내진설계를 갖춘 건물이 버틸 수 있는 지진 규모는 5.5-6.0.주택가와 고층 아파트는 무방비 상태다. 만일 이보다 훨씬 큰 지진이 발생한다면 어떻게 될까.
작년 1월 17일 일본 고베에서 발생한 대규모 지진으로 수많은 건물이 붕괴되고 막대한 인명과 재산 피해를 입었다. 이런 정도의 강한 지진은 20세기 들어 일본에서만 20여회, 전세계적으로 매년 2-3회 정도 발생하고 있다.
대규모 지진이 발생할 때마다 "우리나라에서 지진이 일어난다면 63빌딩은 안전한가?" "서울은 안전한가?" 하는 등의 질문을 자주 받는다. 많은 사람들이 다른 나라의 지진을 보고 불안감을 갖기 때문이다.
그러나 이 질문은 "사람은 병에 걸리면 죽는가?" 하는 질문처럼 너무나 막연한 얘기다. 환자 상태를 판단할 때 쉽게 나을 수 있는 병인지, 아니면 현대 의학으로 도저히 치료할 수 없는 병인지, 그리고 환자의 원래 건강상태는 어땠는지 등을 알아야 한다. 이와 마찬가지로 먼저 어느 정도의 규모를 가진 지진이 어디에서 발생하느냐와 건물의 설계·시공상태를 알지 못하면 지진이 건물에 어떤 영향을 미치게 될지 판단할 수 없다. 또 지진이 발생하는 시간이 한밤중인지 또는 출퇴근 시간인지 등에 따라 피해의 유형과 정도가 달라질 수 있다.
하지만 지진 규모가 클수록, 그리고 지진이 발생하는 위치가 대도시에 가까울수록 피해 정도가 심해지는 것은 사실이다. 만일 서울과 같은 대도시의 중심부나 인접 지역에서 지진이 발생하면 어떤 피해가 발생할까.
시나리오 Ⅰ. 규모 5.5-6.0 지진 주택가 아파트위험, 초고층빌딩 오히려 안전
먼저 우리나라의 내진설계기준에 사용되는 설계지진 수준(MM진도로 VIII, 리히터규모로 5.5-6.0)의 지진이 발생하는 경우를 살펴보자. 구조물의 내진설계에 대해 확실한 지식을 가진 기술자가 충실하게 설계·시공한 건물은 약간의 피해를 입어도 붕괴되는 일은 없다. 따라서 재산상의 피해는 있어도 인명 피해는 거의 발생하지 않는다.
우리나라에서 내진설계가 시행된 건물은 1987년 이후 설계된 6층 이상의 건물이나 바닥면적이 일정 규모 이상인 건물이다. 그러나 이들은 전체 건물의 일부분에 불과하다. 대부분의 건물에는 내진설계가 제대로 돼 있지 않았다. 또 내진설계 대상 구조물이라고 해도 얼마나 제대로 설계했는가, 철저히 시공했느냐에 따라 피해 정도가 크게 달라진다.
지금까지 우리나라의 설계지진 정도의 지진에 의한 피해를 여러가지로 예상해 보았다. 그러나 이는 어디까지나 설계와 시공이 제대로 되었다는 점을 전제로 예상한 피해다. 그렇지 못한 경우에는 훨씬 더 큰 피해를 예상해야 한다. 예를 들어 벽식고층아파트에서 사용자의 편의를 위해 내력벽(耐力壁)의 일부를 철거하는 구조 변경은 지진이 발생하게 될 경우 건물 전체의 붕괴로 이어질 가능성이 매우 높다. 이는 지진이 발생하지 않더라도 건물의 안전에 심각한 영향을 줄 수 있다.
