Journal Search Engine

to

Search Advanced Search Adode Reader(link)
Download PDF Export Citation Korean Bibliography
ISSN : 1226-525X(Print)
ISSN : 2234-1099(Online)
Journal of the Earthquake Engineering Society of Korea Vol.28 No.5 pp.233-247
DOI : https://doi.org/10.5000/EESK.2024.28.5.233

Ground Motion Simulation of Scenario Earthquakes in the Nakdonggang Delta Region using a Broadband Hybrid Method and Site Response Analysis

Kim Jaehwi1), Oh Junsu2), Jeong Seokho3)*
1)Graduate Student, Department of Civil Engineering, Changwon National University
2)Graduate Student, Department of Civil Engineering, Changwon National University
3)Assistant Professor, Department of Civil Engineering, Changwon National University
*Corresponding author: Seokho Jeong E-mail: seokho.jeong@changwon.ac.kr
February 5, 2024 May 24, 2024 May 28, 2024

Abstract


The damage to structures during an earthquake can be varied depending on the frequency characteristics of seismic waves and the geological properties of the ground. Therefore, considering such attributes in the design ground motions is crucial. The Korean seismic design standard (KDS 17 10 00) provides design response spectra for various ground classifications. If required for time-domain analysis, ground motion time series can be either selected and adjusted from motions recorded at rock sites in intraplate regions or artificially synthesized. Ground motion time series at soil sites should be obtained from site response analysis. However, in practice, selecting suitable ground motion records is challenging due to the overall lack of large earthquakes in intraplate regions, and artificially synthesized time series often leads to unrealistic responses of structures. As an alternative approach, this study provides a case study of generating ground motion time series based on the hybrid broadband ground motion simulation of selected scenario earthquakes at sites in the Nakdonggang delta region. This research is significant as it provides a novel method for generating ground motion time series that can be used in seismic design and response analysis. For large-magnitude earthquake scenarios close to the epicenter, the simulated response spectra surpassed the 1000-year design response spectra in some specific frequency ranges. Subsequently, the acceleration time series at each location were used as input motions to perform nonlinear 1D site response analysis through the PySeismoSoil Package to account for the site response characteristics at each location. The results of the study revealed a tendency to amplify ground motion in the mid to long-period range in most places within the study area. Additionally, significant amplification in the short-period range was observed in some locations characterized by a thin soil layer and relatively high shear wave velocity soil near the upper bedrock.


Seismic design , Input ground motion , Broadband hybrid ground motion simulation , Site response analysis

광대역 하이브리드 기법과 지반응답 해석을 통한 낙동강 삼각주 지역의 가상지진 지반운동 시뮬레이션

김재휘1), 오준수2), 정석호3)*
1)창원대학교 토목공학과 박사과정
2)창원대학교 토목공학과 석사과정
3)창원대학교 스마트그린공학부 건설시스템공학전공 조교수

초록

    1. 서 론

    한반도 내 지진 관측이 시작된 1978년 이후 국가지진관측망에 기록된 국지 규모(ML) 3.0 이상의 지진은 약 400회 이상으로, 우리나라는 판 경계 지역에 비해 지진 발생 빈도가 상대적으로 낮다[1]. 그러나, 최근 들어 2016년 경주 지진 (ML 5.8) 및 2017년 포항 지진(ML 5.4)과 같은 중규모의 지진이 종종 발생하고 있으며, 이러한 지진 발생으로 인한 시설물 피해 사례도 보고 되고 있다[2-4].

    경주 지진과 포항 지진의 사례에서 건축물에 대한 파손, 균열 등의 직접적인 손상은 노후 건축물 또는 특정 구조 형식에 집중되었으며, 일부 구조물의 내진성능 부족 및 지역적 지반 특성 차이에 따른 지반운동 증폭이 이러한 피해 집중의 원인으로 제시된 바 있다[2-4]. 구체적으로, 경주 지진 사례에서 구조물의 피해는 저층 및 조적조 구조물에 집중되었다[2]. Sun[2]은 10 HZ 내외의 고주파 영역 에너지가 집중된 지진파의 주파수 특성 및 비교적 얕은 기반암 심도를 갖는 해당 지역의 지질 특성에 의한 단주기 지반운동의 증폭을 피해 집중의 원인으로 제시하였다. 또한, Oh and Shin[5]은 울산관측소 (USN)에서 기록된 9.12 지진 기록의 응답 특성 분석 및 구조물 고유주기별 입력 에너지량을 계산함으로써, 짧은 고유주기를 갖는 저층 조적조 건물 등 의 손상 가능성이 높음을 확인하였다. 그러나, 경주 지진과 달리 포항 지진 당시의 구조물 피해는 주로 중저층 필로티 건축물에 발생하였다[3]. Lee et al.[3]은 포항 지진 당시 포항관측소(PHA2)에서 기록된 지진동 기록의 응답스펙트럼은 1~2 HZ 영역에 에너지가 집중된 형태를 보임을 확인하였다. 이러한 사례들은 지진파의 주파수 특성 및 지역적 지질 특성에 의해 구조물별 피해 형태가 달라질 수 있으며, 이러한 특성이 대상 구조물에 미치는 영향을 고려하는 것이 매우 중요함을 의미한다[3].

    내진설계일반(KDS 17 10 00)에 따르면, 지진하중에 해당하는 설계지 반운동은 제시된 표준설계응답스펙트럼을 활용하여 결정될 수 있다[6]. 이 때, 지반운동 증폭 특성은 유효 수평지반가속도(S)에 각 지반 분류별로 기준 화되어 있는 각각의 장, 단주기 지반증폭계수를 적용함으로써 반영된다[6]. 하지만, 지반 특성에 따른 지진응답의 형태는 설계응답스펙트럼과 큰 차이를 보일 수 있으며, 이는 내진설계의 과소 또는 과대평가로 이어질 수 있다 [7,8]. 예를 들어, Oh et al.[9]는 세종시 지반을 대상으로 포항 지진파 기록을 활용한 지반응답해석을 수행함으로써, 현행 내진설계기준이 제시하는 표준설계응답스펙트럼이 실제 지진 기록의 응답스펙트럼과 상이한 형태를 보임을 확인하였다.

    한편, 설계시 동적해석이 필요할 때는 설계지반운동 시간이력을 결정하여 활용할 필요가 있다. 지반운동 시간이력의 특성은 내진설계를 위한 동적 해석 과정에 큰 영향을 미치므로, 동적 해석 시 국내 지진환경에 부합하는 올바른 시간이력 선정이 매우 중요하다[10,11]. 원칙적으로, 설계지반운동 시간이력은 기반암에서의 지반운동 시간이력을 입력지진파로 한 지반응답해석을 수행하여 결정된다. 이때, 입력지진파는 국내와 유사한 판 내부에서 발생한 지진해석 대상 규모의 실제 지진 기록을 암반 표준설계응답스펙트럼에 부합하도록 수정한 시간이력을 사용할 수 있으며, 해당 설계응답스펙트럼을 만족하도록 생성한 인공합성 시간이력 또한 적용이 가능하다[6].

    내진설계일반의 규정에도 불구하고, 우리나라는 중규모 이상의 실제 지진 기록이 부족하여 부득이하게 미국, 일본 등 판 경계 지역에서 계측된 강진 기록을 조정하여 실무에서 사용하는 경우가 있다. 그러나, 이러한 조정된 강진 기록은 국내의 지진규모별 주파수 특성 및 지속시간의 변화를 효과적으로 고려하지 못하는 한계가 있다[10,11]. 국내에서 발생한 경주 지진과 포항 지진의 경우에도 국내 내진설계 기준에 비해 작은 규모에 해당하여 상이한 주파수 특성을 보이므로 직접적으로 적용하기에는 제한이 있음이 보고되었다[12]. 한편, 설계응답스펙트럼을 만족하도록 생성한 인공합성 시간이력은 실제 지진 기록과 상이한 주파수 특성을 가질 수 있으며, 최대지반가속도 (Peak Ground Acceleration, PGA)가 반복되는 부자연스러운 가속도 시간이력의 형태를 보일 수 있다[10,11]. 스펙트럼 적합 인공합성 시간이력의 경우에는 비현실적인 지속시간, 유효 반복 횟수 등을 가질 수 있으며, 이는 지반 액상화 현상 등 하중의 반복 횟수 및 지속 시간에 민감한 해석의 결과에 큰 영향을 미칠 수 있다.

