[논문]지진 관측데이터 기반 지반응답스펙트럼 추정 알고리즘 제안 및 평가

안진희; 정진우; 홍유찬; 박재봉; 최형석

doi:10.11112/jksmi.2019.23.5.13

지진 관측데이터 기반 지반응답스펙트럼 추정 알고리즘 제안 및 평가
Proposal and Evaluation of Ground Response Spectrum Estimation Algorithm based on Seismic Observation Data 원문보기

한국구조물진단유지관리공학회 논문집 = Journal of the Korea Institute for Structural Maintenance and Inspection, v.23 no.5, 2019년, pp.13 - 22

안진희 (경남과학기술대학교, 토목공학과) , 정진우 (경남과학기술대학교, 전자공학과) , 홍유찬 (경남과학기술대학교, 토목공학과) , 박재봉 (한국시설안전공단 시설성능연구원) , 최형석 (국토교통연구인프라운영원)

초록
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본 연구는 지진계측시스템이 설치되지 않은 중소형 교량의 지진손상 수준을 평가하기 위하여 대상 중소형 교량 인근에 위치한 지진관측소의 지진관측 데이터를 이용하여 대상 교량위치에서의 지반응답스펙트럼을 추정하기 위한 알고리즘을 제시하였다. 일반적으로 중소형 교량의 내진설계 및 성능평가는 동적해석법 중 응답스펙트럼해석법이 가장 널리 활용되고 있으므로 대상 중소형 교량에 대한 평가 지진력으로 지반응답스펙트럼을 적용할 수 있는 알고리즘을 제시하였으며, 제안된 알고리즘을 이용한 프로그램 알고리즘도 제안하고 제안된 알고리즘을 통하여 실제 지진계측데이터를 이용하여 특정 위치에서의 지반응답스펙트럼 추정 예를 나타내었다.

Abstract ▼ AI-Helper

In order to evaluate the earthquake damage level of small and medium - sized bridges without earthquake monitoring system, we proposed an algorithm for estimating the seismic force at the target bridge location using the ground acceleration data from the earthquake observatories near the structure. In general, response spectrum analysis, which is the most widely used dynamic analysis method to design and evaluate the structural system numerically is required a response spectrum to determine the dynamic loading. In this study, selection methods of the three closest observatories from the target structure and estimation method of ground response spectrum at arbitrary locations are developed. The proposed method can consider the distance and phase between the target bridge and the seismic station and from the relationship between the acceleration amplitudes and the location of the selected seismic station, the earthquake loading of the target bridge can be determined. The proposed algorithm is estimated to be more conservative than the response spectrum evaluated by actual earthquake data.

주제어

표/그림 (20)

그림 Fig. 1 Concept of response spectrum estimation using seismic data
그림 Fig. 2 Example of earthquake observation boundary
그림 Fig. 3 Target structure with unlimited observation boundary
그림 Fig. 4 Target structure with limited observation boundary
그림 Fig. 5 Estimation of seismic response spectrum of target bridges
그림 Fig. 6 Response spectrum Algorithm at target bridges
그림 Fig. 7 Programing algorithm for estimating response spectrum
표 Table 1 Seismic data for estimating response spectrum
그림 Fig. 8 Relative location example for M5.4 – CASE 1
그림 Fig. 9 Relative location example for M5.8 – CASE 2
그림 Fig. 10 Relative location example for M5.8 – CASE 3
그림 Fig. 11 Measured acceleration data of seismic station (CASE 1)
그림 Fig. 13 Comparison of response spectra at target location (CASE 1)
그림 Fig. 12 Ground response spectrum (CASE 1)
그림 Fig. 14 Measured acceleration data of seismic station (CASE 2)
그림 Fig. 16 Comparison of response spectra at target location (CASE 2)
그림 Fig. 15 Ground response spectrum (CASE 2)
그림 Fig. 17 Measured acceleration data of seismic station (CASE 3)
그림 Fig. 19 Comparison of response spectra at target location (CASE 3)
그림 Fig. 18 Ground response spectrum (CASE 3)

