1. 서 론

지진파가 기반암으로부터 지표면으로 전달될 때, 공명주파수에서 가장 큰 진폭의 변화가 생긴다. 공명주파수를 측정하는 방법으로는 전파방정식, 1차원 지반응답해석의 전달함수, 수평/수직 스펙트럼비(Horizontal to Vertical Spectral Ratio, HVSR) 등이 있다. 이 중 상시 미동의 HVSR은 측정방법의 편리함과 분석의 간단함으로 인해 부지의 공명 주파수를 추정할 때 널리 사용되어 왔다(^{Bahavar et al., 2020}; ^{Konno and Ohmachi, 1998}; ^{Lachet et al., 1996}; ^{Lermo and Chávez-García, 1993}; ^{Nakamura, 1989}). ^{Lermo and Chávez-García(1993)}에 따르면 한 지점에서 측정된 상시미동 자료와 지진자료의 HVSR 결과는 유사하고, 이 결과는 ^{Konno and Ohmachi(1998)}에 의해 행해진 현장 실험에서도 같게 나타났다. ^{Lachet et al.(1996)}은 Thessaloniki (Greece) 지역에서 3달 동안 지진 및 상시미동 자료를 기록했다. 그 후 receiver functions, HVSR, classical spectral ratios 총 3가지의 부지효과 평가기법을 이용하여 대상 지역의 주파수와 진폭을 분석하였다. 앞서 소개한 3가지 기법 모두 증폭 주파수 대역에 만족스러운 합치가 있었다. 기존의 푸리에 스펙트럼과 달리 파워 스펙트럼 밀도 추정치를 이용한 HVSR 분석을 통해서도 부지의 공명주파수를 추정할 수 있다(^{Bahavar et al., 2020}).

HVSR을 위한 상시미동 측정에는 계기잡음이 상시미동보다 작은 고성능 지진계가 사용되어야 한다. 이러한 지진계는 기본적으로 관성의 원리를 이용하여 지반운동을 측정한다. 지진계에는 질량이 큰 추가 매달려 있다. 지면에 진동이 발생하면 지진계를 이루는 다른 부분은 진동과 함께 흔들리지만, 추는 관성이 커서 흔들리지 않는다(^{Park, 2019}). 지진을 감지할 때 사용하는 고정식 지진계는 한 위치에 오랜 시간동안 고정되어 있으므로 평상 시 추가 안정화 되어 있다. 하지만 HVSR 측정은 지진계의 위치를 단시간 내에 이동시켜야 하므로 안정적인 지면 진동을 측정하기 위해서는 필요한 안정화 시간이 어느 정도 필요한 지 알아보아야 한다. 또한, 지진계 주변에 인위적인 진동이 있는 경우 특정한 방향과 크기의 진동이 발생하기 때문에 방향성, 주파수 및 진동의 크기가 임의적인 상시미동의 계측이 어려워진다.

이미 HVSR분석은 국내 연구자(^{Jung et al., 2010}; ^{Kim and Hwang, 2002})에 의한 선행 연구가 존재한다. 하지만 신뢰성 있는 HVSR을 얻기 위한 기준은 부족한 실정이다. 이에 따라 본 연구에서는 센서 안정화 시간과 지진계 센서와 인위적인 진동 사이의 이격거리가 HVSR에 미치는 영향을 분석하여 신뢰적인 HVSR을 얻기 위한 관측 환경을 제안하고자 한다.

2. HVSR과 공명주파수

HVSR은 지표면에서 센서에 의해 기록된 수평 푸리에 진폭과 수직 푸리에 진폭 사이의 비율로 정의된다. HVSR이 부지효과를 대체하기 위해서는 다음 2가지의 가정이 필요하다. 첫째, 암반 내의 수직 진폭과 수평 진폭이 동일하다. 둘째, 수직운동이 표면층에 의해 크게 증폭되지 않는다(^{Rong et al., 2017}). Fig. 1에서와 같이 지표면과 기반암의 수직, 수평 푸리에 진폭을 각각 VS, HS, VB, HB로 표현한다면 수평성분에 대한 경험적 전달함수(Empirical transfer function of horizontal component, ETFH)는 다음과 같이 표현할 수 있다.

