[논문]개정된 지반증폭계수의 Macro적 액상화 평가에 미치는 영향 분석

백우현; 최재순

doi:10.7843/kgs.2020.36.2.5

개정된 지반증폭계수의 Macro적 액상화 평가에 미치는 영향 분석
Analysis of the Effect of the Revised Ground Amplification Factor on the Macro Liquefaction Assessment Method 원문보기

韓國地盤工學會論文集 = Journal of the Korean geotechnical society, v.36 no.2, 2020년, pp.5 - 15

백우현 (서울과학기술대학교 건설시스템공학과) , 최재순 (서경대학교 토목건축공학과)

초록
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포항지진(M_L=5.4) 시 발생한 액상화 현상은 국민들에게 지진으로 유발되는 액상화의 위험성을 새롭게 각인시켰고, 이에 대한 대비책으로 액상화 위험지도의 관심이 높아지고 있다. 현재 행정안전부가 보유하고 있는 액상화 위험지도는 2014년 제작된 것으로 전국 100,000개 이상의 시추 자료를 토대로 지하수위 0m인 조건으로 지반조건별 증폭계수를 사용하였으며 시추정보가 없는 지역은 보간법을 이용하여 2km × 2km 격자형식으로 제작된 것이 특징이다. 이러한 가운데, 2018년 행정안전부는 내진설계 공통기준의 새로운 지반분류법과 증폭계수를 공표하였다. 따라서 개정된 행정안전부의 증폭계수를 반영한 액상화 위험지도의 재작성이 필요하다. 본 연구는 내진설계 공통기준 개정 전·후 두 개의 기준으로 전 국토를 대상으로 지반분류를 수행하여 변동성을 분석하였으며, 지반조건별 증폭계수를 적용한 액상화 평가결과를 부산시 강서구를 대상으로 수행하였다. 이때 재현주기 500년과 1,000년에 해당하는 지반가속도를 적용하였으며 우리나라 평균 지하수위인 5m와 극한 조건인 0m로 구분하여 액상화 위험도를 평가하였다. 액상화 위험지도는 기존의 2km × 2km보다 높은 해상도를 확보하기 위해 500m × 500m 격자를 생성하여 위험지도를 작성하였다. 연구결과, 기존 지반분류 기준을 통해 S_C, S_D 지반으로 분류되었던 지반상태가 개정된 지반분류 기준을 통해 S₂, S₃, S₄로 재분류되었다. 재현주기 500년과 1,000년으로 액상화 평가를 수행한 결과 개정 전 지반증폭계수 적용한 LPI가 상대적으로 과대평가되는 결과를 도출하였다. 본 연구결과는 증폭계수를 이용하는 광역지역 액상화 위험지도 작성의 근간인 액상화 평가에 큰 영향을 미치는 요소로써 향후 광역지역 액상화 위험지도 작성의 경우 반드시 고려될 사항으로 판단된다

Abstract ▼ AI-Helper

The liquefaction phenomenon that occurred during the Pohang earthquake (ML=5.4) brought new awareness to the people about the risk of liquefaction caused by the earthquake. Liquefaction hazard maps with 2 km grid made in 2014 used more than 100,000 borehole data for the whole country, and regions without soil investigation data were produced using interpolation. In the mapping of macro liquefaction hazard for the whole country, the site amplification effect and the ground water level 0 m were considered. Recently, the Ministry of Public Administration and Security (2018) published a new site classification method and amplification coefficient of the common standard for seismic design. Therefore, it is necessary to rewrite the liquefaction hazard map reflecting the revised amplification coefficient. In this study, the results of site classification according to the average shear wave velocity in soils before and after revision were compared in the whole country. Also, liquefaction assessment results were compared in Gangseo-gu, Busan. At this time, two ground accelerations corresponding to the 500 and 1,000 years of return period and two ground water table, 5 m for the average condition and 0 m the extreme condition were applied. In the drawing of liquefaction hazard map, a 500 m grid was applied to secure a resolution higher than the previous 2 km grid. As a result, the ground conditions that were classified as SC and SD grounds based on the existing site classification standard were reclassified as S2, S3, and S4 through the revised site classification standard. Also, the result of the Liquefaction assessments with a return period of 500 years and 1,000 years resulted in a relatively overestimation of the LPI applied with the ground amplification factor before revision. And the results of this study have a great influence on the liquefaction assessment, which is the basis of the creation of the regional liquefaction hazard map using the amplification factor.

