1. 서 론

구조물의 지진 응답에 대한 해석 수행 시 지진하중은 중요한 요인으로 작용 된다. 지진에 의해 계측된 지반운동은 진원효과, 진원으로부터 전파효과, 부지 효과의 영향을 받기 때문에 지진하중 산정을 위한 입력 지반운동 선택 시 이러 한 특성들을 고려하여 타당한 데이터를 결정해야 한다. 지반운동 선정 시 계측 된 위치에 대한 기준은 명확하게 밝혀져 있지 않지만, 지반운동의 계측위치와 구조물의 상관관계에는 중요한 관련성이 있다. 예를 들어 부지에 구조물이 존 재하면 해당 구조물의 기초나 근처에서 기록된 응답은 구조물이 존재하지 않 았을 때 기록된 응답과는 다른 특성을 나타낸다. 즉 지반-구조물 상호작용 효 과(SSI, Soil-Structure Interaction)로 인해 지반운동의 응답과 구조물의 응 답에 영향을 줄 수 있다. 특히 원전 격납 건물과 같이 높은 강성을 가지는 구조 물은 낮은 고유주기를 가지므로 강성이 낮은 유연한 지반에 위치하게 되면 지 반-구조물 상호작용 효과로 인해 구조물의 응답이 증폭될 가능성이 있다[1].

지진에 대한 구조물 평가에 활용되는 입력 지반 운동은 부지와 관련된 제어점(Control Point)에서 작용하는 것으로 가정하는데, 설정 가능한 입 력 지반 운동의 위치는 Fig. 1과 같이 나타낼 수 있다. 하지만 대부분의 경우 운동학적 상호작용 효과를 무시하고, 구조물의 기초 깊이에서 사용되는 입 력 지반운동에 대해 자유장 지표면의 지반운동이 선택된다[2, 3]. 지진에 대한 원전 구조물 평가의 일부로 입력 지반운동과 관련하여 SSE(safety shutdown earthquake)와 GMRS(free field ground motion response spectrum)를 비교하는데, 이때 적절한 비교를 위해 위치에 대한 기준이 제 시되어 있다. SSE지점이 FSAR(final safety analysis report)에 정의되어 있다면 그대로 사용이 가능하지만 그렇지 않은 경우 상황에 따른 기준을 사 용해야한다. 예를들어 구조물이 기반암에 기초를 둔 경우 SSE의 기준점은 기반암 상단에 위치해야하며, 유한한 깊이의 하부에 기반암이 존재하고 위 에 토양이 층을 이루고 있는 곳에 구조물이 기초를 둔 경우 SSE기준점은 구 조물 기초의 바닥으로 정의된다[4].

지진원에서 부지로 전파된 지진파는 부지의 국부적인 지질의 특성으로 인 해 지하 깊은 곳에서부터 지표면 또는 구조물의 기초에 도달하기 전까지 증폭 혹은 감쇄될 수 있다. 이러한 현상을 부지효과(Site effect) 라고 한다. 지진에 의해 계측된 지반운동은 부지효과 뿐 아니라 진원 효과, 전파 효과의 영향을 받게 되므로 부지효과와 전파효과를 명확하게 구분할 수는 없지만 지진파의 경로와는 별개로 부지 주변의 국부적인 특성으로 인해 부지효과가 발생한다 고 가정한다. 지반운동의 증폭은 주로 부지 내에 낮은 전단파 속도를 가진 층 의 존재로 인해 발생하는데, 전단파 속도가 낮은 층은 에너지를 가두게 되고 지반의 임피던스 감소로 인해 지진파의 증폭을 발생시키기 떄문이다[5]. 1985년 발생한 멕시코시티 지진의 경우 지진원으로부터 약 300 km 이상 떨 어진 곳에 위치한 고층건물이 붕괴되었는데, 이는 진원으로부터 먼 거리 임 에도 불구하고 부지의 연약한 점토층으로 인해 강한 증폭이 발생하였다[6].

부지효과와 더불어 동일 부지 내에서 관측된 지반운동은 비교적 가까운 위치임에도 관측 위치에 따라 시간이력에서 위상 및 진폭의 차이가 발생하 게 된다. 이를 지반운동의 공간적 변화(Spatial Variation)또는 비상관성 (Incoherence)이라고 한다. 이러한 지반운동의 공간적 변동성은 토양 및 암석의 이질성으로 인한 파동산란(Local wave scattering)과 경사진 파에 의해 기초를 가로지르는 지진파의 도착시간 차이(Wave passage effect)로 인해 발생하며[7], 이러한 지반운동의 공간적 변동성은 지표면에 평행한 상 태로 확장되는 교량, 파이프라인과 같은 구조물의 지진에 대한 응답에 중요 한 영향을 미치게 된다. 일정 간격으로 떨어진 위치에 존재하는 지지대가 같 은 지진을 경험하더라도 위치에 따라 서로 다른 응답을 나타낼 수 있기 때문 이다[8]. 일반적으로 지진에 대한 구조물의 동적 해석 시 구조물의 기초가 동일한 지반 운동을 균일하게 받는다고 가정한다. 하지만 하나의 지진에 대 하여 각 지지대의 지진응답 크기를 동일하다고 가정하게 되면 구조물이 지 진에 대한 응답이 과소평가 되거나 과대 평가될 가능성이 있다.