Fig. 1. Schematic Diagram of Surface and Bedrock Ground Motion Components

첫 번째 가정인 HB = VB을 Eq. (1)에 적용하면 Eq. (2)와 같이 나타낼 수 있다.

두 번째 가정인 VB = VS를 Eq. (2)에 적용하면 Eq. (3)과 같이 ETFH를 HVSR로 나타낼 수 있다.

이와 같은 결과로 부지증폭을 지표면에서의 측정 자료만으로 추정할 수 있다.

앞서 제시한 가정들의 유효성과 HVSR의 효용성을 검증하기 위해 기상청 지진관측소인 HANB(해남)와 JEJB(정자)의 지표형 센서 관측값의 HVSR과 시추형 센서 관측값의 HVSR을 비교하였다. Fig. 2(a)는 HANB의 시추형 센서(왼쪽 그림)와 지표형 센서(오른쪽 그림)에서 2020년 11월 11일 자정부터 00시 3분까지 관측한 상시미동의 HVSR 결과이며, Fig. 2(c)는 JEJB의 시추형 센서(왼쪽 그림)와 지표형 센서(오른쪽 그림)에서의 동일 시간대 관측기록에 대한 HVSR결과이다. HANB, JEJB의 시추형 센서는 지표면에서 각각 60 m, 20 m 깊이의 기반암에 위치해 있다. Figs. 2(a) and 2(c)의 좌측 그래프를 보면 기반암에 위치한 시추형 센서는 수평 및 수직방향의 스펙트럼 진폭의 크기가 비슷하여 Eq. (2)에 표현된 첫 번째 가정인 HB≃VB가 성립됨을 알 수 있다. 또한, 연약지반에 위치한 지표형 센서에서는 특정 주파수에서 진폭이 크게 나타나는 것으로 보아 토양층에 의한 상시미동의 증폭이 수평성분에서는 크게 존재하며, 수직성분에서는 상대적으로 작은 것을 확인할 수 있다.

HVSR 분석결과의 효용성을 증명하기 위해서는 실제 시추자료에 의한 토층의 깊이 자료와 HVSR 분석을 통해 획득한 공명주파수와의 관계를 비교해 볼 수 있다. 기존 연구에서는 기반암을 덮고 있는 퇴적층의 전체적인 두께와 HVSR 분석결과로부터 도출해낸 공명주파수가 상관관계를 갖는다는 것이 제시된 적이 있다(^{Ibs-von Seht and Wohlenberg, 1999}). 이 연구에서 또한 HANB와 JEJB의 시추주상도로부터 획득 가능한 토층 깊이와 HVSR에서 유추한 토층 깊이를 비교해 보고자 한다.

토층이 균질할 경우 공명주파수($f_{0}$)와 토층 두께(D)는 전파방정식으로부터 다음과 같이 정의된다(^{Lachet and Bard, 1994}; ^{Lee at al., 2017}).

Fig. 2. HVSR from Surface and Borehole Sensors at HANB and JEJB Stations with Boring Profiles

Eq. (4)로부터 토층의 전단파속도(VS-SOIL) 정보가 존재하면 $f_{0}$를 이용하여 D를 추정할 수 있다. 하지만 현 지역에서의 물리탐사 정보가 존재하지 않기 때문에 해당 지역의 정확한 VS는 획득할 수 없다. 이에 따라 VS를 가정하는 것이 필요하다. ^{Sun et al.(2012)}은 국내 지역의 토층을 매립토, 퇴적토, 풍화토, 풍화암, 그리고 기반암의 총 5종류로 지층을 구분하여 각 지층별 평균전단파속도를 심도 변화에 관계없는 상수 형태(186 m/s, 283 m/s, 353 m/s, 651 m/s, 1,276 m/s)로 제시하였다. HANB와 JEJB의 각 지층별 평균전단파속도와 두께, 그리고 HVSR에서 읽은 $f_{0}$가 Table 1에 표시되어 있다. 전체 토층의 평균전단파속도인 VS-SOIL은 Eq. (5)에 따라 계산할 수 있다.

