도마뱀에게 배웠다…지진에도 문제없는 건물 구조 [사이언스 브런치]

도마뱀 꼬리에서 영감을 받은 ‘계층 기반 붕괴 격리’ 시스템 건물. 스페인 발렌시아대 제공

SF에서는 동물이나 식물을 흉내 낸 로봇이나 장치들이 자주 등장한다. SF뿐만 아니라 실제 과학자나 공학자들도 자연과 동물에게서 영감을 받는 경우가 적지 않다.

스페인 발렌시아 공과대 콘크리트 과학기술 연구소(ICITECH)는 도마뱀이 포식자를 피하기 위해 꼬리를 잘라내고 도망치는 것에 영감을 받아 치명적인 외부 충격에도 구조적 결함이 손상된 부위에만 국한돼 건물 전체의 붕괴를 막을 수 있는 건축 구조 시스템을 개발했다. 이 연구 결과는 과학 저널 ‘네이처’ 5월 16일 자에 실렸다.

지진이나 부실시공은 물론 9·11 테러처럼 외부 물체 충돌 등 다양한 스트레스 요인으로 인한 건물 붕괴 사고는 재산상 손실뿐만 아니라 막대인 인명 손실로 이어지게 된다. 현재 건축 시스템은 붕괴 방지를 위해 외부 스트레스를 건물의 각 구성 요소로 분산시키는 방법을 쓰고 있다. 효과적이기는 하지만 전체 구조물 붕괴로 이어지는 경우도 적지 않다.

연구팀은 도마뱀 꼬리에는 마디가 있어 포식자의 공격을 받게 되면 꼬리 일부를 잘라내고 도망가는 것에 착안해, ‘계층 기반 붕괴 격리’(hierarchy-based collapse isolation·HBCI) 시스템을 개발했다. 이 시스템은 건물에 도마뱀 꼬리 마디처럼 건물에 스트레스가 가해질 경우, 정해진 균열을 일으켜 건물 전체 붕괴로 확산하는 것을 막고, 거주자를 보호할 수 있게 한다.

HBCI 시스템을 적용한 건물은 외부 스트레스를 받은 부분만 붕괴하고 다른 부분으로 확산하는 것을 차단해 인명피해를 최소화할 수 있다. 충격을 받은 앞쪽만 무너지고 건물 뒤쪽은 멀쩡한 모습 스페인 발렌시아대 제공

HBCI 시스템 시험을 위해 연구팀은 기성 철근 콘크리트(PRC)를 사용해 가로, 세로 각각 15m, 12m로 하고, 층당 2.6m 높이의 2개 층으로 구성된 건물을 지었다. 연구팀은 우선 건물 모서리에서 양쪽 기둥 2개를 제거한 뒤 구조적 지지력을 유지하는지 확인했다. 그다음 나머지 모서리 기둥을 제거한 뒤 건물의 구조 변화를 관찰했다.

2단계의 실험을 통해 HBCI 구조가 외부 스트레스가 가해졌을 때 하중 경로를 따라 건물 일부만 붕괴하고, 구조물 전체가 붕괴하는 것을 막을 수 있다는 사실을 확인했다.

연구를 이끈 호세 아담 발렌시아대 교수(구조공학)는 “HBCI 시스템이 좀 더 큰 규모의 건물에도 활용 가능한지 추가 연구가 필요하겠지만, 이번 연구로 HBCI 시스템이 외부 스트레스가 가해졌을 때 붕괴를 최소화해 인명 손실을 크게 줄이고, 구조 활동에 도움이 될 수 있을 것”이라고 설명했다.

유용하 과학전문기자