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문제 정의
- 본 연구에서는 경기도 행정구역의 지진취약지역 도출을 위해 부지응답특성 분석 의사결정 프레임웍 기반의 부지분류를 수행하였다. 먼저, 합리적인 지반공간정보 구축을 위해 경기도 행정구역을 포괄하는 확장 연구영역을 선정하였다.
- 본 연구에서는 경기도 행정영역 전체 부지조건 파악을 위해서 경기도 지역의 시추조사 자료, 수치표고모델(digital elevation model; DEM) 자료, 건축물 대장, 행정구역도, 지질도 등의 포괄적 지층 및 지표 정보(Geo-Data)를 우선적으로 협조, 수집하였다(Fig. 2). DEM은 경기도 행정영역 전반에 걸쳐 5m 간격의 공간격자망 구조로 구성되었으며, 최대 1,464m 표고를 갖으며, 평균표준편차는 6.
- 를 기준으로 공간그리드 정보를 토대로 일관성 있고 비교적 보수적인 경기도 지역 부지분류가 가능할 것으로 판단하였다. 본 연구에서는 경기도 행정영역 전체를 포괄하는 대상 영역에 대해 지역적 지진취약성 분석과 내진성능 파악 활용을 위해 공간 GIS프레임을 기반으로 구축된 지반 및 지표특성 정보를 토대로 부지응답 매개변수 기준의 구역화를 수행하였다. 또한 개정된 현행 내진설계기준 공통적용사항(2017)의 지반분류체계를 적용 및 검증하였다.
- 이를 위해 GIS 기반의 지구통계학적, 지반공학적 분석 알고리즘(Sun and Kim, 2017)이 제시되었으며, 이를 토대로 전국 대도시 영역의 시범적 지반정보화 및 부지응답 특성 분석이 이루어졌다. 본 연구에서는 지진 발생 시 인구 및 산업 시설이 밀집되어 피해가 크게 발생할 수 있는 경기도 영역에 대한 지층 구성 및 동적 지반특성과 그 분포 양상을 파악하기 위해, 지반 특성 자료에 대한 공간 DB 구축 및 부지응답 평가를 실시하였다.
- 현장시험 또는 실내시험을 통해 확보된 지반동적특성 분석자료를 입력할 수 있도록 크게 심도별 탄성파 속도를 측정한 탄성파 시험 정보, 전단강도 및 감쇠비에 대한 공진주 시험 정보, 반복 응력에 대한 응력비를 산정한 반복삼축 시험 정보로 구분하였다. 이와 함께, 광역 영역의 지형 및 지질 특성에 따른 부지효과를 고려하고자 동일한 공간좌표체계를 토대로 DEM의 표고, 경사도 정보와 지질도의 지질분류, 단층 정보를 연계함으로써 지표정보 기반의 부지분류 체계 수립을 위한 기반자료로 활용하였다.
가설 설정
- 각 지층별 대표 지반동적특성은 국내 다양한 지역에 대해 종합적인 지반조사를 수행하여 VS의 정량적 값은 Sun et al.(2014)에 의해 제시된 바 있으며, 매립토는 190m/s, 퇴적토는 280m/s, 풍화토는 350m/s 그리고 풍화암은 650m/s로 가정하였으며, 이는 경주 및 홍성지역의 지층 구조와 VS와의 상관관계를 통해 검증되었다. 또한, 일반적으로 암반의 상태는 심도가 증가함에 따라 급격하게 풍화도가 낮아지고, 경도가 커짐에 따라 강성이 커질 수 있다 할지라도, 연암부터 보통암까지의 공학적 기반암(Engineering bedrock)의 대표 전단파속도는 1,300m/s로 제시하였다.
제안 방법
- , 2018). 본 연구에서는 기존에 제안된 GIS 및 지반지진공학적 전문가 지식 프레임(Sun and Kim, 2016)을 활용 및 검증하고자 지진지반응답 매개변수(VS30, VS20, H, TG)별 공간구역화 수행을 통해 대상 경기도 행정영역의 부지 효과에 따른 구역화(Zonation)를 수행하고, 그에 따른 각 변수들의 부지분류 기준(Table 1) 및 현행 기준(Table 2) 적용을 통한 부지분류 구역정보를 도출하여 제시하였다.
- Fig. 9는 본 연구에서 경기도 행정영역에 대해 예측한 지반지층 공간정보와 지반지층 종류별 대표 전단파속도(VS)를 연계 연산함으로써 부지응답 매개변수(H, VS30, TG) 기반의 부지 분류를 각각 공간그리드 정보로 제시하였다.
- 결과적으로, 동일 부지에 대해서도 부지 분류의 차이가 다소 발생하였으며, 대체로 증폭 정도는 TG, VS30가 H에 비해 상대적 심화되었다. 경기도 시군구 단위에 대해 지진지반응답 매개변수를 토대로 단위 영역별 대푯값에 따른 부지분류를 수행하였다. 최종적으로 수원시, 안양시, 부천시 등의 수도권 일부영역을 중심으로 D2∼D4 등급의 상대적으로 취약한 부지분류가 이루어짐에 따라 향후 경기도 내진 대책수립 및 정책개선을 위한 우선 대상영역으로서의 집중적 관리가 필요할 것이다.
