| 지진공학 - 재난 극복의 첫걸음 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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| 재난 극복의 첫걸음 지진공학 | 글 | 장승필·서울대 지구환경시스템공학부 교수ㆍspjang@snu.ac.kr |
지진의 위험으로부터 완전히 자유롭지 못한 이상 재해에 대한 대비는 언제나 필요하다. 1970년대 원자력발전소를 시작으로 1988년엔 일반 건축물에도 내진설계 기준을 도입·적용해 지진 피해를 줄일 수 있게 됐다. 공항, 도로 등 사회기반시설에서 아파트에 이르기까지 지진공학의 숨은 역할은 막중하다. 지난 2004년은 지진 재해에서 국제적으로 중요한 한 해로 기록될 것이다. 12월 26일 인도네시아의 수마트라섬 앞바다에서 리히터 규모 9.0의 거대지진이 발생했고, 이로 인해 생성된 대규모 지진해일이 인도네시아, 태국, 스리랑카, 인도, 몰디브를 거쳐 아프리카의 소말리아 해변까지 휩쓸었다. 이는 세계적으로 총 15만명 이상의 인명을 앗아간 지구 최악의 재난으로 기록됐다. 그러나 지진은 갑자기 발생해 큰 피해를 일으키지만 이에 대한 사전 대비를 충실히 한다면 그 피해를 크게 줄일 수 있다. 즉 지진재해는 자연재해이기도 하지만 대비 여하에 따라 인재(人災)가 될 수도 있는 것이다.
지진이 남의 나라 일만은 아니다. 2005년 3월 20일 일본의 후쿠오카 지방에서 발생한 규모 7.0의 지진은 인접한 부산지방까지 영향을 줬다. 이로 인해 경남지역의 많은 주민들이 지진에 놀라 집 밖으로 뛰쳐나오는 촌극이 벌어졌다. 이 지진은 과거 일본에서도 큰 규모의 지진이 발생하지 않던 지역에서 발생한 것이어서 그 놀라움은 더욱 컸다. 이는 환태평양지진대에 포함되지 않은 우리나라에도 큰 규모의 지진이 발생할 가능성이 적지 않다는 사실을 일깨워 줬다는 점에서 시사점이 크다. 지난 1975년 발생한 중국의 해성지진(규모 7.0)과 1976년의 당산지진(규모 7.0)도 큰 규모의 지진이 자주 일어나는 지진대로부터 멀리 떨어져 있는 지역에서 발생했다. 사전 대비가 전혀 없었던 당산 지역에서는 사상자만 80만명 이상으로 추정돼 그 피해는 어마어마한 것이었다. 지진 피해를 최소화하기 위해서는 조기경보시스템 구축, 내진설계, 그리고 지진 후 신속대응시스템 구축 등의 세 가지가 충족돼야 한다. 그 첫 번째 단계인 조기경보시스템 구축은 현재 국내외 지진전문가의 능력으로는 현실화하기 어려운 실정이고, 세 번째 단계인 신속대응시스템 구축은 국가 재난방지차원에서 논의해야 할 과제다. 여기서는 공학적으로 가장 확실하게 지진재해를 경감시킬 수 있는 내진설계에 대해서 알아보기로 한다. 지진, 지구의 스트레스 해소법
