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ISSN : 1226-525X(Print)
ISSN : 2234-1099(Online)
Journal of the Earthquake Engineering Society of Korea Vol.22 No.3 pp.175-184
DOI : https://doi.org/10.5000/EESK.2018.22.3.175

Comparative Analysis of Structural Damage Potentials Observed in the 9.12 Gyeongju and 11.15 Pohang Earthquakes

Cheol-Ho Lee1), Sung-Yong Kim1), Ji-Hun Park2)*, Dong-Kwan Kim3), Tae-Jin Kim4), Kyoung-Hoon Park4)
1)Department of Architecture and Architectural Engineering, Seoul National University
2)Division of Architecture and Urban Design, Incheon National University
3)Department of Architectural Engineering, Cheongju University
4)Chang Minwoo Structural Consultants
Corresponding author: Park, Ji-Hun E-mail: jhpark606@inu.ac.kr
February 13, 2018 April 13, 2018 April 19, 2018

Abstract


In this paper, comparative analysis of the 9.12 Gyeongju and 11.15 Pohang earthquakes was conducted in order to provide probable explanations and reasons for the damage observed in the 11.15 Pohang earthquake from both earthquake and structural engineering perspectives. The damage potentials like Arias intensity, effective peak ground acceleration, etc observed in the 11.15 Pohang earthquake were generally weaker than those of the 9.12 Gyeongju earthquake. However, in contrast to the high-frequency dominant nature of the 9.12 Gyeongju earthquake records, the spectral power of PHA2 record observed in the soft soil site was highly concentrated around 2Hz. The base shear around 2 Hz frequency was as high as 40% building weight. This frequency band is very close to the fundamental frequency of the piloti-type buildings severely damaged in the northern part of Pohang. Unfortunately, in addition to inherent vertical irregularity, most of the damaged piloti-type buildings had plan irregularity as well and were non-seismic. All these contributed to the fatal damage. Inelastic dynamic analysis indicated that PHA2 record demands system ductility capacity of 3.5 for a structure with a fundamental period of 0.5 sec and yield base shear strength of 10% building weight. The system ductility level of 3.5 seems very difficult to be achievable in non-seismic brittle piloti-type buildings. The soil profile of the PHA2 site was inversely estimated based on deconvolution technique and trial-error procedure with utilizing available records measured at several rock sites during the 11.15 Pohang earthquake. The soil profile estimated was very typical of soil class D, implying significant soil amplification in the 11.15 Pohang earthquake. The 11.15 Pohang earthquake gave us the expensive lesson that near-collapse damage to irregular and brittle buildings is highly possible when soil is soft and epicenter is close, although the earthquake magnitude is just minor to moderate (M 5+).



9.12 경주지진 및 11.15 포항지진의 구조손상 포텐셜 비교연구

이 철호1), 김 성용1), 박 지훈2)*, 김 동관3), 김 태진4), 박 경훈4)
1)서울대학교 건축학과
2)인천대학교 도시건축학부
3)청주대학교 건축공학과
4)(주)창민우구조컨설탄트

초록


    Ministry of Land, Infrastructure and Transport
    16AUDP-B066083-04

    1. 서 론

    2017년 11월 15일 경북 포항시 북구 북쪽 7 km 근방을 진앙지로 규모 5이 상의 강진이 발생하였다. 이 11.15 포항지진의 본진은 기상청 발표에 따르 면 ML (리히터규모) 5.4, MW (모멘트규모) 5.4 [1], 진원깊이는 3~7 km로 [2], USGS에 따르면 MW 5.4로, 진원깊이는 11.5 km로 분석되었다 [3]. 11.15 포항지진은 방출된 에너지 크기가 비슷하였음에도 불구하고 2016년 9월 12일 발생한 경주지진 당시에 비해 훨씬 큰 재산피해가 나타났는데, 중앙재 난안전대책본부는 11월 27일 오전을 기준으로 포항지진의 피해액이 971 억에 이르며 세부적으로 공공시설은 총 404곳에서 532억의 피해가, 사유 시설의 경우 3만 878건의 피해가 접수되어 440억에 이르는 피해가 발생한 것으로 잠정 확인하였다 [4].

    특히 11.15 포항지진은 Fig. 1과 같이 1층에 필로티가 있는 중저층 다세 대주택의 기둥파손이나 코어벽체의 균열 등 구조적으로 치명적인 각종 피 해를 유발하였다. 포항지진의 강진시간이 비교적 짧았음을 고려했을 때, 이 러한 중저층 다세대 주택건물들의 심각한 파손은 해당 구조물이 현장조사 결과에서 확인된 넓은 띠철근 간격, 비정상적으로 큰 피복두께, 크로스타이 의 누락 등 내진상세나 특별지진하중에 대한 배려가 없는 취성건물인 동시 에 큰 수직/수평의 비정형성 때문으로 추정되었다.

