[논문]시간영역 인공지진파 생성

김현관; 박두희; 정창균

doi:10.5804/lhij.2010.1.1.051

시간영역 인공지진파 생성
Generation of Synthetic Ground Motion in Time Domain 원문보기

LHI journal of land, housing, and urban affairs, v.1 no.1, 2010년, pp.51 - 57

김현관 (한양대학교 건설환경공학과) , 박두희 (한양대학교 건설환경공학과) , 정창균 (한양대학교 건설환경공학과)

초록
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국내에서 내진설계의 중요성이 점차적으로 부각되고 있으며 이에 따라 설계 시 동적 지진해석의 수행빈도가 높아지고 있다. 동적 지진해석을 수행하기 위한 가장 중요한 입력변수 중 한가지는 입력지진파이다. 그러나 현재 국내에서는 지진학적 검토 없이 미국, 일본 등에서 계측된 강진 기록을 입력지진파로 사용하거나 주파수영역에서 생성된 인공지진파를 사용하고 있다. 국외 계측 지진기록은 지진 규모에 따라 변화하는 지속시간과 에너지를 고려할 수 없어서 국내 지진환경에는 적합하지 않으며, 주파수 영역에서 생성되는 설계응답스펙트럼에 맞춤형 인공지진파는 실제 지진기록과 주파수 특성이 상이한 문제가 있다. 본 연구에서는 이와 같은 입력지진파의 문제점을 극복하기 위하여 시간영역에서 수행되는 응답스펙트럼 맞춤형 인공지진파 알고리즘을 적용하여 입력 지진파를 생성하였다. 생성된 지진파는 계측 지진기록의 고유한 성질인 Non-stationary 특성을 보존하며 동시에 설계 응답스펙트럼과 거의 완벽한 일치성을 보이는 것으로 나타났다.

Abstract ▼ AI-Helper

The importance of seismic design is greatly emphasized recently in Korea, resulting in an increase in the number of dynamic analysis being performed. One of the most important input parameters for the dynamic seismic analysis is input ground motion. However, it is common practice to use recorded motions from U.S. or Japan without considering the seismic environment of Korea or synthetic motions generated in the frequency domain. The recorded motions are not suitable for the seismic environment of Korea since the variation in the duration and energy with the earthquake magnitude cannot be considered. The artificial motions generated in frequency domain used to generated design response spectrum compatible ground motion has the problem of generating motions that have different frequency characteristics compared to real recordings. In this study, an algorithm that generates target response spectrum compatible ground motions in time domain is used to generate a suite of input ground motions. The generated motions are shown to preserve the non-stationary characteristics of the real ground motion and at the same, almost perfectly match the design response spectrum.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구는 동적 지진해석 수행에 필요한 입력지진파를 생성하였다. 기존의 방법과는 다르게 시간영역에서 설계 응답스펙트럼 맞춤형 지진파를 생성하는 알고리즘을 적용하였다.
본 연구는 이와 같은 입력지진파 선정의 문제점을 시간영역 설계응답스펙트럼 맞춤형 기법을 적용하여 극복하고자 국내 지진학적 환경과 내진설계기준에 모두 부합하는 맞춤형 지진파를 생성하였다.
본 연구에서는 지진파의 Stationary 특성을 보존할 수 있게 보다 진보된 기법인 시간영역 생성 알고리즘을 사용하여 지진파를 생성하였으며 이의 적용성을 분석하였다. 시간영역 인공 지진파 생성 알고리즘은 Choi와 Lee(2003)의 방법을 적용하였다.
본 절에서는 전 절에서 설명한 알고리즘의 적용성을 평가하고자 일련의 지진파에 대한 맞춤 해석을 수행하였으며 이들의 특성을 분석하였다. 선택된 지진파는 Hachinohe (1968년 3월, 규모 7.

