이탈리아의 랜드마크 중 하나이자 건축물 계의 특이한 이미지로 꼽히는 기울어진 건축물, '피사의 사탑'이 있습니다. 여기에서 사탑(斜塔, leaning tower)이란 특정한 방향으로 기울어진 탑을 의미합니다. 그리고 사탑은 자연적 요인에 따라 의도치 않게 만들어진 사탑과 인공적으로 의도해서 만들어진 사탑으로 분류됩니다. 사탑은 전 세계적으로 많이 존재하지만 그중 독보적으로 인지도가 높은 건축물이 바로 ‘피사의 사탑’입니다. 이번 기사에서는 피사의 사탑의 기울어지게 된 배경과 그 원리에 대해 설명드리겠습니다.
먼저 피사의 사탑이 기울어지게 된 배경부터 알아볼까요? 피사의 사탑은 백색 대리석으로 이루어진 둥근 원통모양의 8층 높이 탑으로, 최대높이는 58.36m, 지름은 15m, 무게는 14,453 톤에 이르는 건축물입니다. 피사의 사탑은 1173년 8월에 착공하여, 1372년까지 3차례에 걸쳐 200년간 공사가 진행된 건물입니다. 그리고 1173년부터 1178년까지 진행된 1차 공사 이후에 지반침하로 인해 현재처럼 기울어진 사탑이 되었다고 합니다. 이후 2차 공사에서부터 보강작업을 진행했지만 당시에는 해결을 보지 못한 채 계속해서 기울어지게 되었습니다. 완공 600년간 계속 기울어짐이 진행되어 1990년에는 붕괴직전까지 진행되었다가 이탈리아 정부의 추가적인 보강공사를 통해 기울어짐이 멈추게 되었습니다. 그리고 최근에는 어느 정도 바로 섰다는 뉴스 기사가 알려진 바 있습니다.
왜 이러한 기울어짐이 발생하였을까요? 그리고 어떻게 수세기 동안 기울어짐이 계속 진행되어 현재의 모습이 나타난 걸까요? 그 이유는 바로 ‘땅’ 에 있습니다. 해당 건축물이 위치한 지반의 토질이 점토와 모래로 된 연약한 충적토(물에 의해 이동된 토양을 의미하며, 현재 피사의 사탑 위치도 지중해 연안에 위치함에 따라 지반 자체가 약하고 고운 흙임을 추정할 수 있음)이기 때문입니다.
1차 공사 진행 당시 3층까지의 진행 과정에 있어서 지반 약화로 인한 ‘부등침하 현상’으로 기울기가 그때부터 눈에 보이기 시작했습니다. 초기에는 북쪽으로 기울어진 점을 감안하여 남쪽보다 높게 세워 똑바로 보이게끔 설계를 변경하여 시공하였습니다. 그러나 2차 공사에서는 보강작업을 진행하는 과정에서 남쪽으로 사탑이 기울게 되었습니다. 지반보강 보다는 일시적인 보강에만 치중하였고, 기울어진 반대방향의 기둥과 아치를 높게 시공하는 등 임시방편적으로 문제를 해결하였기에 지금의 결과를 낳게 되었습니다. 결과적으로 기둥이 지하 3m 아래까지 침하하였으며, 기울기는 5~6도에 달하고 전체적으로 탑은 수직 선상에서 약 5m가량이 벗어나 튀어나와 보이게 되었습니다.
이를 해결하고자 지반보강을 위해 사탑 아랫부분의 터에 콘크리트를 타설하려는 등의 시도를 했으나 실패로 돌아갔습니다. 그래서 기울기가 더 심해졌으며 추후 지반공사에 있어서 케이블로 탑을 고정한 후 상대적으로 올라가있는 북쪽 지반의 흙을 약 36m가량 굴착하여 빈 공간을 만들었습니다. 그리고 탑 자체의 무게를 통한 다짐으로 심각한 기울기를 어느 정도 보완하며 붕괴의 위험은 줄이고 현재의 모습을 만들어냈습니다.