앞서 살펴본 바와 같이 실제 지진 발생 시 구조물에 미치는 영향은 여러 조 건에 의해 달라지게 된다. 즉 같은 부지에 위치하더라도 부지 내 관측위치에 따라 계측되는 지진파의 특성이 달라지고 그에 따른 구조물의 응답에도 변화 가 생긴다. 따라서 지진에 대한 구조물의 정확한 안전성 평가를 위해 입력 지 반운동의 위치에 따른 변동성, 즉 공간적 변동성에 대한 고려가 필요하다.

지반운동의 공간적 변동성의 경우 실제 발생된 지진을 바탕으로 다양한 위치에서 관측된 기록을 활용하여 분석하는 것이 정확하나 국내의 경우 원 자력 발전소에서 관측된 강진기록과 발전소 정보가 부족한 실정이다. 따라 서 본 연구에서는 일본 Hamaoka 원자력 발전소에서 Suruga-Bay 지진 동 안 계측된 기록을 활용하였고, 구조물 기초면과 자유장 지표면에 대한 기록 을 활용하여 지진파의 공간적 변동성에 대한 평가를 수행하였다.

2. 지반운동 계측 데이터

Suruga-Bay 지진은 혼슈지방의 태평양 연안인 시즈오카현, 스루가만 해상에 진앙이 위치해 있고, Hamaoka 원자력 발전소로 부터 약 36 km 떨 어져있다. 진원의 깊이는 23 km이며 규모 6.52(M_JMA = 6.52)로 야이즈항 에서 높이 62 cm, 시즈오카현에서 높이 36 cm의 쓰나미가 관측되었다[9]. Hamaoka 원전의 원자로 건물 지하 2층에 위치한 지진계는 120 gal (0.12 g)에서 원자로를 자동으로 정지하도록 설정되어 있으며 Suruga-Bay지진 발생으로 인해 4호기와 5호기의 운행이 자동 정지되었고, 일부 경미한 손상 이 발견되었다[10]. Hamaoka원전의 경우 Tokai/Tonankai/Nankai 지진 에 대한 예상 지반 운동을 수평 최대 지반 가속도 0.82 g로 예상하여 이를 설 계 기준 지진으로 규제한 후, 목표 내진 수준을 1.02 g까지 높였다. 주부전 력(CHUBU electric power)에 의하면 2009년 발생한 Suruga-Bay지진 이후 5호기에서 증폭에 취약하다고 판단되어 5호기의 목표 내진 수준을 수 평 최대지반 가속도 1.94 g까지 추가로 높였다[11].

본 논문에서는 주부전력에 의해 계측되고, 일본 지진공학회로부터 구매 한 2009년 Suruga-Bay 지진에 대한 Hamaoka 원자력 발전소에서의 가속 도 데이터를 활용하였다[12]. Hamaoka 원전의 경우 시즈오카현의 태평양 연안에 위치해 있으며, 발전소 부지의 면적은 약 50만평의 크기에 달한다. 주부전력의 유일한 원자력 발전소로 1호기에서 5호기까지 운영되어왔으 나, 1호기와 2호기의 경우 경제성이 없다는 결론에 따라 2009년 1월 이후 운영이 종료되어 본 연구에서는 3~5호기의 데이터를 활용하였다.

제공되는 데이터에는 Suruga-Bay 지진의 본진 기록을 포함하여 3개의 여진에 대한 지진계측기록이 포함되어있다. 데이터에는 각 호기 별 가속도 데이터를 비롯하여 부지에 대한 전반적인 평면도와 각 호기내에 위치한 지 진계측기의 위치 정보가 포함되어 있다. 그리고 원자로 건물 주변에 배치되 어 있는 시추공 데이터 및 지반 물성치 정보 등이 포함되어 있어 지반운동의 공간적 변동 특성 분석에 활용할 수 있었다. 여진 데이터의 경우 격납건물에 대한 자료가 부족하였기 때문에 본 논문에서는 2009년 Suruga-Bay지진 의 본진 동안 계측된 3~5호기에 대한 지진계측기록을 분석하고자 하였다.

Hamaoka 원전은 Fig. 2의 평면도와 같이 해안을 따라 1호기부터 5호기 까지 나열되어있다[13]. 3호기와 4호기 간의 거리는 약 160 m떨어져 있고, 두 호기 모두 비등경수로(Boiling Water Reactor, BWR)형태로 건설되어 있다. 5호기의 경우 개량형 비등수형 경수로(Advanced Boiling Water Reactor, ABWR)형태로 건설되어있으며, 3호기와 4호기로부터 각각 560 m, 400 m떨어진 거리에 위치해있다.

