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한때 우리나라에서 포항 지진은 큰 이슈였다. 그것도 그럴것이 항상 일본을 지진위험대라고 생각했지만 그렇게 큰 지진
을 몸소 경험한적은 많지 않았기에 더욱더 놀랐던것 같다. 오늘은 내진 설계에 대해서 알아보도록 하겠다.
1. 일반사항
지진이 발생했을때 피해를 최소화하기 위한 설계가 내진 설계이다. 도대체 마구 흔들어 대는 지진을 어떻게 피할수 있단 말인가? 사실 지진을 피할 수는 없다. 다만 지진에 잘 견디기 위해서 건물을 어떻게 지어야 하느냐가 관건인 것이다. 지진에 견디는 공학자의 설계 개념은 내진과 면진 그리고 제진으로 구분할수 있다. 내진은 지진력을 구조물의 내력으로 감당해내자는 개념이고 면진은 지진력의 전달을 줄이자는 개념이며 제진은 지진력에 맞대응을 하자는 능동적 개념이다. 우선 내진의 핵심은 철근콘크리트 내진벽으로 건물을 단단하게 하는것이다. 그러나 강하면 부러지기 쉽다는 옛말이 있듯이 지진이 나면 사람들이 대피할 정도의 시간을 벌어주는 지연 효과는 있을지 몰라도 건물에 금이 가거나 파괴되어 나중에 살용할 수는 없다. 이 방법은 보통 내진설계라고 한다. 광의의 개념으로 보면 면진과 제진의 개념을 포함하기도 하는것이다. 면진은 지진을 면한다는 뜻이다. 예를 들어 건물에 바퀴달린 신발은 신간다거나 스카이 콩콩처럼 슬프링을 달았다고 상상해보자. 지진이란 땅이 흔들리는 것이다. 그러므로 흔들리는 땅을 건물과 분리시켜, 건축물과 땅 사이에 진동충격 완충장치로서 볼 베어링이나 스프링, 방진고무 패드를 설치해 땅의 흔들림의 양을 건물에 보다 적게 전달하는 방법이다. 짧은 주기의 지진파가 강하고 긴 주기의 지진파는 약하다는 성질을 이용해서 건물의 진동주기를 길게 만드는 것이다. 이때 지반과 건물의 연결부에 구조물을 삽입해 건물의 고유진도주기를 강제적으로 늘리면 지진의 강주기 대역을 피할수 있다.
2. 일본의 지진과 빌딩 설계
지진 열도 일본에서 빌딩은 지진을 견디는 설계가 매우 중요하게 여겨진다. 최근 빌딩 설계에는 지진을 제어하거나 아예피하는 더욱 진화한 기술이 적용되고 잇다. 지진이 자주 발생하기로 유명한 일본의 도쿄 중심에는 초고층 빌딩이 죽 늘어서 있다. 높은 건물이 지진에 무너지지 않을까 불안할 것 같지만 일본 사람들들은 그리 크게 걱정하지 않는다. 왜냐하면 이들 빌딩을 충분히 지진에 대비한 설계가 되어 있기 때문이다. 지진에 대비하는 설계에는 내진, 제진, 면진진 등의 기술이 있다. 1963년 전까지만 해도 일본에서는 높이가 31미터 이상인 고층빌딩의 건축이 법으로 금지되어 있었다. 하지만 설계기술이 발전하면서 법률이 개정되어 높이가 100미터를 넘는 빌딩도 건축할수 있게 되었다. 법률 개정후 최초로 만들어진 건물이 바로 가스미가세키 빌딩 인데 이 빌딩이 건축된 후 일본에서는 고층건물 붐이 이었졌다.
가스미가세키 빌딩이 건설되기 전까지 일본에서 빌딩을 건설할 때에 지진에 대비한 설계에 내진 구조를 채택해왔다. 내진 구조는 철근 콘크리트로 기둥과 벽을 강화해 지진이 발생했을 때 흔들림에 대항하는 구조, 즉, 강구조, 건축재의 접합 부분이 일체성을 가지고 완전히 단단하게 접합된 구조를 채택함을 말한다. 하짐나 100미터를 넘는 고층빌딩에 이 방식을 적용하면 지나치게 많은 양의 철과 콘크리트가 사요 되므로 여러 가지 면에서 도저히 실용화할 수 가 없었다. 그래서 채택한 방식이 제진구조이다. 제진 구조는 지진이 날때 그 진동에 맞춰 건물을 적당히 흔들리게 해서 에너지를 분산, 흡수하는 융구조 건축법이다. 유구조 이론은 일본의 오래된 절의 오층탑에 스인 기술에서 착안해 낼수 있었다. 관동대지진으로 수많은 거물이 붕괴됐을때 우에노 간에이지의ㅏ 오층탑만은 무너지지 아낳고 워내를 모습을 유지했다. 이를 본 건축하자가 이 탑의 구조를 연구해 건축 설계에 활용하게 된 것이다. 이는 심주제진, 불탑 꼭대기에 세운 장식의 중심을 뚫고 ㄴ세운 기둥인 심주를 이용한 지진대비 설계로 일본의 전통건축 양식인 오층탑의 구조에서 ㅇ착안한 세계 최초의 방진 시스템이라 불리는 구조로 2012년 준공되 도쿄 스카이트리에도 도입된 기술이다.
2011년에 일어난 동일본 대지진때는 고층빌딩이 장주기 진동으로 크게 흔들렷다. 고층 아파트에서는 가구가 쓰러져 부상자가 발생하기도 했는데 바로 이점이 유구조의 단점이다. 빌딩이 붕괴되지 않지만, 건물이 크게 흔들며 이에 따른 피해가 발생한다는 것이다. 이런 단점을 극복하기 위해 제진 구조의 흔들림을 억제하는 기술이 개발되고 있는데 그것이 바로 면진 구조이다. 면진 구조는 고무처럼 모양이 쉽게 바뀌는 건축자재로 만들어진 장치 위에 건무을 세워 지진으로 발생하는 에너지가 건물에 쉽게 전달되지 않도록 한 설계 방식을 말한다. 면진 구조에 제진 구조를 결합해 지은 건물은 지진이 발생해도 제진 구조만으로 지은 건물보다 흔들림이 많이 줄어든다. 지진에 대비한 세가지 설계, 즉 내진, 제진, 면진 구조 중에서 어느 방식이 가장 효과적인지는 건축물의 크기나 장소에 따라 다르다. 그러므로 요즘은 건무을 세울때 건축 목적에 맞춰 이중 알맞을 기술을 채택하게 된다.