[논문]서울, 경기지역의 시나리오별 액상화 위험지도 작성을 위한 지진가속도와 LPI 상관관계 분석

백우현; 최재순

doi:10.14481/jkges.2019.20.5.5

서울, 경기지역의 시나리오별 액상화 위험지도 작성을 위한 지진가속도와 LPI 상관관계 분석
Correlations of Earthquake Accelerations and LPIs for Liquefaction Risk Mapping in Seoul & Gyeonggi-do Area based on Artificial Scenarios 원문보기

한국지반환경공학회논문집 = Journal of the Korean Geoenvironmental Society, v.20 no.5, 2019년, pp.5 - 12

백우현 (Seoul National University of Science and Technology) , 최재순 (Seokyeong University)

초록
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2017년 11월 15일 발생한 $M_L=5.4$의 포항지진으로 액상화 피해사례가 접수되었으며 이에 대한 많은 연구가 수행 중에 있다. 지진에 의한 피해사례가 전무하였던 우리나라의 경우, 예방 및 대비에 해당하는 지진위험지도 작성과 지진 및 지진해일 관측시스템의 구축에 매우 소극적이었다. 지진은 가뭄, 홍수나 태풍 등과 달리, 발생 징후를 관찰하고 그 영향 및 규모를 미리 예측하기란 거의 불가능에 가깝기 때문에 예방 및 대비차원의 액상화 위험지도와 같은 지진재해지도 구축은 매우 효과적일 수 있다. 본 연구는 수도권지역 14,040개의 시추공 데이터를 수집하여 지반증폭계수를 이용한 액상화 평가를 우선적으로 실시하고 최대기반암가속도는 재현주기 200년부터 4,800년을 포함하는 최대기반암가속도 0.06g, 0.14g, 0.22g, 0.30g에 대한 액상화 위험지도를 작성하였다. 또한, 실시간 예측 가능한 액상화 위험지도 작성을 위해 지진가속도와 상관관계 분석을 실시하였으며 그 결과로 수치지도의 모든 셀에 해당하는 상관식이 제안되었다. 최종적으로 제안된 상관식을 이용하여 가상의 지진에 대한 액상화 위험지도를 작성하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

On November 15, 2017, a unpredictable liquefaction damage was occurred at the $M_L=5.4$ Pohang earthquake and after, many researches have been conducted in Korea. In Korea, where there were no cases of earthquake damage, it has been extremely neglectable in preparing earthquake risk maps and building earthquake systems that corresponded to prevention and preparation. Since it is almost impossible to observe signs and symptoms of drought, floods, and typhoons in advance, it is very effective to predict the impacts and magnitudes of seismic events. In this study, 14,040 borehole data were collected in the metropolitan area and liquefaction evaluation was performed using the amplification factor. Based on this data, liquefaction hazard maps were prepared for ground accelerations of 0.06 g, 0.14 g, 0.22 g, and 0.30 g, including 200years return period to 4,800years return period. Also, the correlation analysis between the earthquake acceleration and LPI was carried out to draw a real-time predictable liquefaction hazard map. As a result, 707 correlation equations in every cells in GIS map were proposed. Finally, the simulation for liquefaction risk mapping against artificial earthquake was performed in the metropolitan area using the proposed correlation equations.

주제어

표/그림 (14)

그림 Fig. 1. Liquefaction map of christchurch (new zealand EQC, 2015)
그림 Fig. 2. Liquefaction hazard map for northwestern alameda country(www.usgs.gov)
그림 Fig. 3. Liquefaction map of seoul (Kwak et al., 2015)
그림 Fig. 4. Flow chart of calculation LPI
표 Table 1. Amplification coefficient according to soil type of South Korea & euro-code (Ministry of Construction and Transportation, seismic design criteria II 1997; European Committee for standardization, 1998)
그림 Fig. 5. Evaluating liquefaction program (Baek, 2014)
그림 Fig. 6. Borehole locations in seoul, gyeongggi, incheon city
그림 Fig. 7. Liquefaction risk map using visual basic program
그림 Fig. 8. Seismic intensity distribution map (www.usgs.gov)
그림 Fig. 9. Coefficient of determination graph
표 Table 2. Priority analysis of function
표 Table 3. Priority analysis of hyperbolic & logarithm function
그림 Fig. 10. Simulation pga map at hongseong M_L6.0
그림 Fig. 11. Simulation liquefaction risk map at hongseong M_L6.0