각 호기 별 진앙거리는 3, 4, 5호기에 대하여 각각 36.0 km, 35.94 km, 35.86 km떨어져 있으며, 세 개의 호기 모두 36 km내외로 유사한 거리로 측 정되었다.

지반고(Ground level)의 경우 3호기 및 4호기는 평균해수면(Elevation level, T.P.) 기준으로 +4 m에 위치해 있으나, 5호기의 경우 그 보다 더 높은 +8 m에 위치해 있다. 따라서 호기별 지반고에 차이가 있기 때문에 각 호기 의 기초면(Second Basement floor)위치 또한 차이가 발생하게 된다. 각 호 기별 기초면의 위치는 3호기 및 4호기의 경우 평균 해수면 기준으로 –10 m 에 위치해 있고, 5호기의 경우 해수면 기준으로 –5 m에 위치해 있다. 여기 서 평균해수면은 도쿄 만(Tokyo Bay)의 평균해수면을 지칭한다.

3. 깊이에 따른 지반 계측 데이터의 증폭 특성

부지 증폭은 진원에서부터 전파된 지진파가 계측 지점의 부지 특성에 의 해 증폭되는 것으로 지진파의 전파과정과는 상관없이 발생하며 구조물의 큰 영향을 미칠 수 있다. 이러한 부지 증폭 특성은 해당 부지에서 관측된 깊 이에 따른 지반운동의 특성을 분석하여 파악할 수 있다. Fig. 3은 격납 건물 이 위치해 있는 부지의 깊이에 따른 시추공 자료를 남북 방향에 대한 단면으 로 나타낸 것으로 격납 건물 바로 아래에 위치한 SRC 데이터와 SRC 중심 으로 남북 방향에 위치한 SR(S), SR(N) 데이터, 그리고 자유장에 위치한 G1, G2 데이터에 대한 위치를 나타낸다. 여기서 평균해수면 기준으로 호기 별 지반고에 차이가 있기 때문에 깊이에 대한 기준은 평균해수면(T.P.)을 기준으로 비교하였다. 계측된 데이터의 깊이에 따른 증폭 특성과 그에 따른 공간적 변동 특성을 분석하기 위해 각 호기의 시추공 SRC 데이터와 구조물 기초와 가장 가까운 자유장에 위치한 시추공 G1데이터를 활용하였으며, 깊이에 따른 데이터의 유무를 확인하고 활용 가능한 데이터를 선별하여 Fig. 3에 빨간색 원으로 표시하였다.

데이터로부터 구해진 각 호기별 부지에서의 전단파 주상도와 깊이 별 최 대지반 가속도를 Fig. 4와 Fig. 5에 각각 나타내었다. 이때 깊이 별 전단파 주상도는 선행연구[13]에서 계측된 전단파 주상도 Fig. 4(a)와 데이터를 이 용하여 도시한 Fig. 4(b)를 비교하여 나타내었다.

Fig. 4의 두 전단파 주상도는 비슷하지만 약간의 차이가 있었다. 특히 지 표면 근처에서 5호기의 차이가 크게 나타나는데 시추공의 정확한 계측 위 치를 알 수 없어 원인을 제시하지 못하였다. 하지만 전단파 속도와 관련된 지침에서 미국 원자력 규제위원회의 경우 지반의 전단파 속도가 8,000 ft/s (2,438.4 m/s) 이상인 지반일 때 지반-구조물 상호작용의 영향이 미미한 것 으로 간주하고 있고[14], 최근 전단파 속도 표준을 9200 ft/s (2800 m/s)로 높였다[15]. 또한 ASCE 4-98 지침에 의하면 전단파 속도가 3,500 ft/s (1,100 m/s)이상인 경우 암반으로 분류하고 있다[16]. 이러한 기준들을 미 루어 볼 때 Hamaoka 원자력 발전소 부지의 경우 비교적 낮은 전단파 속도 를 나타내고 있음을 알 수 있다.

최대지반가속도는 하부에서부터 지표면으로 가까워질수록 증폭하는 경향을 보인다. Fig. 5에서 회색의 점선은 호기별 발전소 구조물의 기초면 이 위치해 있는 깊이를 의미하며 3호기와 5호기에서 하부 암반층(T.P – 100 m) 대비 급격하게 증폭하는 것을 알 수 있다. 이는 깊이에 따른 전단파 속도 감소와 그에 따른 지반의 강성이 약해지면서 나타난 현상으로 판단된 다. 또한 5호기의 경우 지표 근처에서 증폭이 크게 발생하였는데, 이는 Fig. 4(a)와 같이 지반고 기준 하부 약 20 m 깊이에서 주변과 비교하였을 때 전 단파 속도가 500 m/s이하로 급격하게 감소하면서 나타난 현상으로 판단 된다.