여기서 Di는 i토층의 깊이, VSi는 i토층의 전단파속도, N은 토층의 수를 의미한다. Eq. (5)의 VS-SOIL과 HVSR에서 얻은 $f_{0}$를 Eq. (4)에 대입하면 HANB와 JEJB 토층의 깊이가 45.21 m, 8.55 m로 계산된다. Figs. 2(b) and 2(d)에서 보듯이 실제 토층의 깊이는 27 m, 9 m이다. 약간의 오차는 토양층의 밀도를 모두 동일하게 가정해서 생기는 오차라고 판단된다. 그럼에도 불구하고 HVSR 관측 결과로 판단하는 공명주파수와 토층 깊이와의 관계는 신뢰성이 높다고 할 수 있다.

HVSR은 단 하나의 3성분 지진계만으로 분석하는 방법이기 때문에 이론적 근거에 대해서는 아직 많은 연구가 필요하다. 많은 학자들이 HVSR 단일 실험에 의한 분석결과 신뢰도에 대해 많은 의문을 품고 있다(^{Mucciarelli et al., 2003}). 그 중에서도 주변 소음이 신뢰도에 미치는 영향에 대한 연구는 밝혀진 바가 그리 많지 않다. 모든 종류의 단기 인위적 진동은 결과를 방해할 수 있으나, 그 영향거리는 진동원의 에너지, 토양 상태 등에 따라 달라지기 때문에 최소 거리 값을 제공할 수 없다. 하지만 더 연속적인 저주파수의 진동이 가까울 경우 HVSR에 영향을 미치는 것이 경험적으로 관찰되었다(^{Acerra et al., 2004}). 또한 자연 토양에 설치한 센서의 경우 근거리(1 m, 5 m, 10 m)에서 사람이 걷는 정도의 소음을 발생시킨다면 상시미동 관측 자료에 신뢰도가 매우 떨어진다는 기존 연구가 존재한다(^{Chatelain et al., 2008}). 이와 같이 신뢰도 높은 HVSR 결과를 위한 환경을 분석하는 것은 매우 중요하다. 따라서, 관측환경에 따른 HVSR의 신뢰도 파악을 위해 HVSR의 측정 방법(3장), HVSR 측정 결과(4장), 결과에 대한 고찰(5장)에 대한 내용을 아래에 기술하겠다.

3. 관측환경 및 HVSR 측정 방법

3.1 실험 장비

HVSR측정을 위해 사용한 실험 장비는 상시미동의 3성분을 측정하는 지진계와 기록계로 구성된다. 본 연구에서 사용한 지진계는 매립형 광대역 속도 센서이자 low-noise 광대역 지진계로 민감도는 750 V-s/m ± 0.5 \%이다. 또한, 연구에서 사용한 아날로그 데이터를 디지털 형식으로 입력하는 데 사용되는 장치인 기록계는 단시간 현장 측정이 용이한 포터블 기록계를 사용하였다. Fig. 3(a)는 본 연구에 사용한 센서와 기록계를 나타내며 Fig. 3(b)는 앞서 소개한 센서, 기록계와 이동식 GPS 등을 연결하여 한양대학교 에리카 대운동장에서 상시미동을 관측하는 모습이다. 자료의 신뢰도를 더욱 높이기 위해 동일한 장소에 동일한 제품 2개의 이동식 지진계를 설치하여 실험하였다. 풍속이 5 m/s인 약한 바람도 저주파(1 Hz) 미만에서 센서에 큰 진동을 일으켜 HVSR에 강한 영향을 미칠 수 있으므로(^{Acerra et al., 2004}) 아크릴 상자를 씌워 바람으로 인한 영향을 최소화하였다.

Fig. 3. (a) Equipment (Sensor and Digitizer) Used in This Research, (b) Snapshot of Setup to Measure Ambient Vibration in Field

3.2 대상 지역

대상지역은 연구 주제에 따라 두 개의 분류로 나누었다. 첫 번째는 이동식 지진계의 안정화 시간을 측정하기 위해 선택한 이천(ICN2), 수원(SWO2), 그리고 옥천(OKCB)의 기상청 관측소이다. Fig. 4(a)는 각 관측소에서의 지질도를 나타내며, Fig. 4(b)는 OKCB의 시추주상도를 보여준다. 시추주상도로부터 OKCB의 지질은 퇴적층인 것을 알 수 있다. ICN2와 SWO2의 지질 분류는 중생대 시기의 대보화강암으로 암반층으로 추정할 수 있다. 두 번째는 지진계로부터 인위적인 진동원의 이격거리가 HVSR 분석 결과에 미치는 영향을 알기 위하여 현장 실험을 진행한 한양대 에리카캠퍼스 대운동장이다. 한양대학교 에리카 캠퍼스의 위치는 Fig. 4(a)에 나타나 있다. 지질도에 따르면 이 위치는 퇴적층 지역이다(^{KIGAM, 2020}).

