KR102595498B1 - 지반의 액상화 가능성에 대한 평가 방법 - Google Patents

지반의 액상화 가능성에 대한 평가 방법 Download PDF

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Abstract

지반의 액상화 가능성에 대한 평가 방법이 개시되며, 본원의 일 실시예에 따른 지반의 액상화 가능성에 대한 평가 방법은, 대상 지반의 지반 정보, 지질 정보 및 지형 정보 중 적어도 하나를 포함하는 특성 데이터를 수집하는 단계 및 상기 특성 데이터에 기초한 지반응답해석을 통해 상기 대상 지반에 대하여 지진에 의한 충격으로 인하여 유체의 거동 특성을 보이는 액상화 현상의 발생 가능성과 연계된 평가 정보를 도출하는 단계를 포함할 수 있다.

Description

지반의 액상화 가능성에 대한 평가 방법{METHOD FOR EVALUATING POTENTIAL OF LIQUEFACTION OF GROUND}
본원은 지반의 액상화 가능성에 대한 평가 방법에 관한 것이다.
액상화 현상은 포화된 느슨한 모래가 지진의 충격으로 유체처럼 거동하게 되는 현상으로 모래의 입도분포가 특정한 범위에 있고, 지하수위가 높을 때 발생하기 쉬우며, 물을 머금은 모래·진흙이 지표로 분출하는 분사, 분수 현상이 발생하기도 한다. 이러한 액상화가 발생하면 지반이 지지능력을 잃게 되어 대규모 사면붕괴가 유발되고, 상부 구조물이 기울거나 가라앉으며, 주위의 건축물, 교량, 지중 구조물 등에 피해가 발생한다.
한편, 지진 크기에 따라 지반 액상화 현상 발생에 따른 피해정도를 예측하고, 피해범위를 지도화 한 것으로 피해예측 지도라고 지칭하며, 이에 기초가 되는 액상화 가능성 지도를 작성하는 작업은 지반 정보의 수집, 분석, 액상화 가능성 평가 등 전문적이고 종합적인 검토 프로세스를 필요로 하며, 기존 지반정보의 수집·분석을 통한 해당 지역의 동적지반특성 도출, 지역특성을 고려한 지진파·지하수위 선정 등 고도의 기술이 요구되므로 액상화 가능성 지도 작성은 관련 전문 분야(예를 들면, 지반공학 분야, 지반정보 분야, 방재분야 및 지형공간정보분야 등)의 고도화된 기술역량이 요구되나, 이러한 종합적인 분석을 수행하고, 분석 결과를 바탕으로 액상화 가능성 정도를 반영한 가능성 지도를 작성하는 기법에 대한 개발은 미비한 실정이다.
본원의 배경이 되는 기술은 한국등록특허공보 제10-2407159호에 개시되어 있다.
본원은 전술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 지반 정보, 지질 정보, 지형 정보 등의 특성 데이터를 이용한 지반응답해석을 통해 해당 지반의 액상화 가능성을 높은 정확도로 산출할 수 있는 액상화 가능성에 대한 평가 방법을 제공하려는 것을 목적으로 한다.
본원은 전술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 특정 지역의 액상화 가능성에 대한 평가 결과를 지도 데이터 상에 반영하여 표시하는 액상화 가능성 지도 구축 방법을 제공하려는 것을 목적으로 한다.
다만, 본원의 실시예가 이루고자 하는 기술적 과제는 상기된 바와 같은 기술적 과제들로 한정되지 않으며, 또 다른 기술적 과제들이 존재할 수 있다.
상기한 기술적 과제를 달성하기 위한 기술적 수단으로서, 본원의 일 실시예에 따른 지반의 액상화 가능성에 대한 평가 방법은, 대상 지반의 지반 정보, 지질 정보 및 지형 정보 중 적어도 하나를 포함하는 특성 데이터를 수집하는 단계 및 상기 특성 데이터에 기초한 지반응답해석을 통해 상기 대상 지반에 대하여 지진에 의한 충격으로 인하여 유체의 거동 특성을 보이는 액상화 현상의 발생 가능성과 연계된 평가 정보를 도출하는 단계를 포함할 수 있다.
또한, 상기 평가 정보를 도출하는 단계는, 상기 대상 지반의 액상화 평가를 위한 지진파를 선정하는 단계, 상기 대상 지반에 대응하는 지반 모델을 구축하는 단계, 상기 지반 모델 및 상기 선정된 지진파를 이용하여 상기 지반응답해석을 수행하는 단계 및 상기 지반응답해석의 수행 결과에 기초하여 상기 대상 지반의 액상화 가능성 지수를 상기 평가 정보로서 연산하는 단계를 포함할 수 있다.
또한, 상기 연산하는 단계는, 상기 대상 지반의 반복저항응력비에 대한 지진력으로 유발되는 반복전단응력비의 비율인 안전율을 산출하는 단계 및 상기 산출된 안전율 및 상기 대상 지반의 심도에 따라 미리 설정되는 가중치에 기초하여 상기 액상화 가능성 지수를 산출하는 단계를 포함할 수 있다.
또한, 상기 액상화 가능성 지수를 산출하는 단계는, 상기 안전율 및 상기 가중치의 곱 연산 결과를 적분하여 2차원 데이터인 상기 액상화 가능성 지수를 상기 안전율로부터 변환할 수 있다.
또한, 상기 특성 데이터는, 상기 대상 지반의 공간 좌표 정보, 지층 구성 정보, 표준관입시험 결과 정보, 현장시험 결과 정보 및 물성시험 결과 정보 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
또한, 상기 지반응답해석을 수행하는 단계는, 상기 대상 지반의 지하수위를 결정하는 단계, 상기 대상 지반을 이루는 각 지층의 전단파 속도를 산정하는 단계 및 상기 지하수위 및 상기 전단파 속도를 고려하여 상기 선정된 지진파에 대한 상기 대상 지반의 상부 지반의 응답을 평가하는 단계를 포함할 수 있다.
또한, 본원의 일 실시예에 따른 지반의 액상화 가능성에 대한 평가 방법은, 상기 특성 데이터의 수집 오류와 이상치를 제거하고, 상기 대상 지반의 액상화 가능성에 대한 평가를 위한 미리 설정된 특성 항목을 상기 특성 데이터로부터 추출하는 전처리를 수행하는 단계를 포함할 수 있다.
또한, 본원의 일 실시예에 따른 지반의 액상화 가능성에 대한 평가 방법은, 미리 설정된 소정의 지역인 대상 지역의 항공 사진, 위성 사진, 지질도, 지형도 및 국가지진위험지도 중 적어도 하나를 포함하는 지도 데이터 및 상기 대상 지역의 인구, 노후 건물, 산업 단지, 주요 시설 및 위험 시설 중 적어도 하나의 분포를 나타내는 지역 데이터를 포함하는 원시 데이터를 수집하는 단계 및 상기 원시 데이터를 이용한 액상화 가능성에 대한 예비 평가를 통해 상기 대상 지역 내에서 상기 대상 지반을 선정하는 단계를 포함할 수 있다.
상술한 과제 해결 수단은 단지 예시적인 것으로서, 본원을 제한하려는 의도로 해석되지 않아야 한다. 상술한 예시적인 실시예 외에도, 도면 및 발명의 상세한 설명에 추가적인 실시예가 존재할 수 있다.
전술한 본원의 과제 해결 수단에 의하면, 지반 정보, 지질 정보, 지형 정보 등의 특성 데이터를 이용한 지반응답해석을 통해 해당 지반의 액상화 가능성을 높은 정확도로 산출할 수 있는 액상화 가능성에 대한 평가 방법을 제공할 수 있다.
전술한 본원의 과제 해결 수단에 의하면, 특정 지역의 액상화 가능성에 대한 평가 결과를 지도 데이터 상에 반영하여 표시하는 액상화 가능성 지도 구축 방법을 제공할 수 있다.
다만, 본원에서 얻을 수 있는 효과는 상기된 바와 같은 효과들로 한정되지 않으며, 또 다른 효과들이 존재할 수 있다.
도 1은 본원의 일 실시예에 따른 액상화 정보 관리 시스템의 개략적인 구성도이다.
도 2는 본원의 일 실시예에 따른 액상화 정보 관리 프로세스를 설명하기 위한 개념도이다.
도 3은 수집된 특성 데이터에 대한 전처리 프로세스를 설명하기 위한 개념도이다.
