맷집으로 버티고… 맞기전에 避하고… 맞으며 衝擊吸收

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入力 2010年 3月 5日 03時 00分

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■ 地震에 맞서 進化하는 建築設計技術

《“0.35G(重力의 0.35倍)!”

信號가 나자 釜山大地震防災硏究센터 實驗東에 놓인 2層 높이의 콘크리트 構造物 두 個가 中低音의 소리를 내며 約 1秒 동안 前後左右로 흔들렸다.

하나는 큰 龜裂이 가고 곳곳에 잔금이 생겼지만 다른 하나는 멀쩡했다.

정진환 센터長은 “멀쩡해 보이는 構造物은 下部에 振動의 傳達을 막는 ‘免震’ 設計를 했기 때문에 龜裂이 거의 없을 것”이라고 말했다.

0.35G는 規模 6 程度의 地震에 該當한다.》

● 耐震
外壁을 鐵骨構造로 補强
完破 막지만 再使用은 못해

● 免震
땅-建物사이 베어링 等設備
龜裂-흔들림 막아 再使用可能

● 猪津
꼭대기에 쇳덩이나 水槽設備
建物衝擊吸收해 振動緩和

地震防災硏究센터에는 願하는 크기와 方向의 힘을 一定時間巨大한 構造物에 加할 수 있는 ‘地震 진동대’가 3個 있다. 가운데 振動臺는 國內最大規模로 60t의 무게를 올려놓고 前後左右로 흔들며 回轉을 시킬 수 있다. 實際로 사람이 살 수 있는 2層建物을 올려놓을 수 있다. 이날 實驗은 다양한 規模의 地震이 일어났을 때 一般構造物과 免震設計를 한 構造物의 被害를 比較하기 위해 進行됐다.

타이베이 101빌딩의 제진 설비대만 타이베이 시에 있는 타이베이금융센터(아래)는 101층 높이의 초고층 건물로 꼭대기 내부에 진동을 줄여주는 추(위)가 달려 있다. 이 추는 건물 대신 흔들리며 건물이 받는 진동을 감소시키는 제진장치의 한 종류다. 동아일보 자료 사진 — **타이베이 101빌딩의 猪津設備**
臺灣 타이베이 市에 있는 타이베이金融센터(아래)는 101層 높이의 超高層建物로 꼭대기 內部에 振動을 줄여주는 秋(위)가 달려 있다. 이 추는 建物代身 흔들리며 建物이 받는 振動을 감소시키는 猪津裝置의 한 種類다. 동아일보 資料寫眞

○ 高層建物 흔들림 ‘詩語 키’로 制御

免震設計는 地震이 發生해도 建物에 被害가 가지 않도록 하는 建築技術이다. 耐震設計와 비슷해 보이지만 振動에 對處하는 原理가 다르다. 耐震設計는 鐵筋콘크리트 기둥을 세울 때 鐵筋을 더 많이 넣거나 建物外壁을 鐵骨構造로 補强해 地震에 견디는 것이다. 地震으로 建物에 龜裂이 생기거나 쪼개지더라도 死傷者가 많이 發生하는 ‘完全崩壞’를 막기 爲한 措置다. 死傷者는 줄일 수 있지만 한番 금이 간 建物을 다시 使用할 수는 없다.

免震設計는 建物을 땅에 固定하지 않기 때문에 地震으로 땅이 흔들려도 建物은 흔들리지 않게 하는 것이다. 땅과 建物 사이에 고무板이나 단단한 구름쇠(베어링)를 넣어 땅의 振動이 建物에 傳해지지 않도록 막는다. 이동근 성균관대 建築工學科敎授는 “免震設計를 한 建物은 地震이 끝난 뒤에도 繼續 쓸 수 있다”며 “耐震設計가 펀치를 맞고도 쓰러지지 않게 맷집을 키우는 것이라면 免震設計는 펀치를 맞지 않도록 避하는 것”이라고 說明했다.

問題는 高層建物에 免震設計를 適用할 때다. 高層建物은 바람의 影響을 많이 받는다. 가끔 發生하는 地震보다 언제라도 불 수 있는 强風에 흔들리지 않아야 한다. 그런데 땅에 固定되지 않은 建物은 地震에는 剛하지만 建物自體를 흔드는 바람에는 束手無策이다. 바람에 따라 建物이 甚하게 흔들린다면 室內에 있는 사람은 멀미를 일으킬 수 있다.

李敎授는 “最近에는 ‘詩語 키(shear key)’ 技術로 高層建物에도 免震設計를 活用하고 있다”고 말했다. 平常時 시어 키는 免震設計가 된 建物이 强한 바람을 맞아도 흔들리지 않도록 建物一部나 베어링을 붙잡아 固定한다. 하지만 一定 크기 以上의 地震이 일어나면 詩語 키가 깨지면서 建物도 땅에 固定됐던 狀態가 풀린다. 結局 땅이 흔들려도 建物은 흔들리지 않게 된다.

○ 地震被害 줄이는 꼭대기 쇳덩어리

地震에 견디는 方法中에는 振動을 줄이는 ‘猪津’ 設計圖 있다. 펀치를 맞는 瞬間 몸을 뒤로 빼며 衝擊을 줄이는 原理다. 猪津設計는 免震設計와 달리 大部分建物 꼭대기에 한다. 上部로 갈수록 振動의 幅이 커지기 때문이다. 高層建物屋上에 커다란 쇳덩어리가 매달려 있거나 水槽가 있으면 猪津設計가 된 것이다.

쇳덩어리나 水槽는 各各同調質量減衰器(TMD)와 同調液體減衰器(TLD)라고 불리는 猪津裝置다. 둘은 모두 建物과 비슷한 固有振動數를 갖는다. 정형조 KAIST 建設 및 環境工學科敎授는 “建物과 같은 振動數를 가진 物體가 上部에 있으면 地震이 發生했을 때 建物代身 흔들리며 地震에너지를 消耗해 全體가 떨리는 現象을 줄일 수 있다”고 說明했다.

問題는 地震에도 振動數가 있다는 것이다. 萬若 이 振動數와 建物의 振動數가 一致하면 振動이 增幅되는 ‘公明’ 現象이 일어날 수 있다. 鄭敎授는 “地震의 振動數는 거의 定해져 있어 猪津設計가 無用之物이 되는 일은 거의 없지만 共鳴現象을 막기 위한 反能動型猪津設計가 開發되고 있다”고 밝혔다. 이 技術은 豫測하지 못한 地震이 일어날 때 TLD의 水位를 調節하는 等固有振動數를 바꿔 對應하는 것이다. 鄭敎授는 “아직 널리 活用되지는 않으며 日本에서 檢證用으로 몇 군데 設置한 狀況”이라고 說明했다.

釜山=전동혁 동아사이언스 記者 jermes@donga.com