일상의 것들 | 텔유 레터 #51
안녕하세요. 콘텐츠 디렉터 리오입니다.
혹시 ‘터널 단면은 왜 둥근지’ 생각해보신 적 있나요? 열차나 자동차의 단면은 각져있는데 말이죠.
제가 출퇴근하면서 지하철을 주로 타는데, 터널이 나오는 거예요. 그런데 생각해보면 터널은 다들 U자를 뒤집은 모양, 그 타원형 단면을 가졌단 말이죠? 그런데 우리가 터널을 지날 때 일반적으로 자동차나 기차, 지하철을 타잖아요? 이 교통수단들의 단면은 각져있습니다. 도대체 터널은 왜 모양에 안 맞게 원형인 걸까요?
오늘 주제는 터널입니다.
터널은 왜 둥글까?
본격적인 내용에 앞서서, 사실 터널은 ‘원형’이라고 단정해서 구분하긴 어렵습니다. 터널의 기본적인 단면형상은 마제형, 원형, 난형으로 나뉘는데요. 최근엔 주로 난형이 사용되고 있습니다. 마제형은 경제적이고 시공이 간편하다는 장점이 있지만 구조적으로 취약하고, 원형은 구조적으로 안정적이지만 시공이 까다롭고 굴착면적이 커서 비경제적이죠.
ⓒ네이버 블로그:선지보공법연구회
그래도 세 형태 모두 ‘둥글다’라는 공통점이 있는데요. 터널이 둥근 이유. 일상의 것들을 꾸준히 보신 분들은 눈치 채셨겠지만, 원형의 특성 덕분입니다. 터널은 보통 산을 가로질러 가거나 지하 통로를 뚫기 위해 시공되잖아요? 자연스럽게 외벽엔 흙과 바위부터 아예 ‘땅’ 그 자체까지 버텨내야 할 하중이 상당합니다. 즉, 그 힘을 견뎌낼 형태로 뚫어야 하는 거죠.
ⓒ순천광장신문
그래서 돔과 아치 형태의 특성을 채택하는데요. 돔과 아치 형태는 압축력을 효과적으로 분산시키는 구조적 특징을 가지고 있습니다. 터널이 둥근 형태를 띠는 이유도 바로 이 때문이죠.
돔과 아치 구조에서는 하중이 구조 전체로 균등하게 분산되기 때문에, 특정 부분에 집중되는 응력을 줄일 수 있습니다. 이는 터널이 버텨야 하는 ‘땅’의 압력을 효과적으로 견딜 수 있도록 도와줍니다. 특히, 지하 터널의 경우, 상부에서 오는 하중뿐만 아니라 측면에서도 지속적인 압력이 가해지기 때문에 사각형이나 평평한 구조보다는 곡선을 이루는 형태가 훨씬 유리합니다.
이런 이유로, 터널뿐만 아니라 다리, 돔형 건축물, 둥근 천장의 성당 등에서도 이러한 형태가 자주 사용되는데요. 자연에서도 이러한 구조의 원리를 확인할 수 있습니다. 예를 들어, 달걀의 곡면형 껍질과 거북이 등딱지가 비슷한 역할을 하죠.
사각형 터널이었다면?
그럼 만약 터널이 사각형이었다면 어떻게 될까요?
우선, 사각형 구조는 압축력을 분산시키는 데 불리합니다. 사각형의 각 모서리는 힘을 받았을 때 쉽게 약한 부분이 되며, 균등하게 힘을 분산시키지 못해 특정 부분에 응력이 집중됩니다. 결과적으로, 터널이 무너질 위험이 커지죠. 비슷한 도형적 특성으로 영국에선 사각형 창문을 단 비행기가 상공에서 터져버리는 사고가 발생하기도 했습니다.
ⓒscience | howstuffworks
다시 돌아와서, 시공 과정에서도 사각형보다는 둥근 형태가 유리합니다. 터널을 뚫을 때는 주로 TBM(Tunnel Boring Machine, 터널 굴착기)이나 NATM(New Austrian Tunneling Method, 신오스트리아 터널 공법) 같은 방법이 사용되는데요. 원형이나 난형은 균일한 힘을 받으면서 굴착할 수 있는 반면, 사각형은 모서리 부분에서 굴착 과정이 어렵고 유지보수도 까다로워진다고 하죠.
결국, 터널 디자인이 둥근 것에도 이유가 있었습니다. 역시 세상에 의미 없는 디자인은 없죠. 다음에 터널을 마주칠 일 있으면 한 번 살펴보세요. 우리가 아무렇지 않게 지나가는 그 둥근 터널이, 사실은 가장 합리적이고 과학적인 형태라는 걸 말이죠.
오늘도 감사합니다.
