빌트, 우리가 지어 올린 모든 것들의 과학 / 로마 아그라왈

 

 

 

 

 

 

 

 

1 층: 우리가 지어올린 모든 것들에 대하여

ㆍ금속은 유리보다 더 잘 수축된다.

 

ㆍ나는 물리학과 수학을 실용적인 문제에 활용하고 싶어 한다. 나는 구조공학자로서 내가 설계한 건축물이 확실히 땅 위에 서 있도록 할 책임이 있다.

 

우리는 자주 건축물의 존재를 무시하거나 잊는다. 하지만 건축물은 많은 이야기를 지니고 있다. 거대한 다리를 위에서 당기고 있는 장력 케이블, 높은 건물의 유리 표면 이면을 떠받치고 있는 철골 구조. 이런 것들이 건축물로 둘러싸인 우리 세계를 만들고 있다. 이런 건축물은 인류가 지닌 창의력을 보여준다. 타인 그리고 자연과의 교감 능력을 드러내주기도 한다. 끊임없이 변화하는, 우리가 만들어낸 세상은 이야기와 비밀로 가득 차 있다. 만약 듣고자 하고 보고자 한다면 환상적인 경험을 할 수 있을 것이다.

 

 

 

 

 

 

 

2 힘: 중력, 바람, 지진으로부터안전한건물은어떻게만들어질까?

ㆍ물론 내 발아래에 있는 것은 분명하게 세상에 존재하는 물건이었다. 무엇보다 다리가 받을 힘을 알아내기 위한, 각종 계산 결과와 모델들을 나는 검토하고 또 검토했다. 엔지니어에게는 실수가 용납되지 않기 때문이다. 

 

ㆍ다리는 도시를 확장하고, 사람들을 서로 연결하며, 거래와 소통을 촉진한다.

 

ㆍ건축물을 계획할 때 어떤 종류의 힘이 어디로 흘러가는지를 이해하고, 그 힘이 통과하는 부위가 그만큼 튼튼한지를 확인하는 것이 중요하다.

 

ㆍ힘의 종류와 그것이 흐르는 방법은 건축물이 어떻게 조립됐는지에 따라 크게 두 가지 유형으로 나뉜다. 1) 내력벽 시스템, 2) 프레임 시스템

 

ㆍ건축물의 프레임은 기둥, 보, 가새의 연결망으로 이뤄져 있다. 기둥-수직뼈대, 보-수평부위, 가새-다른각도의 버팀목

ㆍ중력은 지표면의 물체를 예측 가능한 방식으로 끌어당긴다. 엔지니어는 중력을 이해하고, 이를 바탕으로 중력에 맞설 기둥과 보, 트러스를 설계한다.

 

ㆍ로마의 건축 장인 비트루비우수 (기원전80년 탄생) - 최초의 건축가, <건축서>에서 바람의 중요성에 대해 폭넓게 서술

 

ㆍ바람은 지구상 모든 건축물의 표면에 영향을 미친다.

 

ㆍ바람이 건축물에 불리한 영향을 주는 방법 세 가지: 1) 지상의 건축물이 가벼울 경우, 2) 지반이 약한 경우, 3) 바람에 앞뒤로 흔들리는 경우

 

ㆍ건물의 안정성은 강철이나 콘크리트로 만들어진 Core에 있다. 코어는 인체의 척추처럼, 고층 건물의 끝까지 수직으로 뻗은 정사각형 또는 직사각형 벽의 집합체다. 건물의 각 층은 코어 벽에 결합된다. 바람이 건물을 치면, 그 힘이 안으로 전달 돼 코어에 전달한다. 

 

ㆍ고유진동 수에 의해 물체가 갑자기 진동하는 현상을 공진 resonance이라고 부른다.

ㆍ우리가 답을 찾으려면 서로 타협할 줄 알아야 한다. 건축가가 탁 트인 공간으로 묘사한 곳에 반드시 기둥을 세워야 하는 경우도 많다. 기술적인 문제에 봉착했을 때, 건축가와 엔지니어는 서로의 관점을 이해할 수 있어야 한다. 시각적인 아름다움과 기술적 완결성 사이에서 균형을 잡아야 한다. 이런 과정을 거친 끝에 우리는 건축 구조와 심미적 통찰력이 거의 완벽한 조화를 이루는 설계안에 다다르게 된다.

 

 

 

 

 

 

 

 

3 화재: 수많은 재난으로부터 얻은 교훈

ㆍ1) 엔지니어는 건물이 폭발에 견디도록 설계한다. 2) 모든 건축물은 불이 건물을 삼켜버리기 전에 불을 끄도록 설계돼야 한다. 

