"한반도 더 이상 지진안전지대 아니다" 사업장의 지진재해 대책

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하동호 / 건국대 토목공학과 교수

우리나라의 지진은 주기와 최대 지진동의 추정이 어려울 뿐이며 반드시 일어난다는 사실은 역사기록에서도 확인되고 있다. 지진재해로 인한 인명과 재화 손실을 최소화하기 위해서 사회기반시설과 라이프라인 및 그 관련 구조물들의 지진 시의 기능유지는 국가적 지진피해를 줄일 수 있는 가장 기본적이고도 확실한 방법이므로 이들에 대한 적절한 지진대책은 가장 우선시되어야 한다. 이와 함께 국가경제를 뒷받침하는 주요 기업의 사업장 또한 그 중요도에 따라 적극적인 대책이 마련되어야 할 것이다. 제어되어야 하는 진동수준과 요구안전성에 따라 지진격리구조, 수동형 제진장치, 능동형 제진장치로 그 적용이 검토될 수 있고 최고 수준의 내진성능과 진동저감을 확보하기 위해서는 수평과 수직을 동시에 고려한 위 세가지 장치의 복합적인 적용이 적절할 것이다. Ⅰ. 머리말 2004년 말부터 연이은 니이가타지진 피해와 수마트라지진 해일피해, 전국에 걸쳐 지진동을 느낄 수 있었던 후쿠오카지진 등으로 국민들의 지진재해에 대한 관심이 갑자기 고조되었다. 최근 100여 년간 한반도의 지진 발생빈도가 낮았다는 현실로 인하여 사회 전체가 지진재해에 대한 인식 및 대책에 소홀했을 뿐, 역사기록으로 확인할 수 있는 한반도의 지진은 1900여 회에 달한다. 지진은 언제, 어디서, 어느 정도의 규모로 발생할지 알 수 없는 재해인 만큼 사회 전반의 지진재해 방지에 대한 인식과 대책이 요구된다. 본 기고에서는 한반도의 지진 발생 가능성을 살펴보고 내진 선진국의 최근 지진재해 및 그 대책에서 우리 사회의 지진재해 대책에 관한 방향을 검토하였다. 지질학적인 측면에서뿐만 아니라 역사지진으로 확인한 바에 따르면 한반도에서 강진이 발생할 가능성은 충분이 있으므로 현대 국가를 유지하고 발전시키는데 중추적인 역할을 담당하고 있는 사회기반시설, 주요 구조물, 사회간접시스템을 중심으로 우선적인 지진대책이 이루어져야 한다. 또한 주요기업의 전산시설을 포함하는 정밀·고가 설비 관련 사업장의 내진성능은 기업의 생산활동기반으로써 뿐만 아니라 국가경제와 직결되는 사안이니만큼 각 선진국의 시행착오를 교훈으로 삼아 한 차원 높은 지진대책의 도입이 요구된다. Ⅱ. 지진재해 1. 한반도의 지진 우리나라는 비교적 풍부한 역사기록을 가지고 있으며, 그 내용 중 지진에 관한 기록도 많이 발견된다. 한반도의 역사지진기록은 주로 삼국사기, 고려사, 증보문헌비고, 왕조실록 등에 기록되어 있다. 현재까지 밝혀진 역사지진의 수는 서기 27년부터 현재까지 약 1,900회에 이른다(그림 1). 한반도역사 최대의 지진으로는 1643년 7월 24일 울진삼척근방에서 진도(MMI) 9의 피해를 입었다는 기록이 있다. 이 지진 이외에도 역사문헌자료를 통해 보고된 역사지진 중 진도7 이상의 지진은 45회에 이른다. 조선의 왕조실록에 기록된, 가옥의 붕괴와 사망자의 발생을 초래한 최후의 지진피해는 1760년으로 기록되어 있다. 지진계가 설치된 20세기 초부터 지금까지 보고된 계기지진자료 중 가장 큰 지진은 1936년 7월 4일의 쌍계사지진으로 규모는 5.1이었으며 부상자가 4명, 가옥파괴가 113동이었다. 이외에도 속리산지진, 사리원지진, 홍성지진 등 규모 4.5~5.0 정도의 지진이 발생하였으며 최근 1996년에는 영월에서 규모 4.5의 지진이 발생하였다. 