센서 설치 시 초기 지반조건은 센서의 안정화 시간 및 진동 이격거리에 영향을 미칠 것으로 판단된다. OKCB의 경우 2020년 9월 22일에 기상청 통계 상 최저기온 16도, 최고기온 25도, 평균기온 19도를 기록했다. 실험 당일을 포함하여 2일 전까지는 강우량이 발생하지 않았지만, 3일 전에는 일강수량 4.1 mm를 기록했다(^{KMA, 2020}). SWO2는 2020년 10월 15일에 기상청 통계상 최저기온 6도, 최고기온 19도, 평균기온 11도를 기록했다. 실험 당일 열흘 전까지 강우량이 일체 발생하지 않았다. ICN2의 경우 또한 SWO2와 마찬가지로 실험 당일 열흘 전까지 강우량이 0 mm를 기록했고, 실험 당일 최저기온 4도, 평균기온 10도, 최고기온 18도를 기록했다(^{KMA, 2020}).

Fig. 4. (a) Geological Map at HYGP (Han Yang University Grand Playground), SWO2, ICN2, OKCB Sites, and (b) OKCB Boring Profile

Fig. 5. Snapshots of Ambient Noise Measurements at Sites: (a) OKCB, (b) SWO2, (c) ICN2

3.3 HVSR을 위한 진동 측정

3.1절의 실험 장비를 이용해 관측한 상시미동 데이터를 지진파 분석 프로그램인 Geopsy (^{Wathelet et al., 2020})를 사용하여 분석하였다. Geopsy는 3성분 지진계에서 얻은 상시미동의 수직 성분과 2개의 수평 성분으로부터 평균 HVSR을 계산한다.

첫 번째 실험으로 센서 안정화 시간을 알기 위해서 안정화가 완료된 기상청 관측소의 센서와 동일한 위치에 이동식 지진계 센서를 설치하여 두 결과를 시간에 따라 비교하였다. Fig. 5는 각 기상청 지진 관측소와 동일한 위치에 맞춰 지진계와 기록계를 연결한 모습이다. 센서는 지면에 수평하고 진북 방향에 맞게 설치하였으며, 주변의 접근을 차단한 채 상시미동 자료를 수집하였다.

비교를 위해 동일 위치에서 안정적으로 상시미동을 관측하는 기상청 지진관측소의 관측 자료를 국가지진종합정보시스템(^{KMA, 2020})으로부터 획득하였다. 기상청 센서의 HVSR을 기준으로 이동식 지진계의 HVSR 결과를 비교하였다. 각 지진관측소에서 수행한 조사 및 분석 시간은 Table 2에 표현되어 있다.

두 번째로 지진계와 인위적인 진동 사이의 이격거리가 HVSR에 미치는 영향을 알기 위해 Fig. 6에 도시화 한 것처럼 이동식 지진계로부터 1 m 간격으로 이격된 거리에서 인위적인 진동을 주어 지진계의 진동을 관측하였다.

Table 2. Total Observation Time for KMA Seismic Stations

	OKCB	SWO2	ICN2
Date	2020. 09. 22	2020. 10. 15
Entire time window	03:42:00 ~ 03:51:00	02:50:00 ~ 03:50:00	05:55:00 ~ 06:55:00
Window duration used for an HVSR	1 min	5 min

Fig. 6. Experimental Overview of Impact of Artificial Noise with Distance

Table 3. Artificial Noise Information Generated at Hanyang University Grand Playground

Location	Hanyang University Grand Playground
Date and Time	2020. 11. 18. 17:13:00 - 18:11:00
Artificial vibration information	Total 5 mins per separation distance / 4 min normal footstep and 1 min break / 120 steps per minute / one person with 50 kg weight

