Analysis of Site Amplification Characteristics of Bedrock Using Reference Site Method

성화 유; 준경 김; 성훈 위

doi:10.9798/KOSHAM.2017.17.5.271

J. Korean Soc. Hazard Mitig. > Volume 17(5); 2017 > Article

기준관측소 방법을 이용한 부지 기반암의 지반증폭 특성분석

지진방재

J Korean Soc Hazard Mitig 2017; 17(5): 271-279.

Published online: October 31, 2017

DOI: https://doi.org/10.9798/KOSHAM.2017.17.5.271

기준관측소 방법을 이용한 부지 기반암의 지반증폭 특성분석

유성화^*, 김준경^**, 위성훈^***

Analysis of Site Amplification Characteristics of Bedrock Using Reference Site Method

Seonghwa Yoo^*, Junkyoung Kim^**, Sounghoon Wee^***

* Member, Engineer, Earth Research Center, KIGAM

*** Engineer, Earth Research Center, KIGAM

^**Corresponding Author, Member, Professor, Department of Fire Protection Engineering, Semyung University
(Tel: +82-43-649-1319, Fax: +82-43-649-1787, E-mail: kjk-512@semyung.ac.kr)

Received April 14, 2017 Revised April 25, 2017 Accepted July 31, 2017

Abstract

Due to recent Kyoungju Earthquake (M_L5.8; 2016.09.12), much attention on seismic hazard has been increased rapidly nationwide. It is necessary to know information on site specific amplification for estimating comprehensive seismic hazard of metropolitan areas efficiently. This study applied the reference site method, namely, H/V spectral ratio of observed ground motion between target site and reference site to the 3 types of seismic energy (S, Coda wave and Background Noise). This study also applied new reference site methods additionally, which are extended from the traditional reference site method. 4 electric substation sites had operated seismic stations at two separate locations (bedrock and borehole) within each substation site during the study. H/V spectral ratios of 3 kinds of seismic energy, S wave, Coda wave, and background noise were analysed for each acceleration ground motion. Site amplification characteristics at 4 bedrock sites, showed fairly well consistent patterns among 3 kinds of reference site methods and site specific resonance frequencies.

Keywords: Site Amplification Characteristics, H/V Spectral Ratio, Reference Site

요지

최근 경주지진(M_L5.8; 2016.09.12)의 발생으로 인해 지진재해도에 대한 관심이 증가되고 있고 도시지역 지진재해도를 효과적으로 분석하기 위해 지반의 증폭 특성에 관한 정보가 필수적이다. 지반의 증폭특성 분석을 위해 분석대상 관측소와 기준 관측소 지반진동의 수평/수직 비를 이용하는 기존의 기준관측소 방법을 연장하여 모두 3종류의 기준관측소 방법과 지반진동의 S파, Coda파 및 배경잡음 등 3종류 지진에너지를 적용하였다. 연구기간 동안 4개 변전소시설 관측소 각각 2개 지점(노두 및 시추공)에서 운영되었고 4개 관측소에서 공통적으로 배경잡음, S파와 Coda파를 이용한 결과는 상호 일관성 있는 지반증폭 특성을 보였다.

1. 서론

지진재해는 지역의 부지조건에 영향을 크게 받기 때문에 최근 국내에서 진행 중인 중·저준위 및 고준위 방사성 폐기물 부지의 지반조사 및 내진설계에 필수적인 국가지진재해도 분석을 위하여 지반증폭 특성 정보가 대단히 중요하다. 따라서 지반증폭 특성은 지진원 특성 규명이 목적인 자연과학분야 뿐만 아니라 공학적 측면을 동시에 고려할 때 대단히 중요한 정보 가운데 하나이다. 지반증폭 특성의 중요성은 1989년 미국 서부지역에서 발생한 Loma Prieta 지진 및 멕시코 지진의 경우 각각의 진앙으로부터 약 250 km 및 300 km 이상의 먼 거리에 위치하여도 구조물 지반의 증폭이 높은 수준일 때 구조물에 대한 지진재해가 심각하여 그 중요성이 입증되었다(Atkinson and Cassidy, 2000).

