1. 서 론
최근 국내에서 발생한 규모 있는 지진(2016 규모 5.8 경주지진, 2017 규모 5.4 포항지진)으로 인해 내진설계의 중요성이 점점 커지고 있다. 구조물 내진설계에서 입력하중으로 사용되는 지진하중은 지진 규모, 진원까지의 거리, 지속시간, 부지지반 특성 등 여러 요인에 영향을 받는다(Seed et al., 1976; Idriss, 1990). 그 중 부지지반 특성은 대상 지반의 고유한 특성(토층 특성)으로 인한 지반 증폭 현상을 발생시킬 수 있다. 1989년 Loma Prieta 지진, 1994년 Northridge 지진, 1995년 Kobe 지진 등이 발생하였을 때 같은 지진에 대해 지역별로 지반증폭이 다르게 발생하였다. 이처럼 동일한 지진임에도 구조물이 위치하는 지반조건(토층 특성)에 따라 다른 지표면최대가속도(Peak Ground Acceleration, PGA)를 경험하고, 이에 따른 피해 영향도 다르게 나타나게 된다.
이때 대상 지역 기반암에 동일한 지진하중이 작용하더라도 기반암 상부 토사 지반의 상태에 따라 구조물이 위치하게 되는 지표면에서의 지진하중은 기반암과 달라지게 된다. 이러한 토사지반의 지반증폭현상은 기반암에서 입사하는 지진하중(가속도)의 크기를 증폭시켜 지표면으로 전달하게 되며 지표면 구조물의 지진 재해 위험성을 증가시킨다(Hwang et al., 2013; Hwang and Park, 2016; Lee et al., 2020).
대상 부지의 지반응답을 정확히 결정하기 위해서는 지반응답에 영향을 미치는 요소인 지반 물성치와 입력지진파의 선정이 매우 중요하다. 본 연구에서는 최근 국내에서 발생했던 규모 있는 지진인 2017 규모(ML) 5.4 포항지진파를 사용하여 세종 지역의 지반증폭 특성을 구역화하고 평가하였다. 2장에서는 세종지역 지반응답해석을 위해 사용된 지반물성치와 사용된 지진파에 대해 설명하고 3장에서는 지반응답해석의 결과를 이용하여 포항형 지진파에 대한 세종시 지역 지표면최대가속도, 지반 증폭비 그리고 고유주기 분포지도를 결정하였으며, 이를 사용하여 지진 발생 시 이중 공진(Double resonance)에 의해 상대적으로 큰 지진하중을 경험하게 될 구조물의 층수를 개략적으로 나타낸 위험도 지도를 결정하였다.
2. 지반응답해석을 통한 세종시의 부지구역화
2.1 지반응답해석
지반응답해석은 기반암위치에 지진파 시간이력을 입력했을 때, 지반(토층) 내 응답을 구하는 과정으로 기반암에서 토사지반으로 입사한 지진파가 지표면으로 전파될 때 지반 조건에 따라 발생하는 깊이별 최대지반가속도, 깊이별 전단 변형률 및 전단응력 그리고 지반의 주기에 따른 응답(변위, 속도, 가속도)을 나타내는 응답스펙트럼 등을 결정하게 된다. 지반응답해석을 위한 입력 값으로는 전단파속도주상도, 전단변형률-전단탄성계수 관계, 전단변형률-감쇠비 관계 그리고 입력 지진파가 있으며 이러한 입력 값은 지반응답해석 결과에 큰 영향을 준다(Kramer, 1996). 본 연구에서는 등가선형 지반응답해석프로그램인 SHAKE91 (Idriss and Sun, 1992)을 사용하여 해석을 수행하였다. 해석에 사용한 지반 물성치와 입력지진파는 각 2.2, 2.3절에 제시하였다.