한반도에서는 최근에도 중소규모의 지진이 지속적으로 발생하고 있으며(그림 2), 그 횟수는 지속적으로 늘어나고 있다. 1978년부터 2004년까지 관측된 지진은 총 641회이며, 연평균 24회 발생하였다. 이를 최근 10년을 기준으로 구분하면, 1994년까지의 평균치가 16회였으나, 95년 이후의 10년간은 연평균 36회로 크게 증가하는 추세이다. 그림 1. 한국의 역사지진(AD 27- 1904) 그림 2. 한국의 최근 지진 (1978~현재까지) Ⅲ. 지진대책 1. 내진·지진격리·제진 1.1 내진설계 (Earthquake Resistant Design) 지진에 대해 안전한 구조물을 지어야 한다는 근대적인 개념의 내진설계 (Earthquake Resistant Design) 는 1908년 이탈리아의 Messina-Reggio 지진에서 시작되었다. 이 지진으로 약16만명의 인명피해가 발생하였고, 그 대부분은 무너진 건물 더미에 깔려 희생되었다. 이 지진으로 인하여 1909년 일선 기술자와 대학교수들이 주축이 되어 지진대책 위원회가 구성되었고, 그 위원회는 피해지역의 재건을 위한 두가지 종류의 내진설계기준을 제시하였다. 그 중의 하나는 건물의 기초 하부에 모래층이나 roller를 깔아 건물을 지반과 분리시키는 것이었고, 또 하나는 건물을 지반에 단단히 고정시키고, 일정수준의 수평하중에 견디도록 설계하자는 것이었다. 위원회는 최종적으로 후자의 고정기초방식을 채택하였고, 몇 가지 건설 세부기준을 두었는데, 그 중에는 구조물이 전체 중량의 최소8%에 해당하는 수평력을 견디도록 설계해야 한다는 규정이 있다. 1.2 지진격리구조 (혹은 면진구조) Messina-Reggio 지진의 참사를 접한 영국의 의사 J. A. Calantarients는 1909년에 모래나 활석층을 이용하여 기초와 건물을 분리하는 내진설계법을 제안하였다. 이와 같이 지반운동을 구조물에 전달되지 않도록 하는 방법을 지진격리구조(Seismic Isolation System or Base Isolation System)라 한다. 만약, 압축공기 등을 이용하여 구조물을 지면에서 띄울 수 있다면 지진에 대하여 완벽하게 안전할 수 있다. 그림3은 적층고무받침의 수평변형능력을 보여준다. 실제로 많이 사용되고 있는 적층고무받침의 직경은 30cm ~150cm, 높이는 직경의 3분의 1에서 3분의 2정도가 사용된다. 지진격리시스템의 경우에, 구조물의 고유주기는 지진에너지가 우세한 주기보다 장주기화되어 가속도입력과 응답을 크게 줄일 수 있다(그림 4). 한편 장주기로 응답이 이동 했을 때, 지진격리받침의 변위가 지나치게 커질 수 있으므로, 변위응답이 과대하여 문제가 될 때에는 댐퍼를 이용하여 감쇠비를 증가시키는 것으로 해결할 수 있다 (그림 5). 구조물에 지진격리시스템을 도입하는 경우의 지진 시 구조물의 응답은 그림6에서와 같이 나타낼 수 있다. 내진건물의 경우 지진으로 인한 수평력에 건물이 견딜지라도 건물내부의 가구와 기기 등의 전도 또는 파손과 건물 내에서 증폭된 가속도로 인하여 사상자의 발생 등이 있을 수 있다. 그에 반해 지진격리건물의 경우에는 지진력 자체가 구조물로 전달되지 않음으로 하여 지진 시에도 구조물의 사용성과 안정성을 유지할 수 있다. 그림 3. 적층고무받침의 변형능력 그림 4. 가속도 응답스펙트럼 그림 5. 