구조 역학과 신소재를 활용한 건축물의 구조적 안정성, 효과는?

이젠 단순 주거를 위한 건물을 짓기보단 환경과 지속 가능한 유용성을 고려하여 건축을 해야 할 때 이다.
그렇다면 어떻게 할 수 있을까?

포물선 건축물에 대한 이미지 검색결과

                

3학년 이과 학생들이라면 꼭 배우는 기하와 벡터. 건축에 정말 많은 용도로 사용된다. 특히 그중에서도 위 사진처럼 포물선의 성질을 이용한 건축물은 외관상으로도 정말 아름다워서 많이 쓰인다. 하지만 위와 같은 건물들은 가장자리의 공간을 효율적으로 이용할 수도 없고 저런 형태의 건물은 고층으로 짓기 힘들기 때문에 널리 쓰이진 않는다. 하지만, 원자력 발전소에 이용되는 냉각탑과 같은 건물들은 기하를 활용한 건축 방식을 따라야 효과적이라고 한다. 왜 그럴까?



원자력 발전소의 냉각탑과 같이 대용량의 냉각장치에서는 통상적으로 이용되는 송풍 펜이 있는 강제 통풍식 냉각탑보다 운전 비용을 포함하여 경제성이 우수하여 쌍곡선 형태의 건물을 짓는다. 왜 저렇게 크기가 큰가 하면, 탑 상 하부의 공기 밀도 차이에 의한 공기 자연 상승압을 이용하여 송풍 펜 없이도 공기를 유동시켜 더워진 물을 냉각시킬 수 있기 때문이다.


특히 이 구조의 장점은 우선 높은 건물의 무게를 지탱하고, 직선 형태의 건물에 비해 견고한 하부와 증발시키는 증기의 속도를 보다 빠르게 촉진 시키기 위한 좁은 허리 부분의 통로, 마지막으로 최대한 많은 증기를 배출시킬 수 있도록 넓은 형태를 띈 윗 부분을 가지고 있다는 것이다.


지금까지 건축물의 구조적 안정성에 주목했다면 이번엔 그런 건축물들에 사용되는 소재에 대하여 생각해보자. 나는 이 소재를 설명하기에 앞서 익히 알려진 3D 프린터를 소개하고 싶다. 3D 프린터는 입체로 모델링된 설계도만 있다면 종이에 인쇄하듯 3차원 인쇄를 할 수 있는 기기를 통틀어 말한다. 어떤 구조든 입체 설계도만 있다면 만들 수 있다는 것도 큰 매력이지만 3D 프린터에 활용되는 재료, 즉 필라멘트를 다르게 한다면 유리뿐만 아니라 인공장기까지 만들어 낼 수 있다.



여기서 건축물의 신소재를 찾을 수 있다는 것인데, 우선 기본적인 재료인 플라스틱 즉 ABS부터 시작해서 최근엔 탄소 동소체인 그래핀까지 그 활용도를 높이고 있다.


그중에서도 가장 지속발전 가능성을 보이면서도 효율적인 신소재가 있다. 바로 신체 폐기물이다. 신체 폐기물 중에는 지방흡입시술에 의해 녹여진, 버려질 지방들을 일컬어 말하는데, 이 지방들을 분해하여 콜라겐, 세포외 기질, 지방줄기세포, 히알루론산 등을 얻어 낼 수 있다. 3D 프린터에 주로 사용되는 것은 저 소재 중 콜라겐인데, 이 콜라겐으로 신체에 사용되거나 건축 외 자재까지 활용될 수 있는 생체유리를 만들 수 있다고 한다. 이 생체유리는 생체 활성유리로도 쓰이는 데 자세한 구조를 살펴보면 이렇다.



단위 분자의 형태를 우린 단위입방격자라고 하는데 이 생체활성 유리의 입방구조를 살펴보면 나노 매크로 사이즈의 계층적 기공구조를 가지고 있어, 디스플레이, 신체 장비 등 다양한 방면에서 활용이 가능하다.


이처럼 오늘날은 하루가 다르게 수많은 소재들이 발명되고 폐기된다. 이전 세대들이 그랬던 것처럼 우리 세대도 뛰어난 창의력을 통해 혁신적인 소재를 발명할 수 있지 않을까 생각해 본다.

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