- 또한 지진취약 지역 및 시설물을 결정하는데 있어 건축물의 형상(층고, 지하층 유무), 종류(예: 무보강조적조건물) 및 내진설계 여부, 내진성능 평가 결과 등의 건축물 상세설계 정보를 수집, 구축한다. 더불어 지하 파이프라인 대상의 지진유발 재해가능성(지반침하, 2차 피해 등)을 평가하기 위해 관로 단위의 일반 설계 정보를 수집, 구축한다.
- 본 연구에서는 경기도 행정영역 전체를 포괄하는 대상 영역에 대해 지역적 지진취약성 분석과 내진성능 파악 활용을 위해 공간 GIS프레임을 기반으로 구축된 지반 및 지표특성 정보를 토대로 부지응답 매개변수 기준의 구역화를 수행하였다. 또한 개정된 현행 내진설계기준 공통적용사항(2017)의 지반분류체계를 적용 및 검증하였다.
- 3과 같이 기존 지반조사 표준화 모델을 토대로 시추조사 자료는 시추주상도 상의 시추 위치, 시추일 정보를 포함하는 시추일반 정보와 각 지층별 두께, 색, 강성 등의 특성 정보를 기술한 층상정보로 구분된다. 또한 시추과정 상 표준관입시험(Standard Penetration Test; SPT)을 통해 확보한 N값 정보와 풍화대 또는 기반암의 풍화도를 파악하고자 RQD 정보를 입력할 수 있도록 구성되었다. 현장시험 또는 실내시험을 통해 확보된 지반동적특성 분석자료를 입력할 수 있도록 크게 심도별 탄성파 속도를 측정한 탄성파 시험 정보, 전단강도 및 감쇠비에 대한 공진주 시험 정보, 반복 응력에 대한 응력비를 산정한 반복삼축 시험 정보로 구분하였다.
- 공간밀도 분석은 2차원 공간좌표상 비균질하게 분포하는 시추조사 정보의 공간 밀집도를 분석하는 단계로서 실질적인 지반지진공학적 취약도 분석 이전에 대상지역 내 시추조사 자료의 분석 적합성의 사전검토 단계이다. 또한 지구통계학적 공간보간 기법을 적용하는 데 있어 시추조사 정보의 공간적 상관도를 베리오그램 모델링을 통해 검토, 고려하며 이를 통해 최적의 공간보간 기법을 선정하여 적용한다. 공간보간 대상 정보는 대표층(매립토, 퇴적토, 풍화토, 풍화암, 연암 이하의 기반암)의 두께 정보와 DEM 기준의 지표고 정보이다.
- 10과 같이 부지분류 등급의 위치별 공간분포 경향은 상당히 유사하였다. 또한 지역별 지진취약분석 및 대응전략 수립을 위한 실적적 취약정보 제공과 그에 따른 적용성 확보를 위해 대상연구 영연 내 행정 구역별로 공간평면상 각 단위 행정 영역 내 한정된 공간그리드 정보(부지응답 매개변수)의 확률분포 상 95% 신뢰구간에 해당하는 평균값을 연산함으로써 단위 행정 영역별 대푯값에 따른 부지 분류를 수행하였다(Fig. 11). 대부분의 영역은 C(C1∼C4) 또는 S2 또는 S3로 분류되었으며 지반지진공학적 측면에서 취약한 부지로 평가되었다.
- 이와 같은 지표 부지정보를 백지도(base map)로 정의하여 시추조사 및 분석과정에서 도출되는 공간정보를 중첩하여 가시화 한다. 또한 지진취약 지역 및 시설물을 결정하는데 있어 건축물의 형상(층고, 지하층 유무), 종류(예: 무보강조적조건물) 및 내진설계 여부, 내진성능 평가 결과 등의 건축물 상세설계 정보를 수집, 구축한다. 더불어 지하 파이프라인 대상의 지진유발 재해가능성(지반침하, 2차 피해 등)을 평가하기 위해 관로 단위의 일반 설계 정보를 수집, 구축한다.
- Table 1에서와 같이 지진응답 매개변수들을 이용하여 부지 분류를 수행하며 이와 연계하여 단주기 부지 증폭계수(Fa)및 중장주기 부지 증폭계수(Fv)를 결정함으로써 내진 설계를 위한 지반운동의 결정이 가능하다(Kim and Sun, 2016). 또한 현행 지반분류 체계에서와 같이 기반암 심도(H) 및 토층의 평균 전단파 속도(VS,soil)에 근거하여 지반증폭특성에 따른 부지조건 및 내진성능을 평가한다.
- 먼저 경기도 행정 영역의 총 42 개의 시군구 단위에 대해 연산한 공간그리드 기반 부지주기를 토대로 행정구역별 대표 부지분류를 수행하여 Fig. 10 같은 공간구역도(Zonation) 정도를 도출하였다. Fig.