2.2 지반응답해석에 사용된 지반 물성치
본 연구에서 지반응답해석에 사용한 지반 물성치는 Lee et al. (2020)의 연구에서 사용된 세종시 지반조사 120개 위치와 동일한 전단파속도 주상도 및 지층별 변형률에 따른 정규화된 전단탄성계수 곡선(γ-G/Gmax curve)과 지층별 변형률에 따른 감쇠비 곡선(γ-D curve)을 사용했으며, 이때 해당 곡선은 내진설계기준의 지반분류체계 및 설계응답스펙트럼 개선을 위한연구(Cho et al., 2016a, 2016b, 2016c)에서 적용한 값을 동일하게 사용하였다. Fig. 1은 지반응답해석에 사용된 지반조사 위치를 나타낸 지도와 해당 지반조사로부터 획득한 전단파속도주상도의 예시이다. Fig. 2는 본 연구에서 지반응답해석을 위해 사용한 지반 종류(매립토, 퇴적토, 풍화토, 기반암 등)별 전단변형률-전단탄성계수 곡선과 전단변형률-감쇠비 곡선이다. 내진설계일반(MOLIT, 2018)에서는 지반을 기반암 깊이와 토층평균전단파속도에 따라 S1~S6의 총 6종류로 구분하고 있으며 분류 기준은 Table 1과 같다.
Table 1
Ground Classification
Fig. 1(b)의 전단파속도 주상도들을 내진설계기준에서 제시하는 지반분류에 따라 120개의 지반조사 위치를 분류해본 결과 S1 4곳, S2 41곳, S3 11곳, S4 64곳으로 S2와 S4 지반이 대부분을 차지하고 있다. S2와 S4 지반은 토층평균 전단파속도가 각 260 m/s, 180 m/s 이상인 지반으로, 이는 세종시 1~4 생활권의 지반이 대체로 단단한 지반임을 의미하며 이는 세종시가 내륙 및 산지지형에 위치한 점과 행복도시 건설을 위한 부지조성 공사 당시 충분한 강도를 갖도록 기준에서 제시하는 매립 및 성토가 다수 진행된 점 때문으로 보인다.
토층평균 전단파속도가 760 m/s 이상으로 기반암으로 분류되는 S1 지반을 제외하고, S2~S4로 분류된 지반들의 지반분류별 기반암깊이 분포와 고유주기 분포는 각 Figs. 3(a), (b)와 같다. 분포에서 볼 수 있듯 S2 지반은 기반암깊이가 2~20 m에 고루 분포하고 있으며, 이에 따라 고유주기는 0.1~0.2초 사이에 주로 위치하고 있고 S4 지반은 30 m 주변에 많이 분포해있는 것을 볼 수 있는데 이는 지반조사를 위한 굴착 시 30 m까지만 데이터를 확보했기 때문이며 실제로는 30 m 이상의 기반암 깊이를 갖는 지역이 많을 것으로 보인다. 이에 따른 고유주기는 0.2~0.6초 사이에 정규분포의 형태로 고루 분포하고 있다.
2.3 지반응답해석을 위한 입력지진파(설계지진파)
일반적으로 내진설계를 위한 지반응답해석을 수행할 때, 미국은 ASCE 7-10에 따라 입력지진파로 7개 이상의 지진기록을 사용하도록 하고 있다(ASCE, 2010). 이는 다양한 지진파를 사용함으로서 불확실성이 큰 지진하중의 다양성을 지반응답해석에 반영하기 위함이다. 국내의 경우 경주와 포항의 지진이 발생하기 이전에는 주로 미국 또는 일본 등 국외의 계측 지진파를 해석에 적용해 왔으나 이러한 지진파들은 국내에서 발생 가능한 지진을 대표한다고 보기는 어렵다. 국내⋅외 내진설계 기준(ASCE, EC8, 내진설계 일반)에서는 내진해석 시 내진설계기준에서 제시하는 설계응답스펙트럼을 만족하며 동시에 해당 지역(단층)의 특성이 반영된 설계지진파의 생성 및 사용을 규정하고 있다. 이러한 조건은 대상 단층에서 발생했던 지진파 기록을 주어진 설계응답스펙트럼에 상응하게 수정하여 부분적으로 만족시킬 수 있다.
