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('20년 연구) 지진재해 경감을 위한 소형전자기기 기반의 지반과 건축물 진동계측 방안

강재도 수석연구원, 박성호 전임연구원 2021.02.26 140

국내외 대규모 지진 발생 추이 증가. 이로 인한 인명 및 재산 피해 발생

최근 세계 각지에서 규모 7.0 이상의 대규모 지진 및 지진해일 발생이 증가 추세에 있으며, 이로 인한 대규모의 인명 및 재산 피해가 발생하고 있다. 국내에서도 규모 2.0 이상 지진의 연평균 발생 횟수가 꾸준히 증가하고 있다. 특히, 큰 인명 및 재산 피해를 발생시킨 2016년 경주지진(규모 5.8)과 2017년 포항지진(규모 5.4)을 계기로 우리나라도 지진으로 인한 가시적 피해가 발생할 수 있으며 이에 대한 국가·지자체 차원의 대응 전략 수립 및 기술 개발의 필요성에 대한 사회적 공감대가 형성되었다.

서울시는 많은 인구와 기반시설이 밀집되어 지진 발생 시 큰 피해 우려. 발생 가능한 지진피해 저감을 위한 대응 체계 구축 필요

서울에서의 지진 발생 가능성은 전문가에 따라 의견이 갈리나 많은 인구와 국가기반시설이 밀집된 서울에서 지진이 발생할 경우, 국가적인 피해가 발생할 가능성이 매우 크며 이에 대한 대응 전략 수립이 필요하다는 데에는 이견이 없다. 즉, 서울시 차원에서 발생할 수 있는 지진과 그에 따른 피해 저감을 위해 지진대응 선진국(미국, 일본 등) 수준의 대응력 확보가 필요하다.

지진 대비 선진국의 경우, 지진계, MEMS 센서, 유저 스마트폰 등을 활용하여 스마트 지진 대응 체계 개발 및 구축 중

지진 대응 선진국인 미국과 일본에서는 지진 발생 후 신속한 의사결정을 위해 지진 진동을 지진계, MEMS 센서, 유저 스마트폰 등으로 여러 곳에서 설치하여 계측한 결과를 활용한 빅데이터 기반 스마트 지진 대응 체계를 구축하고 있다. 또한, 대응 체계 고도화를 목적으로 다양한 센싱 관련 기술 개발 및 실증에 집중하고 있다.

서울시의 스마트 지진 대응 체계 구축을 위해 소형전자기기, MEMS 센서 등 대체·보조 센서 적용 가능. 이에 대한 성능검증이 우선시되어야

서울시도 지진 발생 시 신속한 대응을 위해 상위 제시된 바와 같은 스마트 지진 대응 체계 구축이 필요하다. 이를 위해 행정안전부 고시 “지진가속도계측기 설치 및 운영기준(제2017-1호, ’17.07.26.)”에 따라 시청 및 25개 자치구청 등에 설치된 지진가속도계측기를 활용할 수 있으나, 다음과 같은 2가지 한계점이 있다.

① 기존 지진가속도계측기 설치 개수 부족. 고가의 제품으로 추가 설치의 어려움.

② 이를 대체할 수 있는 소형전자기기(스마트폰, CCTV 등) 및 국내 중저가 MEMS 센서의 적용이 가능하나, 우선적으로 요구성능 만족 여부에 대한 검증 필요

소형전자기기, MEMS 센서의 지진동계측성능 검증. 지반·건축물 대상 지진동계측기로 활용되기에는 일부 보완 필요

관련 업체 미팅, 현장 조사를 통해 실제 현장에서 계측기로 활용 가능한 소형전자기기 3종 15기기(스마트폰 : 12기기, 카메라 : 1기기, MEMS 센서 : 2기기)를 선정하고, 기기별 자체 잡음수준 분석, 진동(정현파, 지진파) 계측성능 검증, 실제 지반탐사 및 2층 조적조 건축물 3축 진동대 실험을 적용하여 지진동계측기의 활용 가능성을 검증하였다.

①데이터 수집 : 지진감시를 위하여 초당 50~100 샘플의 데이터를 수집할 필요가 있는데, 소형전자기기 및 국내 개발 중저가 MEMS의 샘플링 레이트는 100 Hz 이상으로 이를 만족함. 다만, 안드로이드 기반 스마트폰은 어플리케이션 영향으로 장시간 계측 시 데이터 수집 주기가 변경됨. 이에 대한 보완 필요

②동적범위(Dynamic range) : 스마트폰 및 중저가 MEMS의 센서의 동적범위는 60 dB 전후로 일정 진폭 이상의 데이터를 측정하는 데에는 활용 가능함. 다만, 상시미동을 계측하기 위한 동적범위 수준을 만족하지 못하여 지진계 및 지반·건축물 대상 상시미동 계측기로 사용하기에는 부적합함. 이를 만족할 수 있는 고성능 MEMS 센서 개발 필요

③데이터 처리 기술 : 저사양의 센서로 취득한 데이터에서 건축물 내력 및 강성 저하 등을 판단하는 데에는 공학자의 지식에 따라 정확도가 좌우됨. 이를 극복하기 위한 건축물 손상도 평가 시스템 등 AI 및 빅데이터 처리 기술 개발 필요

성능검증 결과를 토대로 대응 체계 구축에 사용 가능한 소형전자기기 분류. 이를 바탕으로 한 지반과 건축물 진동계측 방안 도출

앞선 조사자료와 소형전자기기의 성능평가 및 실증실험 결과를 토대로, 계측 대상별로 적용 가능한 소형전자기기를 표 1과 같이 분류하여 제안하였다.

