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문제 정의
- 3절에서 서술한 바와 같이 포항 지진에서 장주기 성분이 기대 이상으로 발달한 원인에 대해 규명한 뒤에 1초 이후 장주기 영역에서의 V/H비의 검증이 필요할 것으로 생각된다. 본 연구에서는 우선, 참고로 장주기 영역의 V/H비도 함께 제시했다.
제안 방법
- 2017년 11월 15일 14시 29분에 발생한 규모 ML = 5.4의 본진 지진기록에 근거하여 수평 및 수직스펙트럼을 구하였다. 이 수평스펙트럼은 GMRotI50 스펙트럼으로 정의되었다.
- 개별 지진 기록의 GMRotI50 스펙트럼을 계산한 다음 각 주기별로 스펙트럼 값의 분포를 통계 분석하고 신뢰도 수준에 따른 수평스펙트럼을 구하였다. 가속도 스펙트럼뿐 아니라 변위스펙트럼도 계산하였다. 스펙트럼에 회귀분석을 실시하여 형상을 결정하는 전이주기들과 단주기 증폭계수를 구하였다.
- 두 지진 응답의 특이한 특성의 원인으로 관측소의 지반조건 등이 학계에서 논의 중이다. 본 연구에서 사용한 통계적인 방법으로 인해 두 데이터를 제외하고 26개의 지진기록으로만 회귀분석을 했을 때 전이주기와 단주기 증폭계수에 큰 변화가 없어 우선 모두 포함하여 분석하였다.
- 스펙트럼에 회귀분석을 실시하여 형상을 결정하는 전이주기들과 단주기 증폭계수를 구하였다. 수직지반운동에 대해서도 수평운동과 같은 분석을 실시하여 수직설계스펙트럼의 형상 파라미터들을 구하였다.
- 수평스펙트럼과 마찬가지 방법으로 mean+1σ 수준의 가속도와 변위 스펙트럼에 회귀 분석을 실시하여 형상과 전이주기를 식별하였다.
- 이 논문에서는 표준스펙트럼과 비교하기 위해 mean+1σ 곡선을 구하였다.
- 이러한 절차에 따라서 얻어진 포항 지진의 수평, 수직스펙트럼을 참고문헌 [5-7]에 제시된 한국표준설계스펙트럼(’17 code,’97 code) 및 경주 지진의 스펙트럼과 비교하였다.
- 따라서 진앙거리의 상한을 두어야 하는데 지나치게 가깝게 설정할 경우 확보 가능한 지진기록의 수가 적어져 오히려 통계분석의 신뢰도를 떨어뜨리게 된다. 이러한 측면을 고려하여 유의미한 지진응답을 야기할 수 있는 지진기록들을 충분히 확보하고자 진앙거리 200 km 이하 관측소를 설정했다.
- 4의 본진에 의한 지반진동 기록을 기상청 국가지진 종합정보시스템(이하 NECIS) [1] 데이터베이스에서 수집하고 분석하였다. 진앙거리 200 km 이하의 암반지반에서 관측된 28개의 가속도시간이력을 얻은 다음 이로부터 수평, 수직스펙트럼을 계산하였고 수평스펙트럼에 대한 수직스펙트럼의 비를 계산하였다.
- 참고문헌 [5-7]과 같은 방법으로 감쇠비 ξ=5%에서 계산된 각 지진기록의 수직스펙트럼의 값을 GMRotI50 스펙트럼 값으로 나누어서 주기마다 비를 구하였다.
- 통계 분석을 위해 계산된 GMRotI50 스펙트럼을 T=0.01sec, 즉 100 Hz에서 가속도스펙트럼 값이 1.0 g가 되도록 정규화하였다. 이렇게하여 주어진 감쇠비에 대해서 각 관측점에서 하나의 스펙트럼 곡선이 얻어진다.
- 포항 지진 스펙트럼 분석결과를 내진설계기준연구Ⅱ [12]에서 제시하던 표준설계스펙트럼(’97 code)과 새롭게 개발된 우리나라 표준설계스펙트럼(’17 code)과 비교했다.
