Journal Search Engine
Search Advanced Search Adode Reader(link)
Download PDF Export Citaion korean bibliography PMC previewer
ISSN : 1225-6692(Print)
ISSN : 2287-4518(Online)
Journal of the Korean earth science society Vol.38 No.2 pp.161-171
DOI : https://doi.org/10.5467/JKESS.2017.38.2.161

The Dynamic Basement Amplification Characteristics of a Dam Site using a Reference Site Method

Soung-Hoon Wee1, Jun-Kyoung Kim2*, Seong-Hwa Yoo1
1Earthquake Research Center, Korea Institute of Geoscience and Mineral Resources, Daejeon 34132, Korea
2Department of Fire Protection Engineering, Semyung University, Jecheon 27136, Korea
Corresponding author: kimjk3926@gmail.com+82-43-649-1319, +82-43-649-1787
February 7, 2017 March 27, 2017 April 11, 2017

Abstract

Observed ground motions are composed of three factors such as, seismic source, attenuation, and site amplification effect. Among them, the site amplification characteristics should be considered significantly when estimating seismic source and attenuation characteristics with more confidence. The site effect is also necessary when estimating not only seismic hazard in seismic design engineering but also rock mechanical properties. This study uses the method of H/V spectral ratio of observed ground motion between target site and reference site called a reference site method. In addition to using the vertical Fourier spectrum of the reference site, we try out the horizontal Fourier spectrum as a new method in this study. We analyze H/V spectral ratio of six ground motions respectively, observed at four sites close to Yedang Reservoir. We then compare site amplification effects at each site using 3 kinds of seismic energies including S waves, Coda waves energy, and background noise. The results suggest that each site showed similar site amplification patterns in S waves and Coda waves energy. However, the site amplification of background noise shows much different characteristics from those of S waves and Coda wave energy, which suggests that the background noises at each site have their own developing mechanism. Each station shows its own characteristics of specific resonance frequency and site amplification properties in low, high and specific resonance frequency ranges. Comparison of the method used in this study to the others that used different methods can provide us with more information about the dynamic amplification of a site characteristics and site classification.


기준관측소 방법을 이용한 댐체 기반암의 동적 지반증폭특성

위 성훈1, 김 준경2*, 유 성화1
1한국지질자원연구원 지진연구센터, 34132, 대전광역시 유성구 과학로 124
2세명대학교 소방방재학과, 27136, 충북 제천시 세명로 65

초록

관측된 지반진동은 지진원, 지각감쇠 및 지반의 증폭특성 등 3가지 주요 인자로 구성되어 있고 특히 지반증폭 특성은 지진원 및 감쇠특성을 평가할 때 필요하다. 또한 지진재해도를 분석하기 위해 지반의 증폭 특성에 정보가 내진 공학 뿐만 아니라 암반공학적 특성 분석에서 필수적이다. 지반의 증폭특성 분석을 위해 분석대상 관측소와 기준 관측소 지반진동의 수평/수직 비를 이용하는 방법을 적용하였다. 기존의 기준관측소의 수직성분 방법에 더하여 새로이 기준관 측소의 수평성분 방법을 새로이 시도하였다. 본 연구는 예당저수지 인근에 설치한 4개의 관측소에서 관측된 6개의 가 속도 지반진동을 이용하여 각 지반진동의 S파, Coda파 및 배경잡음 각각을 분석한 지반증폭 특성을 상호 비교하였다. 4개 관측소 공통적으로 S파와 Coda파를 이용한 결과는 상호 유사한 지반증폭 특성을 보였다. 다만 배경잡음은 다른 2 개 지진 에너지와 비교할 때 전혀 다른 지반증폭 특성을 보였고 이는 배경잡음의 발생 원인이 관측소 마다 서로 다르 기 때문으로 입증되었다. 4개 각각의 지진 관측소마다 저주파수 및 고주파수 증폭특성과 관측소 고유의 우월주파수가 서로 상이하여 관측소 고유의 증폭특성을 보여주었다. 또한 본 연구의 결과와 다른 방법의 결과와 비교하면 지반의 동 적특성 및 지반분류 연구에 많은 정보를 제시할 수 있다.


    Korea Industry Technology Institute
    2015-3010-2

    서 론

    지반진동은 지진원, 지각감쇠 및 지반의 증폭특성 (Takemura et al., 1995) 등의 주요 인자로 구성되며 지반의 증폭특성은 지진원 및 지각감쇠 특성을 보다 신뢰성 있게 분석하기 위해 반드시 고려되어야 하는 주요 요소이다. 또한 지진재해는 어떤 지역의 지진원 의 특성과 전파전달 과정에서 매질의 성질 및 부지 조건에 따라 크게 달라진다. 또한 최근 국내에서 진 행중인 중저준위 및 고준위 방사성 폐기물 부지의 지반조사 및 내진설계를 위한 지반 증폭 특성 규명 에도 동적 부지증폭 특성이 대단히 중요하다. 따라서 지반증폭 특성은 자연과학 및 공학적 측면을 동시에 고려할 때 대단히 중요한 정보 가운데 하나이다. 지 반증폭 특성의 중요성은 1989년 미국 서부지역에서 발생한 Loma Prieta 지진 및 멕시코 지진의 경우 각 각의 진앙으로부터 약 250 km 및 300 km 이상의 먼 거리에 위치하여도 구조물 지반의 증폭이 높은 수준 일 때 구조물에 대한 지진재해가 심각하여 그 중요 성이 입증되었다(Atkinson and Cassidy, 2000).