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구는 14,040개에 달하는 지반정보의 처리를 위하여, Fig. 5와 같이 지반종별증폭계수를 이용한 액상화 평가전용 프로그램을 개발하여 액상화 평가를 수행하였다.
본 연구는 이상과 같이 국내에서 작성된 액상화 위험지도가 동일한 가속도 기준으로 작성된 점을 이용하여 가속도와 액상화 발생가능성 지수에 대한 상관관계분석을 통해 지진발생시 지진가속도가 위치별로 다르게 변하는 점을 반영한 실시간 액상화 위험지도를 제작하고자 하며 이를 수도권을 대상으로 모의하고자 한다.
본 연구는 진도분포에 따른 위치별 LPI 관계식을 산정하기 위하여 4가지의 2차함수식을 적용하여 경향에 가장 적합한 식을 제안하였다. 2차함수 관계식으로 Hyperbolic Function과 Root Function, Linear Fit, Log Function을 선정하여 경향성 분석을 실시하였다.
본 연구에서는 14,040개에 달하는 시추공 정보의 처리를 위하여, 시설물 중심의 액상화 평가방법에서 사용하는 지진 응답해석을 대신하여 액상화 평가 시 소요 시간을 줄일 수 있는 지반종별 증폭계수를 이용하여 액상화 평가를 수행하고 그 결과를 이용하여 LPI를 산정하였다. 이때, 이를 위한 별도의 스프레드시트를 개발하였다.
본 연구에서는 지반 증폭계수를 이용한 액상화 평가 프로그램을 개발하여 액상회 위험도를 작성하였으며, 실시간 연계를 위해 LPI와 지진가속도와의 상관분석을 통해 관계식을 제안하였다.

