1. 서 론

국민안전처에서는 2017년 내진설계기준 공통적용사항^{(MOIS, 2017)}을 제정하였다. 이전 기준인 1997년 건설교통부의 내진설계기준연구(Ⅱ)은 미국의 NEHRP 1997을 준용하여 제정되었으나, 이 기준은 기반암 깊이가 매우 깊은 미국 서부지역에 대하여 작성된 기준으로 기반암 깊이가 얕은 국내 지반의 특성을 반영하지 못하였다는 지적이 있어 왔다.

특히 기존 내진설계 기준에서는 지반을 분류하는 세 가지 기준인 전단파속도, SPT-N치, 비배수전단강도를 상부 30.38 m 깊이까지에 대한 평균지반특성으로 정의하였는데, 미국 서부지역의 경우 기반암의 위치가 지중 100~300 m로 매우 깊어, 기반암 상부지반 30 m 토층의 평균 전단파속도를 통해 지반을 분류하는데 반해 국내 대부분의 지반은 기반암이 평균±1σ 수준에서 14.1~33.1 m에서 노출되는 특성을 가지고 있어, 설계 시 단주기 영역에서 과소평가되고, 장주기 영역에서는 과대평가되는 문제를 가지고 있다. 따라서 국민안전처는 내진설계기준 개정을 위한 연구를 시행하였으며, 표준설계응답스펙트럼에 대하여는 ^{Kim et al.(2016)}와 ^{Cho et al.(2016a)}, ^{Cho et al.(2016b)}, ^{Cho et al.(2016c)}가 채택되어 2017년 내진설계기준 공통적용사항을 제정하였고, 이는 국토교통부의 국가설계기준 「KDS 17 10 00 : 2018 내진설계 일반」^{(MOLIT, 2018)}에도 반영되어 실무에 사용되고 있다.

다만, 2017년 기준 개정 시 표준설계응답스펙트럼 제안을 위한 연구는 2016년 경주 지진과 2017년 포항 지진 이전에 수행되어, 최근 발생한 국내 중규모 이상 지진인 두 지진기록이 연구에 사용되지 않았다. 이들을 고려하기 위해 본 연구에서는 2016년 경주 지진기록과 2017년 포항 지진기록을 기반암의 표준설계스펙트럼에 상응하도록 수정하여 지반응답해석을 수행하였다. 이를 통해 국내 내진설계 기준에서 제시하고 있는 지표면최대가속도(PGA) 값의 성능을 평가하였다.

2. 지반응답해석

2.1 입력지진파

국가설계기준 「KDS 17 10 00 : 2018 내진설계 일반」^{(MOLIT, 2018)}에 따르면 실지진기록을 지반응답해석에 사용할 시 기반암에서 계측된 지진기록을 사용하여야 하며, 기반암 지반(S1)의 수평설계지반운동의 표준설계응답스펙트럼에 맞추어 수정하여 사용해야 한다. 따라서 본 연구에서는 2016년 경주, 2017년 포항에서 발생했던 지진의 기반암 위치에서 관측된 지진파시간이력을 기반암 표준설계응답스펙트럼에 상응하도록 수정하여 설계 지진파를 생성하고 이를 사용하여 지반응답해석을 수행하였다.

2016 경주지진의 규모 5.8 본진의 진원 메커니즘은 주향이동단층운동으로 밝혀졌으며^{(Kim et al., 2016)}, 이는 우리나라 내륙에서 발생한 대부분의 지진이 주향이동단층운동이므로, 우리나라 지진의 특성을 잘 갖고 있다고 볼 수 있다. 또한 주기적 특성을 보았을 때 단주기 성분을 상대적으로 많이 가진 지진이다. 2017 포항지진의 규모 5.4 본진의 진원은 정부 연구단에 따르면 인근 지열발전소가 촉발했다는 공식적인 조사 결과를 발표했으며, 주기적 특성을 보았을 때 장주기 성분을 상대적으로 많이 가진 지진이다. 이와 같은 실지진기록을 설계응답스펙트럼에 상응하게 수정하기 위해서 하모닉웨이브릿 변환 기반 계측지진파 수정 기법^{(Oh and Park, 2021)}을 사용하였다. 수정된 계측 지진파의 유효지반가속도 크기는 붕괴방지수준 내진 특등급(재현주기 2400년)으로 0.220 g이다. 수정에 사용된 경주지진은 NS방향, 포항지진은 EW 방향 지진기록을 사용하였다. Fig. 1은 기반암 위치 설계응답스펙트럼에 맞추어 수정된 경주지진의 지진파시간이력이며, Fig. 2는 수정된 경주지진에 의한 응답스펙트럼을 기반암위치 표준설계응답스펙트럼과 비교하여 나타낸 것이다. Fig. 3는 기반암 위치 설계응답스펙트럼에 맞추어 수정된 포항 지진파시간이력이며, Fig. 4는 수정된 포항지진에 의한 응답스펙트럼을 기반암위치 표준설계응답스펙트럼과 비교하여 나타낸 그림이다. 그림에서 알 수 있듯 수정된 경주, 포항 지진파가 표준설계응답스펙트럼을 잘 따르는 것을 알 수 있다.

