[논문]국내외 판내부 지진기록을 사용한 국내 지반의 지반운동 증폭특성 규명 및 토사지반의 표준설계응답스펙트럼의 제안

이진호; 김정한; 김재관

doi:10.5000/eesk.2018.22.7.391

문제 정의

2017년 7월 1일부터 시행되고 있는 내진설계기준 공통적용사항[2] 중이 연구와 연관된 사항에 대해 현황을 서술하고자 한다. 우선 공통적용사항에서는 우리나라의 지반을 Table 1과 같이 6종류로 분류하고, Table 1의 지반종류 중 암반지반에 해당하는 S₁ 지반에 대하여 Fig.
하지만, 내진설계 공통적용사항에서 제시하고 있는 암반지반 표준설계응답스펙트럼 형상에서 이미 평균+표준편차로 고려되어있으므로 지반증폭계수에서도 평균+표준편차의 값을 사용하면 보수성이 과도해 질 수도 있다. 따라서, 이 사항에 대해서는 내진공학 전문가, 공무원, 설계 및 시공회사 등 이해 당사자들의 합의를 통해 결정할 사항으로 판단되어, 이 연구에서는 이에 대한 논의는 포함하지 않고자한다.
암반지반과 토사지반 표준설계응답스펙트럼의 일관성을 확보하고자, 이 연구에서는 암반지반의 표준설계응답스펙트럼을 도출할 때 사용된 판내부 지진운동 기록 55개[3]를 사용하여 토사지반의 지반증폭계수와 표준설계응답스펙트럼을 도출하고자 한다. 사용된 55개 지진의 규모와 거리 분포, 그리고 각 지진기록의 응답스펙트럼, 중앙값(median) 또는 50 백분위수(50th percentile) 응답스펙트럼, 84.
하지만, 2017년 표준설계응답스펙트럼은 암반지반과 토사지반의 표준설계응답스펙트럼 간의 일관성을 확보하지 못하고 있다. 이 연구에서는 암반지반과 토사지반에서의 표준설계응답스펙트럼의 일관성을 확보하고자, 토사지반에서의 지반증폭계수를 재산정하고 이를 토대로 토사지반에서의 표준설계응답스펙트럼을 새로이 제안하였다. 이를 위해, 지반운동기록으로는 2017년 암반지반 표준설계응답스펙트럼을 도출할 때 사용된 국내외 판내부 지진기록 55개를 사용하였다.
이에 이 연구에서는 암반지반과 토사지반에서의 표준설계응답스펙트럼의 일관성을 확보하고자, 토사지반에서의 지반증폭계수를 재산정하고 토사지반에서의 표준설계응답스펙트럼 작성 방법을 새로이 제안하고자 한다. 이를 위해, 지반운동기록으로는 2017년 암반지반 표준설계응답스펙트럼을 도출할 때 사용된 국내외 판내부 지진기록 55개를 사용할 것이다.
앞에서 설명하였듯이 2017년부터 시행되고 있는 내진설계기준 공통적용사항의 표준설계응답스펙트럼은 암반지반과 토사지반에 대하여 일관성을 확보하지 못하고 있다. 이에 이 연구에서는 토사지반에서의 지반증폭계수를 재산정하여 암반지반과 토사지반 표준설계응답스펙트럼의 일관성을 확보하도록 하고자 한다. 지반증폭계수의 재산정은 다음과 같은 과정을 따라 이루어졌다.