국내 내진설계기준을 설정할 때 국내 지반 특성을 제대로 반영하지 못하여 국내 부지고유 응답해석 결과와 국내 내진설계기준을 반영한 설계응답스펙트럼을 비교할 경우 단주기와 장주기 영역에서 많은 특성 차이를 보여 주고 있다(Yoon et al., 2006). 최근 발생한 경주지진(M_L5.8; 2016.09.12)의 경우 역시 고진동수 성분이 저진동수 성분에 비해 크게 발달되어 있음을 보여주었다. 따라서 저진동수 구간보다 특히 고진동수 구간에서 가속도 스펙트럼의 지반증폭이 상대적으로 크게 나타나는 등 미국 서부 기준을 국내에 적용하는 것은 문제점이 많다고 지적되어 왔다. 따라서 국내 고유의 지반증폭 현상에 대한 연구가 필요한 실정이다. 수평/수직 스펙트럼 비율을 이용하는 방법은 다양한 연구자에 의해 활발하게 연구되어 왔다(Borchert, 1970; Rogers et al., 1984; Nakamura, 1989; Ohmachi et al., 1991; Hartzell et al., 1997; Bonilla et al., 1997; Seed et al., 1998; Lermo and Francisco, 1993). 주로 배경잡음을 이용하여 연구결과가 제시되었으나 특히 Coda파 에너지를 이용한 방법은 여러 연구자들(Tucker and King, 1984; Phillips and Aki, 1986; Su et al., 1996; Hennino et al., 2001; Margerin et al., 2009)에 의해 연구가 수행되어 왔다. Coda파는 back scattering 지진파 에너지에 해당하고 지각 및 상부맨틀의 수평방향에 대한 속도구조의 비균질성 때문에 기인된다고 알려져 있다. 또한 Kawase et al.(2011)와 Castro et al.(1997) 등은 S파 에너지에 대해 수평/수직 스펙트럼 비율 방법을 적용하였다. 국내에서의 부지효과에 관한 연구는 최근 활발한 편이다. 특히 최근 KBC 2016 및 국내 내진설계 공통 적용사항에서 각각 증폭계수 및 응답스펙트럼, 지반분류 등을 새로이 제시하였고Cho et al.(2016), Kim and Baag(2002), Kim and Kim(2009), Kim(2009)과 Yun and Sun(2007), Cho et al.(2016) 등에 의해 연구가 진행되어 왔다. 또한 최근 수평/수직 방법을 이용하여 예당저수지 부지 관련 연구를 포함하여 국내 주요 지진관측소 부지에 대한 연구(Kim and Oh, 2014; Kim et al., 2016)가 수행되었다. 본 연구는 고유진동수를 통해 각각의 부지에 대한 일관된 부지증폭특성을 분석하였다. 4개의 부지에서 관측된 72개의 수평 및 수직성분 가속도 지반진동을 이용하여 수평/수직 스펙트럼 비를 분석하였다. 72개 지반진동의 배경잡음, S파 및 Coda파로부터 분석된 지반증폭 특성을 상호 비교하였다.

2. 연구방법

지반증폭을 연구하는 방법은 배경잡음, S파 및 Coda파와 같이 파의 에너지 종류에 따라 분류할 수 있다. 본 연구는 S파 에너지를 포함하여, 주시시간이 길어 늦게 도달하고 또한 상대적으로 작은 진폭 에너지를 가지고 있는 Coda파 및 신호가 도착하기 전의 배경잡음 에너지를 포함하여 3종류의 대표되는 지진에너지를 이용하여 지반증폭 결과를 도출하고 상호 비교 및 분석하였다.

