Why do buildings fall in earthquakes? - Vicki V. May

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

번역: JongEok Yang 검토: Jeong-Lan Kinser

Earthquakes have always been a terrifying phenomenon,

지진은 항상 끔찍한 현상으로 지속되어 왔죠.

and they've become more deadly as our cities have grown,

그리고 도시가 커질수록 더욱 치명적이 되었고,

with collapsing buildings posing one of the largest risks.

건물이 무너져 내리는 것은 가장 큰 위험 중 하나가 되었습니다.

Why do buildings collapse in an earthquake,

왜 지진이 나면 건물이 무너질까요?

and how can it be prevented?

그리고 어떻게 막을 수 있을까요?

If you've watched a lot of disaster films,

여러분이 재난 영화를 많이 봤다면 생길 수 있는 아이디어는

you might have the idea

빌딩 붕괴가 빌딩 바로 아래의 땅의 격한 진동으로 갈라진다는 것입니다.

that building collapse is caused directly by the ground beneath them

shaking violently, or even splitting apart.

But that's not really how it works.

하지만 사실 그렇게 일어나는 것은 아닙니다.

For one thing, most buildings are not located right on a fault line,

우선, 대부분의 빌딩은 단층선 바로 위에 있지 않습니다.

and the shifting tectonic plates go much deeper than building foundations.

그리고 움직이는 지질구조판은 건물의 토대보다 더 깊이 있습니다.

So what's actually going on?

그럼 실제로 무슨일이 일어나고 있는 걸까요?

In fact, the reality of earthquakes and their effect on buildings

사실, 지진의 실체와 지진이 건물에 미치는 영향은 좀 복잡합니다.

is a bit more complicated.

이를 논리적으로 설명하려고 건축가들과 엔지니어들은 모형을 이용했습니다.

To make sense of it, architects and engineers use models,

like a two-dimensional array of lines representing columns and beams,

건물의 보와 기둥을 나타내는 2차원 선으로 이루어진 모형이나

or a single line lollipop with circles representing the building's mass.

건물의 질량을 나타내는 원형구가 달린 사탕 모양의 선형 모형을 사용했습니다.

Even when simplified to this degree, these models can be quite useful,

이 모형들은 지진의 정도를 단순화해 나타낼 때 꽤 유용할 뿐만 아니라

as predicting a building's response to an earthquake

지진이 미치는 빌딩에 대한 영향을

is primarily a matter of physics.

물리학에 기초해 예측하는 것이기 때문이죠.

Most collapses that occur during earthquakes

지진이 일어나는 동안 발생하는 대부분의 건물 붕괴는

aren't actually caused by the earthquake itself.

사실상 지진 자체에 의한 것이 아닙니다.

Instead, when the ground moves beneath a building,

대신, 건물 아래에 땅이움직일 때

it displaces the foundation and lower levels,

건물의 토대와 저층부의 위치를 옮기면서 나머지 부분에 충격파를 보내서

sending shock waves through the rest of the structure

and causing it to vibrate back and forth.

이 때문에 건물들이 왔다 갔다하며 흔들리게 되는 겁니다.

The strength of this oscillation depends on two main factors:

이 진동의 강도는 두 가지 요인에 좌우 됩니다.

the building's mass, which is concentrated at the bottom,

건물 하단부에 주로 집중되어 있는 건물의 질량과 '강성도입니다.'

and its stiffness,

which is the force required to cause a certain amount of displacement.

강성도는 특정 양을 이동시키기 위해 필요한 힘의 정도를 말합니다.

Along with the building's material type and the shape of its columns,

건물이 만들어진 소재와 기둥의 모양과 더불어

stiffness is largely a matter of height.

강성도는 주로 높이와 연관됩니다.

Shorter buildings tend to be stiffer and shift less,

낮은 건물은 대체로 더 견고하고 움직임이 없는 편이고

while taller buildings are more flexible.

그에 반해 높은 건물은 상대적으로 더 움직임이 많습니다.

You might think that the solution is to build shorter buildlings

따라서, 해결책은 낮은 건물을 지어서

so that they shift as little as possible.

가능한 한 조금 움직이도록 해야한다고 생각할 수 있죠.

But the 1985 Mexico City earthquake is a good example of why that's not the case.

하지만 1985년에 멕시코에서 일어난 지진은 그 생각에대한 좋은 반례입니다.