도 4a 내지 도 4c는 액상화 가능성 평가를 위한 특성 항목을 예시적으로 나타낸 도표이다.
도 5는 액상화 현상의 발생 가능성과 연계된 평가 정보를 도출하는 프로세스를 설명하기 위한 개념도이다.
도 6은 액상화 가능성이 존재하는 지반의 입도분포를 나타낸 도면이다.
도 7은 암반지반 수평설계지반운동의 가속도 표준설계스펙트럼을 예시적으로 나타낸 도면이다.
도 8은 평가 정보의 수치 구간에 따른 복수의 등급에 대하여 사전 설정되는 지도 상의 표시 방식을 예시적으로 나타낸 도표이다.
도 9는 액상화 가능성 지도 상에 표시되는 방재관련 기관 도면표시 기호를 예시적으로 나타낸 도표이다.
도 10은 본원의 일 실시예에 따른 액상화 정보 관리 시스템에 의해 산출되는 액상화 가능성을 3차원 형태로 표시하는 실시예를 나타낸 도면이다.
도 11은 액상화 가능성 지도를 포함하는 지도 인터페이스의 레이아웃을 예시적으로 나타낸 도면이다.
도 12는 본원의 일 실시예에 따른 액상화 정보 관리 시스템을 통해 출력되는 지도 인터페이스를 예시적으로 나타낸 도면이다.
도 13은 본원의 일 실시예에 따른 지반의 액상화 가능성에 대한 평가 장치의 개략적인 구성도이다.
도 14는 본원의 일 실시예에 따른 지반의 액상화 가능성에 대한 평가 방법에 대한 동작 흐름도이다.
도 15는 액상화 현상의 발생 가능성과 연계된 평가 정보를 도출하는 프로세스에 대한 세부 동작 흐름도이다.
아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 본원이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본원의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본원은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본원을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
본원 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "전기적으로 연결" 또는 "간접적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다.
본원 명세서 전체에서, 어떤 부재가 다른 부재 "상에", "상부에", "상단에", "하에", "하부에", "하단에" 위치하고 있다고 할 때, 이는 어떤 부재가 다른 부재에 접해 있는 경우뿐 아니라 두 부재 사이에 또 다른 부재가 존재하는 경우도 포함한다.
본원 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성 요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
본원은 지반의 액상화 가능성에 대한 평가 방법에 관한 것이다.
도 1은 본원의 일 실시예에 따른 액상화 정보 관리 시스템의 개략적인 구성도이다.
도 1을 참조하면, 본원의 일 실시예에 따른 액상화 정보 관리 시스템(10)은 본원의 일 실시예에 따른 지반의 액상화 가능성에 대한 평가 장치(100)(이하, '평가 장치(100)'라 한다.), 외부 서버(200), 사용자 단말(300) 및 관리자 단말(400)을 포함할 수 있다.
평가 장치(100), 외부 서버(200), 사용자 단말(300) 및 관리자 단말(400) 상호간은 네트워크(20)를 통해 통신할 수 있다. 네트워크(20)는 단말들 및 서버들과 같은 각각의 노드 상호간에 정보 교환이 가능한 연결 구조를 의미하는 것으로, 이러한 네트워크(20)의 일 예에는, 3GPP(3rd Generation Partnership Project) 네트워크, LTE(Long Term Evolution) 네트워크, 5G 네트워크, WIMAX(World Interoperability for Microwave Access) 네트워크, 인터넷(Internet), LAN(Local Area Network), Wireless LAN(Wireless Local Area Network), WAN(Wide Area Network), PAN(Personal Area Network), wifi 네트워크, 블루투스(Bluetooth) 네트워크, 위성 방송 네트워크, 아날로그 방송 네트워크, DMB(Digital Multimedia Broadcasting) 네트워크 등이 포함되나 이에 한정되지는 않는다.
사용자 단말(300)은 예를 들면, 스마트폰(Smartphone), 스마트패드(SmartPad), 태블릿 PC등과 PCS(Personal Communication System), GSM(Global System for Mobile communication), PDC(Personal Digital Cellular), PHS(Personal Handyphone System), PDA(Personal Digital Assistant), IMT(International Mobile Telecommunication)-2000, CDMA(Code Division Multiple Access)-2000, W-CDMA(W-Code Division Multiple Access), Wibro(Wireless Broadband Internet) 단말기 같은 모든 종류의 무선 통신 장치일 수 있다. 본원의 실시예에 관한 설명에서 사용자 단말(300)은 평가 장치(100)에 의해 구축된 액상화 가능성 지도(1)를 포함하는 지도 인터페이스를 표시하기 위한 디스플레이 모듈을 구비하는 디바이스일 수 있다. 예를 들어, 평가 장치(100)는 사용자 단말(300)로 특정 지역에 대한 지역 선택 입력이 인가되면, 선택된 지역에 대하여 구축된 액상화 가능성 지도(1)를 포함하는 지도 인터페이스가 사용자 단말(300)을 통해 출력되도록 할 수 있다.
또한, 본원의 실시예에 관한 설명에서 관리자 단말(400)은 각 지역의 액상화 가능성 지도(1)를 관리하는 주체가 보유한 단말 또는 서버를 지칭하는 것일 수 있다. 예를 들어, 관리자 단말(400)은 신규 지반정보가 추가되는 지역에 대한 지속적인 가능성 평가 결과의 관리를 수행하여야 하는 주체(예를 들면, 특정 행정기관, 지방자치단체 등)가 보유한 단말로서, 본원에서 개시하는 평가 장치(100)는 관리자 단말(400)로 생성된 액상화 가능성 지도(1)를 단순히 전송할 뿐만 아니라, 기 구축된 지역별 액상화 가능성 지도(1)의 생성 이력 등을 데이터베이스(101) 등을 통해 관리하며, 특정 조건이 충족되면 관리자 단말(400)로 액상화 가능성 지도(1)에 대한 갱신(업데이트)이 필요하다는 알림을 제공하고, 관리자 단말(400)로부터 액상화 가능성 지도(1)에 대한 갱신(업데이트) 요청을 수신하여 기 구축된 액상화 가능성 지도(1)에 대한 갱신(업데이트)을 수행하거나 신규 지역에 대한 액상화 가능성 지도(1)를 새로이 생성하도록 동작할 수 있다.
예시적으로, 관리자 단말(400)과 연계되는 기관은 액상화 가능성 평가 및 지도 구축, 지반조사 데이터의 관리 및 갱신, 액상화 가능성 지도 구축 시스템의 유지 및 관리, 액상화 가능성 지도 (종합)보고서 발간, 기타 액상화 지도구축과 관련된 업무 등을 포함하는 임무를 수행하도록 선정된 기관으로서, 지반공학(액상화) 분야, 지반정보 분야, 방재분야 및 지형공간정보분야 등의 전문가 등이 종사하거나 전술한 전문가와의 협업이 가능한 기관 내지 단체일 수 있으나, 이에만 한정되는 것은 아니다.
도 2는 본원의 일 실시예에 따른 액상화 정보 관리 프로세스를 설명하기 위한 개념도이다.
도 2를 참조하면, 본원에서 개시하는 액상화 정보 관리 시스템(10)의 평가 장치(100)는 GIS(Geographic Information System) 서버, 웹서버, DB 서버, 액상화 메타DB, 원천 DB 등의 외부 서버(200)로부터 액상화 가능성 지도(1)의 작성에 필요한 각종 데이터를 획득하고, 획득한 데이터에 기반하여 특정 지역을 이루는 소정의 단위의 국부적인 지반 영역 각각에 대한 지반응답해석을 통해 해당 지반 영역에 대하여 지진에 의한 충격으로 인하여 유체의 거동 특성을 보이는 액상화 현상의 발생 가능성과 연계된 평가 정보를 도출하고, 도출된 평가 정보를 이용하여 액상화 가능성 지도(1)를 생성하도록 동작할 수 있다.
참고로, 본원의 실시예에 관한 설명에서 평가 장치(100)는 '액상화 가능성 지도 구축 장치(100)'로 달리 지칭될 수 있다. 달리 말해, 본원의 실시예에 관한 설명에서 도면부호 100은 평가 장치(100) 및 액상화 가능성 지도 구축 장치(100)에 대하여 혼용될 수 있다.