    본 논문에서는 11.15 포항지진에 의해 발생한 지진피해에 대한 원인을 규 명하기 위한 목적으로 데미지 포텐셜 관점에서 2016년 발생한 9.12 경주지 진과의 지진공학적/구조공학적 비교분석을 시도하였다. 본 논문에서 손상 포텐셜이라 함은 좁은 의미에서는, 지반가속도기록 자체가 지닌 구조물에 대한 손상유발 가능지표로, 지반가속도의 최대값, 강진동작용시간 또는 총 진동에너지 (가령 아리아스 진도) 등을 의미한다. 그렇지만 위와 같은 시계 열 정보로만은 주파수 대역별 손상유발 포텐셜을 알 수 없으므로, 가속도기 록을 주파수영역으로 변환한 퓨리에 스펙트럼도 데미지 포텐셜을 보여주는 정보라 할 수 있다. 넓은 범위에서는 특정 지진가속도기록이 단자유도 구조 물에 작용하여 유발하는 탄소성 응답 (스펙트럴가속도와 연성요구도)도 특정 가속도기록의 데미지 포텐셜을 나타내는 것으로 볼 수 있다. 본 논문은 계측 된 가속도기록을 바탕으로 지진파의 시각력 및 주파수영역 분석, 단자유도 진 동계의 탄성 및 비탄성 응답스펙트럼 분석, 실제 저층 필로티 건물의 응답해 석을 포함한다. 이를 통해 포항지진과 경주지진의 특성을 내진공학적 손상 포 텐셜 관점에서 다각도로 분석하여 관측된 피해의 원인을 추론하고 더 나아 가서 향후 연구방향, 내진보강이나 내진설계 측면의 시사점을 제공하고자 한다.

    2. 포항지진 계측 가속도기록 분석

    본 연구에서는 진앙지에서 비교적 가까운 네 개의 관측소 PHA2 (포항기 상대), HAK, CHS와 DKJ에서 계측된 가속도기록 세트를 사용하여 분석을 수행하였으며 (Fig. 2 참조), 대조군으로 9.12 경주지진 당시 관측된 기록 들로부터 지반조건 SB 상의 관측소로부터 계측된 기록 중 최대가속도가 가장 큰 MKL의 HGE성분과 SC지반에 위치한 것으로 추정되는 USN계측소로 부터 계측된 지진기록의 HGN성분을 고려하였다 [5-7]. 본 연구에서는 지 질자원연구원에서 제공한 100 Hz 샘플링 데이터를 활용하되, 기본진동수가 10 Hz 이하인 일반건물에 대한 분석을 목적으로 20 Hz이상의 성분들을 필 터링하였다.

    본 논문에서 분석에 활용한 포항지진의 NS성분과 경주지진 시각력기록 을 Fig. 3에 도시하였으며, 고려한 지진기록들의 최대지반가속도 (PGA)를 포함한 여러 특성을 Table 1에 정리하였다. Table 1에서 알 수 있듯이 진앙거 리가 20 km이상인 CHS, HAK와 DKJ관측소에서는 PGA가 0.014~0.036 g 로 진도감쇠에 의해 크기가 크게 감소된 가속도성분이 관측된 반면에, 진앙 거리가 9 km인 PHA2에서는 PGA가 0.189 g에 이르는 비교적 큰 성분이 관측되었다.

    우선 강진구간 지속시간 (strong motion duration)을 정량적으로 이해 하기 위해 아래 식 (1)로 정의되는 아리아스진도 (Arias intensity)의 누적 량에 기반한 두 가지 지속시간 D5-75D5-95를 비교하였다.

    I A = π 2 g 0 T a 2 ( t ) d t
    (1)

    여기서 a, Tg는 각각 지반가속도, 지진의 전체지속시간 및 중력가속도 이다. 강진구간 지속시간의 산출 결과는 Table 1에 나타내었으며, 여기서 D5-75D5-95는 아리아스진도 IA가 5%에서 각각 75% 및 95%까지 누적되는 시 간을 의미한다 [8, 9]. Table 1에 따르면 PGA가 0.1g이하인 CHS, HAK와 DKJ기록의 경우 진도감쇠에 따라 큰 크기의 진동이 검출되지 않아 비교적 긴 시간동안 낮은 진동이 오래 지속되어 D5-75D5-95가 최대 6초, 16초 가량 의 지속시간이 산출되었으나, 이들 기록의 가속도 크기가 워낙 낮기에 큰 의 미를 갖지는 않는 것으로 보인다. 반면 비교적 큰 수준의 가속도가 계측된 PHA2의 경우 D5-75는 NS성분 기준 1.4 초, D5-95 는 3초 이내로 상대적으로 지속시간이 짧은 것으로 나타났다. PHA2에서 계측된 지진기록의 강진지 속기간은 9.12 경주지진기록과 유사한 값으로 나타났는데, 지진규모 등을 감안할 때 이 값은 통상적인 범위 안에 들어간다고 판단할 수 있다.

    다음으로 지반운동 자체의 최대값인 PGA보다 구조물의 응답과 연계하 여 정해지는 유효지반가속도 (EPGA, Effective Peak Ground Acceleration) 의 관점에서 포항지진의 특성을 분석한다. EPGA는 ATC-3-06에서 0.1~0.5 s 사이의 의사가속도 스펙트럼을 평균하여 2.5로 나눈 값으로 정의하고 있다 ([10], 식 (2) 참고). 이 값을 주기 0 sec에 해당되는 설계스펙트럼 값으로 사 용하기 때문에 PGA와 혼동되기도 하지만 엄밀히 따지면 별개의 값이며, 통상적으로 EPGA가 PGA보다 작다.