본 연구는 앞서 제시된 3종류의 대표되는 지진에너지를 바탕으로 기준관측소를 이용하여 지반증폭 효과를 분석하는 방법을 적용하였다(Lermo and Francisco, 1993; Yu and Haines, 2003; Castellaro and Mulargia, 2009; Poggi et al., 2011). 기존의 기준관측소 방법과 이를 연장하여 새로이 2종류의 방법을 추가하여 모두 3종류의 기준관측소 방법을 적용하였다. 기준관측소 방법은 기준관측소가 분석대상 부지로부터 비교적 가까운 곳에 위치하고 동시에 주변 지역을 대표할 수 있는 노두에 위치한 경우, 기준관측소의 부지효과를 거의 무시가능하기 때문에 기준관측소의 수직성분 대비 분석대상 관측소의 수평성분의 비를 이용하는 방법이다. 따라서 기준관측소 방법의 효과적 적용 가능성은 분석대상 부지 주변 가까운 곳에 지역적으로 대표 가능한 암반이 존재하는지 여부에 달려 있다. 3종류의 기준관측소 분석 방법은 첫째, 분석관측소의 수평성분/기준관측소의 수직성분을 이용하는 방법(H_Target/V_Reference; Referance #1)이고, 두 번째 방법은 분석관측소의 수직성분/기준관측소의 수직성분을 이용한다(V_Target/V_Reference; Referance #2). 마지막으로 기준 관측소의 수평/수직성분 비에 대한 분석대상 관측소의 수평/수직성분 비를 이용하는 방법((H_Target/ V_Target) / (H_Reference/V_Reference); Referance #3)이고, 본 연구는 두 번째 및 세 번째 방법을 새로이 적용하여 결과를 비교하고 분석하였다. 따라서 3종류의 기준관측소 방법을 3종류의 지진에너지에 각각 적용하여 부지증폭 결과를 상호 비교를 통해 분석하였다. 지반진동의 수직성분에 대한 수평성분의 지반증폭 비는 지반진동의 푸리에 스펙트럼을 이용하여 다음과 같이 스펙트럼의 비율로 주어진다(Nakamura, 1989; Lermo and Francisco, 1993).

(1)

log(H/V) = (log0.5(H12+H22))−logV

Eq. (1)에서, H_{1 및} H₂ 는각각 관측된 지반진동의 남북 및 동서방향 수평성분의 푸리에 스펙트럼을 나타낸다. 또한 H는 기준관측소 및 분석대상 관측소의 수평성분, V는 기준관측소 및 분석대상 관측소의 수직성분을 나타낸다.

3. 연구자료

4개 변전소시설 각각 2개 지점(노두 및 시추공)에서 관측소가 운영되었고 3개의 중규모 지진이 공통적으로 관측되었다. 공통적으로 관측된 가속도 지반진동을 이용하여 지반증폭을 분석하였다. 3개 지진의 발생일자, 진앙위치, 진원깊이, 규모 및 관측소는 Table 1에 제시되어 있고, 특히 4개 관측소의 지리적 위치, 운영자와 센서 및 레코더 종류 등에 대한 보다 자세한 사항은 Table 2에 제시되어 있다. 3개 지진 중에서 오대산 지진은 최근 수년간 육지에서 발생한 지진 중에서 최근 발생한 경주지진을 제외하면 규모가 가장 크다. 신호 대 잡음비가 일정 수준(약 1,000배 가량) 이상이고 또한 4개 관측소 노두에서 공통적으로 관측된 지진자료는 3개 지진이었고 Table 1에 제시되어 있다. 관측소마다 2개 지점(노두 및 시추공)에서 수평 성분 16개 및 수직성분 8개 자료를 포함하여 모두 72개의 가속도 자료를 처리하여 지반증폭 특성을 분석하였다.