AI 본문요약
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문제 정의

추정된 교량 위치 지반응답스펙트럼은 동일 주파수(주기)에서의 값을 평균하거나 최대 또는 최소값을 계산하여 사용할 수 있다. 본 연구에서는 각 주파수의 최대값을 선택하여 대상 교량 위치에서 보수적인 지진해석 등이 수행되도록 하였다.
본 연구에서는 지진계측시스템이 설치되지 않은 중소형 교량을 대상으로 지진피해 수준을 예측하기 위하여 확보가 요구되는 임의 교량 위치의 발생 지진력을 추정하는 방법을 제안하였다. 일반적으로 중소형 교량의 내진설계 및 성능평가는 동적해석법 중 응답스펙트럼해석법이 가장 널리 활용되고 있으므로 지진력으로 지반응답스펙트럼을 추정하였다.
본 연구에서는 지진계측시스템이 설치되지 않은 중소형 교량의 지진거동해석 및 지진손상도 평가를 위하여 대상 교량 인근에 위치한 지진관측소의 지진계측 자료를 활용하여 지반응답스펙트럼을 추정하기 위한 방법을 제안하였으며, 실제 지진 기록과 제안된 방법에 의해 추정된 지반응답스펙트럼수준을 비교하여 평가하였다.

제안 방법

지진력 산정은 기상청에서 운영 중인 지진관측소의 가속도 관측데이터를 기초로 하였으며, 교량 위치에 인접한 곳에서 획득된 관측결과를 활용하여 동적해석을 위한 가속도 지반응답스펙트럼으로 작성하였다. 각 관측소에서 계측한 지진가속도 데이터를 분석하여 관측소와 대상 구조물 간의 거리관계 및 가속도 수준을 비교하고 구조물 위치에서의 지반응답스펙트럼을 선형으로 추정하는 알고리즘을 제시하였으며, 국내에서 발생한 실제 지진 관측 결과와 비교하여 제안한 방법을 평가하였다.
전술한 과정에 의해 인근의 지진관측소 위치가 결정되면, 대상 교량 위치의 지반응답스펙트럼을 추정한다. 관측소 인근의 지반에 의한 영향 등을 고려하기 위하여 본 연구에서는 관측된 지진가속도의 최대값 (Peak Ground Acceleration, PGA)의 비와 관측소 위치 정보를 이용하여 지반응답스펙트럼의 수준을 추정하도록 하였다. 추정된 결과는 일반적으로 구조물에 영향을 주는 주파수 대역의 응답스펙트럼으로 설계응답스펙트럼(Shin et al.
대상 교량 인근에 위치한 지진관측소를 결정하기 위하여 지진관측소와 대상 교량의 상대적인 위치를 고려하여 적정한 관측소를 결정하는 위치결정 알고리즘을 제안하였다. 제안된 알고리즘은 대상 교량과 지진관측소간의 거리 및 위상을 고려할 수 있도록 하였으며, 선택된 지진관측소의 지진계측 자료를 활용하여 평가된 응답스펙트럼을 대상 교량 위치에서의 응답스펙트럼으로 산정하기 위하여 선택된 지진관측소의 지진가속도 정보와 위치정보를 활용하였다.
지진관측소의 상대적인 위상은 사분면으로 구분된 관측소 결정영역과 함께 관측소 위치의 위상정보를 제공하는 것으로 본 연구에서는 지진관측소의 위상정보를 4개로 구분하여, 첫 번째 관측소 결정 영역의 경우 1사분면을 Q_1,1, 2사분면을 Q_1,2, 3사분면을 Q_1,3, 4사분면을 Q_1,4로 나타낼 수 있으며, 결정 영역이 확장 정도에 따라 Q_n,1, Q_n,2, Q_n,3, Q_n,4과 같이 상대적인 관측소 위치 정보를 확인할 수 있도록 한다. 대상 교량과 관측소 결정영역에서 선택된 관측소간의 거리와 위상을 고려하여 동일한 위상에 관측소가 위치하게 되면 최소거리에 위치한 관측소가 선택되도록 하였다. 이는 대상 교량을 중심으로 유사한 지진관측 결과를 활용하는 것보다 상대적으로 지역이나 거리에 대한 영향을 고려한 것이다.
0이상의 지진 계측 결과를 이용해 작성한 응답스펙트럼과 제안 알고리즘에 의해 추정된 응답스펙트럼의 수준을 비교, 분석하였다. 대상 교량위치를 임의 지진관측소의 위치로 가정하고 인근에 지진관측소에서 계측된 지진가속도 자료를 이용하여 추정된 응답스펙트럼을 가정된 위치에서 추정된 응답스펙트럼으로 하여 비교하였다.