    EPGA= 0.1 0.5 S a ( T ) d T 0.5 0.1 × 1 2.5
    (2)

    EPGA의 개념은 식 (2)에서 알 수 있듯이 단주기 스펙트럼 가속도 SDS의 상수배로 볼 수 있으며, 미국의 내진설계 기준은 NEHRP 1997 및 이를 채 택한 ASCE 7-98부터는 직접적으로 단주기와 1초 주기의 스펙트럼가속도 SDS, SD1으로 지진하중을 정의하고 있다. 현행 국내 내진설계기준은 스펙트 럼가속도의 재해지도가 구비되지 않아 PGA로 EPGA를 대신하여 스펙트 럼가속도를 정의하고 있으며, 1초주기 스펙트럼가속도 SD1을 EPGA와 동 일한 값으로 정의하고 있다.

    Table 1에 따르면 작은 최대가속도가 나타난 SB지반 관측소 계측지진파 들의 경우 CHS.NS, HAK.EW, HAK.NS성분을 제외하면 EPGA가 PGA 의 약 60% 이하의 수준으로 현저히 작으며, 이들 모든 EPGA는 모두 설계 지진 유효지반가속도를 초과하지 않는 것으로 나타났다. 여기서 건축구조 기준의 지진구역 I에 해당하는 설계지진 유효지반가속도는 SB지반에 대하여 EPGA=SD1=S×Fv×2/3=0.147 g (S는 지진구역I의 MCE 유효지반가속도 로 0.22 g이고, Fv는 1초주기 지반증폭계수로 SB지반의 경우 1.0 [11])로 산정하였다. PHA2는 지반조건이 알려져 있지 않으므로 우선 KBC2016의 지진구역I SB, SC, SD 와 SE지반에 대한 설계지진 유효지반가속도 지반 증 폭을 고려하였다. 그 결과 PHA2의 EPGA인 0.098 g가 설계지진 유효지반 가속도 0.147 g (SB)~0.513 g (SE)에 비해 현저히 작은 것을 확인하였다. 따라서 포항북부에서 계측된 지진기록 PHA2는 아리아스진도, EPGA나 강진지속구간 등의 정량지표에 근거해서 판단하건데, 9.12 경주지진의 가 장 강력한 가속도 기록인 USN에 비해 데미지 포텐셜에서 훨씬 작았다.

    연약지반의 지진동 증폭 등의 발생여부를 분석하기 위하여 진동수영역 에서의 분석을 실시하였다. Fig. 4는 포항지진 중 각 계측기록들의 NS성분 과 대표적 경주지진기록을 푸리에 변환한 주파수 스펙트럼을 도시한 것이다. 경주지진파인 MKL과 USN의 성분이 10 Hz내외의 고주파수대역에서 특 징적으로 형성되어 있다. 반면에 비교적 20 km 이상의 원거리에서 관측된 포항지진의 지진파의 경우 전 주파수대역에 걸쳐 고르게 그 성분이 분포되 어 있는 것을 확인하였다. 주목해야 할 것은 포항지진의 PHA2에서 관측된 지진파로, 앞선 두 범주의 지진파군과는 달리 1 Hz와 2 Hz근방의 주파수대 역에서 지진의 파워가 집중되고있다.

    다음으로 탄성응답스펙트럼을 통한 손상포텐셜을 분석하였다. Fig. 5는 포항지진 중 각 계측기록들의 NS성분과 대표적 경주지진기록의 응답스펙 트럼을 도시한 것이며, PHA2관측소의 지반조건이 알려지지 않은 점을 감 안하여 SB에서 SE에 이르는 지반조건에 대응되는 설계스펙트럼을 병치하 였다. 경주지진기록에 따른 스펙트럼은 3 Hz 이상의 높은 고유진동수 (0.3초 보다 짧은 주기)를 갖는 1~3층의 단주기 구조물에 주로 손상이 발생하고, 0.3초보다 긴 주기를 갖는 건축물의 손상은 경미하거나 발생하지 않을 것임 을 시사한다 [5]. 반면 포항지진 중 PHA2의 경우 0.5~0.6초 (2 Hz) 근방에 서 건물중량의 40%에 횡력을 유발하는 훨씬 강력한 횡력을 유발할 것으로 예측되며, 이러한 특정진동수 대역에의 강력한 지진하중의 존재는 앞서 실 시한 주파수영역에서의 분석결과와 일치한다.

    본 포항지진에 의해 큰 피해를 입은 흥해읍과 인근지역의 경우 계측된 지진동기록으로부터의 전단파속도 추정치나 당 지반의 고유주기 실측치로 부터 매립토와 퇴적토로 형성된 연약한 토사지반일 것으로 추정된다. 더군 다나 PHA2 관측소보다 본진 진앙지에 가깝기 때문에 고주파성분의 감소 가 적고 더 강한 지진동이 이 지역의 건축물에 가해졌을 것으로 추정된다.