    지진파 자료의 부족으로 인해 발생하는 이러한 여러 문제점은 우리나라 뿐만 아니라 북미 동부, 호주, 유럽 등 판 내부에 위치한 안정대륙권(Stable Continental Region)에서 공통적으로 발생한다. 안정대륙권도 무시하기 어려운 수준의 지진 위험성이 존재하고 해당 지역에서 충분한 지진 자료가 축적될 때까지 마냥 기다릴 수는 없으므로, 최근 지반운동 시뮬레이션으로 생성된 지진파에 기반한 경험적 지반운동 예측식(Ground Motion Model, GMM)을 개발 및 활용하고 있는 사례가 있다[13,14]. 과거에는 지반운동 시뮬레이션에 추계학적 방법을 주로 활용하였으나, 최근 들어 저주파 대역에서 단층 운동과 파동 전달 현상을 직접적으로 모사하는 물리기반 지반운동 시뮬레이션 기법에 대한 연구가 다수 연구자들에 의해 활발히 수행되고 있으며, 특히 저주파 성분과 고주파 성분이 결합된 지반운동 시간이력의 획득이 가능한 광대역 하이브리드 지반운동 시뮬레이션이 활발히 개발 및 검증되고 있다[15-26].

    본 연구는 기존 지반운동 시간이력 결정 방법이 국내와 같은 안정대륙권에서 가지는 한계에 착안하여, 최근 활발한 연구가 이루어지고 있는 광대역 하이브리드 지반운동 시뮬레이션 방법의 국내 활용 가능성을 검토하고자 한다. 이를 위해, 밀양 단층 내 2개 및 동래 단층 내 1개의 임의 위치에서 MW 5.0, MW 6.0 그리고 MW 6.5의 경우를 고려하여 총 9가지 경우의 가상 지진 시나리오를 설정하였다. Graves and Pitarka[25,26]의 광대역 하이브리드 지반운동 시뮬레이션을 활용하여 낙동강 삼각주 내 다수 위치에서 암반가속도 시간이력을 생성하였으며, 생성한 가속도 시간이력을 입력지진파로 하여 PySeismoSoil Package를 활용한 비선형 1차원 지반응답해석을 수행하였다. 그리고, 광대역 하이브리드 지반운동 시뮬레이션으로 생성된 암반 지반 운동과 지반응답해석 결과를 KDS 17 10 00(4.2)이 제시하고 있는 암반 및 토사 지반 표준설계응답스펙트럼과 비교하였다.

    2. 이론적 배경

    2.1 표준설계응답스펙트럼의 결정

    한국은 내진설계일반(KDS 17 10 00)의 지반 분류 기준에 따라 표준설 계응답스펙트럼을 구분하여 결정하도록 하고 있다. Table 1에 제시된 바와 같이 기반암 깊이(H)와 토층 평균 전단파속도(Vs)를 기준으로써 지반을 S1~S6에 해당하는 6개 구분 단위로 분류하며, 유효 수평지반가속도에 서로 다른 단주기 및 장주기 증폭계수를 적용하여 지반 분류별 설계응답스펙트럼을 결정한다. 이때, S6 지반은 액상화, 붕괴 등에 취약할 것으로 판단되거나, 토층 평균 전단파속도가 120 m/s 이하 그리고 기반암 깊이가 50 m를 초과하는 지반으로, 별도의 부지 특성 평가 및 지반응답해석을 수행하여 설계지반운동을 결정하여야 한다.

    암반 지반으로 고려되는 S1 지반의 가속도표준설계응답스펙트럼은 Fig. 1 과 같이 결정될 수 있다. Table 2에 제시되어 있는 T0와 TS는 각각 스펙트럼 가속도가 상수인 구간의 하한통제주기와 상한통제주기이며, TL은 스펙트럼 가속도가 주기의 제곱에 반비례하여 감소하기 시작하는 주기에 해당한다.토사 지반으로 고려되는 S2~S5 지반의 경우, 지반 특성에 의한 응답의 차이를 고려하기 위해 Table 3에 해당하는 지반 분류별 각각의 단, 장주기 지반증폭 계수 및 전이 주기를 적용하여 Fig. 2와 같이 표준설계응답스펙트럼을 결정 할 수 있다.

    2.2 지반응답해석

    지진파는 암반 및 토층을 통해 전파되는 과정에서 통과하는 지반 특성에 따라 증폭 또는 감쇠된다[8]. 일반적으로, 기반암 깊이가 깊고 연약한 지반의 경우 중, 장주기 영역에서의 증폭이 발생할 수 있으며, 이는 고유 주기가 긴 구조물에 대해 직접적인 영향을 줄 수 있다[27]. 지반운동의 증폭은 선형탄성 영역에서는 전달함수 (Transfer Function)를 통해 표현될 수 있다[28]. 지표면에서의 지반응답에는 해석 대상 지반의 전단파속도(Vs), 기반암 깊이(H) 그리고 지반 고유주기(T0)가 가장 큰 영향을 미친다[28]. 지반 동적 특성이 지표면에서의 지반운동에 미치는 이러한 영향은 지반응답해석을 통해 결정할 수 있다[29].

    흙은 전단응력-전단변형률 곡선이 비선형으로 변하며, 이러한 지반의 비선형성은 정규화 전단탄성계수 (G/Gmax) 감소 곡선 및 댐핑 곡선으로 표현 될 수 있다[27]. 지반의 비선형 거동은 지반응답해석 과정에서 모사될 수 있으며, 비선형성 모사 방법에 의해 등가선형 해석과 비선형 해석으로 구분될 수 있다. 등가선형 해석은 비선형적 지반 거동을 모사하기 위해 유효 전단변 형률에 대한 반복적 기법으로 결정한 선형 전단탄성계수(G)와 감쇠비(ξ) 곡선을 활용한다[29,30]. 해석 시간이 짧아 일반적으로 널리 활용되고 있지만, 큰 지진하중 및 지반 조건 등에 의해 전단변형률이 큰 경우 지반 거동의 비선형성을 모사하기 어려운 단점이 있다[27],[29,30].

    비선형 해석은 등가선형 해석에 비해 비교적 많은 해석 시간 및 입력 변수를 필요로 하지만, 지반의 비선형 거동을 정확하게 모사할 수 있어 지진 응답 예측의 정확도가 비교적 높다[29]. 비선형 해석은 시간영역에서 전단응력- 전단변형률 모델을 활용하여 가속도 시간이력의 전단변형률에 따른 전단강성 및 댐핑을 찾음으로써 흙의 비선형성을 모사한다[27],[29,30]. 이와 같이, G/Gmax 감소 곡선 및 댐핑 곡선으로 표현되는 지반의 비선형 거동은 다수의 연구자가 제안한 비선형 지반 모델로써 지반응답해석에 적용될 수 있다. 과거에는 Matasovic[31]의 Modified Kondner-Zealasko(MKZ)모델이 흔히 사용되었으나, 전단변형률이 큰 경우 흙의 전단강도를 과대 또는 과소평가할 수 있어 지진 응답 예측이 부정확할 수 있다[32]. 이후, Groholski et al.[33]은 흙의 목표 전단강도를 설정하여 이에 부합하는 전단응력-전단 변형률 곡선을 모사할 수 있도록 하는 General Quadratic Hyperbolic (GQ/H)모델을 제안하였으며, Shi and Asimaki[34]은 전체 변형률 영역의 비선형 거동 특성 모사가 가능한 Hybrid Hyperbolic(HH) 모델을 제안한 바 있다.

    2.3 광대역 하이브리드 지반운동 시뮬레이션

    Graves and Pitarka[25,26]의 광대역 하이브리드 지반운동 시뮬레이션은 Fig. 3과 같이 (1) 단층모델 생성 (2-a)저주파 영역 시뮬레이션 (2-b)고주파 영역 시뮬레이션 (3)광대역 시간이력 생성의 순서로 수행된다. 단층모델은 운동학적 유한단층 모델링 기법을 적용하여 생성하며, 단층 특성 및 면적에 대한 효과를 반영하기 위해 입력 변수로서 진원의 위치, 깊이, 주향각(Strike), 면선각(Dip), 경사각(Rake), 모멘트 규모 등을 필요로 한다. 생성한 단층모델 및 3차원 지각 속도모델, 그리고 감쇠 상수를 적용하여 3차원 점탄성 파동방정식을 유한차분법으로 계산함으로써 저주파 영역 지진파를 계산한다. 고주파 영역 지진파는 단층 파열면을 다수의 부분단층(Subfaults)으로 분할하여 각 지진원 스펙트럼을 생성하고, 1차원 지각 속도모델 및 그린함수(Green’s function)를 적용하여 각각의 응답을 계산 및 합산하여 도출한다. 이후, 4차 버터워스(Butterworth) 필터를 적용하여 저주파 영역 및 고주파 영역을 결합함으로써 하나의 광대역 시간이력을 생성하며, 이때 Campbell and Bozorgnia[35]의 지표 하 30m 평균 전단파속도(Vs30) 기반 경험적 지반운동 증폭 보정식을 적용함으로써 토층에 의한 지반운동 증폭 또한 고려할 수 있다.

