구에서는 이미 구축된 서울 지역의 부지 주기에 관한 공간 구역화 정보(그림 7)를 기존 선행 연구인 Sun(2004)의 국내 내륙 지역의 부지 증폭 계수 결정을 위한 부지 주기에 따른 부지 분류 체계(표 1)를 토대로 공간 GIS 프레임 내에서 재가공하여(선창국, 2009), 대상 영역 내 임의 부지에서의 부지 증폭 계수 결정이 가능한 부지 분류에 관한 공간 구역화 정보로 그림 8에 건축물 분포와 함께 제시하였다. 이를 토대로 대전의 대상 영역 전체에 걸쳐 실제 부지 선정을 통한 내진 설계 이전에 예비적 수준의 내진 설계 확인을 위한 설계 지반 운동 결정이 가능하며, 더불어 구역화된 정보로부터 특정 위치 시설물에 대한 내진 성능 평가를 위한 기저 정보를 제공받을 수 있다.
- 본 연구에서는 그림 1에 제시한 지반 정보 시스템 전체 구성과 같이 일반적인 삼차원 GIS 구성과 연계하여 부지고유 지진 응답 예측 관련 지반지진공학적 자료 생성을 위한 전문가적 연산 목적의 지반 분석(geotechnical analysis) 요소를 추가 구성하였다. 지층 두께 연산 및 이를 통한 기반암 심도 연산을 수행하며, 연산된 지층별 두께와 지반 동적 특성인 VS를 종합 활용하여 부지 주기(TG)를 산정한다.
대상 데이터
- 대도시에 대한 모범적 지반 정보 시스템 구축 및 이의 지반지진공학적 응용을 통한 실질적 부지고유 지진응답 예측정보 제시를 위해 국내 경제와 산업의 중심이자 대표적 대도시이며 수도인 서울(Seoul)을 연구 대상 지역으로 선정하였다. 서울은 행정 구역 상의 평면 면적이 매우 넓으므로 이러한 영역을 포괄할 수 있는 면적의 연구 영역 및 확장 영역을 선정하였다.
- 대상 서울 지역의 확장 영역에 대해 본 연구에서는 서울시지반정보시스템(서울시, 2008), 건설관련 설계 또는 시공 업체, 지반조사 업체 등을 통해 기존 시추 조사 자료를 수집하고(서울대학교, 2002), 중복 및 오류 자료를 정리하였다. 또한, 정리된 시추 조사 자료의 분포 양상을 파악하여 자료가 없거나 부족한 지역들에 대해 지반-지식 개념의 기반암 노두 자료의 추가 확보를 위한 현장 지표 조사를 실시하였다.
- 그림 7의 서울 지역 부지 주기에 관한 전반적인 위치별 값의 분포 경향은 기반암 상부 지층 두께가 부지 주기 산정의 주요 변수임에 따라 앞서 제시된 기반암 심도 분포(그림 6(b))와 대체로 유사한 경향을 보이고 있음을 확인할 수 있다. 본 연구 대상인 서울 대도시 지역 경우 대상 영역 내의 주요 산지를 제외한 주거 및 산업 시설이 밀집한 평지나 구릉지 대부분 영역에서 부지 주기는 약 0.3초에서 0.7초의 범위를 보인다. 따라서 층수에 따른 건물 고유 주기를 0.
- 즉, 지층 정보의 합리적 예측을 통해 부지 증폭에 따른 지진 피해와 같은 지반 관련 재해의 정확하고 종합적인 파악이 가능하다. 본 연구에서는 공간 좌표가 할당된 대규모 지반 자료의 효율적 관리 연산과 직관적 가시화를 통한 합리적 지진재해 예측 및 내진 활용 정보제공을 위해 최신 정보 기술로서의 삼차원 GIS 기법을 도입 개선한 지반 정보 시스템(Sun et al., 2008; 선창국, 2009)을 대도시 지역에 대한 지진 대책 토대 정보 제공의 모범적 방안 수립 목적으로 서울을 대상으로 구축하였다.
- 에 관한 정량적 값이 필요하다. 본 연구에서는 지반 정보 시스템 구축을 통한 기반암 상부 4개 지층(매립토, 퇴적토, 풍화잔류토, 풍화암)에 대한 두께 정보를 부지 주기 산정의 기저 자료로 활용하였다. 더불어 공간 분포 VS 정보도 필요하게 되는데, 대상 지역 내에서는 현장 탄성파 시험 수행을 통한 VS 분포 자료가 충분히 확보되지 못함에 따라 현재 상태의 가용 정보 활용 방안으로서 국내 내륙 지역의 기존 VS 획득 결과를 고찰하여 활용하기로 하였다.