제안 방법

(1) 지반응답해석을 동반하는 액상화 평가법이 아닌 지반 종별 증폭계수를 이용한 Visual Basic 기반의 액상화 평가 프로그램을 개발하여 지진가속도별 광역지역(서울, 인천, 경기) 액상화 위험지도를 작성하였다. 이 프로그램은 수행과정이 간략하고 수행시간을 대폭 줄일 수 있으며, 국가지반정보통합DB센터에서의 지반정보가 업데이트가 될 시에는 지반정보의 업데이트 또한 유요함으로, 광역지역의 액상화 평가를 수행하기에 적절하다고 판단된다.
Eq. (7)의 지진감쇠식과 LPI가속도 간의 상관관계로부터 확정된 위치별 로그함수의 2변수를 통해 홍성에서 지진규모 6.0의 지진이 발생할 경우를 모의하였다.
본 연구는 진도분포에 따른 위치별 LPI 관계식을 산정하기 위하여 4가지의 2차함수식을 적용하여 경향에 가장 적합한 식을 제안하였다. 2차함수 관계식으로 Hyperbolic Function과 Root Function, Linear Fit, Log Function을 선정하여 경향성 분석을 실시하였다. X=0.
Log 함수식과 Hyperbolic function(쌍곡선 함수식) 중 가장 적합한 관계식을 선별하기 위한 상관분석 및 회귀분석을 다시 한 번 진행하여 r²(결정계수)를 구하고 이를 그래프로 그려 비교하였다. Fig.
2차함수 관계식으로 Hyperbolic Function과 Root Function, Linear Fit, Log Function을 선정하여 경향성 분석을 실시하였다. X=0.06g부터 0.38g까지 0.04g 간격으로 총 9가지의 지진가속도에 대하여, Y=위치별 LPI지수로 하였다. 707개의 대푯값에서 무작위로 추출한 71개의 표본데이터(10%)를 이용하여 각 관계식들의 경향성 분석을 하였으며, 분석된 결과는 Table 2와 같다.
또한, 내진설계기준을 참고하여 지반조사결과를 토대로 액상화 평가 생략지반을 분류하였으며 생략지반으로 판정된 경우에는 LPI값을 0으로 간주하였다.
먼저 액상화에 대한 지반의 저항력인 진동저항응력비(Cycle Resistance Ratio; CRR) 산정은 표준관입시험 SPT) N치를 이용하여 산정한다. 또한 CRR은 세립질 함유량이 증가함에 따라 그 값이 증가한다(Seed et al.
본 연구는 진도분포에 따른 위치별 LPI 관계식을 산정하기 위하여 지진가속도와 LPI지수에 관한 상관분석을 통해 2km by 2km에 가장 적합한 관계식을 제안하고자 하며 이때, 4가지의 2차함수식du(쌍곡선, 루트, 로그, 선형)을 적용하여 비교분석 하였다.
상관분석을 통하여 가장 유사한 경향을 보인 Hyperbolic function(쌍곡선 함수식)과 Log 함수식을 이용하여 707개의 관계식 제안 LPI를 추출하였으며, 추출된 LPI를 토대로 액상화 위험지도를 작성하여 액상화 평가프로그램으로 추출된 LPI와 지진가속도별로 비교하였다.
서울, 인천, 경기지역에 대한 액상화 위험지도 작성은 Fig. 6의 시추공위치의 지반 자료를 토대로 액상화 위험지도를 작성하였다.
본 연구에서 가속도에 따른 시추공별 LPI를 산정하기 위한 과정을 설명하면 다음과 같다. 우선적으로 지반조사자료를 토대로 지반분류를 수행하고 이를 통해 지반종별 증폭계수를 결정한다. 이 과정이 끝나면 가속도, 유효상재압과 전상재압, 그리고 지반종별증폭계수를 통해 지진에 의한 전단 응력비를 산정하고 지반조사 자료인 표준관입시험 결과를 통해 지반의 액상화 저항응력비를 산정하여 이를 비교함으로써 액상화 안전율을 산정하게 되며 Eq.
이때 사용한 LPI값은 2km×2km 격자로 구분한 총 707개의 격자에 대한 최댓값으로 산정하였으며, 재현주기 100 년부터 4,800년까지 모두 만족하는 0.06g～0.30g의 지진가 속도별 액상화 위험지도를 0.08g 간격으로 작성하였다.
본 연구에서는 14,040개에 달하는 시추공 정보의 처리를 위하여, 시설물 중심의 액상화 평가방법에서 사용하는 지진 응답해석을 대신하여 액상화 평가 시 소요 시간을 줄일 수 있는 지반종별 증폭계수를 이용하여 액상화 평가를 수행하고 그 결과를 이용하여 LPI를 산정하였다. 이때, 이를 위한 별도의 스프레드시트를 개발하였다.
이를 위해 우선적으로 수도권지역(서울, 인천, 경기)의 지반정보 처리를 위하여 Visual Basic으로 연계된 액상화 평가 스프레드시트를 개발하였으며 이를 이용하여 재현주기 100년부터 4,800년까지 모두 만족하는 0.06g～0.30g의 최대기반암가속도별 액상화 위험지도를 0.08g 간격으로 작성하였다. 이후, 지진재해시스템과 연동이 가능한 2km by 2km의 격자별 LPI를 선별 후 지진가속도와 LPI와의 상관 분석을 실시하여 지도상의 Cell 단위 개별 좌표에 대한 관계식을 제안하고, 최종적으로 홍성에서 지진이 발생했다는 가정 아래 수도권에 대한 실시간 액상화 위험지도를 작성하였다.
08g 간격으로 작성하였다. 이후, 지진재해시스템과 연동이 가능한 2km by 2km의 격자별 LPI를 선별 후 지진가속도와 LPI와의 상관 분석을 실시하여 지도상의 Cell 단위 개별 좌표에 대한 관계식을 제안하고, 최종적으로 홍성에서 지진이 발생했다는 가정 아래 수도권에 대한 실시간 액상화 위험지도를 작성하였다.
9와 Table 3을 통해서 Log 함수식이 Hyperbolic 함수식 보다 신뢰성이 높은 결과를 보여주고 있다. 좀 더 자세한 시각적 비교를 하기 위하여 액상화 평가 프로그램으로 구한 LPI값과 위의 두 가지 함수식으로 계산된 LPI를 각 지진가 속도별로 비교하였다.