    3. 연구 대상 지역 및 가상지진 시나리오

    3.1 연구 대상 지역

    본 연구의 대상 지역인 낙동강 삼각주는 한반도 남동부 부산 강서구 일대 위치한 약 173 km2의 육상 면적을 갖는 한반도 대표 삼각주이다. 낙동강 삼각주 지역의 퇴적환경은 신생대 제4기 후기부터의 해수면 변화에 큰 영향을 받은 것으로 알려진 바 있다[36-39]. 플라이스토세 후기 낙동강 삼각주 지역은 해안선이 도달하지 않은 육성 환경으로 자갈, 모래질의 하성 퇴적층이 기반암 위에 퇴적되었고, 그 후 해안선이 대상 지역에 도달하여 해침에 시작됨에 따라 해성 퇴적층이 형성되었다. 이후, 홀로세 초중기에 걸쳐 해수면이 상승하다가 홀로세 후기에 접어들면서 해수면 상승이 더뎌지고 하강하기 시작하여 현재와 같은 수준의 해수면에 도달하였고, 지금의 모래질 삼각주 퇴적층을 형성한 것으로 알려져 있다.

    Kim and Jeong[40]와 Kim[41]은 Fig. 4에 표시된 Site 1~7에 해당하는 낙동강 삼각주 내 다수 위치에서의 상시미동 표면파 분석을 통해 도출한 전단파 속도 주상도와 대상 지역의 퇴적환경 사이의 유사성을 확인하였다. 낙동강 삼각주 지대에는 지표면 하부 약 15 m까지의 사질토층, 그리고 더 깊은 곳의 실트질 점토층이 퇴적되어 있으며, 최대 약 60 m~80 m의 깊이까지 신생대 4기 퇴적층이 분포한다[38],[42,43]. Kim et al.[44]은 대상 지역 내 최대 80 m의 두꺼운 신생대 4기 퇴적층이 넓게 분포하고 있으므로 지반 운동 증폭의 영향이 클 수 있음을 예상하였다. 그리고, Kim[41]은 낙동강 삼각주를 포함하는 다수 위치에서의 상시미동 수평-수직비(Microtremor Horizontal to Vertical Spectral Ratio) 분석을 통해 삼각주 퇴적층에서 1s 내외의 주기 영역의 지반운동이 상당히 크게 증폭될 수 있음을 확인하였고, 대상 지역 내 전단파속도 분포 및 기반암 깊이 분포에 근거하여 현행 내진설계기준 (KDS 17 10 00)의 S6 지반에 해당하는 면적이 상당할 수 있음을 확인하였다.

    3.2 가상지진 시나리오

    낙동강 삼각주가 위치한 한반도 동남권에는 양산단층, 밀양단층, 동래단층, 울산단층을 비롯한 다수의 활성단층이 존재한다[45,46]. 양산단층대에 속하는 주단층 및 부단층에서의 제 4기 단층운동이 다수의 연구자들에 의해 확인된 바 있다[47-50]. Lee and Na[51]은 소규모 지진 기록에 근거하여 양산단층을 활성단층으로 평가하였고, Lee[45]는 9.12 지진의 본진 및 여진의 응력 방출 과정에 양산단층대 여러 단층이 참여했음을 주장하였다. Kim et al.[46]은 하천 경사변화도, 유역분지 성숙도 등의 지형인자를 종합하여 울산단층과 양산단층에 대해 ‘높음’, 밀양단층에 대해 ‘보통’으로 지구조 활성도를 평가하였다. Kyung[52]은 고지진학적 분석 및 단층 최대변위 조사를 통해 양산단층대 유계단층에서 MW 6.8, 울산단층대 갈곡단층에서 MW 7.0으로 최대 발생 가능 지진 규모를 추정하였으며, Kwon et al.[50]은 울산단층대 차일단층에서 MW 6.5 내외의 최대 발생 가능 지진 규모를 추정한 바 있다. Choi et al.[53]은 울산단층군에 속하는 단층에서의 평균 Slip rate 및 지진 기록 등에 근거하여 경주지역 내 발생 가능한 최대지진 규모는 Mw 4.6~5.6라 주장하였다.

    본 연구에서는 Table 4 및 Fig. 5과 같이 가상지진 시나리오를 설정하였다. 각 단층에서의 지진 발생 기록 및 Kim et al.[46]의 단층 활성도 분석 결과를 고려하여 밀양단층 내 2 위치, 울산단층 내 1위치의 가상지진의 진원을 설정하였으며, 진원 깊이는 12 km로 가정하였다. 단층별 가상지진의 규모는 MW 5.0, MW 6.0 그리고 MW 6.5로 설정하였으며, 주향각(Strike), 경사각(Dip) 그리고 면선각(Rake)은 Table 4와 같이 가정하였다.

    4. 연구 방법

    4.1 지반운동 생성

    본 연구에서는 인공합성 시간 이력의 생성을 위해 광대역 하이브리드 지반운동 시뮬레이션을 활용하였다. 시뮬레이션은 한국과학기술연구원(KISTI)의 초고성능컴퓨팅 기반 R&D 혁신지원 프로그램의 지원을 받아 KISTI에서 운용 중인 슈퍼컴퓨터 5호기 누리온(NURION)을 통해 수행되었다. Leonard[54,55]의 판 내부 지역 모멘트 규모-단층면적 관계식을 적용하여 가상지진 시나리오 단층 파열 면적을 추정하였으며, Graves and Pitarka [25,26]의 운동학적 유한단층 알고리즘을 적용하여 Fig. 6과 같이 지진원 모델을 생성하였다. MW 5.0과 MW 6.0의 경우 정사각형 단층으로 모델링하였고, MW 6.5은 깊이에 따라 일반적으로 상부 지각의 연성(ductility)이 증가함을 고려하여 직사각형 단층을 가정하였다[56]. 그리고, 감쇠상수 Q값 및 응력강하(Δσ)는 국내 선행 연구를 참조하여 각각 Qs=150 Vs, Qp=2 Qs, Δσ=5.0 MPa 그리고 k=0.016를 적용하였다[57]. 저주파 영역 시뮬레이션에는 Kim et al.[58]의 남한 3차원 지각 속도모델을 적용하였으며, 고주파 영역 시뮬레이션에는 Kim et al.[59]의 1차원 지각 속도모델을 적용하 였다. 이때, 낙동강 삼각주 지역의 퇴적층 구조는 반영하지 않았으며, 이에 따라 지반운동 시뮬레이션을 통해 생성된 가속도 시간이력은 현행 내진설계 기준에서 제시하고있는 지반응답해석의 입력 지진파로 사용될 수 있는 암반에서의 가속도 시간이력으로 가정하였다.

    4.2 지반응답해석

    각 실험 위치의 설계지반운동 결정을 위한 지반응답해석은 Hybrid Hyperbolic 비선형 지반모델을 적용한 1차원 비선형 해석으로써 PySeismoSoil v0.5.3(https://github.com/jsh9/PySeismoSoil)를 활용하여 수행되었다 [34]. 가상지진 시나리오별 광대역 하이브리드 지반운동 시뮬레이션을 통해 생성된 각 위치에서의 가속도 시간이력을 입력 지진파로 적용하였다. 지반응답해석 수행 시 필요한 각 위치의 동적 물성은 대상 지역에서 수행된 선행 연구 결과를 활용하였으며, 적용된 Site 1~7에 해당하는 각 위치의 전단파속도 구조는 Fig. 7과 같다[41]. 모든 위치에서 최하부층은 VS=3500 m/s인 반무 한층으로 가정하였고, 국토지반정보 포털시스템을 통해 획득한 인근 시추주상도 자료로부터 확인 가능한 지층의 변화를 Fig. 7에 함께 표시하였다. 또한, 각 위치의 전단파속도 구조를 바탕으로 계산된 선형탄성 전달함수를 Fig. 8 에 표시하였으며, Site 1~5에 해당하는 위치에서는 1 Hz 내외의 고유진동수를 보임을 확인하였다. Site 6과 Site 7에 해당하는 위치는 2 Hz 내외의 비교적 큰 고유진동수를 보이는데, 이는 다른 위치에 비해 얕은 두께로 토사층이 분포하고 비교적 큰 전단파속도를 갖는 자갈질 점토층 또는 풍화암대가 기반 암 상부에 분포하고 있는 대상 지역의 지질 특성과 관련이 큰 것으로 판단된다.