주제어

표/그림 (13)

그림 Fig. 1. The procedure of the study
그림 Fig. 2. Location of study area
표 Table 1. Level of liquefaction damage by LPI (Iwasaki et al., 1982)
표 Table 2. Soil classification and amplification factor
그림 Fig. 3. Mapping result of 2 types of site classification
그림 Fig. 4. Result of 2 types of Site Classification
그림 Fig. 5. Result of Changing soil classification analysis
그림 Fig. 6. Decision to Select representative value
그림 Fig. 7. 500 years of return period Liquefaction hazard map (Groundwater level 5M)
그림 Fig. 8. 1,000 years of return period Liquefaction hazard map (Groundwater level 5M)
그림 Fig. 9. 500 years of return period Liquefaction hazard map (Groundwater level 0M)
그림 Fig. 10. 1,000 years of return period Liquefaction hazard map (Groundwater level 0M)
그림 Fig. 11. Analysis of LPI level changes of two standards

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 2018년 공표된 내진설계기준 공통적용사항 내 지반분류와 지반종류에 따른 지반증폭계수에 대한 개정이 Macro적 액상화 위험지도에 미치는 영향을 분석하였다. 이를 위해 전국의 시추조사자료 약 12만 2천여개의 정보를 바탕으로 지반분류를 우선적으로 수행하였다.
본 연구에서는 앞선 분석을 통해 나타난 지반증폭계수의 개정이 Macro적 액상화 평가에 미치는 영향을 분석하기 위해 각 지반조사자료를 토대로 액상화 평가를 수행하고 이를 통해 500m×500m 격자를 기준으로 한 액상화 발생가능성지수를 산정하고 이를 수치지도에 도시하였다.
본 연구에서는 행정안전부가 2018년 새롭게 공표한 내진설계기준 공통적용사항에 수록된 지반분류체계와 지반조건별 증폭계수를 이용하는 Macro적 액상화 평가법의 타당성을 검증하고자 하며 연구절차는 [Fig. 1]과 같다.
이때, 액상화 위험지도는 지하수위 0m, 5m인 경우와 재현주기 500년 1,000년의 경우로 구분하여 작성하였다. 특히, 액상화 위험도 지도를 작성하기 전, Macro적 위험지도를 구성하는 격자 내부의 대푯값 선정에 대한 적용성 검토를 우선 수행하였으며 본 연구를 수행하여 얻어진 결과는 다음과 같다.