지구는 살아서 움직이는 생명체와 같다. 스스로 자전과 공전을 하며 기후를 변화시키기도 한다. 지구 내부 또한 열 균형을 유지하기 위해 쉬지 않고 움직인다. 지진은 이런 지구 내부의 끊임없는 움직임으로 인해 발생하는 스트레스 불균형 상태를 해소하려는 작용 가운데 하나다. 인간은 지진으로부터 지각의 진동 특성을 연구해 지구 내부의 구조와 물성 특징 등에 관한 지식을 얻게 된다. 지구 내부가 내핵-외핵-맨틀-지각으로 구성돼 있다는 사실도 지진파의 해석을 통해 알게 된 것이다. 그리고 사과 껍질 같이 얇은 지각의 층상구조도 지진파가 실어 오는 정보를 통해 더 자세히 파악할 수 있다. 그렇다면 지진이 제공한 정보만으로 자연재해를 최소화할 수 있을까? 불행하게도 그 대답은 매우 부정적이다. 예를 들어 1999년 한 해 동안 우리가 신문과 뉴스 등 다양한 보도를 통해 접한 지진의 피해만 봐도 2000여명의 목숨을 빼앗은 리히터 규모 6.0의 콜롬비아지진, 리히터 규모 7.4의 터키지진을 비롯해 리히터 규모 5.9의 그리스지진, 리히터 규모 7.6의 대만지진 등 상상을 초월한다. 이런 큰 지진으로 인한 피해는 인류가 그동안 공들여 쌓아놓은 문명을 송두리째 파괴해 버리는 어마어마한 힘을 지니고 있다. 특히 1999년 그리스에서 발생한 지진의 경우 그 규모는 상대적으로 작지만 지진이 발생한 위치가 고대 그리스 유적지와 가까운 위치여서 역사적으로 가치 있는 문화재들이 피해를 입었다. 지진으로 인해 돈으로 환산할 수 없는 인류의 유산을 잃을 수도 있는 것이다. 따라서 이런 지진의 피해를 줄이기 위해 지진의 자연과학적 특성 연구와 구조물의 공학적인 내진기술 개발, 그리고 발생한 지진에 대해 피해를 최소화하기 위한 재난대응 시스템의 확충이 반드시 필요하다. 판 충돌이 직접적 원인
지진은 땅의 흔들림으로 간단하게 정의할 수 있다. 지구 내부는 잠시도 쉬지 않고 움직인다. 맨틀의 대류는 맨틀 상부와 하부의 온도차 때문에 발생하며, 이로 인해 우리가 서 있는 지판이 조금씩 움직인다. 지구 표면은 크고 작은 지판으로 나뉘어 있는데, 우리나라는 유라시아판에 포함돼 있다. 일본의 동쪽에서는 태평양판이, 남쪽에서는 필리핀판이 유라시아판쪽을 향해 진행하고 있다. 이런 움직임으로 인해 지판들 사이에 충돌이 발생하게 된다.지판들 사이의 충돌로부터 방출되는 스트레스는 지진 발생의 가장 큰 원인이다. 전 지구적으로 살펴볼 때 지진의 90% 이상이 판과 판의 경계부에서 발생한다는 것이 이런 사실을 잘 설명해 주고 있다. 판과 판의 경계 부근 중 환태평양 지진대와 알프스-히말라야 지진대는 가장 큰 지진 발생 지역이다. 판과 판의 경계 부근에서 발생하는 지진을 일반적으로 ‘판 경계부 지진’이라고 표현한다. 하지만 지구상의 모든 지진이 판과 판의 경계 부근에서만 발생하는 것은 아니다. 비교적 안정적인 판 내부에서 지진이 발생하기도 한다. 만약 지진에 대한 대비가 잘 돼 있지 않았다면 더 큰 피해를 초래하기도 한다. 이렇게 판 내부에서 발생하는 지진을 일반적으로 ‘판 내부 지진’이라고 표현한다. 한반도는 유라시아판의 동쪽에 위치하고 있다. 즉 판 내부 지진이 발생하는 환경이라고 할 수 있다. 한편 일본열도는 유라시아판과 태평양판, 필리핀판이 경계를 이루고 있으며 이 경계선을 따라서 많은 지진이 발생한다. 즉 판 경계부 지진환경이라고 할 수 있다. 우리나라는 일본과 같이 판 경계부에 위치하지 않기 때문에 지진의 발생빈도가 일본보다 상대적으로 작지만, 큰 규모의 지진이 발생할 가능성은 언제나 존재하기 때문에 항상 지진에 대한 대비를 하고 있어야 한다. 