    5. 지반응답해석 결과 및 응답스펙트럼 비교

    5.1 암반 표준설계응답스펙트럼

    5.1.1 가상지진 시나리오 - Miryang 1

    Fig. 9는 Fig. 5에서 Miryang 1의 위치에 진앙을 가정하여 지반운동 시뮬레이션으로 생성한 암반가속도 시간이력 및 지반응답해석 결과(지표 가속도 시간이력)를 보여 준다. Site 1~7은 가상지진의 진앙에서 35~50 km가량 떨어져 있으며, 진앙에서 가장 가까운 Site 1은 약 35 km 그리고 Site 2, Site 3, Site 6 그리고 Site 7은 약 40 km 내외의 거리에 위치한다. 또한, Site 4 와 Site 5는 진앙으로부터 약 50 km의 거리로 가장 멀리 떨어져 있다. Fig. 9 를 통해 진앙으로부터의 거리에 따른 지진파 도달시간의 차이를 확인 가능하며, 암반가속도 시간이력의 진폭 또한 비교적 가까운 위치에서 크게 나타나는 것을 확인할 수 있다. 또한, 퇴적층이 넓고 깊게 분포하는 낙동강 삼각주 지역의 지질 특성에 의해 장주기 대역이 발달한 지표 지진응답의 형태를 지반응답해석의 결과로부터 확인 가능하다.

    PGA의 경우, MW 5.0일 때 비교적 가까운 위치에서는 약 0.02 g 내외의 암반 PGA가 확인되었으며, 지반응답해석 결과 지표에서 약 0.05 g까지 증폭되는 것을 확인하였다. MW 6.0의 경우, 대부분의 위치에서 0.07 g 내외의 암반 PGA를 확인하였으며, 진앙으로부터 가장 가까운 곳에 위치하는 Site 1에서 가장 큰 약 0.11 g의 암반 PGA가 확인되었다. 이는 지표에서 약 0.15 g로 증폭되었으며, Site 7에서도 비교적 큰 지반운동의 증폭이 확인되었다. 그리고, MW 6.5의 경우에도 Site 1에서 약 0.16 g의 가장 큰 암반 PGA가 관찰되었으며, 이는 약 0.19 g까지 증폭 될 수 있음을 확인하였다. Site 6과 Site 7은 0.096 g의 비교적 작은 암반 PGA를 보이나, 이는 지표에서 각각 약 0.15 g, 0.19 g으로 크게 증폭되었다. 암반 및 지표가속도 시간이력으로 부터 Site 6 그리고 Site 7에서 비교적 큰 지표 지반운동 증폭이 확인되었으며, Site 7에서 가장 큰 지반운동 증폭 발생 경향을 확인하였다. Fig. 8에서 각 Site의 선형탄성 전달함수를 보면 Site 6과 Site 7에서 2 Hz 내외의 상대적 고주파 영역에서 지반운동이 증폭되며, 이러한 증폭 특성이 지표 가속도 시간이력에 큰 영향을 미치는 것으로 판단된다. 그러나, Site 1~5에서의 암반과 지표 가속도 간의 증폭에 의한 PGA 변화는 미미한 것으로 나타났는데, 해당 위치는 두터운 점토층이 분포하여 증폭 현상이 장주기 성분에 국한될 수 있는 점, 그리고 퇴적층의 비선형 거동으로 고주파 진동이 감쇠될 수 있는 점이 주된 원인으로 판단된다.

    MW 5.0, MW 6.0 그리고 MW 6.5의 가상 지진에 대한 각 위치의 암반 및 지표가속도 응답스펙트럼을 현행 내진설계기준의 S1 지반, 즉 암반 표준설계응답스펙트럼과 함께 Figs. 10~12에 표시하였다. Miryang 1에서 발생하는 것으로 가정한 MW 5.0 지진의 각 위치에서의 암반 및 지표가속도 시간 이력 모두 암반표준설계응답스펙트럼을 크게 밑도는 응답의 형태를 확인했다. MW 6.0지진의 경우 대부분의 위치에서의 암반 및 지표응답스펙트럼은 암반 표준설계응답스펙트럼을 밑도는 것으로 나타났으나, Site 1, Site 6 그리고 Site 7의 경우 지표에서의 응답은 지반운동 증폭에 의해 특정 주기 영역에서 표준설계응답스펙트럼을 초과하였다. 그리고, Mw 6.5의 결과에서 진앙에서 가장 가까운 Site 1의 암반가속도 응답스펙트럼은 재현주기 500년 암반표준설계응답스펙트럼과 유사한 형태를 보임을 확인하였으며, 대부분의 위치에서 단주기 영역은 감쇠되고 장주기 영역은 증폭된 지표응답스펙트럼의 형태를 보였다. 하지만, Site 6과 Site 7에서는 대상 지역의 지질 특성에 의해 중단주기 영역이 증폭된 지표 응답이 나타났으며, 가장 큰 지반운동 증폭이 발생한 Site 7은 대부분의 중단주기 영역에서 재현주기 500년 암반표 준설계응답스펙트럼을 크게 상회하는 것을 확인하였다.

    5.1.2 가상지진 시나리오 - Miryang 2

    Fig. 13은 Fig. 5에서 Miryang 2의 위치에 진앙을 가정하여 지반운동 시뮬레이션으로 생성한 암반 가속도 시간이력과 지반응답해석으로 도출한 지표 가속도 시간이력을 보여 준다. Site 1~7은 진앙에서 20~35 km가량 떨어져 있으며, 진앙에서 비교적 가까운 Site 1, Site 6 그리고 Site 7은 약 25 km 내외의 거리에 위치한다. Site 2와 Site 3은 약 30 km 내외, 그리고 Site 4와 Site 5는 진앙으로부터 약 35 km의 거리로 가장 멀리 떨어져 있다. Fig. 13을 통해 진앙으로부터의 거리에 따른 지진파 도달시간의 차이를 확인할 수 있다.

    Site 7에서는 지반운동이 비교적 크게 증폭되었으며, 암반층 PGA의 경우 MW 5.0일 때 진앙에서 가장 가까운 Site 1 위치에서는 약 0.05 g 내외, 그리고 그 외의 위치에선 0.03 g 내외의 암반 PGA가 확인되었다. 지반응답해석 결과, Site 1에서는 지표 PGA가 약 0.07g까지 증폭되는 것을 확인하였으며, 증폭의 정도가 비교적 큰 Site 6과 Site 7에서는 지표 PGA가 각각 0.07 g와 0.08 g까지 증폭될 수 있음을 확인하였다. MW 6.0의 경우에도 Site 1에서 가장 큰 0.18 g의 암반 PGA를 확인하였고, 이는 지표에서 약 0.21 g까지 증폭됨을 확인하였다. 상대적으로 진앙에 가깝게 위치하는 Site 2, Site 3, Site 6 그리고 Site 7에서 약 0.15 g의 암반 PGA가 확인되었다. Site 2와 Site 3의 지표 PGA는 암반에서의 값과 유사하였고, Site 1, Site 4 그리고 Site 5의 경우 지표에서 약간의 증폭, 그리고 Site 6과 Site 7에서는 각각 약 0.22 g와 0.28 g에 달하는 PGA로써 비교적 큰 지반운동의 증폭이 확인되었다. MW 6.5의 경우, Site 6과 Site 7에서 약 0.23 g의 가장 큰 암반 PGA가 관찰되었으며, Site 6은 약 0.34 g, 그리고 Site 7은 0.44 g로 지표에서 크게 증폭되었다. Site 2, Site3 그리고 Site 4에서는 지표 PGA가 감소 하였고, Site 5는 암반 PGA와 유사한 지표 PGA가 확인되었다.