대상 교량을 기준으로 관측소의 위치에 대한 경계조건이 무한한 경우, 대상 교량과 지진관측소의 위치관계를 통하여 활용되는 지진관측소를 결정하도록 하였다. 이를 위하여 기상청에서 제공하는 지진관측소 위치 정보를 이용하여 관측소간 상대거리를 계산하고, 대상 교량을 중심으로 최소 상대거리를 갖는 관측소 영역을 결정하였으며, 관측소 결정 영역 내에서 목표로 하는 관측소의 수와 위상을 비교하였다.
본 연구에서 제안된 지진관측소 계측 데이터 기반 임의 교량 위치에서의 지반응답스펙트럼 추정 방법의 적용성을 검토하기 위하여 국내에서 발생한 규모 5.0이상의 지진 계측 결과를 이용해 작성한 응답스펙트럼과 제안 알고리즘에 의해 추정된 응답스펙트럼의 수준을 비교, 분석하였다. 대상 교량위치를 임의 지진관측소의 위치로 가정하고 인근에 지진관측소에서 계측된 지진가속도 자료를 이용하여 추정된 응답스펙트럼을 가정된 위치에서 추정된 응답스펙트럼으로 하여 비교하였다.
본 연구에서 제안하는 임의 교량 위치에서의 지진력 추정의 개념은 넒은 지역에 분포해있는 지진관측소들의 자유장 가속도 데이터를 확보하고 대상 구조물 위치에서의 선형응답스펙트럼을 추정하는 것으로 지진 안전성 평가가 요구되는 교량 인근의 최소 3개소 이상의 지진관측소를 선정 후 각 관측소의 지진 가속도데이터를 주파수 영역에서 계산하는 방법에 의해 추정하는 것이다.
본 연구에서는 Fig. 2에 나타낸 것과 같이 관측소와 대상 교량의 경계조건은 ① 교량 인근 관측소 선정의 경계가 무한한 경우와 ② 교량 인근 관측소 선정의 경계가 유한한 경우로 구분하고, 대상교량과 관측소간 거리 및 방향성을 고려하기 위하여 대상 교량과 관측소간의 절대거리와 위상을 고려할 수 있도록 하였다.
대상 교량을 기준으로 관측소의 위치에 대한 경계조건이 무한한 경우, 대상 교량과 지진관측소의 위치관계를 통하여 활용되는 지진관측소를 결정하도록 하였다. 이를 위하여 기상청에서 제공하는 지진관측소 위치 정보를 이용하여 관측소간 상대거리를 계산하고, 대상 교량을 중심으로 최소 상대거리를 갖는 관측소 영역을 결정하였으며, 관측소 결정 영역 내에서 목표로 하는 관측소의 수와 위상을 비교하였다.
대상 교량 인근에 위치한 지진관측소를 결정하기 위하여 지진관측소와 대상 교량의 상대적인 위치를 고려하여 적정한 관측소를 결정하는 위치결정 알고리즘을 제안하였다. 제안된 알고리즘은 대상 교량과 지진관측소간의 거리 및 위상을 고려할 수 있도록 하였으며, 선택된 지진관측소의 지진계측 자료를 활용하여 평가된 응답스펙트럼을 대상 교량 위치에서의 응답스펙트럼으로 산정하기 위하여 선택된 지진관측소의 지진가속도 정보와 위치정보를 활용하였다. 상기와 같은 과정으로부터 임의 대상 교량위치의 지진력을 산정할 수 있었다.
3(c)와 같이 확장된 관측소 결정 영역에서 목표로 하는 관측소보다 많은 수의 관측소가 발견되는 경우에는 대상 교량을 중심으로 거리뿐만 아니라 관측소의 상대적인 위상을 고려할 수 있도록 하였다. 지진관측소의 상대적인 위상은 사분면으로 구분된 관측소 결정영역과 함께 관측소 위치의 위상정보를 제공하는 것으로 본 연구에서는 지진관측소의 위상정보를 4개로 구분하여, 첫 번째 관측소 결정 영역의 경우 1사분면을 Q_1,1, 2사분면을 Q_1,2, 3사분면을 Q_1,3, 4사분면을 Q_1,4로 나타낼 수 있으며, 결정 영역이 확장 정도에 따라 Q_n,1, Q_n,2, Q_n,3, Q_n,4과 같이 상대적인 관측소 위치 정보를 확인할 수 있도록 한다. 대상 교량과 관측소 결정영역에서 선택된 관측소간의 거리와 위상을 고려하여 동일한 위상에 관측소가 위치하게 되면 최소거리에 위치한 관측소가 선택되도록 하였다.
지진력 산정은 기상청에서 운영 중인 지진관측소의 가속도 관측데이터를 기초로 하였으며, 교량 위치에 인접한 곳에서 획득된 관측결과를 활용하여 동적해석을 위한 가속도 지반응답스펙트럼으로 작성하였다. 각 관측소에서 계측한 지진가속도 데이터를 분석하여 관측소와 대상 구조물 간의 거리관계 및 가속도 수준을 비교하고 구조물 위치에서의 지반응답스펙트럼을 선형으로 추정하는 알고리즘을 제시하였으며, 국내에서 발생한 실제 지진 관측 결과와 비교하여 제안한 방법을 평가하였다.