변위응답스펙트럼 1.3 제진 (Vibration Control) 건물이 바람과 지진에 의해 흔들리기 시작했을 때 진동에너지를 흡수하여 허용범위 내로 진동을 제어하는 것을 제진이라 한다. 내풍안정성의 향상을 위하여 갖가지 제진대책이 연구되었다. 그 방법으로는 크게 공기역학적인 방법과 기계적인 방법으로 나눌 수 있다. 공기역학적인 방법이란 구조물의 주위에 흐르는 기류의 형태를 변화시켜 진동을 완화시키는 방법이다. 즉 구조물의 모서리를 잘라낸다든지, 조그만 장치를 부가하여 물체 주위의 공기의 흐름을 제어하는 것이다. 한편, 기계적인 방법은 시공중과 같이 짧은 기간 동안만 필요한 경우와 단면의 수정 혹은 공기역학적인 방법으로는 내풍성 향상이 충분하지 못한 경우에는 동조질량감쇠기(Tuned Mass Damper), 능동질량감쇠기(Active Mass Damper) 등이 사용된다. 2. 미국과 일본의 최근 지진에서의 교훈 2.1 미국의 노스리지 지진 1994년 1월 17일 새벽 미국 서해안 로스엔젤레스 북서부 노스리지에 규모 6.8의 지진이 발생했다. 미국의 서해안은 환태평양지진대의 일부로서 잦은 지진을 겪고 있는 지역이다. 지진이 잦고 선진국이니 만큼, 지진대책도 세계적인 수준이다. 그러한 우수한 내진기술과 내진설계규정에도 불구하고, 다수의 고속도로, 교량, 건물 등이 파괴되었다. 특히 의료시설의 경우, 많은 병원이 파괴되고 2,500상 이상의 병상이 상실되었고, 많은 중증환자가 타 병원으로 이송되는 사태가 발생했다. 그림 6. 내진건물과 지진격리건물의 지진시 거동 그림 7. 京橋成和 빌딩 그림 8. 요코하마 Landmark Tower 2.2 일본의 효고현 남부지진 노스리지 지진이 발생했을 때, 많은 일본의 교수, 기술자들이 현지를 방문하여 지진피해를 살펴본 후 말했다. “미국의 내진설계기준은 충분한 안전을 확보할 수 있는 수준이 아니다. 일본에서 동일한 지진이 일어난다고 해도 그와 같은 피해는 발생하지 않는다. 일본의 내진설계 기술과 기준은 세계 최고의 수준이다.” 이러한 평가에도 불구하고 미국의 노스리지 지진이 발생한지 정확하게 1년 후인 1995년 1월 17일 새벽, 일본의 항구도시 고베시와 아와지섬 사이를 진원으로 하는 규모 7.2의 지진이 발생했다. 고베시는 지진재해 방지차원에서 상수도 설비, 화재 진압 시스템 등을 갖추고 있었으나 지진 시에 크게 파괴됨으로써 제구실을 할 수 없었고 라이프라인의 복구에는 수 개월이 소요되었다. 한편, 고베지진도 지진격리시스템이 주목을 받는 계기가 되었다. 진원인근에 2동의 지진격리건물이 있었고, 노스리지 지진 시의 USC병원과 같이 구조물에 아무런 손상 없이 지진 시의 격렬한 진동을 차단시킬 수 있었다. 사진 1. 파괴된 올리브휴병원 사진 2. USC 병원 사진 3. 붕괴된 한신 고속도로 사진 4. 화재로 파괴된 거리 3. 사업장의 지진재해대책 우리나라는 1970년대 후반 원자력발전소의 건설을 통하여 내진설계란 개념이 도입되기 전까지 토목건축구조물의 설계에 있어서 지진력에 대한 고려는 전무하였다. 그 후 1980년대 후반, 원자력발전소 기술의 국산화 과정에서 내진설계에 관한 연구가 본격적으로 진행되었다. 1986년 12월에 “건축물은 지진에 대하여 안전한 구조를 가져야 한다”고 건축법에서 규정한 이래로, 1988년에 개정된 “건축물의 구조기준 등에 관한 규칙”에서 처음으로 체계적인 건축물의 내진설계기준안이 제정되었다. 