또한, 도 2를 참조하면, 평가 장치(100)는 액상화 데이터 생성 프로그램, 액상화 평가 정보에 대한 결과를 저장하는 데이터베이스(DB, 101) 등을 구비한 서버(액상화 서버) 형태일 수 있으며, 사용자 단말(300) 및 관리자 단말(400) 중 적어도 하나로 생성된 액상화 가능성 지도(1)를 표시(가시화)하거나 파일 형태의 액상화 가능성 지도(1)를 전송(다운로드)할 수 있으며, 각각의 지역별/시기별 액상화 가능성 지도(1)의 구축 이력을 관리할 수 있다.
이하에서는 특정 조사대상지역에 대한 액상화 발생 가능성에 대한 1차 판정을 통해 해당 지역의 액상화 발생 가능성, 피해발생 여부 등을 선제적으로 판정하여 액상화 가능성 지도(1)를 구축할 세부 지역을 선정하는 프로세스에 대해 설명하도록 한다.
이와 관련하여 평가 장치(100)는 미리 설정된 소정의 지역인 대상 지역(조사대상 지역)의 항공 사진, 위성 사진, 지질도, 지형도 및 국가지진위험지도 중 적어도 하나를 포함하는 지도 데이터 및 대상 지역의 인구, 노후 건물, 산업 단지, 주요 시설 및 위험 시설 중 적어도 하나의 분포를 나타내는 지역 데이터를 포함하는 원시 데이터를 수집할 수 있다.
또한, 평가 장치(100)는 수집한 원시 데이터를 이용한 액상화 가능성에 대한 예비 평가를 통해 대상 지역 내에서 액상화 가능성 지도(1)를 구축할 적어도 하나의 국부적인 지반 영역인 대상 지반을 선정할 수 있다. 달리 말해, 평가 장치(100)는 소정의 범위의 조사대상 지역에서 수집된 다양한 형태의 원시 데이터에 기반한 예비평가를 통해 액상화 가능성 지도(1)의 구축이 필요한 영역을 특정할 수 있다.
보다 구체적으로, 조사대상지역의 액상화 발생 가능성을 검토하는 과정에서 고려되는 지형변화, 지질정보 등은 과거 항공사진, 신/구 위성사진, 지질도, 지형도, 국가지진위험지도 등을 포함하는 지도 데이터를 이용하여 도출될 수 있으며, 예시적으로, 평가 장치(100)는 구지형(해당 지역의 과거 지형) 검토를 위한 항공사진을 국토지리정보원 국토정보플랫폼 수치지도, 지자체 보유자료, 언론기관의 보도사진, 기사내용 등을 외부 서버(200) 등과의 연동을 통해 수집할 수 있으며, 구지형 검토를 위한 신/구 위성 사진을 지질조사 기관(예를 들면, 행정안전부 국립재난안전연구원, 미국지질조사소(USGS) 등)에서 운영하는 홈페이지에서 수집하거나 해당 기관으로 사용목적, 지역명, 해당연도, 파일형식 등을 명시하여 요청할 수 있다.
또한, 평가 장치(100)는 액상화 발생 가능성이 높은 충적층을 선별하기 위하여 지질도 데이터를 활용할 수 있으며, 지표 형태의 확인을 위해 지형지도, 토지피복지도 등의 지형도 데이터를 종합적으로 조사할 수 있다. 참고로, 전술한 충적층은 토양물질이 물에 의해 운반 및 퇴적된 운적토의 일종을 지칭하는 것일 수 있다.
또한, 평가 장치(100)는 액상화 피해발생 가능 여부를 파악하기 위하여 지역 데이터를 수집함으로써, 조사대상 지역의 특성을 파악할 수 있다. 이와 관련하여, 인구분포 데이터의 경우 조사대상 지역의 인구 밀집 정도를 파악하기 위하여 필요하며, 노후건물분포 데이터의 경우, 지역의 노후건물 밀집 정도를 파악하기 위하여 필요하며, 산단현황 및 노후산단 분포 데이터는 산업단지 별 생산, 수출 금액의 현황을 파악하기 위하여 필요하며, 추가로 기타 주요시설(예를 들면, 항만, 철도, 교량, 제방, 지중구조물 등), 위험시설 등에 대한 위치 정보를 지역 데이터로서 획득할 수 있다.
한편, 평가 장치(100)는 국토지리정보원 국토정보 플랫폼 등의 외부 서버(200)에서 제공하는 통계지도를 획득함으로써 각종 지역 데이터를 획득할 수 있다.
또한, 평가 장치(100)에 의해 수행되는 예비 평가와 관련하여, 평가 장치(100)는 지도 데이터에 기반한 과거 항공사진 및 신/구 위성사진(USGS)에 대한 시계열적인 비교 분석을 통해 조사대상 지역의 해안선의 변화, 하안선의 변화 및 매립지 조성여부 등을 파악할 수 있으며, 매립지 분포가 높을수록 상대적으로 해당 지역의 액상화 발생 가능성이 큰 것으로 평가할 수 있다.
또한, 평가 장치(100)는 지질도 데이터를 활용하여 액상화 발생 가능성이 상대적으로 높은 충적층(연약지반)을 선별하고, 지표형태 데이터를 통해 액상화가 발생하지 않는 산지 영역을 확인하고, 액상화 발생 가능성 검토 지역에서 산지 영역을 제외할 수 있다.
또한, 평가 장치(100)는 인구밀도 및 노후건물 분포가 액상화 발생 가능성이 높은 지반상에 밀집되어 있을수록 액상화 발생시 피해발생 가능성이 큰 것으로 평가하고, 주요시설물(관공서, 재해거점 병원, 대피소, 국가산단 등), 위험시설 등이 액상화 발생 가능성이 있는 지반상에 위치했는지를 검토할 수 있으며, 특히 지하매설관과 같은 지중 구조물은 액상화 현상에 취약한 구조물이기 때문에 액상화 발생 및 피해 발생 정도에 대한 예비 평가시 다른 시설물 대비 높은 중요도(가중치)를 할당할 수 있다.
종합하면, 평가 장치(100)는 각종 지도 데이터 및 지역 데이터를 포함하는 원본 데이터의 각 항목의 정보를 종합적으로 고려하여 액상화 발생 가능성 및 피해발생 정도를 판단하여 액상화 가능성 지도(1)의 작성이 필요한 대상 지반에 대한 선정을 수행할 수 있다.
이하에서는 평가 장치(100)가 선정된 대상 지반에 대한 액상화 발생 가능성을 수치적으로 평가하고, 평가 결과를 반영하여 액상화 가능성 지도(1)를 구축하는 프로세스에 대하여 상세히 설명하도록 한다.
평가 장치(100)는 선정된 대상 지반의 지반 정보, 지질 정보 및 지형 정보 중 적어도 하나를 포함하는 특성 데이터를 수집할 수 있다. 보다 구체적으로 평가 장치(100)는 액상화 발생 가능성을 평가하거나 액상화 현상으로 인한 대상 부지의 액상화 취약특성을 파악하기 위해서 지반조사 데이터베이스 구축을 위한 지반조사 항목과 지표부지의 지질, 지형 정보를 정의하고 액상화 평가를 위한 필요정보를 정형화할 수 있다. 나아가, 평가 장치(100)는 평가의 신뢰도 향상을 위하여 필요정보가 미확보 되었거나 지반조사가 수행되지 않는 지역을 대상으로 신규조사를 수행한 결과를 획득할 수 있다.
특성 데이터의 개별 항목과 관련하여, 지반 정보는 시추주상도에서 제공하는 공간좌표, 공학적 지층 분류, 표준관입시험 결과 정보 등을 포함할 수 있으며, 지질 정보는 지질학 관점에서 액상화 취약지역을 1차적으로 파악하고, 취약지역을 중심으로 신규 지반조사 위치 결정에 참고할 수 있는 정보를 포함할 수 있으며, 지형 정보는 지형학 관점에서 액상화 취약지역을 파악하기 위해 필요하며, 현 상태의 지표고를 파악할 수 있는 최신 수치지도 또는 수치표고모델 등에 기반하여 수집될 수 있다.