판 내부 지진환경인 우리나라도 일본 아래로 미끄러져 들어가는 태평양판, 필리핀판의 영향과 유라시아판과 충돌하는 인도판의 영향으로 중소규모의 지진이 발생하는 것으로 알려져 있다. 인도판(인도-호주판)은 북상하면서 유라시아판과 충돌해 히말라야 산맥과 티베트 고원을 형성했다. 두 판이 충돌할 때 발생한 응력은 동아시아 지역에도 전달돼 중국에서는 많은 단층이 만들어지고 지진이 발생한다. 이 응력은 한반도에까지 뻗쳐서 영향을 미치게 된다. 또 태평양판은 서쪽으로 이동해 일본 동쪽 해구에서 지구 내부로 미끄러져 들어가고, 필리핀판은 일본 남쪽 해구에서 북서 방향으로 미끄러져 들어가므로 이들 역시 한반도의 지각에 응력을 미치게 된다. 비교적 우리나라와 인접한 지역에서의 판 구조운동으로 인해 한반도에는 평균적으로 대략 동서 방향의 응력이 작용하고, 지각의 약한 부분이 파괴되면서 지진이 발생하는 것이다. 우리나라도 방심은 금물
삼국사기에 따르면 땅이 흔들려서 집이 무너지고 사람이 죽었다는 기록이 8회 등장한다. 그 대표적인 예로 779년에 발생한 지진 때문에 경주의 땅이 흔들리고 민가가 무너져 100여명이 죽었다는 기록이 있다. 고려사에도 지진이 4회 기록돼 있고 그 한 예로 1036년에 개성, 경주, 상주, 강원도 등 광범위한 지역의 땅이 흔들려 민가가 무너졌다고 한다. 조선왕조실록에서는 더욱 많은 수의 기록을 찾아볼 수 있다. 중종 13년인 1518년에는 서울에 지진이 발생해 민가와 담과 성첩이 무너져서 사람들이 압사를 피하기 위해 대피했다고 한다. 숙종 7년인 1681년에는 강원도에 지진이 발생해 우레와 같은 소리가 났으며, 담과 벽이 무너지고 지붕 기왓장이 떨어지는 등의 피해와 함께 전국적으로 지진을 감지할 수 있었다고 기록돼 있다. 1936년 쌍계사 지진은 피해 조사 보고서가 존재하고 있는데 쌍계사 경내의 건물과 탑, 담장 등의 피해 상황이 사진으로 남아 있다. 1978년의 홍성 지진은 그 당시 화폐가치로 약 4억원 정도의 피해를 입혔다. 우리가 삼국사기와 고려사, 조선왕조실록의 기록을 신뢰한다면, 그리고 지난 세기에 발생한 지진까지 부정하지 않는다면 과거 우리나라에서 큰 피해를 수반한 지진이 발생했다는 사실을 인정할 수밖에 없다. 역사서에는 가옥과 성첩, 봉화대, 담장 등이 지진으로 인해 무너졌다는 기록이 많이 등장한다. 최근 국내 연구자들을 통해 역사기록을 그대로 재현해 보는 연구가 진행됐다. 봉화대와 기와집, 초가집, 석탑 등을 대상으로 철저한 고증을 거쳐 실물 크기의 모델을 제작하고, 대형 진동대 실험을 수행해 지진의 세기를 알아내고자 했다. 다양한 실험 결과 중진 이상의 지진이 수차례 발생했음을 알 수 있었다. 이런 역사적 사실을 바탕으로 우리나라도 지진에 대한 대비를 철저히 수행해야 할 것이다. 물론 현재의 과학기술로는 지진의 발생시간과 장소, 규모 등에 관한 정보를 미리 파악하기란 매우 어렵다. 그러나 이에 비해 발생 가능한 지진에 대해 주택이나 교량 등 사회 기본시설물을 안전하게 설계하거나 시공하는 것은 가능하다. 지진에 의해서 발생하는 피해를 0에 가깝도록 최소화하는 것도 공학적으로 가능하다. 다만 이런 해결방법은 사회경제적으로 지나친 비용을 부담해야 하기 때문에 현실적인 대책이 아니다. 자주 발생하는 작은 규모의 지진에 대해서는 피해가 없도록 내진설계와 내진보강을 통해 대비한다. 그러나 드물게 발생하는 큰 지진에 대해서는 어느 정도 피해가 발생하는 것은 허용하되 그 범위를 줄이고 지진 피해로부터 개인과 국가의 활동이 신속하게 회복되도록 하는 것이 더욱 효율적인 지진 대비책이라고 할 수 있다. 따라서 현재 우리나라를 포함한 세계 각국에서는 이 개념을 지진 재해방지대책의 기본 개념으로 채택하고 있다. 지진을 이기는 공학적 방법