    모든 모멘트 규모에 대한 해석 결과에서 5.1.1에 서술한 Miryang 1의 결과와 유사한 지반운동 증폭 발생 경향을 확인하였다. Site 6과 Site 7의 지표에서 비교적 큰 지반운동 증폭이 발생한 것은 Site 6과 Site 7의 위치가 얕은 토층을 갖고 있음과 함께 기반암 상부에 비교적 큰 전단파속도를 갖는 층이 존재하는 지질 특성에 의한 중단주기 영역 지반운동 증폭의 영향으로 판단된다. Site 1~Site 5에 해당하는 위치에서는 지표에서 PGA의 증폭이 미미하였으며, 이는 대상 지역의 두꺼운 점토층 분포로 인한 장주기 대역 위주의 증폭 및 비선형 거동에 의한 단주기 진동 감쇠의 영향으로 판단된다.

    Mw 5.0, Mw 6.0 그리고 Mw 6.5 지진에 대한 각 위치의 암반 및 지표 가속도 응답스펙트럼을 암반표준설계응답스펙트럼과 함께 Figs. 14~16에 표시하였다. Miryang 2에서 MW 5.0 지진 발생 시 각 위치에서의 암반 및 지표가속도 응답스펙트럼이 대부분의 주기 영역에서 암반표준설계응답스펙 트럼에 크게 밑도는 것을 확인하였다. MW 6.0 지진의 경우, 진앙에서 비교적 가까운 Site 1, Site 2, Site 3, Site 6 그리고 Site 7의 암반 가속도 스펙트럼은 0.1s 내외의 단주기 영역에서 재현주기 500년 설계응답스펙트럼과 유사한 형태를 보였다. 지반응답해석 결과에서 Site 1~7의 모든 위치에서 중장주기 영역에서 지반운동 증폭이 확인되었고, 비교적 큰 지반운동 증폭을 보이는 Site 6과 Site 7 그리고 진앙에서 가장 가까운 Site 1의 경우 특정 주기 영역에서 재현주기 1000년 암반표준설계응답스펙트럼을 상회하였다. MW 6.5의 경우 대부분 위치의 암반가속도 응답스펙트럼은 재현주기 500년 설계응답스펙트럼과 유사한 형태를 보였다. 또한, Site 3, Site 6, 그리고 Site 7의 암반 가속도 응답스펙트럼은 중단주기 영역에서 재현주기1000년 암반표준설계응답스펙트럼을 상회하였다. 그리고, PGA에서 지반운동 증폭의 영향이 미미했던 Site 1~Site 5의 지표 응답스펙트럼은 0.1s 이하의 단주기 영역에서 감쇠된 것으로 나타났으며, Site 7은 대부분의 주기 영역에서 지반운동이 증폭되어 재현주기 2400년 암반표준설계응답스펙트럼을 크게 상회하였다.

    5.1.3 가상지진 시나리오 - Ulsan

    Fig. 17은 Fig. 5의 Ulsan에서 발생하는 가상 지진에 대한 시뮬레이션으로 생성된 암반 가속도 시간이력과 지반응답해석을 통해 도출된 지표 가속도 시간이력을 보여준다. Site 1~7은 진앙에서 65~85 km가량 떨어져 있으며, 진앙에서 비교적 가까운 Site 1은 약 65 km의 거리에 위치한다. Site 2, Site 3, Site 6 그리고 Site 7은 75 km 내외의 거리에 위치해 있으며 Site 4와 Site 5는 진앙으로부터 약 85 km 정도로 가장 멀리 떨어져 있다. Fig. 17을 통해 진앙으로부터 가장 멀리 떨어진 Site 4와 Site 5를 제외한 대부분 위치에서 유사한 시간에 지진파가 도달하였음을 알 수 있다. MW 5.0일 때 암반 PGA 의 경우 모든 위치에서 약 0.01g 내외로 나타났으며, 가장 큰 증폭이 발생한 Site 7의 경우 약 0.04g의 지표 PGA가 확인되었다. MW 6.0의 경우 암반 PGA는 진앙에서 가장 가까운 위치인 Site 1에서 약 0.05g, 그리고 대부분의 위치에서 약 0.04g로 확인되었으며, Site 2에서 0.056g로 가장 큰 PGA를 보였다. 지반응답해석 결과에서 Site 2를 제외한 모든 위치에서 PGA의 증폭이 발생하였으며, 비교적 큰 증폭이 확인된 Site 6과 Site 7의 경우 지표 PGA는 0.08g 내외로 확인되었다. MW 6.5의 경우, 진앙에서 가장 가까운 Site 1에서 가장 큰 0.05g 그리고 나머지 위치에서의 약 0.03g의 암반 PGA 를 확인하였으며, 지표에서의 지반운동 증폭은 Site 7에서 가장 크게 발생하여 약 0.07g의 지표 PGA를 보였다. 고려된 모든 규모에 대한 지반응답해석 결과, Site 6과 Site 7에서 PGA가 크게 증폭됨을 확인하였으며, 다른 가상 지진 사례와 같이 대상 위치의 지질 특성에 의한 중단주기 영역의 지반운동 증폭이 큰 영향을 준 것으로 판단된다.

    MW 5.0, MW 6.0 그리고 MW 6.5에 대한 각 위치의 암반 및 지표가속도 응답스펙트럼을 암반표준설계응답스펙트럼과 함께 Figs. 18~20에 표시하였다. Ulsan 위치에 가정한 MW 5.0 지진의 경우 암반 및 지표가속도 모두 대부분의 주기 영역에서 암반표준설계응답스펙트럼을 크게 밑돌았으며, MW 6.0 지진의 경우에도 암반표준설계응답스펙트럼을 밑도는 암반 및 지표가속도가 나타났다. MW 6.5의 경우, 암반가속도 응답스펙트럼은 암반표 준설계응답스펙트럼을 밑돌았으나, 지표가속도 응답스펙트럼은 1s 내외의 영역에서 크게 증폭되어 Site 2, Site 3, Site 4 그리고 Site 5에서 재현주기 500년 암반표준설계응답스펙트럼을 상회하였다. Ulsan 가상지진의 경우, 고려된 모든 규모에서 Miryang 1과 Miryang 2의 결과에 비해 작은 PGA 및 응답스펙트럼을 보였으며, 이는 각 위치로부터 진앙이 상대적으로 65 km 이상의 먼 거리에 위치함에 따른 에너지 감쇠 때문인 것으로 판단된다.

    5.2 지반 분류별 표준설계응답스펙트럼 비교

    5.2.1 전단파 속도 주상도 기반 Site 1~7의 지반 분류

    지반 분류별 표준설계응답스펙트럼은 2.1에서 서술한 바와 같이 Table 1 에 해당하는 지반 분류 기준에 따라 서로 다른 지반증폭계수를 적용함으로써 결정할 수 있다. 본 연구에서는 Site 1~7에 해당하는 각 위치에서의 지표응답스펙트럼과 해당 지반의 표준설계응답스펙트럼을 비교하기 위해 Fig. 7 에 표시된 전단파속도 주상도를 바탕으로 지반을 분류하였다. Site 6은 S4 지반으로 확인되었으며, Site 2와 Site 4는 S5 지반으로 확인되었다. 또한, 전단파속도 주상도로부터 기반암이 50 m 이상의 깊이에 존재하는 것을 확인할 수 있는 Site 1, Site 3, Site 5 그리고 Site 7은 S6 지반으로 분류하였다. 이와 같은 분류 결과를 바탕으로, 지반응답해석을 통해 계산된 지표응답스펙트럼과 각 위치의 지반 분류별 표준설계응답스펙트럼을 비교하였으며, S6 지반은 표준 설계응답스펙트럼이 제시되어있지 않으므로 Site 1, Site 3, Site 5 그리고 Site 7은 S5 지반 표준설계응답스펙트럼과 비교하였다.