Table 4. Recommended Recording Duration (Acerra et al., 2004)

$f_{0}$ [Hz]	Minimum useful signal duration [s]	Recommended minimum record duration [min]
1	200	10
2	100	5
5	40	3
10	20	2

이 실험에서는 초기 센서 안정화에 의한 영향을 최소화하기 위해 설치 후 약 10분 후부터 인위적인 진동을 가하였다. 실험시간 및 위치, 인위적 진동원에 대한 설명은 Table 3에 정리되어 있다. 이전 실험으로부터 해당 위치에서의 공명주파수가 약 2 Hz라는 것을 파악하고 있었기 때문에 측정시간은 ^{Acerra et al.(2004)}이 제안한 공명주파수에 따른 측정시간표(Table 4)를 참조하여 5분으로 유지했다.

4. HVSR 실험 결과

4.1 센서 안정화 시간

HVSR을 이용한 부지의 공명주파수와 증폭 정도 예측은 센서의 관측 신뢰성에 따라 그 결과가 크게 달라질 수 있다. 기상청 관측 자료를 이용하여 분석한 결과인 Figs. 2(a) and 2(c)는 센서 설치가 완료된 후 지난 시간이 최소 1년 이상이고, 인위적 요소의 영향을 차단할 수 있으므로 센서의 안정화가 완료되었다고 볼 수 있다. 하지만 현장에서 이동식 지진계를 이용하여 상시미동을 관측할 경우 설치 초기에는 센서의 안정화가 이루어지지 않는다.

Fig. 7은 이동식 지진계의 HVSR 분석 결과와 기상청 관측소 OKCB, SWO2, ICN2의 HVSR 분석결과를 나타낸다. Fig. 7(a)는 OKCB에서 이동식 지진계 설치 후 좌측부터 1분, 3분 30초, 5분, 8분의 시간이 지난 시점부터 1분의 시간동안 관측한 데이터를 분석한 결과(빨간색 선)와 동시간 대의 기상청 센서의 HVSR 분석결과(파란색 선)이다. OKCB의 경우 Fig. 7(a)의 2행에 나타난 것처럼 이동식 지진계 센서의 데이터는 5분 후부터 안정화가 완료된 기상청 지진계 분석 자료와 유사하게 나타났다. 또한, 설치 후 시간이 지남에 따라 공명주파수가 저주파수 대역에서 점점 증가하는 것을 볼 수 있다. 이와 비교하여 OKCB 기상청 관측소 자료 분석 결과를 보면 이미 안정화가 되어 있기 때문에 그래프의 개형과 공명주파수가 시간에 관계없이 일정한 것을 볼 수 있다. SWO2의 경우인 Fig. 7(b)는 이동식 지진계의 설치 후 좌측부터 0분, 5분, 30분, 53분의 시간이 지난 시점부터 5분의 시간동안 관측한 데이터를 분석한 결과이다. Fig. 7(c)는 ICN2에서 이동식 지진계 설치 후 좌측부터 0분, 7분, 35분, 47분의 시간이 지난 시점부터 5분 시간동안 관측한 자료로 분석한 결과이다. OKCB와 달리 SWO2와 ICN2의 경우 이동식 지진계 센서 관측 자료로 분석했을 때 25~50 Hz 사이에서 공명주파수가 표출됐다. 또한 ICN2의 경우 HVSR의 진폭은 1에 가깝게 측정되었다. 이것으로 보아 암반 내의 수직 진폭과 수평 진폭이 동일하다는 가정(^{Rong et al., 2017})으로 암반층이 지표에 매우 가까울 것으로 추정할 수 있다. 이동식 지진계가 SWO2와 ICN2의 기상청 관측소 센서 관측 자료와 흡사한 결과를 도출하기까지는 1시간 이상이 소요되었다. 이는 암반의 경우 신뢰도가 높은 HVSR을 추출하기 위해서는 토층보다 긴 센서 안정화 시간이 소요됨을 나타낸다.

