최대 지반 가속도
1. 개요
최대 지반 가속도(PGA)는 지진 발생 시 지반의 움직임, 즉 가속도를 나타내는 지표로, 지진의 강도를 평가하는 데 사용된다. PGA는 단층의 길이, 지진 규모, 진원 깊이 등 여러 요인에 따라 달라지며, 지진파의 감쇠 정도에 따라 동일한 지진에서도 지역별로 다르게 나타날 수 있다. PGA는 g (중력가속도) 또는 m/s² 단위로 표시되며, 지반의 종류에 따라 PGA 값이 크게 달라질 수 있다. 지진공학에서는 유효 최대 가속도(EPA)를 사용하여 건물의 내진 설계를 위한 지진 위험 평가에 활용하며, PGA는 지진의 진도와도 관련이 있다. 한국은 상대적으로 지진 발생 빈도가 낮지만, 최근 중규모 지진 발생으로 인해 지진 위험에 대한 인식이 높아지고 있다.
| 정의 | 지진 발생 시 특정 위치에서 기록된 최대 지반 가속도 |
|---|---|
| 약칭 | PGA (Peak Ground Acceleration) |
| 지진 위험도 평가 | 지진 위험도 및 강도 측정을 위한 핵심 파라미터 |
|---|---|
| 건축 설계 | 건축물 및 기반 시설의 내진 설계 기준 |
| 핵발전소 | 핵발전소의 내진 설계를 위한 '설계 기준 지진 동요' 설정에 사용 |
| 강도 척도 | 계기 강도 척도에 사용 |
| 단위 | 중력 가속도 (g) 또는 m/s² |
|---|---|
| 일반적인 값 | 경미한 지진: 0.001g 미만 심각한 지진: 0.1g 이상 |
| 상관 관계 | PGA 값은 수정 메르칼리 진도 계급(MMI)과 같은 지진 강도 척도와 관련이 있음. |
|---|---|
| 추정 | 지진 발생 후 PGA 값을 사용하여 진앙지로부터의 거리에 따른 지진 강도를 추정 |
| 요인 | 지진 규모, 진원 깊이, 진앙 거리, 지반 조건 등이 PGA 값에 영향 |
|---|---|
| 증폭 | 연약한 지반은 지진파를 증폭시켜 PGA 값을 증가시킬 수 있음 |
| 참고 | PGA는 지진으로 인한 잠재적 손상 정도를 추정하는 데 사용되는 여러 파라미터 중 하나임 |
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지진공학 -
지진학
지진학은 지진과 지구 내부 구조를 연구하는 지구과학의 한 분야로, 리스본 대지진 이후 과학적 연구가 본격화되어 지진계 발달과 판구조론 발전에 힘입어 지진 발생 메커니즘 연구가 심화되었으며, 지진 예측 및 재해 경감, 지구 내부 구조 규명 등에 기여하고 있다. -
지진공학 -
지진해일
지진해일은 해저 지진, 수중 산사태, 화산 폭발 등으로 발생하여 심해에서는 파장이 길지만 해안에서 높이가 급격히 증가해 큰 피해를 주는 해일로, 지진해일 경보 시스템 구축과 방재 대책 수립이 중요하다. -
지진학 -
판 구조론
판 구조론은 암석권이 여러 개의 판으로 나뉘어 연약권 위를 이동하며 지진, 화산 활동, 산맥 형성 등의 지질학적 현상을 일으키는 이론으로, 1960년대 후반에 정립되어 해저 자기 줄무늬 패턴과 고지자기 자료로 뒷받침되며 지구과학의 핵심 이론으로 자리 잡았으나, 판 운동의 원동력에 대한 연구는 현재도 진행 중이다. -
지진학 -
진앙
진앙은 지진이 발생한 지표면의 지점을 의미하며, 지진파 분석을 통해 위치를 파악하고 지진 규모 및 피해 예측에 활용한다.