- 1의 의사결정 과정 중 지구통계학적 분석(Geostatistical Analysis) 방법을 통해 공간밀집도 및 공간보간을 수행하였다. 먼저 구축된 시추조사 자료 DB의 정량적인 공간밀집도를 파악하고자 점 밀도와 Kernel 함수 밀도를 파악 분석하였다(Fig. 5). 주로 서울시 외곽 주변지역을 중심으로 수원시, 일산시 및 인접영역을 중심으로 밀집도가 높은 것으로 확인되었으며, 이들 지역은 Kernel 함수로부터 단위면적(100m × 100m)당 25공의 시추조사 자료가 분포함으로써 비교적 높은 수준의 공간밀집도를 가졌다.
- 구축된 Geo-Data 데이터베이스의 무결성 검증 단계에서는 크게 필수 필드 입력변수 검증, 공간좌표 정보 검증, 지반공학적 이상치 검증 과정이 진행된다. 먼저 시추조사 정보 데이터베이스를 대상으로 필수 필드 입력변수(고유번호, 공간좌표, 층분류 정보 등)의 입력 여부를 우선적으로 검증한다. 또한 시추조사 정보 기반의 지구통계학적 공간분석을 위해 동일 공간좌표계에 속하고, 대상지역 인접 영역 내 분포하는 자료만 선별하도록 한다.
- 1과 같이 제시하였다. 먼저, 지반지진공학적 특성값 도출을 위해서 필요한 Geo-Data로서 시추조사 자료, DEM, 지질도, 행정구역도, 건축물 대장, 지하 파이프라인 자료로 구분된다. 이중 시추조사 자료는 지반공학적 지층분포 특성 및 연계 취약도 성분 도출을 위한 필수 자료로서 수집되는 정보는 Geo-Data 데이터베이스에 표준화되어 입력된다.
- 지층에 대한 정보가 저장되는 Geo-Data에서 지층의 구분은 매립층, 퇴적토층, 풍화토층, 풍화암층, 연암층, 보통암층, 경암층으로 구분된다. 본 연구에서는 구축된 DB로부터 각 지점의 매립층, 퇴적층, 풍화토층, 풍화암층의 두께를 각각의 XY 평면 좌표와 함께 추출하고 이에 대해 100m 간격의 격자로 경기도 행정영역 전반에 걸쳐 ordinary kriging을 수행하였다. 이를 통해 구축된 지반 공간그리드의 격자들은 총 1,210,194개이며(Fig.
- , 2005). 본 연구에서는 부지주기 기반의 실용적 내진 설계 및 성능파악을 위해 국내 주요 대도시 지역에 대한 부지분류체계 적용 및 개선 사례로부터 Table 1과 같은 부지주기에 따른 부지 분류 체계를 도입하여 적용하였다. Table 1에서와 같이 지진응답 매개변수들을 이용하여 부지 분류를 수행하며 이와 연계하여 단주기 부지 증폭계수(Fa)및 중장주기 부지 증폭계수(Fv)를 결정함으로써 내진 설계를 위한 지반운동의 결정이 가능하다(Kim and Sun, 2016).
- 무엇보다 지진지반응답 특성 평가를 위해 필수적인 시추조사 자료는 한국건설기술연구원 Geo-Info 시스템을 통해서 2,045건의 시추조사 사업으로부터 총 52,658공의 시추조사 자료를 디지털 파일 형태로 협조 받아 확보하였다. 수집된 Geo-Data는 GIS 플랫폼을 기반으로 동일한 좌표체계를 공유하며 공간모델링이 적용되었으며, 이를 통해 지구통계학적 공간분석 및 지진지반 응답 특성을 분석하였다. 이를 위해 Esri사의 ArcGIS를 이용하여 Geo-Data를 구축 및 분석하였다.
- 시추조사 자료는 광역영역의 합리적인 공간보간 기법 적용을 위해 서울, 인천 및 인접지역으로부터 확보한 시추조사 자료와 통합 활용되었으며, 경기도 영역 내 GIS DB의 무결성을 강화하고자 좌표계 보정 및 이상치 검증을 수행하였다. 수집된 시추조사 자료의 무결성 검토를 위해서는 대상 영역 외 분포하는 자료나 공간좌표가 오기입된 정보는 해당 필드를 우선적으로 수정 보완하였다. 앞선 시추조사 데이터베이스의 구조에 따라 입력과정에서 오기입되거나 필수 입력필드(좌표, 층상정보)가 누락된 자료를 수정 보완하였다.
- 시추조사 자료는 광역영역의 합리적인 공간보간 기법 적용을 위해 서울, 인천 및 인접지역으로부터 확보한 시추조사 자료와 통합 활용되었으며, 경기도 영역 내 GIS DB의 무결성을 강화하고자 좌표계 보정 및 이상치 검증을 수행하였다. 수집된 시추조사 자료의 무결성 검토를 위해서는 대상 영역 외 분포하는 자료나 공간좌표가 오기입된 정보는 해당 필드를 우선적으로 수정 보완하였다.
- 우선적으로 지반공학적 지층분포 특성 및 연계 지진지반응답 매개변수 도출에 필수적인 시추조사 자료와 함께 DEM, 건축물 대장, 행정구역도 등의 지표피복 정보를 협조, 수집함으로써, 지반지진공학적 연계활용 가능성을 고려한 GIS 플랫폼 기반의 Geo-Data를 구축하였다. 시추조사 자료는 조사 및 입력과정 발생하는 DB 무결성의 오류가 사전 검토되었으며, 산발적이고 불균한 공간분포 특성을 고려하여 신뢰도 높은 부지공간특성을 파악하기 위해 최적의 지구통계학적 분석 기법 설계, 적용하였다. 시추조사 자료의 공간밀도 분석을 통해 경기도 행정구역별 공간분석의 정밀도를 검토하였다.
