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문제 정의
- 특히 구조물의 고유진동수, 진앙거리, 부지의 지반 종류, 지진규모 및 지진원의 단층운동 형태 등에 의해 영향이 크다고 제시되고 있다. 본 연구는 여러 가지 영향인자 가운데 수평 성분 응답스펙트럼의 특성에 민감도가 가장 높은 것으로 제시되어 있는 구조물의 고유 진동수(고유주기) 및 진앙거리에 의한 영향을 분석하였고 아래와 같이 요약하였다.
- 7 이상의 15개 중규모 후쿠오카 지진으로부터 관측된 지반진동 자료를 이용하여 응답스펙트럼을 분석하였다. 본 연구는 여러 가지 영향인자 가운데 수평 성분 응답스펙트럼의 특성에 영향을 미친다고 제시된 여러 가지 인자 가운데 특히 민감도가 가장 높은 것으로 알려져 있는 진앙거리 및 진동수에 의한 영향을 분석하였다. 또한 결과를 국내 원자력 시설물에 관한 내진설계 기준 뿐만 아니라 국내 일반 구조물 및 건축물 내진설계기준과 각각 비교하여 분석하였다.
- 분석을 위해 입력 지반진동의 시간길이를 조절할 필요가 있고 이를 위해 본 연구는 지반진동의 주어진 지속시간 전체 구간을 입력하였다. 또한 응답스펙트럼을 계산할 때 주기 또는 고유진동수의 범위는 0.
제안 방법
- 2005년 3월 20일 규모 6.5의 후쿠오카 본진이 발생하였고 이후 동일 지역에서 발생한 규모 3.7 이상의 15개 중규모 후쿠오카 지진으로부터 관측된 지반진동 자료를 이용하여 응답스펙트럼을 분석하였다. 본 연구는 여러 가지 영향인자 가운데 수평 성분 응답스펙트럼의 특성에 영향을 미친다고 제시된 여러 가지 인자 가운데 특히 민감도가 가장 높은 것으로 알려져 있는 진앙거리 및 진동수에 의한 영향을 분석하였다.
- 또한, Housner(1959)가 본격적으로 연구 및 응용을 시작하였고. 강진으로부터 관측된 지반진동의 수평성분을 이용하여 최초로 내진설계에 적용된 응답스펙트럼을 개발하였다. Housner(1959)는 4개의 강진으로부터 관측된 8 개 수평성분 지반진동 자료를 이용하여 내진설계를 위한 응답스펙트럼을 개발하였고, 이것이 내진설계에 이용된 최초의 스펙트럼이다.
- 1 Hz씩 증가하면서 각각 고유 진동수에서 다수의 지반진동 자료를 처리한 응답스펙트럼의 평균값과 평균값에 표준편차를 더한 값을 제시하고 있다. 그리고 각각의 지반진동에 대한 모든 응답스펙트럼을 동시에 제시하였다.
- 또한 결과를 국내 원자력 시설물에 관한 내진설계 기준 뿐만 아니라 국내 일반 구조물 및 건축물 내진설계기준과 각각 비교하여 분석하였다.
- 분석을 위해 입력 지반진동의 시간길이를 조절할 필요가 있고 이를 위해 본 연구는 지반진동의 주어진 지속시간 전체 구간을 입력하였다. 또한 응답스펙트럼을 계산할 때 주기 또는 고유진동수의 범위는 0.1 Hz부터 50 Hz까지이고, 0.1 Hz씩 증가시키면서 500개의 고유진동수 각각에 대해 반응을 계산하였다.
- 마지막으로 건물의 중요도 및 사회적으로 요구되는 성능기준을 고려하여 재현주기(recurrence period)에 따른 지진위험도계수(seismic hazard coefficient)를 결정한다. 지진위험도계수는 Table 6에 제시되어 있다.
- 우선 일반적인 신호 대 잡음비를 분석하기 위해 지반진동의 S 파에 해당하는 신호대역과 P파가 도달하기 전약 20초 동안의 배경잡음(background noise) 등 2개 시간구간에 대해 지반진동을 분석하였다. Fig.
- 우선 내진설계 대상지역의 지진구역(Seismic Province)과 5개 지반종류(Soil Type)에 대하여 적절한 낮은 고유주기 및 높은 고유주기 각각에서 2개의 지진계수(Ca 및 Cv)를 결정하여야 한다. 이를 이용하여 건축물 설계 응답스펙트럼의 2개의 통제주기(Ts 및 To)를 선정한다. 각각의 지진구역 및 지반 종류에 해당하는 낮은 고유주기(Ca) 및 높은 고유주기(Cv) 각각에서 2개의 지진계수는 Table 4(Ca) 및 Table 5(Cv)에 각각 제시되어 있다.