주택가
대부분의 저층 주택은 벽돌이나 시멘트 블록을 쌓아 올린 조적조(組積造)방식으로 건설됐다. 외국에서는 보강조적조라고 해 필요한 부위에 철근을 배치, 철근콘크리트 벽체와 비슷한 역할을 하도록 시공하는 경우가 많다. 이런 방식은 저층의 소형 구조물에서 어느 정도 효과를 볼 수 있다.
그러나 우리나라에서 건설되는 대부분의 조적조건물에는 보강철근이 사용되지 않는다. 또한 벽의 배치방식에 따라서 내진 능력이 현격히 떨어지는 경우도 있다.
따라서 현재의 기준으로 설정된 설계지진이 발생하면 이런 구조물들은 대부분 피해를 입게 될 것이며, 그 중 상당수는 붕괴할 가능성이 많다. 그러므로 소규모의 조적조건물에 대한 내진설계 기준을 하루 빨리 만들어 시행하는 것이 매우 시급하다.
아파트
내진설계가 도입된 후 가장 많은 관심을 받는 형태가 벽식구조(壁式構造)다.벽식구조란 요즘 흔히 보는 고층 아파트처럼 건물에 기둥이나 보가 없이 벽과 바닥판만으로 구성된 건축을 말한다. 이 구조는 건물 내부가 넓어 공간 이용의 측면에서 큰 매력을 끄는 것이 사실이다. 그러나 이는 지진에 대한 저항능력이 별로 뛰어나지 못한 구조다. 더욱이 이전에는 15층 정도의 고층 아파트에 사용되다가 근래에는 20층 이상 초고층 아파트에도 스스럼없이 사용되고 있다. 특히 고층 아파트건물은 폭이 좁고 길이가 길게 설계돼 있어 건물의 길이 방향으로는 바람의 영향을 크게 받지 않지만 지진의 영향은 매우 크게 미칠 수 있다. 따라서 고층 아파트는 지진에 대비한 특별한 고려가 필요하다.
최근에는 고층 아파트에도 철골구조방식이 적용되기 시작했다. 앞으로 등장하게 될 초고층아파트에는 벽식구조보다 철골구조방식이 더 좋은 내진성능을 갖게 될 것이다.
사무실
도심에 있는 대부분의 사무소 건물은 15-20층의 중고층(中高層)건물이다. 이 건물들은 바람에 대한 저항능력을 가지고 있어 지진에 대해서도 상당한 저항능력을 갖는다. 따라서 대부분의 중고층건물은 지진의 피해를 크게 입지 않을 것으로 생각한다.
그러나 지진에 의한 피해는 바람에 의한 피해와는 많이 다르므로 이런 건물에 대해서도 반드시 내진설계를 통해 지진에 대한 안전성을 확보해야 한다.
63빌딩
많은 사람들이 지진이 발생하면 초고층 건물들은 어떤 피해를 입을지 궁금하게 생각한다. 우리나라의 대표적인 초고층 건물인 63빌딩이 지진에 안전할지에 대해서 관심을 가지는 이유는 고층일수록 더 위험하지 않을까 하는 생각 때문이다.
지진이 발생하면 지반이 흔들리게 되는데 이때 진동주기는 지반의 역학적 성질에 의해 결정된다. 우리나라의 경우 대개의 지역이 암반이나 단단한 지반으로 구성돼 있기 때문에 지반진동의 주된 진동주기는 0.2-0.5초 정도가 될 것이다.
한편 건물의 진동주기는 대략 층수를 10으로 나눈 값에 가깝게 되는 경향이 있다. 60층 건물인 경우에는 진동주기가 6초 정도라는 말이다. 즉 고층건물의 경우에는 진동주기가 지반의 진동주기와 상당한 차이를 가져 지진의 영향을 덜 받게 된다. 더욱이 이런 건물은 상당한 크기의 바람(風荷重)에 대해 버티도록 설계돼 있다.