    부지효과에 따라 같은 크기의 지반진동이라 하더라 도, 연약지반에서는 특정 주파수에서 크게 증폭되어 큰 재해를 초래할 수도 있다. 지진방재에 대한 관심 이 점점 커짐에 따라 한반도의 지진학적 특성에 대 한 많은 연구가 수행되어 왔지만, 부지효과에 관한 연구는 그 중요성에도 불구하고 상대적으로 활발하지 못하였다.

    국내 내진설계기준을 설정할 때 국내 지반 특성을 제대로 반영하지 못하여 국내 부지고유 응답해석 결 과와 국내 내진설계기준을 반영한 설계응답스펙트럼 을 비교할 경우 단주기와 장주기 영역에서 많은 특 성 차이를 보여 주고 있다(Kim et al., 2016). 최근 경주지진 본진(2016/09/12; Mw, 5.4)의 경우 역시 고 주파수 성분이 특히 저주파수 성분에 비해 크게 발 달되어 있음을 보여주었다.

    따라서 저주파수 구간보다 특히 고주파수 구간에서 가속도 스펙트럼의 지반증폭이 상대적으로 크게 나타 나는 등 미국 서부 기준을 국내에 적용하는 것은 문 제점이 많다고 지적되어 왔다. 따라서 국내의 고유 지반증폭 현상에 대한 연구가 필요한 실정이다.

    국내에서의 부지효과에 관한 연구는 현재까지 충분 하지 않은 실정이다. Kim and Baag (2002)은 한반도 남한지역에서 Coda 정규화법을 이용하여 상대적인 부지증폭계수를 얻었다. 예당저수지 부지에 대해서 연구를 포함하여 최근 H/V 방법을 이용하여 국내 주 요 지진관측소 부지에 대해 연구(Kim and Oh, 2014; Yoo et al., 2016)가 진행되어 왔다.

    본 연구는 예당저수지 인근에 제한된 기간 동안 운영된 4개의 지진관측소에서 관측된 6개의 가속도 지반진동을 이용하여 H/V 스펙트럼 비를 분석하고, 각 지반진동의 배경잡음, S파 및 Coda파 각각으로부 터 분석된 지반증폭 특성을 상호 비교하였다. 동일한 부지에서 관측된 지진파를 이용하여 진행되었던 기존 연구(Wee et al., 2015)와 대비하여 기존의 기준관측 소 수직 성분에 부가하여 새로이 기준관측소의 수평 성분을 적용하여 기존 연구결과와 비교하였다.

    연구방법

    지반증폭을 연구하는 방법은 배경잡음, S파 및 Coda파와 같이 파의 에너지 종류에 따라 분류할 수 있다. 본 연구는 기존의 S파 에너지를 포함하여, S파 에너지에 비해 상대적으로 주시시간이 길어 늦게 도 달하고 또한 작은 진폭 에너지를 가지고 있는 Coda 파 및 신호가 도착하기 전의 배경잡음 에너지를 포 함하여 3종류의 에너지를 이용하였으며, 지반증폭 결 과를 상호 비교 분석하였다.

    본 연구는 기준관측소를 이용하여 지반증폭 효과를 분석하는 방법을 적용하였다. 기준관측소는 분석대상 부지로부터 비교적 가까운 곳에 위치하고 동시에 주 변 지역을 대표할 수 있는 노두가 양호하게 발달되 어 있어 기준관측소의 성분 대비 분석대상 관측소의 수평성분의 비를 이용하는 방법이다. 따라서 기준관 측소 방법의 효과적 적용 가능성은 분석대상 부지 주변 가까운 곳에 지역적으로 대표 가능한 암반이 존재하느냐 여부에 달려 있다. 이러한 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) 등에 의해 연구되어 왔고 특히 최근에는 Yu and Haines (2002)Poggi et al. (2011) 등이 기준 관측소 방법을 적용하여 왔다.

    동일한 부지에서 관측된 지진파를 이용하여 진행되 었던 기존 연구(Wee et al., 2015)와 대비하여 수직성 분을 이용하는 기존의 기준관측소 방법 및 새로이 기준관측소의 수평성분을 적용하여 기존 연구와 비교 하였다. 지반진동의 수직성분에 대한 수평성분의 지 반증폭 비는 지반진동의 푸리에 스펙트럼을 이용하여 다음과 같이 스펙트럼의 비율로 주어진다(Nakamura, 1989; Lermo and Francisco, 1993).

    log H / V = log 0.5 H 1 2 + H 2 2 log V
    (1)

    식 (1)에서, H1H2는 각각 관측된 지반진동의 남북 및 동서방향 수평성분의 푸리에 스펙트럼을 나 타낸다. 또한 H는 수평성분, V는 수직성분의 푸리에 스펙트럼을 각각 나타낸다.

    연구자료

    본 연구에서 사용한 예당저수지 인근부지에서 공통 적으로 동시에 관측된 국내에서 발생한 6개 지진(2.8 ≤ ML ≤ 5.0) 자료를 이용하였다. 6개 지진의 발생일 시, 진앙 위치, 규모 및 관측소를 Table 1에 제시하 였으며 그 지리적 분포를 Fig. 1에 도시하였다.

