타코마 다리의 붕괴

* 미국의 타코마 다리가 자신의 고유진동수와 같은 진동수로 불어온 바람에 의해 공명되어 심하게 요동친 후 부서지는 동영상입니다.

 

 

 

 

타코마 다리의 붕괴원인은 공명(공진) 현상(Resonance)으로 강제진동의 진동수(Forced Frequency)와 물체의 고유진동수(Natural Frequency)가 일치할 때 진폭이 점점 커지는 현상을 말한다.

1937년, 미국 워싱턴주 타코마 해협(Tacoma Narrows)에 첫번째 다리가 건설되었을 때 사람들은 세상에서 가장 아름다운 다리라고 격찬했다. 이 다리는 당시만 해도 신공법이었던 현수교(Suspension Bridge)로 건설되었고 미항으로 이름난 타코마 항에 썩 잘 어울리는 훌륭한 다리였다. 그런데 그 다리가 완공 3년만인 1940년 11월 7일 맥없이 붕괴되었다. 당시 일단 다리가 무너진 원인이 바람에 있었다고 추정하였다. 그러나 타코마 다리는 최악의 토네이도에도 견딜만한 강도를 갖도록 설계되었다. 예나 지금이나 미국의 토목 기술은 세계 최고 수준이었던 것이다. 그럼 바람의 강도가 아니면 무엇일까?

조사 결과 그 다리는 바람의 세기가 아닌, 바람으로 인한 진동(Vibration)에 의해 붕괴된 걸로 밝혀졌다.

개통 당시부터 심한 진동을 계속한 다리의 이상한 행동 때문에 사람들은 이 다리를 `날뛰는 거티'라고 부르고 있었고, 다리 위에 서 있으면 전율을 느낄 정도였다고 한다. 다리의 이러한 행동에 관심을 가졌던 워싱턴 대학의 파퀴하슨 교수가 다리의 상태를 점검하면서 촬영을 하고 있었는데 오전 10시경부터 그의 눈앞에 불가사의한 일이 벌어지기 시작했다. 길이가 840m인 타코마교가 가운데를 중심으로 꽈배기와 같이 좌우로 비틀리기 시작하여 분당 14번씩 옆의 사진과 같이 좌우로 뒤틀렸는데 그 각도는 수평면에 대해 아래위로 각각 45도 정도까지 되었다고 한다. 결국 11시쯤 다리는 중앙부터 부서지기 시작하여 곧 몇 분 후 가운데의 대부분이 파괴되고 말았다. 다리를 붕괴시키기에는 턱없이 모자라는 바람에 거대한 철 구조물이 엿가락처럼 휘어 무너져내린 사실에 토목 기술자들은 경악했다. 어찌된 영문일까?

결론부터 말하자면 다리가 무너진 것은 '강풍' 때문이 아니었다.
놀이터에 있는 그네타기를 생각하면 이해하기 쉽다. 아무리 높이 흔들리던 그네도 외부에서 힘을 가하지 않거나, 반대 방향으로 힘을 실어주게 되면 그네는 멈추게 된다. 이 그네를 밀어줄 때 가장 효과적인 방법은 그네가 충분히 뒤로 와서 멈춘 순간 밀어주는 것이다. 이런 행동을 계속해서 하다 보면 큰 힘을 들이지도 않았는데 그네는 어느덧 매우 높은 곳까지 밀려 올라가 있는 것을 발견하게 된다.
강철이나, 콘크리트 등 이 세상에 존재하는 모든 물체들은 저마다 고유의 흔들림(진동)을 갖고 있는데, 이것이 그네를 미는 것과 비슷한 특성이 있다. 학창시절 소리굽쇠 실험을 한 것을 기억할 것이다. 같은 진동수를 갖는 한 쌍의 소리굽쇠와 다른 진동수를 갖는 소리굽쇠 하나를 준비한 다음 소리굽쇠를 치면 어떤 일이 발생할까? 소리굽쇠는 고유 진동수로 진동하기 시작하고 이 진동은 공기를 통해 전파되면서 다른 소리굽쇠를 강제로 진동 시킨다. 재미있는 것은 이때 같은 진동수를 가진 소리굽쇠는 진동하지만 다른 진동수를 가진 소리굽쇠는 진동하지 않는다는 점이다. 쌍인 소리굽쇠의 하나를 계속 치면 다른 하나의 소리굽쇠는 진폭이 커지는데, 이러한 현상을 공명이라고 부른다.

타코마 다리의 붕괴에서도 이런 원리가 적용됐던 것이다.
이 다리는 양쪽 교각에 연결한 케이블에 다리가 매달려 있는 현수교로서 특히 폭이 매우 좁고 길이는 매우 길었다. 또한 바람이 다리의 옆에서 불 때 마치 비행기 날개의 단면과 같았던 다리의 독특한 모양이 다리를 하늘로 뜨게 하였고 아래위로 진동하게 만들었다. 바람에 의해 생긴 진동은 곧 다리 자체가 지니고 있는 고유한 진동과 일치하여 다리를 더욱 크게 진동하게 만들었고 결국 다리는 진동을 견디지 못하고 파괴되었던 것이다. 이러한 현상을 건축물 구조학에서는 `공기역학적 공명 현상'이라고 부른다. 따라서 이 다리를 무너뜨린 것은 바람의 세기가 아니라 바람에 의해 발생된 진동이 다리의 진동수와 같았기 때문이었다. 그렇다고 한강을 건널 때 공명 때문에 다리가 무너질까 고민할 필요는 없다. 이 사건을 계기로 샌프란시스코의 금문교를 비롯한 현수교에 대한 대대적인 보수 작업이 이루어져서 다리가 바람에 의한 진동에 부서지지 않도록 다시 보완되었다.