또한 교량구조물에 대한 내진설계의 필요성이 인식되어 1992년 12월에 개정된 도로교 표준시방서에서 교량의 내진설계개념이 도입되고 최근에는 내진규정이 상당히 강화되고 있는 추세이다. 1994년 미국의 노스리지 지진과 1995년 일본의 효고현남부 지진 이후 세계 각국의 내진규정은 큰 변화를 보이고 있다. 현재까지 구조물의 내진설계의 개념은, 1908년 이탈리아의 Messina-Reggio 지진에 의한 참사 후 마련된 것으로, 구조물의 강성을 증가시켜 지진 시에 발생하는 수평력에 견디도록 하는 것이다. 그러나, 노스리지 지진과 고베 지진의 지진동과 그 피해는, 90여 년을 이어온 구조물의 내진설계개념을 개선해야 하는 상황에 이르게 했다. 그 주된 이유는, 이들 지진에 의해 발생한 최대 지진가속도가 중력가속도를 초과하기에 이르렀다는 것이다. 이러한 지진을 설계지진으로 고려하는 경우, 여태까지의 내진설계개념으로서는 설계가 불가능하거나, 경제성 및 사용성이 극도로 나빠진다. 이에 따라 최근에 그 적용이 늘어난 구조물의 내진설계방법이 지진격리구조이다. 위의 두 지진으로 개정이 어어진 세계 각국의 구조물 관련 시방서들은 일반 건물과 교량에의 지진격리장치 도입을 적극적으로 권장하는 추세에 있다. 지진재해로 인한 인명과 재화 손실을 최소화하기 위해서, 사회기반시설과 라이프라인 및 그 관련 구조물들의 지진 시의 기능유지는 국가적 지진피해를 줄일 수 있는 가장 기본적이고도 확실한 방법이므로, 이들에 대한 적절한 지진대책은 가장 우선시되어야 한다. 이러한 국가적 차원의 대책과 함께, 기업의 전산시스템이나 정밀기기를 취급하는 주요한 사업장의 설비들 또한 다양한 방법들을 이용한 적극적인 대책이 마련되어야 할 것이다. 그 대책은 제어되어야 하는 진동수준과 요구안전성에 따라서 지진격리구조, 수동형 제진장치, 능동형 제진장치로 그 적용이 검토될 수 있다. 최고 수준의 내진성능과 진동저감을 확보하기 위해서는 수평과 수직을 동시에 고려한 위 세가지 장치의 복합적인 적용이 적절할 것이다. 2005년 초의 일본 후쿠오카지진은 국내의 진동에 민감한 정밀기기에 상당한 영향을 주었으리라 사료되며, 이는 기술적으로 미연에 제어될 수 있다. Ⅳ. 맺음말 우리나라의 지진은 주기와 최대 지진동의 추정이 어려울 뿐이며, 반드시 일어난다는 사실을 역사기록이 증명하고 있다. 인류가 파악하고 있는 단층은 극히 일부에 불과하고 그 단층에서 발생하는 지진의 대략적인 주기가 밝혀진 것도 소수이다. 한반도는 결코 지진으로부터 완벽한 안전지대가 아니라는 사실을 직시하고, 사회 전체의 적극적인 지진대비가 필요하다. 최근의 세계 각국에서 연이어 발생한 최근의 지진재해는 우리에게 여러 가지 교훈을 던져주고 있다. 국가적인 수준의 지진재해 대책으로 사회기반시설, 주요 구조물, 라이프라인에 대한 적절한 내진설계와 내진보강이 진행되고 있으며, 또한 조기경보시스템, 신속대응시스템의 구축을 통하여, 적시의 정보이용에 의한 지진 초기의 라이프라인 보호, 화재진압, 인명구조에 대응하기 위한 움직임도 시작되고 있다. 이와 함께 국가경제를 뒷받침하는 전산시스템을 포함하는 주요 기업의 사업장 또한 그 중요도에 따라 적극적인 대책이 마련되어야 할 것이다. 현재 개발되어 적용되고 있는 지진격리구조, 수동형 제진장치, 능동형 제진장치 등은 다양한 수준의 안전성 및 진동기준을 만족시킬 수 있고, 그 제어 기술은 지속적으로 발전하고 있다. 사전에 잘 준비된 대책은 급작스러운 재해를 충분히 줄일 수 있으며, 이는 국가적인 대비와 함께 폭넓은 사회적 인식의 뒷받침이 요구된다.