왜 건물이 지진으로 붕괴될까요? - 비키 V 메이(Vicki V. May)

전체 강연보기: http://ed.ted.com/lessons/why-do-buildings-fall-in-earthquakes-vicki-v-may

지진은 언제나 두려운 현상이며, 도시가 커질수록 더욱 치명적이 되었습니다 - 건물이 붕괴되는 것은 가장 큰 위험 중 하나가 되었죠. 그런데 왜 건물이 지진으로 붕괴될까요? 그리고 어떻게 이를 예방할 수 있을까요? 비키 V 메이(Vicki V. May)가 설명해 드립니다, 왜 견고한 건물이 아니라 스마트한 건물이 무너지지 않는지를요.

강연: 비키 V 메이(Vicki V. May)
영상제작: 퓨36 에니메이션 스튜디오스(Pew36 Animation Studios)

지진은 항상 끔찍한 현상으로
지속되어 왔죠.

그리고 도시가 커질수록
더욱 치명적이 되었고,

건물이 무너져 내리는 것은
가장 큰 위험 중 하나가 되었습니다.

왜 지진이 나면
건물이 무너질까요?

그리고 어떻게 막을 수 있을까요?

여러분이 재난 영화를 많이 봤다면
생길 수 있는 아이디어는

빌딩 붕괴가 빌딩 바로 아래의 땅의
격한 진동으로 갈라진다는 것입니다.

하지만 사실 그렇게
일어나는 것은 아닙니다.

우선, 대부분의 빌딩은 단층선 바로
위에 있지 않습니다.

그리고 움직이는 지질구조판은
건물의 토대보다 더 깊이 있습니다.

그럼 실제로 무슨일이
일어나고 있는 걸까요?

사실, 지진의 실체와 지진이 건물에
미치는 영향은 좀 복잡합니다.

이를 논리적으로 설명하려고 건축가들과
엔지니어들은 모형을 이용했습니다.

건물의 보와 기둥을 나타내는
2차원 선으로 이루어진 모형이나

건물의 질량을 나타내는 원형구가 달린
사탕 모양의 선형 모형을 사용했습니다.

이 모형들은 지진의 정도를 단순화해
나타낼 때 꽤 유용할 뿐만 아니라

지진이 미치는 빌딩에 대한 영향을

물리학에 기초해
예측하는 것이기 때문이죠.

지진이 일어나는 동안 발생하는
대부분의 건물 붕괴는

사실상 지진 자체에
의한 것이 아닙니다.

대신, 건물 아래에 땅이움직일 때

건물의 토대와 저층부의 위치를 옮기면서
나머지 부분에 충격파를 보내서

이 때문에 건물들이
왔다 갔다하며 흔들리게 되는 겁니다.

이 진동의 강도는
두 가지 요인에 좌우 됩니다.

건물 하단부에 주로 집중되어 있는
건물의 질량과 '강성도입니다.'

강성도는 특정 양을 이동시키기 위해
필요한 힘의 정도를 말합니다.

건물이 만들어진 소재와
기둥의 모양과 더불어

강성도는 주로 높이와 연관됩니다.

낮은 건물은 대체로 더 견고하고
움직임이 없는 편이고

그에 반해 높은 건물은
상대적으로 더 움직임이 많습니다.

따라서, 해결책은 낮은 건물을 지어서

가능한 한 조금 움직이도록
해야한다고 생각할 수 있죠.

하지만 1985년에 멕시코에서 일어난
지진은 그 생각에대한 좋은 반례입니다.

지진이 일어나는 동안 상당히 많은
6-15층 높이의 건물이 붕괴되었죠.

이상한 점은 그 근처 낮은 건물들은
무너지지 않았다는 것이고,

15층보다 더 높은 건물들도
비교적 적게 손상되었습니다.

그리고 무너진 중간 크기의 빌딩들은

지진이 일으키는 진동보다 더 격하게
흔들리는 것이 관측되었습니다.

어떻게 이런게 가능할까요?

정답은 '고유 진동수'라
알려진 것과 관계 있습니다.

진동 시스템에서

진동수란 앞뒤로 흔들리는 횟수가
1초에 몇 번인지를 나타냅니다.

반대로 말하자면,한 번 흔들릴 때
몇 초가 걸리는지를 의미합니다.

그리고 질량과 강성도에 의해
결정되는 건물의 고유 진동수는,

건물의 진동이 응집되는 빈도를
의미합니다.

건물 질량의 증가는 자연적으로
진동을 느리게 하는 반면,

강성도의 증가는
진동을 빠르게 만듭니다.

그래서, 이 관계를 나타내는 방정식에서
견고성과 고유진동수는 서로 비례합니다.

반면 질량과 고유진동수는 반비례하지요.

멕시코 시티에서 일어난 현상을
'공진(共振)'이라고 부르는데요,

그 지진의 지진파의 진동수가 중간 크기
빌딩의 고유 진동수와 일치했던 거죠.

박자가 잘 맞춰진 그네가 흔들리듯이

매회 더해지는 진동이 건물의 흔들림을
그 방향으로 더 크게 흔들게 되는거죠.

결국 처음 위치보다 훨씬 더 멀리
이동하게 되는 것입니다.

오늘날, 엔지니어들은
지질학자, 지진학자들과 함께

건설현장에서 지진운동의 진동수를
예측하기 위해 연구하는데요,

이는 공진으로 인한 붕괴를
막기 위함입니다.

흙의 종류와 단층 유형 같은
요소들을 고려하고,

이전의 지진 데이타도 살펴봅니다.

빈도가 낮은 진동은, 높고 유연한
건물에 더 큰 피해를 입히는 반면,

빈도가 높은 진동은, 작고 견고한
건물에 더 위협적입니다.

엔지니어들은 또한 충격을 흡수하고

변형을 최소화할 방법을
혁신적인 시스템을 이용하여 연구하죠.

[기초면진]은 유연한 층을 이용하여

건물의 기초가 다른부분으로부터
움직이지 않도록 격리시킵니다.

반면, [동주질량시스템]은
공진을 상쇄시키는데,

흔들림이 고유 진동수와 맞지 않게 하여
떨림을 줄이는 겁니다.

결국, 견고한 건물이라고
무너지지 않는게 아니고,

스마트하게 지어진 건물이
무너지지 않는겁니다.