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국토교통부

왜 모든 터널은 아치형일까?

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190927_왜 모든 터널은 아치형일까_final

땅 속을 누비는 두더지 !


그런데 자기가 팠지만

혹시 무너지지는 않을까?

자기 무게의 55배를 버티는 900그램 짜리 나무 조각들!

흐물흐물한 키네틱 샌드가 화분의 무게를 버틴다?!

두더지, 나무 조각, 키네틱 샌드의 비밀은?

바로 아치 효과!

대천항에서 원산도를 잇는

보령해저터널입니다.

그 길이는 6,927m에 달하고, 개통되면 

앞으로 보령에서 태안까지는 

차로 10분이면 갈 수 있습니다. 

또한 이스탄불에서 시작되어 아시아와 유럽을 잇는 유라시아 터널은 그 길이가 14.6km고, 바다 밑 110m에 위치하고 있습니다. 이 터널 덕에, 보스포러스 해협의 하루 자동차 통과 용량은 120,000대로 증가했습니다.

이렇듯 터널은 인간의 역사와 함께 진화를 거듭해왔습니다.  그런데, 그 오랜 세월 변하지 않는 한 가지 사실이 있습니다. 

그 많은 터널들은 왜? 거의 항상 아치 형상을 고집할까요?

그 비밀을 간단한 놀이로 쉽게 풀어보겠습니다.

키네틱 샌드입니다. 뭔가 설명하기에도 좋지만, 사실 그냥 가지고 놀기에 더 좋죠. 연약하고 부서지기 쉬운 재료입니다.

그러나 이 키네틱 샌드도 아치로 변신하면 가공할 내구력을 갖게 됩니다. 물건을 하나씩 얹어가며 확인해볼까요?

두꺼비집 형태로 만든 키네틱 샌드는 위에 어지간히 무거운 물건을 올려놓아도 쉽게 무너지지 않습니다. 바로 이것이 바로 동서고금을 막론하고 오랫동안 사랑받은, 아치의 진정한 매력, 어마어마한 내구력입니다.

좀 더 견고한 재료로 아치를 만들어 봤습니다. 빈틈없이 서로 맞물리고 단단하게 연결된 나무 조각들은, 강철 바벨을 그 위에 얹어도 끄떡없습니다.

그냥 나무 조각들을 보기 좋게 모아놓은 것 같은데, 어떻게 강철 바벨의 무게를 버틸 수 있을까요?


고려대 건축사회환경공학부에 재직 중이며,

前 세계터널학회 학회장을 맡았던

이인모 교수에게 더 자세한 이야기를 들어보았습니다.

 터널과 같은 공동(빈 굴)을 만들었을때,

그것이 어떻게 안정성을 유지하는지 

많이 궁금해할 것 같습니다.

교량 중에서 아치 형태로 만든 

교량을 아치교라고 합니다.

아치교는 위에서 작용되는 하중을

아치를 통해서 하중을 밑으로 내려

바닥에서 하중을 견디도록 합니다.

이것이 아치의 기본 원리입니다.

그래서 하나의 평형 상태에서

새로운 평형 상태로 옮겨간 것을

공학용어로 아침 이펙트(Arching Effect),

즉 아칭 효과라고 이야기합니다.

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보시는 것처럼,아치를 이루는 조각들은 서로 쐐기가 되어 맞물리고, 모든 조각이 압축력을 받아 단단하게 고정됩니다. 또한, 위에서 누르는 힘을 아치의 방향으로 분산하기 때문에 무게를 지탱할 수 있는 것입니다. 아치의 이러한 원리는 지하에 터널을 만드느라 구멍이 생겨도 왜 안전한지 설명해 줍니다.

즉, 모든 방향에서 받는 힘을 아치의 구조라면 가뿐히 견뎌낼 수 있는 거죠. 이것이 바로 아치가 오랜 세월 동안 터널의 주요 공법으로 사랑받은 이유입니다. 

아치의 원리와 함께, 현대에는 각종 기술이 더욱 안전한 터널을 만듭니다.

그 결과물이 바로 오늘날의 지하 터널입니다.

TBM, NATM 공법으로 건설된 지하터널은

최첨단 공법을 적용하여 최상의 안전성을 확보하고

환경피해도 최소화합니다.

 이렇게 완성된 아치형 지하 터널은 지반이 침하될 걱정도 없고, 지상의 건물의 안전에도 아무런 영향을 미치지 않습니다.  

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이러한 안전한 공법으로 만들어진 우리나라의 지하교통 시설은 1974년 이래 안전성과 쾌적함을 꾸준히 인정받으며 40여년 동안 시민들의 발이 되었고, 또한 독특한 공간으로도 거듭났습니다. 

최근에는 파주에서 서울까지 16분이 걸리는 GTX의 공사가 개시되어, 지하교통 시설은 또 한 번의 변화를 맞고 있습니다.


지하교통 시설. 앞으로도 가장 안전하고 빠른 국민의 발이 되도록 하겠습니다. 

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국토교통부

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