반면 5층 이하의 저층 구조물은 지반의 진동주기와 유사한 주기를 가져 일종의 공진현상(共振現狀)이 나타난다. 즉 지진의 영향을 크게 받는 것이다. 따라서 일반적인 생각과 달리 고층 건물이 저층 건물에 비해서 오히려 피해 가능성이 낮다고 볼 수 있다.
지금까지 우리나라의 설계지진 정도의 지진에 의한 피해를 여러가지로 예상해 보았다. 그러나 이는 어디까지나 설계와 시공이 제대로 되었다는 점을 전제로 예상한 피해다. 그렇지 못한 경우에는 훨씬 더 큰 피해를 예상해야 한다. 예를 들어 벽식고층아파트에서 사용자의 편의를 위해 내력벽(耐力壁)의 일부를 철거하는 구조 변경은 지진이 발생하게 될 경우 건물 전체의 붕괴로 이어질 가능성이 매우 높다. 이는 지진이 발생하지 않더라도 건물의 안전에 심각한 영향을 줄 수 있다.
시나리오 Ⅱ. 고베수준의 지진이 발생한다면 대형 참사는 물론 국가안보 위협
대규모의 지진이 발생하면 고가도로나 철도의 파손, 항만의 파괴로 인해 운송수단이 막힌다. 또 전력의 공급이 중단되고 통신이 두절되며, 상수도가 파괴돼 식수가 공급되지 못하기도 한다. 만일 터널이나 댐이 붕괴하면 더욱 큰 피해가 발생한다.
그러나 지진 피해 중 가장 심각한 것은 건물의 붕괴와 이에 따른 인명과 재산의 피해다. 가정용 가스가 누출돼 이로 인한 화재 때문에 피해 정도가 더욱 심해지기도 한다. 예를 들어 샌프란시스코 지진의 피해 중 약 90% 정도는 화재로 인한 것이었으며, 일본의 고베 지진에서도 구(舊)시가지 지역에 대규모 화재가 발생했다. 또한 도시 전체가 극도의 혼란과 무질서에 빠질 가능성도 있으며 이에 따른 추가적인 피해가 예상외로 클 수 있다.
내진설계 없었던 당산지진은 사상최악
만약 우리나라에서 대규모 지진이 발생한다면 어떻게 될까. 일본의 고베를 강타한 지진(규모 7.2)이나 1976년 중국의 당산에서 발생한 지진(규모 7.8)이 서울에서 발생하는 경우를 생각해 보자
이런 지진은 우리나라에서 설정한 설계지진보다 수백배의 에너지를 가졌다. 그러므로 매우 큰 연성(延性)을 가진 극소수의 건물을 제외한 대부분의 건물이 붕괴할 가능성이 있다. 이는 내진설계가 제대로 돼 있지 않던 당산에서 98%의 건물이 붕괴한 사실에 비추어 쉽게 예상할 수 있다. 당시 당산에서는 1-2층의 저층 주거용건물이 대부분이었음에도 불구하고 주민의 대부분이 사망하는 인류사상 최대의 지진피해가 발생했다.
한편 고베의 경우 내진설계 기준이 상당히 엄격했지만 실제로 큰 지진이 발생한 기록이 많지 않았기 때문에 대부분의 주민들은 지진에 대해 크게 우려하지 않았다. 따라서 지진에 관한 대비상황이 거의 형식적이었던 탓에 피해가 매우 컸으며 지진발생 이후의 피해복구도 효과적으로 진행되지 못했다.
매우 낮은 확률이라고는 하지만 당산이나 고베와 같은 규모의 지진이 우리나라에서 발생할 경우 예상되는 피해는 현재의 내진대책과 사후 수습체계를 감안할 때 상상하기 조차 끔직한 수준이 될 것임은 쉽게 짐작할 수 있다.