- 시추조사 자료는 조사 및 입력과정 발생하는 DB 무결성의 오류가 사전 검토되었으며, 산발적이고 불균한 공간분포 특성을 고려하여 신뢰도 높은 부지공간특성을 파악하기 위해 최적의 지구통계학적 분석 기법 설계, 적용하였다. 시추조사 자료의 공간밀도 분석을 통해 경기도 행정구역별 공간분석의 정밀도를 검토하였다. 이후 ordinary kriging을 토대로 공간그리드 기반의 지층 두께의 격자별 최대값 연산을 수행하였으며, 표고가 낮은 하천과 도심지 부근을 중심으로 토층의 두께가 상대적으로 두꺼운 것을 확인하였다.
- 수집된 시추조사 자료의 무결성 검토를 위해서는 대상 영역 외 분포하는 자료나 공간좌표가 오기입된 정보는 해당 필드를 우선적으로 수정 보완하였다. 앞선 시추조사 데이터베이스의 구조에 따라 입력과정에서 오기입되거나 필수 입력필드(좌표, 층상정보)가 누락된 자료를 수정 보완하였다. 뿐만 아니라 시추주상도의 기반암 심도를 대상으로 교차검증 기반의 이상치 검증 방법(Kim et al.
- 우선적으로 시추조사 및 지반동적특성 자료의 현황 파악 및 구조분석을 통해 자료를 체계화하고 이를 통해 데이터베이스 내 테이블 구조 및 테이블 간 연계성을 설정하여 데이터베이스 표준화 방법론에 따라 지반 공간 DB(Geo-Data)를 제안 설계하였다. 지진공학적 지반정보는 크게 시추를 통해 획득한 시추조사 자료와 지반의 동적 특성을 파악하기 위해 수행된 지반 동적 특성 시험 자료로 구분된다(Kim and Chung, 2016).
- 먼저, 합리적인 지반공간정보 구축을 위해 경기도 행정구역을 포괄하는 확장 연구영역을 선정하였다. 우선적으로 지반공학적 지층분포 특성 및 연계 지진지반응답 매개변수 도출에 필수적인 시추조사 자료와 함께 DEM, 건축물 대장, 행정구역도 등의 지표피복 정보를 협조, 수집함으로써, 지반지진공학적 연계활용 가능성을 고려한 GIS 플랫폼 기반의 Geo-Data를 구축하였다. 시추조사 자료는 조사 및 입력과정 발생하는 DB 무결성의 오류가 사전 검토되었으며, 산발적이고 불균한 공간분포 특성을 고려하여 신뢰도 높은 부지공간특성을 파악하기 위해 최적의 지구통계학적 분석 기법 설계, 적용하였다.
- 또한 공간그리드를 기반으로 지층 두께 및 심도별 동적실험결과를 공간보간함으로써 누적 연산을 통해 부지응답 매개변수를 계산하는 방법이 교차검증(cross-validation) 기반 공간보간 신되도 분석에 있어 기존의 매개변수 기반 공간보간 방법보다 더 정밀하다고 평가되었다. 이를 따라 본 연구에서는 ordinary kriging를 토대로 공간그리드 기반으로 지층 두께의 최대값 연산을 통해 지구통계학적 공간분석을 수행하였다.
- 수집된 Geo-Data는 GIS 플랫폼을 기반으로 동일한 좌표체계를 공유하며 공간모델링이 적용되었으며, 이를 통해 지구통계학적 공간분석 및 지진지반 응답 특성을 분석하였다. 이를 위해 Esri사의 ArcGIS를 이용하여 Geo-Data를 구축 및 분석하였다.
- 이를 위해 경기도 행정구역의 지진취약지역 도출 결과에 대한 지진대응 의사결정 과정을 Fig. 1과 같이 제시하였다. 먼저, 지반지진공학적 특성값 도출을 위해서 필요한 Geo-Data로서 시추조사 자료, DEM, 지질도, 행정구역도, 건축물 대장, 지하 파이프라인 자료로 구분된다.
- , 2008; Sun, 2012). 이를 위해 지반공간자료의 전처리 및 공간모델링을 위한 GIS 도구들이 활용되었으며, 국내 대표 지반동적특성의 정규화를 통한 지반지층 정보 기준의 부지효과의 정량화와 이에 따른 부지분류체계를 제안하고 적용하였다(Sun, 2010; Sun and Kim, 2016).
- 본 연구에서는 구축된 DB로부터 각 지점의 매립층, 퇴적층, 풍화토층, 풍화암층의 두께를 각각의 XY 평면 좌표와 함께 추출하고 이에 대해 100m 간격의 격자로 경기도 행정영역 전반에 걸쳐 ordinary kriging을 수행하였다. 이를 통해 구축된 지반 공간그리드의 격자들은 총 1,210,194개이며(Fig. 6), 이 격자 위치들에 대하여 계산된 지반정보들을 토대로 다양한 부지효과 매개변수들을 산정하였다. 본 연구의 지구통계학적 분석 및 지진지반응답 특성 평가 결과는 해당 지반 공간그리드의 필드로 구성되어 행정구역 및 시설물 영역 대상 부지분류의 확장적 활용가능성을 고려하였다.