Table 1

List of Earthquake Occurrence Dates and Seismic Stations Observed

No.	Date	Latitude (°)	Longitude (°)	Depth (km)	M_L	Organization	Stations Recorded
1	2007.01.20	37.6889 (±5 km)	128.5841 (±5 km)	13.1	4.8	KEPCO E&C*	NAS, NGP, NSS, NTB
2	2008.05.31.	33.5385	125.7224	19.8	4.2	KEPCO E&C*	NAS, NGP, NSS, NTB
3	2008.10.29.	36.345	127.2586	5.7	3.4	KEPCO E&C*	NAS, NGP, NSS, NTB

^* Korean Electrical Power Company Engineering and Construction

Table 2

List of Location and Recorder Type of 4 Seismic Stations

No.	Station	Latitude (°)	Longitude (°)	Sensor (Recorder Type)
1	NAS	37.0963	127.2825	Borehole accelerometer (Guralp Systems CMG-5TB)
2	NGP	37.6160	127.5028	Borehole accelerometer (Guralp Systems CMG-5TC)
3	NSS	36.7747	126.6436	Borehole accelerometer (Guralp Systems CMG-5TC)
4	NTB	37.2571	128.9612	Borehole accelerometer (Guralp Systems CMG-5TC)

S파 에너지는 S파 도달시각부터 약 15~20초 길이, 배경잡음은 P파가 도착하기 전 약 15~20초 동안의 샘플링을 통해 파형에너지를 이용하였다. 또한 Coda파 에너지에 대한 푸리에 분석을 위해 샘플링 시작시점은 S파가 도달하는데 걸린 시간 즉 S파 주시시간의 약 2배가 되는 시점부터 약 15~20초 동안의 파형 에너지를 이용하였다. 지반증폭 분석을 위해 가속도 자료를 사용하였으며, 가속도 자료의 샘플링 간격은 1초에 100개로서 0.01초이다. 따라서 나이퀴스트 진동수는 50 Hz이다. 15초 이상의 시간길이의 푸리에 분석 특성을 고려할 때 약 1,500개 샘플링 개수를 초과해야하며 가장 가까운 2의 승수인 모두 2,048 포인트가 된다. 100 Hz가 2,048 포인트로 표현되기 때문에 이를 고려하면 푸리에 변환 분석의 진동수 간격은 약 0.0488 Hz에 해당한다.

Figs. 1(a), 1(b), 1(c)를 비롯하여 1(d)는 각각 NAS, NGP, NSS 및 NTB 등 4개 관측소 노두에서 3종류 에너지의 발달정도를 분석한 결과이다. 3개 지진 가운데 가장 큰 규모의 오대산지진(M_L4.8)을 이용하였다. 제시된 그림에서 세로축은 푸리에변환 값이고 단위는 [gal·sec]에 해당한다. 3성분 중 수직성분을 이용하였고, 3종류의 가속도 파형을 푸리에 변환한 결과를 보여 주고 있다. 각각 관측소에서 S파, Coda 파 및 배경잡음 등 3종류의 가속도 파형의 진동수 변화에 따른 에너지 크기를 분석하였다. 4개 관측소 각각에서 공통적으로 S파가 가장 크고, Coda파 그리고 배경잡음의 순서로 작아지는 일관성을 보여주고 있다. S파 및 Coda파는 상호 유사하게 거의 평행하게 발달되어 있다. 관측소 및 진동수 구간에 따라 다소 차이가 존재하지만 S파와 배경잡음의 푸리에변환 값을 비교할 때 약 1,000배 이상 값의 차이를 보여 주고 있다. NAS 관측소는 0.1~10Hz 범위에서 S파가 배경잡음에 비해 약 1,000배 이상의 값을 10Hz 이상 범위는 약 100배 정도의 값의 차이를 보여주고 있다. NSS 관측소와 NGP 관측소의 배경잡음은 1~5Hz 범위에서 감소하면서 S파와 배경잡음은 상호 약 1,000배 이상의 차이, 5~15Hz 범위에서 약 100~1,000배의 차이를 보여주고 있다. NTB 관측소에서 S파와 배경잡음은 전체 진동수 구간에서 약 10배 내외의 값 차이를 유지하고 있다. 물론 NSS 관측소와 NAS 관측소의 경우 30Hz이상의 고진동수 일부 구간에서 배경잡음의 수준이 Coda파와 서로 비슷하거나 보다 높은 진동수 구간도 관찰되었다. 부지증폭의 중요 관심 진동수 범위에 해당하는 특히 0~10Hz 범위에서 S파와 배경잡음이 약 1,000에서 최대 10,000배 까지 범위의 대단히 커다란 차이가 있음에도 불구하고 3종류의 파형에너지를 각각 독립적으로 분석한 결과가 부지증폭 결과에 대한 상호 일관성을 갖고 있는지 검증하여 분석결과의 신뢰성을 제고하였다.