대상 데이터

04g 간격으로 총 9가지의 지진가속도에 대하여, Y=위치별 LPI지수로 하였다. 707개의 대푯값에서 무작위로 추출한 71개의 표본데이터(10%)를 이용하여 각 관계식들의 경향성 분석을 하였으며, 분석된 결과는 Table 2와 같다.

데이터처리

(2) 지진가속도와 액상화 가능성지수(LPI)와의 상관관계에 대하여 2변수함수로 상관분석과 회귀분석을 수행하였으며 액상화 평가로 계산된 LPI와 가장 유사한 경향을 보이는 Log 함수식을 제안하였다.
(3) 제안한 관계식을 바탕으로 홍성지진 모의검증을 실시하였다. 모의검증 결과, 지진의 전파에 따른 지진가속도의 영향을 반영하여 실제 지진피해에 대한 액상화 피해검토 및 예측에 유용하다고 판단되며, 향후 국내실정에 맞는 지진동 감쇠식에 관한 연구와 더불어 액상화 위험 지도 연구가 함께 필요할 것으로 사료되며 향후 관련연구를 통하여 수정보완 될 필요성이 있다.

이론/모형

06g에서는 Hyperbolic 함수식이 실제 LPI값에 더 근접하지만 지진가속도가 높아짐에 따라 Log 함수식이 실제 값에 더 수렴하는 것을 볼 수 있었다. 따라서 최종적으로 실시간 액상화 위험지도를 작성하기 위한 관계식으로 Log 함수식을 선정하였다.
= 감쇠계수이며, 1997년에 건설교통부 주관으로 연구된 내진설계기준(II)에 포함되어 있는 지진파 감쇠공식이다. 본 연구는 감쇠공식 I에 해당하는 감쇠계수를 적용하였다(National disaster management institute 2001, Program development of seismic hazard map).
지반분류를 기준으로 CSR을 계산할 경우 Seed & Idriss(1971)이 제시한 Simplified Method를 2004년 개정한 (Eurocode 8- part 5, 2004)에서 적용한 변형식을 사용하였으며 이는 Eq.

성능/효과

8 이상일 경우에는 Perfect positive linear relationship이라고 Rea & parker(2005)가 언급한 바 있다. 10%의 표본을 분석한 결과 Hyperbolic function과 Log function에서 상관계수가 높은 경향을 보여 추출한 LPI와 유사한 거동을 보임을 알 수 있다. 따라서 이 두 가지의 케이스에 대하여 대표값 전체 707개로 다시 경향분석을 실시하였으며, 이에 따른 결과는 Fig.
그 결과 서울･경기지역의 진도분포는 Fig. 10과 같이 대상지역의 남서부분은 지진가속도 0.12g 정도로 계산되었으며, 북서쪽으로는 지진가속도가 0 혹은 0.03g 이하로 지진 가속도가 분포됨을 알 수 있다.
앞에서 설명한 Log 함수식을 이용하여 계산된 LPI와 액상화 프로그램으로 추출된 LPI의 액상화 위험지도 비교분석하여 본 결과, 지진가속도가 커질수록 위험도가 점점 유사한 경향을 보임을 알 수 있다. 따라서 안전율을 고려한 실시간 액상화 위험지도 작성을 위한 관계식으로 Log 함수 Eq.
이 연구에서 액상화 위험지도는 실시간 예측을 목표로 하는 만큼 해석수행시간이 매우 짧아야 하므로 시추공별 LPI를 분석하여 각 격자별 대표 LPI를 산정하는 것이 효과적이다. 이때 사용한 LPI값은 2km×2km 격자로 구분한 총 707개의 격자에 대한 최댓값으로 산정하였으며, 재현주기 100 년부터 4,800년까지 모두 만족하는 0.
(1) 지반응답해석을 동반하는 액상화 평가법이 아닌 지반 종별 증폭계수를 이용한 Visual Basic 기반의 액상화 평가 프로그램을 개발하여 지진가속도별 광역지역(서울, 인천, 경기) 액상화 위험지도를 작성하였다. 이 프로그램은 수행과정이 간략하고 수행시간을 대폭 줄일 수 있으며, 국가지반정보통합DB센터에서의 지반정보가 업데이트가 될 시에는 지반정보의 업데이트 또한 유요함으로, 광역지역의 액상화 평가를 수행하기에 적절하다고 판단된다.