- 최근 국내 사회 기반 시설 확충을 위한 국토 개발 과정 중에 도시 지역을 중심으로 많은 지반 조사 자료가 축적되어 있으며, 공간상에 분포하는 지반 정보의 예측 등 이러한 자료를 효율적으로 활용할 수 있는 GIS를 이용한 정보화 연구가 추진되고 있다(Sun and Kim, 2016). 이에 따라 먼저 경기도 행정구역을 포괄하는 확장 연구영역에 대한 지층 구성 및 지반동적특성과 그 공간분포 경향을 파악하기 위해 수집한 다차원 지반 및 지표특성 자료에 대한 GIS DB(Esri, 2006)를 구축하였다.
- 01H)를 파악해 보았으며, 비교적 양호한 상관성을 확인하였다. 지반정보시스템을 기반으로 한 합리적인 공간 지반지층 정보 및 대표적인 지반동적특성 정보인 VS를 바탕으로 지반지진공학적 부지응답 매개변수인 H, VS30 및 TG를 산정하였다. 이와 같이 지반지진공학적 특성 매개변수 기반의 지진민감도에 관한 공간 구역화 과정을 Fig.
- 지층 두께 및 전단파 속도 정보의 공간그리드 정보를 바탕으로 지진지반응답 매개변수별 공간 분포 구성과 이를 기반으로 한 부지분류를 수행하였다. 지진지반응답 매개변수(VS30, H, TG)별 공간구역화 결과, 경기도의 행정영역 내 산지를 제외한 주거단지 및 산업시설이 밀집한 대도시 및 인접 평야 지대를 포함한 영역들에서 VS30은 대략 340m/s부터 520m/s 정도로 분포하였다.
- 또한 시추과정 상 표준관입시험(Standard Penetration Test; SPT)을 통해 확보한 N값 정보와 풍화대 또는 기반암의 풍화도를 파악하고자 RQD 정보를 입력할 수 있도록 구성되었다. 현장시험 또는 실내시험을 통해 확보된 지반동적특성 분석자료를 입력할 수 있도록 크게 심도별 탄성파 속도를 측정한 탄성파 시험 정보, 전단강도 및 감쇠비에 대한 공진주 시험 정보, 반복 응력에 대한 응력비를 산정한 반복삼축 시험 정보로 구분하였다. 이와 함께, 광역 영역의 지형 및 지질 특성에 따른 부지효과를 고려하고자 동일한 공간좌표체계를 토대로 DEM의 표고, 경사도 정보와 지질도의 지질분류, 단층 정보를 연계함으로써 지표정보 기반의 부지분류 체계 수립을 위한 기반자료로 활용하였다.
대상 데이터
- Geo-Data의 표준화 과정을 통해 구축된 GIS기반 Geo-Data는 Fig. 4와 같으며, 지반특성 공간분포 및 지진지반응답 매개변수 산정을 위해 시추조사 자료 및 DEM 정보가 활용되었다. Geo-Data는 공간모델링 기반으로 다중 공간레이어로 구축되며, 동일한 공간좌표 체계를 기반의 속성정보가 연계되었다.
- 8m 이었다. 건축물 대장은 경기도청으로부터 확보하였으며, 건축물의 일련 관리번호, 건물명, 위치, 층수 등의 상세 정보를 포함하고 있다. 행정구역도는 국토지리정보원으로부터 확보하였으며, 행정구역별로 시/군/구, 더 나아가 읍/면/동으로 구분된 행정구역명이 공간좌표와 함께 명시되었다.
- 또한 지구통계학적 공간보간 기법을 적용하는 데 있어 시추조사 정보의 공간적 상관도를 베리오그램 모델링을 통해 검토, 고려하며 이를 통해 최적의 공간보간 기법을 선정하여 적용한다. 공간보간 대상 정보는 대표층(매립토, 퇴적토, 풍화토, 풍화암, 연암 이하의 기반암)의 두께 정보와 DEM 기준의 지표고 정보이다. 이를 통해 동일한 공간격자구조를 갖는 지반 공간그리드 정보를 구축한다.
- 행정구역도는 국토지리정보원으로부터 확보하였으며, 행정구역별로 시/군/구, 더 나아가 읍/면/동으로 구분된 행정구역명이 공간좌표와 함께 명시되었다. 또한 지질도 자료는 한국지질자원연구원의 지질정보관리시스템(Manage of geological object; MGEO)으로부터 협조 받아 수집하였으며, 1:250,000 축척의 지질경계 및 단층선 정보를 확보하였다. 무엇보다 지진지반응답 특성 평가를 위해 필수적인 시추조사 자료는 한국건설기술연구원 Geo-Info 시스템을 통해서 2,045건의 시추조사 사업으로부터 총 52,658공의 시추조사 자료를 디지털 파일 형태로 협조 받아 확보하였다.