Fig. 1

Fourier Spectra of Coda Wave, Background Noise and S-wave at (a) NAS, (b) NGP, (c) NSS, and (d) NTB Station for Odaesan Event (ML4.8)

4. 연구결과 및 토의

본 연구는 4개 부지 각각에서 3종류의 기준관측소 방법을 배경잡음, S파와 Coda파 등 3종류의 지진에너지에 각각 적용하여 상호 비교를 통해 지반증폭 특성을 분석하였다.

4.1 Coda파 지진에너지를 이용한 지반증폭 비교

Fig. 2는 4개 관측소(NAS, NGP, NSS 및 NTB)의 Coda파 지진에너지를 이용하여 지반증폭 값을 분석한 결과를 보여주고 있다. Coda파 지진에너지를 이용하여 3종류의 기준관측소 방법을 모두 적용하여 상호 비교 및 분석하였다. 3종류의 방법은 2. 연구방법 절에서 구체적인 설명과 함께 Reference #1, Reference #2 및 Reference #3으로 제시되어 있다. 4개 관측소는 시추공 관측소와 노두관측소로 구성되어 있고 시추공 관측소를 기준관측소로 설정하였다. NAS 관측소는 3 종류 방법을 적용한 결과 상호 일관성이 있는 증폭 특성을 보이며 9~10 Hz 범위와 20~21 Hz 범위에서 상호 일관성이 있는 지역적인 피크를 보여주고 있다. 9~10 Hz 범위 값이 20~21 Hz 범위 값보다 높은 값을 보여주고 있다. NGP 관측소에 대해 3종류 방법을 적용한 결과는 5~10 Hz 사이와 14~16 Hz 부근에서 동시에 지역적인 피크를 보여주고 있다. 5~10Hz 범위에 비하여 14~16 Hz 범위가 월등하게 그리고 뚜렷하게 높은 증폭값을 보여주고 있다. NSS 관측소의 경우 3종류 방법이 상호간의 일관성이 있는 증폭 특성을 보여주며 5-10Hz 범위와 30 Hz 부근에서 공통적으로 뚜렷한 지역적인 피크를 보여주고 있다. NTB 관측소의 3종류 방법의 결과는 다른 3개 관측소에 비하여 지반증폭 값이 두 번째 방법을 제외하고 작고 다소 일관성이 없는 증폭 특성을 보여주고 있다. 다만 5~10 Hz 사이에서 증폭값의 차이가 있음에도 불구하고 약한 정도의 일관성이 보이고 상대적으로 지역적인 피크를 보여주고 있다. 또한 피크의 절대값이 4개 관측소 중 가장 작은 특징을 보여 주고 있다. Coda파 에너지를 이용할 경우 H_Target/V_Reference 방법과 V_Target/V_Reference 방법을 적용한 부지증폭 절대값이 공통적으로 크고, (H_Target/ V_Target) / (H_Reference/V_Reference) 방법을 적용한 결과는 증폭 절대값이 상대적으로 작은 특징을 보여주고 있다.