가설 설정

이 때, 표준관입시험 시 단단한 암질에 도달하여 N치가 50에 이르러도 30 cm 깊이를 관입하지 못할 경우 50타수 이상의 N치는 선형적인 비례관계를 토대로 30 cm 두께 관입 시 N치로 환산하여 사용하였고, 이때 환산 N치는 300까지 적용하였다. 만약, 시추주상도에는 연암으로 기록되어 있지만 N치가 구체적으로 기재되어 있지 않거나 표준관입시험이 기반암까지 수행되지 않고 풍화토 또는 풍화암에서 종료되었을 때에는 시추 종료 하부 지반의 전단파 속도를 연암의 전단파 속도인 760 m/s로 가정하였다 [10, 11]. 엄밀한 부지응답해석을 위해서는 공학적 기반암까지 조사를 완료한 시추주상도를 사용하여야 할 것이지만, 이 연구에서는 기존시설물의 기초 및지반 내진성능 평가 및 향상요령[11]에 근거하여 전술한 가정을 사용하였고 이는 현재로서는 가장 합리적인 가정이라고 판단된다.
만약, 시추주상도에는 연암으로 기록되어 있지만 N치가 구체적으로 기재되어 있지 않거나 표준관입시험이 기반암까지 수행되지 않고 풍화토 또는 풍화암에서 종료되었을 때에는 시추 종료 하부 지반의 전단파 속도를 연암의 전단파 속도인 760 m/s로 가정하였다 [10, 11]. 엄밀한 부지응답해석을 위해서는 공학적 기반암까지 조사를 완료한 시추주상도를 사용하여야 할 것이지만, 이 연구에서는 기존시설물의 기초 및지반 내진성능 평가 및 향상요령[11]에 근거하여 전술한 가정을 사용하였고 이는 현재로서는 가장 합리적인 가정이라고 판단된다. 한편, 식 (1)을 사용하여 지층 구성 시, 이 연구에서는 상부 시험 심도부터 그 아래 시험 심도까지 동일 강성의 지층으로 구성하였다.
여기서 R_soil과 R_rock은 각각 토사지반과 암반지반에서의 진원거리를 의미하는데, 원거리 지진을 가정하여 이 두 거리는 동일하다고 가정하였다. 이 연구에서 지반증폭계수를 산정하기 위해 식 (2)에서 사용한 적분구간은 조형익 등[12]의 기존연구에서 사용한 적분구간과는 차이가 있는데, 이는 Fig.

제안 방법

다음으로 국내에서 실제로 얻어진 지반정보를 토대로 부지응답계산을 수행할 토사지반을 구성하였다. 이를 위해 국토지반정보 통합DB센터[8]를 활용하여 지반 주상도 자료를 획득하였다.
0[13]을 사용하여 총 50×4×55=11,000회를 수행하였다. 부지응답해석을 통해 토사지반 지표면에서의 지반운동과 이 운동의 응답스펙트럼 RS_soil (T)을 계산하였다. 단, T는 단자유도 구조물의 고유주기이다.
새로이 제안된 토사지반 표준설계응답스펙트럼이 기존의 것과 비교하여 어느 정도 변화되었는지 파악하기 위하여, 유효지반가속도 S = 0.154 g일 때 토사지반의 표준설계응답스펙트럼을 기존의 내진설계기준 공통적용사항(2017 code)의 표준설계응답스펙트럼과 Fig. 9에 비교하였다. 또한, 비교를 위해 조형익 등[12]에서 제안된 토사지반 설계응답스펙트럼도 Fig.
우리나라와 지진환경이 유사한 판내부 지진의 지반운동이 우리나라에서 실제로 관측된 지반에서 어떻게 증폭되는지 규명하기 위해 부지응답해석을 수행하였다. 부지응답해석은 ProShake 2.
이 때, 표준관입시험 시 단단한 암질에 도달하여 N치가 50에 이르러도 30 cm 깊이를 관입하지 못할 경우 50타수 이상의 N치는 선형적인 비례관계를 토대로 30 cm 두께 관입 시 N치로 환산하여 사용하였고, 이때 환산 N치는 300까지 적용하였다. 만약, 시추주상도에는 연암으로 기록되어 있지만 N치가 구체적으로 기재되어 있지 않거나 표준관입시험이 기반암까지 수행되지 않고 풍화토 또는 풍화암에서 종료되었을 때에는 시추 종료 하부 지반의 전단파 속도를 연암의 전단파 속도인 760 m/s로 가정하였다 [10, 11].
이를 위해, 지반운동기록으로는 2017년 암반지반 표준설계응답스펙트럼을 도출할 때 사용된 국내외 판내부 지진기록 55개를 사용하였다. 이 지반운동을 암반노두운동으로 사용하여 국내 지반의 부지응답해석을 수행하였고, 실제로 국내 지반에서 지반운동증폭이 어떻게 발생하는지 규명하였다.
이를 토대로 우리나라 토사지반의 지반증폭계수를 재산정하였다. 새로이 제안된 지반증폭계수를 기존의 지반증폭계수와 비교하여 보면, 단주기 지반증폭계수 F_a는 전반적으로 증가하고 장주기 지반증폭계수 F_v는 전반적으로 감소한 것을 확인할 수 있다.
이상과 같이 확보한 지반정보를 토대로 각 지반의 기반암까지의 깊이, 깊이 30 m까지의 평균 전단파 속도 V_S,30, 기반암 상부 지층의 평균 전단파 속도 V_S,soil, 기반암 상부 지층의 고유주기 T_G를 계산하였고, Table 4는 이 결과를 보여주고 있다. 한편, 조형익 등[10]의 기존 연구에서는 수집된 지반을 1997년 내진설계기준연구(II)의 지반분류에 따라 S_C, S_D, S_E 지반으로 분류하고 각 지반의 특성을 수록하였다.
재산정된 지반증폭계수를 사용하여 토사지반의 표준설계응답스펙트럼을 새로이 제안하였다. 기존의 설계응답스펙트럼과의 비교를 통하여, 새로이 제안한 지반증폭계수와 토사지반의 표준설계응답스펙트럼이 합리적으로 도출되었고 단주기 특성을 가지는 우리나라 지진과 지반 특성을 분명하게 보여주고 있음을 확인할 수 있다.
단, T는 단자유도 구조물의 고유주기이다. 토사지반의 응답스펙트럼을 암반지반에서의 응답스펙트럼 RS_rock (T)와 비교하여, 토사지반과 암반지반의 응답스펙트럼의 비 RS_soil (T)/RS_rock (T)를 산정하였다. S₂, S₃, S₄, S₅ 지반에 각각에 대하여 계산된 응답스펙트럼의 비가 Fig.