🐯콘텐츠 디렉터, 리오
일상의 것들 | 텔유 레터 #51
안녕하세요. 콘텐츠 디렉터 리오입니다.
혹시 ‘터널 단면은 왜 둥근지’ 생각해보신 적 있나요? 열차나 자동차의 단면은 각져있는데 말이죠.
제가 출퇴근하면서 지하철을 주로 타는데, 터널이 나오는 거예요. 그런데 생각해보면 터널은 다들 U자를 뒤집은 모양, 그 타원형 단면을 가졌단 말이죠? 그런데 우리가 터널을 지날 때 일반적으로 자동차나 기차, 지하철을 타잖아요? 이 교통수단들의 단면은 각져있습니다. 도대체 터널은 왜 모양에 안 맞게 원형인 걸까요?
오늘 주제는 터널입니다.
터널은 왜 둥글까?
본격적인 내용에 앞서서, 사실 터널은 ‘원형’이라고 단정해서 구분하긴 어렵습니다. 터널의 기본적인 단면형상은 마제형, 원형, 난형으로 나뉘는데요. 최근엔 주로 난형이 사용되고 있습니다. 마제형은 경제적이고 시공이 간편하다는 장점이 있지만 구조적으로 취약하고, 원형은 구조적으로 안정적이지만 시공이 까다롭고 굴착면적이 커서 비경제적이죠.
ⓒ네이버 블로그:선지보공법연구회
그래도 세 형태 모두 ‘둥글다’라는 공통점이 있는데요. 터널이 둥근 이유. 일상의 것들을 꾸준히 보신 분들은 눈치 채셨겠지만, 원형의 특성 덕분입니다. 터널은 보통 산을 가로질러 가거나 지하 통로를 뚫기 위해 시공되잖아요? 자연스럽게 외벽엔 흙과 바위부터 아예 ‘땅’ 그 자체까지 버텨내야 할 하중이 상당합니다. 즉, 그 힘을 견뎌낼 형태로 뚫어야 하는 거죠.
ⓒ순천광장신문
그래서 돔과 아치 형태의 특성을 채택하는데요. 돔과 아치 형태는 압축력을 효과적으로 분산시키는 구조적 특징을 가지고 있습니다. 터널이 둥근 형태를 띠는 이유도 바로 이 때문이죠.
돔과 아치 구조에서는 하중이 구조 전체로 균등하게 분산되기 때문에, 특정 부분에 집중되는 응력을 줄일 수 있습니다. 이는 터널이 버텨야 하는 ‘땅’의 압력을 효과적으로 견딜 수 있도록 도와줍니다. 특히, 지하 터널의 경우, 상부에서 오는 하중뿐만 아니라 측면에서도 지속적인 압력이 가해지기 때문에 사각형이나 평평한 구조보다는 곡선을 이루는 형태가 훨씬 유리합니다.
이런 이유로, 터널뿐만 아니라 다리, 돔형 건축물, 둥근 천장의 성당 등에서도 이러한 형태가 자주 사용되는데요. 자연에서도 이러한 구조의 원리를 확인할 수 있습니다. 예를 들어, 달걀의 곡면형 껍질과 거북이 등딱지가 비슷한 역할을 하죠.
사각형 터널이었다면?
그럼 만약 터널이 사각형이었다면 어떻게 될까요?
우선, 사각형 구조는 압축력을 분산시키는 데 불리합니다. 사각형의 각 모서리는 힘을 받았을 때 쉽게 약한 부분이 되며, 균등하게 힘을 분산시키지 못해 특정 부분에 응력이 집중됩니다. 결과적으로, 터널이 무너질 위험이 커지죠. 비슷한 도형적 특성으로 영국에선 사각형 창문을 단 비행기가 상공에서 터져버리는 사고가 발생하기도 했습니다.
ⓒscience | howstuffworks
다시 돌아와서, 시공 과정에서도 사각형보다는 둥근 형태가 유리합니다. 터널을 뚫을 때는 주로 TBM(Tunnel Boring Machine, 터널 굴착기)이나 NATM(New Austrian Tunneling Method, 신오스트리아 터널 공법) 같은 방법이 사용되는데요. 원형이나 난형은 균일한 힘을 받으면서 굴착할 수 있는 반면, 사각형은 모서리 부분에서 굴착 과정이 어렵고 유지보수도 까다로워진다고 하죠.
결국, 터널 디자인이 둥근 것에도 이유가 있었습니다. 역시 세상에 의미 없는 디자인은 없죠. 다음에 터널을 마주칠 일 있으면 한 번 살펴보세요. 우리가 아무렇지 않게 지나가는 그 둥근 터널이, 사실은 가장 합리적이고 과학적인 형태라는 걸 말이죠.
오늘도 감사합니다.
🐯콘텐츠 디렉터, 리오