제안 방법

격자형식 액상화 위험지도는 각 격자의 대푯값을 선정하는 의사결정이 필요하다. 따라서, 본 연구에서는 시추공을 기반으로 액상화 평가를 수행한 후 데이터가 없는 지역의 경우 가까이 있는 실측 값에 더 큰 가중 값을 주어 보간하는 방법인 IDW(Inverse Distance Weighted) 보간기법을 적용하여 위험지도를 작성하고 이를 격자 내 LPI값이 최대인 경우와 평균값을 비교하였으며 이를 함께 나타내면 [Fig. 6]과 같다.
이를 위해 전국의 시추조사자료 약 12만 2천여개의 정보를 바탕으로 지반분류를 우선적으로 수행하였다. 또한, 부산 강서구 지역을 대상으로 개정 전･후 지반분류체계 기준으로 지반조건별 증폭계수를 이용하는 액상화 평가를 수행하고 액상화 위험지도를 작성하여 비교･분석하였다. 이때, 액상화 위험지도는 지하수위 0m, 5m인 경우와 재현주기 500년 1,000년의 경우로 구분하여 작성하였다.
154g을 각각 적용하였다. 또한, 액상화 평가시 주요한 지표인 지하수위의 상대적 분석을 위하여 극한상태인 0m의 경우와 평균 지하수위인 5m의 경우를 비교･분석하였다. 극한상태인 0m는 집중호우 및 태풍 등으로 인해 지하수위가 지표까지 상승하여 토층 전체가 포화된 경우를 고려한 것이다.
본 연구는 개정된 지반조건별 증폭계수 적용의 타당성 검증과 Macro적 액상화 평가에 미치는 영향 분석을 위하여 전국 120,000개의 시추공 정보를 이용하여 내진설계기준 공통적용사항 개정 전후의 지반분류를 비교･분석하고 부산시 강서구를 대상으로 우리나라 평균 지하수위인 5m와 극한상황인 0m의 경우로 가정하여 액상화 위험지도를 작성하였다. 이때 재현주기 500년과 1,000년에 해당하는 지반가속도 0.
5이며 경험식 (5)를 이용하여 산정된 안전율을 식 경험식 (1)에 대입하여 최종 LPI를 산정한다. 본 연구에서는 63개의 액상화 발생지역과 22개의 액상화 미발생 지역을 대상으로 하여 LPI값에 따른 액상화 피해정도와의 상관관계를 제안한 Iwasaki의 [Table 1]의 피해범주를 적용하였다.
1] Step 3에 해당하는 지반조건별 증폭계수를 이용하는 Macro적 액상화 평가법을 수행하기 위해서는 지반분류가 선행되어야 한다. 본 연구에서는 이를 위해 전국의 시추조사자료를 이용하여 내진설계 기준 공통적용사항 개정 전･후의 지반분류체계를 모두 적용하여 비교･분석하였다. 이때 1997년 건설교통부가 제정한 내진설계 기준의 지반분류와 그에 따른 지반 증폭계수는 미국 서부 지역의 기준(Kim et al.
본 연구에서는 전국을 대상으로 내진설계기준 공통적용사항 개정 전･후 기준으로 지반분류를 수행하였다. 또한, 분류결과는 ArcGis10.
이때 재현주기 500년과 1,000년에 해당하는 지반가속도 0.11g과 0.154g을 적용하였으며 전국은 물론, 시군 단위에서의 해상도를 고려하여 2km × 2km 격자형식이 아닌 500m × 500m 격자형식을 적용하였다.
지반종류 및 연계된 지반증폭계수의 변화가 Macro액상화 위험지도 작성에 어떤 영향을 주는가를 분석하기 위해 실제 부산시 강서구를 대상으로 액상화 평가를 수행하고 액상화 위험지도를 작성하였다. 이때, 지진가속도는 붕괴방지 2등급과 1등급에 해당되는 재현주기 500년의 0.11g과 1000년의 0.154g을 각각 적용하였다. 또한, 액상화 평가시 주요한 지표인 지하수위의 상대적 분석을 위하여 극한상태인 0m의 경우와 평균 지하수위인 5m의 경우를 비교･분석하였다.
본 연구에서는 2018년 공표된 내진설계기준 공통적용사항 내 지반분류와 지반종류에 따른 지반증폭계수에 대한 개정이 Macro적 액상화 위험지도에 미치는 영향을 분석하였다. 이를 위해 전국의 시추조사자료 약 12만 2천여개의 정보를 바탕으로 지반분류를 우선적으로 수행하였다. 또한, 부산 강서구 지역을 대상으로 개정 전･후 지반분류체계 기준으로 지반조건별 증폭계수를 이용하는 액상화 평가를 수행하고 액상화 위험지도를 작성하여 비교･분석하였다.
지반분류를 통한 개정 전후의 지반분류 분석 후 지반조건별 증폭계수를 이용하는 Macro적 액상화 평가를 수행하였다. 획득한 SPT-N치 자료는 국토지반정보 통합DB센터의 연구수행 중 획득한 지반조사자료이며 신뢰성 검증 및 DB표준화 작업 QC Filtering 기법(Ganget al.
는 샘플러 종류에 대한 보정이다. 지반조사결과를 토대로 액상화 평가 후 생략지반으로 판정된 경우에는 LPI값을 0으로 간주하였다. 지진에 의한 전단응력비, CSR은 지반분류에 따라 지반증폭계수와 지진가속도를 적용하여 산정하거나 지진응답해석을 통해 산정하는 방법이 있다.
지반종류 및 연계된 지반증폭계수의 변화가 Macro액상화 위험지도 작성에 어떤 영향을 주는가를 분석하기 위해 실제 부산시 강서구를 대상으로 액상화 평가를 수행하고 액상화 위험지도를 작성하였다. 이때, 지진가속도는 붕괴방지 2등급과 1등급에 해당되는 재현주기 500년의 0.

