▲ 이항준 소방기술사(에듀파이어기술학원장)

소방 내진기술은 건축구조의 기술적 개념을 포함하고 있기 때문에 소방엔지니어들이 쉽게 접근할 수 없는 게 사실이다. 

‘F = ma’ 뉴턴의 제2법칙(가속도의 법칙)으로 알려진 이 공식은 지진과 어떤 관계가 있는 걸까? 근본적인 물음에 대한 답부터 찾아보려 한다.

지진 발생 시 진원에서 가장 피해가 큰 위치는 진원 직상부인 진앙으로 알려져 있다. 진앙으로 거리가 멀어질수록 지진파가 점점 작아지는 건 당연하다. 이는 수계소화설비에서 펌프 인입 측 압력은 높지만 가장 먼 말단에선 압력이 가장 낮아지는 이치와 동일하다.

지진에선 이를 ‘진도’로 표현한다. ‘진도’는 진원과 멀어질수록 작아지는 수치며 ‘규모’는 지진이 가지고 있는 절대적인 에너지의 크기를 말한다. 

지진으로 인한 충격이 건축물에 전달되면 진동이 발생하게 된다. 지면과 닿아있는 저층부에서 시작되는 진동은 최상층으로 올라갈수록 커지게 된다. 바람에 의해 나무가 흔들릴 때 상대적으로 견고한 뿌리 부분은 진동이 작지만 뿌리에서 가장 먼 나뭇가지의 경우 흔들림이 커지는 것과 같은 원리다. 

진동에 의한 영향을 뉴턴의 제2법칙(가속도 법칙)으로 설명해보면 진동이 작은 나무뿌리 부분은 흔들리는 가속도가 작지만 진동이 큰 가지는 가속도 역시 커져 하중도 더 커지게 된다. 또 바람의 크기가 클수록 진동에 따른 가속도는 커지며 이를 나무가 견디지 못할 경우 결국 부러지게 된다. 

건축물 또한 지진 진동에 의한 가속도는 지면과 닿아있는 지하층 등 저층부에서 최소가 될 거다. 최상층의 경우 가속도가 가장 커지게 된다는 걸 의미한다. 

동일한 이치로 지진의 규모(절대적 에너지의 크기)와 진도(진원으로부터 거리에 따른 영향)가 커질 경우 가속도는 커질 것이며 이런 지진파를 견디지 못할 경우 건축물은 당연히 파괴될 거다. 

건축물에 이런 영향을 준다면 건축 비구조요소에 해당하는 소방과 전기, 기계설비 등에도 동일하게 작용할 거다. 소화배관의 경우 건축물과 공진(resonance)하면서 자중과 지진에 의해 발생하는 가속도로 시계추처럼 흔들리게 될 거다. 

이런 동적하중을 흔들림 방지 버팀대 등으로 고정 지지할 때 가속도를 고려한 정적하중인 수평지진하중으로 환산해 계산한다. 버스가 주행 중 갑자기 급정차할 경우 손잡이 또는 서 있는 사람이 흔들리는 것과 같은 이치다.

버스 급정차 시 승객은 서 있는 것보다 앉아 있는 게 더 안전하다. 무게중심과 손잡이를 잡고 있는 힘(앵커볼트, 건축물 부착장치의 형상에 따른 프라잉(지렛대)계수) 등에 따른 모멘트(힘×거리)가 달라질 수 있다는 걸 의미한다. 

다음 호에선 수평지진하중 산정에 대해 본격적으로 알아보고자 한다.

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