1. 서 론

 

Pier Luigi Nervi 는 콘크리트 구조물의 선구자로 익히 알려져 있는 인물이다. 토목공학 학사학위를 취득한 1913년 그해에 볼로냐 건설 소사이어티에 입사하여 10년간 근무를 하게 된다. 그 후 1920년 로마에서 동료 엔지니어인 Nebbiosi 와 함께 독자적인 회사를 설립하고, 그 이후에 그의 인생에서 가장 중요한 일을 시작하게 된다. 즉, 1932년에 그의 사촌인 역시 엔지니어였던 Bartoli와 공동으로 그 자신만의 독자적인 건설협회를 창단하는 것이었다. 이 조직은 1978년까지 유지되었다.

 

그가 남긴 유명한 건축물들을 나열해보면 다음과 같다: 플로렌스의 시 체육경기장, Orvieto시의 2개의 격납고 건물 및 6개의 프리캐스트 격납고 건물, 파리의 유네스코 회관, 밀란시의 Pirelli 센터, 로마의 스포츠 팔레스, 로마의 Corso Francia 고가교, 바티칸시의 바티칸 빌딩 이 대표적인 작품이다.

 

2. 경험적인 접근

 

Nervi 는 실용적인 접근방법으로 구조설계를 수행하는 것으로 유명한 사람이다. 생전의 그의 말을 통해 이러한 철학을 엿볼 수 있는데, “건축물은 인간생활에서 대단히 중요한 역할을 하고 있으며, 건축가, 공학자 및 공학을 전공하는 학생들은 설계, 건설 및 건축구조의 산물 대한 평가의 필요성을 인식하는 것이 필요하고, 이들의 실제적 및 추상적인 가치를 고려하여야 한다.” 라고 말함으로서 건축물의 가치의 중요성에 대해 언급하였다. 그의 이론은 어떤 추상적이고 대단한 개념에 기초한 것이라기 보다는, 단지 콘크리트와 같은 재료를 가장 많이, 적극적으로 사용했다는 점으로서 그의 철학이 잘 나타나고 있다. 콘크리트는 구조물 건설시 대단히 혁신적인 재료로 인식되고 있는데, 콘크리트는 석재 또는 개량된 석재와 같은 성질을 가지면서도 어떤 모양으로도 제작이 가능하며 특히, 강한 인장강도로 인하여 자연적인 어떤 건축재료 보다도 탁월한 성능을 가진 특성으로 인해 이 시기에는 기적의 재료로 인식되어 왔다. 콘크리트 최고의 장점은 이 재료를 사용하여 만든 구조물은 전체가 일체구조라는 점과 원하는 형태의 구조물을 쉽게 얻을 수 있는 재료라는 점일 것이다. 모든 보는 기둥과 일체가 가능하고 건물의 모든 뼈대구조는 하나의 구조계를 이루도록 할 수 있어서 결국 한 구조부재는 다른 구조부재와 밀접하게 연관되어 전체 구조계가 하나의 저항 시스템으로 연결되는 구조를 형성하는 것이다.

이러한 접근방법을 통해서 콘크리트 빌딩은 단순히 하나의 구조물이라기 보다는 새로운 형태의 구조 시스템으로 볼 수 있다. 여기서 Nervi의 구조물에 대한 인식이 동시대의 다른 공학자들과 매우 다른 점을 알 수 있는데, 이러한 그의 관념은 특히 Richard Neutra 같은 공학자들의 “구조물이란 과학, 기술, 산업 및 미적감각의 밀접한 연관성을 표현하는 수단이 되어야 한다” 라고 하는 현대적인 구조공학의 목적과 일맥상통하는 점이 있다.

Nervi 는 공학자들과 건축가들에게 구조물 제작시 미적인 요소를 가미할 것을 제안하였는데, 이러한 미적인 요소는 새로운 기술을 도입하여 응력을 집중시키고, 단면을 감소하며, 적은 재료를 사용하여 기존에 보이지 않았던 재료를 노출시킴으로서 획득하도록 하였다.

이러한 관점 즉, 구조물을 미적인 건축물의 영역으로 끌어들이려는 목적은 그에게 몇 가지 문제점을 가져다 주게 된다.

