대한민국도 지진위험국, 내진설계로 충분할까?

[20-2726지영은]

대한민국도 지진위험국, 내진설계로 충분할까?

<KISTI의 과학향기> 제3070호

“이 건물 내진설계 되어 있나요?”

“우리 집 내진설계 확인 어떻게 하죠?”

2017년 11월 15일 오후 2시 29분께 경북 포항시 북구 북쪽 6㎞ 지점에서 규모 5.4 지진이 났다. 이는 지난해 9월 12일 인근 경주에서 규모 5.8 지진이 일어난 지 1년 2개월 만에 발생한 강진이다. 

포항에서는 1536명의 이재민이 일시 대피했고, 시설 피해로는 사유시설 1197건, 학교 건물 균열, 상수관 누수 등 다수의 공공시설에도 피해를 입었다. 특히 수능을 치러야하는 학교건물이 금이 가거나 무너져 수능을 일주일 연기하는 사상 초유의 사태가 벌어졌다.

포항 지진으로 학교를 비롯한 오래된 건물들에 내진설계가 되지 않아 지진에 취약하다는 사실이 알려져 많은 사람이 불안에 떨었다.

사진1. 포항 지진으로 대한민국의 오래된 건물이 지진에 취약하다는 인식이 널리 퍼졌다. 출처: KPUG

건축물의 내진성이란 지진에 대해 저항력이 있어 흔들려도 부서지지 않고 버티는 힘을 말한다. 내진 공법에는 강구조(鋼構造)와 유구조(柔構造)가 있다. 강구조는 지진동에 부서지지 않고 견고하게 버티는 구조, 유구조는 바람에 흔들리되 꺾이지 않는 갈대처럼 건물이 유연하게 흔들리며 지진동의 에너지를 분산시켜 내진성을 확보하는 것이다.

오늘날의 건축물 내진설계는 1906년 미국 샌프란시스코에서 일어난 규모 8.3의 지진으로 시작되었다. 이 지진으로 1400여명의 사상자가 생겼고, 지진 이후의 동시다발로 일어난 화재 때문에 도시의 80%가 폐허가 된 참사에서 벽돌로 지은 건물은 지진에 취약하다는 것이 밝혀졌다.

아기돼지 삼형제 동화에서 셋째 돼지는 벽돌을 하나하나 쌓아올려 튼튼하게 지은 집으로 늑대를 물리치고 형제들을 구하지만, 현실에선 통하지 않는 얘기다. 외벽만 벽돌로 마감한 경우가 아니라 구조물 자체가 벽돌로 된 ‘연와조(煉瓦造)’ 건물의 경우 지진에 가장 취약하다. 철근은 휘어지면서 버티지만 벽돌은 쪼개져 버리기 때문이다. 이후 내진설계는 철골이나 철근 콘크리트가 주를 이루게 됐다.

일반 철근콘크리트 구조는 2개의 기둥과 그것을 잇는 아래위의 보로 이루어진 사변형 구조다. 이 구조는 수직 하중에 대해서는 견고하지만 지진처럼 수평 방향의 힘에 대해서는 충분치 않아서 내진벽이나 *경사부재 등으로 지진에 대비한다. 건물을 단단하게 만드는 게 기본이지만 무조건 강하기만 해서 되는 것은 아니다.

*경사부재(=경사재): 트러스를 구성하는 부재, 경사져 있는 부재.

1997년 이탈리아 아시시 지방에서 발생한 강진에서 건물 내구력 강화를 위해 설치한 철근콘크리트 무게 때문에 문화재가 붕괴됐다는 지적도 나온 바 있다. 철근콘크리트로 벽을 단단하게 지은 건물은 지진을 겪으면 금이 가거나 파괴돼 나중에 사용할 수 없게 된다. 현대의 건축물은 내부에 가스, 전기, 수도 등의 시설이 복잡하게 연결돼 있으므로 가능한 건축물이 손상되지 않으면서 지진을 견딜 수 있는 구조에 관심이 모아진다.

면진 구조는 건물이 지면에 닿는 부분을 최소화해서 지진으로 인한 피해를 최소화하는 방법이다. 건물의 기초와 본체 사이에 슬라이딩되는 구형의 베어링이나 납과 고무가 적층된 면진 장치를 삽입해 에너지를 흡수해 건물의 진동을 억제한다.

제진 공법은 적극적인 방법과 소극적인 방법으로 나눌 수 있다. 적극적인 방법은 지진파를 감지하면 건물에 부착된 무거운 물체를 이용해 진동을 없앨 수 있는 것으로 건물을 움직이도록 힘을 걸어 지진의 충격을 상쇄한다. 이러한 유구조는 지반의 특성에 따라 효과가 다르다.

건축물은 사용된 자재나 구조에 따라 지진 발생 시 받게 되는 고유주기가 있다. 보통 고층 건물일수록 이 고유주기가 길어진다. 그런데 지반의 지진동 주기와 건물의 고유주기가 비슷한 경우, 특히 초고층 건물이 연약 지반에 세워질 경우에는 위험하다. 주기가 늦은 파가 전해지면 건축물에 공진 현상이 일어나 진동이 더 강해지는 현상이 일어나기 때문이다.