결과적으로 보았을 때 제작 당시에는 ‘토질’ 에 대한 역학적 지식 부족과 정의 성립이 부족했고, 시공과정에서의 안일한 임시방편식 대처가 현재의 피사의 사탑을 만들어 낸 것입니다.
실험을 통해 피사의 사탑이 기울게 된 원리 알아보기
건축물이 세워짐에 있어서 기초가 되는 지반, 토양, 흙 과의 연관성을 설명하기 위해 흙에 대하여 자세히 알아보도록 하겠습니다. 우리가 살고 있는 지구에는 다양한 형태의 지반이 존재합니다. 이를 이루고 있는 흙 역시 입자의 크기와 함유된 물질의 종류에 따라 구분되어집니다. 여기서 ‘흙’에 대해 다루는 학문인 토질역학의 내용을 설명해 드리자면, 다양한 기준분류법들을 통하여 크게는 점토/모래/자갈로 나눠지거나 혹은 조립토/세립토 등 다양하게 나눠지고 있습니다.
상식적으로도 점토(진흙)과 모래, 자갈 이렇게 3가지는 흙 자체의 입자크기에 따른 분류도 되지만 함유하고 있는 수분의 양도 고려되어집니다. 수분과 공기, 입자의 크기를 통해 사이의 공간이 얼마나 있냐에 따라 이를 누르고 힘을 가했을 때 공기와 수분의 빠져나간 자리 만큼 부피변화의 정도는 각각 다르기 마련입니다.
▲ 왼쪽부터 자갈 / 모래 / 점토 순으로 하여 동일한 힘을 주었을시 기둥이 가라앉는 정도를 측정해보았습니다.
이와 같이 입자와 함유한 수분, 공기에 따라 부피 변화가 다릅니다.
위에 언급된 불균등하고 연약한 지반에 의한 ‘부등침하’를 원인으로 하고, 물에 의해 이동된 고운입자로 구성된 흙인 '충적토'라는 점을 고려해보면 불균등한 지반에 있어서 성질이 다른 흙들이 뒤섞이기 때문에 침하의 정도가 다르게 나타납니다. 하지만 그 시절에는 이러한 토질역학적인 지식과 배경이 부족했기 때문에 기초적인 부분에서부터 문제가 생겨난 것입니다. 간단한 실험과 샘플모형을 통해서 더욱 자세히 알아보겠습니다.
우선 실험조건을 설명해드리자면 건물의 기초가 되는 기둥을 4가지 구역을 정하여 심어두고, 상대적으로 불균등한 침하(부등침하)를 보기위해 3가지 구역에는 기존의 자갈과 모래가 포함된 토양, 1가지 구역에는 상대적으로 연약한 지반을 만들어내기 위해 점토질의 흙(실험에서는 ‘카오리나이트’ 사용)을 상대적으로 비중을 많이 넣어 세팅을 하였습니다. 그리고 실제 지반처럼 기본적으로 다져둔 후, 피사의 사탑이 가하는 하중과 그에 대한 부등침하를 설정하기 위해 약 일주일간의 기간 동안 무게를 가중하였습니다. 더불어 탑이 위치하는 수조의 가운데 구역에 균등한 하중을 주어졌을 때 어느 구역에서 부등침하를 통한 모형이 상대적으로 많이 기울어지는지 살펴보았습니다 .
실제 피사의 사탑 아래 지반을 재현하여 맨 아래층은 다양한 광물질이 섞인 모래하층토(사질토)를 깔고 가운데층은 진흙층을 쌓은 후, 그 위에는 돌이 섞인 모래진흙층(진흙과 모래, 자갈이 모두 혼합된 층)을 쌓았습니다. 그 후 차이를 극대화 하기위해 앞서 언급했듯이 한 개의 기둥이 심어지는 영역에만 상대적으로 진흙의 양을 늘려서 세팅하였습니다.