대상 데이터
- 2017년 11월 15일 포항시 북구 북쪽 9 km 지역에서 지진이 발생하였다. 15일 14시 29분에 규모 ML =5.
- 이 수평스펙트럼은 GMRotI50 스펙트럼으로 정의되었다. 거리 200 km이하의 암반지반 지진 기록 28개를 통계 분석하였다.
- 지진을 일으킨 단층은 지표에 드러나지 않았고 아직 정확하게 식별되지 않았다. 본진에 의해서 진앙거리 200 km 이하의 암반지반 NECIS 관측망 [1]의 관측소에 기록된 지반가속도 데이터를 수집하였다.
- 과 같은 정량적 정보들이 제공되어있지 않다. 이 연구에서는 서울대학교 지구환경과학부 연구팀의 자문을 기본으로 암반지반에 위치한 것으로 추정되는 관측소들을 선정했다. 한편, 기상청 기술노트 [8]에는 일부 기상청 관측소의 지반 특성에 대한 추정 자료가 수록되어 있다.
- 이를 위해서 ML = 5.4의 본진에 의한 지반진동 기록을 기상청 국가지진 종합정보시스템(이하 NECIS) [1] 데이터베이스에서 수집하고 분석하였다. 진앙거리 200 km 이하의 암반지반에서 관측된 28개의 가속도시간이력을 얻은 다음 이로부터 수평, 수직스펙트럼을 계산하였고 수평스펙트럼에 대한 수직스펙트럼의 비를 계산하였다.
데이터처리
- 표준설계스펙트럼과 비교하기 위해 참고문헌 [5-7]과 같은 방법으로 Figs. 4와 5에 제시된 가속도와 변위스펙트럼의 스펙트럼에 회귀 분석을 실시하여 설계스펙트럼의 형상과 전이주기들을 계산했다. 경주 지진 스펙트럼과 같이 ZPA (zero period acceleration)은 Tz=0.
- 이 연구에서는 GMRotI50 스펙트럼을 대표 스펙트럼으로 정의하는 방법을 채택하였다 [2-4]. 개별 지진 기록의 GMRotI50 스펙트럼을 계산한 다음 각 주기별로 스펙트럼 값의 분포를 통계 분석하고 신뢰도 수준에 따른 수평스펙트럼을 구하였다. 가속도 스펙트럼뿐 아니라 변위스펙트럼도 계산하였다.
- 가속도 스펙트럼뿐 아니라 변위스펙트럼도 계산하였다. 스펙트럼에 회귀분석을 실시하여 형상을 결정하는 전이주기들과 단주기 증폭계수를 구하였다. 수직지반운동에 대해서도 수평운동과 같은 분석을 실시하여 수직설계스펙트럼의 형상 파라미터들을 구하였다.
이론/모형
- 수평지반운동은 어떤 한 관측점에서 방위각에 따라 변동하므로 수평방향을 대표하는 스펙트럼을 설정해야 한다. 이 연구에서는 GMRotI50 스펙트럼을 대표 스펙트럼으로 정의하는 방법을 채택하였다 [2-4]. 개별 지진 기록의 GMRotI50 스펙트럼을 계산한 다음 각 주기별로 스펙트럼 값의 분포를 통계 분석하고 신뢰도 수준에 따른 수평스펙트럼을 구하였다.
성능/효과
- 그럼에도 불구하고 표준설계스펙트럼(’17 code)은 포항 지진의 기록으로부터 얻은 스펙트럼과 잘 일치하는 것을 확인하였다. 경주 지진 스펙트럼과의 비교결과에 더하여 표준설계스펙트럼을 도출할 때 사용된 방법이 합리적이었다는 것을 확인할 수 있었다. 설계스펙트럼의 신뢰성은 지속적으로 향상되어야 한다.
- 그럼에도 불구하고 표준설계스펙트럼(’17 code)은 포항 지진의 기록으로부터 얻은 스펙트럼과 잘 일치하는 것을 확인하였다. 경주 지진 스펙트럼과의 비교결과에 더하여 표준설계스펙트럼을 도출할 때 사용된 방법이 합리적이었다는 것을 확인할 수 있었다.