    5.2.2 S4 지반 - Site 6

    S4 지반으로 분류된 Site 6에서의 가상지진 지표응답스펙트럼과 S4 지반 표준설계응답스펙트럼을 Fig. 21에 표시하였다. Ulsan에 가정한 가상지진의 경우, 모든 규모에 대해 시뮬레이션 결과가 표준설계응답스펙트럼을 크게 밑도는 것으로 나타났다. Miryang 1과 Miryang 2에 가정한 Mw 5.0 가 상지진의 경우 지표응답스펙트럼 모두 표준설계응답스펙트럼을 밑돌았으나, Miryang 1의 경우 Mw 6.0과 Mw 6.5일 때 1s 이하의 주기 영역에서 500년 재현주기 표준설계응답스펙트럼과 유사한 크기를 보였다. Miryang 2 가상지진 진앙이 25 km 내외로 비교적 가까운 거리에 위치하는 Site 6의 경우, Mw 6.0의 지표응답스펙트럼은 재현주기 500년 표준설계응답스펙트럼과 유사한 응답을 보였다. Mw 6.5의 경우에는 0.1s 이하의 주기 영역에서 재현주기 1000년 표준설계응답스펙트럼을 초과하였으며, 이는 Fig. 8를 통해 확인된 단주기 영역 지반운동 증폭의 영향으로 판단된다.

    5.2.3 S5 지반 - Site 2 and Site 4

    S5 지반으로 분류된 Site 2와 Site 4에서의 가상지진 지표응답스펙트럼과 S5 지반 표준설계응답스펙트럼을 Fig. 22와 Fig. 23에 표시하였다. 모든 시나리오에서 Mw 5.0의 지표응답스펙트럼은 Site 2와 Site 4에서 S5 지반 표준설계응답스펙트럼을 크게 밑돌았으며, Ulsan에 가정한 가상지진의 경우 고려된 모든 규모에서 표준설계응답스펙트럼을 크게 밑돌았다. Miryang 1 시나리오의 경우 Mw 6.0과 Mw 6.5일 때의 지표응답스펙트럼은 0.1s 이하에서 재현주기 500년 표준설계응답스펙트럼과 비슷하거나 작게 나타났다. Site 2와 Site 4에 해당하는 위치로부터 진앙이 30 km 내외로 비교적 가까운 Miryang 2 가상지진의 경우, Mw 6.0과 Mw 6.5일때의 지표응답스펙트럼은 1s 이하의 주기 영역에서 재현주기 500년 표준설계응답스펙트럼과 비슷하거나 더 큰 것으로 나타났다.

    5.2.4 S6 지반 - Site 1, Site 3, Site 5 and Site 7

    Fig. 7의 전단파속도 주상도로부터 50 m 이상의 기반암 깊이가 확인된 Site 1, Site 3, Site 5 그리고 Site 7의 경우 S6 지반으로 분류된다. 그러나, S6 지반의 경우 액상화 또는 붕괴에 취약한 지반으로 분류되어 표준설계응답스펙트럼이 제시되지 않고 별도의 지반응답해석을 통해 설계지반운동을 결정하도록 규정되어 있다. 따라서, 본 연구에서는 S6 지반으로 분류된 Site 1, Site 3, Site 5 그리고 Site 7의 시나리오별 지표응답스펙트럼을 S5 지반 표준설계응답스펙트럼과 비교하여 Figs. 24~27에 표시하였다. Ulsan가 상지진의 경우, 모든 규모와 위치에서 시뮬레이션 결과가 S5 지반 표준설계 응답스펙트럼보다 작은 것으로 나타났다. Miryang 1과 Miryang 2 지진 시나리오의 경우, Mw 5.0일 때의 지표 응답스펙트럼은 모든 위치에서 표준설계응답스펙트럼을 크게 밑돌았다. Miryang 1 지진의 경우, 진앙으로부터 35 km 내외의 거리에 위치한 Site 1에서의 지표 응답스펙트럼은 Mw 6.0과 Mw 6.5의 경우 0.1s 이하의 주기 영역에서 재현주기 500년 표준설계응답 스펙트럼과 유사한 크기를 보였다. Miryang 1의 진앙으로부터 약 42 km 거리에 위치한 Site 7의 경우 1s 이하의 주기 영역에서 시뮬레이션이 재현주기 1000년 표준설계응답스펙트럼을 초과하였으며, 이는 Fig. 8에서 확인된 단주기 지반운동 증폭의 영향으로 판단된다. 연구대상지에서 30 km 내외로 진앙이 비교적 가까운 Miryang 2 지진의 경우, Site 3과 Site 5는 Mw 6.0 과 Mw 6.5일 때 재현주기 500년 표준설계응답스펙트럼과 비슷한 크기의 응답스펙트럼을 보였다. Site 1과 Site 7은 Miryang 2의 진앙으로부터 약 25 km의 거리에 위치한다. Site 1에서는 Mw 6.0일 때 0.1s 이하의 주기 영역에서 재현주기 500년 표준 설계응답스펙트럼과 비슷한 크기의 지표응답 스펙트럼이 확인되었고, Mw 6.5의 경우 동일 주기 영역에서 응답스펙트럼이 재현주기 1000년 표준설계응답스펙트럼을 크게 초과하였다. Site 7에서는 Mw 6.0과 Mw 6.5의 경우 시뮬레이션 결과가 재현주기 1000년 표준설계응답스펙트럼을 크게 상회하였는데, Miryang 1의 결과와 같이 1s 이하 단주기 영역에서의 지반운동 증폭이 이러한 결과에 영향을 미친 것으로 판단된다.

    6. 결 론

    본 연구는 밀양단층 내 2개, 울산단층 내 1개의 임의의 위치에 진원을 가정하고 MW 5.0, MW 6.0 그리고 MW 6.5의 지진 규모를 고려하여 총 9가지 경우의 가상지진 시나리오에 대한 광대역 하이브리드 지반운동 시뮬레이션을 수행하였다. 시뮬레이션을 통해 생성된 낙동강 삼각주 내 7개 위치의 암반가속도 시간이력을 입력지진파로 지반응답해석을 수행하여 지표가속도 시간이력을 도출하였으며, 암반 및 지표가속도 응답스펙트럼을 현행 내진설계 기준(KDS 17 10 00)에서 제시하는 재현주기 500년, 1000년 그리고 2400년 암반 및 지표 표준설계응답스펙트럼과 비교하였다.

    • 1) 모든 시뮬레이션 결과에서 진앙으로부터의 거리에 따른 지진파 도달시간의 차이가 나타났으며, 진앙에 가까운 위치에서 비교적 큰 진폭이 나타났다. 또한, 지반응답해석 결과로부터 대부분의 위치에서 중장주기(약 0.3~3s) 영역의 지반운동 증폭이 확인되었으며, 이는 낙동강 삼각주 내 다수 위치에서의 내진설계 수행 시 중장주기 영역의 지반운동 증폭을 고려해야 함을 의미한다.

    • 2) 지반응답해석 결과, 각 위치의 지질 특성에 의한 지반운동의 증폭을 확인하였다. Site 1~Site 5에서는 두터운 토층의 분포 및 고주파 진동 감쇠의 영향으로 지표 PGA는 큰 폭으로 증가하지 않았다. 하지만, 기반암 상부에 비교적 큰 전단파속도를 갖는 자갈질 점토층 또는 풍화암대가 분포하고 다른 위치에 비해 얕은 토층 두께를 갖는 Site 6과 Site 7에서는 중단 주기 영역에서의 지반운동 증폭이 발생하였고, 이로 인해 지표 PGA가 큰 폭으로 증가함을 확인하였다.

    • 3) 본 연구에서 고려된 대부분의 가상지진 시나리오에서 각 위치의 암반가속도 응답스펙트럼은 재현주기 500년 암반 표준설계응답스펙트럼을 밑도는 것으로 나타났다. 그러나, 진앙이 비교적 가깝고 가장 규모가 큰 Miryang 2에 가정된 MW 6.5 지진의 경우, 대부분 위치의 암반가속도 응답스펙트럼이 중단주기 영역에서 재현주기 500년 암반 표준설계응답 스펙트럼과 유사한 크기를 보였으며, 일부 위치에서는 재현주기 1000년 암반 표준설계응답스펙트럼을 초과하는 것을 확인하였다.

    • 4) 가장 먼 거리에 위치한 Ulsan 가상지진 시나리오의 경우, Site 1~7에 해당하는 위치의 지표 응답스펙트럼은 고려된 모든 규모에서 토사지반 표준설계응답스펙트럼을 밑돌았다. 그러나, 상대적으로 가까이 위치한 Miryang 1과 Miryang 2 가상 지진의 경우, Mw 6.0일 때 대부분의 위치에서 지표 응답스펙트럼이 재현주기 500년 지표 표준설계응답스펙트럼과 유사한 크기를 보이는 것으로 나타났으며, Mw 6.5의 경우에는 지반운동 증폭이 두드러진 일부 위치에서 지표 응답스펙트럼이 재현주기 1000년 지표 표준설계응답스펙트럼을 크게 상회하였다.