Fig. 1. Modified Gyeongju Seismogram

Fig. 2. Comparison between DRS and Response Spectrum Caused by Modified ML5.8 Gyeongju Wave

Fig. 3. Modified Pohang Seismogram

Fig. 4. Comparison between DRS and Response Spectrum Caused by Modified ML5.4 Pohang Wave

2.2 대상 지반 물성(Vs 주상도 및 지반분류, 비선형특성)

본 연구에서는 세종지역에서 탄성파탐사를 통하여 측정한 전단파속도 주상도를 활용하여 지반응답해석을 수행하였다. 2017년 표준설계응답스펙트럼 제정 시에는 자료 개수의 부족, 획득의 일관성

문제를 고려하여 SPT-N치와 전단파속도 간의 경험적 상관관계식을 통하여 전단파속도 주상도를 획득한 점^{(Cho et al., 2016a)}과는 차이가 있다. 탄성파탐사를 통하여 전단파속도 주상도를 획득한 대상지반은 총 184개이며, 각 지반분류별 개수는 S1지반 7개, S2지반 68개, S3지반 20개, S4지반 89개이고, S5분류에 해당하는 지반은 없다. 지반분류별 전단파속도 주상도는 Fig. 5(a)~(d)에 도시하였다. 전단파속도 주상도 외의 대상 지반의 물성은 세종시 지역의 부지특성평가를 위해 수행된 연구^{(Lee, 2019)}와 동일하게 사용하였다.

본 연구에 활용한 지반의 동적 비선형 특성은 2017년 토사지반 표준설계응답스펙트럼 개정에 채택된 연구^{(Cho et al., 2016a)}에 적용된 값을 동일하게 사용하였다. 이들은 국내지반을 위해 제안된 값들로 지층은 매립토, 퇴적토, 풍화토, 점성토, 기반암으로 구분하여 적용하였으며 사용된 전단변형률의 크기에 따른 전단탄성계수와 감쇠비 곡선은 Fig. 6와 같다^{(Kim and Choo, 2001a; Kim and Choo, 2001b; Schnabel, 1973; Seed and Idriss, 1970; Vucetic and Dobry, 1991)}.

또한 비교를 위해 전세계적으로 통용되고 있는 모래지반^{(Seed and Idriss, 1970)}과 점토지반^{(Vucetic and Dobry, 1991)}의 곡선을 함께 도사하였다.

Fig. 5. Shear Wave Velocity Profile at S1, S2, S3, S4 Sites in Sejong City: (a) S1 Sites, (b) S2 Sites, (c) S3 Sites, (d) S4 Sites

Fig. 6. Dynamic Nonlinear Characteristics of the Soil: (a) Damping Ratio – Shear Strain Curve, (b) G/Gmax – Shear Strain Curve

3. 지표면 최대 가속도(PGA 분석)

본 연구에서 지반응답해석을 수하기 위해 등가선형해석 프로그램인 Shake91^{(Idriss and Sun, 1992)}을 활용하였다. 2.2에서 생성한 경주형 및 포항형 설계지진파를 입력지진파로 사용하였으며, 184개 지반에 대하여 368회 지반응답해석을 수행하였다.

Table 1에는 경주형 지진파와 포항형 지진파의 지반응답해석결과 출력된 지표면최대가속도(Peak Ground Accerleration, PGA)의 지반분류별 평균값을 2017년 내진설계기준 공통적용사항의 지반분류별 PGA 값과 비교하여 정리하였다. 여기서 내진설계기준의 지표면최대응답가속도(PGA) 값은 표준설계응답스펙트럼의 y절편 값, 즉 유효지반가속도(S)에 단주기증폭계수(Fa)를 곱한 값이다.

경주형 지진파를 활용하여 산출한 지표면 최대가속도는 2017년 기준과 비교하였을 때 S1지반에서 6.97%, S2지반에서 7.56%, S3지반에서 4.78% 크고, S4지반에서는 6.74% 작음을 확인하였다. 또한 포항형 지진파를 활용하여 산출한 지표면 최대가속도는 2017년 기준과 비교하였을 때 S1지반에서 0.09% 작고, S2지반에서 12.74% 크고, S3지반에서 10.78% 크고, S4지반에서는 6.41% 작음을 확인하였다. 따라서 2017년 내진설계기준을 적용할 경우 S2~S3지반에서는 지표면에서의 지진하중을 과소하게, S4지반에서는 지표면에서의 지진하중을 과대하게 평가할 가능성이 있다.