본 연구에서는 학계리 관측소 암반노두 위치에서 2017년 11월 15일 계측된 규모(ML) 5.4 포항지진(본진)을 내진설계 기준에서 제시하는 설계응답스펙트럼에 상응하게 수정하여 지진응답해석을 위한 기반암 입력지진파로 사용하였다. 이러한 지진파 생성은 Oh (2021)와 Oh and Park (2021)이 제시한 방법에 따라 이루어졌으며 이때 사용된 설계응답스펙트럼은 기반암위치에 상응하는 내진성능수준 붕괴방지 특등급(0.22 g)의 설계응답스펙트럼이다. Figs. 4(a), (b)는 암반 노두에서 계측된 규모(ML) 4.7 포항 지진의 지진파 시간이력이며, (c), (d)는 계측지진파의 응답스펙트럼과 세종시 지역 붕괴방지 특등급에 해당하는 설계응답스펙트럼을 비교한 그림이다. 그림으로부터 실제 계측된 지진파의 응답스펙트럼이 기준에서 제시하고 있는 설계응답스펙트럼에서 많이 벗어나 있는 것을 알 수 있다. Fig. 5는 세종시 지역 붕괴방지 특등급에 해당하는 설계응답스펙트럼과 본 연구에서 사용한 방법으로 수정⋅생성된 지진파 시간이력의 응답스펙트럼을 비교한 것이다. 그림에서 볼 수 있듯 생성된 지진파의 응답스펙트럼이 설계응답스펙트럼과 잘 일치함을 볼 수 있다.
Fig. 4
Earthquake Time History, Response Spectrum and Design Response Spectrum for Ground Response Analysis (Seismic Special Grade-Collapse Prevention Level)
Fig. 6은 최종적으로 생성된 지진파 시간이력으로, 설계응답스펙트럼에 상응하며 부분적으로 대상 단층의 특성을 반영하고 있는 포항형 지진파이다.
3. 지반증폭 특성에 따른 세종시 부지구역화
Fig. 7은 포항형 지진파를 사용하여 세종시 지역에 대해 수행한 지반응답해석 결과의 예시이다. 해석 결과를 통해 입력 지진에 의해 발생하는 지층별 지표면최대가속도, 기반암 및 지표면 위치에서의 응답스펙트럼을 결정할 수 있으며 이를 통해 주파수별 기반암 진동에 의한 지표면 위치에서의 지반 증폭 정도를 알 수 있다. Figs. 8(a), (b)와 (c), (d)는 각 지반응답해석 결과로부터 결정한 세종시 전체지역의 지표면최대가속도와 지반증폭비의 빈도 분포를 나타낸 것으로 지표면최대가속도는 E-W 방향 지진파 성분에 대해 0.107 g~0.698 g 사이의 값을 보이고 있고, N-S 방향 성분에 대해 0.086 g~0.666 g 사이의 값을 보이고 있다. 지반증폭비는 E-W 방향으로 0.37~2.43, N-S 방향으로 0.32~2.52 사이의 값을 보이고 있다.
해당 결과들을 경주형 입력지진파를 사용하여 수행한 연구 결과(Lee et al., 2020)와 비교하여 보면, PGA의 분포범위는 비슷하나 경주형 지진파로 결정된 PGA의 중간 값은 0.332 g, 지반증폭비의 중간 값은 1.75인데 비해 포항형 지진파로 결정된 PGA 중간 값은 0.395 g, 지반증폭비의 중간 값은 1.43으로 동일한 지반, 동일한 내진성능수준에 해당하도록 수정한 지진파를 이용하여 해석을 수행했음에도 포항형 지진파와 경주형 지진파를 사용하여 수행된 지반응답해석결과가 다름을 볼 수 있다. 이는 경주형 지진파와 포항형 지진파의 특성(파형)의 차이로 인한 것이며, 이를 통해 동일한 내진성능수준의 설계응답스펙트럼으로 계측 지진파를 수정하여 해석을 수행하더라도 각 지진파의 특성에 의해 지반응답해석의 결과에 차이가 발생함을 알 수 있다. Figs. 9, 10은 붕괴방지 수준 특등급에 해당하는 지표면최대가속도와 지반증폭비를 도시한 세종시 지역 부지구역화지도이다. Fig. 9의 E-W, N-S 방향 모두 경도 228°, 위도 332° 위치에서 최댓값을 보이고 있고, Fig. 10의 지반증폭비도 두 방향에 대하여 PGA와 같은 위치에서 최댓값을 보이고 있다. 해당 위치는 매립 조성되어 기반암과 토사층의 강성차이가 큰 지점(1생활권)으로 이러한 특성으로 인해 PGA 및 지반증폭 정도가 크게 나타나는 것으로 보인다. 또한 단주기 특성이 강한 설계응답스펙트럼의 특성이 해석에 사용된 입력 지진파에도 반영되어있어 해석결과에도 영향을 주었을 것으로 보인다.