대상 데이터

이를 위해 국토지반정보 통합DB센터[8]를 활용하여 지반 주상도 자료를 획득하였다. S₂, S₃, S₄, S₅ 각각의 지반에 대하여 50개씩, 총 200개의 지반 주상도 자료를 확보하였다. 지반 주상도는 표준관입시험 N치와 지층 두께 등의 정보를 포함하고 있다.
다음으로 국내에서 실제로 얻어진 지반정보를 토대로 부지응답계산을 수행할 토사지반을 구성하였다. 이를 위해 국토지반정보 통합DB센터[8]를 활용하여 지반 주상도 자료를 획득하였다. S₂, S₃, S₄, S₅ 각각의 지반에 대하여 50개씩, 총 200개의 지반 주상도 자료를 확보하였다.
이 연구에서는 암반지반과 토사지반에서의 표준설계응답스펙트럼의 일관성을 확보하고자, 토사지반에서의 지반증폭계수를 재산정하고 이를 토대로 토사지반에서의 표준설계응답스펙트럼을 새로이 제안하였다. 이를 위해, 지반운동기록으로는 2017년 암반지반 표준설계응답스펙트럼을 도출할 때 사용된 국내외 판내부 지진기록 55개를 사용하였다. 이 지반운동을 암반노두운동으로 사용하여 국내 지반의 부지응답해석을 수행하였고, 실제로 국내 지반에서 지반운동증폭이 어떻게 발생하는지 규명하였다.
이에 이 연구에서는 암반지반과 토사지반에서의 표준설계응답스펙트럼의 일관성을 확보하고자, 토사지반에서의 지반증폭계수를 재산정하고 토사지반에서의 표준설계응답스펙트럼 작성 방법을 새로이 제안하고자 한다. 이를 위해, 지반운동기록으로는 2017년 암반지반 표준설계응답스펙트럼을 도출할 때 사용된 국내외 판내부 지진기록 55개를 사용할 것이다. 이 지반운동을 암반노두운동으로 사용하여 국내 지반의 부지응답해석을 수행하고, 실제로 국내 지반에서 지반운동증폭이 어떻게 발생하는지 규명할 것이다.

데이터처리

부지응답해석은 ProShake 2.0[13]을 사용하여 총 50×4×55=11,000회를 수행하였다.

