[논문]국내 내진설계기준의 지반증폭계수를 활용한 포항지역의 지표면 최대가속도 산출 적절성 검토

김종관; 한진태; 곽태영

doi:10.7843/kgs.2020.36.11.21

국내 내진설계기준의 지반증폭계수를 활용한 포항지역의 지표면 최대가속도 산출 적절성 검토
A Study on the Applicability of Amplification Factor to Estimate Peak Ground Acceleration of Pohang Area 원문보기

韓國地盤工學會論文集 = Journal of the Korean geotechnical society, v.36 no.11, 2020년, pp.21 - 33

김종관 (한국건설기술연구원) , 한진태 (한국건설기술연구원) , 곽태영 (한국건설기술연구원)

초록
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본 연구에서는 국내 내진설계기준 공통적용사항(MOIS, 2017)의 지반증폭계수를 활용하여 지표면 최대가속도를 산출하는 방법의 적절성을 검토하기 위해 포항지역 전역의 시추공을 대상으로 1차원 등가선형해석프로그램을 통해 지반응답해석을 수행하였다. 지반응답해석을 위한 지진파는 내진설계기준 공통적용사항에 따라 지진 재현주기 500년, 1000년, 2400년의 표준설계응답스펙트럼에 맞추었고, 지반데이터는 국토지반정보 포털시스템을 활용하여 확보하였다. 그 결과 내진설계기준 공통적용사항에서 제시하는 응답스펙트럼과 지반응답해석에서 얻어진 응답스펙트럼은 지반분류에 상관없이 대략적으로 일치하는 것을 알 수 있었다. 하지만, 증폭계수를 활용하여 지표면최대가속도를 산출할 경우 지반응답해석에서 얻어진 결과와 상당한 차이를 나타내는 것을 알 수 있었다.

Abstract ▼ AI-Helper

Ground response analysis has been conducted for each borehole data in Pohang area, using 1D equivalent linear method program, to investigate the applicability of amplification factor to estimate peak ground acceleration. Earthquake motions for ground response analysis were prepared by matching response spectrums for return period of 500, 1000, and 2400 years suggested by seismic design code (MOIS, 2017). Ground survey data were acquired from Geotechnical Information DB System. It has been confirmed that response spectrum obtained from ground response analysis showed good agreement with those from seismic design code irrespective of ground classification. However, PGA (Peak Ground Accelerations) of ground response analysis did not coincide with PGA calculated using amplification factor suggested by seismic design code.

주제어

표/그림 (16)

그림 Fig. 1. Pohang area and locations of borehole data
그림 Fig. 2. Example of ground modeling
그림 Fig. 3. Ground water level measurement result of Pohang district from 2015 to 2017
그림 Fig. 4. Example of shear modulus reduction and damping ratio (0≤σ'₀<100kPa)
표 Table 1. List of relationship between shear wave velocity and SPT-N value
표 Table 2. Site classification (MOIS, 2017)
그림 Fig. 5. Acceleration time histories and spectral acceleration of spectrum matched earthquake waves
그림 Fig. 6. Vs profile of each ground classification
그림 Fig. 7. Peak ground acceleration of each ground classification (Return period 500 year)
그림 Fig. 8. Design response spectral acceleration of horizontal design ground motion in soil ground (MOIS, 2017)
표 Table 3. Amplification factor (MOIS, 2017)
그림 Fig. 9. Response spectral acceleration of return period 500 year
그림 Fig. 10. Response spectral acceleration of return period 1000 year
그림 Fig. 11. Response spectral acceleration of return period 2400 year
그림 Fig. 12. Average response spectral acceleration of each site classification
그림 Fig. 13. Amplification Factor and PGA amplification ratio of each site classification

AI 본문요약
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문제 정의

따라서, 본 연구의 목적은 포항 전역의 시추공을 대상으로 지반응답해석을 통해 산출된 각 지반분류별 지표면최대가속도(Peak Ground Acceleration, 이하 PGA)와 내진설계기준 공통적용사항에서 제시하는 지반증폭계수를 활용하여 산출한 PGA의 비교를 통해 액상화 평가 시 지반증폭계수 활용의 적절성을 확인하고자 한다.
본 연구에서는 2017년 포항지진이 발생한 포항지역을 대상으로 포항지역 내 총 2084공의 시추공에 대하여 지진 재현주기 별(500년, 1000년, 2400년) 지반응답해석을 수행하고 그 결과를 바탕으로 지반증폭계수를 활용한 PGA 산출의 적절성을 검토하였다. 지반응답해석을 통해 얻어진 지표면의 응답스펙트럼을 검토한 결과지반분류 별 응답스펙트럼의 산술평균은 내진설계기준 공통적용사항에서 제시하고 있는 표준설계응답스펙트럼과 유사한 형상을 보였다.