2. 지구물리학
지진 에너지는 진원에서부터 파동이 전파되며 지반을 모든 방향으로 움직이게 만들지만, 보통 수평(전후좌우 2방향)과 수직 두 가지로 모델링할 수 있다. 최대 지반 가속도(PGA)는 이런 지반 움직임의 가속도(속도의 변화율)를 기록하며, 최대 지반 속도는 지반이 도달한 최대 속도(이동 속도)이고 최대 변위는 지반이 움직인 폭을 의미한다. 이 값들은 단층의 길이, 지진 규모, 진원 깊이, 진원과의 거리, 지속 시간(흔들림의 주기), 지반의 지질 등 다양한 요인에 따라 달라진다. 진원 깊이가 얕은 천발지진에서는 지진파가 감쇠가 덜 된 상태에서 지표면에 도달하기 때문에 중발지진 및 심발지진보다 더 강한 흔들림(가속도)을 만들어낼 확률이 높다.
최대 지반 가속도는 소수점이 있는 g(지구의 표준 중력가속도, g포스와 동일) 혹은 백분율로 나타낸 %g, 아니면 m/s2 (1 g = 9.81 m/s2)로 나타낼 수 있으며 그 외에도 gal(1 gal = 0.01 m/s2, 1 g = 981 Gal)로 표기할 수 있다.
지진이 발생하면 지반 가속도는 수직(상하를 의미하는 V 또는 UD로 표기) 방향과 2개의 수평 방향(H1, H2) 세 가지 방향으로 측정되며 이 중 수평 방향은 보통 남북(NS)와 동서(EW) 방향으로 측정한다. 각각의 방향에서 최대 가속도가 기록되며 셋 중 가장 높은 값이 최대 지반 가속도로 측정되는 경우가 있다. 하지만 특정 지진관측소에서는 이 세 방향을 합친 합성 가속도값을 기록하는 경우도 있다. 최대 수평 지반 가속도(PHA)는 이 중 더 높은 값을 가진 개별 가속도 성분을 선택하거나, 두 값의 평균을 취하거나, 구성 성분의 벡터합을 취해 계산할 수 있다. 수직 성분도 고려해 3방향 성분의 합을 쓸 수도 있다.
2.1. 지반 조건의 영향
지반의 성질은 지반 가속도에 큰 영향을 줄 수 있으며, 특히 중규모에서 대규모 지진의 경우 최대지반가속도(PGA)는 수 km 거리 차이로 큰 차이를 보일 수 있다. 지진으로 관측된 지역별 PGA 값은 강진동 지도로 나타낼 수 있다. PGA에는 여러 복잡한 요소가 관계되어 있기 때문에 비슷한 규모의 지진이라도 서로 다른 PGA를 기록할 수 있으며, 중간 규모의 지진이 큰 규모의 지진보다 훨씬 더 큰 PGA를 기록하는 경우도 있다.
3. 지진 위험과 공학의 활용
지진학자들은 과거 지진 자료와 지리적 탐구를 통해 지진 위험도를 결정하고, 특정 지역에서 관측 가능한 최대 지반 가속도(PGA) 값과 그 초과 확률(PE)을 보여주는 지진 위험 지도를 작성한다. 지진 공학자와 정부 계획 부서는 이 지도를 활용하여 각 구역의 건물에 적절한 지진하중을 결정한다. 또한 병원, 교량, 발전소와 같은 주요 시설물은 최대 고려 지진(MCE)을 견딜 수 있도록 설계해야 한다.
건물 피해는 최대 지반 속도(PGV)와 지진 지속 시간에 밀접하게 관련되어 있으며, 강한 흔들림이 오래 지속될수록 피해가 커질 가능성이 높다.
3.1. 유효 최대 가속도(EPA)
지진 공학에서는 유효 최대 가속도(EPA, Effective Peak Acceleration영어)가 종종 사용되며, 이는 건물이 실제로 받는 최대 지반 가속도를 의미한다.
