[논문]가속도와 JMA진도 관계를 이용한 댐 시설의 지진 안정성 평가

강기천; 최병습; 차기욱; 정상인; 이종욱

doi:10.5000/eesk.2014.18.6.271

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Seismic intensity deduced from instrumental data has been evaluated using the empirical relationship between intensity and peak ground acceleration (PGA) during an earthquake. The Japan Meteorological Agency (JMA) developed a seismic intensity meter, which can estimate the real-time seismic intensit...

Seismic intensity deduced from instrumental data has been evaluated using the empirical relationship between intensity and peak ground acceleration (PGA) during an earthquake. The Japan Meteorological Agency (JMA) developed a seismic intensity meter, which can estimate the real-time seismic intensity from seismic motions observed at a local site to evaluate the damage during the earthquake more correctly. This paper proposes a practical application of the JMA intensity to dams during the 2013 earthquake in Yeongcheon, Korea. In the present paper, seismic intensity was estimated from the relationships between accelerations observed at Yeongcheon Dam. Estimated seismic intensities were in the range of 0 to 3, which was verified from the displacements of dams and the variation of the ground water level observed at Yeongcheon dam during the earthquake. The JMA intensity, which is determined by considering the frequency, duration of cyclic loading, etc., was 0 (zero) and there was no damage to Yeoncheon dam during the earthquake.

주제어

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문제 정의

0이상 계측된 지역의 댐 시설물에 대해서만 현장점검을 실시하고 일본교통성에 보고하는 체계로 되어 있다. 본 연구에서는 JMA진도의 댐 시설의 안정성 평가 활용 여부를 검토하기 위해 2013년 12월 13일 11:40:10 경북 영천시 북북동쪽 17 km지점(기상청 통보)에 발생한 규모 2.5의 지진을 대상으로 진앙지와 4.7 km떨어진 영천댐에서 계측 가속도-진도관계로부터 JMA진도를 산정하였으며, 그 타당성에 대해서는 실제 계측된 댐의 변위와 지하수위를 검토하였으며 다음과 같은 결과를 얻었다.
본 연구에서는 지진발생 시 계측가속도를 활용한 진도에 의한 댐 시설의 안정성 평가 및 지진 전파체계 구축의 가능 여부에 대해 다루고 있다. 이를 위하여, 진도는 일본기상청(JMA, Japan Meteorological Agency) 및 Miyazai et al.

제안 방법

0이상의 지진이 발생 하면 「지진재난」 위기대응 표준매뉴얼에 의거 작성된 K-water의 「지진」 위기대응 실무매뉴얼에 따라 3시간 이내 K-water 관리중인 전 댐에 대한 현장 긴급점검 및 6시간 이내 현장 확인점검을 수행하고 국토교통부에 그 상황을 보고하도록 되어 있다. 2013년에는 4월 21일, 5월 18일, 9월 11일에 각각 규모 4.9, 4.9, 4.0의 지진이 발생하여 K-water내 전사적으로 지진 위기대응을 수행하였다. 예를 들어, 2013년 9월 11일에 발생한 지진은 전남 신안군 가거도 남남동쪽 60 km의 해역에서 발생하였으며, Fig.
[3]에 의해 제안된 방법을 이용하여 진도값을 산정한 결과와 비교하였다. 또한, 최근에 충남태안에서 발생한 규모 5.1지진에 대해서 부안댐(232 km)와 보령댐(206 km)에서 계측된 지진계측 데이터로부터 진도값을 산정하여 함께 비교하였다. 부안댐과 보령댐에서 계측된 최대가속도는 각각 8.
본 연구에서는 K-water 관리중인 32개 댐에서 실제 계측된 지진데이터를 활용하여 JMA진도를 산정하였다. K-water 통합지진감시시스템 (KEMS)의 구축(2013년 5월말) 및 지진 발생위치(내륙 및 해역), 주변 댐과의 거리, 지진규모를 고려하여 2013년 12월 13일 11:40:10 경북 영천시 북북동쪽 17 km지점(기상청 통보) 발생한 규모 2.