벽식구조 아파트 대부분 붕괴
한 예로 현재 전국적으로 건설된 수많은 고층 아파트를 생각해보자. 이들의 대부분은 벽식구조로 건설됐다. 벽식구조는 약한 지진에는 어느 정도 견딜 수 있다. 그러나 예상외의 큰 지진에 대해서는 여분의 저항능력을 가지지 못해 매우 취약한 구조방식이다. 그래서 미국의 서부와 같이 지진활동이 심한 지역에서는 벽식구조의 사용을 크게 제한하고 있다.
따라서 이 방식으로 건설된 고층 아파트는 고베 지진과 같은 큰 지진이 발생하면 거의 전부가 붕괴될 것으로 예상된다. 만약 고층 아파트가 붕괴된다면 저층 아파트의 붕괴에 비해 훨씬 더 많은 사상자가 발생할 것은 당연한 일이다.
더욱이 우리나라는 남북이 나누어진 상태로 긴장을 유지하고 있다. 이런 상황에서 만약 예상보다 훨씬 큰 규모의 지진이 서울을 강타하게 되면 매우 심각한 문제들이 발생하게 된다. 불과 몇 달 전 과천의 경마장에서 소형 소화기 하나가 터져 이를 폭파사건으로 오인한 관객들의 무질서와 혼란으로 수십명의 부상자가 발생한 경우를 생각하면 대규모 지진이 발생했을 때의 혼란을 쉽게 예상할 수 있다.
관공서건물 방송통신시설 군용건물 등이 붕괴돼 기능이 마비되고 대도시의 상당수 건물이 붕괴하는 사태가 발생하면 우리 사회는 극도의 혼란에 빠지게 될 것이다. 경우에 따라서 국가 안보에도 심각한 문제가 발생할 수 있다. 정부기관이나 기타 지방행정기관의 기능이 마비되고 통신이 두절된 상태에서 군대의 통솔마저 어려운데 시민들은 우왕좌왕하는 상황을 생각하는 것은 정말로 끔직한 일이다. 그러므로 우리나라와 같은 분단국가에서는 외국과 전혀 다른 의미에서 지진 대비가 추가적으로 필요하다.
물론 앞에서 언급한 여러가지의 일들은 어디까지나 우리나라에서 예상외의 큰 지진이 발생하게 될 경우를 가상해 생각한 것이다. 이런 지진이 발생할 확률은 매우 낮으므로 당장 불안에 떨 필요는 없다. 그러나 우리나라에서도 상당한 지진활동이 있었던 기록이 있으며 앞으로도 이런 지진이 발생할 가능성이 있으므로 지진에 대비해 확실한 준비를 갖추는 것이 시급한 실정이다.
지진 크기의 척도 규모와 진도
지진의 크기를 나타내기 위해 사용되는 등급기준에는 규모(magnitude)와 진도(intensity)가 있다. '규모'는 전문인들이 주로 사용하는 용어로서 지진에 의해 방출되는 에너지의 양을 기준으로 설정된다. 규모를 설정하는 여러가지 방법 중 1935년 칼텍의 리히터 교수가 제안한 기준(리히터규모 혹은 리히터등급)이 보편적으로 사용된다. 리히터규모는 정확성의 한계를 고려해 소수점 이하 한자리까지만 표시한다.
그러나 리히터규모를 잘못 이해한 경우가 많다. 예를들어 규모 7.4를 가리켜 '리히터지진계로 관측한 바에 의하면 강도가 7.4' 라고 언론에서 보도하는 경우가 자주있다. '리히터지진계'라는 관측기는 존재하지 않는다. 또 '강도'라는 용어는 공식적으로 사용되지 않는다.