예를 들면, 그는 그에 대한 비판에 대해 신경 쓰지 않았는데, 그의 생각으로는 구조물의 모양과 개별적인 하중 즉, 휨모멘트, 압축력 및 인장력 등을 받는 구조부재의 시스템은 외력에 저항하도록 적절하게 설계되면 되는 것이고, 특별한 이러한 분야의 연구를 진행하지는 않았다.

 

3. 구조물 설계 철학

 

그러나, Nervi 가 구조물에 대한 실제적인 접근을 시도하였다는 사실을 망각하여서는 안된다. 물론 그가 사용한 구조재료중 가장 핵심적인 것이 콘크리트 였지만 그의 다음과 같은 기술철학도 고려하여야만 한다. “구조물의 저항 시스템에 대한 아이디어는 창의적인 발상이나 오직 과학적인 바탕위에서만 가능하다: 비록 평형방정식 및 재료의 저항에 대한 연구에 의한 필연적인 결과로서의 정역학적인 감각은 미적 감각과 마찬가지로 온전한 개인의 능력이거나, 오히려 물리적 원리에 대한 완전한 이해를 바탕으로 하는 것이라고 보는 것이 타당할 것이다.”

이러한 그의 언급을 통해서 Nervi 는 계획단계에서의 설계자로서의 독립성은 그가 적용한 해법에만 있는 것이 아니라, 사용가능한 재료와 시공법간의 최적의 연관성에 대한 심도있고 일관성 있는 원칙에 기초한다고 설파하고 있는 것이다.

그의 유명한 업적인 Oriveto시의 2개의 격납고 건물과 바티칸 시에 건설한 아름다운 지붕구조에 적용한 구조부재는 복잡한 계산에 의해서 고안된 것이 아니고 그의 기술적인 경험과 축소모형 실험을 통해서 얻어진 산물이다. 그는 다음과 같이 말하기도 하였다. 플로렌스의 새로운 경기장을 건설하는 중에 나선형 계단에 대한 문제로 많은 고심을 하였는데, 특히 구조적 관점 및 보강 철근의 위치와 크기에 대해서 많은 고민을 하였다. 그의 이러한 문제점에 대한 문제해결 방식은 이전에 수행한 보다 단순한 사업을 참조하고 단순하고 빠른 계산을 통해서 문제를 해결한 것으로 알려져 있다. 대가로부터 배울 수 있는 아주 중요한 교훈인 것이다.

 

4. 3가지 기념비적인 사업들

 

a) Messina-Catania 간 메시나 대교

이 사업은 이탈리아 남부지방의 시실리와 Calabria를 연결하는 교량에 대한 국제 현상공모 설계에 응모한 1969년 Nervi 와 그의 사촌 Antonio nervi 에 의해 고안된 구조물이다.

 

“이 거대한 현수교의 구조적인 취약점을 없애기 위해 나의 모든 역량을 쏟아 부었는데, 풍하중으로 인해 유발되는 바닥판의 수평 안정성의 부족이 가장 큰 문제점이었다. 바닥판의 폭과 길이의 관계식으로부터 구할 수 있는 한계치를 적용하여 이러한 대규모 현수교의 구현에 있어서 필요한 구조물의 제원을 적용하려 했으나 일반적인 경우에서는 문제가 없었을 수치들이 이 프로젝트에서는 적용이 되지 않았다. 결국 재래적인 평행 케이블에 의한 현수교 형식은 포기할 수 밖에 없었다. 따라서 케이블 단면과 바닥판 단면에 내재된 문제점에 대해 심사숙고한 결과 평행 케이블의 형태 대신 경사케이블을 2개 사용함과 동시에 수평 또는 수직방향으로 거치되는 케이블을 포물선 형상을 도입하여 배치할 경우 문제해결이 가능할 것으로 판단하였다. 이러한 설계를 구현하기 위해서 각 케이블 지지점 들은 바닥판 케이블과 중앙부의 케이블 집중점을 제외하고는 극단적으로 간격을 이격시켜야만 하였다.”