가설 설정

기반암은 전단파 속도가 760m/s이상인 지반으로 설정하였고, 시추조사가 기반암(Vs > 760m/s)에 도달하지 못하고 종료되었을 경우 최저층의 아래를 연암(Vs = 760m/s)로 가정하여 모델을 작성하였다.

제안 방법

각 시추공은 내진설계기준 공통적용사항의 지반분류 방법(Table 2)에 따라 기반암심도 및 토층 평균 전단파 속도를 바탕으로 분류하였다. 각 시추공의 평균 전단파 속도는 다음 식(MOIS, 2017)을 활용하여 결정하였다.
2는 시추 주상도를 기초로 한지반응답해석을 위한 모델작성 예시이다. 각 층의 강도는 표준관입시험(Standard Penetration Test, SPT)결과를 바탕으로 산정하였다. 표준관입시험 타격횟수(SPT-N) 값은 각 층의 중간심도를 중심으로 상하의 SPT-N값으로부터 선형보간을 통해 설정하였다.
각 토질별 2~3개의 식을 활용하여 전단파속도를 산출한 후 그 평균값을 대푯값으로 설정하였다. 각 층의 습윤 단위 중량은 점토, 모래, 실트 각각 16.8kN/m³, 17.5kN/m³, 16kN/m³로 설정하였다. 지하수위는 모든 시추공에 대하여 한국수자원공사 국가지하수정보센터의 2015~2017년까지 3년간 포항시내의 지하수위 관측정의 시계열 데이터의 평균값 중에서 보수적 관점에서 가장 작은 값(G.
MOIS(2017)에 따라 시추공 중 기반암 깊이가 50m를 초과하면 평균 전단파속도와 상관없이 S₆지반으로 분류하였다. 또한 평균전단파속도가 120m/s이하인 지반은 기반암 깊이에 상관없이 S₅지반으로 분류하였다. 결과를 보면 포항시의 지층은 기반암 심도가 20m 이내이면서 토층 평균 전단파속도(Vs)가 260m/s 이상의 얕고 단단한 지역(S₂지반)이 가장 많은 것을 알 수 있다.
본 연구의 대상은 가속도 응답스펙트럼의 y절편에 해당하는 지표면 최대가속도이기 때문에 각 유효수평가속도(S)에 단주기 증폭계수인 F_a를 곱하여 지표면 최대가속도를 산출하였다. Table 3에 제시된 증폭계수를 보면 단단한 지반보다는 연약한 지반이 증폭이 많이 되고 얕은 지반보다는 깊은 지반이 증폭이 많이 되는 특성을 나타내고 있다.
표준관입시험 타격횟수(SPT-N) 값은 각 층의 중간심도를 중심으로 상하의 SPT-N값으로부터 선형보간을 통해 설정하였다. 전단파속도(Shear Wave Velocity, Vs)는 Table 1과 같이 기존에 제안된 각 토질별 N값-Vs의 관계식을 바탕으로 산출하였다. 각 토질별 2~3개의 식을 활용하여 전단파속도를 산출한 후 그 평균값을 대푯값으로 설정하였다.
5는 각 재현주기별로 표준설계응답스펙트럼에 매칭 된 지진파와 그 스펙트럼을 나타낸다. 지반의 액상화 평가에서는 PGA가 중요한 요소 중 하나이기 때문에 응답스펙트럼의 형상뿐 아니라 각 재현주기의 유효수평지반가속도(S)에 근접하도록 매칭을 수행하였다. 매칭 된 각 재현주기별 최대가속도는 각각 0.
5kN/m³, 16kN/m³로 설정하였다. 지하수위는 모든 시추공에 대하여 한국수자원공사 국가지하수정보센터의 2015~2017년까지 3년간 포항시내의 지하수위 관측정의 시계열 데이터의 평균값 중에서 보수적 관점에서 가장 작은 값(G.L. -4m)으로 설정하였다(Fig. 3). 지반정보포털시스템에 등록된 각 시추데이터에는 지하수위 정보가 포함되어 있으나 데이터가 결여된 경우와 지표면 기준인지 해수면 기준인지 모호한 경우가 많다.
각 층의 강도는 표준관입시험(Standard Penetration Test, SPT)결과를 바탕으로 산정하였다. 표준관입시험 타격횟수(SPT-N) 값은 각 층의 중간심도를 중심으로 상하의 SPT-N값으로부터 선형보간을 통해 설정하였다. 전단파속도(Shear Wave Velocity, Vs)는 Table 1과 같이 기존에 제안된 각 토질별 N값-Vs의 관계식을 바탕으로 산출하였다.
SHAKE는 중복반사이론을 바탕으로 지진파에 대한 지반의 응답(가속도, 속도, 변위응답)을 평가하는 프로그램이다. 해석을 위한 입력지진파는 2017년 포항지진에서 기상청 관측소(PHA2, 포항관측소, 진앙에서 약 9.5km)에서 계측된 지진파(Sampling Rate 100Hz)의 NS성분을 내진설계공통기준에서 제시하고 있는 재현주기별(500년, 1000년, 2400년) 암반지반의 표준설계응답스펙트럼에 부합하도록 Seismomatch 프로그램을 활용하여 스펙트럼 매칭을 수행하였다. NS성분을 활용한 이유는 NS성분의 PGA(0.