성능/효과

재산정된 지반증폭계수를 사용하여 토사지반의 표준설계응답스펙트럼을 새로이 제안하였다. 기존의 설계응답스펙트럼과의 비교를 통하여, 새로이 제안한 지반증폭계수와 토사지반의 표준설계응답스펙트럼이 합리적으로 도출되었고 단주기 특성을 가지는 우리나라 지진과 지반 특성을 분명하게 보여주고 있음을 확인할 수 있다.
조형익 등[12]의 지반증폭계수는 Table 3의 괄호 안에 주어져 있다. 기존의 지반증폭계수와 비교를 통해, 이 연구에서 재산정한 단주기 지반증폭계수 F_a는 전반적으로 증가한 것을 확인할 수 있다. 이는 2016년 9.
본문에서 상술한 바와 같이 이 연구에서 사용한 지반 조건과 지진기록은 충분히 대표성을 가진다고 판단된다. 하지만, 지반 물성치 등에는 불확실성이 상존함을 고려할 때, 향후 지반증폭계수 산정을 위한 표준 지반조건에 대해 좀더 포괄적이고 체계적인 접근이 필요하고 전문가 집단의 합의에 기반한 구체화가 이루어져야 할 것이다.
이를 토대로 우리나라 토사지반의 지반증폭계수를 재산정하였다. 새로이 제안된 지반증폭계수를 기존의 지반증폭계수와 비교하여 보면, 단주기 지반증폭계수 F_a는 전반적으로 증가하고 장주기 지반증폭계수 F_v는 전반적으로 감소한 것을 확인할 수 있다. 이는 우리나라의 지진이 단주기 성분을 많이 포함하고 있고 우리나라 지반의 고유주기가 단주기임을 고려할 때, 당연한 결과라고 할 수 있다.
반면에, S2 지반에 대해서는 이 연구에서 제안한 단주기 영역의 스펙트럼 가속도가 조형익 등[12]의 설계응답스펙트럼보다 더 높은 수준임을 관찰할 수 있다. 이는 이 연구에서 사용된 55개 판내부 지진 지반운동의 특성에 기인한 것이고, 제안한 표준설계응답스펙트럼이 우리나라의 지진 지반운동에서 단주기 성분이 우세하다는 특성을 잘 반영하고 있음을 의미한다.
9에서 확인할 수 있다. 이는 이 연구에서 제안한 지반증폭계수와 토사지반의 표준설계응답스펙트럼이 합리적으로 도출되었음을 의미한다. 반면에, S2 지반에 대해서는 이 연구에서 제안한 단주기 영역의 스펙트럼 가속도가 조형익 등[12]의 설계응답스펙트럼보다 더 높은 수준임을 관찰할 수 있다.
하지만, 전반적으로 감소한 장주기 지반증폭계수 F_v로 인해 장주기 영역에서는 감소한 값을 보여주고 있다. 즉, 새로이 제안된 표준설계응답스펙트럼은 단주기 특성을 가지는 우리나라 지진과 지반 특성을 분명하게 보여주고 있음을 확인할 수 있다.
이러한 사실에 기반하여 Table 4와 조형익 등[10]에 수록된 지반 특성을 비교하면, 이 연구에서 사용한 지반이 기존 연구와 유사한 지반 특성을 가지고 있음을 유추할 수 있다. 즉, 이 연구에서 수집하여 사용한 지반 정보가 기존의 자료와 비교할 때 충분히 수용 가능하다는 결론을 내릴 수 있다.