다만, 2017년 내진설계기준 공통적용사항 개정 시에는 저층 구조물 설계 시 특수전단벽 추가 적용 등의 문제를 고려하여 S3지반과 S4지반의 단주기 증폭계수(Fa)를 ^{Cho et al.(2016a)}의 연구 값보다 0.4 낮추어 반영하였다. 따라서 본 연구에서는 2017년 기준뿐만 아니라 ^{Cho et al.(2016a)} 연구 값과도 비교하였다. S3지반, S4지반에서 산출된 경주형 지진파의 지표면 최대가속도 해석 결과를 기존 연구 값과 비교하였을 때, 경주형 지진파를 이용한 해석값이 S3지반에서

17.77% 작고, S4지반에서는 27.94% 작음을 확인하였다. S3지반, S4지반에서 산출된 포항형 지진파의 지표면 최대가속도 해석결과를 기존 연구 값과 비교하였을 때, 포항형 지진파를 이용한 해석 값이 S3지반에서 13.05% 작고, S4지반에서는 27.69% 작음을 확인하였다. 따라서 경주 및 포항형 지진파로 해석한 S3지반에서의 지표면 최대가속도가 2017년 기준보다 큰 것은 기준 제정 시 Fa값을 0.4 낮춘 것이 원인일 수 있다. 경주 및 포항형 지진파의 지반응답해석결과 산출된 지표면 최대가속도의 분포와 2017년 기준 및 ^{Cho et al.(2016a)} 연구값을 Fig. 7과 Fig. 8에서 비교하였다.

Fig. 9에는 지반분류별 지반 증폭에 의해 발생하는 PGA 분포를 도시하였다. 그림을 보면 각 지반 분류별 PGA 분포가 넓은 영역을 점유하고 있으며, 각 지반분류에 따라 PGA가 점유하는 영역이 많은 대역에서 겹쳐짐을 볼 수 있다. 따라서 단순히 지반분류를 통해 지반증폭에 따른 PGA를 결정하게 되면 결정된 PGA값은 큰 불확실성을 가질 수 있으며, 이러한 불확실성에 의해 결정된 PGA가 실제와 다른 값을 가지게 될 수 있을 것으로 보인다.

Fig. 10은 지반증폭에 영향을 준다고 알려진 요소들의 변화에 대한 PGA값을 나타낸 그림들이다. Vs,soil, 고유주기, 기반암 깊이 또는 지반 분류에 사용되는 기반암깊이-Vs,soil 조합이 지반 증폭에 의해 발생하는 지표면최대가속도에 미치는 영향을 알아보기 위해 영향요소들을 독립변수로 하고 지표면최대가속도를 종속변수로 하여 회귀분석을 수행하였다. 2차 또는 3차 회귀분석 수행 시 독립변수가 존재할 수 있는 모든 영역에 해당하는 값을 포함하지 않는 경우 사용되는 독립변수 값이 존재하는 범위 양 경계를 넘어갈 때 발산할 수 있기 때문에 선형회귀모델을 선택하여 분석을 수행하였다. 얻어진 회귀분석 모델식의 각 독립변수들의 계수는 그 독립변수의 종속변수(여기서는 PGA) 변화에 대한 민감도를 나타내게 되며, 각 회귀분석 모델식의 결정계수는 독립변수(Vs,soil, 고유주기, 기반암 깊이)가 종속변수를 얼마나 잘 표현하고 있는지를 나타낸다. 따라서 각 독립변수들의 계수 크기와 결정계수 크기를 가지고 각각의 영향 요소가 지반증폭에 의해 발생하는 PGA 크기에 얼마나 영향을 끼치는지를 평가할 수 있다. Fig. 10에 표현된 선형회귀분석 모델식의 계수의 크기와 결정계수의 크기를 보면 이런 요소들이 PGA 발생 크기에 부분적인 기여만 하는 요소이며(이러한 요소로부터 결정된 PGA는 불확실성을 가지게 된다), 특히 현재 지반분류에 사용되는 기반암 깊이 및 Vs,soil의 영향이 모두 반영된 지반 고유주기에 따른 PGA 변화 그림의 모델식 계수 및 결정계수 크기를 보았을 때 고유주기에 따른 발생할 수 있는 PGA가 불확실성을 가지게 되며, 이로부터 고유주기가 개별적인 Vs,soil 및 기반암 깊이와 마찬가지로 발생 PGA 크기에 부분적인 기여만 하게되며, 고유주기만을 가지고 PGA를 정확히 설명할 수 없음을 알 수 있다. 이러한 결과는 2차 3차 회귀분석모델에서도 유사하게 나타난다. 현재 지반분류에 사용되는 기반암깊이-Vs,soil 조합에 따른 PGA 변화 Fig. 10(d)에 대해 수행된 선형 다중회귀분석모델을 보면, 얻어진 모델식의 계수크기를 보았을 때 현 지반분류에 사용되는 기반암 깊이와 Vs,soil 조합이 지반증폭에 의한 PGA 크기변화 전부 설명하지 못하며, 앞의 여러 요소와 마찬가지로 부분적인 설명만이 가능함을 알 수 있다. 따라서 지반분류에 따른 지반증폭에 의해 발생하는 PGA 크기 산정시 불확실성이 존재하게 되며, 실제 발생 크기와 다른 값을 가질 가능성이 존재한다. 이러한 불확실성을 감소시키기 위해서는 PGA 발생에 부분적인 기여를 하는 여러 영향요소들의 다양한 조합에 대한 연구가 필요할 것으로 생각된다.

