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문제 정의
- 유효최대지반가속도는 지진이 내포하고 있는 손상 가능성을 정량화하기 위한 대안으로 고려된 개념으로서 가속도 응답스펙트럼 상에서 가속도가 가장 크게 분포되는 영역, 즉 구조물에 인입되는 지진에너지가 가장 크다고 판단되는 영역에 초점을 맞춘 가속도이다. 본 연구에서는 국내 계기지진의 특성을 반영하여 유효최대지반가속도의 산출에 반영되는 주요 계수를 도출하였으며, 최근 일정 크기 이상의 지진기록이 다수 관측된 경주지진의주요 관측소 자료를 활용하여 유효지반가속도를 산출하고 결과를 분석하였다. 본 연구를 통하여 도출한 결론을 정리하면 다음과 같다.
- 본 연구에서는 우리나라의 지진기록에 대한 분석을 토대로 유효지반가속도 산출방법을 정리하였으며, 최근 발생한 경주지진을 대상으로 국내 주요 관측소의 측정기록을 이용하여 유효지반가속도를 분석하였다. 이를 위하여 국내 내진설계기준 상에서 유효지반가속도의 산출을 위해 준용된 미국의 Applied Technology Council의 방법론[15]을 분석한 후, 국내 계기지진의 특성을 해당 방법론에 반영하고자 최근 20년간 국내 주요 관측소에서 측정된 지진기록의 탄성 가속도 및 속도 응답스펙트럼을 분석하였다.
가설 설정
- 에서와 같이 최대지반가속도와 속도를 함께 표시하였다. 주파수별 정규화된 5% 감쇠응답스펙트럼의 분포는 대수정규분포를 따른다고 가정하였다. 그림에서 적색 실선은 정규화된 5% 감쇠응답스펙트럼의 분포에서 50% 백분위(mean) 스펙트럼을 나타내며 청색실선은 84.
제안 방법
- 국내 지진기록의 특징과 더불어 응답스펙트럼의 주파수별 변동폭을 나타내는 정규화 계수를 도출하기 위하여, 우선 가속도 스펙트럼 성분이 집중되어 지진에너지가 높게 분포하는 가속도 일정구간과 가속도 응답이 주기에 반비례하여 감소하는 속도 일정구간으로 구분하였다. 가속도 및 속도일정구간을 구분하기 위하여 국내 지진기록의 계측결과에 기반한 속도 응답스펙트럼을 작성한 후 이를 대표할 수 있도록 응답스펙트럼을 선형화 하였다. 선형화에서는 이선형 응답스펙트럼과 실제 스펙트럼 하단의 면적차가최소가 되도록 최소자승법(Least standard error)을 사용하였다.
- 2 km의범위 내에 위치하며, 관측소 지반조건은 SB 및 SC지반인 것으로 파악된다. 관측소 지반조건의 구분은 각 관측소별로 정확한 지반정보 확보가 제한되기 때문에 관측소 인근 100 m의 시추공 정보를 통해 지반지층의 분포를 확인하였으며, 지반지층의 대표 전단파속도를 이용하여[21] 관측소의 상부30 m 토층의 평균 전단파속도, Vs30를 다음의 식을 통하여 계산하였다[13].
- 국내 지진기록의 특징과 더불어 응답스펙트럼의 주파수별 변동폭을 나타내는 정규화 계수를 도출하기 위하여, 우선 가속도 스펙트럼 성분이 집중되어 지진에너지가 높게 분포하는 가속도 일정구간과 가속도 응답이 주기에 반비례하여 감소하는 속도 일정구간으로 구분하였다. 가속도 및 속도일정구간을 구분하기 위하여 국내 지진기록의 계측결과에 기반한 속도 응답스펙트럼을 작성한 후 이를 대표할 수 있도록 응답스펙트럼을 선형화 하였다.
- 본 연구에서는 경주지진의 유효최대지반가속도를 산출함에 있어 앞서 국내 지진기록의 응답스펙트럼 특징을 토대로 결정한 주요 계수들을 활용하는 방법과 기존에 일반적으로 적용되던ATC 3-06의 주요 계수들을 활용하는 방법 등 두 방법을 모두 활용하였다. 따라서 유효최대지반가속도의 산출방법 계산 시 고려하는 주기구간(가속도 일정구간)과 정규화 계수를 변수로 다음과 같이 총 4가지 Case로 나누어 분석을 수행하였다.