- 이러한 실무적 접근성의 단점을 보완하고 공간적 가시성도 손상시키지 않기 위하여 삼차원 공간 지반 지층 정보를 재가공하여 지층의 두께 및 심도에 관한 특성 정보를 지표면 투영의 가시적 구역화(zonation) 지도로 GIS의 일반적 기능 적용을 통해 구현하였다. 본 연구에서의 대상 정보는 각 지층의 두께, 인접 지층의 조합 두께, 각 지층까지의 심도 그리고 기반암 심도이다. 그림 6은 가능한 여러 대상 중 대표적인 정보로서의 지배적 지층인 퇴적토의 두께 분포(그림 6(a)) 그리고 기반암 심도 분포(그림 6(b))를 가시적으로 구현한 삼차원 지도이며, 상대적 위치 파악을 위해 수계의 지표상 배치 요소들도 중첩 표현하였다.
- 서울 지역의 총 497개의 행정 동 단위들에 대해 연산한 부지 주기를 토대로 부지 분류(표 1 적용)를 실시하고 삼차원 GIS 프레임 내에서 가시화한 불연속 형태의 공간 구역화 정보로 그림 9와 같이 제시하였다. 그림 9의 행정 동 단위로 제시된 부지 분류 분포는 대체적으로 부지 분류의 연속 분포(그림 8)와 위치별 상대적 분포 경향은 유사하다.
- 또한, 정리된 시추 조사 자료의 분포 양상을 파악하여 자료가 없거나 부족한 지역들에 대해 지반-지식 개념의 기반암 노두 자료의 추가 확보를 위한 현장 지표 조사를 실시하였다. 이런 과정을 통해 수집 분석 및 확보한 자료는 관리 활용을 위해 지반-지식 데이터베이스(database, DB)로 구축하였으며, 총 10,783개의 기존 시추 조사 자료와 921개의 지표 분포의 기반암 노두 자료를 확보하였다. 지반-지식 DB의 자료를 토대로 공간 지층 정보를 확장 영역 전체에 대해 원하는 그리드(grid) 및 셀(cell) 단위로 공간 예측하게 되며, 최종적으로는 확장 영역의 지층 정보로부터 연구 영역의 정보를 추출하게 된다.
- 확장 영역(동서 43.4km ×남북 43.4km)은 연구 영역(동서 39.4km ×남북 39.4km)의 사방으로 2km씩의 거리 폭을 확보하여 설정하였다.
이론/모형
- 그 결과, 현행 국내 설계 기준의 부지 증폭 계수와 매우 다른 경향의 부지 증폭 특성을 확인하고 표 1의 부지 분류 체계 내에 국내 지역에 대한 합리적 증폭 계수로서 해석 결과를 정량적으로 분석 반영하여 제안하였다. 본 연구에서는 대도시 서울의 광역적 대상 영역을 대상으로 부지 효과를 고려한 실질적 내진 활용 정보의 제공 과정에서의 전문가적 기법으로 Sun(2004)의 부지 분류 체계를 도입 적용하였다.
성능/효과
- 2. 서울 지역에 대해 구축된 공간 지층 정보와 기존 연구 결과 고찰을 통한 지층별 전단파속도를 이용하여 부지고유 지진 응답 특성 및 그에 따른 지역적 지진재해 예측을 위한 부지 주기의 공간 구역화를 GIS 기법 적용을 통해 수행하였으며, 이로부터 서울을 포함한 연구 영역 전체에 대해 지표 지형 변화에 따른 대체적인 부지별 지진응답 차이를 확인하였다. 구축된 부지 주기 구역화 정보로부터 부지고유 지진 응답에 따른 연구 영역의 평지나 구릉지에서의 부지 주기 분포가 0.
- 서울 지역에 대해 구축된 공간 지층 정보와 기존 연구 결과 고찰을 통한 지층별 전단파속도를 이용하여 부지고유 지진 응답 특성 및 그에 따른 지역적 지진재해 예측을 위한 부지 주기의 공간 구역화를 GIS 기법 적용을 통해 수행하였으며, 이로부터 서울을 포함한 연구 영역 전체에 대해 지표 지형 변화에 따른 대체적인 부지별 지진응답 차이를 확인하였다. 구축된 부지 주기 구역화 정보로부터 부지고유 지진 응답에 따른 연구 영역의 평지나 구릉지에서의 부지 주기 분포가 0.3초에서 0.7초 정도를 보이고, 그에 따라 3층에서 7층 정도 중규모 건축 구조물의 지진 취약 가능성을 직관적으로 확인할 수 있었다.