후속연구

(4) 본 연구는 개정된 국가내진설계 공통기준 이전에 연구를 시작하여 개정 이전의 지반분류 체계와 증폭계수를 사용하였으며, 향후 새로 개정된 공통기준이 반영된 연구 및 비교･분석 연구를 진행할 필요가 있다.
(5) 본 연구를 통해 제안한 LPI와 지진가속도와의 관계식은 서울･경기지역의 자료를 기초로 분석한 것으로 지역적 한계성을 내포하고 있으며, 향후 연구를 통하여 지역적 한계성을 보완할 필요가 있다.
(3) 제안한 관계식을 바탕으로 홍성지진 모의검증을 실시하였다. 모의검증 결과, 지진의 전파에 따른 지진가속도의 영향을 반영하여 실제 지진피해에 대한 액상화 피해검토 및 예측에 유용하다고 판단되며, 향후 국내실정에 맞는 지진동 감쇠식에 관한 연구와 더불어 액상화 위험 지도 연구가 함께 필요할 것으로 사료되며 향후 관련연구를 통하여 수정보완 될 필요성이 있다.
본 연구에서 사용된 지반분류 및 증폭계수는 전 세계적으로 공통되게 사용되는 기준이나 국내의 경우, 최근 국내 지질조건에 대한 반영을 통해 내진설계 공통적용사항 내 새로운 지반분류체계가 제안된 바, 추후 이를 반영한 연구와 비교･분석 연구가 후속될 필요가 있다.
향후 실시간 적용 가능한 액상화 위험지도 작성을 위해서는 지진대응시스템에 적용된 최적 감쇠식과 연동되어 실시간 최대지반가속도 반영되어야 하고 그에 맞는 관계식 또한 지진대응시스템에 함께 Data화 되어야 한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	지진 재해의 피해를 줄이기 위한 노력은?	지진은 가뭄, 홍수나 태풍 등의 재해와 달리 사전 예측･ 예보가 불가능하여 대응･대비가 쉽지 않다. 이와 같은 지진 재해의 피해를 줄이고자 한국지진공학회가 주관하여 지진 위험지도(Ministry of Construction and Transportation, 1997) 가 처음 작성되었으며, 그 이후 소방방재청에서 2013년 공 표한 지진위험지도를 기반으로 사회 인프라시설의 내진설 계를 수행하고 있다. 하지만 액상화의 경우 지진의 발생 가능성보다 지반 상태 파악이 우선되어야 하므로 위험지도를 작성하기 쉽지 않다.
	지진의 특징은?	지진은 가뭄, 홍수나 태풍 등의 재해와 달리 사전 예측･ 예보가 불가능하여 대응･대비가 쉽지 않다. 이와 같은 지진 재해의 피해를 줄이고자 한국지진공학회가 주관하여 지진 위험지도(Ministry of Construction and Transportation, 1997) 가 처음 작성되었으며, 그 이후 소방방재청에서 2013년 공 표한 지진위험지도를 기반으로 사회 인프라시설의 내진설 계를 수행하고 있다.
	지진 재해중 위험지도로 나타내기 어려운 경우는?	이와 같은 지진 재해의 피해를 줄이고자 한국지진공학회가 주관하여 지진 위험지도(Ministry of Construction and Transportation, 1997) 가 처음 작성되었으며, 그 이후 소방방재청에서 2013년 공 표한 지진위험지도를 기반으로 사회 인프라시설의 내진설 계를 수행하고 있다. 하지만 액상화의 경우 지진의 발생 가능성보다 지반 상태 파악이 우선되어야 하므로 위험지도를 작성하기 쉽지 않다.

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상세보기
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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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