- 한국지질자원연구원 및 기상청에서 제시하는 Analyst 프로그램을 사용하여 지진관측소측정데이터의 처리를 수행하였으며, 수집된 원시자료의 처리에 있어서 정확한 계산에 장애가 되는 요소를 신호의 특성별로 초기 필터링을 실시하였다. 또한 각 관측소에서 관측한 2개성분(동서, 남북방향)을 이용하였고 실제 응답스펙트럼을 계산할 때 주파수의 범위는 0.1 Hz부터 50 Hz 범위까지 0.1Hz씩 증가시키면서 약 500개의 주파수를 고려하였다.
- 1과 같이 설명하고 있다. 보통의 지속시간을 갖는 지진기록의 5% 감쇠 탄성 응답 스펙트럼을 작성한 후 0.1~0.5초 범위의 스펙트럼 추이를 직선으로 나타내고 이 범위의 가속도를 정규화 계수(Normalizing factor)로 나누어 유효최대지반기속도를 산정한다. 이상의 내용을 수식적으로 정리하면 다음과 같이 나타낼 수 있다.
- 본 연구에서는 가장 보편적으로 사용되는 두번째 방법으로 응답스펙트럼의 정규화를 실시하였다. 정규화된 5% 감쇠 탄성응답스펙트럼에 Fig.
- 이를 위하여 국내 내진설계기준 상에서 유효지반가속도의 산출을 위해 준용된 미국의 Applied Technology Council의 방법론[15]을 분석한 후, 국내 계기지진의 특성을 해당 방법론에 반영하고자 최근 20년간 국내 주요 관측소에서 측정된 지진기록의 탄성 가속도 및 속도 응답스펙트럼을 분석하였다. 응답스펙트럼에 대한 통계적 분석결과를 바탕으로 국내 유효지반가속도의 산출에 적용되는 주요 계수를 도출하였으며, 최종적으로 일정 크기 이상의 지진기록이 다수 관측된 경주지진의 주요 관측소 자료에 기반하여 유효지반가속도를 진앙거리, 지반조건, 가진 방향 등 다양한 요인에 따라 평가 및 분석하였다.
- 본 연구에서는 우리나라의 지진기록에 대한 분석을 토대로 유효지반가속도 산출방법을 정리하였으며, 최근 발생한 경주지진을 대상으로 국내 주요 관측소의 측정기록을 이용하여 유효지반가속도를 분석하였다. 이를 위하여 국내 내진설계기준 상에서 유효지반가속도의 산출을 위해 준용된 미국의 Applied Technology Council의 방법론[15]을 분석한 후, 국내 계기지진의 특성을 해당 방법론에 반영하고자 최근 20년간 국내 주요 관측소에서 측정된 지진기록의 탄성 가속도 및 속도 응답스펙트럼을 분석하였다. 응답스펙트럼에 대한 통계적 분석결과를 바탕으로 국내 유효지반가속도의 산출에 적용되는 주요 계수를 도출하였으며, 최종적으로 일정 크기 이상의 지진기록이 다수 관측된 경주지진의 주요 관측소 자료에 기반하여 유효지반가속도를 진앙거리, 지반조건, 가진 방향 등 다양한 요인에 따라 평가 및 분석하였다.
- 이상화한 가속도 및 속도일정구간을 바탕으로 유효지반가속도의 산출시 적용되는 정규화 계수를 도출하였다. 정규화 계수는 최대지반가속도와 속도에 대한 스펙트럴 가속도와 속도의 비로, 이를 고려한 유효지반최대가속도는 최대지반가속도에 비해 응답 스펙트럼 형상에 대한 보다 많은 정보를 제공한다고 할 수 있다.
- 1% 백분위(mean +1standard deviation)를 나타낸다. 이와 같은 50% 및 84.1% 백분위 스펙트럼에 대한 최대지반가속도와 속도의 비를 토대로 가속도 및 속도일정구간의 정규화 계수를 도출하였다. Table 2(a)에서는 지진규모와 진앙거리별로 가속도와 속도 응답스펙트럼의 정규화계수를 정리하고 있다.