보다 구체적으로 지반 정보와 관련하여, 평가 장치(100)는 조사대상 지역을 포함하는 지역의 시추주상도 데이터를 외부 서버(200) 등을 통해 텍스트 타입, 엑셀 파일 형태, GIS 파일(Shape 파일) 등의 형식으로 수집할 수 있다. 또한, 평가 장치(100)는 지반 정보를 액상화 가능성 평가를 위한 공학적 지층 분류, 표준관입시험 결과와 가능성 지도 작성을 위한 공간좌표 정보 위주로 수집하거나 입력할 수 있으며, 해당 조사대상 지역에 대한 콘관입실험 또는 전단파속도 측정 결과 등 지반전단강도 특성을 파악할 수 있는 실내 및 현장시험 결과가 존재하는 경우, 이를 함께 수집할 수 있다.
도 3은 수집된 특성 데이터에 대한 전처리 프로세스를 설명하기 위한 개념도이다.
도 3을 참조하면, 평가 장치(100)는 특성 데이터의 수집 오류와 이상치를 제거하고, 대상 지반의 액상화 가능성에 대한 평가를 위한 미리 설정된 특성 항목을 특성 데이터로부터 추출하는 전처리를 수행할 수 있다.
구체적으로, 평가 장치(100)는 액상화 가능성 평가 및 가능성지도 작성을 위해 수집된 특성 데이터를 필요 정보를 중심으로 누락 여부 및 오류를 검토하고, 보정 또는 제외 처리를 수행하여 특성 데이터의 품질을 관리할 수 있으며, 지층 구성, 표준관입시험 결과, 공간좌표 입력 오류 등을 탐지(감지)할 수 있다.
본원의 일 실시예에 따르면, 평가 장치(100)는 층상 정보 중 통일분류법(Unified Soil Classification System, USCS) 기준의 지층 분류 정보가 정의되지 않은 경우, 시추조사 공간좌표 정보가 누락된 경우, 표준관입시험 정보 중 시험심도, N값 기록이 누락된 경우, 토사 지반(매립층, 퇴적토층 등)이 암반 지반(연암, 보통암 등) 하부로 입력되어 역전된 경우, 지층 두께 정보에 숫자형 외에 다른 변수(예를 들면, 문자형 자료)가 입력된 경우, 표준관입시험 결과 중 시험 심도, N값에 숫자형 외에 다른 변수가 입력된 경우, 공간좌표가 경위도 또는 TM(Transverse Mercator) 좌표 체계 기준에 맞지 않게 입력된 경우에는 해당 특성 데이터를 이후의 분석에서 제외 처리할 수 있고, 제외 처리된 시추조사 자료에 대응하는 영역은 향후의 신규 지반조사 위치 선정(예비 평가) 시 함께 고려할 수 있다.
달리 말해, 평가 장치(100)는 수집된 특성 데이터에 필요 항목에 대한 누락이 발생한 경우, 해당 지역에 대한 향후의 예비 평가 시 해당 지역의 지반이 대상 지반으로 선정될 확률이 상승하도록 조정할 수 있다.
또한, 평가 장치(100)는 지층 두께가 누락 또는 입력 오류인 경우, 지층별 시작 심도, 종료 심도를 기준으로 두께를 재산정할 수 있으며, 대상 지반에 대한 주소 정보만 입력된 경우, 지오코딩(Geocoding) 기법을 통해 좌표 정보를 추출하여 활용할 수 있다.
또한, 평가 장치(100)는 지역적 공간예측을 위한 공간상관성에 기초한 교차검증 기반의 이상치 검증 기법을 적용하여 특성 데이터의 이상치를 검증(제거)할 수 있다. 구체적으로, 평가 장치(100)는 대상영역의 기지점 자료 가운데 하나의 물리량을 미지값으로 가정하고, 나머지 자료로부터 이를 예측함으로써 실측된 물리량과 예측된 물리량의 차이를 통해 해당 지점의 물리량이 주변의 측정값이 갖는 경향을 따르는지 판단하는 교차검증 기반의 이상치 분석 기법을 적용할 수 있다.
구체적으로, 평가 장치(100)는 실제 자료치, 베리오그램, 유효 반경을 이용하여 관심 영역의 크리깅 예측값을 계산하고, 실제 자료치를 미지값으로 가정하고 제거한 후 베리오그램, 크리깅을 통해 실제 자료값들이 제거된 지점에서의 값을 예측하고, 예측된 값들과 실제 자료치(true value)를 비교하여 편향성이나 종속성을 파악할 수 있다.
도 4a 내지 도 4c는 액상화 가능성 평가를 위한 특성 항목을 예시적으로 나타낸 도표이다.
도 4a 내지 도 4c를 참조하면, 특성 데이터는 대상 지반의 공간 좌표 정보, 지층 구성 정보, 표준관입시험 결과 정보, 현장시험 결과 정보 및 물성시험 결과 정보 중 적어도 하나를 특성 항목으로서 포함할 수 있다.
도 5는 액상화 현상의 발생 가능성과 연계된 평가 정보를 도출하는 프로세스를 설명하기 위한 개념도이다.
도 5를 참조하면, 평가 장치(100)는 수집 오류 보정, 이상치 제거, 필수 항목 검증 등의 전처리가 수행된 특성 데이터에 기초한 지반응답해석을 통해 대상 지반에 대하여 지진에 의한 충격으로 인하여 유체의 거동 특성을 보이는 액상화 현상의 발생 가능성과 연계된 평가 정보를 도출할 수 있다.
한편, 본원의 일 실시예에 따르면, 평가 장치는 지하수위 상에 위치한 지반, 지반심도가 미리 설정된 임계 심도(예를 들면, 20m 등) 이상인 지반, 주상도상의 표준관입저항치에 기초하여 산정된 수치가 미리 설정된 임계값(예를 들면, 25 등) 이상인 지반, 세립토 함유량이 미리 설정된 임계 비율(예를 들면, 30% 등) 이상이면서 소성지수(PI)가 미리 설정된 수치(예를 들면, 12 등) 이상인 지반, 입도분포가 액상화가 발생 가능한 입도분포영역 외에 분포하는 지반 등에 대하여 지진으로 인한 액상화 현상의 발생 가능성이 상대적으로 낮은 유형의 지반으로 보아 평가 정보 분석 프로세스를 생략할 수 있다.
이와 관련하여 도 6은 액상화 가능성이 존재하는 지반의 입도분포를 나타낸 도면이다.
구체적으로, 평가 장치(100)는 액상화 현상의 발생 가능성과 연계된 평가 정보의 도출을 위하여 먼저, 대상 지반의 액상화 평가를 위한 지진파를 선정할 수 있다.
실지진 기록을 활용한 가속도시간이력을 표준설계응답스펙트럼에 매칭하기 위해서는 적절한 지진파의 수집이 필요하며, 이를 고려하여 평가 장치(100)는 설계지진의 세기를 액상화 가능성 지도(1) 작성의 기술적인 범위를 나타내는 것으로 액상화 가능성 지도(1) 제작의 목적에 부합하도록 설정할 수 있다. 설계지진세기는 유효수평지반 가속도(S)로 각 행정구역을 기준으로 제시된 암반에서의 수평지반 운동수준을 나타내며, 지진구역계수는 국내의 경우 행정구역의 유형에 따라 미리 정의될 수 있다. 예를 들어, 서울, 인천, 대전, 부산 등의 지역은 재현주기 500년 기준 0.11g의 지진구역계수(Z)가 설정되고, 강원 북부, 제주 등의 지역은 0.07g의 지진구역계수(Z)가 설정될 수 있다.
또한, 평가 장치(100)는 액상화 가능성 지도(1)의 작성을 위한 재현주기마다 위험도 계수(I)를 미리 설정할 수 있다. 예를 들어, 위험도 계수(I)는 50년 재현주기의 경우 0.4의 값으로, 100년 재현주기의 경우 0.57의 값으로, 200년 재현주기의 경우 0.73의 값으로, 500년 재현주기의 경우 1.0의 값으로, 2400년 재현주기의 경우 2.0의 값으로, 4800년 재현주기의 경우 2.6의 값으로 각각 설정될 수 있다.
또한, 평가 장치(100)는 지진구역계수(Z) 및 위험도 계수(I)를 기초로 지진하중을 산정하기 위한 암반지반의 수평지반운동수준을 나타내는 유효수평지반 가속도(S)를 연산할 수 있다(S=ZI)
도 7은 암반지반 수평설계지반운동의 가속도 표준설계스펙트럼을 예시적으로 나타낸 도면이다.