- 일반적으로 건축 및 토목 구조물은 감쇠율이 3%에서 7%의 범위를 가지고 있고 이중에서 가장 일반적으로 비교되고 있는 5% 감쇠값에 해당하는 응답을 계산하여 분석하였고 앞서 제시한 바대로 최대 지반가속도값을 이용하여 정규화된 응답스펙트럼을 분석하였다.
- 따라서 개별 지반진동의 최대 지반가속도에 대해 각각의 응답스펙트럼을 정규화한 후에 응답스펙트럼을 구하는 것이 일반적이다. 정규화하는 방법으로 최대 지반가속도, 유효 최대가속도(Effective Peak Acceleration), 및 스펙트럼 강도(Spectrum Intensity)를 이용하는 방법 등 3가지 종류로 분류되고 있으나 본 연구는 최대지반 가속도에 의한 정규화 방법을 일률적으로 적용하였다.
대상 데이터
- Table 1에서 알 수 있는 바와 같이 178개의 수평 성분 지반진동 자료를 처리하여 분석하였다. 지반진동의 자료타입은 지반증폭 분석에 일반적으로 이용되는 가속도 자료이며 지반진동의 샘플링 간격은 1초에 100개 즉 0.
- 따라서 다수의 지반진동이 분석할 때 제외되었다. 결과적으로 진앙거리가 먼 다른 관측소에 비해 상대적으로 적은 단지 7개 지진으로부터 관측된 파형이 분석에 이용되었다.
데이터처리
- 59 km이고 8개 관측소 가운데 6번째 가까운 관측소이다. 11개 후쿠오카 지진으로 관측된 자료를 처리한 결과와 평균값 및 표준편차 값을 더하여 각각 나타내었다.
- 59 km이고 8개 관측소중 5번째 가까운 관측소이다. 11개 후쿠오카 지진으로 관측된 전체 자료를 처리한 결과와 평균값 및 표준편차 값을 더하여 각각 나타내었다. Fig.
- 5는 GKP1(경북대) 관측소에서 관측된 수평 28개 성분을 이용하여 분석한 결과이다. 14개 후쿠오카 지진으로 관측된 전체 자료를 처리한 결과와 평균값 및 표준편차 값을 더하여 각각 나타내었다. GKP1 관측소는 진앙거리가 272.
- 54 km이고 14개 관측소중 가운데 2번째 진앙거리가 작은 관측소이다. 14개 후쿠오카 지진으로부터 관측된 전체 자료를 처리한 결과, 평균값 그리고 표준편차 값을 더하여 각각 나타내었다. Fig.
- 2. 전체 수평 성분 응답스펙트럼(평균값, 평균값+표준편차)을 국내 원자력발전소 및 관련 시설물의 내진설계 기준으로 사용되고 있는 Regulatory Guide 1.60과 비교하였다. 국내에서 관측된 지반진동을 처리한 결과는 약 8 ~ 10 Hz 구간과 약 16 ~ 20 Hz 구간 즉 2개의 일부 제한된 고유진동수 대역에서 내진설계 기준값을 초과하고 있다.
- 3. 전체 수평 성분 응답스펙트럼(평균값, 평균값+표준편차)을 국내 일반구조물 및 건축물에 대한 내진설계 기준인 설계응답스펙트럼과 비교하였다. 국내 일반구조물 및 건축물에 대한 내진설계 기준과 비교한 결과 거의 모든 주기 대역에서 분석결과 응답스펙트럼이 SE 지반조건의 설계 응답스펙트럼(500년 재래주기, 지진구역 1, SE 지반조건)을 초과하고 있다.
- 66 km이고 8개 관측소중 가장 가까운 관측소이다. 7개 후쿠오카 연속지진으로 관측된 전체 자료를 처리한 결과, 평균값 및 표준편차 값을 더하여 각각 나타내었다. 낮은 진동수 대역에서 KRA 관측소의 응답값이 진앙거리가 상대적으로 커다란 관측소의 응답값과 비교할 때 크기가 상대적으로 대단히 작은 특징을 보여 준다.
- 76 km이고 8개 관측소 가운데 7번째 가까운 관측소이다. 7개 후쿠오카 지진으로 관측된 자료를 처리한 결과와 평균값 및 표준편차 값을 더하여 각각 나타내었다. Fig.
- 60(USNRC, 1968)가 있고, 이 기준은 역시 약 33 Hz까지 응답값을 제시하고 있다. 고유진동수 영역에 대한 여유를 감안하여 최대 고유진동수 50 Hz까지 응답을 계산하였고 그 결과를 상호 비교하였다.