- 10과 11과 같이 나타내었다. 주요지진관측소는 진앙에서 근거리(진앙거리 25 km 미만)인 울산(USN)과덕정리(DKJ) 관측소와 진앙에서 원거리(진앙거리 25 km 이상)인 김천(GIC)과 대구(DAU) 관측소로 구분하여 분석하였다. 그림에 나타난 점선은 유효최대지반가속도 계산에 고려되는 국내 지진기록 특성을 토대로 결정한 가속도 일정구간의 범위이며 일점쇄선은 국내 설계스펙트럼에서의가속도 일정구간 범위이다.
- 8 km범위의 진앙거리 특성을 나타내었으며, 지역별로는 경상지역이 7건으로 가장 높은 지진발생 비율을 보였다. 한국지질자원연구원 및 기상청에서 제시하는 Analyst 프로그램을 사용하여 지진관측소측정데이터의 처리를 수행하였으며, 수집된 원시자료의 처리에 있어서 정확한 계산에 장애가 되는 요소를 신호의 특성별로 초기 필터링을 실시하였다. 또한 각 관측소에서 관측한 2개성분(동서, 남북방향)을 이용하였고 실제 응답스펙트럼을 계산할 때 주파수의 범위는 0.
대상 데이터
- 본 연구에서 고려한 경주지진기록은 Table 3에서 보는 것과 같이 일정수준이상의 지진파가 계측된 16개 관측소(한국기상청 : 13개, 한국지질자원연구원 : 3개) 데이터이다. 관측소의 분포는 진앙거리 5.
- 본 연구에서 고려한 지반운동기록은 최근 20년간 한반도에서 발생한 20건의 지진에 대한 한국지질자원연구원과 한국기상청의 지진 관측소 데이터이다. 지진 발생 일시, 규모, 위치, 진앙거리 등과 같은 상세 정보는 Table1에 정리하였다.
이론/모형
- 본 연구에서는 경주지진의 유효최대지반가속도를 산출함에 있어 앞서 국내 지진기록의 응답스펙트럼 특징을 토대로 결정한 주요 계수들을 활용하는 방법과 기존에 일반적으로 적용되던ATC 3-06의 주요 계수들을 활용하는 방법 등 두 방법을 모두 활용하였다. 따라서 유효최대지반가속도의 산출방법 계산 시 고려하는 주기구간(가속도 일정구간)과 정규화 계수를 변수로 다음과 같이 총 4가지 Case로 나누어 분석을 수행하였다.
- 가속도 및 속도일정구간을 구분하기 위하여 국내 지진기록의 계측결과에 기반한 속도 응답스펙트럼을 작성한 후 이를 대표할 수 있도록 응답스펙트럼을 선형화 하였다. 선형화에서는 이선형 응답스펙트럼과 실제 스펙트럼 하단의 면적차가최소가 되도록 최소자승법(Least standard error)을 사용하였다. Fig.
성능/효과
- 1) 경주지진으로 인하여 지진관측소에서 측정된 응답스펙트럼의 가속도 지반운동은 0.1초 미만 단주기 영역에서 우세주기영역을 가지며약 0.1~0.2초 사이에서 가속도 및 속도일정구간의 경계가 형성된다.또한 변위 일정구간으로 전이되는 구간이 뚜렷이 나타나지 않고 속도일정구간이 지배적으로 나타났다.
- 2) 강진지역의 지진기록을 토대로 도출된 정규화 계수와 비교하여 국내지진기록에 근거하여 도출된 정규화 계수는 가속도 일정구간의 경우강진지역대비 약 65% 수준의 정규화 계수가 도출되었으며 속도 일정구간에서는 응답스펙트럼의 변동폭이 크게 증가하여 강진지역과 비교하여 35% 증가한 수치로 정규화 계수가 결정되었다. 이는 강진지역에서 평가된 정규화 계수를 사용하여 설정된 현 내진설계기준의설계스펙트럼에 대한 재검토가 필요할 것으로 판단된다.