제안 방법

본 연구는 동적 지진해석 수행에 필요한 입력지진파를 생성하였다. 기존의 방법과는 다르게 시간영역에서 설계 응답스펙트럼 맞춤형 지진파를 생성하는 알고리즘을 적용하였다. 세 개의 계측 지진파를 국내 재현주기 1000년 설계 응답스펙트럼에 상응하도록 변형시켜서 이의 적용성을 평가하였다.
다음으로 Ofunato 지진파에 대한 변형을 적용하였다. 실제 지진 지속시간은 약 1 분 가량이나 본 연구에서는 국내 내진설계 시 널리 사용되는 강진 발생구간 약 10 초만을 추출한 지진파를 적용하였다.
먼저 Sampling rate의 효과가 맞춤형 생성지진파 생성에 어떠한 영향을 미치는지 비교하기 위해 Hachinohe 지진파를 사용하여 시간영역에서 맞춤형 지진파를 생성해 보았다. 본 연구에서는 국내 사용되는 지진파와 유사하게 강진구간 발생구간 약 12 초만을 적용하였고 sampling rate는 원 지진기록의 시간간격인 0.
이는 PEER(Pacific Earthquake Engineering Research Center)의 데이터베이스를 통하여 수집되었다. 모든 지진파는 재현주기 1000년에 상응하는 최대지반가속도(PGA=0.154 g)로 스케일링한 후 시간영역 맞춤형 지진파 생성 프로그램인 OPTIME(Choi 와 Lee, 2003)을 사용하여 변형되었다.
먼저 Sampling rate의 효과가 맞춤형 생성지진파 생성에 어떠한 영향을 미치는지 비교하기 위해 Hachinohe 지진파를 사용하여 시간영역에서 맞춤형 지진파를 생성해 보았다. 본 연구에서는 국내 사용되는 지진파와 유사하게 강진구간 발생구간 약 12 초만을 적용하였고 sampling rate는 원 지진기록의 시간간격인 0.04초와 0.005초를 적용하였으며 그림 4에 그 결과를 나타내었다. 원 지진간격 (0.
기존의 방법과는 다르게 시간영역에서 설계 응답스펙트럼 맞춤형 지진파를 생성하는 알고리즘을 적용하였다. 세 개의 계측 지진파를 국내 재현주기 1000년 설계 응답스펙트럼에 상응하도록 변형시켜서 이의 적용성을 평가하였다. 본 연구에서 도출한 결론은 다음과 같다.

대상 데이터

본 절에서는 전 절에서 설명한 알고리즘의 적용성을 평가하고자 일련의 지진파에 대한 맞춤 해석을 수행하였으며 이들의 특성을 분석하였다. 선택된 지진파는 Hachinohe (1968년 3월, 규모 7.9 PGA 0.17 g), Ofunato (1978년 6월, 규모 7.4 PGA 0.23 g), Friuli (1976년 5월, 규모 6.5, PGA 0.34 g) 지진파이다. Hachinohe와 Ofunato는 현재 지진해석 시 빈번히 사용하고 있는 지진파이고, Friuli는 국내 내진설계기준 규모인 6.
다음으로 Ofunato 지진파에 대한 변형을 적용하였다. 실제 지진 지속시간은 약 1 분 가량이나 본 연구에서는 국내 내진설계 시 널리 사용되는 강진 발생구간 약 10 초만을 추출한 지진파를 적용하였다. 그림 6은 Ofunato와 이를 이용하여 생성된 맞춤형 지진파의 시간이력 가속도 곡선과 푸리에 스펙트럼을 도시하고 있다.
5를 만족하는 지진이다. 이는 PEER(Pacific Earthquake Engineering Research Center)의 데이터베이스를 통하여 수집되었다. 모든 지진파는 재현주기 1000년에 상응하는 최대지반가속도(PGA=0.

이론/모형

마지막으로 이탈리아에서 발생한 Friuli 지진을 시간영역 맞춤기법에 적용시켰다. 그림 9는 Friuli와 이를 이용하여 생성된 맞춤형 지진파, 인공지진파의 시간이력 가속도 곡선과 푸리에 스펙트럼을 나타내고 있다.
본 연구에서는 지진파의 Stationary 특성을 보존할 수 있게 보다 진보된 기법인 시간영역 생성 알고리즘을 사용하여 지진파를 생성하였으며 이의 적용성을 분석하였다. 시간영역 인공 지진파 생성 알고리즘은 Choi와 Lee(2003)의 방법을 적용하였다. Choi와 Lee(2003)의 방법은 기준 응답스펙트럼과 대상 응답스펙트럼의 주파수 별 차이를 적절할 크기의 충격 스펙트럼(spectral impacts) 입력을 통하여 맞추어가는 과정을 반복하여 이를 수렴시킨다.