 

ㆍ콘크리트는 좋은 전도체가 아니라서 열을 잘 전달하지 못한다. 즉 콘크리트를 달구려면 오랜 시간이 걸린다. 

 

ㆍ로마 대화재 이후 네로 황제는 도시에 몇 가지 변화를 지시했다. 거리를 확장하고 건물은 6층 이하로 짓게 했다. 그리고 제빵사와 판금업자들의 점포는 빈 공간을 품은 이중벽으로 거주 구역과 분리시켰다. 그는 발코니를 방화 공간으로 만들어 화재 시에 탈출을 쉽게 했다. 또한 화재 진압을 위해 수리 시설에 투자했다. 로마인들은 전통에서 배웠고, 우리 역시 그렇게 어렵게 얻은 지혜로부터 배워왔다. 수천 년 뒤, ‘방, 집, 건물을 방화재와 공간 이격을 통해 분리한다’는 단순한 원칙이 여전히 현대적인 건축물을 화재로부터 보호하기 위해 이용되고 있다.

 

ㆍ엔지니어는 사고에서 배운다. 이것은 기본 중의 기본이다. 끊임없이 개선하는 것. 다시 말해 더욱 좋고 강하며 안전한 건축물을 짓기 위해 노력하는 것이 엔지니어의 임무다. 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4 벽돌: 피라미드부터 피렌체 대성당까지 그리고 우리집에도

ㆍ나를 둘러싸고 있는 아치는 수천 년을 살아남았다. 고대 아라비아의 아름다운 격언이 떠올랐다. “아치는 절대 잠들지 않는다.” 아치가 잠들지 않는 이유는 아치를 이루는 요소가 끊임없이 압축 상태이기 때문이다. 아치는 끝없는 인내심으로 무게를 견딘다. 베수비오 화산에서 흘러나온 용암이 폼페이를 덮쳐서 사람과 건물을 싹 쓸어갔을 때에도 아치는 도시를 바라보며 남아 있었다. 아치는 땅 밑에 묻혀도 원래 역할을 절대 멈추지 않는다. 

 

ㆍ부드러운 재료는 공기의 비율이 더 높은 반면 단단한 재료는 흙을 더 많이 함유한다. 물이 많이 함유된 재료는 물에 잘 저항하고, 딱딱한 재료는 불의 지배를 받는다. 이렇게 탄생한 것이 콘크리트다.

 

ㆍ벽돌은 기원전 9000년경. 중동의 사막 지대에서 이미 사용됐다.

 

ㆍ아치는 건축물의 중요한 구성 요소다. 아치는 휘어져 있다. 원이나 타원의 일부이거나 심지어 포물선의 일부다. 아치는 강한 형태다. 예를 들어 달걀을 생각해보자. 달걀을 한 손으로 아무리 움켜쥐어도 깨뜨리는 것은 거의 불가능하다. 휘어진 껍데기는 압축력을 받으면, 손아귀가 가하는 일정한 힘을 통과시킨다. 이 껍데기를 깨려면, 보통은 칼날 등의 뾰족한 끝으로 한쪽 귀퉁이를 쳐서 일정하지 않은 힘을 가해야 한다. 아치를 누르면, 힘은 휘어진 형태를 따라 흐르며 아치의 모든 부분이 압축력을 받는다. 

 

ㆍ최대한 많은 물기를 천천히 말려야 한다. 그러지 않으면 벽돌에 금이 간다.

 

 

 

 

 

 

 

5 금속: 강철을 사용하기 전까지 철길도 초고층 건물도 없었다

ㆍ금속은 결정구조다. 이런 결정은 서로를 끌어당긴다. 그리고 이렇게 서로를 끌어당기는 경향이 결정을 행렬 matrix 또는 격자 grid 형태로 결합시킨다. 하지만 금속을 가열하면, 결정은 점점 빨리 진동하다가 결국 결합이 깨진다. 이렇게 되면 금속을 얇게 펼 수도 있고, 아예 액체로 녹일 수도 있다. 결합의 유연성 때문에 금속은 잡아 늘려도 부서지지 않는 성질인 연성을 갖는다.

 

ㆍ금속 결합에 따른 또 다른 특성은 탄성이다. 금속에 힘을 가해 당기거나 누를 경우, 금속은 힘이 제거되면 다시 원래의 형태로 돌아간다.

 

ㆍ금속의 결합, 연성, 탄성, 부드러운 성질이 합쳐져서 금속은 잘 깨지지 않게 된다. 그리고 이런 특성 덕분에 금속은 이상적인 건축재료가 되었다. 금속은 장력에 강하다. 덕분에 금속은 우리의 건축 기술을 혁신해주었다. 이전까지 건축물은 주로 압력을 견디도록 설계됐다. 하지만 이제 처음으로 압력과 장력 모두를 아주 잘 견뎌내는 건축물을 만들 수 있게 됐다. 