4. 진도와의 관계
최대 지반 가속도(PGA)는 지진계의 가속도계에 기록되는 객관적인 값인 반면, 진도는 목격자의 경험, 흔들림 감각, 관측된 피해 등을 기반으로 평가하는 주관적인 체계이다. PGA와 진도는 어느 정도 상관관계가 있지만, 지진 공학적 대비 정도 등 다른 요인에 의해서도 영향을 받으므로 항상 일치하지는 않는다.
일반적으로,
* 0.001 g (0.01m2)에서 사람이 감지할 수 있다.
* 0.02 g (0.2m2)에서 사람이 균형을 잃는다.
* 0.50 g (5m2) 이상은 매우 강한 가속도로, 지속 시간이 짧다면 잘 설계된 건물이 버틸 수 있다.
미국 지질 조사국(USGS)은 최대 지반 가속도와 최대 지반 속도를 메르칼리 진도 계급과 유사한 진도 계급으로 나타내는 기기 진도 계급을 개발했다. 이러한 값은 전 세계 지진학자들이 흔들림 지도를 만드는 데 사용한다.
| 기기 진도 | 가속도 (g) | 속도 (cm/s) | 체감 흔들림 | 잠재적 피해 |
|---|---|---|---|---|
| I | < 0.000464 | < 0.0215 | 감지 안됨 | 없음 |
| II–III | 0.000464 – 0.00297 | 0.135 – 1.41 | 미약 | 없음 |
| IV | 0.00297 – 0.0276 | 1.41 – 4.65 | 경미 | 없음 |
| V | 0.0276 – 0.115 | 4.65 – 9.64 | 보통 | 매우 경미함 |
| VI | 0.115 – 0.215 | 9.64 – 20 | 강함 | 경미함 |
| VII | 0.215 – 0.401 | 20 – 41.4 | 매우 강함 | 보통 |
| VIII | 0.401 – 0.747 | 41.4 – 85.8 | 심각 | 보통에서 심각 |
| IX | 0.747 – 1.39 | 85.8 – 178 | 격렬 | 심각 |
| X+ | > 1.39 | > 178 | 극심 | 매우 심각 |
4.1. 수정 메르칼리 진도 계급 (대한민국 기상청 기준)
대한민국 기상청에서는 2018년 11월부터 자체적인 수정 메르칼리 진도 계급을 마련해, 최대 진도를 발표할 때 최대 지반 속도(PGV)와 최대 지반 가속도(PGA)에 따라 진도를 결정하는 계기진도체계를 갖추고 있다. 아래 표는 대한민국 기상청이 전국 각 지역의 유감진도(사람이 느끼는 정도) 및 피해진도(지진 피해의 정도)와 실제 진동 관측값 사이의 관계식을 산출하여 각 진도 등급에 해당하는 구간값을 재설정해 만든 수정 메르칼리 진도와 그에 따른 최대 지반 속도, 가속도의 관계를 나타낸 것이다. 최대 지반 가속도의 경우 단위가 %g(1%g=0.01g=9.81gal)로, 갈(gal)로 환산할 경우 %g를 9.81로 곱하면 된다.
| 진도 | 최대 지반 가속도 (단위: %g=9.81cm/sec2) | 최대 지반 속도 (단위: cm/sec) |
|---|---|---|
| I | %g<0.07 | V<0.03 |
| II | 0.07≤%g<0.23 | 0.03≤V<0.07 |
| III | 0.23≤%g<0.76 | 0.07≤V<0.19 |
| IV | 0.76≤%g<2.56 | 0.19≤V<0.54 |
| V | 2.56≤%g<6.86 | 0.54≤V<1.46 |
| VI | 6.86≤%g<14.73 | 1.46≤V<3.7 |
| VII | 14.73≤%g<31.66 | 3.7≤V<9.39 |
| VIII | 31.66≤%g<68.01 | 9.39≤V<23.85 |
| IX | 68.01≤%g<146.14 | 23.85≤V<60.61 |
| X | 146.14≤%g<314 | 60.61≤V<154 |
| XI 이상 | 314≤%g | 154≤V |
4.2. 다른 진도 척도
일본 기상청 진도 계급 7단계에서 가장 높은 진도인 진도 7은 4 m/s2 (0.41 g) 이상의 가속도를 나타낸다. 최대 지반 가속도는 가속도계에 의한 측정값이다. 진도의 척도로는 체감을 사용하며, 즉 목격 보고, 느낀 흔들림의 강도, 발생한 피해를 사용하기도 한다. 두 가지에는 상관관계가 있지만, 단순히 일치하는 것은 아니다.