    진앙 위치, 진원심도 및 지진규모는 한국지질자원 연구원(KIGAM)에 관측된 자료를 적용하였다. 대단 히 짧은 관측기간 및 현장관측 여건의 영향 때문에 예당저수지 댐체 인근 부지 4개 관측소(YDF, YDS, YDU 및 YDD)에서 다수의 지진을 동시에 관측하는 것은 현실적으로 어려웠다. 또한 신호잡음비가 높고 4개 관측소에 동시에 관측된 지진자료만을 선택하였 다. 수평 성분 40개 및 수직성분 20개 자료를 포함하 여 모두 60개의 독립적인 가속도 자료를 처리하여 분석하였다. Table 2에는 4개 관측소(YDF, YDS, YDU 및 YDD) 위치 및 설치 장비를 나타내었다.

    Fig. 2는 2013년 5월 18일에 발생한 지진으로부터 YDF 관측소에서 관측된 가속도 파형에 대해 지진발 생 시각, P파 도달시각, S파 도달시각 및 Coda파 도 달시각을 보여주고 있다. Coda파 에너지의 시작점은 S파 도달시간의 2배가 되는 시점이고(Phillips and Aki, 1986) 이후 약 15초 동안의 에너지를 이용하였 다. 또한 배경잡음은 P파가 도착하기 전 약 15초 동 안의 에너지를 이용하였다.

    지반진동 자료는 지반증폭 분석에 일반적으로 이용 되는 가속도 자료이며 지반진동의 샘플링 간격은 1 초에 100개 즉 0.01초이며, 따라서 나이퀴스트(Nyquist) 주파수는 50 Hz이다. S파 에너지의 발달 정도 즉, 진 폭의 최대크기 및 지속시간은 지진규모 및 진앙거리 등에 따라 영향을 받지만 지반진동의 분석을 위한 시간길이를 일률적으로 최소 지속시간 약 12초 이상 최대 약 20초를 선택하였기 때문에 푸리에 변환 분 석 특성을 고려할 때 분석대상 포인트 숫자는 가장 가까운 2의 배수인 1,024 포인트가 된다. 이를 고려하 면 푸리에 변환 분석의 주파수 간격은 약 0.048828 Hz (=50 Hz/1,024)이다.

    Fig. 3에 제시된 바와 같이 4개 관측소에서 관측된 6개 지진 각각에 대해 푸리에 변환한 결과를 보여 주 고 있다. 우선 S파 에너지의 수직 성분만을 분석한 결과이다. 규모 5.0으로 가장 큰 규모의 #1 지진 (Table 1) 자료를 푸리에 변환한 결과(검은 실선)는 다른 이벤트 자료에 비해 상대적으로 낮은 값을 보 여주고 있다. 이는 #1 지진은 지진규모는 다른 이벤 트에 비해 상대적으로 크지만 Fig. 1에 제시된 바와 같이 진앙거리가 상대적으로 크기 때문이다. 이러한 6개 지진과 4개 관측소의 S파의 동시적 분석을 통하 여 지진자료의 상대적인 크기의 확인 등 지진자료의 신뢰성을 제고하였다.

    Fig. 4는 YDF, YDS, YDU 및 YDD 등 4개 관측 소 각각에서 3가지 종류의 에너지의 발달정도를 분 석한 결과이다. 가장 큰 규모의 #1 지진(Table 1)을 이용하였다. 수직성분의 S파, Coda파 및 배경잡음 등 3가지 종류의 가속도 파형을 푸리에 변환한 결과를 보여 주고 있다. 4개 관측소 각각에서 공통적으로 S 파가 가장 크고, Coda파 그리고 배경잡음의 순서로 작아지는 일관성을 보여주고 있다. 주파수 구간에 따 라 다소 차이가 존재하지만 S파와 배경잡음의 푸리 에 변환 값을 비교할 때 약 100-1,000배 이상의 값의 차이를 보여 주고 있다.

    물론 YDU 관측소와 YDD 관측소의 경우 고주파 수의 일부 구간에서 배경잡음의 크기가 Coda파와 서 로 비슷하거나 더욱 큰 구간도 관찰되었다. Coda파 는 back scattering 결과 발생하는 에너지에 해당하고 지각 및 상부맨틀의 속도구조의 비균질성 때문에 기 인된다고 알려져 있다(Phillips and Aki, 1986), 따라 서 S파 주행시간의 약 2배가 되는 시점부터 도착하 는 파로 P파 및 S파에 비하여 상대적으로 에너지가 매우 작다. S파, Coda파 및 배경잡음 등 3 가지 종 류의 푸리에 분석값을 비교하는 목적은 크기가 대수 적으로 상호 약 3 또는 4 이상의 차이가 있음에도 불 구하고 3가지 종류의 지반증폭 결과가 일관성을 갖 고 있는지 검증을 통해 결과의 신뢰성을 제고하였다.