Fig. 5에서 나타낸 각 깊이별 가속도 계측 기록의 응답스펙트럼과 각 층 의 하부 암반층 대비 응답스펙트럼 비율(Ratio of Response Spectrum, RRS)을 Fig. 6과 Fig. 7에 각각 도시하였다. 지반데이터의 경우 대부분 지 표면에서부터 평균해수면(T.P.) 기준으로 약 –100 m이내에 공통적으로 존 재하여 해당 깊이에 대한 데이터를 활용하였다. 3호기의 시추공 3SRC의 경우 평균해수면 기준 –100 m깊이의 데이터가 존재하지 않아 그와 유사한 경향을 나타내는 평균해수면 기준 –144 m깊이 대비 증폭비를 나타내었다. 제시된 깊이 보다 더 깊은 곳에 위치한 경우 전단파 속도가 높아 강성이 충 분히 확보될 것으로 판단하여 깊이에 대한 증폭을 고려하지 않았다.

각 호기별로 깊이에 따른 최대지반가속도와 유사하게 지반 깊이가 깊을 수록 스펙트럴 가속도 값 또한 감소하는 경향을 보였다.

3호기의 남북(NS) 방향에서 구조물 아래에 위치한 SRC 시추공에서 평 균해수면 기준으로 –144 m깊이에 해당하는 데이터는 –54 m깊이에 위치 한 데이터와 비교하였을 때, 약 100 m에 해당하는 깊이의 차이가 있지만 대 부분의 주파수 대역에서 유사한 응답을 나타내었다(Fig. 6(a)). 전단파 주 상도를 비교하였을 때 해당 깊이에서 전단파 속도의 큰 차이가 없음을 확인 하여 평균해수면 기준으로 –54 m깊이까지 뚜렷한 지진파의 증폭현상이 없 는 것으로 판단하였고 또한 Fig. 7(a)에서 증폭비가 2배를 넘지 않는 것을 확인할 수 있었다. 또한 각 층의 하부 암반층 대비 응답스펙트럼 비율은 대 부분 1~3 Hz대역에서 깊이에 따른 증폭비가 크게 나타났다.

4호기의 동서(EW) 방향의 경우 3~4 Hz에서 하부 암반층 대비 증폭비 가 가장 크게 나타났으며 구조물 아래에 위치한 4SRC에서 하부 암반층 대 비 3.76배 가까이 증폭하였다.

5호기의 경우 동서(EW) 방향의 1~2 Hz에서 하부 암반층 대비 증폭비 가 3.3배로 가장 크게 나타났다. 가속도 응답스펙트럼의 경우 5호기에서 가 장 큰 응답이 나타났으나(Fig. 6(c)), 깊이에 따른 증폭비를 분석한 결과 3 호기 남북(NS) 성분의 증폭비가 4배 이상으로 가장 크게 계산되었다(Fig. 7(a)). 본 연구에서는 깊이에 따른 데이터가 부족하여 다른 호기에 비해 5호 기에서의 응답이 크게 관측된 원인을 제시할 수 없었으나 주부전력에 따르 면 5호기에서 큰 응답이 나타난 이유가 5호기 하부 200 m~400 m아래에 국부적으로 위치한 저속도층의 존재라고 제시하였다. 이 암반은 주변 기반 암보다 전단파 속도가 약 30% 느린 700 m/s정도이며 이로 인해 5호기에서 국부적인 증폭이 발생했을 가능성이 있다는 것 이다[13]. 따라서 진원에서 부터 부지로 전파된 지진파가 제시된 깊이보다 더 깊은 곳에서 저속도층에 의해 증폭되어 지표 근처에서 큰 스펙트럴 가속도 값으로 계측된 것으로 판 단된다. 이처럼 국부적인 부지 증폭과 깊이별로 지진파의 특성이 다르게 나 타나는 것을 통해 정확한 지진하중 계산을 위해 지진파의 공간적 변동 특성 을 고려한 해석이 필요하다고 판단된다.

4. 구조물 계측 데이터의 공간적 변동 특성

4.1 동일 호기에서의 기초면 응답 특성

지진에 대한 원전 구조물의 평가 일부로 Fig. 1과 같이 구조물 기초면의 응답이 입력 지진 운동의 위치로 선택될 수 있다. 하지만 지진파의 공간적 변동성에 의해 하나의 격납건물 내에서 동일한 층에 위치하더라도 공간의 위치에 따라 서로 다른 응답을 나타낸다. 따라서 동일한 기초면에서 위치에 따른 공간적 변동성을 파악하기 위해 각 호기별로 기초면에 여러 방향으로 위치한 계측기의 응답을 분석하였다. 동일 층의 계측기 간 거리의 정보는 제 공되지 않아 정확한 거리를 계산할 수 없었으나, 하나의 호기 내에 위치하기 때문에 비교적 가까운 곳에 위치한다고 판단하였다. 각 호기 별 기초면에 설 치된 계측기의 위치는 Fig. 8과 같으며 본 연구에 활용한 계측기의 위치는 파란색 원으로 표시하였다. 각각에 대한 응답스펙트럼은 Fig. 9에 도시하 였다.