[1] 지진재해 경감을 위한 필요 데이터 계측을 위한 소형전자기기

구분

계측 대상

추정값

사용 가능한 소형전자기기

지반 진동계측

지진 크기

진도(I~III)

-

진도(IV~XII)

1) 사용자 스마트폰 미국 및 일본 실용화 단계

2) CCTV

지반 연약도

전단파속도(Vs)

지반 탁월주기(Tg)

1) 최근 개발된 고성능 MEMS 센서

건축물 진동계측

구조물 내진성능

고유주기(Tn)

감쇠비( )

1) 최근 개발된 고성능 MEMS 센서

2) 국내 중저가 MEMS 센서

3) 폐스마트폰

건축물 손상율

건축물 손상도

(사용 가능여부)

1) 최근 개발된 고성능 MEMS 센서

2) 폐스마트폰

또한, 건축물 유형별로 계측 필요성과 활용 가능한 소형전자기기를 연관지어 데이터 계측 방안을 제안하였다(그림 1).

①주요 공공건축물 : 지진재난 발생 시 대응에 필수적인 거점시설이므로 지진 이후 즉시 공공서비스 기능을 유지할 필요가 있다. 그러므로 부지의 지반 특성과 건축물의 사용기간에 따른 내진성능 변화 등을 장기간에 걸쳐 평가할 필요가 있으며, 지진 발생 시 즉각적인 대피 및 사용 여부를 판단할 필요가 있다. 이러한 판단자료를 제공하기 위해 적용 가능한 소형전자기기는 다음과 같다.

- 소형전자기기 : 고성능 MEMS 센서(건축물 내진성능 변화 평가 및 지반 특성 평가), 유저 스마트폰(진도 추정)

②기타 공공건축물과 학교 : 지진재난 발생 시 피난·대피 시설로 사용될 가능성이 크고 노인과 미취학 아동 등 취약계층이 많은 곳이다. 이에, 지진 발생 직후 피난 안내 및 건축물 사용성을 즉각 판단하기 위해 건축물의 손상도를 추정하는 것이 중요하며, 적용 가능한 소형전자기기는 다음과 같다.

- 소형전자기기 : 유저 스마트폰(진도 추정), 폐스마트폰(건축물 손상도 평가)

③병원 : 지진재난 발생 시 대응에 필수적인 거점시설이므로 공공서비스 기능을 항상 유지할 필요가 있다. 그러므로 건축물의 사용기간에 따른 내진성능 변화 및 지반 특성을 평가할 필요가 있으며, 지진 발생 시 즉각적인 대피 및 사용 여부를 확인할 필요가 있다. 이를 위해 적용 가능한 소형전자기기는 다음과 같다.

- 소형전자기기 : 고성능 MEMS 센서(건축물 내진성능 변화 평가), 고성능 MEMS 센서(지반 특성 평가), 유저 스마트폰(진도 추정)

④편의점과 유통업체 : 다중이 이용하는 시설로 국외에서는 지진 발생 직후 물류량을 파악 및 긴급물품 보급 네트워크망의 한 축을 담당하는 시설로 지진재난에서 준공공시설로 보는 경향이 있다. 편의점과 유통업체에서는 필요 물품 보관을 위해 CCTV를 활용하고 있으므로 이 기술을 활용하면, 지진 발생 직후 공공기관에 진도 추정을 위한 빅데이터를 제공할 수 있다. 진도 추정을 위해 적용 가능한 소형전자기기는 다음과 같다.

- 소형전자기기 : 유저 스마트폰(진도 추정), CCTV(진도 추정)

⑤주거시설 : 지진 발생 직후 지진 피난 요령 등을 공공기관에서 안내하기 위해 지진 크기를 즉각적으로 판단할 필요가 있으므로 미국의 MyShake 등 기 개발 시스템과 연계한 서울시 자체 시스템 또는 기상청에서 발신하는 지진 관련 정보를 수신할 수 있는 시스템이 필요하다. 또한, 지진 직후 시설의 사용 여부를 판단하여 안내하기 위해 손상도를 평가할 필요가 있다. 이러한 서비스를 구현하기 위해 적용 가능한 소형전자기기는 다음과 같다.

- 소형전자기기 : 유저 스마트폰(진도 추정), 폐스마트폰(건축물 손상도 평가)

[그림1] 지진재해 저감 데이터 스테이션 개념도