성능/효과

1. Hachinohe와 같이 설계 응답스펙트럼과 큰 차이가 있는 지진파의 경우, 원 지진간격을 사용할 경우 설계 응답스펙트럼 맞춤형 지진파를 생성할 수 없는 것으로 나타났다. 이와 같은 경우에는 Sampling rate를 0.
2. 시간영역에서 생성된 지진파는 모든 경우에서 설계 응답스펙트럼과의 일치성이 뛰어나되 원 지진기록의 주파수 특성을 크게 훼손하지 않으며 Non-stationary 특성도 잘 유지 하는 것으로 나타났다.
그림 1은 Ofunato, Hachinohe 실 계측기록과 인공지진파의 푸리에 스펙트럼을 비교하고 있다. Ofunato와 Hachinohe는 각각 중/고주파수 대역과 저주파수 대역이 풍부한 것을 볼 수 있으며 인공지진파는 모든 주파수 대역에 걸쳐서 고르게 에너지가 분포하고 있는 것을 확인할 수 있다. 그림 2는 각 지진파의 응답스펙트럼과 설계응답스펙트럼을 비교하고 있다.
그림 9는 Friuli와 이를 이용하여 생성된 맞춤형 지진파, 인공지진파의 시간이력 가속도 곡선과 푸리에 스펙트럼을 나타내고 있다. Ofunato의 경우와는 달리 계측지진파와 맞춤형 지진파의 시간이력 가속도 곡선은 확연한 차이를 보이고 있으며 푸리에 스펙트럼 역시 차이가 있는 것으로 나타났다. 이에 대한 이유는 Friuli 지진기록이 설계 응답스펙트럼(그림 10)과 주파수 특성이 현격하게 다르기 때문이다.
즉, 계측 지진파는 시간영역에 걸쳐서 주파수 특성이 변화하는 Stationary한 특성을 가지는 반면, 주파수 영역에서 생성된 인공지진파는 Non-stationary 특성을 가지고 있는 것을 확인할 수 있다. 또한, 인공지진파는 최대가속도가 지속적으로 반복되는 것을 확인할 수 있다. 이와 같이 강진동 반복횟수가 커지면 유효응력 지반응답해석 시 과잉간극수압을 매우 크게 예측할 수 있어 계측 지반운동을 사용하는 경우와 특성이 크게 상이한 결과를 계산할 수 있어 주의해야 한다.
비교 결과, Hachinohe와 Ofunato는 시간에 따라서 주파수 특성이 변이하는 반면 인공지진파의 Spectrogram은 일정한 것을 볼 수 있다. 즉, 계측 지진파는 시간영역에 걸쳐서 주파수 특성이 변화하는 Stationary한 특성을 가지는 반면, 주파수 영역에서 생성된 인공지진파는 Non-stationary 특성을 가지고 있는 것을 확인할 수 있다.
이 방법의 장점은 계측 지진파를 기반으로 설계 응답스펙트럼 맞춤형 지진파를 생성할 수 있다는 점이다. 즉, 계측 지진기록과 인공지진파의 장점을 모두 보전할 수 있기에 기존의 입력 지진파 들의 문제점을 극복할 수 있으며 보다 합리적인 해석이 가능하다.
비교 결과, Hachinohe와 Ofunato는 시간에 따라서 주파수 특성이 변이하는 반면 인공지진파의 Spectrogram은 일정한 것을 볼 수 있다. 즉, 계측 지진파는 시간영역에 걸쳐서 주파수 특성이 변화하는 Stationary한 특성을 가지는 반면, 주파수 영역에서 생성된 인공지진파는 Non-stationary 특성을 가지고 있는 것을 확인할 수 있다. 또한, 인공지진파는 최대가속도가 지속적으로 반복되는 것을 확인할 수 있다.