- 한편, 기상청 기술노트 [8]에는 일부 기상청 관측소의 지반 특성에 대한 추정 자료가 수록되어 있다. 이 자료를 통해 선정된 관측소들 중 지반 특성을 확인할 수 있는 곳은 기반암층에 위치하거나 International Building Code 2018에서 SA 또는 SB로 분류되는 지반의 고유진동수 6.333Hz보다 더 큰 고유진동수를 가지는 것을 확인하였다. 향후, 지속적인 표준설계 스펙트럼의 최신화와 우리나라 지진공학의 발전을 위하여 NECIS 관측소들의 지반조사와 지반분류가 반드시 필요할 것으로 생각된다.
- 포항 지진 스펙트럼 분석결과를 내진설계기준연구Ⅱ [12]에서 제시하던 표준설계스펙트럼(’97 code)과 새롭게 개발된 우리나라 표준설계스펙트럼(’17 code)과 비교했다. 이를 통해 참고문헌 [5, 6]에 제시된 우리나라 표준설계스펙트럼(’17 code)의 적합성을 검증했고 그 결과 표준설계스펙트럼의 형상이 포항 지진의 스펙트럼을 잘 설명한다는 것을 밝힐 수 있었다.
- 포항 지진의 긴 장주기 전이주기도 표준설계스펙트럼(’17 code)이 내진설계기준연구Ⅱ [12]의 설계스펙트럼(’97 code)의 장주기 영역에서 지나치게 보수적이고 단주기 영역에서 비보수적이던 단점을 반영하여 수정되었다는 것을 말해준다.
후속연구
- 이는 수직스펙트럼과 수평스펙트럼의 형상이 장주기 영역에서 차이가 생김을 시사하며 앞서 Table 3에서 포항 지진의 장주기 전이주기가 경주 지진과는 반대로 표준설계스펙트럼(’17 code)보다 긴 현상과 동일한 이유로 생각된다. 3.3절과 4.3절에서 서술한 바와 같이 포항 지진에서 장주기 성분이 기대 이상으로 발달한 원인에 대해 규명한 뒤에 1초 이후 장주기 영역에서의 V/H비의 검증이 필요할 것으로 생각된다. 본 연구에서는 우선, 참고로 장주기 영역의 V/H비도 함께 제시했다.
- 이렇듯 포항 지진 본진의 3~5초의 장주기 영역은 매우 특이한 현상으로 보다 상세한 분석이 필요할 것으로 생각된다. 따라서 본 연구에서 제시한 장주기 전이주기가 우리나라 지진의 특성을 나타내는지는 참고로만 활용되어야 할 것이다.
- 주향이동단층의 파괴였던 경주 지진 [10]과는 달리 이번 포항 지진은 역단층 파괴로 알려져 있으며 이러한 단층파괴양상도 영향을 주었을 수 있다 [11]. 본 연구는 통계적 기법으로 스펙트럼을 분석하고 있기 때문에 계측기록을 그대로 사용하였으며 장주기 성분이 발달된 원인은 추후 연구에서 명확히 규명할 필요가 있다.
- 설계스펙트럼의 신뢰성은 지속적으로 향상되어야 한다. 앞으로도 국외 판내부 지진 기록을 확보하고 분석 방법을 발전시켜 지질과 지진 특성의 영향에 대해서 깊게 연구해야 할 필요가 있다.
- 본진 기록과는 달리 장주기 진동이 관찰되지 않은 것을 알 수 있다. 이렇듯 포항 지진 본진의 3~5초의 장주기 영역은 매우 특이한 현상으로 보다 상세한 분석이 필요할 것으로 생각된다. 따라서 본 연구에서 제시한 장주기 전이주기가 우리나라 지진의 특성을 나타내는지는 참고로만 활용되어야 할 것이다.
- 333Hz보다 더 큰 고유진동수를 가지는 것을 확인하였다. 향후, 지속적인 표준설계 스펙트럼의 최신화와 우리나라 지진공학의 발전을 위하여 NECIS 관측소들의 지반조사와 지반분류가 반드시 필요할 것으로 생각된다.
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