대상 데이터

본 연구에 활용한 지진은 규모 5.8의 지진(2016.09.12., 위도 35.76°, 경도 129.18°)과 규모 5.4의 지진(2017.11.15., 위도 36.12°, 경도 129.36°)의 자유장 가속도 정보를 활용하였다.

성능/효과

본 연구에서 제안된 알고리즘을 이용해 실제 지진 계측자료와 추정값을 비교한 결과, 추정에 의한 것이 실제 지진 계측자료로 평가된 것보다 보수적으로 평가되었다. 이러한 결과는 제안된 알고리즘에서 응답스펙트럼 조합 시 각 주파수별 최대값에 의하고 지진관측소 간 상대적 거리가 현재 20 km 수준으로 비교적 멀어 그 응답의 차이가 크게 나타나기 때문으로 판단된다.
제안 추정방법은 자유장에서 측정된 가속도를 활용하는 것으로 진원으로부터 복잡하게 전달된 지진력의 증폭현상을 반영하지는 못하지만 인접한 다수의 관측소로부터 획득된 신뢰성 높은 가속도 데이터를 활용하고 거리 감쇄를 고려함으로써 비교적 높은 정확도를 확보하면서도 보다 신속히 발생 지진력을 추정할 수 있는 장점이 있다.
12는 가속도응답 스펙트럼을 나타낸 것이다. 지진파의 주요한 성분은 0.4초 이내인 것으로 나타났으며, CASE 1에서는 B관측소의 최대가속도가 가장 높은 것으로 확인되었다.