대상 데이터

본 연구에서는 우리나라 지반의 분류상태를 검토하기 위해 국토지반정보 통합DB센터의 전국 지반조사자료 약 138,000개를 활용하였으며, 이중 입력 좌표의 오류, 누락된 자료의 삭제 작업 등 자체 데이터 필터링 과정을 통하여 최종적으로 약 122,000개의 SPT-N치 자료를 이용하여 지반분류를 수행하였다. 지반분류 대상지역은 전국의 지반조사자료로 선정하였으며 지반분류 대상지역과 시추공 위치자료는 [Fig.
본 연구에서는 우리나라 지반의 분류상태를 검토하기 위해 국토지반정보 통합DB센터의 전국 지반조사자료 약 138,000개를 활용하였으며, 이중 입력 좌표의 오류, 누락된 자료의 삭제 작업 등 자체 데이터 필터링 과정을 통하여 최종적으로 약 122,000개의 SPT-N치 자료를 이용하여 지반분류를 수행하였다. 지반분류 대상지역은 전국의 지반조사자료로 선정하였으며 지반분류 대상지역과 시추공 위치자료는 [Fig. 2](a)와 같다.
지반분류를 통한 개정 전후의 지반분류 분석 후 지반조건별 증폭계수를 이용하는 Macro적 액상화 평가를 수행하였다. 획득한 SPT-N치 자료는 국토지반정보 통합DB센터의 연구수행 중 획득한 지반조사자료이며 신뢰성 검증 및 DB표준화 작업 QC Filtering 기법(Ganget al., 2019)을 통한 데이터 검증으로 최적화된 지반조사자료 1,186개를 이용하고자 대상지역을 부산시 강서구로 선정하였다.

데이터처리

본 연구에서는 전국을 대상으로 내진설계기준 공통적용사항 개정 전･후 기준으로 지반분류를 수행하였다. 또한, 분류결과는 ArcGis10.1 프로그램을 이용하여 수치지도로 나타냈으며 그 결과는 [Fig. 3]과 같다.

이론/모형

[Fig. 1]의 Step 5에 해당하는 Macro적 액상화 평가 후 내진설계기준 개정 전･후의 액상화 위험도를 파악하기 위해 액상화 발생가능성 지수(Liquefaction potential index: LPI)를 산정하였으며 Iwasaki가 제안한 경험식 (1)을 이용하였다.

성능/효과

(1) 개정 전･후 지반분류체계 기준으로 지반분류를 수행한 결과 기존 지반분류체계의 경우 대다수의 시추조사자료 정보가 S_C, S_D 지반으로 분류되었으며, 개정 후 지반분류체계 적용시 S₂, S₃ ,S₄ 지반으로 재분류 됨을 확인하였다. 또한, 개정 전후의 변화 경향을 보면, S_C지반은 S₂, S_D지반은 S₂로, S_E지반은 S₃로 재분류되는 경우가 가장 많게 나타났다.
(2) 시추공 기반의 IDW보간법을 적용한 위험지도에 대해 각 격자 내 LPI 최대값과 평균값을 적용한 위험지도를 비교한 적용성 검토결과, 평균값을 사용하는 경우가 시추공 기반의 위험지도와 유사한 것으로 나타났다.
(3) 격자 내 평균값을 이용하여 지하수위와 가속도 변화에 대해 Macro 액상화 위험지도를 작성하여 비교한 결과, 평균지하수위인 5m와 재현주기 500년 수준의 0.11g을 고려한 경우에는 개정 후의 LPI값이 개정 전보다 전반적으로 낮게 산정되는 것이 수치지도 상에 명확하게 나타난 반면, 지하수위 0m와 재현주기 1000년의 경우에는 개정 전후의 변화양상이 미비한 것으로 나타났다. 또한, 평균지하수위 5m시의 재현주기 500년과 1000년의 액상화 발생가능성을 LPI 5를 기준으로 구분하여 분석한 결과, 개정 후 지반증폭계수를 적용한 경우가 개정 전의 값을 적용한 경우보다 액상화 발생가능성이 낮은 부분이 증가하고 높은 부분은 감소하는 것으로 나타났다.
11g을 고려한 경우에는 개정 후의 LPI값이 개정 전보다 전반적으로 낮게 산정되는 것이 수치지도 상에 명확하게 나타난 반면, 지하수위 0m와 재현주기 1000년의 경우에는 개정 전후의 변화양상이 미비한 것으로 나타났다. 또한, 평균지하수위 5m시의 재현주기 500년과 1000년의 액상화 발생가능성을 LPI 5를 기준으로 구분하여 분석한 결과, 개정 후 지반증폭계수를 적용한 경우가 개정 전의 값을 적용한 경우보다 액상화 발생가능성이 낮은 부분이 증가하고 높은 부분은 감소하는 것으로 나타났다. 이상으로부터 개정 후의 지반증폭계수는 기존의 지반증폭계수를 사용하는 Macro 액상화 위험지도의 LPI값이 과다산정되는 경향이 있다는 선행연구에서의 지적을 일정 부분 보완할 수 있을 것으로 판단된다.
분석 결과, [Fig. 6]에 나타난 바와 같이 대푯값을 평균으로 선정하였을 경우가 시추공 기반의 IDW 보간기법을 적용한 위험지도와 유사한 것으로 나타났다.
11]을 보면, 전반적으로 개정 후의 경우가 LPI값을 상대적으로 적게 산정하는 것으로 나타났다. 이상으로부터 지반조건별 증폭계수를 사용하는 Macro 액상화위험지도의 경우, 지반을 한 가지의 특성으로 파악함으로써 지진응답해석을 이용한 LPI 산정결과보다 과대예측하는 경향을 보인다는 기존의 연구결과(Ahn et al., 2018)를 일정 부분 보완할 수 있을 것으로 판단된다.
총 12만 2천여개의 시추조사자료를 분석한 결과, 1997년 건설교통부의 지반분류기준으로 지반분류 수행한 결과는 약 80%에 해당하는 지반이 S_D로 분류되었고 S_C 13%, S_E 7% 분류되었으며 이에 반해 개정된 행정안전부 지반분류체계 기준으로 분류한 결과는 S₂ 56%로 대부분 분류되었으며, S₃ 28%, S₄ 14%, S₅ 2%로 분류되었다. 이를 정리하면 [Fig.

