지진과 진도 그리고 스마트 센서
휴네이처 AIOT 연구소 (www.hunature.net)
2017년 경주 지진, 2018년 포항 지진으로 부상자 & 이재민이 발생하고, 상당한 재산피해액으로 우리나라도 더 이상 지진의 안전지대가 아님이 밝혀졌다.
또한 지진발생횟수가 매년 증가하는 경향을 보이고 있고, 발생하는 지진의 규모는 증가 추세이진 않지만, 경주, 포항 지진처럼 내륙과 가까운 곳에서 발생하면 인명 및 시설물의 피해가 막심하기 때문에 지진의 예방 및 예측의 중요성이 화두가 되고 있다.
<국내 지진 발생 횟수>
[진도 계급]
국내는 현재 기상청에서 지진으로 생긴 흔들림의 크기를 측정하는 진도 계급 중 하나인 수정 메르칼리 진도 계급(Modified Mercalli intensity scale, 약자로 MM 또는 MMI)를 사용하고 있으며, 특정 위치의 지진으로 인한 영향을 측정하는 크기로 지진의 절대적인 힘이나 강도를 측정하는 지진 규모와는 다르다.
수정 메르칼리 진도 계급은 12단계로 분류되며, 표기는 로마 숫자로 한다. 계측 기준은 최대지반가속도(PGA : Peak Ground Acceleration)이며 단위는 g를 쓴다. (1g = 980gal)
[지진계의 종류]
지진 발생시 사방으로 전파되는 지진파를 기록하는 지진계(Seismometer)라는 장비를 이용하여 지진의 규모와 위치등을 분석한다.
지진계의 종류에는 아날로그, 디지털 지진계로 구분되며, 종이에 둘러싸인 회전통이 돌아가면서 진동을 기록하는 것이 아날로그 지진계이고, 아날로그 지진계의 단점(정보 손실 & 가공 어려움)을 보완한것이 디지털 지진계이다.
디지털 지진계는 지진의 규모, 발생 깊이, 위치, 발생 시각을 측정하는 속도계 지진계와 진동의 크기를 측정하여 진도 산출에 활용하는 가속도계로 구분되며 그 외 특수한 목적을 위한 저가형 지진계(MEMS등), 가속도 센서를 이용한 지진계도 존재한다.
[지진 감지 센서]
상기 언급한 지진계들은 관계 기관이나, 특수 기업에서 지진의 상세한 데이터를 분석하기 위해 사용하는 전문 장비 이기 때문에, 지진의 정보 접근성에 어려운 점이 있다. 하지만 센서를 이용한 간이 지진 계측 장비를 활용하면 일반적 수준에서는 충분히 활용할 수 있을 것이다.
지진 간이 계측용 센서는 기울기 센서, 진동 감지 센서, 가속도 센서 크게 3가지로 구분할 수 있는데, 기울기 센서는 특정 각도 이상에서 센서 내부의 쇠공이 움직여서 연결되는 원리이고, 진동 센서는 일정 강도 이상으로 진동하면 내부 코일이 외부 전선에 연결되는 원리이다.
<기울기 센서>
<진동 센서>
가속도 센서는 지구의 중력가속도를 기준으로 사물이 얼마만큼의 힘을 받고 있는지 측정하는 센서로서, 센서의 작용하는 중력가속도를 X, Y, Z축 벡터 3개로 나누어 크기를 측정하는 원리이다.
정지된 상태에서도 특정한 값을 갖기 때문에 기울어진 정도를 파악하거나 진동을 파악하는데 많이 사용되지만, 지표면에 수직인 면에 대해 회전하는 각(방위각)은 측정할 수 없는 단점이 있고 지진의 절대적인 영향이 건물과 같은 시설물에 피해가 집중된다는 점을 고려했을 때 한계가 있다.
[SI Value]
시설물의 대한 지진파의 파괴력으로 인한 피해는 지진발생시의 시설물의 진동에너지와 지진의 지속시간이 기여하는데, 이 지진파의 지속시간을 고려하기 위해 제안되었으며, 구조물의 지진 파괴력을 평가하는 표준이다.
위의 식과 같이 실시간으로 계측되는 가속도를 단자유도 시설물에 입력하여 속도응답을 구하고 이를 0.1초와 2.5초 사이의 고유주기 범위에 대하여 평균치를 구해 kine(cm/sec)의 단위로 수치화한 것이다. (T : 고유주기, h : 감쇠비, Sv(T,h) : 속도응답스펙트럼)
[SI Value 가 필요한 이유]
동일한 가속도나 크기라도 건물의 손상은 주파수 범위나 시간 때문에 더 커질 수 있는데, 구조물의 실제 손상은 가속(Gal)에만 기반한 재래식 지진 감시 시스템으로는 추정할 수 없다. 따라서 구조물의 실제 손상을 이해하기 위한 값을 사용해야 한다.
<Gal 수치가 같지만 구조물의 피해 정도가 다름>
아래 그림에서 알 수 있듯이 지진에 의한 피해의 유무는 최대가속도보다도 SI값의 대소로 판단하는 것이 더욱 정확하다는 것을 알 수 있으며, 약 30 kine의 값이 시설물의 피해 발생여부를 판단하는 기준치임을 확인할 수 있다. 또한 SI값과 지진파에 의한 진동정도를 나타나는 계측진도 사이에는 매우 상관성이 높기 때문에, 일본 기상청이 정비하고 있는 지진관측망의 지표로서 아래 식과 같은 SI값을 이용한 간이 계측진도를 사용하고 있다.
<SI값과 최대가속도의 관계> <계측진도와 SI값의 관계>
[결론]
지진 발생시 지진의 종류, 진원과의 거리, 지표면의 구조, 구조물의 형태 및 구조에 따라 피해는 천차만별이고 상대적이기 때문에, 측정된 지진의 강도(진도)의 절대적 수치로 건물 피해의 정도를 모든 구조물에 일괄적으로 적용하기가 어렵다.
건물내에 가속도와 SI 측정 센서를 활용한 지진 간이 계측 장비들을 사용하면 쉽고 저렴한 비용으로 지진 및 건물진동을 알 수 있고 이를 서버와 연동하여 실시간 지진 및 건물 진동 경보에 활용하여 거주자와 시민의 피해를 예방하고 건물의 유지보수 및 스마트시티 사업 등 다양한 분야의 Bigdata로 활용할 수 있을 것이다.
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