Fig. 2

H/V Spectral Ratios with 3 Reference Methods Using Coda Wave Energy (a) NAS, (b) NGP, (c) NSS, and (d) NTB Station

4.2 배경잡음 에너지를 이용한 지반증폭 비교

Fig. 3은 4개 관측소의 배경잡음을 이용하여 지반증폭 값을 분석한 결과를 보여준다. Coda파 경우처럼 시추공내 센서가 설치된 시추공 관측소를 기준관측소로 설정하였고, NAS 관측소는 3종류 방법이 상호 일관성이 있는 증폭 특성을 보여주고 있다. 증폭값은 상대적인 차이를 보이고 있으나 9~10 Hz, 15~16 Hz 및 20~21 Hz 범위에서 상호 일관성이 있는 증폭 특성을 보여주고 있다. NGP 관측소는 5~10 Hz 사이와 14~16 Hz 부근에서 상대적으로 지역적인 피크를 보여주고 있다. 5~10 Hz 범위에 비하여 14~16 Hz 범위가 상대적으로 높은 값과 일관성이 뚜렷한 특징을 보여주고 있어 Coda파 에너지를 이용한 결과와 일치하고 있으며 진동수가 거의 일치한다. NSS 관측소의 경우 3종류 방법을 이용한 결과를 살펴보면 위치 차이는 다소 존재하나 상호 일관성이 있는 증폭 특성을 보여주고 있고, 5~10 Hz 범위에서 지역적인 피크를 보여주고 있다. 30 Hz 부근에서는 뚜렷하게 3종류 방법이 상호 일관성이 있는 지역적인 피크를 보여주고 있어 Coda파 경우와 피크 위치의 진동수가 거의 일치한다. NTB 관측소는 5~10 Hz 범위에서 다소 약한 일관성을 보여주고 있다. 또한 나이퀴스트 진동수의 경계부분에 해당하는 40 Hz 부근에서 이상적인 피크를 보여주고 있다. 이를 제외할 경우 증폭의 절대값이 4개 관측소중 가장 작은 특징을 보여 주고 있어 Coda파 결과와 유사하다. 특히 40 Hz 부근의 높은 증폭값은 앞서 제시된 2종류의 지진에너지 결과와 3종류의 기준관측소 분석방법 상호 일관성이 없음을 고려할 때 커다란 의미는 없는 것으로 판단된다.

배경잡음 에너지를 이용하여 4개 관측소를 상호 비교할 경우 H_Target/V_Reference 방법과 V_Target/V_Reference 방법을 적용한 증폭 절대값이 상대적으로 크고 (H_Target/V_Target) / (H_Reference/V_Reference) 방법을 적용한 결과는 증폭값이 가장 작은 특징을 보여주고 있어 Coda파 경우와 대단히 유사하다.

Fig. 3

H/V Spectral Ratios with 3 Reference Methods Using Coda Wave Energy (a) NAS, (b) NGP, (c) NSS, and (d) NTB Station

4.3 S파 에너지를 이용한 지반증폭 비교

Fig. 4는 4개 관측소에 S파 에너지를 이용하여 지반증폭 특성을 분석한 결과를 보여준다. 역시 시추공 관측소를 기준관측소로 설정하였다. NAS 관측소는 3종류 방법 상호 일관성이 있는 증폭 특성을 보여주고 8~10 Hz 범위와 16~20 Hz 범위 그리고 25~30 Hz 범위에서 상호 일관성이 있는 지역적인 피크를 보여준다. 8~10 Hz의 위치는 앞서 제시된 2종류 지진에너지를 이용한 결과와 유사하나 25~30 Hz 범위는 다소 다른 특징을 보여주고 있다. NGP 관측소는 3종류 방법 상호 일관성이 있는 증폭 특성을 보여주고 있다. 5~10 Hz 부근에서 상대적으로 일관성이 뚜렷한 피크를 보여주고 있다. 14~16 Hz 범위에 비하여 5~10 Hz 범위가 월등하게 그리고 뚜렷하게 높은 값을 보여주고 있다. 지역적인 피크의 크기와 진동수 위치 특징을 고려하면 앞서 제시된 2종류 지진에너지를 이용한 결과와 대단히 유사하다.