후속연구

3. 본 연구에서 적용한 알고리즘은 성능은 뛰어나지만 경험이 풍부하지 않은 엔지니어가 사용하기에는 어려움이 많을 것으로 사료된다. 일단, 지진파 별 최적 Sampling rate를 결정해야 하며, 나아가 생성된 지진 시간기록을 보고 비현실적인 파형은 삭제해야 하는 수작업을 거쳐야 하기 때문이다.
일단, 지진파 별 최적 Sampling rate를 결정해야 하며, 나아가 생성된 지진 시간기록을 보고 비현실적인 파형은 삭제해야 하는 수작업을 거쳐야 하기 때문이다. 추후 이에 대한 보완 연구를 진행하며 동시에 본 알고리즘을 적용한 입력지진기록 데이터 베이스를 생성할 필요가 있다고 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	지진재해예측은 어떻게 이루어 지는가?	지진재해예측은 일반적으로 확률론적인 접근방식을 채택하여 수행되며 암반노두에서 미래에 발생할 진동을 예측한 뒤 진동에 따른 부지효과를 예측하는 과정을 통하여 이루어진다(Kramer, 1996). 이 때 수행되는 지반응답해석을 위하여 입력 지진파를 선정하여야 하며 선정 기준은 작성된 설계응답스펙트럼이다.
	내진설계 시 지진해석 결과에 가장 큰 영향을 미치는 것은?	최근 이와 같은 현실은 더 이상 한국이 지진의 안전지역이 아님을 입증하고 있으며 이에 따른 국내 내진설계기준에 대한 연구도 활발히 이루어져야 됨을 의미한다. 내진설계 시 지진해석의 수행은 다수의 입력변수를 필요로 하며 이중 해석결과에 가장 큰 영향을 미치는 것은 입력 지진파, 즉 지반운동의 시간이력이다. 하지만 현재 국내에서는 지진해석 수행 시 지진학적 검토 없이 미국, 일본에서 계측된 강진 기록을 입력지진파로 사용하거나 계측 지진파의 대용으로 설계응답스펙트럼에 맞추어 생성한 인공지진파를 사용하고 있다(건설교통부, 2005, 2007; 대한건축학회, 2006).
	시간영역에서 설계응답스펙트럼 맞춤형 지진파 생성 연구 결과는?	1. Hachinohe와 같이 설계응답스펙트럼과 큰 차이가 있는 지진파의 경우, 원 지진간격을 사용할 경우 설계 응답스펙트럼 맞춤형 지진파를 생성할 수 없는 것으로 나타났다. 이와 같은 경우에는 Sampling rate를 0.005초로 감소하여 적용할 경우, 설계스펙트럼 맞춤형 지진파를 생성할 수 있는 것으로 나타났다. 2. 시간영역에서 생성된 지진파는 모든 경우에서 설계응답스펙트럼과의 일치성이 뛰어나되 원 지진기록의 주파수 특성을 크게 훼손하지 않으며 Non-stationary 특성도 잘 유지 하는 것으로 나타났다. 3. 본 연구에서 적용한 알고리즘은 성능은 뛰어나지만 경험이 풍부하지 않은 엔지니어가 사용하기에는 어려움이 많을 것으로 사료된다. 일단, 지진파 별 최적 Sampling rate를 결정해야 하며, 나아가 생성된 지진 시간기록을 보고 비현실적인 파형은 삭제해야 하는 수작업을 거쳐야 하기 때문이다. 추후 이에 대한 보완 연구를 진행하며 동시에 본 알고리즘을 적용한 입력지진기록 데이터 베이스를 생성할 필요가 있다고 판단된다.

참고문헌 (9)

건설교통부(2005), 도로교설계기준(2005)(건설교통부 제정), 한국도로교통협회.
건설교통부(2007), 터널설계기준(2007), 한국터널공학회.
대한건축학회(2006), 건축구조설계기준 및 해설, 대한건축학회.
Anderson, J.G. (1991), Guerrero accelerograhp array: Seismological and gertechnical lessons, Gertechnical News, Vol. 9, No. 1, pp.34-37.
Choi, D. and Lee, S. (2003), Multi-damping earthquake design spectra-compatible motion histories, Nuclear Engineering and Design, Vol. 226, No. 3, pp.221-230.

상세보기
Gasparini, D.A., Vanmarcke, E.H. (1976), SIMQKE: A program for artificial motion generation Cambridge: Massachusetts Institute of Technology.
Kaul, M. (1978), Spectrum-consistent time-history generation, Journal of the Engineering Mechanics Division, Vol. 104, No. 4, pp.781-788.
Kramer, S.L. (1996), Geotechnical earthquake engineering, Prentice Hall, Upper Saddle River, N.J., pp.
Lilhanand, K. and Tseng, W. (1987), Generation of synthetic time histories compatible with multiple-damping response spectra, SmiRT-9. Lausanne, K, Vol. 2.

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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