대상 데이터

8 및 Table 3에 따라 산출된 가속도 표준설계응답스펙트럼(Response Spectral Acceleration, RSA)이며, 파란색 선은 각 지반분류별 가속도응답스펙트럼의 산술 평균값을 나타낸다. S5지반의 경우 포항시 권역 내에 시추데이터가 5개소밖에 존재하지 않아 일반화하기 어렵기 때문에 참고 데이터로만 활용하였다. 응답스펙트럼의 평균값을 보면 얕은 지반(S2 및 S3)에서는 0.
22g와 거의 유사한 값이다. 각 지진파는 기반암에 암반노두 지진파로써 입력하였다.
kr)에 등록된 지반시추정보 위치를 나타낸다. 국토지반정보포털시스템에 등록된 데이터 중표준관입시험결과가 존재하지 않거나 지층종류가 명확하지 않는 데이터를 제외한 총 2084공의 지반시추데이터를 활용하였다. 시추데이터가 대부분 도로, 철도, 터널, 주택단지를 중심으로 분포하고 있어 포항시전체를 포괄하지 못하지만 시추데이터가 존재하지 않는 지역은 대부분 산간지역이며 총 2000공이 넘는 시추데이터를 활용함으로써 포항시의 지층특성을 상당부분 반영할 수 있다고 판단된다.
본 연구에서는 2084공의 시추데이터를 바탕으로 지 반응답해석을 수행하기 위해 지반모델을 작성하였다. 지반모델은 토사층은 지층구분 및 지하수위를 고려하여 1~1.
본 연구의 대상지역은 2017년 포항지진이 발생한 경상북도 포항시이다. Fig.
본 연구에서는 2084공의 시추데이터를 바탕으로 지 반응답해석을 수행하기 위해 지반모델을 작성하였다. 지반모델은 토사층은 지층구분 및 지하수위를 고려하여 1~1.5m를 기준으로 분할하였고, 심도 20m이상은 3m, 암반층은 5m를 기준으로 분할하였다. 기반암은 전단파 속도가 760m/s이상인 지반으로 설정하였고, 시추조사가 기반암(Vs > 760m/s)에 도달하지 못하고 종료되었을 경우 최저층의 아래를 연암(Vs = 760m/s)로 가정하여 모델을 작성하였다.