- 본 연구에서는 경기도 행정구역의 지진취약지역 도출을 위해 부지응답특성 분석 의사결정 프레임웍 기반의 부지분류를 수행하였다. 먼저, 합리적인 지반공간정보 구축을 위해 경기도 행정구역을 포괄하는 확장 연구영역을 선정하였다. 우선적으로 지반공학적 지층분포 특성 및 연계 지진지반응답 매개변수 도출에 필수적인 시추조사 자료와 함께 DEM, 건축물 대장, 행정구역도 등의 지표피복 정보를 협조, 수집함으로써, 지반지진공학적 연계활용 가능성을 고려한 GIS 플랫폼 기반의 Geo-Data를 구축하였다.
- 또한 지질도 자료는 한국지질자원연구원의 지질정보관리시스템(Manage of geological object; MGEO)으로부터 협조 받아 수집하였으며, 1:250,000 축척의 지질경계 및 단층선 정보를 확보하였다. 무엇보다 지진지반응답 특성 평가를 위해 필수적인 시추조사 자료는 한국건설기술연구원 Geo-Info 시스템을 통해서 2,045건의 시추조사 사업으로부터 총 52,658공의 시추조사 자료를 디지털 파일 형태로 협조 받아 확보하였다. 수집된 Geo-Data는 GIS 플랫폼을 기반으로 동일한 좌표체계를 공유하며 공간모델링이 적용되었으며, 이를 통해 지구통계학적 공간분석 및 지진지반 응답 특성을 분석하였다.
- 3), 대부분 경기도 행정영역 중 서울시 및 인천시 인접지역과 수원, 일산, 등의 대도시 지역을 중심으로 공간 분포되었다. 총 52,658공의 시추조사 자료가 활용되었으며, Fig. 4와 같이 다중 공간레이어 형태로 수집된 Geo-Data가 연계관리 되었다.
데이터처리
- 앞선 시추조사 데이터베이스의 구조에 따라 입력과정에서 오기입되거나 필수 입력필드(좌표, 층상정보)가 누락된 자료를 수정 보완하였다. 뿐만 아니라 시추주상도의 기반암 심도를 대상으로 교차검증 기반의 이상치 검증 방법(Kim et al., 2016)을 적용하였으며, 예측값과 측정값의 평균 제곱근 오차(root mean square error, RMSE)를 산정함으로써 8.5%를 이상치 기준으로 정의하였다. 이상치 기준을 초과하는 자료를 제거하고 최적화된 기반암 심도의 RMSE는 약 1.
- 지점형태의 시추조사 자료를 통해 부지응답특성의 공간분포 파악 및 부지분류를 적용하기 위해서는 정확한 공간분포 특성 및 공간상관성 분석이 필수적이다. 이를 위해 Fig. 1의 의사결정 과정 중 지구통계학적 분석(Geostatistical Analysis) 방법을 통해 공간밀집도 및 공간보간을 수행하였다. 먼저 구축된 시추조사 자료 DB의 정량적인 공간밀집도를 파악하고자 점 밀도와 Kernel 함수 밀도를 파악 분석하였다(Fig.
이론/모형
- , 2004). 본 연구에서는 ordinary kriging을 적용하여 지층분포의 공간그리드(Geotechnical spatial grid) 구축하였으며 ordinary kriging의 식 (1)과 (2)와 같다.
- 특히, 경기도 행정구역은 수도권 영역을 포함하여 광범위한 지반 공간정보가 축적되었고, 지형적 변동성이 큰 광역 단위 지역이기 때문에 지진취약지역을 합리적으로 결정하는데 있어 기반자료 수집부터 전처리 과정 및 가시화 단계에 이르는 체계적 의사결정 과정이 수반되어야 한다. 이를 위해 GIS 기반의 지구통계학적, 지반공학적 분석 알고리즘(Sun and Kim, 2017)이 제시되었으며, 이를 토대로 전국 대도시 영역의 시범적 지반정보화 및 부지응답 특성 분석이 이루어졌다. 본 연구에서는 지진 발생 시 인구 및 산업 시설이 밀집되어 피해가 크게 발생할 수 있는 경기도 영역에 대한 지층 구성 및 동적 지반특성과 그 분포 양상을 파악하기 위해, 지반 특성 자료에 대한 공간 DB 구축 및 부지응답 평가를 실시하였다.
성능/효과
- 49 초에 걸쳐 광범위하게 분포함에 따라, 2 층에서 5 층 정도 시설물의 지진취약성을 예측할 수 있었다. 결과적으로, 동일 부지에 대해서도 부지 분류의 차이가 다소 발생하였으며, 대체로 증폭 정도는 TG, VS30가 H에 비해 상대적 심화되었다. 경기도 시군구 단위에 대해 지진지반응답 매개변수를 토대로 단위 영역별 대푯값에 따른 부지분류를 수행하였다.