Fig. 7. Results of HVSR Analyses at (a) OKCB, (b) ICN2, (c) SWO2 Sites with Different Time Window from Sensor Installation

4.2 주변 인위적 진동

인위적인 진동은 센서와의 거리 또는 진동 크기에 따라 HVSR 분석결과에 영향을 줄 수 있다. 이러한 영향을 파악하기 위해 3.3절에서 설명한 것과 같이 한양대학교 에리카 캠퍼스 대운동장에서 실험을 진행하였다. 실험 장소는 Fig. 4(b)의 지질도에 따라 퇴적토 지형임을 유추할 수 있다. Fig. 8의 3행 4열은 인위적인 진동이 없을 경우의 HVSR 분석 결과이고, FD02부터 FD12는 이동식 지진계 센서로부터 2 m에서 12 m까지 이격시켜 인위적인 진동을 주었을 때의 HVSR 분석결과이다. 이동식 지진계 센서와 인위적인 진동 사이의 이격거리가 10 m 미만일 경우 기존의 공명주파수 부분에서 HVSR이 평준화되어 신뢰성 있는 공명주파수를 파악할 수 없다. 하지만 이격거리가 10 m 이상일 경우 인위적인 진동이 없을 때의 HVSR과 비슷한 결과가 표출되는 것을 확인할 수 있다. 이 결과로 미루어 토층에서 상시미동 관측 시 10 m 이내에 사람이 진입하는 것을 막아야 더욱 신뢰도 높은 공명주파수를 얻을 수 있을 것으로 보인다. 사람의 발걸음보다 큰 인위적인 진동이 발생한다면 10 m 이상의 거리에서도 상시미동의 HVSR에 영향을 미칠 것으로 판단된다.

Fig. 8. Result of HVSR Analysis at Hanyang University Grand Playground Site with Different Source-To-Receiver Distance

5. 관측환경에 따른 HVSR의 신뢰도 분석

시간에 따른 HVSR의 신뢰도를 측정하기 위해 공명주파수가 나타나는 대역대가 이동식 지진계 설치 후 경과한 시간에 따라 변화하는 그래프를 Fig. 9에 도시하였다. Fig. 9(a)는 OKCB에서 이동식 지진계와 기상청 관측소의 고정식 지진계를 이용하여 획득한 상시미동의 HVSR로부터 도출된 공명주파수를 이동식 지진계 설치시간에 따라 표현한 그래프이다. 두 자료를 비교해 본 결과, 이동식 지진계는 설치 후 3분이 지난 시점부터 안정화가 진행되기 시작했고, 설치 5분 후에 OKCB 지진계의 공명주파수와 비슷해졌다. 마찬가지로, Figs. 9(b) and 9(c)는 SWO2와 ICN2의 공명주파수 변화를 설치 후 60분간 관측한 결과이다. SWO2의 경우 기상청 지진계는 약 20 Hz, 이동식 지진계는 약 47 Hz의 공명주파수가 도출됐는데, 이는 관측 환경상 기상청 지진계 바로 옆으로 근접할 수 없어, 반경 5 m 떨어진 장소에서 이동식 지진계 실험을 진행했기 때문에 전혀 다른 공명주파수가 도출된 것으로 판단된다. ICN2의 경우 이동식 지진계 설치 55분 후에 ICN2 지진계의 공명주파수와 비슷해지는 것으로 보아 이 시간에 안정화가 완료되었다고 추정된다. Fig. 7(c)에서 보이듯이, ICN2의 5분 간격 HVSR은 50분이 경과하기 전에는 HVSR의 표준편차가 높고, 저주파수 대역에서 매우 큰 진폭이 생겨 안정화가 되지 않은 것을 확인할 수 있다. ICN2는 암반위에 위치하여 상시미동의 크기가 토층위에 있는 OKCB보다 상당히 작을 것으로 예측된다. 따라서 더 작은 상시미동을 정확히 계측하기 위해 암반위에서는 더 오랜 안정화 시간이 필요한 것으로 판단된다.