이보다 소극적인 제진 공법으로는 바닥과 천장에 주어지는 충격을 건물의 기둥과 벽 안에 흡수해 분산, 흡수하는 방법이 있다. 감쇠 장치(댐퍼, damper)를 넣어 진동을 제어하는 방법이다. 건물이 어느 정도 흔들리지만 파손을 막을 수 있다. 지진으로 손상을 입은 경우에는 감쇠장치만 교환하면 되기 때문에 유용하다.

내진설계는 현대 건축의 전유물이 아니다. 현재 이란 남부 지역인 고대 페르시아의 도시 파사르가대(Pasargadae)에서는 기원전 6세기경에 진도 7의 지진을 견딜 수 있는 건축물이 지어졌다. 또 잉카 문명에서 *모르타르(mortar)없이 이를 맞추는 방법으로 쌓아올린 자연석 돌담 애슐라(ashlar), 마야 문명이 10~12세기에 건축한 24m 높이의 피라미드 엘 가스틸로 등도 지진에 강한 건축 방법을 사용했다.

*모르타르(mortar): 시멘트와 모래를 물로 반죽한 것

한반도에서 지반이 가장 불안정한 곳 중 하나인 경주 불국사 역시 지진을 고려해 만들어진 건축물이다. 이번 지진으로 이 일대에 활성단층이 지나가는 걸 모르는 국민이 없게 됐지만, 경주 일대는 이미 신라 때 지진 피해가 기록된 지역이다. 불국사는 울퉁불퉁한 자연석 화강암 위에 인공석을 딱 맞게 깎아 맞물려 얹는 ‘그렝이 기법’을 사용했다.

이런 방식은 지진 때 좌우 흔들림을 잘 견디고 석재 사이에 있는 틈은 지진 에너지를 분산하고 흡수한다. 석축 안쪽에 쌓은 석재가 흔들리지 않게 석축에 규칙적으로 박아 넣은 1.8m 길이의 ‘동틀돌’도 내진 효과가 있다고 한다. 불국사의 이러한 내진설계는 목조 건축에서 사용되는 ‘짜맞춤’ 방식을 화강암으로 응용한 것이다.

사진2. 경주 불국사는 지진 에너지를 분산하고 흡수하도록 설계되었다. 출처: shutterstock

목조 건축에 지진을 견디는 힘이 있을까? 목조 주택 전문가들은 목재가 다른 재료보다 무게가 가벼우면서, 무게 대비 탄상과 충격 흡수성이 좋다는 점을 들어 설명한다. 가벼운 건축물은 붕괴의 위험도 상대적으로 적다. 또 목조 건축은 여러 구조요소와 수많은 접합부가 존재하기 때문에 지진 발생 시 에너지를 흡수하거나 방출하기에 유연하다고 본다. 실제로 2009년 일본 방재과학기술연구소와 미국 콜로라도 대학 연구팀이 6층 목조 건물을 진도 7.5의 강도로 40초간 흔들었음에도 버텨낸 실험 사례도 있다.

지진에 대비하기 위해서는 철근의 힘처럼 일정한 강도도 필요하고, 목재처럼 흔들림에 대처할 수 있는 유연성도 필요하다. 현대의 내진설계는 건축 재료와 규모에 따른 적절한 내진 방법의 선택, 첨단 재료의 개발 외에도 전통건축에서 아이디어를 얻는 등 다각도로 안전을 위해 경주하고 있다.

그렇지만 내진설계가 만능은 아니다. 1995년에 일본에서 발생한 고베 지진처럼 상하 진동에 의한 지진은 현대 건축 공법으로 대비하기 어렵다는 게 대체적인 의견이다. 내진설계에서 가장 기본이 되는 일은 지반의 특성을 조사하고 검토하는 일이다. 1985년 멕시코시티에서 일어난 지진의 경우 지진 규모도 8.1로 컸지만 매립지에 세워져 지반이 약했던 탓에 피해가 커졌다. 2011년 동일본 지진 때 발생한 후쿠시마 원전사고 역시 내진설계는 규정대로 돼 있었지만 쓰나미가 집결한 해안선 곶(串)에 위치한 특성을 고려하지 않았기에 치명적인 사고로 이어졌다.

우리나라는 1988년에 들어서야 내진설계를 도입했다. 2015년 개정을 통해 3층 이상, 또는 500m2 이상인 모든 건축물에 대해 내진설계를 의무화하고 있다. 하지만 전국 건물 중 6.5%만이 내진설계가 반영돼 있는 실정. 이마저도 설계상의 수치이니 실제로는 더 열악할지 모른다. 영화 ‘터널’의 설정처럼, 설계도대로 하는 게 오히려 이상하게 보일 정도로 부실시공이 만연하기 때문이다. 댐이나 핵발전소 등 상상이 불가할 피해를 낳을 기간시설의 내진설계는 과연 믿을만할까? 경주는 여전히 400회가 넘는 여진에 시달리고 있다. 1200년 전 불국사를 세운 신라인들이 활성 단층 지역에 핵발전소와 방사성 폐기물 처리 시설을 지은 우리를 보면서 무슨 생각을 할지 궁금하다.