한편 '진도' 는 지진을 피해정도에 따라 평가하는 기준으로 신문이나 방송에서 흔히 사용된다. 진도는 객관적인 계측이 아닌 매우 주관적인 판단에 의해 설정되며, 로마숫자를 이용해 Ⅴ Ⅷ Ⅸ등으로 표현하는 것이 관례다. 그러나 미국이나 일본 등 각국에서 서로 다른 기준으로 설정된 진도를 사용하고 있어 일반인에게 상당한 혼란을 준다. 일본에서 사용되는 일본기상청(JMA) 진도는 지진의 피해가 최악인 상황을 진도 Ⅶ로 정하고 있다. 그러나 대부분의 국가에서 사용되는 수정머칼리진도(MM진도)는 같은 정도의 지진 피해를 XII로 정하고 있다. 그러므로 진도를 표현할 때 반드시 MM진도 인지 JMA진도 인지를 분명히 밝혀야한다.
내진설계란
지진이 발생하면 지면에 놓인 모든 구조물들이 지면과 함께 움직인다. 급정거하는 버스에서 승객이 앞쪽으로 쓰러지게 되는 현상과 마찬가지로 지반이 흔들리면 관성을 가진 구조물이 흔들리게 되며, 구조물을 구성하고 있는 기둥 보 전단벽 가새 등이 축력 전단력 휨 모멘트 등의 형태로 지진의 영향을 받는다.
내진설계(earthquake resistant design)란 앞으로 발생할 가능성이 있는 지진에 대해 구조물이 안전하도록 설계하는 것이다. 이때 '안전'이라는 의미는 일반인이 생각하는 것과 상당한 차이가 있다. 아무리 큰 지진이 발생해도 구조물이 전혀 피해를 입지 않도록 하는 설계(earthquake proof design)는 현실적으로 불가능할 뿐만아니라 경제적인 부담도 지나치게 크다. 그러므로 내진설계는 경제성과 안전성을 동시에 고려하는 선에서 이루어진다.
내진설계에서 기준으로 삼는 지진을 '설계지진'이라고 한다. 우리나라의 설계지진은 MM진도가 Ⅷ 정도(리히터규모로 5.5-6.0)다.
1906년 미국 샌프란시스코에서 발생한 지진은 이 규모에 비해 수천배의 위력을 가진 것이었다. 따라서 우리나라의 내진설계기준에 의해 설계된 건물은 우리나라에서 발생할 가능성이 있는 지진으로는 붕괴되지 않겠지만 그보다 훨씬 큰 지진으로 붕괴되지 않는다고 기대하기 어렵다.
안전구조, 철골과 철근콘크리트
일반적으로 철골구조물은 많은 양의 소성(塑性: 탄성 한계 이상으로 힘을 가해 변형시켰을 때 힘을 빼도 원자리로 돌아가지 않는 성질) 변형을 일으키기 때문에 연성(延性, 물체가 탄성 한계를 넘었을 때 파괴되지 않고 늘어나는 성질)이 크다. 따라서 대부분의 철골건물은 지진에 의한 피해를 크게 입지 않을 것이다.
1985년 멕시코지진의 피해를 보더라도 수백동의 건물이 붕괴됐지만 철골건물이 붕괴된 예는 단 한 곳 뿐이었다. 1994년 미국 로스앤젤레스 북부 노트리지에서 발생한 지진이나 일본의 고베 지진에서도 일단 철골건물의 피해는 적었다.
그러나 부분적으로는 철골이 상당히 파손됐으며, 대부분의 철골 보와 기둥이 마감재로 가려져 있어 파손된 상황을 파악하기가 매우 어려웠다. 그래서 지진 이후의 보수·보강 지점을 확인하는 일이 새로운 문제로 대두되고 있다.
한편 철근콘크리트 건물은 철골건물에 비해 연성 능력이 약간 떨어지지만 내진 상세설계가 제대로 되면 상당한 연성 능력을 가질 수 있다. 또한 국부적인 피해가 발생해도 쉽게 이를 발견하고 즉시 보수·보강을 할 수 있다는 장점이 있어 내진 측면에서는 매우 우수한 구조로 평가된다. 그러나 접합부의 상세설계가 제대로 되지 못해 충분한 연성능력을 가지기 어려울 때는 붕괴될 가능성도 있다.