지진은 지반을 진동시키고 지표면의 단층을 파괴해 구조물과 시설의 안전에 위험을 불러일으킨다. 그러나 지반진동의 세기가 아무리 높아도 안전하게 설계할 수 있다. 지표면 단층파괴의 경우에도 단층을 가로질러 구조물이 건설돼 있지 않다면 큰 위험이 되지 않는다. 이는 대만지진에서 이미 확인됐고 미국 캘리포니아에서는 활성단층에서 50피트(약 15.24m)를 벗어나면 구조물을 건설하는 것이 허용된다.결국 문제는 경제성이다. 다행히도 한반도에서는 일본이나 미국 캘리포니아에서 발견되는 활성단층은 아직 발견되지 않았다. 따라서 우리나라에서는 강진 지역의 구조물보다는 좀더 경제적인 내진설계가 가능하다. 우리나라에서는 내진설계 시 지진피해의 위험도를 고려한 ‘위험도 기반 설계개념’을 채택하고 있다. 즉 우리나라에 지진 재해가 난다면 그로 인해 초래될 수 있는 위험도를 평가하고 사회가 수용할 수 있는 수준으로 위험도를 낮출 수 있는 방법을 공학적으로 모색하는 것이다. 이런 목적으로 지진피해를 미리 평가하기 위해서는 지진피해 평가시스템이 개발돼야 한다. 지진피해의 사전평가는 사회가 지진에 대해 취약한 점을 노출시킴으로써 지진에 대한 대비 태세를 강화할 수 있게 해준다. 이 기법은 지진에 대한 사전 대비책 수립에 활용될 뿐만 아니라 실제 지진이 발생했을 때 그 피해 상황을 가늠할 수 있는 정보를 제공하기 때문에 신속한 대응 조치를 가능하게 할 것이다. 지진이 발생했을 때 건물이나 교량이 파괴되는 메커니즘을 파악하기 위해 다양한 방법으로 연구가 진행되고 있다. 축소모형이나 실제 크기의 모형을 제작해 진동대 위에서 실제 지진처럼 흔드는 방법이 있다. 하지만 모형의 제작에는 몇 가지 제약이 있다. 진동대 위에 설치할 수 있는 모형의 크기나 모양에도 많은 한계가 있다. 메커니즘을 알고 싶은 구조물이 수십층 이상의 고층 건축물이나 한강 다리 같은 수백m 길이의 긴 교량인 경우 그 한계가 명확하다. 이렇게 축소모형이 필연적으로 갖는 오차를 줄이기 위해 전체 구조물의 움직임을 지배하는 중요한 부분만 실제 크기로 제작해 실험하기도 한다. 이 경우 진동대 위에 설치해 움직임을 관찰하는 것이 아니라 유압가력기라는 장치를 이용해 파괴가 예상되는 부위에 힘을 가하는 방법을 사용한다. 건축물의 기둥이나 교량의 교각이 지진에 의해 먼저 파괴되므로 전체 건축물과 교량이 붕괴되는 피해를 입게 되는데, 이때 기둥과 교각의 파괴 현상을 파악해 보강방법과 내진설계 방법을 연구하는 것이다. 이런 부분구조 실험도 전체 구조물에서 받는 조건을 그대로 재현하기에는 한계를 가진다. 전체 건물의 한 부분인 기둥은 벽체나 보 등과 연결돼 있어서 이들의 영향을 받지만, 실험을 위해 장치한 기둥만으로는 건물 전체의 상호작용을 연구하기 어렵다. 