후속연구

(4) 향후, 국내 지반에 대한 대표케이스 선정 및 그와 연계된 지반증폭계수의 산정, 다양한 지하수위에 대한 분석, 그리고, 지진응답해석 결과를 토대로 한 LPI값과의 비교분석 등이 후속된다면 국내 전 지역 및 시군구를 대상으로 고도화된 Macro 액상화 위험지도의 작성이 가능할 것으로 기대된다
또한, 평균지하수위 5m시의 재현주기 500년과 1000년의 액상화 발생가능성을 LPI 5를 기준으로 구분하여 분석한 결과, 개정 후 지반증폭계수를 적용한 경우가 개정 전의 값을 적용한 경우보다 액상화 발생가능성이 낮은 부분이 증가하고 높은 부분은 감소하는 것으로 나타났다. 이상으로부터 개정 후의 지반증폭계수는 기존의 지반증폭계수를 사용하는 Macro 액상화 위험지도의 LPI값이 과다산정되는 경향이 있다는 선행연구에서의 지적을 일정 부분 보완할 수 있을 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	국내의 연이은 지진 발생에 따른 정부의 대응은 어떻게 이루어지고 있는가?	4)은 인명피해와 경제적 손실뿐만 아니라 국민들에게 지진에 대한 불안감을 야기시켰다. 연이은 지진 발생 직후 정부는 국가적 차원의 내진설계기준 재정비와 지방정부 차원의 지진에 대한 대비･대응책 마련 방안 등 많은 연구가 활발하게 진행되고 있다.
	기존의 국내 지진 및 내진설계 연구가 가지는 한계점은 무엇인가?	국내 지진 및 내진설계 연구는 1997년 상위개념인 내진설계기준연구(II)를 건설교통부 주축으로 제정하며 연구가 활발하게 진행되었다. 하지만 당시 필수적 사전 검토 과정인 지반조건에 따른 증폭특성의 정량적 평가 없이 국가적 내진 대책의 조속한 체계화를 위해 미국 서부의 지반조건별 증폭계수를 준용하였으며(Kim et al., 2002; Sun et al., 2005), 기반암이 주로 30m 이내에 존재하는 국내 지반특성을 제대로 반영하지 못하고 있다는 연구결과들이(Yoon et al., 2006; Kim et al.
	현재 행정안전부가 보유하고 있는 액상화 위험지도의 특징은 무엇인가?	4) 시 발생한 액상화 현상은 국민들에게 지진으로 유발되는 액상화의 위험성을 새롭게 각인시켰고, 이에 대한 대비책으로 액상화 위험지도의 관심이 높아지고 있다. 현재 행정안전부가 보유하고 있는 액상화 위험지도는 2014년 제작된 것으로 전국 100,000개 이상의 시추 자료를 토대로 지하수위 0m인 조건으로 지반조건별 증폭계수를 사용하였으며 시추정보가 없는 지역은 보간법을 이용하여 2km × 2km 격자형식으로 제작된 것이 특징이다. 이러한 가운데, 2018년 행정안전부는 내진설계 공통기준의 새로운 지반분류법과 증폭계수를 공표하였다.

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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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