    연구결과 및 토의

    분석관측소(수평성분)/기준관측소(수직성분)

    임의 부지의 지반증폭을 분석하는 방법 가운데 하 나인 기준관측소 분석 방법을 적용하였다. YDF 관측 소는 지반진동을 측정하는 센서가 기반암(Fig. 1)의 심도 약 100 m 시추공 내부에 설치되어 있기 때문에 Fig. 5에 제시된 바와 같이 전체 주파수 구간에서 3 개 에너지 상호 일관성을 뚜렷이 보여주는 주파수 구간이 거의 없고 증폭값이 상대적으로 작기 때문에 지반증폭이 거의 무시될 수 있어 기준관측소로 설정 하였다.

    우선 기준이 되는 YDF 관측소의 수직성분에 대하 여 YDS, YDU 및 YDD 관측소 각각의 수평성분의 비를 분석하여 결과를 Fig. 7a, Fig. 7b, 및 Fig. 7c에 각각 제시하였다. YDS, YDU 및 YDD 관측소 각각 에서 S파, Coda 파 및 배경잡음 등 3 종류의 지반증 폭을 동시에 비교하여 상호 일관성을 분석하여 제시 하였다. 각각의 그림에서 가로축은 주파수를 나타내 고 세로축은 지반증폭 값을 나타내고 있다.

    Fig. 7a는 댐체 옆 보조 수문 근처에 위치하고 있 는 YDS 관측소의 S파, Coda파 및 배경잡음을 이용 하여 분석된 지반증폭 값을 보여주고 있다. S파 및 Coda파의 분석 결과는 약 11-13 Hz 구간에서 최댓값 을 보여주고, 최대 경계 진동수까지 지속적으로 S파 및 Coda파 상호간 크기가 유사하며 또한 지역적인 소규모의 피크도 유사하게 보여주고 있다.

    하지만 배경잡음을 이용한 경우에는 16 Hz 부근 및 20 Hz 부근 및 25-30 Hz 구간에서 피크를 보여주 고 있어 S파 및 Coda파의 부지증폭 특징과 크게 다 르다. 또한 배경잡음은 약 15 Hz 이후부터 S파 및 Coda파와 보다 현저히 커다란 지반증폭 값을 보여주 고 있다.

    S파 및 Coda파의 부지증폭 특징은 상호 일관성이 대단히 높으나 배경잡음은 S파 및 Coda파의 부지증 폭 특징과 일관성이 거의 없음을 보여 주고 있다. 배 경잡음은 관측소 주변의 도로의 존재와 같은 아주 가까운 발생원인과 먼 거리 발생 원인에 의한 결과 로 구성되어 있어 관측위치가 떨어져 있을 경우 관 측소 마다 대단히 다른 고유의 특성을 가지고 있다. 따라서 기준이 되는 YDF 관측소와 YDS 관측소는 서로 거리가 멀어 배경잡음은 서로 독립적이고 상호 간 의존적인 관계가 없다. 따라서 기준 및 임의 관측 소 각각에서 관측된 수평 및 수직성분의 배경잡음 비를 이용한 결과는 S파 및 Coda파의 부지증폭 특성 과 상관관계가 없는 것으로 판단된다.

    본 연구에서의 결과와 기존 연구(Wee et al., 2015) 에서 얻어진 결과를 보다 도식적으로 비교, 설명하기 위해 기존 연구 결과(Wee et al., 2015)를 Fig. 6에 제시하였다. Fig. 6a에 나타낸 것과 같이, S파 및 Coda파의 분석 결과 약 8Hz에서 급격히 증가하여 11 Hz에서 최대값을 보여 주었다. 또한 20 Hz까지 감 소한 후 다시 20 Hz 부근에서 2차 피크를 보여 주었 다. 따라서 우월 주파수 구간과 최대 경계 주파수까 지 지속적으로 S파 및 Coda파 상호간 유사한 크기와 지역적인 소규모의 피크가 본 논문의 결과와 일치하 고 있어 결과의 상호 일관성을 보여주었다.

    Fig. 7b는 댐체 최상부에 위치하고 있는 YDU 관 측소의 결과를 보여주고 있다. 특히 S파 및 Coda파 를 이용한 결과는 고주파수경계에서 큰 값을 보여준 다. 고주파수에서 경계효과는 일부 알리아싱에 의한 효과와도 밀접하게 관련되어 있다. S파 및 Coda파의 지반증폭은 특히 4 Hz에서 최대값을 보여주고 있으 며, 또한 약 15-16 Hz 구간 및 약 26 Hz에서 지역적 인 피크를 보여주고 있다. 4 Hz가 YDU 관측소 고유 의 우월주파수 구간으로 판단되며 15-16 Hz 구간 및 약 26Hz는 높은 모드의 공명주파수로 판단된다.

    하지만 배경잡음을 이용한 경우에는 약 6 Hz 이상 구간부터 2 개 지진파에 비하여 현저히 커다란 지반 증폭 값을 보여주고 있어 S파 및 Coda파의 부지증폭 특성과 크게 다르다. YDF와 비교 대상인 YDU 관측 소의 배경잡음은 거리가 멀어 배경잡음이 발생되는 주변 환경이 서로 크게 다르다. 따라서 S파 및 Coda 파의 부지증폭 특성과 상관관계가 거의 없는 것으로 판단된다. 이러한 특징은 YDS 관측소의 배경잡음의 특성과 유사하다.

