1 개요
Tacoma Narrows Bridge. narrows 는 다리가 좁다는 뜻이 아니라 바다/호수/강의 좁은 부분을 뜻하는 narrows이다. 따라서 타코마 지역의 좁은 해협에 있는 다리라는 뜻. 그러므로 타코마 협교는 잘못된 번역. 좁은 다리는 당연히 narrow bridge. 무너진 원인이 공진 때문인 것으로 잘못 알려진 다리다.
2 상세
미국 워싱턴 주 타코마 시에서 현수교가 유행하던 1930년대에 당시 최고의 교량 설계자로 알려진 Leon Moisseiff에 의해 설계되었고, 1938년 착공되어 1940년 7월에 개통되었다. 그러나 만들어진 후 별 거 아닌 바람에도 큰 흔들림을 계속 보이더니 결국 개통 넉 달만인 11월 7일 오전 11시에 붕괴되고 말았고 이로 인해 유명해졌다. 다행히 인명피해는 전혀 없었고, 사고 직전 다리를 마지막으로 통과한 지역 일간지 편집자 레너드 코츠워스(Leonard Cotsworth)의 코카 스파니엘 한 마리[1]가 유일하게 목숨을 잃었다. 그가 다리에 진입할 당시에 이미 정상 주행이 불가능할 정도로 진동이 심한 상태였고, 결국 운전을 포기하고 차에서 빠져나왔는데 나는 멀쩡한데 길이 일어나서 나를 치네다리가 구불텅거리며 얼굴까지 치고 오는지라 500m 가까이 되는 거리를 거의 기어오다시피 해야 했다고.
붕괴 이전부터 출렁이는 다리 모습을 대학 연구팀이 카메라에 담았고 붕괴되는 상황도 타코마 시내의 카메라 가게 주인인 버니 엘리엇이 소유한 카메라에 의해 담기면서 타코마 다리의 흔들림과 붕괴 모습은 생생하게 지금까지도 남아 있다.
타코마 다리 하면 일반적으로 공진 현상으로 인한 구조물 붕괴의 예로 잘못 알려져 있는데, 실제로는 공탄성적인 플러터(aeroelastic flutter)가 원인이다.
위키백과#는 다음과 같은 내용으로 카만 보텍스에 의한 공진설을 부정하고 있다. 결론부를 요약하자면
그간 바람의 스트로홀 수(Strouhal number)가 다리의 고유 진동수과 비슷해서 공진과 그에 따른 와류 진동을 일으켰던 것으로 추측되어 왔다. 그러나 타코마 다리의 경우에는 이것이 원인이 아니었던 것으로 보인다. 워싱턴 대학 교수이자 붕괴 원인의 조사자 중 한명인 프레드릭 버트 파쿠하슨에 의하면, 바람은 68km/h의 일정한 속도로 불고 있었고 파괴를 일으킬 진동수는 0.2 Hz였다. 이 진동수는 구조물 자체만의 고유진동(natural mode)과도 맞지 않았고, 다리에서 비유선형 물체의 와류 흘림(blunt-body vortex shedding)을 일으킬 진동수도 아니었다. 따라서 와류 흘림은 붕괴의 원인이 아니다....
어쩌다가 공진이 원인이라고 잘못 알려졌는지 그 유래는 알려져 있지 않다. 관련 사항으로, 리 에드슨(Lee Edson)이라는 사람이 유체 역학의 대가인 테오도르 폰 카만[2]의 전기를 썼는데, 그 책에서 "카만 보텍스가 원인이다(The culprit in the Tacoma disaster was the Karman vortex Street.)"라는 언급을 했다고 한다. 그러나 정작 카만이 참여했던 진상 조사단에서는 공진이 원인일 가능성은 거의 없다고 보고하고 있다.
바람의 진동수랑 다리의 진동수가 우연히 맞아서 무너진 다리이다
유투브에 카툰 비슷하게 만든 설명 동영상이 올라와 있기도 하다.
3 여담
설계 당시 Leon Moisseiff는 현수교의 다리 부분을 얇고 가볍게 만들어도 충분한 강도를 얻을 수 있으면서 돈도 아낄 수 있다고 보고 타코마 다리를 얇고 가벼운 형태로 하면서 그렇다고 해도 강한 바람에 충분히 견딜 수 있을 정도의 배려는 충분히 하는 형태로 설계를 했다. 한데 문제는 바람 자체의 힘이 아니라 바람이 만들어내는 진동이었다. 이전부터도 이 다리는 가볍게 만들어졌기 때문에 작은 바람에도 크게 흔들렸지만, 평소 상황에서는 다리의 고유 진동수와 바람에 의해 만들어지는 진동의 진동수가 다르고 진동 자체도 감쇠진동이기 때문에 큰 문제가 없었다. 그러나 사고 당일에 불던 약 47mph[3]의 바람이 다리에 진동의 형태로 계속해서 공급하는 에너지가 자체 감쇠로 인해 사라지는 에너지보다 컸기 때문에 다리가 버틸 수 있는 이상의 진동 에너지가 계속 쌓이게 되어 무너진 것이다. 이런 바람의 흐름이 원인이 되는 공기역학적인 부분은 당시 토목건축에선 미지의 영역이었기에 이에 대한 고려가 전혀 없었다.
만약 다리가 기존 현수교처럼 무겁고 두텁게 만들어졌다면 고유 진동수가 크기 때문에 저렇게 진동이 생긴다 해도 플러터가 일어나지 않고 에너지가 점차 감소하면서 말 그대로 진동으로 끝나고 말았겠지만, 얇고 가볍게 만들어진 타코마 다리는 상대적으로 낮은 고유 진동수 때문에 바람이 공급하는 진동 에너지를 적절히 외부로 배출하지 못하고 고스란히 다리 전체의 뒤틀림으로 만들어 갔고, 결국 계속된 뒤틀림은 다리 구조물의 한도를 훨씬 뛰어넘은 스트레스를 가했다. 결국 그러한 스트레스로 인한 피로 파괴로 다리는 붕괴에 이르렀다.
타코마 다리 붕괴 이후 토목건축에는 공기역학적인 문제에 대한 고려가 필수적으로 들어가게 된다. 그리고 현수교 제작에 있어서도 타코마 다리 붕괴는 어느 정도 튼튼하게 만들어야 할지에 대한 예시가 되었다.
그리고 사고의 주인공인 타코마 다리는 1950년에 새로 개통되어 현재까지도 잘 남아 있다. 2007년 7월에는 도로 확장으로 인해 구대교 옆에 거의 비슷한 디자인의 새 다리를 건설, 둘 다 사용중이다.