건축물은 어떻게 해서 서 있는가 — 거대한 구조물이 무너지지 않고 버티는 힘의 원리
물리학 · 힘과 운동 · 토목공학
책 소개
컬럼비아대학에서 구조공학을 가르친 마리오 살바도리가 '이 거대한 건축물이 왜 무너지지 않는가'라는 한 가지 질문으로 인류의 대표 구조물을 설명하는 책입니다. 저자는 피라미드부터 고딕 성당, 에펠탑, 고층 건물, 매달린 다리까지 시대순으로 따라가며, 각 구조물이 자기 무게와 바람을 어떻게 견뎌 내는지를 그림과 함께 풀어냅니다. 그러면 구조역학이 외워야 할 공식이 아니라, 인류가 중력에 맞서 버틸 방법을 찾아온 기록으로 다가옵니다. 토목공학을 다리와 건물을 짓는 학문으로 처음 접하는 학생이, '구조물은 무엇으로 버티는가'라는 의문으로 탐구를 시작하기 좋은 책입니다.
책은 구조물에 작용하는 힘을 누르는 힘과 잡아당기는 힘으로 나누어, 재료와 모양이 그 힘을 어떻게 받아 내는지 설명합니다. 보와 기둥은 위에서 누르는 하중을 떠받치고, 아치와 돔은 무게를 곡선을 따라 옆으로 흘려보내 땅으로 전달하며, 매달린 다리의 케이블은 상판의 무게를 잡아당기는 힘으로 버팁니다.
저자는 같은 무게라도 어떤 모양으로 받느냐에 따라 견디는 정도가 크게 달라진다는 점을, 종이 한 장을 접어 세우는 단순한 실험부터 성 소피아 성당의 돔까지 이어 보여 줍니다. 구조물이 서 있다는 것은 결국 작용하는 힘들이 서로 상쇄되어 균형을 이룬 상태라는 사실을, 책 전체가 여러 사례로 일러 줍니다.
물리학에서는 한 물체에 여러 힘이 동시에 작용할 때, 그 힘들과 같은 효과를 내는 하나의 힘을 알짜힘이라고 합니다. 알짜힘이 0인 상태를 힘의 평형이라고 하며, 이때 정지한 물체는 계속 정지합니다.
그런데 힘이 물체를 회전시키는 효과도 함께 고려해야 하는데, 회전축에서 힘이 작용하는 점까지의 거리와 힘의 크기를 곱한 양을 돌림힘이라고 합니다. 물체가 완전히 멈춰 있으려면 알짜힘이 0일 뿐 아니라, 회전시키려는 돌림힘들의 합도 0이어야 합니다. 두 조건이 모두 만족될 때 물체는 비로소 평형 상태에 놓여 움직이지 않습니다.
거대한 건축물은 어떻게 무너지지 않고 버틸까요? 물리학에서 배우는 힘의 평형으로 그 원리를 설명할 수 있습니다.
건물에는 끊임없이 자기 무게와 바람, 위에 쌓인 하중이 아래로 작용하는데, 그런데도 움직이지 않는다는 것은 이 힘들을 정확히 상쇄하는 반대 힘이 어딘가에서 받쳐 주고 있다는 뜻입니다. 기둥은 위에서 누르는 무게만큼 땅을 밀고 땅이 그만큼 되밀어 알짜힘을 0으로 맞추고, 아치는 무게를 곡선을 따라 양쪽 기둥으로 흘려보내 그 끝에서 떠받치게 합니다. 구조물이 서 있다는 것은 작용하는 모든 힘과 회전시키려는 돌림힘이 서로 상쇄되어 평형을 이룬 상태이고, 토목공학자가 설계에서 가장 먼저 확인하는 것이 바로 이 균형입니다. 만약 한쪽 힘이 다른 쪽보다 조금이라도 크면 알짜힘이 0이 아니게 되어 그 방향으로 구조물이 밀리거나 기울고, 돌림힘의 균형이 깨지면 회전하며 쓰러집니다. 그래서 건물을 설계할 때는 모든 하중을 빠짐없이 더해 어느 방향으로도 힘과 돌림힘이 남지 않도록 받침과 부재를 배치합니다.
구조물이 서 있다는 것은, 그 위에 작용하는 모든 힘이 정확히 균형을 이뤄 어느 쪽으로도 움직이지 않는 상태를 뜻합니다. 건물에 작용하는 힘은 크게 자기 무게처럼 늘 작용하는 하중과, 바람이나 지진처럼 때때로 작용하는 하중으로 나뉩니다.
이 힘들이 어느 한 방향으로 합쳐져 0이 아닌 알짜힘을 남기면 구조물은 그 방향으로 밀려나고, 회전시키려는 돌림힘이 남으면 한쪽으로 기울어 넘어집니다. 그래서 설계의 핵심은 작용하는 모든 하중을 더한 뒤, 기둥과 벽, 기초가 그만큼의 힘을 반대 방향으로 되받아 알짜힘과 돌림힘을 모두 0으로 만드는 것입니다. 같은 무게를 받더라도 힘을 어떤 부재로 어떻게 전달하느냐에 따라 버티는 정도가 달라지는데, 기둥은 누르는 힘을, 케이블은 잡아당기는 힘을 주로 받게 설계하면 각 재료가 가장 잘 견디는 방식으로 일하게 됩니다.
누르는 힘에 강한 콘크리트와 잡아당기는 힘에 강한 강철을 한데 묶은 철근콘크리트가 널리 쓰이는 것도 같은 이유입니다. 이 책에서 본 여러 구조물을 출발점 삼아, 주변의 다리나 건물 하나를 골라 그 무게가 어떤 부재를 거쳐 땅으로 전달되는지를 힘의 평형이라는 관점에서 따라가 볼 수 있습니다.