대상 데이터

본 연구에서는 K-water 관리중인 32개 댐에서 실제 계측된 지진데이터를 활용하여 JMA진도를 산정하였다. K-water 통합지진감시시스템 (KEMS)의 구축(2013년 5월말) 및 지진 발생위치(내륙 및 해역), 주변 댐과의 거리, 지진규모를 고려하여 2013년 12월 13일 11:40:10 경북 영천시 북북동쪽 17 km지점(기상청 통보) 발생한 규모 2.5의 지진을 대상으로 선정하였고, 진앙지로부터 가장 가까운 영천댐(4.7 km)에서 계측된 가속도로부터 진도를 산정하였다. 영천댐의 제원은 Table 3에 나타낸 바와 같다.
각 지점의 계측값에서 상·하 변동에 대한 차가 발생하고 있으며 이는 토탈스테이션(광파기)의 설치위치에 따른 거리 및 측각오차이다. 영천댐의 경우는 댐 우안의 사면에 설치되어 Fig. 5에 나타낸 CS01~04 및 SS01~SS11의 15개소를 측정하고 있다. 이는 토탈스테이션에서 가까운 CS01의 경우는 상대적으로 거리·측각오차가 작기 때문에 Fig.

데이터처리

[13], Miyazaki et al.[3]에 의해 제안된 방법을 이용하여 진도값을 산정한 결과와 비교하였다. 또한, 최근에 충남태안에서 발생한 규모 5.

이론/모형

이를 위하여, 진도는 일본기상청(JMA, Japan Meteorological Agency) 및 Miyazai et al.(1999)에 의해 제안된 경험식을 이용하여, 계측된 가속도로부터 계산되었다. 본 연구에서 이용된 경험식은 계측 가속도뿐만 아니라 지진 규모, 주파수, 지진 지속시간 등을 고려하도록 되어 있기 때문에 지진 지반운동 특성을 보다 상세하게 반영할 수 있는 장점이 있다[3].
[3]에 의해 제안된 방법을 이용하여 산정·비교하였다.
영천댐에서의 JMA진도를 계산하기 위 A1~A3에서 계측된 가속도를 사용하였으며, Table 4에서는 일본 기상청에 의한 방법 및 Kawasumi[11], Midorikawa and Hukuoka[12], Tong et al.[13], Miyazaki et al.

성능/효과

1) 대상 지진은 약 2~3초간 지속되었고 A3의 X방향에서 최대 가속도(약 20gal)가 기록되었다. 댐 하부와 상부는 비슷한 양상을 기록하였으며 그 최대값은 5~7gal정도이다.
3) 2013년 12월에 영천댐에서 계측된 강우-저수위-지하수위의 관계에서 지진 발생 전후로 하여 저수위 및 지하수위는 거의 일정하며, 이는 지진에 의해 댐 하류의 지하수위의 영향은 없었던 것으로 판단된다. 또한 토탈스테이션에 의한 댐 정상 및 하류사면의 변위를 분석한 결과 지진이 발생 전·후로 하여 댐 상부의 침하(z방향), 상·하류방향의 변위(y방향) 및 댐 축의 변위(x방향)에 큰 변화는 없다.
그리고 Miyazaki et al.[3]에 의해 제안된 방법은 과거의 방법에 비해 상대적으로 많은 데이터 수 및 지진규모를 고려하고 있기 때문에 상대적으로 일본 기상청 진도와 근접한 결과를 나타내고 있고, 기존의 경험식에 의해 산정된 방법으로는 2~3의 진도로 계산되었다. 기존의 경험식에서는 최대지진가속도만을 고려하고 있기 때문에 상대적으로 과대평가된 경향이 나타났다.
본 연구에서 수행한 현장 계측결과로부터 일본 기상청에서 산정되는 JMA진도가 가장 타당한 것으로 나타났다. 즉, JMA진도는 0으로 산정되어 댐 시설의 안정성에는 문제가 없는 것으로 나타났다.
1지진에 대해서 부안댐(232 km)와 보령댐(206 km)에서 계측된 지진계측 데이터로부터 진도값을 산정하여 함께 비교하였다. 부안댐과 보령댐에서 계측된 최대가속도는 각각 8.0 gal, 8.9 gal이었으며, 영천지진과 비교해서 지속시간이 약 100초로 지진동이 상대적으로 길지만 최대지반가속도는 작은 특성을 보였다. 표에서 나타내듯이 영천댐의 일본기상청 계측진도(I_JMA)는 0으로 산정되었다.
본 연구에서 수행한 현장 계측결과로부터 일본 기상청에서 산정되는 JMA진도가 가장 타당한 것으로 나타났다. 즉, JMA진도는 0으로 산정되어 댐 시설의 안정성에는 문제가 없는 것으로 나타났다.