During the quake,

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

many buildings between six and fifteen stories tall collapsed.

이상한 점은 그 근처 낮은 건물들은 무너지지 않았다는 것이고,

What's strange is that while shorter buildings nearby did keep standing,

buildings taller than fifteen stories were also less damaged,

15층보다 더 높은 건물들도 비교적 적게 손상되었습니다.

and the midsized buildings that collapsed

그리고 무너진 중간 크기의 빌딩들은

were observed shaking far more violently than the earthquake itself.

지진이 일으키는 진동보다 더 격하게 흔들리는 것이 관측되었습니다.

How is that possible?

어떻게 이런게 가능할까요?

The answer has to do with something known as natural frequency.

정답은 '고유 진동수'라 알려진 것과 관계 있습니다.

In an oscillating system,

진동 시스템에서

the frequency is how many back and forth movement cycles occur within a second.

진동수란 앞뒤로 흔들리는 횟수가 1초에 몇 번인지를 나타냅니다.

This is the inverse of the period,

반대로 말하자면,한 번 흔들릴 때 몇 초가 걸리는지를 의미합니다.

which is how many seconds it takes to complete one cycle.

And a building's natural frequency, determined by its mass and stiffness,

그리고 질량과 강성도에 의해 결정되는 건물의 고유 진동수는,

is the frequency that its vibrations will tend to cluster around.

건물의 진동이 응집되는 빈도를 의미합니다.

Increasing a building's mass slows down the rate at which it naturally vibrates,

건물 질량의 증가는 자연적으로 진동을 느리게 하는 반면,

while increasing stiffness makes it vibrate faster.

강성도의 증가는 진동을 빠르게 만듭니다.

So in the equation representing their relationship,

그래서, 이 관계를 나타내는 방정식에서 견고성과 고유진동수는 서로 비례합니다.

stiffness and natural frequency are proportional to one another,

while mass and natural frequency are inversely proportional.

반면 질량과 고유진동수는 반비례하지요.

What happened in Mexico City was an effect called resonance,

멕시코 시티에서 일어난 현상을 '공진(共振)'이라고 부르는데요,

where the frequency of the earthquake's seismic waves

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

happen to match the natural frequency of the midsized buildings.

Like a well-timed push on a swingset,

박자가 잘 맞춰진 그네가 흔들리듯이

each additional seismic wave amplified the building's vibration

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

in its current direction,

causing it to swing even further back, and so on,

eventually reaching a far greater extent than the initial displacement.

결국 처음 위치보다 훨씬 더 멀리 이동하게 되는 것입니다.

오늘날, 엔지니어들은 지질학자, 지진학자들과 함께

Today, engineers work with geologists and seismologists

to predict the frequency of earthquake motions at building sites

건설현장에서 지진운동의 진동수를 예측하기 위해 연구하는데요,

in order to prevent resonance-induced collapses,

이는 공진으로 인한 붕괴를 막기 위함입니다.

taking into account factors such as soil type and fault type,

흙의 종류와 단층 유형 같은 요소들을 고려하고,

이전의 지진 데이타도 살펴봅니다.

as well as data from previous quakes.

Low frequencies of motion will cause more damage to taller

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

and more flexible buildings,

while high frequencies of motion pose more threat

빈도가 높은 진동은, 작고 견고한 건물에 더 위협적입니다.

to structures that are shorter and stiffer.

Engineers have also devised ways to abosrb shocks

엔지니어들은 또한 충격을 흡수하고

and limit deformation using innovative systems.

변형을 최소화할 방법을 혁신적인 시스템을 이용하여 연구하죠.

Base isolation uses flexible layers

[기초면진]은 유연한 층을 이용하여

to isolate the foundation's displacement from the rest of the building,

건물의 기초가 다른부분으로부터 움직이지 않도록 격리시킵니다.

while tuned mass damper systems cancel out resonance

반면, [동주질량시스템]은 공진을 상쇄시키는데,

by oscillating out of phase with the natural frequency

흔들림이 고유 진동수와 맞지 않게 하여 떨림을 줄이는 겁니다.

to reduce vibrations.

In the end, it's not the sturdiest buildings that will remain standing

결국, 견고한 건물이라고 무너지지 않는게 아니고,

but the smartest ones.

스마트하게 지어진 건물이 무너지지 않는겁니다.