    기존 연구(Wee et. al., 2015)는 Fig. 6b에 제시한 것과 같이 수평 및 수직성분 모두 YDU 동일한 관측 소에서 관측된 파형을 이용하여 H/V 방법을 적용하 였다. 기존 연구(Wee et. al., 2015)는 S파 및 Coda파 의 지반증폭 크기는 다소 차이는 있지만 특히 약 4Hz에서 최대값을 보여주었다. 또한 1차(약 4 Hz), 2 차 (약 13-16 Hz) 그리고 3차(약 26 Hz) 피크를 보여 주고 있다. 따라서 모두 3구간의 우월주파수 구간과 지속적으로 S파 및 Coda파 상호간 유사한 크기 및 지역적인 소규모의 피크를 보여주는 등 3가지 특성 을 모두 고려할 때 본 연구 결과의 특징과 거의 일 치하고 있다.

    Fig. 7c는 댐체 하부 지반에 위치하는 YDD 관측 소의 지반증폭을 분석한 결과이다. S파 및 Coda파의 분석결과는 배경잡음과 달리 매우 상호 유사한 증감 패턴을 보여주고 있으며, 3차에 걸친 피크값을 보여 주고 있다. 1차 피크는 약 7 Hz 부근에서, 2차 피크 는 약 15 Hz 부근이며 그리고 약 20 Hz에서 3차 피 크값을 보여주고 있다.

    또한 수평 및 수직성분 모두 YDD 관측소의 동일 파형을 적용한 기존 연구(Wee et. al., 2015)와 비교 할 경우, Fig. 6c에서 표시한 것과 같이 피크의 개수 및 피크를 가지는 주파수 위치 2가지 면을 고려할 때 거의 일치하는 특징을 보여주고 있다. 따라서 기 준관측소의 수직성분을 이용하는 방법과 동일 관측소 파형 분석방법의 결과가 잘 일치하고 있어 2가지 방 법의 신뢰성을 상호 입증하여 주고 있다. 배경잡음을 이용한 지반증폭을 분석한 결과는 S파 및 Coda파와 비교할 때 전체 주파수 구간에서 커다란 차이를 보 이고 있어 앞의 2개 관측소 YDS 및 YDU 관측소에 서 제시한 불일치성에 대한 이유를 다시 입증해주고 있다.

    따라서 배경잡음을 제외할 경우, 기존의 동일 관측 소의 파형을 이용한 방법과 기준관측소의 수직성분을 이용한 방법은 YDS, YDU 및 YDD 등 3개의 관측 소의 부지증폭 결과는 관측소 각각에서 대단히 잘 일치하고 있어 2가지 부지증폭 분석방법 상호간의 신뢰성을 더욱 높여주고 있다.

    분석관측소(수평성분)/기준관측소법(수평성분) 및 기존연구 비교

    Fig. 8a, Fig. 8b 및 Fig. 8c는 앞에서 제시한 Fig. 7 과 다르게 우선 기준이 되는 시추공 YDF 관측소의 수평성분에 대하여 YDS, YDU 및 YDD 관측소 각각 의 수평성분의 비를 분석하여 제시하였다. 기존의 기 준관측소 방법은 앞 절에서 소개된 바와 같이 기준이 되는 관측소의 수직성분에 대하여 분석대상 관측소 각 각에서의 수평성분의 비를 분석한다. 하지만 기존에 시도되지 않았던 새로이 기준관측소의 수평성분에 대 하여 분석대상 관측소의 수평성분의 비를 분석하여 부 지특성의 일관성을 분석하여 비교하였다.

    Fig. 8a는 Fig. 1에서 제시된 바와 같이 보조 수문 인근에 위치하고 있는 YDS 관측소에서 S파, Coda파 및 배경잡음의 수평성분 대비 YDF 관측소의 수평성 분에 대한 지반증폭 값을 보여주고 있다. S파 및 Coda파의 분석 결과 약 11-13 Hz 구간에서 최대값을 보여 주고, 진동수의 최대 경계 주파수까지 지속적으 로 S파 및 Coda파 상호간 유사한 크기 및 지역적인 소규모의 피크를 보여주고 있다.

    하지만 배경잡음을 이용한 경우는 약 14 Hz 이후 부터 S파 및 Coda파 보다 커다란 지반증폭 값을 보 여주고 있다. 또한 배경잡음은 약 15 Hz 부근 및 약 20 Hz 부근 및 약 25-30 Hz 구간에서 피크를 보여주 고 있어 S파 및 Coda파의 부지증폭 특징과 커다란 차이를 보여주고 있다.

    이미 Fig. 6a에서 제시한 것과 같이 기존 연구 (Wee et al., 2015)는 약 11 Hz에서 최대값 및 20 Hz 부근에서 2차 피크를 보여 주었다. 따라서 기존 연구 (Wee et al., 2015)에서 보여주는 우월 주파수 위치, 최대 경계 주파수까지 지속적으로 S파 및 Coda파 상 호간 유사한 크기, 지역적인 소규모의 피크가 유사하 다는 특징 등은 기준관측소의 수평성분을 이용한 결 과와 일관성을 보여주고 있다.