성능/효과
- 1. Fukuoka 연속지진으로부터 국내에서 관측된 지반진동을 분석한 결과 수평성분 응답스펙트럼의 특성은 진앙거리에 의한 영향을 받는 것으로 나타났다. 진앙거리 변화는 최대 응답값의 진동수 위치 및 각각 진동수 대역에서 응답값의 크기에 대한 영향을 주고 있다는 것을 확인하였다.
- 8개 관측소 전체의 평균값, 표준편차를 더한 응답스펙트럼을 3개 지반 조건의 기준과 비교할 때 거의 모든 주기 대역에서 본 연구로부터 분석된 응답스펙트럼이 SE 지반조건의 설계 응답스펙트럼(500년 재래주기; 지진구역 1; SE 지반조건)을 초과하고 있다. 500년 재래주기의 성능은 비교적 성능이 약한 내진 설계기준에 해당하기 때문에 거의 모든 주기 대역에서 실제 지반진동을 이용한 응답스펙트럼이 기준을 초과하고 있다.
- 따라서 3개 진앙거리 그룹의 8개 수평성분 응답스펙트럼은 진앙거리가 증가할수록 응답의 최대값의 진동수 위치가 왼쪽으로 즉 낮은 진동수 대역으로 이동하고 있음을 잘 보여주고 있다. 또한 낮은 진동수 대역에서 응답값이 진앙거리가 증가하는 순서대로 점차적으로 큰 값을 가지고 있음을 보여주고 있다.
- 60 즉 원자력 관련 시설물의 내진설계 기준값을 비교하고 있다. 전체 진동수 대역에서 실제 지반진동을 분석한 결과의 평균값 응답스펙트럼이 내진설계 기준값 하부에 위치하고 있어 기준을 만족하고 있음을 보여주고 있다.
- Fukuoka 연속지진으로부터 국내에서 관측된 지반진동을 분석한 결과 수평성분 응답스펙트럼의 특성은 진앙거리에 의한 영향을 받는 것으로 나타났다. 진앙거리 변화는 최대 응답값의 진동수 위치 및 각각 진동수 대역에서 응답값의 크기에 대한 영향을 주고 있다는 것을 확인하였다. 따라서 내진설계 대상인구조물로부터 잠재단층이 가까이 존재하는 경우 높은 고유진동수 영역에서 구조물의 보수성을 심각하게 고려할 필요가 있다고 해석된다.
후속연구
- 일부 제한된 진동수 대역에서 내진설계 기준값을 다소 초과하는 현상은 물론 국내의 지진관측소 부지증폭 특성도 부분적으로 기여하는 것으로 판단된다. 따라서 향후 한반도 및 한반도 주변 발생지진으로부터 관측된 지진자료를 대폭적으로 보강하여 보다 신뢰가 있는 분석을 하는 것이 필요하다. 즉 다양한 지진원 및 진앙거리를 고려하여 보다 양적으로 많은 관측자료를 가지고 접근하는 것이 필요하다고 판단된다.
- 국내에서 관측된 지반진동을 처리한 결과는 약 8 ~ 10 Hz 구간과 약 16 ~ 20 Hz 구간 즉 2개의 일부 제한된 고유진동수 대역에서 내진설계 기준값을 초과하고 있다. 물론 높은 진동수 대역에서 기준값을 초과하는 현상은 타 연구에서도 지적되어 왔지만 향후 한반도 및 한반도 주변 발생지진으로부터 관측된 지진자료를 대폭적으로 보강하여보다 신뢰가 있는 분석을 하는 것이 필요하다. 즉 다양한 지진원 및 진앙거리를 고려하여 보다 양적으로 많은 관측자료를 이용하여 접근하는 것이 필요하다고 판단된다.
- 500년 재래주기의 성능은 비교적 성능이 약한 내진 설계기준에 해당하기 때문에 거의 모든 주기 대역에서 실제 지반진동을 이용한 응답스펙트럼이 기준을 초과하고 있다. 앞서 지적한 바와 같이 향후 한반도 주변 해외 발생지진 뿐만 아니라 한반도 내부에서 발생된 지진으로부터 관측된 지진자료를 대폭적으로 보강하고 또한 구조물 및 건축물의 성능기준을 고려하는 것이 필요하다.
- 국내 일반구조물 및 건축물에 대한 내진설계 기준과 비교한 결과 거의 모든 주기 대역에서 분석결과 응답스펙트럼이 SE 지반조건의 설계 응답스펙트럼(500년 재래주기, 지진구역 1, SE 지반조건)을 초과하고 있다. 역시 향후 한반도 및 한반도 주변 해외 발생지진으로부터 관측된 지진자료를 대폭적으로 보강하여 재래주기 및 지진구역 등을 다르게 적용하여 분석결과의 다양성을 유지하는 것이 필요하다.
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