이론/모형

각 시추공은 내진설계기준 공통적용사항의 지반분류 방법(Table 2)에 따라 기반암심도 및 토층 평균 전단파 속도를 바탕으로 분류하였다. 각 시추공의 평균 전단파 속도는 다음 식(MOIS, 2017)을 활용하여 결정하였다.
4와 같다. 모래층은 국립재난안전연구원에서 2017년 수행한 지반조사 및 실내실험결과(NDMI, 2017)를 바탕으로 설정하였으며, 점토층은 별도의 실험 결과가 없어 Darendeli모델(Darendeli, 2001; Jang et al., 2020)을 사용하였다.
본 연구에서는 1차원 등가선형해석 프로그램인 SHAKE91(Idriss and Sun, 1993)을 이용하여 각 부지의 지반응답 해석을 수행하였다. SHAKE는 중복반사이론을 바탕으로 지진파에 대한 지반의 응답(가속도, 속도, 변위응답)을 평가하는 프로그램이다.

성능/효과

이에 반해 지반응답해석을 통해 얻어진 결과는 얕은 지반이 깊은 지반에 비해 증폭정도가 큰것으로 나타났다. PGA증폭비의 범위도 내진설계기준 공통적용사항을 통해 도출된 결과와 비교해 지반응답해석에 의해 얻어진 결과가 지반종류에 따라 큰 차이를 보였다. 또한, 입력가속도가 0.
가속도 표준 RSA(MOIS, 2017)과 지반응답해석을 통해 얻어진 평균RSA를 비교해보면 얕은 지반인 S2 및 S3지반에서 지진 재현주기에 상관없이 표준설계응답스펙트럼에 비해 다소 크게 증폭되는 결과가 나왔다. 이에 반해 깊은 지반인 S4와 S5지반에서는 표준설계응답스펙트럼과 거의 유사또는 다소 작은 결과를 나타냈다.
또한 평균전단파속도가 120m/s이하인 지반은 기반암 깊이에 상관없이 S₅지반으로 분류하였다. 결과를 보면 포항시의 지층은 기반암 심도가 20m 이내이면서 토층 평균 전단파속도(Vs)가 260m/s 이상의 얕고 단단한 지역(S₂지반)이 가장 많은 것을 알 수 있다. 본 연구에서는 SPT-N값으로부터 환산식을 이용하여 전단파속도를 추정했기 때문에 지반의 모델링방법(각 층의 두께), SPT-N값의 추정방법, 그리고 SPT-N값으로부터 전단파속도를 환산할 때 사용하는 식에 따라 지반분류는 다소 달라질 수 있다.
surface는 각각 암반 노두와 지표면에서의 최대가속도 값을 나타낸다. 따라서, 일반적으로 통용되는 단주기 증폭계수 F_a와는 다른 의미이며, 본 연구에서는 기반암과 지표면에서의 최대가속도 비율을 PGA증폭비로 정의하고 활용하였다는 것을 명확히 한다.
결과를 보면 동일한 지반분류라고 하더라도 PGA가 상당히 큰 차이를 보이는 것을 알 수 있다. 또한 내진설계기준 공통적용사항에 제시된 단주기 증폭계수를 활용하여 예측한 PGA와 지반응답해석을 통해 얻어진 평균PGA가 차이가 있고, 증폭계수를 바탕으로 산출된 PGA는 지반종류와 상관없이 지반응답해석을 통해서 얻어진 평균PGA에 비해 작은 값을 나타내는 것을 알 수 있다. S2 및 S3 지반의 경우 평균PGA가 증폭계수를 통해 산출된 결과에 비해 대략 1.
따라서 구조물의 내진설계에는 적합하나 지반의 부지 특성에 따른 최대가속도를 예측하는 데는 한계가 있어 보인다. 또한, PGA는 지진 관측시 계측주파수에 크게 영향을 받는 요소로 본 연구에서는 100Hz로 계측된 결과를 활용하였으나, 계측주파수가 다를 경우 상이한 결과가 발생할 수 있다는 점을 분명히 한다.