 

ㆍ문제가 되는 것은 균형이다. 탄소 원자가 거의 없으면 철은 여전히 많이 무르다. 탄소가 너무 많아져서 격자가 지나치게 딱딱해지면 철은 너무 쉽게 부서지게 된다. 

 

ㆍ강철이야말로 강도와 연성 사이에서 이상적으로 타협한 재료라는 사실이 밝혀졌다. 강철의 탄소 함량은 0.2%에 불과하다.

 

ㆍ엔지니어의 일이란 접시 돌리기와 꽤 비슷하다. 많은 문제들에 대비해 계획을 세워야 하고, 문제를 즉시 통제해야 한다. 온도를 예로 들어보자. 모든 건축물과 마찬가지로, 내가 설계한 다리도 온도의 영향을 받는다. 연중 온도가 변하면서(계절에 따라 달라진다) 가열되거나 식혀진다. 강철은 ‘열팽창계수’가 12×10-6이다. 온도가 1도 변할 때마다 1밀리미터 길이의 재료가 0.000012밀리미터씩 팽창하거나 수축한다는 뜻이다. 아주 작은 값으로 보이지만, 내가 설계한 다리는 길이가 거의 40미터였고 40도의 온도 차이를 견디도록 설계됐다. 

 

 

 

 

 

 

 

 

6 바위: 콘크리트는 어떻게 전 세계를 평정한 재료가 되었을까?

ㆍ석회석과 점토의 혼합물을 노에 넣고 섭씨 1450도로 가열하면, 석회석과 점토가 녹지 않고 작은 덩어리로 융합된다. 이 덩어리들을 아주 곱게 갈면 이 뛰어난 재료의 첫 번째 성분을 얻을 수 있다. 바로 시멘트다. 이 가루에 물을 붓는다면 질척거리는 물질이 대신 수화라는 반응이 시작된다. 물이 석회석과 점토 속의 칼슘과 규산 분자와 반응해 결정을 닮은 막대나 성유를 형성하는 것이다. 이런 섬유 덕분에 젤리 같은 격자 구조가 만들어진다. 이 구조는 부드럽지만 안정적이다. 반응이 계속됨에 따라 섬유가 자라 서로 연결된다. 격자 구조는 점점 두꺼워지다가 마침내 굳는다. 가장 중요한 사실은 수화 과정에서 열이 많이 방출된다는 사실이다. 화학반응이 끝나고 나면, 시멘트가 식으면서 수축한다. 그리고 금이 간다.

 

ㆍ물 + 시멘트가루 + 혼합재 = 콘크리트

 

ㆍ모로코의 베르베르족은 도시의 벽을 짚이 섞인 진흙으로 세웠다. 어도비(adobe)라 불리는 이런 혼합물을 이집트인, 바빌로니아인, 아메리카 원주민들도 사용했다.

 

ㆍ재료를 효율적으로 사용하려면 공학을 제대로 활용해야 한다. 

 

 

 

 

 

 

 

7 하늘: 크레인과 엘리베이터를 발명한 사람들

ㆍ엘레베이터는 장벽을 무너뜨렸다. 그리고 엔지니어들은 진짜 초고층 건물을 꿈꿀 수 있게 되었다. 

 

 

 

 

 

 

 

8 땅: 건물 아래에는 무엇이 건설돼 있을까?

 

 

 

 

 

 

9 지하: 우리 발밑의 도시가 만들어지기까지

 

 

 

 

 

 

10 물: 물이 흐르기 전까지 건물은 아무것도 아니다

ㆍ구조물은 뼈대다. 물이 흐르기 전까지는 아무도 살지 못하는 한낱 껍데기에 불과하다.

 

 

 

 

 

 

 

 

11 하수도: 어느 누구도 똥에는 신경 쓰지 않는다면?

 

 

 

 

 

 

 

12 우상: 가장 진보한 다리를 만든 가장 진보한 여성의 이야기

 

 

 

 

 

 

13 다리: 계곡과 강을 건너는 수천 가지 창의적인 방법들

 

 

 

 

 

 

14 꿈: 무엇을 상상하든 그 이상을 지어올릴 것이다

ㆍ엔지니어가 없는 세상을 잠시 상상해보자. 뭐가 보이는가? 거의 아무것도 없다.

ㆍ공학은 우리를 사람답게 만드는 중요한 부분이다.

ㆍ자연에서 모양과 재료를 찾는 것을 '생체모방'이라고 하는데, 벌집이나 대나무 또는 흰개미들의 '모양'뿐만 아니라 이들의 '기능'도 흉내 내는 것이다.

 

 

 

 

 

 

 

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