- 국내 내륙 지역의 부지 효과 평가 및 정량화에 관한 기존 연구 결과들을 고찰하여 부지 증폭 계수 결정이 가능한 부지 주기 기반의 부지 분류 체계를 도입 적용하였으며, GIS 기법 프레임 내에서 서울 지역 전체에 걸쳐 임의 부지에서의 부지 분류에 따른 증폭 계수 결정이 가능한 공간 구역화 정보를 추가적으로 제공하였다. 대상 영역 내의 주거와 산업 시설이 밀집한 평지 및 구릉지에서 대부분 부지 분류 C 및 D로 구분되었으며, 단주기 지반 증폭계수는 최대 2.60 정도 그리고 중장주기 지반 증폭계수는 최대 1.37 정도로 예측되었다. 뿐만 아니라, 지진 신속 대응을 위한 활용 기저 정보로서의 서울시 행정 동 단위별 평균적 부지 분류에 관한 공간 구역화 정보도 제시하였다.
- 이와 같은 분류 분포는 지진 발생시 분류 C 및 D에 해당되는 부지들에서 지진동이 증폭되어 지표면 부근 시설물에서의 큰 피해 가능성을 의미한다. 또한, 부지 분류 C와 D의 두 경우 모두에서 표 1의 세분화된 부지 분류 체계에 제시된 하위 4가지 분류(C의 경우 C1부터 D4; D의 경우 D1부터 D4)가 서울 대상 영역에 존재하는 것으로 나타났다. 그러나 평지와 낮은 구릉지의 북쪽과 남쪽에 분포하는 산지나 큰 규모 구릉지 그리고 지반-지식 DB의 자료가 상대적으로 부족한 연구 영역의 경계부는 대부분 부지 분류 B로 구분되었다.
- 이러한 부지 분류 정보를 토대로 대상 지역 내 모든 부지에서의 부지 증폭 계수 산정 및 그에 따른 내진 설계나 내진 성능 평가를 위한 설계 지반 운동의 결정이 가능하다. 본 연구의 적용 부지 분류 체계(표 1)에 근거한 그림 8의 공간 구역화 정보로부터 국내 대표 대도시 서울의 부지 증폭 계수를 평지에서 단주기 증폭계수(Fa)의 경우 최대 2.60 정도 그리고 중장주기 증폭계수(Fv)의 경우 최대 1.37 정도로 예측해 볼 수 있다. 이와 같이 단주기 증폭계수가 중장주기 증폭계수에 비해 크게 예측된것은 국내에서 보편적 기준으로 고려되고 있는 내진설계 기준(건설교통부, 1997)과는 상반되는 현상으로서, 국내 내륙 지역에 대한 기존 연구 결과(Sun, 2004; Sun et al.
후속연구
- , 2008). 그러나 광역적 개념의 예측 정보임을 고려해 볼 때 예비적 수준의 설계 지반 운동 결정으로 한정하여 활용될 수 있을 것이다. 제한적이지만 실질적 유용성이 확보될 수 있는 이러한 적용을 위해, 본 연구에서는 이미 구축된 서울 지역의 부지 주기에 관한 공간 구역화 정보(그림 7)를 기존 선행 연구인 Sun(2004)의 국내 내륙 지역의 부지 증폭 계수 결정을 위한 부지 주기에 따른 부지 분류 체계(표 1)를 토대로 공간 GIS 프레임 내에서 재가공하여(선창국, 2009), 대상 영역 내 임의 부지에서의 부지 증폭 계수 결정이 가능한 부지 분류에 관한 공간 구역화 정보로 그림 8에 건축물 분포와 함께 제시하였다.
- 특히, 연구 영역 내의 서쪽에 위치한 한강 하류 측에서 깊은 기반암 심도 분포를 보였는데, 이 지역에는 과거 쓰레기 매립에 따라 두꺼운 매립토가 조성되어 있다. 그렇다 할지라도, 서울 서쪽의 한강 하류 측 평지 지역은 대상 연구 영역의 경계 부근에 해당되므로 보다 종합적인 지반 조사 자료 수집 분석이 병행된 이 지역 중심의 지반 지층 특성 정보 예측이 필요할 것으로 판단된다. 본 연구의 GIS 기반 지반 정보 시스템 내에서 구축된 지층 두께 및 심도 분포의 삼차원 구역화 지도는 탁월한 가시성이 확보된 정보로서(선창국, 2009), 지역적 의사 결정을 포함한 다양한 지반지진공학 관련 분야에서의 효율성 높은 실무적 활용이 가능하다.
- , 2005; 선창국 등, 2005b)를 반영하여 부지 주기에 따른 부지 분류 체계(표 1)를 공간 지진재해 구역화에 적용하였기 때문이다. 따라서 서울과 같은 내륙 도시들은 물론 해안 도시들에서의 부지 주기 토대의 공간 구역화를 통한 부지 분류와 설계 지반 운동의 신뢰성 높은 정보 제공을 위해서는 국내 다양한 지반 조건 부지들에 대한 종합적 특성 평가를 병행한 부지효과의 정량적 체계화가 향후 보완 수행되어야 할 것이다.