- 3) 국내 지진기록의 특성에 따라 0.15초 미만의 주기범위를 적용하면 경주지진의 유효최대지반가속도는 최대지반가속도와 유사 혹은 소폭감소한 결과를 나타내었으며, 국내 설계스펙트럼의 가속도 일정구간인 약 0.1~0.5초를 주기범위로 적용하면 경주지진의 유효최대지반가속도가 최대지반가속도의 30% 수준으로 평가되었다.
- 11에서 제시하는 바와 같이 국내 지진기록을 토대로 결정한 가속도 일정구간의 범위(약 0.15초이하)를 유효최대지반가속도의 산출에 적용하면(Case 1과 3) 해당 범위에 대부분의 스펙트럼 성분이 존재하는 원거리 관측소의 경우에는 유효최대지반가속도가 최대지반가속도 대비 일정 수준 감소하지만, 해당 범위 이후에 대부분의 스펙트럼 성분이 존재하는 근거리 관측소의 경우에는 유효최대지반가속도가 최대지반가속도와 비교하여 유사하거나 오히려 증폭되는 경향을 보였다. 또한 이는 두 범주의 관측소 에 해당하는 가속도 일정구간의 일부 차이로 인해 원거리 관측소의 경우는 Case 1과 3에서 고려한 주기범위 이내에서 가속도 스펙트럼의 감소가 시작되는 것에도 기인한다.
- 1~0.5초)을 유효최대지반가속도 산출에 적용하면(Case 2와 4) 근거리 및 원거리 관측소에서 모두 최대지반가속도 대비 일정수준 이상 감소된 유효최대지반가속도 값이 나타난다. 특히, 가속도 응답스펙트럼의 최댓값 이후 그래프의 급격한 감소 경향을 보이는 원거리 관측소에서는 계산 시 고려한 주기범주에서 응답스펙트럼 성분이 매우 작으므로 최대지반가속도의 85% 수준 이상으로 현격히 감소된 유효최대지반가속도 값이 산출되었다.
- 4) 진앙거리가 150 km이상이면 유효최대지반가속도의 감소폭이 대폭증가하였으며, 부지 효과로 인한 가속도 증폭으로 SC 지반조건의 유효최대지반가속도 값이 SB 지반조건보다 35% 큰 수치를 보였다. 대부분의 경주지진기록은 남북방향 지진파의 경우가 동서방향 지진파의 경우보다 최대 2배의 유효최대지반가속도를 보였다.
- 6에서는 4가지 Case에 따라 산출된 최대지반가속도와 유효최대지반가속도를 비교하고 있다. Case 1과 같이 국내 지진기록의 특성에 따라0.15초 미만을 가속도 일정구간으로 고려하면 경주지진의 경우 극히 단주기 영역에 가속도 스펙트럼 성분이 지배적으로 분포하고, 해당구간에서의 정규화 계수(1.636~1.771범위)도 크지 않아 최대지반가속도보다 15%정도 높은 유효최대지반가속도 값이 산출되었다. 반면 동일한 가속도 일정구간 범위이지만 정규화 계수를 ATC 3-06에서 고려한 2.
- 02초 이하의 변화를 나타낸다. 두 범주의 관측소 지진기록이 작은 범위의 가속도 일정구간 차이를 가진다는 것을 확인할 수 있다. 응답스펙트럼의 최댓값 이후 Fig.
- 2초 사이에서 가속도 일정구간과 속도 일정구간의 경계가 형성됨을 보여준다. 또한 변위 일정구간으로 전이되는 구간이 뚜렷이 나타나지 않고 속도 일정구간 영역이 지배적으로 나타났다.
- 2초 사이에서 가속도 및 속도일정구간의 경계가 형성된다.또한 변위 일정구간으로 전이되는 구간이 뚜렷이 나타나지 않고 속도일정구간이 지배적으로 나타났다.