Fig. 4

H/V Spectral Ratios with 3 Reference Methods Using S Wave Energy (a) NAS, (b) NGP, (c) NSS, and (d) NTB Station

NSS 관측소는 종류 방법 상호 일관성은 다소 부족하나 5~10 Hz 범위와 30 Hz 부근에서 상호 일관성이 있는 증폭특성을 보여주고 있다. NTB 관측소는 앞선 2종류 에너지와 유사하게 상호간 일관성이 가장 약한 증폭 특성을 보여주고 있다. 다만 5~10 Hz 사이에서 상호간 일관성이 약한 지역적인 피크를 보여주고 있다. 또한 증폭 절대값이 4개 관측소 중 가장 작은 특징을 보여 주고 있어 Coda 파 및 S파 에너지 결과와 유사하다. S파 에너지를 이용하여 4개 관측소를 상호 비교할 경우 H_Target/V_Reference 방법과 V_Target/V_Reference 방법을 적용한 증폭 절대값이 상대적으로 크고, (H_Target/ V_Target) / (H_Reference/V_Reference) 방법을 적용한 결과는 작은 특징을 보여주고 있어 Coda파, S파 및 배경잡음 등 3종류 지진에너지 결과가 상호 일치하고 있다. 4개 관측소 모두 비록 일치하는 정도에서 상대적인 차이는 있지만 NTB관측소는 다른 3개 관측소 보다 일관성이 상대적으로 낮다. 이와 같이 특정 지역에서 일관성의 차이는 여러 가지 원인이 가능하겠지만 기준관측소 방법의 기본식 (1)에서 분모로 작용하는 기준관측소의 조건이 미비한 경우의 가능성도 있다고 판단된다. 또는 해당 지반의 증폭 정도가 대단히 미미하여 피크값도 낮고 일관성이 부족한 경우도 있다고 판단된다. 또한 (H_Target/V_Target) / (H_Reference/V_Reference) 방법이 다른 2종류 방법보다 일관성이 현저히 낮고 증폭값의 진폭이 작은 이유는 향후 연구가 더 필요하다고 판단된다. NAS 관측소는 8~10 Hz 범위, 나머지 3개 관측소는 공통적으로 5~10 Hz 범위의 진동수가 고유의 우월진동수에 해당되는 것으로 분석된다. 또한 지반의 우월진동수 또는 고유주기를 Table 3에 제시된 지반분류 방법(Yoon et al., 2006)을 이용할 경우 NAS, NGP, NSS 및 NTB 4개 관측소 노두는 모두 T_B지반으로 분류가능 하고 비교적 신선한 암반층에 해당하고 있다.

Table 3

Site Classification Condition (Yoon et al., 2006)

Site Classification	Site Classification Condition (T in second)
T_A	T < 0.10
T_B	0.10 < T < 0.30
T_C	0.30 < T < 0.50
T_D	0.50 < T

5. 결론

임의 부지의 지반증폭을 분석하는 방법 가운데 하나인 기준관측소 분석 방법을 적용하였다. 4개 관측소(NAS, NGP, NSS 및 NTB) 각각 노두 및 시추공에서 관측된 Coda파, S파 지진에너지 및 배경잡음 등 3종류 지진에너지를 이용하여 기존의 기준관측소 분석 방법을 연장한 3종류의 방법을 적용하여 상호 비교 및 분석하였다.

