피사의 사탑은 어떻게 만들어졌을까?

이탈리아 토스카나주 피사시 근처에 위치한 피사의 사탑은 현재도 기울어져 있는 상태 그대로 보존되고 있어 유명해진 건축물이다. 1173년 착공된 이후 지반 토질의 불균형으로 인해 기울어지기 시작했으며 완공당시 5.5도였던 기울기가 1990년 한계치인 4.5도를 넘으면서 붕괴 위험에 처하기도 했다. 하지만 꾸준한 보수 공사 덕분에 오늘날까지도 안전하게 유지되고 있으며 유네스코 세계문화유산으로도 등재되었다.

unsplash

인간의 역사와 함께 한 지반공학

지반공학은 알게 모르게 인간의 역사와 함께 흘러왔다.

금방이라도 쓰러질 듯 한쪽으로 아찔하게 기울어져 있는 종탑은 이탈리아 건축가 보라노 피사노의 설계에 따라 시공됐는데 3층까지 공사가 진행됐을 때 이미 기울어지고 있었다. 피사노는 기울어진 쪽의 층을 늪에 쌓아 균형을 맞춰 보려 했지만 무게로 인해 종탑은 더 기울어졌다

세계적 명소가 되다

일부러 피사의 사탑을 기울여 지은 것은 아니었다. 12세기부터 거의 200년 동안 건설된 이 종탑은 무려 800여 년 동안 아주 천천히 기울어져왔다. 그 이유는 종탑을 지지하는 기초가 설치된 모래와 점토지반이 충분히 단단하지 못하여 상부의 무게를 버티지 못하고 서서히 아래로 가라앉았기 때문이다. 즉 '지반참하'현상이 일어났기 때문이다.

• 지반침하: 지반이 가라앉는 현상으로 즉시침하와 압밀침하가 있다
• 즉시침하: 흙 입자의 변형에 의해 발생하고 짧은 시간에 침하가 일어남
• 압밀침하: 공극 내 물과 공기의 유출에 의한 체적 변화에 따라 발생하며 상당한 시간동안 일어남

건축학적 의의

피사의 사탑은 지하로는 고작3m밖에 파내려 가지 않고 지상으로는 55m씩이나 쌓아 올렸다. 그것으로 인해 지반이 건물의 하중을 견디지 못해 피사의 사탑은 세월이 흐르면서 조금씩 기울게 되었다. 피사의 사탑은 이로 인해 건축학에 큰 공헌을 하게 되었는데 고층건물을 짓기 위해서는 지하로도 비슷한 수준으로 깊게 파서 지반을 견고하게 해야 건물이 쓰러지지 않는다는 것을 일깨워줬다. 그래서 피사의 사탑이 기울어진 일오 인해 얻은 노하우로 인해 후대의 건축업자들은 고층빌딩을 지을 때 지하로도 많이 파내려 가서 건물이 기울거나 쓰러지는 것을 방지했다. 그래서 고층건물을 지으면서 지하로 파 생긴 공간들은 주차장이나 기계실, 창고 등으로 재활용하게 되었다.

고층건물화 되는 이유

땅이 좁은 우리나라 역시 초고층 건물 건설 붐이 일고 있다. 이러한 현상은 중국 뿐만 아니라 미국 및 유럽 선진국에서도 일어나고 있다. 우리나라뿐 아닌 세계적으로 많은 나라에서 점점 더 높이 올라가는 추세이다. 이처럼 건물이 고층으로 높아지는 이유는 무엇일까?

• 기술의 발전:드론 및 각종 첨단 장비 개발이 이루어지면서 사람이 시공하기 어려운 곳의 공사가 가능해졌다
• 도시화 현상: 인구가 증가함에 따라 도심지 내 거주 공간 확보가 어려워짐에 따라 점차 외곽지역으로 확장이 이루어지고 있다. 
• 랜드마크로서의 가치 창출 : 각 지역마다 대표되는 상징물로서 관광객 유치 효과를 기대할 수 있다

고층 건물 시공시 주의점

• 바람 영향 최소화: 풍하중이란 바람에 의해 발생하는 하중을 의미하는데 특히 고층 건물일수록 바람의 영향을 많이 받기 때문에 이를 충분히 고려해야 한다. 
• 안전설계: 내진설계란 지진발생 시 구조물이 견딜 수 있도록 설계하는 것을 의미하며 규모 6.0~6.5 수준의 지진까지도 버틸 수 있도록 설계된다.
• 화재로부터 안전하게 설계: 가연성 자재(목재, 스티로폼 등) 대신 불연성 자재(콘크리트, 벽돌 등)를 사용하거나 방화구획을 설정하여 연소확대를 방지하고자 노력해야 한다.