- 경주지진 시 지진파가 계측된 지진관측소의 지반조건인 SB와 SC지반에 해당하는 각 관측소별 상부 30 m 깊이 평균 전단파속도는 비교적 폭넓게 분포하고 있다. 부지 효과로 인한 가속도 증폭으로 지반조건이 SC인 관측소에서의 유효최대지반가속도 값이 지반조건이 SB인 관측소에서의값보다 평균적으로 35% 큰 수치를 나타내었다. 상부 30 m 깊이 평균 전단파속도의 변화에 따라서는 SC지반의 경우가 SB지반조건에 비하여 유효최대지반가속도가 민감하게 변화하였다.
- 이로 인하여 강진지역 대비 약 65% 수준의 정규화 계수가 도출되었다. 이와 달리 속도일정구간에서는 응답스펙트럼의 변동폭이 큰 범위로 증가하여 강진지역과 비교하여 35% 증가한 정규화 계수가 산출되었다. 특징적으로 국내 지진기록의 경우에는 지진규모가 커지고 진앙거리가 증가할수록 응답스펙트럼의 변동폭이 증가하여 정규화 계수가 커지는 것을 확인할 수 있다.
- 지진 발생 일시, 규모, 위치, 진앙거리 등과 같은 상세 정보는 Table1에 정리하였다. 지반운동기록은 중규모 지진을 대표하는 것으로 2.3~5.08 범위의 규모, 3.0~674.8 km범위의 진앙거리 특성을 나타내었으며, 지역별로는 경상지역이 7건으로 가장 높은 지진발생 비율을 보였다. 한국지질자원연구원 및 기상청에서 제시하는 Analyst 프로그램을 사용하여 지진관측소측정데이터의 처리를 수행하였으며, 수집된 원시자료의 처리에 있어서 정확한 계산에 장애가 되는 요소를 신호의 특성별로 초기 필터링을 실시하였다.
- 2에서는 국내 지진기록의 가속도 응답스펙트럼을 스펙트럴 형상(Spectral shape)과 크기에 영향을 미치는 진앙거리와 지진규모의 변화에 대하여 비교한 것이다. 지진 규모가 커질수록, 응답스펙트럼상의 최대가속도응답은 증가하고, 최대가속도응답이 발생하는 지배주기(predominantperiod)는 장주기영역으로 이동하는 경향을 보였다. 또한 응답스펙트럼 하단의 면적 즉, 그래프의 폭이 커지는 경향을 확인할 수 있다.
- 앞선 경우와 마찬가지로 진앙거리가 증가함에 따라 최대가속도응답은 감소하며, 지배주기는 변동이 거의 없었다. 지진규모와 진앙거리의 변동에 상관없이 최대가속도응답이 발생한 후에 가속도응답이 급격하게 감소하는 경향을 보였다.
- 이와 달리 속도일정구간에서는 응답스펙트럼의 변동폭이 큰 범위로 증가하여 강진지역과 비교하여 35% 증가한 정규화 계수가 산출되었다. 특징적으로 국내 지진기록의 경우에는 지진규모가 커지고 진앙거리가 증가할수록 응답스펙트럼의 변동폭이 증가하여 정규화 계수가 커지는 것을 확인할 수 있다.
- 5초)을 유효최대지반가속도 산출에 적용하면(Case 2와 4) 근거리 및 원거리 관측소에서 모두 최대지반가속도 대비 일정수준 이상 감소된 유효최대지반가속도 값이 나타난다. 특히, 가속도 응답스펙트럼의 최댓값 이후 그래프의 급격한 감소 경향을 보이는 원거리 관측소에서는 계산 시 고려한 주기범주에서 응답스펙트럼 성분이 매우 작으므로 최대지반가속도의 85% 수준 이상으로 현격히 감소된 유효최대지반가속도 값이 산출되었다.
후속연구
- 2) 강진지역의 지진기록을 토대로 도출된 정규화 계수와 비교하여 국내지진기록에 근거하여 도출된 정규화 계수는 가속도 일정구간의 경우강진지역대비 약 65% 수준의 정규화 계수가 도출되었으며 속도 일정구간에서는 응답스펙트럼의 변동폭이 크게 증가하여 강진지역과 비교하여 35% 증가한 수치로 정규화 계수가 결정되었다. 이는 강진지역에서 평가된 정규화 계수를 사용하여 설정된 현 내진설계기준의설계스펙트럼에 대한 재검토가 필요할 것으로 판단된다.
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