Fig. 7. PGA Distribution Chart (Gyeongju Wave)

Fig. 8. PGA Distribution Chart (Pohang Wave)

Fig. 9. PGA Distribution on This Study

Fig. 10. PGA Scatter Plot and Linear Regression for Each Parameter: (a) Bedrock Depth - PGA Scattergram, (b) Natural Period - PGA Scattergram, (c) Vs,soil - PGA Scattergram, (d) Bedrock Depth & Vs,soil- PGA Scattergram

4. 결 론

본 연구에서는 기반암 관측소에서 측정된 2016년 경주 지진기록 및 2017년 포항 지진기록을 기반암 표준설계스펙트럼에 상응하도록 수정 생성한 설계지진파를 활용하여 세종시 지역의 187개 사이트에 대해 지반응답해석을 수행하고, 그 결과를 2017년 내진설계기준 및 기존 연구와 비교하였다. 지진 관측기록을 2017년 기반암 표준설계응답스펙트럼에 상응하도록 수정하기 위하여 ^{Oh and Park(2021)}을 활용하였으며, 생성된 지진파는 목표 지반운동수준에서의 기반암 표준설계스펙트럼과 잘 일치하는 것을 확인하였다.

또한, 기존 연구들이 SPT-N치와 전단파속도 간의 경험적 상관관계식을 통하여 전단파속도 주상도를 획득한 것과 달리, 본 연구에서는 탄성파탐사를 통하여 측정한 전단파속도 주상도를 활용하여 경험식에서 발생할 수 있는 불확실성을 해소하였다. 지반응답해석결과를 2017년 내진설계기준 및 기존 연구와 비교하여 분석한 결과는 다음과 같다.

(1) 경주형 및 포항형 지진파 모두 해석결과 S2~S3지반에서는 지표면 최대가속도(PGA)가 2017년 내진설계기준의 값보다 크며, S4지반에서는 해석결과(PGA)가 2017년 내진설계기준의 값보다 작다. 따라서 2017년 내진설계기준을 적용할 시에 S2~S3지반에서는 지표면에서의 지진하중을 과소하게, S4지반에서는 지표면에서의 지진하중을 과대하게 평가할 가능성이 있다.

(2) 같은 지반분류 내의 지반이라 하더라도, 상부토층의 전단파속도(Vs,soil)에 따라 지표면 최대가속도(PGA)는 최대 65%, 응답가속도의 첨두값은 최대 72%까지 차이가 날 수 있음을 확인하였다. 즉, 현 기준과 같이 토사지반을 4개의 분류로 나눌 시에는 같은 지반분류 내에서도 응답가속도의 차이로 인하여 지진하중이 과대 또는 과소하게 산출될 수 있으며, 따라서 지반분류기준을 세분화할 필요성이 있는 것으로 판단된다.

본 연구에서는 탄성파탐사 결과를 통한 획득한 전단파속도 주상도를 연구에 사용한 의의가 있으나, 본 연구에 활용된 지반 데이터는 세종시에서 조사된 184개 지반에 대한 것으로 국내 지반 전체를 대변한다고 보기는 어렵다. 따라서 본 연구는 탄성파탐사 데이터가 있는 세종시 대상지반에 대하여 경주형 및 포항형 설계지진파를 활용하여 표준설계응답스펙트럼의 성능을 평가하기 위한 Case Study의 성격을 가진다. 향후 국내 내진설계기준 개정 시에 국내지반 매개변수의 확률적 분포 특성이 반영된 전단파속도 주상도 표본이 지반응답해석에 사용되면, 국내 지반특성의 대표성을 반영한 표준설계응답스펙트럼 제정이 가능할 것으로 기대된다.