    3. 동일연성도스펙트럼 및 해외 강진과의 비교

    이하에서는 대표적 해외 강진기록과, 9.12 경주지진/11.15 포항지진 계 측기록 중 수평방향의 가속도가 큰 특징적 지진파를 선정한 후 비선형 동적 해석을 통한 동일연성도 스펙트럼을 작성하여 잠재적 손상정도를 비교평 가하고, 저층구조물 (주기 0.1, 0.5초)와 중층구조물 (주기 1초)의 비탄성응 답을 분석한다. 연구에 사용된 진동모델은 5%의 감쇠비로 가정된 무차원화 된 1자유도계 모델로, 항복 후 강성이 0인 완전탄소성 이선형 이력모델을 사용하여 거동을 이상화하였다.

    3.1. 입력지진파 분석

    Fig. 6은 분석에 활용된 9.12 경주지진 기록 중 가장 강력한 가속도 기록 인 USN지진파, 11.15 포항지진 당시 포항북부에서 계측된 지진기록 PHA2, 내진공학에서 대표적 표준지진으로 널리 활용되는 El Centro 1940 과 충적토로 형성된 매립지 연약지반의 지진동 증폭에 의해 준조화성분 (nearly harmonic)이 지배적으로 나타난 Mexico City 1985 지진기록의 시각력 및 주파수스펙트럼을 중첩하여 도시한 것이다 (1940 El Centro 지 진 및 Mexico City 지진기록의 기본정보는 Table 2에 정리함).

    우선 El Centro 지진의 경우 0.1Hz의 저주파수에서 10 Hz의 고주파수 에 걸쳐 에너지 성분이 비교적 고르게 분포되어 있으며, Mexico City지진 의 경우 진동수 0.5 Hz (주기 2초) 대역에서 특징적으로 증폭된 성분이 나 타난다. 강진대 계측기록인 두 가속도 기록은 중약진대인 국내기록과 비교 가 되지 않는 강력한 구조손상포텐셜을 지니고 있음을 알 수 있다. 국내 계 측기록의 경우 10 Hz (주기 0.1초) 주변의 고진동수 성분이 크게 나타난 9.12 경주지진에 비해, 11.15 포항지진의 경우 1 Hz (주기 1초)와 2 Hz (주 기 0.5초) 근방에 훨씬 많은 에너지 성분을 포함하고 있음을 확인할 수 있다. 이 주파수대는 금번 지진에서 극심한 피해를 입은 필로티 다세대주택의 기 본주기와 매우 근접했을 것으로 추정된다. 이하에서 논의되는 본 논문의 사 례 연구에서 보듯이, 이 필로티 건물들은 내진상세나 특별지진하중에 대한 배려가 거의 없는 취성건물인 동시에 큰 편심을 가지고 있어서 치명적 손상 을 입은 것으로 분석된다.

    3.2. 동일연성도스펙트럼 비교분석

    동일연성도 응답스펙트럼은 특정 고유주기를 갖는 구조물의 최대 비탄 성응답이 규정된 연성도에 대응되도록 하는 소요항복강도를 나타내는 응 답스펙트럼이다. 이하에서는 El Centro 1940, Mexico City 1985, 9.12 경 주 및 11.15 포항지진파를 바탕으로 동일연성도 스펙트럼을 도시하고, 이 들에 대한 비교분석을 통해 경주지진과 포항지진에서 특징적으로 나타난 구조물의 손상 정도와 양상을 분석하였다.

    Fig. 7은 연성도 μ = 1, 1.5, 2, 4와 8에 대한 응답스펙트럼을 도시한 것 으로, 여기서 세로축은 구조물의 중량으로 정규화된 소요항복강도이다. 상 기 입력지진파의 분석내용과 연계하여 분석컨데 9.12 경주지진의 경우 0.2 초 미만의 극단주기 영역대에서 구조물의 요구항복강도가 급격히 증가하 고 중/장주기 영역에서는 상대적으로 낮은 항복강도를 요하는 것으로 나타 났다. 반면 11.15 포항지진의 경우 극단주기 영역대에서의 요구항복강도가 9.12 경주지진에 비해 현격히 낮고 중/장주기 영역대에서는 9.12 경주지진 과 큰 차이를 보이지 않는 반면에, 0.5초 주기대역에서 상대적으로 극히 높 은 항복강도를 요구하는 것으로 나타났다.