- 이들 지역의 시추조사 자료 대상의 최적화된 공간보간 설계에 따르면 ordinary kriging 기반으로 공간보간하며, 그 결과 공간그리드(공간격자구조) 상 셀별로 최대값이 평가됨으로써 보수적인 부지응답특성을 파악할 수 있도록 하였다. 또한 공간그리드를 기반으로 지층 두께 및 심도별 동적실험결과를 공간보간함으로써 누적 연산을 통해 부지응답 매개변수를 계산하는 방법이 교차검증(cross-validation) 기반 공간보간 신되도 분석에 있어 기존의 매개변수 기반 공간보간 방법보다 더 정밀하다고 평가되었다. 이를 따라 본 연구에서는 ordinary kriging를 토대로 공간그리드 기반으로 지층 두께의 최대값 연산을 통해 지구통계학적 공간분석을 수행하였다.
- 지진지반응답 매개변수(VS30, H, TG)별 공간구역화 결과, 경기도의 행정영역 내 산지를 제외한 주거단지 및 산업시설이 밀집한 대도시 및 인접 평야 지대를 포함한 영역들에서 VS30은 대략 340m/s부터 520m/s 정도로 분포하였다. 또한, 부지주기는 주거나 산업 시설이 밀접한 평지 대부분에서 약 0.18 초에서 0.49 초에 걸쳐 광범위하게 분포함에 따라, 2 층에서 5 층 정도 시설물의 지진취약성을 예측할 수 있었다. 결과적으로, 동일 부지에 대해서도 부지 분류의 차이가 다소 발생하였으며, 대체로 증폭 정도는 TG, VS30가 H에 비해 상대적 심화되었다.
- 대부분의 지역은 Geo-Data로부터 암반노두 또는 얕은 토층이 분포하는 산지 및 구릉지 등이었으며, 부지응답특성에 따라 지반운동 크기가 작게 증폭되어 C 또는 B로 분포되었다. 또한, 지진응답 매개변수인 기반암 심도(H), VS30과 부지주기(TG) 기준에 따라 동일 지점에 대해서도 부지 분류가 다르게 제시될 수 있으며, 대체로 증폭 정도의 심화는 TG, VS30, VS,soil은 유사하나 H는 상대적으로 작은 것을 부지분류분포를 통해 직관적으로 파악할 수 있었다. 이러한 부지분류체계 및 분류기준에 관한 연구는 여러 연구진에 의해 현재도 진행중이며, 국내 국지적인 토질조건, 지표 및 지하 지형에 따른 다양한 부지분류 변수에 따라 종합적 분석 및 정량화 연구가 진행되고 있다.
- 본 연구에서 제안된 부지효과의 공간구역화 의사결정 과정을 통해 경기도 지역 내 모든 부지조건에서의 예비적 수준의 부지 증폭계수 산정 및 그에 따른 설계지반운동의 결정이 가능하다. 또한, 구축된 행적구역별 부지효과에 따른 부지민감도 정보는 향후 대단위 토목공사 및 단지 재개발 시 최적의 입지 선정과 부지조건별 내진설계 의사 결정의 기반자료로 활용될 수 있다.
- 5%를 이상치 기준으로 정의하였다. 이상치 기준을 초과하는 자료를 제거하고 최적화된 기반암 심도의 RMSE는 약 1.8m로 시추조사 자료의 공간적 상관성이 높은 것으로 평가됨에 따라 부지응답특성에 따른 부지 분류의 공간적 불확실성이 비교적 낮은 신뢰도 높은 공간분석이 가능하였다. 이와 같은 데이터베이스의 무결성을 검증하는데 있어 지반공학 및 정보공학 전문가적 의사결정 과정이 필요하며, 이를 위해 데이터베이스 검증 항목을 Fig.
- 시추조사 자료의 공간밀도 분석을 통해 경기도 행정구역별 공간분석의 정밀도를 검토하였다. 이후 ordinary kriging을 토대로 공간그리드 기반의 지층 두께의 격자별 최대값 연산을 수행하였으며, 표고가 낮은 하천과 도심지 부근을 중심으로 토층의 두께가 상대적으로 두꺼운 것을 확인하였다.
- 이에 따라 현행 내진설계기준의 지반분류체계(Table 2)를 적용해본 결과, 평지 및 하안, 호안지역을 중심으로 주로 S3 또는 S4가 분포하고 있으며, 일부지역에서는 S5까지 분포하고 있었다. 제안된 지식 프레임의 부지분류 체계(Table 1)에 비해 현행 내진설계기준의 부지분류 체계(Table 2)는 국부지역에서 분명한 지반종류의 구분이 가능하였다. 행정단위 또는 시설물별로 합리적인 부지분류를 결정하기 위해서는 부지향후 국내외 부지분류체계에 따른 매개변수 및 분류기준의 정량적 차이를 분석하고, 지역별 최적의 부지분류 적용방안 수립 연구가 필요하겠다.
- 주로 서울시 외곽 주변지역을 중심으로 수원시, 일산시 및 인접영역을 중심으로 밀집도가 높은 것으로 확인되었으며, 이들 지역은 Kernel 함수로부터 단위면적(100m × 100m)당 25공의 시추조사 자료가 분포함으로써 비교적 높은 수준의 공간밀집도를 가졌다.