PGA증폭비의 범위도 내진설계기준 공통적용사항을 통해 도출된 결과와 비교해 지반응답해석에 의해 얻어진 결과가 지반종류에 따라 큰 차이를 보였다. 또한, 입력가속도가 0.13g를 넘어가는 영역에서 내진설계기준 공통적용사항을 통해 도출된 PGA증폭비는 그 차이가 점점 작아져 거의 비슷해지는데 반해 지반응답해석결과로부터 얻어진 PGA증폭비는 입력가속도가 커짐에 따라 점차적으로 작아지나 지반종류에 따른 차이는 거의 없이 평행하게 감소하였다. 이러한 차이는 증폭계수의 경우 지반 종류에 따른 단자유도 구조물의 고유주기별 응답특성을 파악하기 위해 단주기와 장주기 증폭계수로 나누어 응답스펙트럼의 형상을 예측하는 것을 목적으로 하여 단주기 증폭계수를 산출할 때 식 (2)와 같이 주기 0.
결과를 보면 포항시의 지층은 기반암 심도가 20m 이내이면서 토층 평균 전단파속도(Vs)가 260m/s 이상의 얕고 단단한 지역(S₂지반)이 가장 많은 것을 알 수 있다. 본 연구에서는 SPT-N값으로부터 환산식을 이용하여 전단파속도를 추정했기 때문에 지반의 모델링방법(각 층의 두께), SPT-N값의 추정방법, 그리고 SPT-N값으로부터 전단파속도를 환산할 때 사용하는 식에 따라 지반분류는 다소 달라질 수 있다.
S5지반의 경우 포항시 권역 내에 시추데이터가 5개소밖에 존재하지 않아 일반화하기 어렵기 때문에 참고 데이터로만 활용하였다. 응답스펙트럼의 평균값을 보면 얕은 지반(S2 및 S3)에서는 0.1초 부근 응답이 두드러지고 깊은 지반인 S4에서는 0.3초 부근의 응답이 두드러지는 결과가 나타났다. 이 결과는 지진 재현주기에 상관없이 동일한 결과를 보였다.
본 연구에서는 2017년 포항지진이 발생한 포항지역을 대상으로 포항지역 내 총 2084공의 시추공에 대하여 지진 재현주기 별(500년, 1000년, 2400년) 지반응답해석을 수행하고 그 결과를 바탕으로 지반증폭계수를 활용한 PGA 산출의 적절성을 검토하였다. 지반응답해석을 통해 얻어진 지표면의 응답스펙트럼을 검토한 결과지반분류 별 응답스펙트럼의 산술평균은 내진설계기준 공통적용사항에서 제시하고 있는 표준설계응답스펙트럼과 유사한 형상을 보였다. 하지만 같은 지반분류라고 하더라도 응답스펙트럼이 시추공별로 동일하지 않기 때문에 특정지역을 평가할 경우에는 지반응답해석 등을 통한 상세한 검토가 필요할 것으로 보인다.
지표면의 응답스펙트럼은 내진설계기준 공통적용사항에서 제시된 증폭계수를 바탕으로 어느 정도 타당한 예측이 가능하나 최대지반가속도의 경우 상당한 차이를 나타냈다. 특히 내진설계기준 공통적용사항에서는 입력 가속도가 작을 경우 깊은 지반이 얕은 지반보다 크게 증폭되도록 제시하고 있으나 포항지역을 대상으로 수행한 지반응답해석 결과에서는 입력 가속도에 관계없이 얕은 지반에서 PGA가 더 크게 증폭되는 결과를 보였다. 이러한 결과는 내진설계기준 공통적용사항에서 제시하는 단주기 증폭계수는 암반에서의 스펙트럼대비 지반에서의 스펙트럼 증폭정도를 주기 0.

후속연구

국내 내진설계기준 공통적용사항에 따라 증폭계수를 활용하여 지표면 최대가속도를 예측할 경우 지역에 따라서는 액상화 평가 시 지진외력을 적절하게 평가하지 못할 가능성이 있다. 다만, 본 논문에서는 포항지진관측소에서 계측된 NS성분을 바탕으로 수행한 결과로 EW성분 또는 다른 관측소에서 계측된 지진파를 활용할 경우 다른 결과가 도출될 가능성이 있다. 그럼에도 불구하고 액상화 평가 시 증폭계수를 활용하여 지표면 최대가속도를 산출 할 경우 지반응답해석과의 비교를 통한 충분한 검토가 필요하다는 점은 명확해 보인다.

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저자의 다른 논문 :

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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