도 7을 참조하면, 평가 장치(100)는 액상화평가를 위한 지반응답해석에는 기반암에서의 지진파가 필요하기 때문에 암반지반 설계지반운동의 가속도 표준설계응답스펙트럼을 활용할 수 있으며, 각 지진재현주기에 따른 기반암 설계지반운동 특성에 부합하는 재현주기별 기반암 지진파를 액상화 평가를 위하여 선정할 수 있다.
또한, 평가 장치(100)는 대상 지반에 대응하는 지반 모델을 구축할 수 있다. 구체적으로, 지반응답해석을 위한 지반모델은 가능한 균일한 층 두께로 작성할 수 있으며, 하나의 지층의 두께가 2.0m이하로 분할할 수 있다.
또한, 평가 장치(100)는 시추공자료의 최저층이 경암 및 연암 또는 Vs=760m/s이상일 경우 기반암으로 설정하고, 최저층이 풍화암 또는 토사층(Vs=760m/s이하)일 경우 가장아래에 연암층(Vs=760m/s)이 존재하는 것으로 가정하여 지반 모델을 구축할 수 있으며, 각각의 지층은 USCS분류(통일분류법, Unified Soil Classification System)를 기준으로 자갈, 모래, 실트, 점토, 유기질토, 풍화암, 연암, 경암, 극경암으로 분류할 수 있다.
또한, 평가 장치(100)는 생성된 지반 모델 및 액상화 평가를 위하여 선정된 지진파를 이용하여 대상 지반에 대한 지반응답해석을 수행할 수 있다.
구체적으로, 평가 장치(100)는 대상 지반의 지하수위를 시추데이터, 지하수 관측정 데이터, 권역지하수위지도 데이터 등을 기반으로 하여 결정할 수 있다.
또한, 평가 장치(100)는 지반 모델에서 대상 지반을 이루는 각 지층의 전단파 속도를 산정할 수 있다. 보다 구체적으로 평가 장치(100)는 각 지층의 전단파속도는 현장시험으로부터 직접 얻지 못하는 경우, 표준관입시험 또는 콘관입시험에서 구하는 물성치로부터 전단파속도를 계산하는 변환식을 최소 2개 이상 활용하여 평균값으로 산정할 수 있다.
또한, 평가 장치(100)는 지하수위 및 지층별 전단파 속도를 고려하여 선정된 지진파에 대한 대상 지반의 상부 지반의 응답을 평가할 수 있다. 구체적으로 평가 장치(100)는 지진파에 대한 기반암 상부 지반의 응답(가속도, 속도, 변위)을 평가할 수 있으며, 등가선형해석, 비선형해석, 유효응력해석 중 적절한 방법을 선택하여 지반응답해석을 적용할 수 있고, 등가선형해석의 경우 각 층의 토질, 두께, 밀도, 최대전단강성 및 동적변형특성을 바탕으로 응답 평가가 이루어질 수 있다.
또한, 평가 장치(100)는 지반응답해석의 수행 결과에 기초하여 대상 지반의 액상화 가능성 지수(Liquefaction Potential Index, LPI)를 평가 정보로서 연산할 수 있다. 구체적으로, 평가 장치(100)는 대상 지반의 반복저항응력비에 대한 지진력으로 유발되는 반복전단응력비의 비율인 안전율(FS)을 산출하고, 산출된 안전율(FS) 및 대상 지반의 심도에 따라 미리 설정되는 가중치에 기초하여 액상화 가능성 지수(LPI)를 산출할 수 있다.
달리 말해, 본원에서 개시하는 평가 장치(100)는 액상화 지역의 지반거동을 해석적이나 물리적으로 모형화하기 어려운 특성을 고려하여, 액상화에 대한 안전율(FS, Factor of Safety)을 산정하며, 이러한 안전율(FS)은 대상 지반의 액상화에 대한 저항력을 표현하는 반복저항응력비(Cyclic Resistance Ratio, CRR)와 지진 시 지반에 발생하는 지진력을 표현하는 반복전단응력(Cyclic Stress Ratio, CSR)의 비(FS = CRR/CSR)로 정의할 수 있다.
또한, 평가 장치(100)는 액상화 평가를 통해 산정된 깊이별 액상화 안전율(FS)에 심도에 따른 가중치의 곱을 적분하여 2차원 데이터인 액상화 가능성 지수(LPI)로 변환하고, 이 값을 이용하여 액상화 가능성 지도(1)를 작성하는데 활용할 수 있다.
이와 관련하여, 액상화 안전율(FS)은 지중의 특정 깊이(특정 지층)에서 액상화 발생유무를 나타내는 값이지만, 지중에서 발생한 액상화가 항상 지표면까지 영향을 미치는 것은 아니고, 예시적으로 지표 1m 이하에서 액상화가 발생했을 경우와 지표 10m 이하에서 액상화가 발생했을 경우 지표면에 미치는 영향은 다르기 때문에, 액상화 가능성 지도(1)를 작성하기 위해서는 3차원 데이터인 깊이 방향의 액상화 안전율을 지표에서의 대표값인 2차원 데이터로 변환할 필요가 있기 때문에, 안전율(FS)에 대상 지반의 심도에 따른 가중치를 곱하고 이를 적분하여 얻어지는 LPI(Liquefaction Potential Index)를 하기 식 1에 기반하여 연산할 수 있다.
[식 1]
상기 식 1에서 안전율(FS)이 1 이상일 경우, F(z)는 0이고, 안전율(FS)이 1 이하일 경우, F(z)=1-FS(z)일 수 있다. 또한, w(z)=10-0.5z로 연산되며, z는 심도를 나타내는 파라미터이다.
이하에서는 도 8 내지 도 12를 참조하여 평가 장치(100)가 도출된 평가 정보를 이용하여 액상화 가능성 지도(1)를 생성(구축)하는 프로세스에 대하여 상세히 설명하도록 한다.
평가 장치(100)는 대상 지역을 이루는 지반 각각에 대하여 도출된 지진에 의한 충격으로 인하여 유체의 거동 특성을 보이는 액상화 현상의 발생 가능성과 연계된 평가 정보를 획득할 수 있으며, 여기서 평가 정보는 앞서 상세히 설명한 바와 같이 대상 지역을 이루는 지반 각각의 지반 정보, 지질 정보 및 지형 정보 중 적어도 하나를 포함하는 특성 데이터를 기초로 한 지반응답해석을 통해 도출되는 액상화 가능성 지수(LPI)를 포함하는 것일 수 있다.
한편, 본원의 일 실시예에 따르면, 평가 장치(100)는 획득된 평가 정보를 이용하여 액상화 가능성 지도(1)를 생성하고자 하는 범위인 대상 지역 내에서 평가 정보(즉, 액상화 가능성 지수)가 미획득된 지역에 대한 공간 보간을 수행할 수 있다.
구체적으로, 평가 장치(100)는 역거리가중법(IDW), 스플라인(Spline) 기법 및 크리깅(Kriging) 기법 중 적어도 하나를 포함하는 국지적 공간보간기법을 적용함으로써 평가 정보가 미획득된 국부적인 영역(지역)에 대한 공간 보간을 수행할 수 있다. 또한, 평가 장치(100)는 동일한 시추지점에서 다른 지반정보가 취득되는 경우, 상이한 지반 정보를 기초로 하여 각각 도출되는 액상화 가능성지수(LPI)의 평균값을 적용하여 보간할 수 있다.
또한, 평가 장치(100)는 시추결과별 액상화 가능성지수(LPI) 평가 결과와 실제 액상화 발생지점 등을 고려하여 교차검증을 통해 측정값과 예측값 간의 잔차 및 평균제곱근오차(Root Mean Square Error, RMSE)가 최소화되는 구체적인 국지적 공간보간기법을 선정하여 적용할 수 있다. 달리 말해, 평가 장치(100)는 도출된 평가 정보 및 실제 액상화 발생 지점에 대한 이력 정보를 기초로 하여 국지적 공간보간기법의 유형을 결정할 수 있다.
또한, 평가 장치(100)는 대상 지역의 지도 데이터에 평가 정보를 표시하는 액상화 가능성 지도(1)를 생성할 수 있다. 이와 관련하여 평가 정보는 미리 설정된 수치 구간에 따라 복수의 등급으로 분류될 수 있으며, 평가 장치(100)는 복수의 등급에 대응하여 미리 설정된 색상으로 지반 각각에 대응하는 영역을 표시하는 방식으로 액상화 가능성 지도(1)를 구축할 수 있다.