- 지진응답 매개변수 간의 공간적 이질성을 고려하였을 때 TG, VS30, VS,soil를 기준으로 공간그리드 정보를 토대로 일관성 있고 비교적 보수적인 경기도 지역 부지분류가 가능할 것으로 판단하였다. 본 연구에서는 경기도 행정영역 전체를 포괄하는 대상 영역에 대해 지역적 지진취약성 분석과 내진성능 파악 활용을 위해 공간 GIS프레임을 기반으로 구축된 지반 및 지표특성 정보를 토대로 부지응답 매개변수 기준의 구역화를 수행하였다.
- 지층 두께 및 전단파 속도 정보의 공간그리드 정보를 바탕으로 지진지반응답 매개변수별 공간 분포 구성과 이를 기반으로 한 부지분류를 수행하였다. 지진지반응답 매개변수(VS30, H, TG)별 공간구역화 결과, 경기도의 행정영역 내 산지를 제외한 주거단지 및 산업시설이 밀집한 대도시 및 인접 평야 지대를 포함한 영역들에서 VS30은 대략 340m/s부터 520m/s 정도로 분포하였다. 또한, 부지주기는 주거나 산업 시설이 밀접한 평지 대부분에서 약 0.
- 48 초의 범위를 보인다. 특히, 부지주기 공간그리드 정보를 토대로 상부 구조물의 공진 가능성에 따른 지진 취약도를 예비적으로 살펴보면, 경기도 지역 주요 도심지 지역 건축물 부지들의 경우 약 0.18 초에서 0.49 초 정도의 부지주기 분포를 보였다. 부지고유 지진응답 특성은 일반적으로 부지주기로 대표되며, 지역고유의 지진증폭특성이 고려된 지진파 에너지는 구조물의 고유 주기에 따라 공진현상을 유발시킬 수 있다(Kim et al.
후속연구
- 뿐만 아니라, 경주지진 및 포항지진 발생 시에 지진파의 증폭 특성 및 대상지역 구조물의 취약성분과의 상응관계를 고려함으로써 부지별 지진피해 가능성을 추정할 수 있다. 그러나 향후 경기도의 건축물 및 주요 시설물의 내진설계 적용유무와 내진성능 수준을 종합적으로 파악함으로써 지역별 지진재해 가능성을 고려한 경기도 맞춤형 지진방재대책 수립이 필요하다.
- 본 연구에서 제안된 부지효과의 공간구역화 의사결정 과정을 통해 경기도 지역 내 모든 부지조건에서의 예비적 수준의 부지 증폭계수 산정 및 그에 따른 설계지반운동의 결정이 가능하다. 또한, 구축된 행적구역별 부지효과에 따른 부지민감도 정보는 향후 대단위 토목공사 및 단지 재개발 시 최적의 입지 선정과 부지조건별 내진설계 의사 결정의 기반자료로 활용될 수 있다. 뿐만 아니라, 경주지진 및 포항지진 발생 시에 지진파의 증폭 특성 및 대상지역 구조물의 취약성분과의 상응관계를 고려함으로써 부지별 지진피해 가능성을 추정할 수 있다.
- 최종적으로 수원시, 안양시, 부천시 등의 수도권 일부영역을 중심으로 D2∼D4 등급의 상대적으로 취약한 부지분류가 이루어짐에 따라 향후 경기도 내진 대책수립 및 정책개선을 위한 우선 대상영역으로서의 집중적 관리가 필요할 것이다. 또한, 현행 내진설계기준의 부지분류 체계를 적용함으로써, 기존의 분류기준과의 공간적 차이점을 파악하였으며 향후 정량적인 비교분석 연구의 필요성을 확인하였다.
- 6), 이 격자 위치들에 대하여 계산된 지반정보들을 토대로 다양한 부지효과 매개변수들을 산정하였다. 본 연구의 지구통계학적 분석 및 지진지반응답 특성 평가 결과는 해당 지반 공간그리드의 필드로 구성되어 행정구역 및 시설물 영역 대상 부지분류의 확장적 활용가능성을 고려하였다.
- 주로 서울시 외곽 주변지역을 중심으로 수원시, 일산시 및 인접영역을 중심으로 밀집도가 높은 것으로 확인되었으며, 이들 지역은 Kernel 함수로부터 단위면적(100m × 100m)당 25공의 시추조사 자료가 분포함으로써 비교적 높은 수준의 공간밀집도를 가졌다. 이를 통해 분석품질 관리 상 향후 정밀한 부지응답 공간정보 구축을 위해 수원시, 일산시 등을 대상으로 정밀 공간분석 및 연계 평가가 가능할 것으로 판단되었다.
- 최종적으로 수원시, 안양시, 부천시 등의 수도권 일부영역을 중심으로 D2∼D4 등급의 상대적으로 취약한 부지분류가 이루어짐에 따라 향후 경기도 내진 대책수립 및 정책개선을 위한 우선 대상영역으로서의 집중적 관리가 필요할 것이다.
- 제안된 지식 프레임의 부지분류 체계(Table 1)에 비해 현행 내진설계기준의 부지분류 체계(Table 2)는 국부지역에서 분명한 지반종류의 구분이 가능하였다. 행정단위 또는 시설물별로 합리적인 부지분류를 결정하기 위해서는 부지향후 국내외 부지분류체계에 따른 매개변수 및 분류기준의 정량적 차이를 분석하고, 지역별 최적의 부지분류 적용방안 수립 연구가 필요하겠다.
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