건축구조기준(MOLIT, 2016)에서는 건축물의 층수가 12층을 넘지 않고 층의 최소높이가 3 m 이상인 철근콘크리트와 철골모멘트 저항골조의 근사고유주기는 건물의 층수를 N이라고 할 때 0.1N으로 제안하고 있다. 구조물의 고유주기가 지반의 고유주기와 유사한 경우 지진파의 지반공진에 의한 증폭과 구조물의 공진에 의한 증폭이 동시에 발생하게 되어 구조물은 상대적으로 매우 큰 지진하중을 경험하게 되는데, 이를 이중공진현상이라 한다. 따라서 해당 지반의 고유주기와 일치하는 건물의 고유주기(층수)가 상대적으로 위험하다고 볼 수 있다. Fig. 11은 세종시 지역의 지반 고유주기에 대해 작성된 부지구역화지도이고, Fig. 12는 지진 발생 시 이중공진현상이 발생할 가능성이 높은 층수에 대한 부지구역화지도이다. 이는 Fig. 11의 지반고유주기에 해당하는 근사적인 건물층수를 결정한 후 도시한 것으로 지반증폭 현상에 의해 상대적으로 큰 지진하중을 경험하게 될 건축물의 층수 분포를 개략적으로 나타낸 것이다.
4. 결 론
본 연구에서는 연구 대상지역인 세종시 지역에 대하여 설계응답스펙트럼에 상응하도록 수정한 포항형 지진파를 이용하여 지반응답해석을 수행하으며, 이를 통해 세종시 지역의 지반증폭 특성을 평가하고 최대지반가속도를 기반으로 부지구역화 지도(Microzonation Map)를 작성하였다.
포항형 설계 지진파를 이용하여 지반응답을 수행한 결과, 세종시 지역의 지표면최대가속도(PGA)는 E-W 방향, N-S 방향 모두 붕괴방지수준 특등급에 대해서 0.086 g~0.698 g의 값을 보인다. 이전 연구(Lee et al., 2020)에서 경주형 지진을 입력지진파로 지반응답해석을 수행하였을 때 지표면최대가속도는 0.200 g~0.690 g으로 최대값은 비슷하나 최저값은 크게 나타났고, 이는 경주 지진과 포항 지진의 특성(파형) 차이로 인한 것으로 보인다.
세종시에서 기반암깊이 10 m 이내의 지역은 고유주기 0.1초, 20 m 내외의 지역은 0.2~0.3초, 기반암깊이 20 m 이상의 지역은 0.3~0.5초의 지반고유주기를 가지는 것을 알 수 있었다. 산지지형과 같이 기반암 깊이가 대체로 얕은 지역인 1생활권, 2생활권은 주로 1~2층 건축물, 기반암 깊이가 대체로 깊은 지역인 2~3생활권에서는 3~5층 건축물이 이중 공진에 의해 상대적으로 큰 지진하중을 경험하게 될 가능성이 높을 것으로 보인다. 본문에서 결정한 부지구역화지도를 통해 지진발생 시 구조물에 가해지는 지진재해 정도를 미리 파악하여 건축물 점검 우선순위 또는 내진보강 우선순위를 선정하여 지진피해를 대비할 수 있을 것으로 판단된다.
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