[Where] 어디서 토사 붕괴는 징후 없이 터지나
가느다란 쇠막대 몇 개가 기차를 받칩니다. 그런데 같은 뼈대가 1907년엔 강으로 무너졌습니다.
트러스는 곧은 막대를 삼각형으로 이어 붙인 뼈대 구조입니다. 다리, 지붕, 크레인 팔에 두루 쓰입니다.
다리 옆면을 보면 위아래로 긴 막대가 달립니다. 그 사이를 비스듬한 막대가 지그재그로 채웁니다.
위쪽은 상현재, 아래쪽은 하현재라고 부릅니다. 비스듬한 막대는 사재, 막대가 만나는 점은 절점입니다.
멀리서 보면 레이스처럼 가볍습니다. 하지만 빈칸 하나하나가 계산의 결과입니다.
에펠탑, 체육관 지붕, 송전탑도 모두 트러스입니다. 일상에서 매일 그 아래를 지나고 있는 셈입니다.
빨대 네 개로 네모를 만들고 모서리를 밀어 보세요. 변 길이는 그대로인데 마름모로 찌그러집니다.
빨대 세 개로 세모를 만들면 꿈쩍도 하지 않습니다. 세 변이 정해지면 모양은 하나뿐입니다.
삼각형을 찌그러뜨리려면 막대 자체를 늘이거나 짓눌러야 합니다. 그래서 각도가 저절로 지켜집니다.
네모에 대각선 하나만 넣어도 삼각형 두 개가 됩니다. 비계나 철제 의자의 대각선도 같은 이유입니다.
삼각형은 튼튼해서가 아니라, 모양이 변하지 않아서 씁니다.
막대가 약하면 삼각형도 부러집니다. 삼각형의 역할은 힘이 지나갈 길을 정해 주는 것입니다.
나무젓가락은 가운데를 꺾으면 쉽게 부러집니다. 하지만 양 끝을 당겨 끊기는 거의 불가능합니다.
트러스는 절점을 핀으로 잇고 무게가 절점에 실리게 설계합니다. 그러면 막대는 휘지 않고 축력만 받습니다.
당겨지는 힘은 인장, 눌리는 힘은 압축입니다. 다리가 처지려 하면 상현재는 눌리고 하현재는 당겨집니다.
1844년 프랫 형제가 프랫 트러스로 특허를 받았습니다. 1848년 영국의 워런과 동료도 특허를 받았습니다.
미국의 스콰이어 휘플은 그보다 앞서 막대의 힘을 계산하는 법을 책으로 펴냈습니다. 필요한 만큼만 굵게 만드는 길이 열렸습니다.
| 부재 | 위치 | 주로 받는 힘 |
|---|---|---|
| 상현재 | 위쪽 긴 막대 | 압축 |
| 하현재 | 아래쪽 긴 막대 | 인장 |
| 사재 | 사이 대각선 | 방향 따라 다름 |
꽉 찬 들보로 강을 건너면 들보가 점점 두꺼워집니다. 결국 자기 무게를 버티느라 힘을 다 씁니다.
트러스는 힘이 흐르지 않는 곳의 쇠를 덜어 냅니다. 힘이 흐르는 선에만 막대를 남깁니다.
상현재와 하현재가 멀어질수록 각 막대의 힘은 작아집니다. 속이 비었으니 높여도 무게는 크게 늘지 않습니다.
19세기 미국에는 이런 철제 트러스 다리가 수천 개 놓였습니다. 같은 쇠로 더 멀리 건널 수 있었기 때문입니다.
1887년 스코틀랜드 포스교 기술자들은 사람으로 이 원리를 시연했습니다. 그 사진은 지금도 유명합니다.
삼각형은 모양을, 막대는 축력을 빈 공간은 무게를 맡는다
당기는 철사는 곧게 펴집니다. 하지만 미는 철사는 조금만 눌러도 옆으로 휩니다. 이것이 좌굴입니다.
1907년 퀘벡교에서 휘던 부재는 아래쪽 압축 부재였습니다. 붕괴로 노동자 75명이 숨졌습니다.
왕립 조사위원회는 원인을 그 압축 부재의 설계 결함으로 결론 냈습니다. 판을 엮은 연결도 약했습니다.
2007년 미국 I-35W 다리 붕괴 때는 연결 철판인 거셋 플레이트가 너무 얇았던 것으로 조사됐습니다.
캐나다 엔지니어의 아이언 링이 퀘벡교 쇠로 만들어졌다는 말은 신화입니다. 첫 반지는 1차 대전 참전 군인들이 만들었습니다.
| 연도 | 사건 |
|---|---|
| 1844 | 프랫 트러스 특허 |
| 1848 | 워런 트러스 특허 |
| 1907 | 퀘벡교 붕괴 |
| 2007 | I-35W 붕괴 |
정리하면 트러스는 모양, 힘, 무게를 나눠 맡는 뼈대입니다. 그리고 묵묵히 눌리는 막대가 가장 위험합니다.
본 글은 일반 정보이며 실제 구조 안전 판단은 전문 기관을 따릅니다. 출처: STRUCTURE 매거진, NTSB, Wikipedia.