3호기의 경우(Fig. 9(a)) 동서(EW), 남북(NS) 방향에 대한 4개의 계측 기록을 활용할 수 있었다. 동서(EW) 방향의 경우 3.7 Hz에서 계측기 3RB-5 와 3RB-11의 스펙트럴 가속도 차이가 약 0.03 g로 가장 크게 나타났고, 3RB-2와 3RB-8의 응답은 비슷하게 나타났다. 남북(NS) 방향의 경우 3 Hz에서 10 Hz까지 모든 계측기에서 응답의 차이가 있었다. 그 중 3.27 Hz 에서 3RB-2와 3RB-11에서 스펙트럴 가속도의 차이가 0.05 g로 가장 크게 나타났으며, 이 두 개의 계측기가 설치된 위치는 서로 반대 방향에 위치하고 있었다.

4호기의 경우(Fig. 9(b)) 2개의 수평 방향 성분에 대한 2개의 계측기록 을 활용하였다. 동서(EW) 방향의 경우 대부분의 주파수에서 비슷한 응답 을 나타냈고, 남북(NS) 방향의 경우 2.0 Hz에서 4.0 Hz사이 구간에서 최대 0.05 g의 응답 차이가 있었다.

5호기의 경우(Fig. 9(c)) 2개의 수평 방향 성분에 대한 8개의 계측기록 을 활용하였다. 위치에 따른 스펙트럴 가속도 차이는 동서(EW) 방향의 2.6 Hz에서 최대 0.22 g, 남북(NS) 방향의 3 Hz에서 0.13 g의 차이가 발생 하여 나머지 호기에 비해 지진파의 공간 변동 특성이 크다는 것을 알 수 있 다. 또한 5호기의 경우 다른 호기에 비해 전체적인 주파수 영역에서 스펙트 럴 가속도 값이 크게 나타났는데 동서(EW) 방향에서 최대응답이 1.4 g이 상으로 기록되었으며, 남북(NS) 방향에서도 최대응답이 0.7 g이상으로 기록되었다.

세 개의 호기에 대하여 동일 호기 내에서의 기초면 응답에 대한 공간적 변동성은 스펙트럴 가속도 값이 최대로 나타난 주파수인 1 Hz 이상의 고주 파 대역에서 크게 나타났다. 특히 5호기의 경우 3, 4호기에 비해 큰 응답이 나타났으며 공간적 변동성 또한 가장 크게 나타났다. 또한 모든 호기에서 동 서(EW) 방향의 평균 응답이 남북(NS) 방향에 대한 평균 응답보다 크게 나 타났음을 알 수 있는데, 이는 진원에서부터 지진파 전파 시 진원과 계측 지 점의 상대적 위치, 그리고 지진파의 입사 방향에 따른 결과로 판단된다.

4.2 호기 별 기초면 응답 특성

하나의 부지 안에 여러 개의 원자로가 위치해 있는 다수기의 경우, 동일 한 지진에 대해 호기에 따라 서로 다른 지진 하중이 입력될 수 있다. 이때 각 호기 사이의 거리가 각각의 호기에 대한 진앙거리보다 매우 가깝기 때문에 진원에서 부지까지의 전파 과정 동안 발생하는 증폭에 대해서는 고려하지 않고, 호기별 구조물의 기초면 응답에 대한 평균값을 비교하였다(Fig. 10). 모든 호기에서 전체적으로 동서(EW) 방향의 응답이 남북(NS) 방향 응답 보다 크게 나타났고, 5호기에서 다른 두 개의 호기에 비해 응답이 크게 나타 났다.

3호기와 5호기의 경우 약 560 m떨어져 있음에도 불구하고 스펙트럴 가 속도 값에서 큰 차이가 있었다. 동서(EW) 방향의 2~3 Hz주파수 대역에서 3호기의 스펙트럴 가속도 평균은 0.35 g로 3개의 호기 중 가장 낮게 계산되 었고, 5호기의 평균 스펙트럴 가속도는 1.3 g로 가장 크게 나타나 두 호기간 의 차이는 약 0.95 g가 발생하였다. 남북(NS) 방향에서도 약 0.53 g의 응답 차이가 있었다. 5호기에서 큰 응답이 나타난 이유는 저속도층이 존재하여 국부적인 증폭이 발생하였을 가능성[13], 그리고 3호기와 4호기의 경우 비 등경수로 형태로 동일하나, 5호기의 경우 개량형 비등수형 경수로 형태이 기 때문에 이러한 원자로 유형의 차이로 인해 응답의 변동성이 나타났을 가 능성이 있다.