    / 감사의 글 /

    이 논문은 2020년도 정부(과학기술정보통신부)의 재원으로 한국연구재단(No. 2020R1F1A1076539)의 지원과 2023학년도 창원대학교 학생주도 창의연구프로젝트 지원사업의 지원 그리고 국가초고성능컴퓨팅센터로 부터 초고성능컴퓨팅 자원과 기술지원(KSC-2021-CRE-0597)을 받아 수행된 연구결과임.

    Figure

    EESK-28-5-233_F1.gif

    Form of standard design response spectrum (S1)

    EESK-28-5-233_F2.gif

    Form of standard design response spectrum (S2~S5)

    EESK-28-5-233_F3.gif

    Workflow of broadband hybrid ground motion simulation

    EESK-28-5-233_F4.gif

    Map of test locations

    EESK-28-5-233_F5.gif

    Locations of hypothetical earthquakes, faults, Nakdoggang delta region and epicenters (Aug 1978~Sep 2023)

    EESK-28-5-233_F6.gif

    Generated finite faults according to hypothetical earthquake scenarios (a) MW 5.0 (b) MW 6.0 (c) MW 6.5

    EESK-28-5-233_F7.gif

    Shear wave velocity profiles at site 1~7

    EESK-28-5-233_F8.gif

    Calculated 1-D linear elastic transfer function

    EESK-28-5-233_F9.gif

    Acceleration time series obtained from the ground motion simulation and results of site response analysis - Miryang 1 (a) MW 5.0 (b) MW 6.0 (c) MW 6.5 (E-W) (Repi: distance from the epicenter)

    EESK-28-5-233_F10.gif

    Response spectrum - Miryang 1 MW 5.0

    EESK-28-5-233_F11.gif

    Response spectrum - Miryang 1 MW 6.0

    EESK-28-5-233_F12.gif

    Response spectrum - Miryang 1 MW 6.5

    EESK-28-5-233_F13.gif

    Acceleration time series obtained from the ground motion simulation and results of site response analysis - Miryang 2 (a) MW 5.0 (b) MW 6.0 (c) MW 6.5 (E-W) (Repi: distance from the epicenter)

    EESK-28-5-233_F14.gif

    Response spectrum - Miryang 2 MW 5.0

    EESK-28-5-233_F15.gif

    Response spectrum - Miryang 2 MW 6.0

    EESK-28-5-233_F16.gif

    Response spectrum - Miryang 2 MW 6.5

    EESK-28-5-233_F17.gif

    Acceleration time series obtained from the ground motion simulation and results of site response analysis - Ulsan (a) MW 5.0 (b) MW 6.0 (c) MW 6.5 (E-W) (Repi: Distance from the epicenter)

    EESK-28-5-233_F18.gif

    Response spectrum - Ulsan MW 5.0

    EESK-28-5-233_F19.gif

    Response spectrum - Ulsan MW 6.0

    EESK-28-5-233_F20.gif

    Response spectrum - Ulsan MW 6.5

    EESK-28-5-233_F21.gif

    Response spectrum - Site 6 (SRS: surface response spectrum)

    EESK-28-5-233_F22.gif

    Response spectrum - Site 2 (SRS: surface response spectrum)

    EESK-28-5-233_F23.gif

    Response spectrum - Site 4 (SRS: surface response spectrum)

    EESK-28-5-233_F24.gif

    Response spectrum - Site 1 (SRS: surface response spectrum)

    EESK-28-5-233_F25.gif

    Response spectrum - Site 3 (SRS: surface response spectrum)

    EESK-28-5-233_F26.gif

    Response spectrum - Site 5 (SRS: surface response spectrum)

    EESK-28-5-233_F27.gif

    Response spectrum - Site 7 (SRS: surface response spectrum)

    Table

    Site classification criteria in KDS 17 10 00[6]

    Parameters of standard design response spectrum (S1)

    Parameters of standard design response spectrum (S2~S5)