후속연구

이러한 결과는 제안된 알고리즘에서 응답스펙트럼 조합 시 각 주파수별 최대값에 의하고 지진관측소 간 상대적 거리가 현재 20 km 수준으로 비교적 멀어 그 응답의 차이가 크게 나타나기 때문으로 판단된다. 그러나 향후 지진 관측소의 수가 증가하여 관측소 간 상대거리가 줄어들수록 추정되는 응답스펙트럼의 결과는 보수적이나 실제 결과와 유사한 결과를 나타낼 것으로 판단된다.
본 연구결과는 교량뿐만 아니라 지진자료가 계측되지 않는 다양한 구조물의 지진손상 수준 및 평가를 위하여 다양한 형태로 적용가능 할 것으로 판단되며, 지진관측소 설치 위치가 증가하게 될 경우 그 적용성 및 활용성은 증가할 수 있을 것으로 판단된다.
일반적으로 구조물의 지진피해 정도를 추정하기 위해서는 구조물 설계 정보와 설치된 위치에서 발생한 지진력 정보가 요구된다. 앞서 언급한 것과 같이 기존에 설치된 가속도계 등의 계측 결과를 통해 발생한 지진력을 추정할 수 있는 시스템이 있다면 비교적 쉽게 발생 지진 정보를 획득하는 것이 가능하지만 그렇지 못한 대부분의 중소형 구조물들에 대한 지진 안전성을 평가하기 위해서는 발생한 지진력을 추정할 수 있는 기술이 필요하다.
현재, 지진재해가 발생하면 인근 주민의 제보 또는 구조물 관리자의 조사 등을 통하여 구조물의 손상을 확인하고 전문가에 의해 피해수준을 평가한 후 구조물의 계속적 사용여부의 판단하고 보수를 실시하는 방안을 제시하고 있다. 하지만 제한된 관리여건 내에서 모든 구조물의 안전성을 평가하기 어려우므로 관리 대상 구조물의 피해정도를 합리적으로 평가하여 지진대응 우선순위를 결정할 수 있는 시스템이 제시될 필요성이 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	지진조기경보시스템이란 무엇인가?	2017). 지진조기경보시스템과 지진재해대응시스템이 그 대표적인 예로, 전자는 지진발생 정보를 시민들에게 신속히 전달함으로써 지진 전, 후에 안전한 장소로 대피할 수 있도록 하며, 후자는 발생 지진재해에 따른 피해 정도를 예측하여 관리자에게 현장대응 및 복구를 위한 인력 및 물자를 공급하는 등의 기초정보를 제공한다(Jung et al., 2009).
	한국에서 지진재해 발생에 대비하여 구축한 대응체계에는 무엇이 있는가?	2017). 지진조기경보시스템과 지진재해대응시스템이 그 대표적인 예로, 전자는 지진발생 정보를 시민들에게 신속히 전달함으로써 지진 전, 후에 안전한 장소로 대피할 수 있도록 하며, 후자는 발생 지진재해에 따른 피해 정도를 예측하여 관리자에게 현장대응 및 복구를 위한 인력 및 물자를 공급하는 등의 기초정보를 제공한다(Jung et al., 2009).
	지진대응 우선순위를 결정하는 시스템은 왜 필요한가?	현재, 지진재해가 발생하면 인근 주민의 제보 또는 구조물 관리자의 조사 등을 통하여 구조물의 손상을 확인하고 전문가에 의해 피해수준을 평가한 후 구조물의 계속적 사용여부의 판단하고 보수를 실시하는 방안을 제시하고 있다. 하지만 제한된 관리여건 내에서 모든 구조물의 안전성을 평가하기 어려우므로 관리대상 구조물의 피해정도를 합리적으로 평가하여 지진대응 우선순위를 결정할 수 있는 시스템이 제시될 필요성이 있다.

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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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