강력한 연쇄 지진이 발생한 뒤 베네수엘라에서는 500명 이상이 목숨을 잃었고, 더 많은 부상자가 발생했다. 구조대는 붕괴한 건물에 갇힌 사람들을 계속 수색하고 있다.

브리스틀대학교 토목공학 부교수인 라파엘레 데 리시가 이번 참사에서 건물 설계가 어떤 역할을 했는지에 대한 질문에 답했다.

수시간에 걸친 집중적인 공동 구조 작업 끝에 베네수엘라, 라과이라주 카라발레다 지구 타나과레나 지역의 OPP 25 건물에서 21세 청년 아론 레비 칸티요 바르가스(Aaron Levi Cantillo Vargas)를 생존한 채 구조했다. 이번 구조는 베네수엘라와 멕시코, 엘살바도르 구조대가 아론에게 도달하기 위해 쉬지 않고 협력한 끝에 가능했다. 출처: Nayib Bukele

베네수엘라는 지진이 자주 발생하는 지역이다. 이번에 건물 붕괴가 이처럼 광범위하게 일어난 이유는 무엇이라고 보는가?

베네수엘라는 실제로 지진 활동이 활발한 국가다. 지진 위험도는 글로벌 지진모델 재단(Global Earthquake Model Foundation)의 세계 지진위험지도(Global Seismic Hazard Map)와 같은 여러 웹사이트에서 쉽게 확인할 수 있다.

건물이 붕괴한 이유는 안타깝게도 하나가 아니라 여러 요인이 복합적으로 작용한 결과다. 건물의 연식과 구조 방식, 유지관리 수준, 국지적인 지반 증폭 효과(지진파가 단단한 기반암에서 더 연약한 표층 토양으로 전달될 때 진동이 증폭되는 현상), 그리고 진원과의 거리 등이 모두 영향을 미친다.

여기에 두 차례 지진 모두 진원의 깊이가 얕았고, 특히 본진이 매우 얕았다는 점도 광범위한 피해를 키운 원인이다. 더욱 넓게 보면 단 하나의 원인을 지목할 수는 없으며, 여러 요인이 함께 작용한 결과라고 봐야 한다.

베네수엘라처럼 지진 위험이 높은 국가에서는 건물을 어떻게 지어야 한다고 생각하는가?

현대적인 내진 설계 기준은 이러한 대규모 붕괴를 막는 데 매우 효과적이다. 따라서 새로 짓는 건물에는 내진 설계 기준을 적용하는 것이 가장 중요한 해법이다. 핵심은 이를 제대로 시행하는 것이다. 설계 기준은 올바르게 적용하고 시공 품질을 철저히 관리해야만 사람들을 보호할 수 있다.

또한 현재 전 세계 건물 상당수는 현행 내진 설계 기준이 마련되기 전에 지어졌다는 점도 기억해야 한다. 내진 설계 기준은 과학적 이해가 발전하면서 꾸준히 개선됐고, 이번과 같은 지진에서 얻은 교훈도 반영해 왔다.

기존 건물은 모두 새로 지을 수 없기 때문에 내진 보강과 구조 보강이 필수적이다. 병원과 발전소 같은 핵심 시설에는 지진 회피(면진, base isolation) 같은 최신 기술을 적용하면 건물이 무너지지 않을 뿐 아니라 기능도 계속 유지할 수 있으며, 최근 여러 차례 지진에서도 매우 뛰어난 성능을 보였다.

건물의 내진 성능을 높이기 위해서는 어떻게 보강해야 하는가?

오늘날에는 다양한 내진 보강 기술이 있으며, 어떤 방식을 선택할지는 철근콘크리트, 철골, 조적조 등 건물의 구조 형식에 따라 달라진다.

크게 보면 내진 보강은 건물의 강도와 강성을 높이거나, 건물이 견뎌야 하는 힘을 줄이는 방식으로 이뤄진다. 예를 들어 면진 기술(건물과 기초를 분리하는 공학적 기술)이나 에너지 소산 장치를 사용할 수 있다. 그러나 무엇보다 중요한 점은 어떤 보강 공사에 앞서 건물마다 맞춤형 안전성 평가를 반드시 시행해야 한다는 것이다.

그 목적은 정밀 조사와 재료 시험을 통해 구조물에 대한 불확실성을 줄이고, 건물의 상태를 진단할 수 있는 모델을 구축하는 데 있다. 그래야 획일적인 보강이 아니라 건물마다 가진 고유한 취약점을 정확히 보완할 수 있다.

이번 지진에서는 이른바 ‘팬케이크 붕괴’가 많이 발생했다. 이런 붕괴는 왜 일어나며 어떻게 막을 수 있는가?

‘팬케이크 붕괴’는 건물의 하중을 지탱하는 수직 구조물, 특히 기둥이 파괴될 때 발생한다. 기둥이 무너지면 바닥 슬래브가 지지력을 잃고 층층이 아래로 내려앉는다. 이는 구조물 붕괴 가운데 가장 치명적인 형태 중 하나다. 오래된 건물에서는 취성 파괴가 팬케이크 붕괴의 주요 원인이 되는 경우가 많다.