3호기와 4호기의 기초면은 평균해수면으로부터 약 9 m아래에 동일하 게 위치해 있으며 두 호기의 간격은 약 160 m떨어져있다. 하지만 기초면 응 답에 대한 평균 값을 비교해 보았을 때 동서(EW) 방향에서는 2~3 Hz에서 약 0.1 g정도의 응답 차이를 보였고, 남북(NS) 방향에서는 2~4 Hz에서 약 0.16 g의 응답차이가 있었다.

이러한 결과를 보았을 때 하나의 부지 안에 여러 원자로가 위치해 있는 다수기의 경우 비교적 가까운 거리에 위치하고 있어도 응답의 차이가 있기 때문에 내진설계 및 성능평가 시 부지 환경과 노형에 따른 지반운동의 공간 적 변동성을 고려해야 함을 알 수 있다.

5. 구조물의 기초면과 자유장 응답 비교

지진에 대한 원전 구조물 평가의 일부로 입력 지반운동과 관련하여 SSE 와 GMRS를 비교하는데, 계측된 지반운동에 대하여 타당한 위치를 선정하 는 것에 대한 기준이 명확하게 제시되어 있지 않다. 국내 원전의 지진 안전 성 평가에서 SSE는 부지에 대한 조사 후 발생 가능한 최대지반 가속도를 평 가한다. 이때 실제 계산된 지진 발생 위치가 아닌 임의의 가까운 지점으로 가정하고 거리에 따른 감쇠식을 활용하여 지진 발생 위치에 대한 보수성을 더하여 결정하게 된다. 하지만 동일 지진에 대한 호기 간의 응답의 차이를 확인하였고 동일 구조물 기초면 내에서도 계측 위치에 따른 지진파의 특성 이 변화하는 것을 확인하였다. 특히 지반과 구조물 사이의 상호작용이 발생 할 가능성이 있는 경우 구조물에서 응답이 증폭될 가능성이 있기때문에 위 치에 따른 지진 응답의 변동성을 고려해야 할 필요가 있다. 따라서 본 절에 서는 구조물과 지반의 응답을 비교하여 지반운동의 계측 위치에 따른 응답 스펙트럼을 분석하였다.

지반과 구조물에서의 응답을 비교하기 위해 구조물에 대한 응답 값은 각 호기 별 동서(EW), 남북(NS) 방향에 대한 구조물의 기초면 응답의 평균값 (RB-mean)을 활용하였고, 지반에 대한 응답은 자유장에 위치한 시추공 자 료(Fig. 3의 초록색 원)를 활용하여 자유장 응답의 평균값(BH-mean)으로 나타내었다.

3호기의 경우 자유장에 위치한 시추공 3G1 과 3G2 그리고 구조물 아래 에 위치해 있는 시추공 3SRC 에 대하여 동서(EW) 성분과 남북(NS) 성분 의 활용 가능 유무에 따라 평균해수면(T.P.) 기준으로 +4 m에서 –19 m깊 이에 위치한 자료를 활용하였다.

Fig. 11(a) 와 같이 3호기의 기초면 평균 응답(RB-mean)과 T.P. +4 m 에 위치한 두 개의 시추공자료(3G1, 3G2)를 비교 분석한 결과, 남북(NS) 성분의 경우 시추공 자료의 평균(BH-mean)과 기초면 평균 응답(RB-mean) 과 비교하였을 때 3.5 Hz에서 최대 0.3 g의 진폭의 차이가 있었다. 두 시추 공에 대한 스펙트럼의 형상은 1 Hz이상의 대역에서 유사하게 나타났으나 근접한 거리에 위치해 있음에도 불구하고 6.5 Hz에서 최대 0.4 g의 응답차 이가 발생했다. 또한 Suruga-Bay 지진에 대한 진앙거리는 3G1이 약 80 m 더 가까웠으나 스펙트럴 가속도 값은 오히려 3G2 에서 더 크게 나타났다. 시추공이 위치한 장소에 대한 자세한 지반 특성 정보가 부족하여 응답차이 가 발생한 정확한 원인은 제시하지 못하였으나, 3G1의 경우 구조물의 기초 로부터 가까이 위치해 있고, 진원과의 상대적 위치로 인해 지진파 전파 시 구조물의 기초에 영향을 받았을 것 으로 생각된다. 동서(EW)성분의 경우 시추공자료의 평균(BH-mean)과 기초면 평균응답(RB-mean)을 비교하 였을 때, 6 Hz에서 약 0.3 g의 차이가 있었고 5 Hz이상의 고주파 대역에서 두 시추공의 응답스펙트럼 형상이 다르게 나타났다. 또한 두 수평성분에 대 하여 시추공의 평균 응답(BH-mean)이 기초면 평균응답(RB-mean)보다 큰 값으로 나타났다.