    또한 앞 절의 기준관측소의 수직성분의 결과와 비 교하면 S파 및 Coda파 상호 크기와 최대 및 지역적 인 피크의 주파수 위치가 기준관측소의 수평성분의 결과와 거의 일치하고 있다. 또한 배경잡음은 S파 및 Coda파의 부지증폭 특징과 커다란 차이가 있음을 공 통적으로 보여주고 있어 다른 2가지 방법, 즉 Fig. 6a에서 제시한 기존연구(Wee et al., 2015) 및 Fig. 7a에서 나타낸 수직성분의 결과와 일관성을 보여주고 있다.

    Fig. 8b는 댐체 최상부에 위치하는 YDU 관측소의 지반증폭 경향을 보여주고 있다. S파 및 Coda파의 지 반증폭은 역시 약 4Hz에서 최대 피크, 약 13 Hz 및 약 26 Hz 지역적인 피크를 보여주고 있으며, 이후의 주파수 구간에서는 뚜렷하게 발달된 피크를 보여주지 않고 있다. 하지만 배경잡음은 S파 및 Coda파의 부 지증폭 특징과 커다란 차이를 보여주고 있다.

    Fig. 6b에 나타낸 기존 연구(Wee et. al., 2015)와 비교하면 지반증폭의 크기는 다소 차이는 있지만 특 히 약 4 Hz에서 최대값을 보이며, 2차 (약 13-16 Hz) 그리고 3차(약 26 Hz)의 지역적 피크를 보여주고 있 다. 따라서 모두 3구간의 우월주파수 구간, 지속적인 S파 및 Coda파 상호간 유사한 크기 등의 특성을 모 두 고려할 때 기준관측소의 수평성분을 이용한 결과 와 일관성을 보여주고 있다.

    앞 절의 기준관측소의 수직성분의 결과와 비교하면 S파 및 Coda파 상호 최대 및 지역적인 피크의 주파 수 위치가 기준관측소의 수평성분의 결과와 거의 일 치하고 있다. 배경잡음은 S파 및 Coda파의 부지증폭 특징과 커다란 차이를 역시 보여주고 있어, YDU 관 측소에서도 Fig. 6b의 기존 연구(Wee et. al., 2015) 결과 및 Fig. 7b의 수직성분 결과와 일관성을 보여주 고 있다. YDS 관측소의 경우와 대단히 유사한 결과 를 보여주고 있다.

    Fig. 8c는 기준관측소 수평 대비 댐체 하부 지반에 위치하는 YDD 관측소의 수평성분의 지반증폭을 분 석한 결과이다. S파 및 Coda파의 지반증폭 값은 약 간의 차이는 있지만 특히 약 7 Hz에서 2개의 지진파 에너지의 부지증폭 값이 일관성 있게 최대값을 보여 주었고, 약 15 Hz 부근에서 역시 보다 큰 값의 피크 를 보여주고 있다. 배경잡음은 전체 구간에서 S파 및 Coda파의 지반증폭 값 경향과 크게 다른 증폭 특징 을 보여 주고 있다.

    또한 Fig. 6c에 제시한 기존 연구(Wee et. al., 2015) 와 비교할 경우, 피크의 개수 및 피크 주파수 위치 2 가지 면을 고려할 때 거의 일치하는 특징을 보여주 고 있다. 따라서 기준관측소 수평성분 결과와 동일 관측소 파형 분석방법의 결과가 매우 잘 일치하고 있어 상호 분석방법의 일관성을 보여주고 있다.

    S파 및 Coda파 상호 최대 및 지역적 피크의 주파 수 위치가 앞 절의 기준관측소의 수직성분의 결과와 거의 일치하고 있다. 배경잡음 역시 S파 및 Coda파 의 부지증폭 특징과 커다란 차이를 역시 보여주고 있어 Fig. 6c에 나타낸 기존연구(Wee et. al., 2015) 결과와 Fig. 7c에 제시한 수직성분의 경우와 일관성 을 보여주고 있다. YDS 및 YDU 관측소의 경우와 대단히 유사한 결과를 보여주고 있다.

    기준관측소의 수평성분을 이용하는 본 절의 분석에 서 배경잡음은 3개 관측소 공통적으로 전체 주파수 구간에서 S파 및 Coda파의 지반증폭 경향과 크게 다 른 증폭 특징을 보여 주고 있다. 또한 기준관측소의 수직성분을 이용하는 앞 절의 분석도 역시 3개 관측 소 공통적으로 S파 및 Coda파의 지반증폭 값과 크게 다른 증폭 특징을 보여 주었다. 앞 절에서 제시한 바 와 같이 관측소 위치가 상호 서로 떨어져 있을 경우 각각의 배경잡음은 대단히 다른 특성을 가지고 있다. 따라서 3개 관측소 YDS, YDU 및 YDD 각각은 기 준이 되는 YDF 관측소와 거리가 멀어 배경잡음은 서로 독립적이고 상호간 의존적인 관계가 없다. 따라 서 3개 관측소 배경잡음에 대해 YDF 관측소의 배경 잡음을 기준으로 이용하는 방법은 각각 관측소의 부 지고유의 증폭 특성과 상관관계가 거의 없어 의미가 없는 것으로 판단된다.

    하지만 배경잡음을 제외할 경우, 기존의 동일 관측 소의 파형(Fig. 6), 기준관측소의 수직성분(Fig. 7) 및 수평성분(Fig. 8) 등 3가지 분석방법의 결과는 YDS, YDU 및 YDD 관측소 각각에서 관측소별로 대단히 잘 일치하고 있어 3가지 부지증폭 분석방법 상호간 의 신뢰성을 더욱 높여주고 있다.