    일례로 중저층구조물의 사례로, 연성능력이 2 이하이며 주기가 0.1초인 구조물과 0.5초인 구조물을 살펴본다. 주기가 0.1초인 구조물의 경우 9.12 경주지진이 건물중량 대비 50% (μ = 2)에서 최대 100% (μ = 1)에 이르는 횡력을 유발한 반면, 11.15 포항지진의 경우 건물 자중 대비 20%에 미치지 못하는 횡력이 유발되는 것으로 나타났다. 이와는 대조적으로 주기가 0.5 초인 구조물의 경우, 11.15 포항지진이 9.12 경주지진의 요구치를 월등히 상회하여, 건물중량 대비 20% (μ = 2)에서 최대 40% (μ = 1) 수준의 횡강 도를 요구하는 것으로 나타났다 (참고로 이영욱 [12]은 중력하중에 대해 설 계된 2층 철근콘크리트모멘트골조의 밑면전단항복강도가 건물중량의 7~ 19%임을 보고한 바 있다). 이는 11.15 포항지진이 9.12 경주지진에 비해, 1) 연성이 거의 고려되지 않았거나 , 2) 연성의 확보가 쉽지 않은 0.5초 내외의 주기를 갖는 중저층 건축물에 더욱 큰 손상을 야기할 수 있음을 의미한다. 이러한 피해 주기대역은 지진 당시 극심한 피해를 입은 필로티 다세대주택 의 기본주기와 매우 근접했을 것으로 보이며, 이 건물들은 편심과 연약층으 로 인한 추가적인 변형 요구량에도 불구하고 연성거동을 위한 내진상세가 확보되지 않아 치명적 손상을 입은 것으로 추정된다. 향후 연성능력이 결여 된 중저층 구조물의 손상 포텐셜을 줄이기 위한 노력이 필요하며, 이를 위해 연성 혹은 강도를 보강하기 위한 대책이 마련되어야 할 것으로 보인다.

    3.3. 손상 포텐셜 비교연구

    이하에서는 각각 단주기와 중주기 시스템의 예시로서 0.1초, 0.5초와 1초 주기 건물을 대상으로 비선형시간이력 해석을 수행하고 그 결과를 비교분 석하였다. 이 때 각각의 시스템 속성 가운데 항복강도 fy 가 중력하중의 10% 수준으로 설계되었다고 가정하였으며, 그 밖의 해석조건은 앞서 동일연성 도 스펙트럼 작성에 적용된 것과 동일하다.

    Fig. 8은 0.1초 주기를 갖는 탄소성 시스템의 응답을 도시한 것으로, 여 기서 시간이력의 세로축과 이력곡선의 가로축은 항복변형 uy로, 이력곡선의 세로축은 항복강도 fy (중력하중의 10%)로 각각 정규화 하였다. 이에 따르 면 0.1초 주기의 해당 건물에 El Centro 1940으로 가진된 경우 60에 달하 는 연성도를, 9.12 경주지진의 경우 6.84에 이르는 상당한 수준의 연성도를 요 하는 반면, 11.15 포항지진의 경우 상대적으로 낮은 4.11 수준의 연성도를 요하는 것으로 나타났다.

    Figs. 910은 각각 0.5초와 1초 주기를 갖는 탄소성 시스템의 정규화 된 응답을 도시한 것이다. 비선형동적해석 결과에 의할 때 기본진동주기가 0.5초, 1.0초이고 밑면전단 항복강도가 중량의 10%인 건물은 경주 USN가진 을 전혀 구조손상없이 탄성으로 저항할 수 있으나, PHA2에 대해서는 각각 시스템 연성도 3.5 및 2.0 정도의 비탄성능력을 요구하는 것으로 확인되었 다. 연성상세가 결여된 비내진 취성 구조물에서 시스템 연성도 3.5는 감당하 기 어려운 수준으로 판단된다. 특히 수평 및 수직 비정형에 의해 기둥에 비 탄성변형이 더욱 증폭되는 약점을 지닌 필로티구조가 감당하기에는 무리 인 연성수준으로 볼 수 있다.

    4. PHA2 관측소 지반의 영향

    이 장에서는 포항지진시 암반 관측소 (HAK, CHS, DKJ)에서 측정된 지진기록을 사용하여 지반응답해석 (site response analysis)을 수행하고, PHA2 관측소가 위치한 토사지반의 분포를 추정하였으며, 그 절차는 다음 과 같다.

    • 1) 암반 관측소는진앙거리가 약 23~28 km이고, 토사지반에 의한 증폭이 발생한 PHA2 관측소는 진앙거리가 약 9 km 로서 거리감쇠에 대한 보정이 요구된다. 다만, 진원 깊이와 단층의 방향에 따라 실제 진원으 로부터 관측소의 거리와 방향이 각각 다르기 때문에 진앙거리를 바탕 으로 특정한 감쇠식을 적용하기 어렵다. 따라서, 본 연구에서는 Fig. 11에 도시한 바와 같이 각 암반관측소에서 계측된 지진기록 (recor- ded outcropping motion)을 PHA2 관측소 토사지반 하부의 암반까 지 도달한 지진기록 (within motion)으로 역변환하는 디콘볼류션 (deconvolution) 의 과정에서 거리감쇠에 대한 보정계수를 적용하였다.

    • 2) 응답스펙트럼을 정규화하여 기록된 지진파에 영향을 미친 지반의 탁 월주기를 추정할 수 있다. Fig. 12는 PHA2 관측소와 암반관측소에 서 계측된 지진기록의 응답스펙트럼의 SRSS를 정규화한 것으로 암 반지진기록은 포항지진의 특성으로 0.2초 내외의 단주기 영역에서 약 2.5배 증폭되고, 점차 감소되는 것을 확인할 수 있다. 이에 반해 PHA2 관측소에서 기록된 지진파의 SRSS 응답스펙트럼은 하부 토 사지반의 영향으로 약 0.6초 주기영역에서 지진동이 증폭되었다. 지 진동시 지반에 의한 비선형성이 반영된 토사지반의 주기는 약 0.6초 이내로 판단된다.

