건축물 구조설계의 실패요인과 교훈, 사례

건축물의 구조설계라는 작업은 크게 구조계획, 응력해석, 단면설계의 구조계산이라는 부분과 구조계산을 통해 나온 결과를 가지고 구조도를 작성하는 구조도면 작업으로 분류할 수 있습니다. 이 작업들은 모두 중요하여 어느 하나라도 소홀히 할 수 없으며, 어느 한 부분의 실수는 건물의 안전성뿐만 아니라 거주의 안전을 위험에 빠뜨리고 중대한 재산피해를 야기할 수 있습니다. 

구조설계의 실패 요인

구조설계의 실패 요인은 여러 가지가 있겠지만 우선 첫 번째 부적절한 하중계산입니다. 설계자는 건물의 Dead Load(구조물 자체의 중량과 같은 영구적인 하중)나 Live Load(거주자, 가구, 기기 등 일시적인 하중) 등 건물에 작용하는 하중을 정확하게 평가해야 합니다. 이러한 계산이 부정확하거나 과소평가된 경우 구조 부재들이 실제 힘을 견딜 수 있도록 설계되지 않아 균열발생이나 붕괴의 요인으로  작용할 수 있습니다. 두 번째,  구조물의 각 부재는 적절한 크기, 재료 및 구성을 위해 철저한 구조적 해석이 중요합니다. 그러나 포괄적인 분석을 실시하지 않거나 단순화된 가정에 의존하면 예상되는 부하를 견딜 수 없는 취약한 구조 시스템이 발생할 수 있습니다. 세 번째, 부적절한 재료 선택입니다. 부적절한 재료 또는 표준 이하의 건축 재료를 선택하면 건물의 구조적 무결성이 손상될 수 있을 뿐만 아니라, 강도, 내구성 또는 환경 요인에 대한 저항력이 낮아 조기 열화와 잠재적 장애를 일으킬 수 있습니다. 네 번째, 모든 건축물은 바람, 지진, 눈, 토양 등 환경부하에 견디도록 설계되어야 하는데 환경요인에 대한 종합 적인 고려가 부족한 경우 외부 힘에 약하고 실패하기 쉬운 구조가 될 수 있습니다. 다서번째, 각 부재 간의 연결은 건물의 전체적인 안정성과 강도를 확보하는 데 중요한 역할을 하는데,  접합부 설계 오류와 정착길이 미확보 등의 시공 시의 오류로 충분한 내력을 가지지 못할 경우 추약점이 발생하여 건물의 치명적이 약점이 될 수 있습니다. 여섯 번째, 법규 및 기준 준수 부족입니다. 건축 법규 및 기준은 구조물의 안전성과 성능을 보장하기 위한 가이드라인 및 규제를 제공하는데 이러한 코드를 무시하거나 부적절하게 따르면 구조적 결함이 발생하여 실패 위험이 증대될 수 있습니다. 마지막으로 시공 오류 또는 시공 불량입니다. 시공 단계 실수, 구조부재의  잘못된 설치, 설계 계획 불일치 등 시공 단계의 실수는 건물의 무결성을 저하시키고 구조적 실패로 이어질 수 있습니다.

구조설계 실패 위험을 줄이기 위해서는 최선의 설계안에 따라 철저한 분석과 계산을 실시하고 적절한 재료를 선택하여 관련 법규 및 기준을 준수를 준수하는 등 경험이 풍부하고 자격 있는 구조 엔지니어와 건축가를 참여시키는 것이 중요합니다. 또한 건축 중 정기적인 점검과 보수를 통해 지속적인 유지관리 또한 잠재적인 구조적 문제를 신속하게 식별하고 해결하기 위해 중요한 사항입니다. 

실패요인에 대한 교훈

구조 설계 실패는 엔지니어, 건축가 및 건설 전문가에게 향후 비슷한 사고를 방지하기 위한 귀중한 교훈을 제공하는데 하는데 실패에서 배울 수 있는 몇 가지 중요한 교훈을 소개합니다. 먼저 안전의 중요성 이해하기입니다. 구조적 실패는 종종 생명과 재산 손실을 포함한 심각한 결과를 초래합니다.  이러한 사고는 설계 단계 모든 측면에서 안전성을 우선시하는 것의 중요성을 강조하고 있으며, 철저한 리스크 평가, 건축법규 준수, 견고한 안전대책 실시의 필요성을 다시 한번 강화가 필요함을 배울 수 있습니다. 두 번째, 구조적 장애는 종종 잘못된 하중 계산, 부적절한 재료 선택, 불충분한 구조적 분석과 같은 설계 결함으로 인해 발생하는데 엔지니어는 건물 또는 인프라 구조물의 구조적 성능과 안전을 확보하기 위해 정확하고 적절한 설계 및 분석으로 포괄적인 설계의 중요성을 다시 한번 강조하고 있습니다. 세 번째, 역사적인 구조적 실패 사례는 통해 설계 표준과 기술의 대폭적인 진보를 가져왔습니다. 이러한 사례 조사를 통해 반복적으로 발생하는 패턴, 일반적인 설계 결함 및 시공 시의 오류를 파악하는데 도움이 되며, 설계자는 미래 프로젝트에서 같은 사항이 반복되지 않도록 피할 수 있습니다. 이뿐만 아니라 여러 이해관계자들과 효과적인 협업과 커뮤니케이션, 지속적인 교육과 전문적인 개발, 건설 후 감시와 보수의 중요성 등 설계와 관련된 모든 제한 사항들을 파악하고 건설 환경 개선에 이바지하였습니다.

사례

구조설계 실패의 현저한 예 중 하나는 미국 워싱턴주 갤로핑 겔티(Galloping Gertie)로도 알려진 Tacoma Narrows Bridge의 붕괴입니다. 1940년 개통되었으나 불과 몇 달 뒤인 1940년 11월 7일 붕괴되었는데 다리의 얕고 좁은 구조의 형태가 강풍시 진동을 받기 쉬워 풍속이 증가함에 따라 다리는 흔들리고 비틀리기 시작해 결국은 붕괴로 이어졌습니다. 다리 설계 시 바람의 영향을 충분히 고려하지 않았으며, 공기역학적 측정 부족과 교량의 플레이트 거더(plate girder) 및 보강트러스가 부족 등이 교량의 붕괴를 유발한 것으로 알려져 있습니다. 게다가 플레이트 거더(plate girder)의 직사각형 형상은 돛 역할을 해 바람의 진동을 악화시켰습니다. Tacoma Narrows Bridge의 붕괴는 특히 장경간 교량의 구조 설계에서 공기역학적 하중을 고려하는 것의 중요성을 강조하였으며, 이 사건을 통해 풍동 실험과 바람의 영향을 줄이기 위해 트러스 및 유선형과 같은 공기역학적 특징을 포함한 교량 설계 기술의 대폭적인 진보를 가져왔습니다. 뿐만 아니라 전 세계적으로 교량 및 기타 구조물의 안전성과 안정성을 향상하는데 도움이 되었습니다.