    결 론

    예당저수지 댐체 인근 부지의 지반에 임시 설치한 4개 관측소에서 관측된 충남 보령 및 백령도 인근 지 역에서 발생한 6개 지진으로부터 S파 에너지, Coda 파 및 배경잡음을 비교 분석하여 수평/수직성분비 분 석 방법의 신뢰성에 대한 검증을 시도하였다. 또한 댐체 인근 부지 지반에서 3개 관측소 각각의 우월 주파수를 구하였다. 관측된 S파, Coda파 및 배경잡음 등 3가지 종류의 파형 에너지 각각에 대한 지반증폭 을 분석하고 결과를 비교하였다.

    1. 기존에 제시된 기준관측소 방법은 기준관측소 의 수직성분에 대하여 분석대상 관측소 수평성분의 비를 분석하는 방법이다. 하지만 본 연구는 새로이 기준관측소의 수평성분에 대하여 분석대상 관측소의 수평성분의 비를 분석을 시도하였고 나머지 2가지 방법과 일관성이 대단히 높은 분석결과를 보여 주었 다. 따라서 기준관측소의 수직 또는 수평 성분이 현 장 조건 또는 자료를 다운로드 중 분실되는 경우에 도 단지 수직 또는 수평 성분 중에서 하나의 성분만 을 이용하여 부지증폭 특성을 분석할 수 있음을 입 증하였다.

    2. 배경잡음을 제외할 경우, 기존의 동일 관측소의 파형, 기준관측소의 수직성분 및 기준관측소의 수평 성분 등 3가지 분석방법의 결과는 YDS, YDU 및 YDD 관측소 각각에서 관측소별로 대단히 잘 일치하 고 있어 3가지 부지증폭 분석방법 상호간의 신뢰성 을 더욱 높여주고 있다. 따라서 지반증폭 현상을 분 석하는 다양한 방법이 제시되어 있으나, 하나의 주어 진 지반에 3가지 분석방법을 동시에 적용하면 지반 증폭 값을 분석할 때 신뢰성이 대단히 제고할 수 있 다고 판단된다.

    3. S파와 Coda파 파형들의 푸리에 변환 값은 주 파수 구간에 따라 다소 차이가 존재하지만 대체로 에너지 상호간 100배에서 최대 1,000배 이상의 진폭 의 차이를 보여 주고 있음에도 불구하고 일관성 있 는 댐체 부지에서 지반증폭 특성을 보여 주고 있다. 따라서 기준관측소의 수직성분 및 수평성분 방법은 지진파 에너지의 커다란 차이에도 불구하고 대단히 안정된 방법이다.

    4. 배경잡음은 기준관측소의 수직성분 및 수평성 분 2종류 방법 및 3개 관측소 공통적으로 전체 주파 수 구간에서 S파 및 Coda파의 지반증폭 경향과 크게 다른 증폭 특징을 보여 주고 있다. 배경잡음은 주변 에 도로의 존재와 같은 아주 가까운 주변의 발생원 인과 먼거리 발생원인에 의한 영향으로 구성되어 있 어 기준 및 분석대상 관측 장소가 서로 멀리 위치할 경우 대단히 다른 특성을 가지고 있다. 따라서 배경 잡음의 기준관측소 방법을 이용한 결과는 S파 및 Coda파의 상관관계가 거의 없어 임의 지반에서 부지 증폭 특성을 대표하지 못하는 것으로 판단된다.

    5. YDS 관측소는 약 11 Hz 주파수 구간이 우월 주파수 구간인 것으로 분석되었다. 이 관측소의 경우 저수지 수문 부근에 설치되어 있어 저장된 물 등과 관련된 증폭 현상이 있는 것으로 사료된다. YDU 관 측소는 약 4 Hz 부근 주파수 구간에서 피크를 보였 으며, 약 13-16 Hz 구간과 약 26 Hz에서도 피크를 보였다. 고주파수에서 큰 증폭을 보였으며 이는 댐 상부에 설치되어 있는 것과도 연관이 있을 것으로 판단된다. 또한 YDD 관측소는 약 7 Hz 부근에서 최 대 피크를 보였으며, 최대 피크에 배수인 약 15 Hz와 3배수에 해당하는 약 20 Hz 부근에 조화배음 현상을 보여 주었다. 이 관측소는 댐 하부의 얇은 토양층에 설치되어 고주파수에서 평탄한 지반증폭 값을 보이는 것으로 생각된다. 상대적으로 댐체 하부는 고진동수 (단주기), 댐체 상부는 저진동수(장주기)의 특징을 보 여주고 있어 고층빌딩의 상하부 고유진동수 특성과 관련이 있는 것으로 판단된다.

    사 사

    이 연구는 한국기상산업진흥원 지진기술개발사업의 지원(KMIPA 2015-3010-2)으로 수행되었습니다.

    Figure

    JKESS-38-2-161_F1.gif

    Map of the seismic stations (blue circle) and earthquake epicenters (red star) used in this study.

    JKESS-38-2-161_F2.gif

    Origin time, P-wave, S-wave, coda wave arrival times observed at the YDF Station of #1 earthquake.