후속연구

0 이상의 규모의 지진은 빈번하게 발생하지 않기 때문에 본 연구에서는 JMA 진도의 국내 이용의 가능 여부에 대한 검토만 하였으며, 이후 많은 지진데이터가 수집이 되면 그 타당성에 대한 더 많은 선행 연구 및 그 결과에 대한 면밀한 검토가 필요할 것으로 생각된다. 또한 지진발생시 JMA진도 등의 통보에 따라 현행되는 위기대응체계에 대한 제도 개선이 필요하며, 이와 더불어 국가적인 차원에서의 지역적인 지진통보방안을 모색하여 공공기관 및 일반시민 등에게 정확한 지진정보를 전달해야 할 것으로 생각된다.
하지만 K-water 관리 중에 댐에 대한 통합지진감시시스템은 2013년 5 월말에 구축이 되어 실제 계측된 지진데이터가 부족하고 한반도에서는 4.0 이상의 규모의 지진은 빈번하게 발생하지 않기 때문에 본 연구에서는 JMA 진도의 국내 이용의 가능 여부에 대한 검토만 하였으며, 이후 많은 지진데이터가 수집이 되면 그 타당성에 대한 더 많은 선행 연구 및 그 결과에 대한 면밀한 검토가 필요할 것으로 생각된다. 또한 지진발생시 JMA진도 등의 통보에 따라 현행되는 위기대응체계에 대한 제도 개선이 필요하며, 이와 더불어 국가적인 차원에서의 지역적인 지진통보방안을 모색하여 공공기관 및 일반시민 등에게 정확한 지진정보를 전달해야 할 것으로 생각된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	진도는 무엇인가?	진도는 지진동에 대한 인체의 느낌, 구조물의 응답 및 지반의 피해 등을 기준으로 하여 설정한 척도이다. 국내에는 1931년에 제정된 북미지역에서 일반적으로 이용되고 있는 MMI(Modified Mercalli Intensity)진도가 사용되고 있다.
	일본의 지진 빈도는?	일본은 세계적으로 지진발생 빈도가 가장 높은 국가로써 지진에 대한 대응 및 연구가 활발하게 진행되고 있다. 일본에서의 댐 시설물에 대한 지진대응에 대해서 요약하면 다음과 같다.
	실제 계측된 댐의 변위와 지하수위를 검토한 결과 증폭 현상은 언제 발견되지 않았는가?	1) 대상 지진은 약 2~3초간 지속되었고 A3의 X방향에서 최대 가속도(약 20gal)가 기록되었다. 댐 하부와 상부는 비슷한 양상을 기록하였으며 그 최대값은 5~7gal정도이다. Okamoto[15]에 의해 제안된 경험식으로부터 산정된 영천댐의 고유진동수는 3.7~6.8 Hz 범위(표 3 참조)였으며 해당 지진에서는 고유진동수에 의한 가속도의 증폭현상은 발견되지 않았다.

참고문헌 (15)

National Emergency Management Agency. Korean Earthquake Damage Prevention Law.
National Emergency Management Agency, Guideline for earthquake acceleration measuring instrument.
Miyazaki M, Shirinashihama S, Akiyoshi T. A study on the relation between the measured seismic intensity and peak ground acceleration and velocity, Proceedings of the 25th conference on JSCE. 1999 July; 2(3):53-56.
Water Resources Environment Center. Management of Dam. Sankaito Publication; c2006. 407 p.
Kim HL, Kim SK, Choi KR. Application of the JMA instrumental intensity in Korea, Earthquake Engineering Society of Korea. 2010; 14(2):49-56

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Doh DH, Ko JM. Earthquke Engineering, Hyosungmedia; 1992: 51-52
Kashima, T. Available from: http://iisee.kenken.go.jp/staff/kashima/soa2000/soa.htm.
Karim KR, Yamazaki F. Corelation of JMA instrumental seismic intensity with strong motion parameters. EESD. 2002 Apr;31(5): 1191-1212.
Shabestari KT, Yamazaki F. A proposal of instumental seismic intensity scale compatible with MMI evalated from three-component acceleration records. Earthquake Spectra. 2001;17:711-723.

상세보기
Japan Meteorological Agency, Available from: http://www.data.jma.go.jp/svd/eqev/data/kyoshin/kaisetsu/comp.htm
Kawasumi H. Relationship between seismic intensity and scale. JSCE. 1943;15:6-12.
Midorikawa S, Hukuoka T. Correlation of Japan meteorological agency intensity scale with physical parameters of earthquake ground motion. JSSJ. 1988 Jun; 41(2):223-233.

상세보기
Tong H, Yamazaki H, Shimizu Y, Sasaki H. Correspondent relationship of measured seismic intensity and conventional earthquake vibration intensity index. Proceedings of the 51th conference of JSCE. 1988 Sep;I-B229:458-459.
Muramatsu I. Seismic risk. JSSJ. 1967; 20(2):281-290.
Okamoto S. Introduction to earthquak engineering. 2nd ed. University of Tokyo press; c1984. p.466-477.

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