    Parameters of hypothetical earthquake scenarios

    Reference

    1. Korea Meteorological Administration (KMA). Domestic Earthquake List.
    2. Sun CG. Seismological and geotechnical characteristics of the 12 september 2016 Gyeongju earthquake. The Magazine of The KSCE. 2017;65(4):14-19.
    3. Lee CH, Kim SY, Park JH, Kim DK, Kim TJ, Park KH. Comparative analysis of structural damage potentials observed in the 9.12 Gyeongju and 11.15 Pohang earthquakes. J Earthq Eng Soc Korea. 2018;22(3):175-184.
    4. Kim JC, Shin SH, Oh SH. Damage investigation of pilotis structures and analysis of damage causes by Pohang earthquake. Journal of the Architectural Institute of Korea Structure & Construction. 2019;35(3):3-10.
    5. Oh SH, Shin SH. Correlation Analysis of Gyeongju Earthquake Waveform and Structural Damage Scale. Journal of the Architectural Institute of Korea Structure & Construction. 2016;32(12):33-44.
    6. Ministry of Land, Infrastructure and Transport (MOLIT). Korea Seismic Design Standard (KDS 17 10 00). Ministry of Land, Infrastructure and Transport, Korea (in Korean); c2018.
    7. Yoon JG, Kim DS. Evaluation of earthquake ground motion considering dynamic site characteristics in Korea. J Earthq Eng Soc Korea. 2004;8(3): 23-32.
    8. Sun CG, Chung CK, Kim DS. A proposition of site coefficients and site classification system for design ground motions at Inland of the Korean Peninsula. Journal of the Korean Geotechnical Society. 2005;21(6): 101-115.
    9. Oh HJ, Lee JS, Park HC. Microzonation of Sejong city area based on site amplification generated by pohang-type seismic waves. Journal of The Korean Society of Hazard Mitigation, 2022;22(6): 263-271.
    10. Jeong CG, Park DH. S election o f input earthquake motion for dynamic analysis. Korean Geo-Environmental Conference; 2009 Sep 11; Seoul, Korea; 187-195; c2009.
    11. Kim HK, Jeong CG, Park DH. Generation of synthetic ground motion in time domain. LHI Journal of Land, Housing, and Urban Affairs. 2010;1(1):51-57.
    12. Park DH, C ho S M, L ee JS, Yoo JN. Current p ractice and recommendations for improvements of seismic design of free-field site and soil structures. Journal of the Korean Society of Civil Engineering, 2019;67(6):34-43.
    13. Pacific Earthquake Engineering Research Center (PEER). NGA-East: Median ground-motion models for the Central and Eastern North America region. PEER Report No. 2014/05; c2015.
    14. Goulet CA, Bozorgnia Y, Kuehn N, Al Atik L, Youngs RR, Graves RW, Atkinson G. M NGA-East ground-motion characterization model part I: Summary of products and model development. Earthquake Spectra 37.1_suppl, 2021:1231-1282.
    15. Mai PM., Imperatori W, Olsen KB. Hybrid broadband ground-motion simulations: Combining long-period deterministic synthetics with high-frequency multiple S-to-S backscattering. Bull Seismol Soc Am. 2010;100(5A):2124-2142.
    16. Song SG, Park EJ. Pseudo-dynamic earthquake source modeling, current status and prospect. Journal of the Geological Society of Korea. 2022;58(4):541-548.
    17. Razafindrakoto HN, Bradley BA, Graves RW. Broadband ground‐ motion simulation of the 2011 Mw 6.2 Christchurch, New Zealand, earthquake. Bull Seismol Soc Am. 2018;108(4):2130-2147.
    18. Dupuis M, Paterson J, Lee R, Bradley B. Progress towards hybrid broadband ground-motion simulation of megathrust earthquakes on the Hikurangi subduction zone. Canadian Conference – Pacific Conference on Earthquake Engineering; 2023 Jun 25-30; Vancouver, Canada; c2023.
    19. Hartzell S, Harmsen S, Frankel A, Larsen S. Calculation of broadband time h istories o f ground m otion: C omparison of m ethods a nd validation using strong-ground motion from the 1994 Northridge earthquake. Bull Seismol Soc Am. 1999;89(6):1484-1504.
    20. Denolle MA, Dunham EM, Prieto GA, Beroza GC. Strong ground motion prediction using virtual earthquakes. Science. 2014;343(6169): 399-403.
    21. Bradley BA, Burks LS, Baker JW. Ground motion selection for simulation‐based seismic hazard and structural reliability assessment. Earthquake Engineering & Structural Dynamics. 2015;44(13):2321- 2340.
    22. Bradley BA, Pettinga D, Baker JW, Fraser J. Guidance on the utilization of earthquake-induced ground motion simulations in engineering practice. Earthquake Spectra. 2017;33(3):809-835.
    23. Lee RL, Bradley BA, Stafford PJ, Graves RW, Rodriguez-Marek A. Hybrid broadband ground motion simulation validation of small magnitude earthquakes in Canterbury, New Zealand. Earthquake Spectra. 2020;36(2):673-699.
    24. Graves RW, Pitarka A. Broadband time history simulation using a hybrid approach. Proceedings o f the 13th World Conference on Earthquake Engineering; 2004; Vancouver, Canada; Paper no. 1098; c2004.
    25. Graves RW, Pitarka A. Broadband ground-motion simulation using a hybrid approach. Bull Seismol Soc Am. 2010;100(5A):2095-2123.
    26. Graves RW, Pitarka A. Refinements to the Graves and Pitarka (2010) broadband ground‐motion simulation method. Seismol Res Lett. 2015;86(1):75-80.
    27. Kim BM, Park DH. Recent trends of Ground Response Analysis. Geotechnical Engineering. 2020;36(6):66-72.
    28. Yoon JG, Kim DS, Band ES. Development of site classification system and modification of design response spectra considering geotechnical site characteristics in Korea (II) - Development of site classification system. J Earthq Eng Soc Korea. 2006;10(2):51-62.
    29. Kramer SL. Geotechnical earthquake engineering. Prentice Hall International Series; c1996.
    30. Jeong CG, Kwak DY, Park DH. Verification of frequency-dependent equivalent linear method. Journal of the Korean Geotechnical Society. 2008;24(12):113-120.
    31. Matasovic N. Seismic response of composite horizontally-layered soil deposits. Ph.D. Thesis, University of California, Los Angeles; c1993.
    32. Groholski DR, Hashash YMA, Musgrove M. Harmon J, Kim B. Evaluation of 1-D non-linear site response analysis using a general quadratic/hyperbolic strength-controlled constitutive model. Proceedings of the 6th international conference on earthquake geotechnical engineering; 2015 Nov 01-05; Christchurch, New Zealand; c2015.
    33. Groholski DR, Hashash YMA, Kim BM, Musgrove M, Harmon J, Stewart J P. Simplified model for small-strain nonlinearity and strength in 1D seismic site response analysis. J Geotech Geoenviron Eng. 2016;142(9):04016042.
    34. Shi J, Asimaki D. From stiffness to strength: Formulation and validation of a hybrid hyperbolic nonlinear soil model for site‐ response analyses. Bull Seismol Soc Am. 2017;107(3):1336-1355.
    35. Campbell KW, Bozorgnia Y. NGA ground motion model for the geometric mean horizontal component of PGA, PGV, PGD and 5% damped linear elastic response spectra for periods ranging from 0.01 to 10s. Earthquake Spectra. 2008;24(1):139-171.
    36. Ryu CK, Kang S, Chung SG. Late quaternary paleoenvironmental changes in the Western Nakdong River delta. J Geo Soc Korea. 2005;26(5):443-458.
    37. Ryu CK, Kang S, Chung SG, Jeon YM. Late Quaternary depositional environmental change in the northern marginal area of the Nakdong River delta. J Geo Soc Korea. 2011;47(3):213-233.
    38. Ham AR, Shin S, Kim JC, Jung SY, Komal S, Cheong D. Late Quaternary depositional environmental changes from the middle part of Nakdong River delta core sediments. J Geo Soc Korea. 2018; 54(1):47-59.
    39. Yoo DG, Hong S H, L ee G S, K im J C , Yoon HH, C heong D. Stratigraphic evolution of the Nakdong River valley in response to late Quaternary sea-level changes. Mar Geol. 2020;427:106243.
    40. Kim JH, Jeong S. Characterization of deep shear wave velocity profiles in the Gimhae Plains using the microtremor array method. Journal of the Korean Geotechnical Society. 2022;38(8):17-27.
    41. Kim JH. Characterization of dynamic site properties in the Gimhae Plains using the microtremor array method and the horizontalto- vertical spectral ratio method. MS. Thesis, Changwon National University; c2023.
    42. Kim, SK, Kim, YT, Kim, JH. The guidelines for designing vertical drain boards in deep soft ground. Geotechnical Engineering. 2014; 30(5):15-24.
    43. Yoo DG, Lee GS, Kang NK, Yi BY, Kong GS, Kim GY, Chang SW, Yi S, Kim JC. Stratigraphy and depositional history of Nakdong River Delta. J Geo Soc Korea. 2017;53(5):619-630.
    44. Kim J, Heo G, Kwak D, Jeong S. The Relationship between Bedrock depth and site fundamental frequency in the Nakdonggang delta region, South Korea. Geotechnics. 2023;3(3):550-560.
    45. Lee K. Discussions on the September 2016 Gyeongju Earthquakes. Geophysics and Geophysical Exploration. 2017;20(3):185-192.
    46. Kim S, Lim H, Ha S, Kim KH, Son M. Assessment of tectonic activity using geomorphic indices along major faults in SE Korea. J Geo Soc Korea. 2023;59(2):247-265.
    47. Okada A, Watanabe M, Sato H, Jun MS, Jo WR, Kim SK. Jeon JS, Chi HC, Oike K. Active Fault Topography and Trench Survey in the Central Part of the Yangsan Fault, Southeast Korea. J Geogr. 1994; 103(2):111-126.
    48. Kyung JB, Lee K, Okada K, Takemura K, Watanabe M, Suzuki Y, Naruse T. Active fault study in the central part of the Yangsan Fault, southeastern part of Korea. Geological Society of Korea 50th Anniversary int’l Symp; Lee YI, Kim JH, editors. 1997;33-38.
    49. Yang JS, Lee HK. Quaternary fault activity of the Yangsan Fault zone in the Samnam-myeon, Ulju-gun, Ulsan, Korea. Economic and Environmental Geology. 2014;47(1):17-27.
    50. Kwon O, Park K, Prasanajit NS, Shin HC. A study on the characteristics of fault activity in the southern part of the Ulsan fault using paleoseismic method. J Geo Soc Korea. 2021;57(2): 109-121.
    51. Lee K, Na SH. A study of microearthquake activity of the Yangsan fault. The Journal of the Geological Society of Korea. 1983;19(3): 127-135.
    52. Kyung JB. Paleoseismological study and evaluation of maximum earthquake magnitude along the Yangsan and Ulsan Fault Zones in the Southeastern Part of Korea. Geophysics and Geophysical Exploration. 2010;13(3):187-197.
    53. Choi SJ, Jeon JS, Choi JH, Kim B, Ryoo CR, Hong DG, Chwae U. Estimation of possible maximum earthquake magnitudes of Quaternary faults in the southern Korean Peninsula. Quat Int. 2014;344:53-63.
    54. Leonard M. Earthquake fault scaling: Self-consistent relating of rupture length, width, average displacement, and moment release. Bull Seismol Soc Am. 2010;100(5A):1971-1988.
    55. Leonard M. Self‐consistent earthquake fault‐scaling relations: Update and extension to stable continental strike‐slip faults. Bull Seismol Soc Am. 2014;104(6):2953-2965.
    56. Scholz C. The Mechanics of Earthquakes and Faulting. Cambridge University Press; c2002.
    57. Jo ND, Baag CE. Estimation of spectrum decay parameter k and stochastic prediction of strong ground motions in southeastern Korea. J Earthq Eng Soc Korea. 2003;7(6):59-70.
    58. Kim KH, Park JH, Park Y, Hao TY, Kim HJ. Crustal structure beneath the southern Korean Peninsula from local earthquakes. Geophys J Int. 2017;209(2):969-978.
    59. Kim S, Rhie J, Kim G. Forward waveform modelling procedure for 1-D crustal velocity structure and its application to the southern Korean Peninsula. Geophys J Int, 2011;185(1):453-468.
    Journal Abbreviation J. Earthq. Eng. Soc. Korea
    Frequency Bimonthly
    Doi Prefix 10.5000/EESK
    Year of Launching 1997
    Publisher Earthquake Engineering Society of Korea
    Indexed/Tracked/Covered By