Fig. 9. Results of HVSR Peak Frequency vs. Installation Time Between Portable Seismometer and KMA Permanent Seismometer at (a) OKCB, (b) SWO2, and (c) ICN2 Sites

Fig. 10. Results of HVSR with Artificial Noise at Near (6 m) and Far (10 m) Distances from Sensor

지진계와 인위적인 진동 사이의 이격거리가 HVSR에 미치는 영향에 대한 기존 연구로는 아스팔트와 토층 위에서 실험한 연구가 있다. 아스팔트의 경우 사람들과 센서와의 거리가 1 m 이내로 될 경우를 제외하고는 어떠한 영향도 주지 않았다(^{Chatelain et al., 2008}). 자연 토양에 설치한 센서의 경우 근거리(1 m, 5 m, 10 m)에서 사람이 걷는 정도의 소음을 발생시켰을 때 근거리에 소음이 없을 경우의 HVSR과 매우 큰 차이를 보이며, 소음 발생 시 기존의 공명주파수대역에서 HVSR이 완전히 압착되어 뚜렷한 공명주파수가 나타나지 않았다(^{Chatelain et al., 2008}).

이번 연구에서의 실험 결과도 선행 연구와 매우 유사함을 가지고 있다. Fig. 10은 인위적인 진동이 HVSR 분석 결과에 미치는 영향을 알아보기 위해 동일한 진동을 거리별로 주어 분석한 결과이다. Figs. 10(a) and 10(b)는 인위적인 진동이 지진계로부터 6 m와 10 m로 이격되어 있을 때의 HVSR이다. 이전 실험결과로부터 파악한 인위적 진동이 없을 경우의 공명주파수는 2 Hz이다. 이격거리 6 m의 경우 공명주파수 대역이 압착되어 뚜렷한 피크를 보이지 않으나, 10 m의 경우 인위적인 진동이 공명주파수 대역에 영향을 주지 않아 2 Hz에 뚜렷한 피크를 볼 수 있다. 그러나 Fig. 8에서 보이듯이 6 m 이하의 거리에서 실험을 한 모든 경우에서 약 40 Hz의 높은 공명주파수가 발견되었다.

6. 결 론

이번 연구에서는 신뢰성 있는 HVSR 획득을 위한 센서 안정화 시간 및 주변 환경의 인위적인 진동과 HVSR의 관계에 대해 분석하였다. 센서 안정화 시간 추정을 위해 옥천(OKCB), 수원(SWO2), 이천(ICN2) 총 3곳의 기상청 지진관측소 위치에서 이동식 지진계로 HVSR을 계산하였고, 설치 후 시간 간격에 따른 HVSR과 기상청 지진관측소 지진계의 HVSR을 비교하였다. 또한 지진계 센서와 인위적인 진동과의 이격거리가 HVSR 분석결과에 미치는 영향을 알기 위해 토층 부지에서 이격거리를 변화시키며 HVSR을 계산하였다. 분석결과는 다음과 같다.

(1) 옥천(OKCB)의 경우 이동식 지진계 설치 후 약 5분 정도 이후에 신뢰성 있는 공명주파수를 획득할 수 있었으며, 공명주파수는 약 5.4 Hz로 판단된다. 토층의 경우 센서 안정화 시간이 짧은 것으로 추정된다.

(2) 이천(ICN2)의 경우 센서 설치 후 약 60분 정도 이후의 자료에서 안정적인 공명주파수($f_{0}$=24.1 Hz)를 획득할 수 있었다. 암반의 경우 오랜 안정화 시간이 필요한 것으로 판단된다.

(3) 수원(SWO2)은 약 50분의 시간이 경과되어도 기상청 지진계의 공명주파수와 다른 결과가 나타났다. 이동식 지진계의 공명주파수는 47 Hz로 기상청 지진계의 공명주파수인 20 Hz로 전혀 다른 결과를 보였다. 여건상 기상청 지진계와 5 m 떨어진 곳에 이동식 지진계가 설치되어 토층의 깊이 및 전단파속도차이로 인해 전혀 다른 공명주파수가 도출된 것으로 추정된다.

(4) $f_{0}$ ~ 2 Hz정도의 토층에 대한 상시미동 관측 시 10 m 이내에 사람의 발걸음 진동이 있을 경우 HVSR의 결과에 큰 영향을 끼친다.

토층의 물성에 따른 센서 안정화 시간, 인위적 진동의 크기와 토층의 물성에 따른 이격거리별 HVSR에 대한 진동의 영향에 대해 전반적으로 규명하기 위해서는 더 세부적인 실험과 토층의 표면파 전파에 대한 분석이 필요하다고 사료된다.