이런 한계점을 극복하기 위해 실험에 컴퓨터를 이용한 수치해석 기법을 도입하게 됐다. 즉 기둥처럼 중요한 부분은 실제 크기로 제작해 실험을 하되 벽체와 보 등 나머지 부분은 컴퓨터 수치해석 기법을 이용해 모사하는 것이다. 수치해석으로 얻은 결과를 활용해 기둥에 힘을 가하고, 이를 통해 알게 된 기둥이 움직이는 특성을 응용해 나머지 구조물에 대한 수치해석을 수행한다. 이런 작업을 반복하면 지진이 났을 때 전체 구조물이 움직이는 특성을 파악할 수 있는 것이다. 이렇게 실험과 수치해석을 동시에 수행하는 실험기법을 ‘하이브리드 실험’이라고 한다. 초기의 하이브리드 실험은 실험 장비를 제어하는 컴퓨터와 수치해석을 수행하는 컴퓨터가 같은 장소에 존재했으며 이를 근거리 네트워크로 연결해 이뤄졌다. 초고속 네트워크 환경이 구축된 오늘날에는 이를 더욱 발전시켜 원거리 실험시설 간의 하이브리드 실험이 가능하다. 한 교량의 각 구성요소들을 나눠 각각의 원격지 실험실에 설치하고 진동을 제어한다. 여기서 얻어지는 결과를 이용해 수치를 해석하고, 각 실험실에서는 얻어진 수치해석 결과를 바탕으로 각 구성요소별 실험을 수행하는 것이다. 이 기술의 발달로 지진이 발생했을 때 발생하는 실제 구조물의 움직임을 좀더 정확하게 파악할 수 있으며 안전하고 경제성 있는 내진설계의 방향을 제시할 수 있다. 전 국가적인 지진재해 관리라는 측면에서 보면 신설 구조물의 내진설계도 중요하지만 기존 구조물의 내진성능을 확보하는 것도 마찬가지로 중요하다. 구조물마다 다양한 보강기법과 기술이 개발돼 실용화되고 있으며 다양한 연구보고서가 발간돼 있다. 보강의 경우 잔여수명을 고려해 보강기준 지진의 세기를 조정한 것이 특징이라고 할 수 있다. 내진설계 개념과 방법은 고정돼 있지 않고 기술과 사회가 발전함에 따라 같이 발전하고 있다. 최근까지는 충분한 강도를 확보하기 위한 크고 튼튼한 설계가 주종을 이루고 있었다. 그러나 지금은 지진 격리 시스템(Base Isolation System), 동조 질량 감쇠기(Tuned Mass Damper), 동조 액체 감쇠기(Tuned Liquid Damper), 그리고 점탄성 감쇠기(Visco-Elastic Damper) 등을 사용하고 있다. 모두가 지진 응답을 제어해 유연성 있게 지진에 대응하는 방법들이다. 이 방법들을 이용해 지진 충격을 줄여 피해를 최소화 할 수 있다. 우리나라를 포함해 일본, 이탈리아, 미국, 뉴질랜드 등의 나라들이 이를 내진설계에 적극 도입하고 있다. “우리나라는 지진 안전지대인가?”라는 질문은 이제 더 이상 의미 있는 질문일 수 없다. 중요한 것은 ‘우리나라의 지진 위험수준에 맞는 어떤 자연재해 경감 대책을 마련해야 하는가’일 것이다. 현재 건물이나 교량, 댐, 항만, 도로, 공항 등 사회기반시설의 지진 안전성 확보를 위한 가장 현실적인 방법은 내진설계와 내진보강이다. 충분한 안전성을 확보하기 위해 보다 상세한 내진설계가 필요하며, 필요에 따라 진동을 제어하는 시스템으로 건물의 유연성을 높여야 할 것이다. 이밖에도 체계적인 지진 후 대응시스템이 필요하다. 그러나 무엇보다도 중요한 것은 안전에 대한 국민 의식일 것이다. |
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