이와 관련하여, 복수의 등급은 액상화 가능성 지수(LPI)를 나타내며, 0이하의 값은 '매우 낮음' 등급으로, 0 내지 5범위의 값은 '낮음' 등급으로, 5 내지 15 범위의 값은 '높음' 등급으로, 15 내지 100 범위의 값은 '매우 높음' 등급으로 구분하는 4단계의 등급 구분이 예시적으로 적용될 수 있으나, 이에만 한정되는 것은 아니고, 대상 지역의 면적, 대상 지역에 대하여 분할된 격자망의 크기, 대상 지역 내에서 도출된 평가 정보의 통계치(평균값, 중간값, 분산 등) 등을 고려하여 등급의 개수 및 각 등급에 대응하는 평가 정보의 수치 구간은 본원의 구현예에 따라 다양하게 가변될 수 있음은 물론이다.
도 8은 평가 정보의 수치 구간에 따른 복수의 등급에 대하여 사전 설정되는 지도 상의 표시 방식을 예시적으로 나타낸 도표이다.
도 8을 참조하면, 평가 장치(100)는 예시적으로 색채는 수치지형도 위에 중복해 인쇄해도 읽을 수 있는 농도로 설정할 수 있으며, 고령자나 색각이상자 또한 용이하게 판별할 수 있도록 각각의 등급 구분에 따른 색채를 농담의 차이와 색상의 변화가 모두 큰 색상으로 결정할 수 있다. 또한, 평가 장치(100)는 액상화 가능성 지도(1) 채색 시 녹색, 황색, 주황색, 적색의 순서로 채색이 이루어지도록 할 수 있으나, 이에만 한정되는 것은 아니다.
도 9는 액상화 가능성 지도 상에 표시되는 방재관련 기관 도면표시 기호를 예시적으로 나타낸 도표이다.
도 9를 참조하면, 평가 장치(100)는 대상 지역 내의 시설, 지형 및 경계 중 적어도 하나를 나타내는 기호 정보를 지도 데이터 상에 표출할 수 있다.
예시적으로 평가 장치(100)는 관공서, 경찰서, 소방서, 의료시설, 대피시설을 기본도와 함께 표기하고, 도로노선은 도로등급에 따라 위계를 구분하여 지도 축척에 따라 표기하고, 철도노선은 철도와 도시철도를 포함하며 도시철도는 노선 색상을 구분하여 표기하고, 경계는 행정경계를 바탕으로 필요시 도엽, 지적도 등을 보조적으로 활용할 수 있으나 이에만 한정되는 것은 아니다.
도 10은 본원의 일 실시예에 따른 액상화 정보 관리 시스템에 의해 산출되는 액상화 가능성을 3차원 형태로 표시하는 실시예를 나타낸 도면이다.
도 10을 참조하면, 평가 장치(100)는 본원의 구현예에 따라서는 액상화 가능성 지도(1)를 포함하는 지도 인터페이스를 출력하는 사용자 단말(300), 관리자 단말(400) 등으로 인가된 사용자 입력, 사용자 단말(300), 관리자 단말(400) 등의 사양(스펙) 정보 등을 고려하여 각 영역의 수치화된 평가 정보를 입체적(3차원적)으로 표시할 수 있다.
또한, 평가 장치(100)는 생성된 액상화 가능성 지도(1)를 포함하는 지도 인터페이스를 사용자 단말(300), 관리자 단말(400) 등을 통해 출력할 수 있다.
도 11은 액상화 가능성 지도를 포함하는 지도 인터페이스의 레이아웃을 예시적으로 나타낸 도면이다.
도 11을 참조하면, 평가 장치(100)는 생성된 액상화 가능성 지도(1, 도 11의 A)와 이웃하는 위치 및 액상화 가능성 지도(1)의 내부 위치 중 적어도 하나에 방위 정보(도 11의 B), 스케일 정보(스케일바, 도 11의 C) 및 액상화 가능성 등급 정보(도 11의 D) 중 적어도 하나를 표출할 수 있다. 또한, 도 11을 참조하면, 평가 장치(100)는 지반액상화 가능성 지도 제목(도 11의 E), 제작일시/기관 정보(도 11의 F), 기호정보(도 11의 G) 등을 추가 정보로서 포함하는 지도 인터페이스를 출력할 수 있다.
도 12는 본원의 일 실시예에 따른 액상화 정보 관리 시스템을 통해 출력되는 지도 인터페이스를 예시적으로 나타낸 도면이다.
도 12를 참조하면, 평가 장치(100)는 미리 설정된 지진 재현주기에 대응하는 평가 정보를 도출할 수 있으며, 이에 기반하여 생성된 액상화 가능성 지도(1)에 대하여 적용된 지진 재현주기에 대한 정보를 표출할 수 있다(도 12의 '500년빈도' 참조.).
한편, 본원의 일 실시예에 따르면, 지도 인터페이스에 포함되는 바와 같이 지반액상화 가능성 지도 제목, 제작일시/기관 정보, 기호정보 등은 본원의 구현예에 따라서 도 11에 도시된 바와 같이 액상화 가능성 지도(1)의 하측에 상하 방향을 따라 상호 간격을 두고 배치되는 것이거나, 도 12에 도시된 바와 같이 액상화 가능성 지도(1)의 하측에 좌우 방향을 따라 상호 간격을 두고 배치되는 것일 수 있으나, 이에만 한정되는 것은 아니다.
도 13은 본원의 일 실시예에 따른 지반의 액상화 가능성에 대한 평가 장치의 개략적인 구성도이다.
도 13을 참조하면, 평가 장치(100)는 지역 선정부(110), 수집부(120), 전처리부(130), 액상화 평가부(140), 평가 정보 처리부(150), 가능성 지도 생성부(160) 및 인터페이스부(170)를 포함할 수 있다.
지역 선정부(110)는 미리 설정된 소정의 지역인 대상 지역의 항공 사진, 위성 사진, 지질도, 지형도 및 국가지진위험지도 중 적어도 하나를 포함하는 지도 데이터 및 대상 지역의 인구, 노후 건물, 산업 단지, 주요 시설 및 위험 시설 중 적어도 하나의 분포를 나타내는 지역 데이터를 포함하는 원시 데이터를 수집할 수 있다.
또한, 지역 선정부(110)는 해당 대상 지역에 대하여 수집된 원시 데이터를 이용한 액상화 가능성에 대한 예비 평가를 통해 대상 지역 내에서 대상 지반을 선정할 수 있다.
수집부(120)는 선정된 대상 지반의 지반 정보, 지질 정보 및 지형 정보 중 적어도 하나를 포함하는 특성 데이터를 수집할 수 있다.
또한, 전처리부(130)는 특성 데이터의 수집 오류와 이상치를 제거하고, 대상 지반의 액상화 가능성에 대한 평가를 위한 미리 설정된 특성 항목을 특성 데이터로부터 추출하는 전처리를 수행할 수 있다.
액상화 평가부(140)는 특성 데이터에 기초한 지반응답해석을 통해 대상 지반에 대하여 지진에 의한 충격으로 인하여 유체의 거동 특성을 보이는 액상화 현상의 발생 가능성과 연계된 평가 정보를 도출할 수 있다.
구체적으로 액상화 평가부(140)는 대상 지반의 액상화 평가를 위한 지진파를 선정하고, 대상 지반에 대응하는 지반 모델을 구축할 수 있다. 또한, 액상화 평가부(140)는 구축된 지반 모델 및 선정된 지진파를 이용하여 대상 지반에 대한 지반응답해석을 수행할 수 있다.
본원의 일 실시예에 따르면, 액상화 평가부(140)는 대상 지반의 지하수위를 결정하고, 대상 지반을 이루는 각 지층의 전단파 속도를 산정할 수 있다. 또한, 액상화 평가부(140)는 결정된 지하수위 및 전단파 속도를 고려하여 앞서 선정된 지진파에 대한 대상 지반의 상부 지반의 응답을 평가하는 지반응답해석을 수행할 수 있다.
또한, 액상화 평가부(140)는 지반응답해석의 수행 결과에 기초하여 상기 대상 지반의 액상화 가능성 지수를 평가 정보로서 연산할 수 있다.
구체적으로, 액상화 평가부(140)는 대상 지반의 액상화 반복저항응력비에 대한 지진력으로 유발되는 반복전단응력비의 비율인 안전율(FS)을 산출할 수 있다.