Fig. 11(b)와 같이 3호기의 기초면 평균 응답(RB-mean)과 T.P. –19 m 에 위치한 두 개의 시추공 자료(3G1, 3G2), 그리고 기초 아래에 위치한 시 추공(3SRC)을 비교 분석한 결과, 남북(NS) 성분에서는 1 Hz이상의 고주 파 성분에서 약간의 차이가 있었으나 대부분의 대역에서 응답스펙트럼의 형 상 및 진폭이 비슷한 경향을 보였다. 동서(EW) 성분에서는 대부분의 주파 수 대역에서 기초면 평균 응답(RB-mean)과 시추공 평균 응답(BH-mean), 그리고 두 개의 시추공 응답에 대한 진폭과 형상이 비슷한 경향을 보여 변동 성이 낮음을 알 수 있다.

또한 대부분의 주파수 대역에서 T.P. –19 m에 위치한 시추공이 T.P. +4 m 에 위치한 시추공에 비해 응답의 변동성이 작게 나타났다.

4호기의 경우 자유장에 위치한 4G1과 구조물 아래에 위치해있는 시추 공 4SRC 에 대하여 동서(EW) 성분과 남북(NS) 성분의 활용가능 유무에 따라 평균해수면 (T.P.) 기준으로 –14 m, –19 m깊이에 위치한 자료를 활용 하였다. 하지만 4호기의 경우 자유장 계측 데이터의 수가 현저히 적어 시추 공 계측 값에 대한 정확한 평균값을 낼 수 없었다. 따라서 각 깊이에 해당하 는 시추공자료 4G1, 4SRC와 기초면 응답의 평균(RB-mean)을 비교 분석 하였다(Fig.12).

Fig. 12(a)와 같이 기초면 평균응답(RB-mean)과 T.P. –14 m깊이의 4G1 시추공 자료를 분석 한 결과, 두 개의 응답은 진폭과 형태에 있어 비교적 유 사한 경향을 보였다.

두 번째로, 기초면 평균응답(RB-mean)과 T.P. –19 m깊이의 시추공자 료를 비교 분석하였다(Fig. 12(b)). 남북(NS)성분의 경우 해당 깊이에서의 시추공 자료가 존재하지 않아 기초면 응답과 비교하지 못하였다. 동서 (EW)성분의 경우 구조물 중앙지점 바로 하부에서 계측된 4SRC 시추공 기 록과 기초면의 응답이 유사하게 나타났다. 또한 시추공 4G1 과 4SRC 는 약 120 m거리에 떨어져 있고 깊이의 차이가 있었으나 두 데이터 간의 큰 차이 는 보이지 않았다.

5호기의 경우 자유장에 위치한 5G1과 구조물 아래에 위치해 있는 시추 공 5SRC 에 대하여 동서(EW) 성분과 남북(NS) 성분의 활용가능 유무에 따라 평균해수면(T.P.) 기준으로 +6 m 그리고 –14 m깊이에 위치한 자료를 활용하였다(Fig. 13).

Fig. 13(a)과 같이 기초면 평균응답(RB-mean)과 T.P. +6 m깊이의 시 추공자료를 비교하였을 때, 해당 깊이에 대한 자유장 계측 데이터의 수가 현 저히 적어 시추공 계측 값에 대한 정확한 평균값을 낼 수 없었다. 따라서 T.P. +6 m 깊이에 해당하는 시추공자료 5G1과 기초면 응답(RB-mean)의 평균을 비교 분석하였다. 분석한 결과 남북(NS) 성분에서는 대부분의 주파 수에서 시추공 응답이 더 크게 나타났고 7.56 Hz에서 최대 0.33 g의 차이가 있었다. 동서(EW)성분에서는 1~10 Hz대역에서 자유장 데이터의 응답이 더 크게 나타났으며 10 Hz이상의 고주파 대역에서는 오히려 구조물의 기 초면 평균(RB-mean)응답이 더 크게 나타났음을 알 수 있었다. 또한 5G1 의 3 Hz에서 스펙트럴가속도 응답이 1.42 g로 시추공 계측기록 중 가장 크 게 계측되었다.

기초면의 평균 응답(RB-mean)과 T.P. –14 m깊이에 해당하는 시추공 자료와 비교 분석 한 결과 Fig. 13(b)와 같다. 기초면의 평균(RB-mean)과 자유장 응답의 평균(BH-mean)을 비교한 결과 동서(EW)성분에서 최대 0.27 g, 남북(NS) 성분에서 최대 0.15 g차이가 있었다. 또한 동서(EW)성 분에서 자유장에 위치한 두 시추공의 응답이 3.27 Hz에서 최대 0.4 g차이 가 있었고, 남북(NS) 성분에서는 2.6 Hz에서 최대 0.25 g의 응답차이가 있 었다. 3호기나 4호기의 경우에서는 기초면의 평균 응답(RB-mean)과 자유 장의 평균응답(BH-mean)이 비슷하거나 자유장 데이터의 응답이 더 크게 나타나지만, T.P. –14 m깊이에 해당하는 5호기의 자유장 응답(BH-mean) 과 비교하였을 때, 구조물의 기초면 평균응답(RB-mean)이 더 크게 나타나 는 경우가 존재하였다.