- 본 연구에서 수행한 대도시 서울 지역의 공간 GIS 기법 토대의 지반 정보 시스템 구축 및 지역적 지진 응답 특성 예측을 위한 부지 주기의 공간 구역화의 경우, 보다 체계적이고 신뢰성 높은 적용을 위해서는 지역 고유의 지반 동적 특성에 관한 체계적 평가를 통한 반영이 필요하다. 국내 대표 대도시인 서울 지역에는 다른 도시들에 비해 상대적으로 많은 기존 시추 조사 자료가 분포한다고 할 수 있다.
- 뿐만 아니라, 지진 신속 대응을 위한 활용 기저 정보로서의 서울시 행정 동 단위별 평균적 부지 분류에 관한 공간 구역화 정보도 제시하였다. 본 연구의 대도시 서울에 대한 부지 주기의 지진재해 구역화와 그에 따른 다각적 부지 분류의 구역화 기법은 국내 주요 대도시 지역에서의 지진재해 예측과 예비적 내진 활용이나 지진 대응을 위한 정보 제공 목적의 차별적 지진재해 구역화 적용으로 확대될 수 있을 것으로 보인다.
- 그렇다 할지라도 지진재해 예측 및 대응을 위한 기저 정보로서의 지속적 신뢰성 보완은 필요하며, 이를 위해서는 보다 많은 지반 자료의 확보를 통한 적용이 필요하다. 뿐만 아니라 대표적 정보 분야인 GIS 기법의 급속한 발달에 따른 지속적 연계 적용 및 여러 지반지진공학 특성이나 분석 결과의 입력 자료로서의 다각적 활용도 향후 고려되어야 할 것이다. 시범적 최신 사례로서의 본 연구의 부지 주기에 관한 지진재해 구역화 수행 및 활용 방안 제시는 도시 개발에 따른 기존 지반 조사 자료가 비교적 방대하게 확보된 국내 주요 대도시 지역들의 지진재해 예측 그리고 내진 활용 및 지진 신속 대응 목적의 기저 정보 제공에 관한 모범 방안으로 적용 가능할 것이다.
- 뿐만 아니라 대표적 정보 분야인 GIS 기법의 급속한 발달에 따른 지속적 연계 적용 및 여러 지반지진공학 특성이나 분석 결과의 입력 자료로서의 다각적 활용도 향후 고려되어야 할 것이다. 시범적 최신 사례로서의 본 연구의 부지 주기에 관한 지진재해 구역화 수행 및 활용 방안 제시는 도시 개발에 따른 기존 지반 조사 자료가 비교적 방대하게 확보된 국내 주요 대도시 지역들의 지진재해 예측 그리고 내진 활용 및 지진 신속 대응 목적의 기저 정보 제공에 관한 모범 방안으로 적용 가능할 것이다.
- 이에 본 연구에서는 Sun(2004)의 기존 결과를 토대로 국내 내륙 대도시인 서울 지역의 퇴적토, 풍화잔류토 및 풍화암의 VS를 각각 330m/s, 450m/s 및 550m/s로 설정하고(선창국, 2009), 매립토의 VS는 Sun(2004)과 선창국 등(2007b)의 국내 매립토 지층에서의 현장 탄성파 시험 결과를 종합하여 350m/s로 설정하였다. 이러한 지층별 VS는 대상 서울 지역에 대한 추가적 자료 확보 분석 및 보완 조사를 통해 보다 현실적 신뢰성이 높은 정량적 값으로 향후 재고될 수 있을 것이다. 대상 영역 내 임의 위치에서의 지층 두께와 각 지층별 VS 자료를 입력 변수로 하여 식 (1)에 따라 GIS 프레임 내에서 서울 지역에 대한 부지 주기를 연산하고 이의 정량적 분포 수준에 따른 공간 분포를 가시적으로 제시하게 된다.
- 그러나, 정량적으로 비교해 보면, 유한한 행정 동의 영역 폴리곤에 대한 부지 주기의 평균 값 적용으로 인해, 행정 동 단위의 가장 취약한 부지 분류가 연속 분포의 D4와는 달리 D1으로 제시되어 부지 조건이 양호해 진 것처럼 보일 수 있다. 이와 같은 조건 보완 또는 의사 결정 기준 수정은 평균 값 대신 보수적 관점의 최소 값의 일괄 적용 또는 취약 행정 동에 대한 제한 조건적 최소 값 적용을 통해 가능하지만, 궁극적 합리화는 지진 방재 정책 분야에서의 현실적 방침 확립을 통해 향후 이루어 질 수 있을 것으로 보인다.
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