또한, 액상화 평가부(140)는 산출된 안전율(FS) 및 대상 지반의 심도에 따라 미리 설정되는 가중치에 기초하여 액상화 가능성 지수(LPI)를 산출할 수 있다. 이와 관련하여 본원의 일 실시예에 따르면, 액상화 평가부(140)는 안전율(FS) 및 심도별 가중치의 곱 연산 결과를 적분하여 2차원 데이터인 액상화 가능성 지수(LPI)를 안전율(FS)로부터 변환할 수 있다.
한편, 본원의 일 실시예에 따르면, 액상화 평가부(140)는 대상 지역을 이루는 영역 중 산림 영역을 제외한 영역에 대한 평가 정보를 선택적으로 도출할 수 있다. 달리 말해, 액상화 가능성 지도(1)를 구축(생성)하기 위한 평가 정보는 대상 지역을 이루는 영역 중 산림 영역에 대하여 도출되지 않을 수 있다.
평가 정보 처리부(150)는 획득된 평가 정보를 이용하여 대상 지역 내에서 평가 정보가 미획득된 지역에 대한 공간 보간을 수행할 수 있다. 구체적으로, 평가 정보 처리부(150)는 역거리가중법(IDW), 스플라인(Spline) 기법 및 크리깅(Kriging) 기법 중 적어도 하나를 포함하는 국지적 공간보간기법을 적용할 수 있다.
이와 관련하여 본원의 일 실시예에 따르면, 평가 정보 처리부(150)는 도출된 평가 정보 및 실제 액상화 발생 지점에 대한 이력 정보를 기초로 하여 국지적 공간보간기법의 유형을 결정할 수 있다.
가능성 지도 생성부(160)는 대상 지역의 지도 데이터에 상기 평가 정보를 표시하는 액상화 가능성 지도(1)를 생성할 수 있다.
구체적으로, 가능성 지도 생성부(160)는 평가 정보의 미리 설정된 수치 구간에 따라 정의되는 복수의 등급에 대응하여 미리 설정된 색상으로 지반 각각에 대응하는 영역을 표시할 수 있다.
인터페이스부(170)는 생성된 액상화 가능성 지도(1)를 포함하는 지도 인터페이스를 출력할 수 있다.
구체적으로, 인터페이스부(170)는 생성된 액상화 가능성 지도에 대하여 적용된 지진 재현주기에 대한 정보를 표출할 수 있다. 또한, 인터페이스부(170)는 생성된 액상화 가능성 지도와 이웃하는 위치 및 액상화 가능성 지도의 내부 위치 중 적어도 하나에 방위 정보, 스케일 정보 및 액상화 가능성 등급 정보 중 적어도 하나를 표출할 수 있다.
또한, 인터페이스부(170)는 대상 지역 내의 대피 시설을 포함하는 시설, 지형 및 경계 중 적어도 하나를 나타내는 기호 정보를 지도 데이터 상에 표출할 수 있다.
이하에서는 상기에 자세히 설명된 내용을 기반으로, 본원의 동작 흐름을 간단히 살펴보기로 한다.
도 14는 본원의 일 실시예에 따른 지반의 액상화 가능성에 대한 평가 방법에 대한 동작 흐름도이다.
도 14에 도시된 본원의 일 실시예에 따른 지반의 액상화 가능성에 대한 평가 방법은 앞서 설명된 평가 장치(100)에 의하여 수행될 수 있다. 따라서, 이하 생략된 내용이라고 하더라도 평가 장치(100)에 대하여 설명된 내용은 지반의 액상화 가능성에 대한 평가 방법에 대한 설명에도 동일하게 적용될 수 있다.
도 14를 참조하면, 단계 S11에서 지역 선정부(110)는 미리 설정된 소정의 지역인 대상 지역의 항공 사진, 위성 사진, 지질도, 지형도 및 국가지진위험지도 중 적어도 하나를 포함하는 지도 데이터 및 대상 지역의 인구, 노후 건물, 산업 단지, 주요 시설 및 위험 시설 중 적어도 하나의 분포를 나타내는 지역 데이터를 포함하는 원시 데이터를 수집할 수 있다.
다음으로, 단계 S12에서 지역 선정부(110)는 단계 S11에서 수집된 원시 데이터를 이용한 액상화 가능성에 대한 예비 평가를 통해 대상 지역 내에서 대상 지반을 선정할 수 있다.
다음으로, 단계 S13에서 수집부(120)는 대상 지반의 지반 정보, 지질 정보 및 지형 정보 중 적어도 하나를 포함하는 특성 데이터를 수집할 수 있다.
또한, 단계 S13 이후에 전처리부(130)는 특성 데이터의 수집 오류와 이상치를 제거하고, 대상 지반의 액상화 가능성에 대한 평가를 위한 미리 설정된 특성 항목을 특성 데이터로부터 추출하는 전처리를 수행할 수 있다.
다음으로, 단계 S14에서 액상화 평가부(140)는 특성 데이터에 기초한 지반응답해석을 통해 대상 지반에 대하여 지진에 의한 충격으로 인하여 유체의 거동 특성을 보이는 액상화 현상의 발생 가능성과 연계된 평가 정보를 도출할 수 있다.
본원의 일 실시예에 따르면, 단계 S14에서 액상화 평가부(140)는 대상 지역을 이루는 영역 중 산림 영역을 제외한 영역에 대한 평가 정보를 선택적으로 도출할 수 있다. 달리 말해, 액상화 가능성 지도(1)를 구축(생성)하기 위한 평가 정보는 대상 지역을 이루는 영역 중 산림 영역에 대하여 미획득될 수 있다.
다음으로, 단계 S15에서 평가 정보 처리부(150)는 획득된 평가 정보를 이용하여 대상 지역 내에서 평가 정보가 미획득된 지역에 대한 공간 보간을 수행할 수 있다.
보다 구체적으로, 단계 S15에서 평가 정보 처리부(150)는 역거리가중법(IDW), 스플라인(Spline) 기법 및 크리깅(Kriging) 기법 중 적어도 하나를 포함하는 국지적 공간보간기법을 적용할 수 있다.
또한, 본원의 일 실시예에 따르면, 단계 S15에서 평가 정보 처리부(150)는 도출된 평가 정보 및 실제 액상화 발생 지점에 대한 이력 정보를 기초로 하여 국지적 공간보간기법의 유형을 결정할 수 있다.
다음으로, 단계 S16에서 가능성 지도 생성부(160)는 대상 지역의 지도 데이터에 평가 정보를 표시하는 액상화 가능성 지도(1)를 생성할 수 있다.
구체적으로, 단계 S16에서 가능성 지도 생성부(160)는 평가 정보의 미리 설정된 수치 구간에 따라 정의되는 복수의 등급에 대응하여 미리 설정된 색상으로 지반 각각에 대응하는 영역을 표시할 수 있다.
다음으로, 단계 S17에서 인터페이스부(170)는 생성된 액상화 가능성 지도(1)를 포함하는 지도 인터페이스를 출력할 수 있다.
또한, 단계 S17에서 인터페이스부(170)는 생성된 액상화 가능성 지도에 대하여 적용된 지진 재현주기에 대한 정보를 표출할 수 있다.
또한, 단계 S17에서 인터페이스부(170)는 생성된 액상화 가능성 지도와 이웃하는 위치 및 액상화 가능성 지도의 내부 위치 중 적어도 하나에 방위 정보, 스케일 정보 및 액상화 가능성 등급 정보 중 적어도 하나를 표출할 수 있다.
또한, 단계 S17에서 인터페이스부(170)는 대상 지역 내의 대피 시설을 포함하는 시설, 지형 및 경계 중 적어도 하나를 나타내는 기호 정보를 지도 데이터 상에 표출할 수 있다.
상술한 설명에서, 단계 S11 내지 S17은 본원의 구현예에 따라서, 추가적인 단계들로 더 분할되거나, 더 적은 단계들로 조합될 수 있다. 또한, 일부 단계는 필요에 따라 생략될 수도 있고, 단계 간의 순서가 변경될 수도 있다.
도 15는 액상화 현상의 발생 가능성과 연계된 평가 정보를 도출하는 프로세스에 대한 세부 동작 흐름도이다.