기초면의 평균응답과 자유장에 위치한 시추공 자료의 분석 결과를 통해 같은 지진을 경험하더라도 계측되는 위치, 그리고 진원과의 상대적 위치, 깊이, 구조물과의 상호작용 등 여러 요인으로 인해 응답이 다르게 나타나는 것을 확인할 수 있었다. 따라서 어떤 지점의 계측기록을 활용하는지에 따라 189 구조물의 지진 응답에 큰 영향을 미칠 수 있기 때문에 계측된 지반운동을 활 용한 지진하중 판단 시 이러한 지진파의 공간적 변화 특성을 고려할 필요가 있다.

6. 결 론

본 연구에서는 실제 강진 시 원전 구조물과 원전 부지 시추공에서 기록 된 계측기록을 활용하여 동일 구조물, 동일 부지 내에서 위치에 따른 계측기 록의 특성이 달라지는 공간적 변동성을 분석하고자 하였다.

지반 계측기록의 공간적 변동 특성을 확인하기 위해 원전 부지의 시추공 에서 계측된 기록으로부터 지반 깊이에 따른 증폭을 분석하였다. 깊이별 최 대지반 가속도의 경우 지표면에 가까워 질수록 증폭하는 경향을 보였고 특 히 각 구조물의 기초면이 위치해 있는 깊이에서 하부 암반층 대비 급격하게 증폭하였다. 다른 호기에 비해 5호기의 지표면 근처 지반에서 큰 응답이 기 록되었는데, 이는 전단파 주상도의 해당 깊이에서 전단파 속도 감소로 인해 지반의 강성이 약해지면서 나타난 현상으로 판단된다. 또한 깊이별 각 층의 하부 암반층 대비 응답스펙트럼의 증폭비를 계산한 결과 호기별, 방향별, 주파수에 따라 정도의 차이가 있었으나 대부분 1~4 Hz의 고주파 대역에서 증폭비가 크게 나타났다.

동일 호기의 기초면에서 관측된 기록으로부터 응답 분석한 결과, 세 개 의 호기 중 5호기에서 최대 1.4 g의 스펙트럴가속도 값이 측정되었고 계측 위치에 따른 변동성 또한 5호기의 2.6 Hz에서 0.22 g로 가장 크게 차이가 났다. 동일 호기에서의 기초면 응답은 호기에 따라 주파수 별로 상이하게 나 타났으나 대부분 스펙트럴 가속도 값이 크게 나타난 주파수인 3 Hz 대역에 서 변동 특성이 뚜렷하게 나타났다.

각 호기별 기초면 응답에 대한 평균을 계산하여 세 개 호기의 응답을 비 교한 결과, 가까운 거리에 위치한 3호기와 4호기의 응답차이는 약 0.16 g, 가장 멀리 위치한 3호기와 5호기의 응답은 2~3 Hz에서 약 0.95 g정도의 큰 차이가 있었다. 세 개의 호기는 같은 부지에 위치하나 동일 지진에 대하여 응답의 차이를 보였다. 또한 모든 호기에서 동서(EW) 방향의 응답이 남북 (NS) 방향에 비해 크게 나타난 것으로 보아 지진파의 입사 방향에 따라 방 향 성분에 대한 변동성 또한 큰 것을 알 수 있다.

구조물의 응답과 지반에 위치한 자유장의 응답을 비교하여 지반운동의 계측 위치에 따른 응답 스펙트럼을 분석한 결과, 3호기와 4호기의 경우 기 초면 평균과 자유장 평균의 응답이 비슷하거나 자유장의 평균 응답이 0.3 g 더 크게 나타났다. 하지만 5호기의 경우 자유장의 평균 응답보다 구조물의 평균 응답이 0.27 g에서 최대 0.33 g까지 더 크게 나타나 구조물과 지반의 지반운동의 차이가 큰 것을 알 수 있었다.

지진에 의해 계측된 지반운동은 전달 경로 특성, 부지 효과 등 여러 요인 에 의해 영향을 받기 때문에 큰 불확실성이 발생하게 된다. 또한 실제 발생 한 지진에 대하여 부지와 구조물 내에서 계측 위치에 따라 응답 차이가 발생 하는 공간적 변동 특성을 확인할 수 있었다. 따라서 원자력 발전소에 대한 지진 안전성 평가 시 현실적인 설계지반운동 설정을 위해 이러한 지반운동 의 불확실성과 부지 특성을 고려하여 반영되어야 한다.

본 연구에서 수행된 지반운동의 공간적 변동 특성에 대한 정성적 분석은 설계지반운동 설정 시 지반운동의 불확실성에 대한 중요성을 시사하며, 향 후 공간적 변동 특성의 경향성 재현과 예측을 위한 수치해석 기법을 포함한 후속 연구가 필요하다.