5. 주요 지진의 PGA
다음은 주요 지진의 최대 지반 가속도(PGA)를 정리한 표이다. PGA는 지반이 얼마나 빠르게 흔들리는지를 나타내는 척도로, 지진의 파괴력을 가늠하는 중요한 지표 중 하나이다.
| 최대 지반 가속도 (단일 방향) | 최대 지반 가속도 (벡터합) | 규모 | 진원 깊이 | 사망자 | 지진 |
|---|---|---|---|---|---|
| 3.94 g | 4.36 g | 6.9 | 8km | 12 | 2008년 이와테·미야기 내륙지진 (세계 관측 사상 가장 큰 PGA 기록) |
| 3.23 g | 7.8 | 15km | 2 | 2016년 카이코우라 지진 | |
| 2.88 g | 7.5 | 16km | 260 | 2024년 노토반도 지진 | |
| 2.7 g | 2.99 g | 9.1 | 30km | 19,759 | 2011년 동일본 대지진 |
| 1.92 g | 7.7 | 8km | 2,415 | 1999년 921 대지진 | |
| 1.82 g | 6.7 | 18km | 57 | 1994년 노스리지 지진 | |
| 1.81 g | 3.54 g | 9.5 | 33km | 1,000–6,000 | 1960년 발디비아 지진 |
| 1.62 g | 7.8 | 10km | 57,658 | 2023년 튀르키예-시리아 지진 | |
| 1.51 g | 6.2 | 5km | 185 | 2011년 2월 크라이스트처치 지진 | |
| 1.26 g | 7.1 | 10km | 0 | 2010년 캔터베리 지진 | |
| 1.25 g | 6.6 | 8.4km | 58–65 | 1971년 실마르 지진 | |
| 1.04 g | 6.6 | 10km | 11 | 2007년 니가타현 주에쓰 해역 지진 | |
| 0.98 g | 7.0 | 16.1km | 118 | 2020년 에게해 지진 | |
| 0.91 g | 6.9 | 17.6km | 5,502–6,434 | 1995년 한신·아와지 대지진 | |
| 0.8 g | 7.2 | 12km | 222 | 2013년 보홀주 지진 | |
| 0.65 | 6.9 | 19km | 63 | 1989년 로마프리타 지진 | |
| 0.5 g | 7.0 | 13km | 100,000–316,000 | 2010년 아이티 지진 | |
| 0.34 g | 6.4 | 15km | 5,778 | 2006년 5월 자와섬 지진 | |
| 0.18 g | 9.2 | 25km | 131 | 1964년 알래스카 지진 |
위 표에서 볼 수 있듯이, PGA 값은 지진의 규모, 진원 깊이, 발생 지역 등에 따라 크게 달라진다. 특히 2008년 이와테·미야기 내륙지진은 규모 6.9의 지진임에도 불구하고, 4.36g라는 매우 큰 PGA 값을 기록하여 세계적으로 주목받았다. 이는 얕은 진원 깊이와 지반 조건 등이 복합적으로 작용한 결과로 보인다. 2023년 튀르키예-시리아 지진과 같이 큰 인명 피해를 낳은 지진은 비교적 높은 PGA값을 기록했다.
6. 한국의 지진 위험
대한민국은 지진 발생 빈도가 상대적으로 낮은 지역으로 알려져 왔으나, 최근 경주 지진, 포항 지진 등 중규모 지진이 발생하면서 지진 위험에 대한 인식이 높아지고 있다. 특히, 2016년 경주 지진은 규모 5.8, 2017년 포항 지진은 규모 5.4로 대한민국 계기 지진 관측 이래 가장 큰 규모의 지진이었다.