에너지를 흡수하며 변형하도록 적절하게 설계하지 않은 기둥은 그대로 부러진다. 여기에 1층이 개방돼 있거나 구조적으로 취약하면 피해가 특정 층에 집중되면서 상황은 더 악화한다.

이러한 붕괴를 막기 위해 사용하는 공학적 설계 개념을 '용량 설계(capacity design)'라고 한다. 이 설계의 원칙은 구조물이 어느 부분에서 손상이 돼야 하는지를 미리 정하고, 그 손상이 일반적으로 보(beam)에서 연성(ductile)을 유지한 채 통제된 방식으로 발생하도록 만드는 것이다.

반대로 기둥과 접합부, 기초는 의도적으로 더 강하게 설계해 손상되지 않도록 한다. 이렇게 하면 보는 지진 에너지를 안전하게 흡수하고 분산시키는 역할을 한다. 이러한 원칙은 흔히 '강기둥-약보(strong column, weak beam)'라고 부른다. 이 방식으로 설계한 건물은 한 층 전체가 붕괴하는 대신 흔들리면서 지진 에너지를 분산시킬 수 있다.

이러한 용량 설계는 국부적인 손상이 건물 전체로 확산하지 않도록 하는 적절한 구조 상세 설계와 강한 접합부 설계와 함께 현대 건축 기준의 핵심 요소를 이룬다. 또한 잘 설계한 현대 건물이 팬케이크 붕괴를 겪을 가능성이 훨씬 낮은 가장 중요한 이유이기도 하다.

"베네수엘라 참사: 베네수엘라 라과이라에서 드론으로 촬영한 영상에는 두 차례의 지진이 국가를 강타해 1,700명 이상이 숨지고 수천 명이 다친 지 닷새가 지난 월요일, 붕괴한 건물들과 거대한 잔해 더미가 담겨 있다."

많은 건물이 손상됐지만 붕괴하지는 않은 것으로 보인다. 지진 이후 이런 건물들도 결국 철거하는 경우가 많은가? 또 어떤 기준으로 철거 여부를 결정하는가?

그렇다. 그리고 이는 오히려 건물이 설계 의도대로 기능했다는 신호이기도 하다. 일반 건축물의 내진 설계 목표는 손상 없이 버티는 것이 아니라 사람의 생명을 보호하는 데 있다. 즉, 건물은 지진 에너지를 흡수하는 과정에서 손상될 수 있지만 붕괴하지 않아야 하며, 사람들이 안전하게 대피할 수 있어야 한다.

심하게 손상됐더라도 모든 사람이 무사히 빠져나올 수 있었다면 그 건물은 제 역할을 한 것이다. 이후 철거해야 하는 경우가 있더라도 마찬가지다. 지진이 끝난 뒤에는 이러한 건물들을 보통 두 단계에 걸쳐 평가한다.

먼저 신속한 안전 점검을 시행해 건물을 즉시 사용 가능한 상태인지 분류한다. 일반적으로는 안전, 제한적 사용, 출입 금지로 구분한다. 이는 여진이 계속되는 동안 사람들을 위험으로부터 보호하려는 조치다. 다만 출입 금지판정을 받았다고 해서 곧바로 철거 대상이라는 뜻은 아니다. 정밀 점검을 마칠 때까지 건물을 사용할 수 없다는 의미일 뿐이다.

그다음에는 정밀 구조 안전 진단을 시행해 건물이 원래의 구조 성능을 얼마나 유지하고 있는지, 그리고 보수·보강이 가능한지를 평가한다. 건물을 보수할지 철거할지는 여러 요소를 종합적으로 고려해 결정한다. 기술적으로 보수가 가능한지, 구조 강도가 얼마나 남아 있는지, 건물이 영구적으로 기울어졌는지(이 경우에는 보수가 경제성이 없는 경우가 많다), 그리고 보수 비용과 재건축 비용 가운데 어느 쪽이 더 적절한지를 모두 따져야 한다.

이 때문에 대규모 지진이 발생한 뒤에는 건물이 붕괴하지 않았더라도 대규모 철거가 뒤따르는 경우가 흔하다. 2011년 지진 이후 뉴질랜드 크라이스트처치(Christchurch) 도심에서 나타난 상황이 대표적인 사례다. 이는 설계 실패를 의미하는 것이 아니라, 오히려 건물이 내부 사람들의 생명을 지키기 위해 스스로 손상을 감수하도록 설계했다는 내진 설계 철학이 제대로 작동한 결과를 보여준다.

[출처] Expert Q&A: why did so many buildings collapse in Venezuela’s double earthquake?

[번역] 하주영 

덧붙이는 말

라파엘레 데 리시(Raffaele De Risi)는 브리스틀대학교(University of Bristol) 토목·항공우주·설계공학부(School of Civil, Aerospace and Design Engineering) 토목공학 부교수다. 참세상은 이 글을 공동 게재한다.