      따라서, 본 연구에서는 지반주기에 대한 이론해인 식 (3)을 바탕으로 Fig. 13과 같이 PHA2 관측소가 위치한 토사지반의 분포를 가정하고, 등가선형해석방법으로 Figs. 1415와 같이 해당지반의 디콘볼류 션함수 (deconvolution function)와 증폭함수 (amplification function) 를 도출하여 지반응답해석을 수행하였다. 암반까지의 깊이는 30 m 이고, 감쇠비가 5% 인 평균전단파속도 210 m/s 토층으로 가정되었다.

      T g = 4 H V s
      (3)

      여기서, H = 지표면으로부터 암반까지의 깊이, Vs = 토사의 전단파속 도.이다.

    • 3) 1)과 2)의 절차로 가정된 지반에 의한 지진동의 증폭을 구하여 PHA2 지진기록과 비교하였다. 각 암반관측소 지진기록의 거리보정계수를 합리적으로 판단하기 위하여, 다양한 거리보정계수에 대한 변수해 석을 수행하였으며, 해석결과에서 PHA2 관측소의 SRSS 응답스펙 트럼과 증폭된 지진파의 SRSS 응답스펙트럼의 평균제곱오차 (Mean Squared Error)가 가장 작은 거리보정계수를 도출하였다.

    Fig. 16은 전술한 절차로 각 암반관측소에서 계측된 지진기록을 활용하 여 PHA2 관측소 하부 토사에 의한 증폭을 산정한 결과이다. HAK, CHS, DKJ 관측소에서 기록된 암반기록을 각각 4.5, 9.0, 6.5 배로 보정하여, PHA2 관측소 하부 암반에 도달한 지진수준으로 가정하고, Fig. 13과 같이 가정된 토층에 의한 증폭을 계산한 결과 약 0.6초 대역에서 지반에 의한 지진동의 증폭이 잘 모사됨을 확인할 수 있다. 따라서, PHA2 관측소가 위치한 지반 의 종류는 KBC 2016에 따라 보통암까지의 깊이가 20 m 이상인 SD 지반조 건 (180 m/s ≤ Vs < 360 m/s)에 해당하는 것으로 추정된다.

    거리에 대한 보정계수를 적용하여 PHA2 관측소 하부 암반까지 도달한 지진 (Fig. 16 (d)의 Input (Average))의 유효지반가속도로부터 진앙거리 가 약 9 km인 PHA2 관측소에 전파된 지진의 수준을 가늠할 수 있다. 가속 도일정구간에서는 식 (2)를 이용하였으며, 속도일정구간에서는 계수 2.5 없이 관심 주기 구간을 0.6에서 1.4 sec로 수정하여 계산하였다. 가속도일 정구간에서 구해진 유효지반가속도는 0.138 g이고, 1초 주기를 기준으로 속도일정구간에 대한 유효지반가속도는 0.054 g가 산정되었다. 가속도일 정구간의 유효지반가속도 0.138 g는 2013년 소방방재청에서 공표한 국가 지진위험지도의 1000년 재현주기 유효지반가속도 (= 0.154 g)의 약 90 % 에 해당하며, 속도일정구간의 유효지반가속도 0.054 g는 1000년 재현주기 유효지반가속도 (= 0.154 g)의 약 35 % 수준이다. 포항지진의 국지규모가 5.4로 단층발생시간이 짧음에 따라 지진의 에너지가 중장기보다 단주기 성 분에서 크다는 점이 구간별 유효지반가속도에서 나타난다. 이는 국내와 같 이 가속도 일정구간의 설계스펙트럼가속도 (SDS)와 속도일정구간의 설계스 펙트럼가속도 (SD1)을 정의하는데 있어 동일한 유효지반가속도를 적용하 는 것은 단주기구조물의 지진하중을 과소평가하고, 장주기 구조물의 지진 하중을 과대평가할 수 있음을 시사한다.

    5. 포항지진에 의한 저층 필로티 구조물의 지진응답 사례해석

    이미 잘 알려진 바와 같이 11.15 포항지진 당시 다수의 필로티 구조물 파 괴가 보고되었다. 필로티 기둥의 파괴가 보고된 구조물은 5층 정도의 구조물 이 대부분이었다. 동일한 규모의 구조물 중 1층에 필로티형식을 갖고, 해당 기둥의 전단파괴가 보고된 구조물을 대상으로 평가하였다. 대상 구조물은 2011년에 준공되었으며, 건축구조기준 (KBC2009)에 따라 설계되었다. 별도의 콘크리트강도 조사결과가 수행되지 않아 기대강도계수를 1.0으로 설계강도와 동일하게 해석모델에 적용하였다. 구조물의 거동을 적절히 모 사하기 위해서는 비선형 시간이력해석을 수행하여야 하지만, 주된 파괴 부 분이 하중지배로 분류되는 전단파괴라는 점을 감안하여 개략적인 검토를 위해 선형 시간이력해석을 수행하였다. 현장조사 결과를 참고하여 다른 부 분의 심각한 비탄성 변형이 선행하지 않은 것으로 보고 반응수정계수는 적 용하지 않았으며, 이하에서 기술하는 기둥의 유형이 전단지배형임 또한 그 타당성을 뒷받침한다. Fig. 17과 같이 ETABS로 해석모델을 구축하였으 며, 시간이력해석에 사용된 지진파는 PHA2 관측소의 기록을 사용하였다.