(1) NAS 관측소의 경우 3종류의 기준관측소 방법 및 3종류 지진에너지를 적용한 결과 모두 상호 일관성이 있고, 8~10 Hz 구간에서 3종류의 지진에너지를 이용한 결과가 모두 일관성을 보이고 있어 NAS 관측소는 8~10 Hz 범위가 NAS 관측소의 우월진동수로 판단된다. NGP 관측소는 5~10 Hz 범위 및 14~16 Hz 범위가 상호 높은 일관성을 보여주고 있고 주변 진동수에 비하여 높은 피크값 및 일관성이 뚜렷한 특징을 보여주고 있어, NGP 관측소의 우월진동수는 5~10 Hz 범위와 14~16 Hz 부근이라고 판단된다. 14~16 Hz 범위는 기본 우월진동수의 2차 모드일 가능성도 있다고 판단된다.
(2) NSS 관측소는 5~10 Hz 범위 및 30 Hz 부근이 상호 뚜렷한 일관성을 가진 증폭특성을 보여주고 있어 우월진동수로 판단된다. 30 Hz 부근은 기본 우월진동수의 고차원 모드일 가능성도 있다고 판단된다. NTB 관측소는 상호 일관성과 증폭 절대값이 가장 약한 증폭 특성을 보여주고 있다. NTB 관측소는 상호 일관성의 정도는 다소 미흡하지만 5~10 Hz 범위에서 약한 부지증폭이 있는 것으로 판단된다. 특정 지역에서 일관성의 차이는 여러 가지 이유가 가능하겠지만 기준관측소의 조건이 미비한 경우 또는 해당 지반의 증폭 정도가 대단히 미미하여 증폭의 피크값도 낮고 3종류 지진파 에너지 상호간 일관성 부족을 보여줄 가능성도 있다고 판단된다.
(3) 4개 관측소 모두 비록 일치하는 정도에서 상대적인 차이는 있지만 NAS 관측소는 8~10 Hz, 나머지 3개 관측소는 공통적으로 5~10 Hz가 고유의 우월진동수에 해당되는 것으로 분석되어 NAS, NGP, NSS 및 NTB 4개 관측소 기반암은 모두 T_B 지반으로 분류가능하고 비교적 신선한 암반층에 해당하고 있다.
(4) 지진에너지(Coda파, 배경잡음, S파)를 이용하여 4개 관측소를 상호 비교할 경우 H_Target/V_Reference 방법과 V_Target/ V_Reference 방법을 적용한 증폭 절대값이 상대적으로 크고, (H_Target/V_Target) / (H_Reference/V_Reference) 방법을 적용한 결과는 증폭 절대값의 크기가 전체 진동수 구간에서 공통적으로 가장 작은 특징을 보여주고 있다. 따라서 H_Target/ V_Reference 및 V_Target/V_Reference 방법이 상대적으로 보다 증폭특성을 잘 나타내는 것으로 판단된다. 하지만 향후 보다 많은 지역에 적용된 결과를 통해 입증될 필요가 있는 것으로 판단된다.
(5) Coda파, S파와 배경잡음 파형의 최대 약 1,000~10,000배 이상의 진폭의 커다란 차이에도 불구하고 4개 부지 각각에서 비교적 상호 일관성 있는 지반증폭 특성을 보여 주고 있어, 3종류 기준관측소 방법은 대단히 안정된 방법으로 판단된다. 따라서 부지 각각에서 3종류의 지진에너지와 3종류의 기준관측소 분석 방법을 동시에 적용하면 임의 부지에 대해 신뢰성이 보다 향상된 부지증폭 정보를 도출할 수 있다고 판단된다. 물론 분석된 각각 관측소의 우월진동수를 이용하여 4개 관측소의 지반의 S파 속도구조모델에 대한 구체적인 해석을 향후 연구할 필요가 있다.
(6) 국가지진재해도는 일반적으로 기반암 기준으로 되어 있으나 지역적인 제한된 조건으로 토사층 노두에 위치하는 구조물 및 건축물에 적용할 경우 국가지진재해도를 상향 조정할 필요가 있을 경우, 본 연구에서 제시된 부지증폭 분석방법을 이용하여 임의 지역의 부지증폭을 쉽게 분석가능하다.

감사의 글

본 연구는 한국기상산업진흥원 지진기술개발사업의 지원(KMIPA 2015-7070)으로 수행되었습니다.

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