실험 결과, 시간이 경과할수록 한쪽으로 기울어진 모형이 만들어지는 것을 볼 수 있었습니다. 피사의 사탑처럼 실제로 공기가 빠져나가 발생되는 '다짐'과 수분이 빠져나가며 발생되는 '압밀'에 의해 기울어지는 현상은 수백 년이 시간이 필요하기 때문에 자세한 조건으로 실험을 재현해볼 수 는 없었습니다. 하지만 피사의 사탑과 같은 상황과 원리를 이해하고자 다짐에 의한 흙의 종류에 따라 다른 정도를 측정하였습니다. 그리고 지속적으로 가해지는 힘에 의해 흙이 불균등, 불균질하게 가라앉아서 한쪽이 더 많이 침하되고, 이로써 기울기가 생기면서 경사에 의한 무게가 한쪽으로 쏠리는 편심하중까지 작용하여 피사의 사탑처럼 한쪽으로 기울어지는 현상의 원리를 알 수 있게 되었습니다.
이처럼 특정 부분에 연약한 지반, 혹은 성질이 다른 토양 위에 기초를 제대로 다지지 않고 건축물을 시공한다면, 피사의 사탑처럼 특정 연약지반의 방향으로 건물이 충분히 기울어 질 수 있습니다.
(실험 장소제공에 도움을 주신 경기대학교 토목공학과 이영생 교수님과 실험에 도움을 준 조정민 군에게 감사의 말씀 드립니다.)
불안정한 자빈위에 쌓아 올려진 피사의 사탑은 13세기 이후 4차례의 큰 지진이 났음에도 불구하고 800년간 무사히 한자리를 지켜왔는데요. 도대체 피사의 사탑은 지진이 발생하여도 무너지지 않은 이유가 무엇일까요? 그 해답은 바로 ‘무게중심’과 ‘연약지반’에 있습니다. 연약지반은 피사의 사탑을 기울게 한 원인이기도 하지만, 반대로 기울어지더라도 넘어지지 않게 하는 요소입니다.
최근 사탑 지하 등 여러 군데에 계측장치를 설치하고 정보를 종합해본 결과, 이러한 연약지반이 큰 지진이 일어났을 때 충격을 흡수하는 완충제 역할을 하기 때문입니다. 일반적으로 단단한 땅에서는 건축물이 지진에 의해 횡방향, 종방향으로 흔들리다가 일정 이상이 되면 지반이 견디지 못하고 붕괴되는 사고로 이어집니다. 그러나 피사의 사탑이 위치한 지반은 대부분이 점토질로 연약지반으로 찰흙처럼 서로가 달라붙는 성질(부착력) 때문에 건축물이 지진으로부터 흔들려도 점토의 부착력에 의해 지진에 대해 어느 정도 저항을 할 수 있는 원리입니다.
쉽게 비유를 하자면 침대 매트리스와 맨 바닥을 비교할 수 있습니다. 가만히 서있기에는 맨 바닥이 더 안정적으로 서있을 수 있습니다. 그러나 만약 바닥자체가 흔들린다면 충격에 대해 힘을 온전히 다 받는 바닥보다는 어느 정도 유연한 재질로 충격을 흡수하는 매트리스가 덜 흔들리고 안정적으로 느껴질 겁니다. 이러한 원리처럼 연약지반 위에 세워진 피사의 사탑은 지진과 같은 추가적인 외압을 받는 조건에서는 더 안정적으로 서있을 수 있기 때문에 무너지지 않았던 것입니다.
지금까지 세계적으로 유명하고 관광명소로 자리 잡고 있는 신비로운 건축물 피사의 사탑이 기울어진 이유와 원리, 그리고 수백 년간 기울어졌음에도 불구하고 붕괴되지 않고 무사한 이유에 대해 알아보았습니다. 이 글을 계기로 피사의 사탑에 대한 궁금증이 조금이라도 풀렸으면 좋겠습니다!
[출처] [KICT 기자단] 피사의 사탑, 왜 기울어졌을까?|작성자 한국건설기술연구원