    기준층 (2~4층)에 고정하중 6.52 kPa, 활하중 2.0 kPa의 바닥하중을 적 용하고, 지붕층은 고정하중 7.12 kPa, 활하중 3.0 kPa의 하중을 적용하였 으며, 고정하중의 1.0배의 값을 질량으로 적용하여 해석모델을 구축하였다. 해당 모델의 고유치해석결과를 Table 3에 정리하였는데, 기본주기가 0.48 초로서 지반증폭 대역에 속함을 알 수 있다.

    예제구조물에서 코어벽체와 가장 멀리 떨어진 C1기둥은 포항지진으로 인해 완파된 것으로 보고되었다. 이 건물은 설계된 도면과 시공된 상태가 상 이하다고 보고되었으며, 특히 설계도서상에는 기둥의 보조대근 (tie)을 시 공하도록 되어 있으나, 실제 파괴된 모습에서는 보조대근 없이 외곽의 대근 (hoop)만이 시공되어 있는 것이 확인되었다. 설계도서와 같이 보조대근과 대근이 모두 존재하는 경우를 Type A, 보조대근 없이 외곽의 대근만이 설 치된 형태를 Type B로 구분을 하였으며 각각의 단면은 Table 4와 같다. 해 당 기둥은 현행구조기준의 특별지진하중을 적용하여야 하는 필로티 기둥으 로서, 일반적인 탄성설계하중에 비해 초과강도계수의 배수로 지진하중을 적용하도록 하고 있다.

    C1 기둥의 요구 및 보유 강도를 Table 5에 정리하였으며, 요구강도 (Demand) 는 PHA2에서 관측된 지진파를 직접 적용하여 시간이력해석을 수행 하여 얻어진 부재력 (THA)과 현행설계기준에서 요구되는 설계부재력 (Design) 으로 구분하였다. C1 기둥의 시간이력은 Fig. 18과 같다. 설계부재력은 지역계수 (S)는 2400년 재현주기의 지진재해도를 반영하여 0.18을 지반조 건은 SD로 등가정적해석법의 수직분포를 사용하고, 초과강도계수를 적용 하여 전이기둥에 작용하는 부재력을 산정하였다. 부재내력 (Capacity)은 설계도서상의 값을 사용하였으며, 콘크리트 강도는 24 MPa, 철근항복강 도는 400 MPa를 사용하여 부재의 내력을 계산하였다. C1 기둥은 길이 2.2 m 로서 2Mn/L≈245kN<Vn으로서 전단지배형 기둥으로 볼 수 있다. Type A, B에 관계없이 내력비가 1을 초과하고 있으며 실제 단면의 경우에는 36%를 초과하므로 실제 파괴양상과 같이 전단파괴가 선행하는 것으로 볼 수 있다.

    구조기준에서 요구하는 설계부재력 (Design)을 적용하였을 때에는 기 둥의 휨모멘트가 휨내력을 약 65% 초과하였으나, 특별지진하중에 의한 전 단력은 보유 전단강도보다 낮아 허용범위를 만족하였다. 그러나 KBC2016 0520.3.3.1에 따라 단부의 휨강도를 통해 산정한 전단력 (=Ve)을 적용하는 경우 약 6%정도 전단내력이 부족한 결과를 나타내었기 때문에 철근이 누 락되지 않은 경우에도 전단파괴가 발생할 가능성이 있는 것으로 나타났다. 따라서 초과강도계수를 적용하여 소요강도를 산정할 뿐만아니라 역량설계 법에 의해 충분한 전단강도를 확보할 필요가 있다. 다만 이상의 해석결과는 탄성해석에 기초한 것으로서 추후 비선형해석을 통해 보다 엄밀하게 필로 티 기둥의 요구강도를 분석할 필요가 있다.

    6. 결 어

    이 연구에서는 포항지진에서 계측된 가속도기록을 토대로 지진파의 시 각력 및 주파수영역 분석, 단자유도 진동계의 탄성 및 비탄성 응답스펙트럼 분석을 수행하였으며, 아울러서 경주지진의 가속도 기록과 비교하였다, 추 가적으로 지반응답해석, 필로티형 건축물의 지진응답 해석을 통해 내진공 학적 데미지 포텐셜 관점에서 다음과 같은 결과 및 시사점을 도출하였다.

    • 1) 11.15 포항지진은 주파수 분석이나 응답스펙트럼 분석에서 나타난 바 와 같이 토사지반에서는 지진파의 에너지가 0.5초 주기 대역에 집중된 것으로 나타났다. 그러나 유효지반가속도 분석결과 기본적으로 설계스 펙트럼에 크게 미치지 못하여 전면적인 건축물 피해보다는 설계나 시공 측면에서 내진설계가 적절히 반영되지 않은 중층 (4~5층)건축물을 중 심으로 상당한 피해가 나타났다. 그러나 강한 지진동의 지속시간은 1.4 초 수준으로 길지 않아 전체적인 붕괴를 유발하지는 않음으로써 대규모 인명피해를 피할 수 있었던 것으로 추정된다.

