내진, 제진, 면진 구조

 내진, 제진, 면진 구조

                        

지진 열도 일본에서 빌딩은 지진을 견디는 설계가 매우 중요하다. 최근의 빌딩 설계에는 지진을 제어하거나 아예 피하는, 더욱 진화한 기술이 적용되고 있다.

지진이 자주 발생하기로 유명한 일본의 도쿄 중심에는 초고층 빌딩이 죽 늘어서 있다. 높은 건물이 지진에 무너지지 않을까 불안할 것 같지만 일본 사람들은 그리 크게 걱정하지 않는다. 왜냐하면 이들 빌딩은 충분히 지진에 대비한 설계가 되어 있기 때문이다. 지진에 대비하는 설계에는 내진(耐震), 제진(制震), 면진(免震) 등의 기술이 있다. 1963년 전까지만 해도 일본에서는 높이가 31미터 이상인 고층빌딩의 건축이 법으로 금지되어 있었다. 하지만 설계 기술이 발전하면서 법률이 개정되어 높이가 100미터를 넘는 빌딩도 건축할 수 있게 되었다. 법률 개정 후 최초로 만들어진 건물이 바로 '가스미가세키 빌딩'인데, 이 빌딩이 건축된 후 일본에서는 고층빌딩 건설 붐이 이어졌다.

 

 

내진, 제진, 면진 구조

가스미가세키 빌딩이 건설되기 전까지는 빌딩을 건설할 때에 지진에 대비한 설계에 내진 구조를 채택해왔다. 내진 구조는 철근 콘크리트로 기둥과 벽을 강화해 지진이 발생했을 때 흔들림에 대항하는 구조, 즉 '강구조(剛構造, 건축재의 접합 부분이 일체성을 가지고 완전히 단단하게 접합된 구조)'를 채택함을 말한다. 하지만 100미터를 넘는 고층빌딩에 이 방식을 적용하면 지나치게 많은 양의 철과 콘크리트가 사용되므로 여러 가지 면에서 도저히 실용화할 수가 없었다.

그래서 채택한 방식이 제진 구조이다. 제진 구조는 지진이 날 때 그 진동에 맞춰 건물을 적당히 흔들리게 해서 에너지를 분산, 흡수하는 '유구조(柔構造)' 건축법이다. 유구조 이론은 일본의 오래된 절의 오층탑에 쓰인 기술에서 착안해냈다. 관동대지진으로 수많은 건물이 붕괴됐을 때, 우에노(上野) 간에이지(寛永寺)의 오층탑만은 무너지지 않고 원래의 모습을 유지했다. 이를 본 건축학자가 이 탑의 구조를 연구해 건축 설계에 활용하게 된 것이다. 이는 심주제진(心柱制振, 불탑 꼭대기에 세운 장식의 중심을 뚫고 세운 기둥인 심주를 이용한 지진 대비를 위한 설계로, 일본의 전통건축 양식인 오층탑의 구성에서 착안한 세계 최초의 방진 시스템-편집자 주)이라 불리는 구조로 2012년 준공된 도쿄 스카이트리에도 도입된 기술이다. 2011년에 일어난 동일본 대지진 때는 고층빌딩이 장주기(長週期) 진동으로 크게 흔들렸다. 고층 아파트에서는 가구가 쓰러져 부상자가 발생하기도 했는데, 바로 이점이 유구조의 단점이다. 빌딩이 붕괴되지는 않지만, 건물이 크게 흔들려 이에 따른 피해가 발생한다는 점이다.

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 건물을 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 세 가지 설계, 즉 내진, 제진, 면진 구조 중에서 어느 방식이 가장 효과적인지는 건축물의 크기나 장소에 따라 다르다. 그러므로 요즘은 건물을 세울 때 건축 목적에 맞춰 이 중 알맞은 기술을 채택한다.

'흔들림'을 흡수하는 세 가지 구조

'내진', '제진', '면진'은 지진에 대비한다는 의미는 비슷하지만, 그 방식에는 큰 차이가 있다.

내진 구조(비용 소)

건물 본체가 진동 에너지를 흡수한다.

내진 구조

제진 구조(비용 중)

제진 댐퍼(damper)라 불리는 기둥이 진동 에너지를 먼저 흡수한다.

제진 구조

면진 구조(비용 대)

건물의 기초 부분에 부착된 면진 장치가 진동 에너지를 흡수한다.

면진 구조

오층탑을 모방한 도쿄 스카이트리의 구조

오층탑에 쓰인 '심주제진'이란 기술은 오늘날에도 활용되고 있다. 그 대표적인 건축물이 바로 2012년 준공된 도쿄 스카이트리이다.

도쿄 스카이트리