    JKESS-38-2-161_F3.gif

    S-wave Fourier spectra of 6 earthquake at (a) YDF, (b) YDS, (c) YDU and (d) YDD station.

    JKESS-38-2-161_F4.gif

    Fourier spectrum of coda, background noise and S-wave at (a) YDF, (b) YDS, (c) YDU and (d) YDD station for #1 earthquake.

    JKESS-38-2-161_F5.gif

    H/V spectral ratio with frequency of coda, background noise and S-wave at YDF.

    JKESS-38-2-161_F6.gif

    H/V spectral ratio with frequency at (a) YDS, (b) YDU and (c) YDD station using coda, background noise and S wave (Wee et al., 2015)

    JKESS-38-2-161_F7.gif

    H/V spectral ratio vs. frequency of coda, background noise and S-wave at (a) YDS, (b) YDU and (c) YDD station (Reference site; YDF).

    JKESS-38-2-161_F8.gif

    H/H spectral ratio vs. frequency of coda, background noise and S-wave at (a) YDS, (b) YDU and (c) YDD station (Reference site; YDF).

    Table

    List of Earthquake Occurrence Dates and Seismic Stations

    List of Seismic Stations

    Reference

    1. Atkinson G.M , Cassidy J.F (2000) Integrated Use of Seismograph and Strong-Motion Data to Determine Soil Amplification: Response of the Fraser River Delta tothe Duvall and Georgia Strait Earthquakes , Bulletin of Seismological Society of America, Vol.90 ; pp.1028-1040
    2. Bonilla L.F , Steidl J.H , Lindley G.T , Tumarkin A.G , Archuleta R.J (1997) Site amplification in the San Fernando Valley, California. variability of site-effect estimation using the S-wave, Coda, and H/V methods , Bulletin of Seismological Society of America, Vol.87 ; pp.710-730
    3. Borchert R (1970) Effects of local geology on ground motion near San Francisco Bay , Bulletin of Seismological Society of America, Vol.60 (2) ; pp.9-61
    4. Hartzell S , Cranswick E , Frankel D , Meremonte M (1997) Variability of site response in the Los Angeles Urban area , Bulletin of Seismological Society of America, Vol.87 ; pp.1377-1400
    5. Kim J.K , Oh T.S (2014) Characteristics of the horizontal response spectrum using ground motions observed in and around Korean peninsula , Disaster Advances, Vol.7 ; pp.19-27
    6. Kim D.I , Baag C.E (2002) Site amplification factors in Southern Korea determined from Coda waves , Earthquake Engineering Society of Korea, Vol.16 ; pp.51-58(in Korean)
    7. Kim J.K , Oh T.S , Yoo S.H , Wee S.H (2016) Amplification characteristics of seismic observation sitesfrom S-wave energy, coda waves and background noise from the Fukuoka earthquake series , Exploration Geophysics, on-line edition,
    8. Kim J.K , Wee S.H , Kyung J.B (2016) Uniform hazard spectra of 5 major cities in Korea , Journal of The Korean Earth Science Society, Vol.37 ; pp.162-172
    9. Lermo J , Francisco J.C (1993) Site effect evaluation using spectral ratios with only one stations , Bulletin of Seismological Society of America, Vol.83 ; pp.1574-1594
    10. Nakamura Y (1989) A method for dynamic characteristics estimation of subsurface using microtremor on the ground surface , QR RTRI, Vol.30 ; pp.25-33
    11. Ohmachi T , Nakamura Y , Toshinawa T (1991) Ground motion characteristics in the San Francisco Bay area detected by microtremor measurements, ; pp.1643-1648
    12. Phillips S.C , Aki K (1986) Sits Amplification of Coda waves from Local earthquakes in Central California , Bulletin of Seismological Society of America, Vol.76 ; pp.627-648
    13. Poggi V , Eanddwards B , Fah D (2011) Derivation of a reference shear-wave velocity model from empirical site amplification , Bulletin of the Seismological Society of America, Vol.101 ; pp.258-274
    14. Rogers A.M , Borcherdt R.D , Covington P.A , Perkins D.M (1984) A comparative ground response study near Los Angeles using recordings of Nevada nuclear tests and the 1971 San Fernando earthquake , Bulletin of Seismological Society of America, Vol.74 ; pp.1925-1949
    15. Seed H.B , Toro M.P , Sun J.L (1998) Relationship between soil conditions and earthquake motions , Earthquake Spectra, Vol.30 ; pp.687-729
    16. Takemura M , Motosaka M , Tamanaka H (1995) Strong motion seismology in Japan , Journal of Physical Earth, Vol.43 ; pp.211-257
    17. Wee S.H , Kim J.K , Yoo S.H , Kyung J.B (2015) A comparison study of the amplification characteristics of the seismic station near Yedang reservoir using background Noise, S-wave and Coda wave energy , Journal of The Korean Earth Science Society, Vol.36 ; pp.632642
    18. Yoo S.H , Kim J.K , Wee S.H (2016) A comparison study of the site amplification characteristics and seismic wave energy levels at the sites near four electric substations , Journal of The Korean Earth Science Society, Vol.37 ; pp.40-51
    19. Yu J , Haines J (2003) The choice of reference sites for seismic ground amplification analyses: case study at Parkway, New Zealand , Bulletin of the Seismological Society of America, Vol.93 ; pp.713-723