후속연구

F_v를 계산할 때 평균+표준편차의 값을 사용하여 고층건물과 장대교량 등에 대해 보수적인 표준설계응답스펙트럼을 사용하도록 할 수도 있을 것이다. 또한, 단주기 특성이 강한 국내 지진 특성을 고려하여[6, 7], 평균+표준편차의 값으로 F_a를 계산하여, 단주기 증폭에 대해 보수적인 표준설계응답스펙트럼을 도출할 수도 있을 것이다.
를 계산할 때 평균+표준편차의 값을 사용하여 고층건물과 장대교량 등에 대해 보수적인 표준설계응답스펙트럼을 사용하도록 할 수도 있을 것이다. 또한, 단주기 특성이 강한 국내 지진 특성을 고려하여[6, 7], 평균+표준편차의 값으로 F_a를 계산하여, 단주기 증폭에 대해 보수적인 표준설계응답스펙트럼을 도출할 수도 있을 것이다. 하지만, 내진설계 공통적용사항에서 제시하고 있는 암반지반 표준설계응답스펙트럼 형상에서 이미 평균+표준편차로 고려되어있으므로 지반증폭계수에서도 평균+표준편차의 값을 사용하면 보수성이 과도해 질 수도 있다.
이 연구에서 새로이 제안한 지반증폭계수와 토사지반의 표준설계응답스펙트럼을 사용하여, 내진설계기준 공통적용사항에서 암반지반과 토사지반에 관한 내용이 일관성을 확보하게 될 수 있을 것이다. 이를 토대로 연구자와 실무엔지니어들이 혼동 없이 내진설계기준 공통적용사항과 표준설계응답스펙트럼을 활용할 수 있을 것으로 기대된다.
이를 위해, 지반운동기록으로는 2017년 암반지반 표준설계응답스펙트럼을 도출할 때 사용된 국내외 판내부 지진기록 55개를 사용할 것이다. 이 지반운동을 암반노두운동으로 사용하여 국내 지반의 부지응답해석을 수행하고, 실제로 국내 지반에서 지반운동증폭이 어떻게 발생하는지 규명할 것이다. 이를 토대로 우리나라 토사지반의 지반증폭계수를 재산정하고, 토사지반의 표준설계응답스펙트럼을 새로이 제안할 것이다.
이 연구에서 새로이 제안한 지반증폭계수와 토사지반의 표준설계응답스펙트럼을 사용하여, 내진설계기준 공통적용사항에서 암반지반과 토사지반에 관한 내용이 일관성을 확보하게 될 수 있을 것이다. 이를 토대로 연구자와 실무엔지니어들이 혼동 없이 내진설계기준 공통적용사항과 표준설계응답스펙트럼을 활용할 수 있을 것으로 기대된다.
이 지반운동을 암반노두운동으로 사용하여 국내 지반의 부지응답해석을 수행하고, 실제로 국내 지반에서 지반운동증폭이 어떻게 발생하는지 규명할 것이다. 이를 토대로 우리나라 토사지반의 지반증폭계수를 재산정하고, 토사지반의 표준설계응답스펙트럼을 새로이 제안할 것이다.
하지만, 지반 물성치 등에는 불확실성이 상존함을 고려할 때, 향후 지반증폭계수 산정을 위한 표준 지반조건에 대해 좀더 포괄적이고 체계적인 접근이 필요하고 전문가 집단의 합의에 기반한 구체화가 이루어져야 할 것이다. 이와 더불어 좀 더 많은 국내 지진기록이 확보되면 현재의 연구 결과보다 더 의미있는 결과를 도출할 수 있을 것으로 기대된다.
본문에서 상술한 바와 같이 이 연구에서 사용한 지반 조건과 지진기록은 충분히 대표성을 가진다고 판단된다. 하지만, 지반 물성치 등에는 불확실성이 상존함을 고려할 때, 향후 지반증폭계수 산정을 위한 표준 지반조건에 대해 좀더 포괄적이고 체계적인 접근이 필요하고 전문가 집단의 합의에 기반한 구체화가 이루어져야 할 것이다. 이와 더불어 좀 더 많은 국내 지진기록이 확보되면 현재의 연구 결과보다 더 의미있는 결과를 도출할 수 있을 것으로 기대된다.

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	본 연구에서 표준설계응답스펙트럼의 일관성을 확보하기 위해 제안한 것은?	하지만, 2017년 표준설계응답스펙트럼은 암반지반과 토사지반의 표준설계응답스펙트럼 간의 일관성을 확보하지 못하고 있다. 이 연구에서는 암반지반과 토사지반에서의 표준설계응답스펙트럼의 일관성을 확보하고자, 토사지반에서의 지반증폭계수를 재산정하고 이를 토대로 토사지반에서의 표준설계응답스펙트럼을 새로이 제안하였다. 이를 위해, 지반운동기록으로는 2017년 암반지반 표준설계응답스펙트럼을 도출할 때 사용된 국내외 판내부 지진기록 55개를 사용하였다.
	다양한 시설물의 내진설계를 위해 시설물에 작용하는 지진하중을 산정할 때 필요한 것은?	다양한 시설물의 내진설계를 위해서는 시설물에 작용하는 지진하중을 산정하기 위한 설계응답스펙트럼이 필요하다. 우리나라에서는 1997년 내진설계기준연구(II)에서 내진설계를 위한 설계응답스펙트럼을 최초로 제안하였고[1], 이를 보완한 표준설계응답스펙트럼이 2017년 7월 1일부터 사용되고 있다[2-5].
	표준설계응답스펙트럼 간의 일관성을 확보하지 못한 것을 확인하는 방법은?	하지만, 다수의 지진공학자들에 의하여 지적되었듯이 2017년 표준설계 응답스펙트럼은 암반지반과 토사지반의 표준설계응답스펙트럼 간의 일관성을 확보하지 못하고 있다. 이는 단주기 지반증폭계수 Fa와 장주기 지반증폭계수 Fv를 1로 가정하였을 때 토사지반의 표준설계응답스펙트럼이 암반지반의 표준설계응답스펙트럼과 일치하지 않는다는 점을 통해 쉽게 확인이 가능하다[2].

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