도 15에 도시된 액상화 현상의 발생 가능성과 연계된 평가 정보를 도출하는 프로세스는 앞서 설명된 평가 장치(100)에 의하여 수행될 수 있다. 따라서, 이하 생략된 내용이라고 하더라도 평가 장치(100)에 대하여 설명된 내용은 도 15에 대한 설명에도 동일하게 적용될 수 있다.
도 15를 참조하면, 단계 S141에서 액상화 평가부(140)는 대상 지반의 액상화 평가를 위한 지진파를 선정할 수 있다.
다음으로, 단계 S142에서 액상화 평가부(140)는 대상 지반에 대응하는 지반 모델을 구축할 수 있다.
다음으로, 단계 S143에서 액상화 평가부(140)는 구축된 지반 모델 및 선정된 지진파를 이용하여 대상 지반에 대한 지반응답해석을 수행할 수 있다.
구체적으로, 단계 S143에서 액상화 평가부(140)는 대상 지반의 지하수위를 결정할 수 있다. 또한, 단계 S143에서 액상화 평가부(140)는 대상 지반을 이루는 각 지층의 전단파 속도를 산정할 수 있다. 또한, 단계 S143에서 액상화 평가부(140)는 지하수위 및 전단파 속도를 고려하여 앞서 선정된 지진파에 대한 대상 지반의 상부 지반의 응답을 평가할 수 있다.
다음으로, 단계 S144에서 액상화 평가부(140)는 지반응답해석의 수행 결과에 기초하여 상기 대상 지반의 액상화 가능성 지수를 평가 정보로서 연산할 수 있다.
구체적으로, 단계 S144에서 액상화 평가부(140)는 대상 지반의 액상화 반복저항응력비에 대한 지진력으로 유발되는 반복전단응력비의 비율인 안전율(FS)을 산출할 수 있다.
또한, 단계 S144에서 액상화 평가부(140)는 산출된 안전율(FS) 및 대상 지반의 심도에 따라 미리 설정되는 가중치에 기초하여 액상화 가능성 지수(LPI)를 산출할 수 있다. 이와 관련하여 본원의 일 실시예에 따르면, 단계 S144에서 액상화 평가부(140)는 안전율(FS) 및 심도별 가중치의 곱 연산 결과를 적분하여 2차원 데이터인 액상화 가능성 지수(LPI)를 안전율(FS)로부터 변환할 수 있다.
상술한 설명에서, 단계 S141 내지 S144는 본원의 구현예에 따라서, 추가적인 단계들로 더 분할되거나, 더 적은 단계들로 조합될 수 있다. 또한, 일부 단계는 필요에 따라 생략될 수도 있고, 단계 간의 순서가 변경될 수도 있다.
본원의 일 실시예에 따른 지반의 액상화 가능성에 대한 평가 방법은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다. 상기 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 상기 매체에 기록되는 프로그램 명령은 본 발명을 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. 컴퓨터 판독 가능 기록 매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체(magnetic media), CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체(optical media), 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical media), 및 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다. 프로그램 명령의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다. 상기된 하드웨어 장치는 본 발명의 동작을 수행하기 위해 하나 이상의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.
또한, 전술한 지반의 액상화 가능성에 대한 평가 방법은 기록 매체에 저장되는 컴퓨터에 의해 실행되는 컴퓨터 프로그램 또는 애플리케이션의 형태로도 구현될 수 있다.
전술한 본원의 설명은 예시를 위한 것이며, 본원이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본원의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.
본원의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본원의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
10: 액상화 정보 관리 시스템
100: 지반의 액상화 가능성에 대한 평가 장치
110: 지역 선정부
120: 수집부
130: 전처리부
140: 액상화 평가부
150: 평가 정보 처리부
160: 가능성 지도 생성부
170: 인터페이스부
101: 데이터베이스
200: 외부 서버
300: 사용자 단말
400: 관리자 단말
20: 네트워크
1: 액상화 가능성 지도

Claims (8)

  1. 지반의 액상화 가능성에 대한 평가 방법에 있어서,
    미리 설정된 소정의 지역인 대상 지역의 항공 사진, 위성 사진, 지질도, 지형도 및 국가지진위험지도 중 적어도 하나를 포함하는 지도 데이터 및 상기 대상 지역의 인구, 노후 건물, 산업 단지, 주요 시설 및 위험 시설 중 적어도 하나의 분포를 나타내는 지역 데이터를 포함하는 원시 데이터를 수집하는 단계;
    상기 원시 데이터를 이용한 액상화 가능성에 대한 예비 평가를 통해 상기 대상 지역 내에서 대상 지반을 선정하는 단계;
    상기 대상 지반의 지반 정보, 지질 정보 및 지형 정보 중 적어도 하나를 포함하는 특성 데이터를 수집하는 단계;
    상기 특성 데이터의 수집 오류와 이상치를 제거하고, 상기 대상 지반의 액상화 가능성에 대한 평가를 위한 미리 설정된 특성 항목을 상기 특성 데이터로부터 추출하는 전처리를 수행하는 단계; 및
    전처리된 상기 특성 데이터에 기초한 지반응답해석을 통해 상기 대상 지반에 대하여 지진에 의한 충격으로 인하여 유체의 거동 특성을 보이는 액상화 현상의 발생 가능성과 연계된 평가 정보를 도출하는 단계,
    를 포함하되,
    상기 대상 지반을 선정하는 단계는,
    상기 지도 데이터에 기반하여 시계열적인 비교 분석을 통해 상기 대상 지역의 매립지 조성여부를 파악하고, 상기 매립지의 분포가 높을수록 상기 액상화 가능성이 상대적으로 높은 영역인 것으로 평가하고, 상기 지역 데이터에 기반하여 인구밀도 및 노후건물 분포가 높을수록 액상화 발생 시 피해발생 가능성이 큰 영역인 것으로 평가하고, 지중 구조물이 위치한 지반에는 가중치를 할당하여 액상화 발생 가능성 및 액상화 발생 시 피해발생 가능성을 평가하는 상기 예비 평가를 수행하는 것이고,
    상기 전처리를 수행하는 단계에서 제거된 상기 수집 오류 및 상기 이상치를 포함하는 특성 데이터에 대응하는 지반이 향후 수행되는 상기 예비 평가에서 상기 대상 지반으로 선정될 확률이 상향 조정되는 것을 특징으로 하는, 평가 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 평가 정보를 도출하는 단계는,
    상기 대상 지반의 액상화 평가를 위한 지진파를 선정하는 단계;
    상기 대상 지반에 대응하는 지반 모델을 구축하는 단계;
    상기 지반 모델 및 상기 선정된 지진파를 이용하여 상기 지반응답해석을 수행하는 단계; 및
    상기 지반응답해석의 수행 결과에 기초하여 상기 대상 지반의 액상화 가능성 지수를 상기 평가 정보로서 연산하는 단계,
    를 포함하는, 평가 방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 연산하는 단계는,
    상기 대상 지반의 액상화 반복저항응력비에 대한 지진력으로 유발되는 반복전단응력비의 비율인 안전율을 산출하는 단계; 및
    상기 산출된 안전율 및 상기 대상 지반의 심도에 따라 미리 설정되는 가중치에 기초하여 상기 액상화 가능성 지수를 산출하는 단계,
    를 포함하는 것인, 평가 방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 액상화 가능성 지수를 산출하는 단계는,
    상기 안전율 및 상기 가중치의 곱 연산 결과를 적분하여 2차원 데이터인 상기 액상화 가능성 지수를 상기 안전율로부터 변환하는 것인, 평가 방법.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 특성 데이터는,
    상기 대상 지반의 공간 좌표 정보, 지층 구성 정보, 표준관입시험 결과 정보, 현장시험 결과 정보 및 물성시험 결과 정보 중 적어도 하나를 포함하는 것인, 평가 방법.
  6. 제2항에 있어서,
    상기 지반응답해석을 수행하는 단계는,
    상기 대상 지반의 지하수위를 결정하는 단계;
    상기 대상 지반을 이루는 각 지층의 전단파 속도를 산정하는 단계; 및
    상기 지하수위 및 상기 전단파 속도를 고려하여 상기 선정된 지진파에 대한 상기 대상 지반의 상부 지반의 응답을 평가하는 단계,
    를 포함하는 것인, 평가 방법.
  7. 삭제
  8. 삭제
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2003287573A (ja) * 2002-03-28 2003-10-10 Osaka Gas Co Ltd 地震被害の推定方法
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