    • 2) PHA2 관측소 기록의 동일연성도 스펙트럼 분석 결과, 주기가 약 0.5초 인 구조물은 연성도 2와 1에 대해서 건물 중량대비 20% 및 40% 수준의 횡력 저항성능이 요구되는 것으로 나타났다. 기존에 알려진 국내 비내 진 저층 RC모멘트골조의 내진능력을 참조 시 적정 강도 또는 연성능력 을 보유하지 않고 있지 않다면 지반에 의한 증폭이 큰 지역에서는 피해 가 발생할 가능성이 높고, 특히 약층에 변형이 집중되는 필로티형 구조 물의 큰 피해가 예상된다.

    • 3) 해외의 대표적인 강진기록인 El Centro 지진과 동일 연성도 스펙트럼 을 비교 시 0.1초 주기에서는 경주지진의 강도요구량이 가장 탁월하고 포항 지진은 중장주기 구간에서 경주지진보다 상대적으로 더 큰 강도 요 구량을 나타내었다. 그러나 극단주기를 제외한 나머지 주기 구간에서는 전체적으로 El Centro 지진의 요구량이 가장 큰 것으로 나타났다. 따라서 경주지진을 통하여 단주기 영역에서의 국내 지진 특성이 부각되고 저층 건축물의 내진설계가 확대된 바 있으나 향후 지반의 특성을 고려하여 중간 주기 구간에 속한 구조물의 지진피해 저감을 위한 대책 마련이 필 요할 것으로 판단된다.

    • 4) 11.15 포항지진의 토사지반 관측소 부지를 대상으로 암반까지의 깊이가 30 m인 SD 지반의 토층을 추정하여 응답해석을 수행하였다. 결과적으 로 0.6초를 중심으로 발생하는 증폭현상을 적절히 모사할 수 있었으며, 해당 관측소의 지반조건은 SD 지반으로 추정되었다. 거리감쇠를 고려 하여 수정된 입력 암반기록을 토대로 검토 시 장/단주기에서 유효지반 가속도의 차이가 크므로 향후 단일 유효지반가속도에 근거한 지진하중 산정방식의 개선이 필요하다.

    • 5) 11.15 포항지진에서 손상이 크게 발생한 필로티형 건축물을 대상으로 선 형시간이력해석을 통해 피해 발생 원인을 추정하였다. 응답분석에서 전 단파괴가 발생한 기둥은 보조대근의 누락으로 인해 현저히 전단강도가 부족한 것이 1차적인 손상원인으로 나타났다. 그러나 특별지진하중 적 용 시에도 작용전단력이 요구강도를 초과하여 역량설계법 적용 등을 통 해서 전단파괴 선행을 방지할 필요가 있는 것으로 나타났다. 따라서 추후 보다 상세한 해석을 통해 관련 설계기준 개정 시 고려할 필요가 있다.

    • 6) 결론적으로 11.15 포항지진은 설령 지진규모가 5+ 정도의 중약진이라 하더라도, 진앙지 근방의 연약지반에 위치한 비정형 취성건물에는 붕괴에 가까운 치명적 구조손상을 가할 수 있음을 분명히 보여주었다.

    / 감사의 글 /

    본 연구는 국토교통부 도시건축 연구개발사업의 연구비지원 (16AUDPB066083- 04)에 의해 수행되었습니다.

    Figure

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    Damages observed in the 11.15 Pohang earthquake

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    Distances to the stations from the epicenter

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    Horizontal ground acceleration time histories from the 2017 Pohang and 2016 Gyeongju EQs

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    Fourier amplitude spectrum of the recorded accelerograms

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    Response spectra the 2017 Pohang and 2016 Gyeongju EQs and design spectrum of KBC2016

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    Time histories and frequency spectra for selected accelerograms

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    Comparison of constant ductility spectra constructed from domestic and foreign records

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    Inelastic response of 0.1 sec (short) period structure with fy (Yield base shear strength) of 0.10 W

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    Inelastic response of 0.5 sec period structure with fy (yield base shear strength) of 0.10 W

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    Inelastic response of 1 sec period structure with fy (yield base shear strength) of 0.10 W

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    Concept of PHA2 site estimation procedure

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    Comparison of normalized response spectra

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    Assumed soft soil profile for PHA2 site

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    Deconvolution function

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    Amplification function

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    Estimated SRSS spectra

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    Model building for a case study

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    Element forces of C1

    Table

    Summary of characteristics of ground motions from the 11.15 Pohang and 9.12 Gyeongju EQs

    : Estimated by [5]
    : Estimated by [6]
    : Estimated by [6] and [7]

    El Centro and Mexico City EQ records used in this study

    Eigenvalue Result

    Information of Column (C1)

    Elastic Analysis Result of C1 column (unit : kN, m)

    Reference

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