글 : 이소영 과학칼럼니스트 / 일러스트 : 이명헌 작가

원글 주소: http://scent.ndsl.kr/site/main/archive/article/%EB%8C%80%ED%95%9C%EB%AF%BC%EA%B5%AD%EB%8F%84-%EC%A7%80%EC%A7%84%EC%9C%84%ED%97%98%EA%B5%AD-%EB%82%B4%EC%A7%84%EC%84%A4%EA%B3%84%EB%A1%9C-%EC%B6%A9%EB%B6%84%ED%95%A0%EA%B9%8C?cp=2&sv=%EA%B1%B4%EC%B6%95&pageSize=8&sortDirection=DESC&listType=list&catId=11&artClass=100 

[20-2808 김해원]

한옥은 목조 건물이면서 기둥을 주춧돌의 윗면에 맞추기도 하고 목재간 연결에 못이나 나사 등을 잘 사용하지 않고 요철을 짜맞춘다 들어서 지진 피해가 덜할까 싶었는데 찾아보니 오히려 그것 때문에 연결 부위가 취약해 좌우로 흔들렸을 때 철근 콘크리트 건물에 비해 피해가 크다고 해서 놀랐다. 한옥 특성상 기와나 흙 등이 많이 올라가 하중이 무거운 것도 원인 중 하나라고 했다. 그렇다면 지붕의 무게를 더는 것 외에 한옥의 지진 피해를 줄이기 위한 방법에는 어떤 것이 있을까?

[20-2726 지영은]

현대에 지어진 한옥은 전통 한옥보다 개량화 되고, 한옥을 짓는 것 자체만으로도 꽤 부담스러운 가격인데, 내진 설계까지 하게 된다면 비용이 아주 부담스러워져 내진 설계를 하지 않는 경우가 많습니다.
하지만 현대 한옥에 비해 옛 전통 한옥이 지진에 강하다고 합니다. 전통 한옥의 기둥과 보, 도리 등 수평 수직 목재들이 서로 떠받치는 등 독특한 가옥 구조 때문입니다. 한옥의 주춧돌과 분리된 기둥이 미끄러지며 지진의 충격을 분산하는 데다, 수평 목재들이 기둥 사이에서 이중삼중 집을 받치고 있어 지진에 강하고 특히 목재가 휘거나 변형되면서 지진의 운동에너지를 많이 흡수한다고 합니다. 무거운 기와지붕을 받치기 위해 만들어진 튼튼한 한옥의 목재 구조가 자연스럽게 ‘내진 설계’ 역할까지 한 것입니다.
그래서 저는 질문에서 언급하신 새로 지어지는 한옥의 기와의 무게를 줄이는 것을 포함하여, 기와 낙하로 인한 피해를 줄이기 위해 지붕 위의 기와들을 고정하는 것, 지반을 더욱 단단히 다지고, 기둥을 땅과 분리하여 짓는 전통 한옥의 구조 등을 응용한다면 문제점이 해결되리라 생각합니다.

[20-2704 권빈]

내진설계란 지진이 일어났을 때 지진의 진동 힘을 견디며 건물의 내진성과 건축물의 내구성을 강화하는 것이다. 제진 공법에는 적극적인 방법과 소극적인 방법이 있다.
적극적인 방법은 지진이 발생하였을 때 지진파를 감지하면 건물에 부착된 무거운 물체를 이용해 건물을 움직이도록 힘을 걸어 지진의 충격을 상쇄한다.
소극적인 방법은 바닥과 천장에 전달되는 충격을 건물의 기둥과 벽 안에 흡수하여 분산, 흡수하는 방법이 있다. 진동을 제어하는 감쇠장치를 넣는 방법이며 이 방법은 건물이 어느 정도는 흔들리지만 파손을 막을 수 있고 지진으로 손상을 입는 경우 감쇠장치만 교환하며 돼서 유용하다.
이때 소극적인 제진 방법에서 지진의 진동을 분산하거나 흡수하는 감쇠장치의 원리가 궁금하다

[20-2726 지영은]

제진 구조는 지진의 지진력을 버티는 데 중점을 둔다. 건물의 옥상 등에 추나 댐퍼(=감쇠장치) 등을 설치해서, 지진이 발생 시 이 추를 컴퓨터로 제어하여 건물의 진동 방향과 반대로 진동시켜 흔들림과 횡압력을 일정량 상쇄시킨다. 즉, 지진 발생시 작용하는 관성의 원리를 이용해 감쇠장치가 건물의 강성, 감쇠 등을 제어하여 건물의 피해를 줄인다. 여기서 감쇠는 강한 것을 줄여서 약하게 한다는 뜻이다.
감쇠장치 중 동조질량감쇠기의 원리로 예를 들어 설명하면, 건물이 한쪽으로 기울면 이 콘크리트 덩어리가 반대편 방향으로 미끄러져 내려간다. 이 무게 때문에 건물 양쪽은 비슷한 무게로 균형을 맞춰 흔들리지 않게 되는 것이다.