 

Nervi 는 성공적으로 계산을 수행하였다. 그림에서 알 수 있는 바와 같이 엄청난 구조물을 계획한 것을 알 수 있는데, 4개의 주탑이 포함된 교량의 형상은 기존의 Fiat 가 설계한 해당지역에 가장 영향이 작은 구조물로 평가받던 교량과는 완전히 다른 구조물이었다. 이 교량은 70m 높이를 가지며 5미터 높이의 가로등을 포함하는 소형 배보다 큰 하우스를 가지고 있다.

 

 

< 그림 1. 2개의 구조로 구성된 주탑 : 콘크리트 기초위의 수평방향으로 편평한 석재구조물과 기초와 8개의 케이블로 연결되며 4개의 원형그물주조에 의해 보강된 상부 강재 타워>

 

 

< 그림 2. 일반도 및 평면도 : 교량의 중앙부에서 현수케이블이 바닥판에 직접 연결되어 독특한 외관을 보여주고 있다.>

 

 

< 그림 3. 바닥판 단면도 : 강재 그물망 형상의 구조로서 충분한 비틀림 강성을 얻을 수 있도록 강결되어 있다. >

 

 

< 그림 4. 교량 모형의 전경 : 중앙부를 제외하고는 케이블과 바닥판의 연결은 경사진 2개의 케이블로 연결되어 경사방향의 강성을 증대시키도록 하였다. >

 

 

< 그림 5. 모형교량의 측면도 >

 

b) 로마의 Corso Francia 고가교

Nervi 는 1960년 로마 올림픽 기간 중에 로마의 신도시 EUR 에 유명한 스포츠 센터를 건립하였다. 이 Corso Francia 고가교는 EUR 지역과 로마의 중심부를 Flaminia 가를 통과하여 연결하기 위해 건설된 교량이다. 이 교량은 2 차로를 운용하며 10.5m 의 폭과 약 1km 의 연장을 갖도록 계획되었다. 이 교량은 시작부분에서는 직선으로 진행하다가 횡방향으로 5m 간격을 두고 2개로 갈라지며 48m 간격을 두고 보행통로를 계획하였다. 교량의 최종 곡선부에서는 양단이 분리되어 기존 도로와 합류되도록 계획하였고 이때 선형은 클로소이드 곡선선형을 따르도록 계획하였다. 이 사업의 목적은 바닥판과 교각의 일체시공 및 부분적 프리캐스트 콘크리트를 도입 및 실현시키는 목적을 가지고 있었다.

 

 

< 그림 6. 바닥판 및 교각에 대한 원 설계 개념도 >

 

 

< 그림 7. 교각 단면도 : 주형은 V 자형태의 프리캐스트 보로 계획하였으며, 하단 왼쪽은 거푸집 시스템을 보여줌, 하단 우측은 교각의 기하형상 및 보강형상을 나타냄>

 

 

< 그림 8. 죄측은 프리캐스트 슬래브의 거푸집을 나타냄, 우측은 프리캐스트 보의 투시도로서 양단의 프리스트레스는 도입하지 않음 >

 

 

< 그림 9. 교각의 최종 모습 : 교량은 2%의 종단선형을 가지고 있으며 이로 인해 교각의 높이는 8m~3.5m 로 변화함. >

 

c) 베로나의 Risorgimento 교

본 교량은 3경간 연속 바닥판 형식의 교량이다. 교량 중앙 경간은 길이가 60m 이며, 교폭은 34.5m 로 대단히 넓은 교량이다. 바닥판은 2개의 중앙주탑 위에 가설되었으며 이들은 강재 힌지로 연결되어 콘크리트 벽체로 지지되고 있다. 힌지연결부중 하나는 고정되고 나머지 3부분은 가동이 가능하도록 하여 구조물이 온도 및 외력에 의해 가동이 가능하도록 하였다. 바닥판은 6개의 종방향 변단면 보로 구성되어 있으며 이들은 중앙 거더의 경우 10.3m 간격으로, 측면 거더의 경우 11.5m 의 간격으로 가로로 연결되도록 하였다. 보 높이의 변동은 내부 응력의 변동성에 대응하도록 계획하였고, 상부 바닥판은 20cm 두께와 하부 바닥판은 변단면 폭을 갖도록 하였다. 이렇게 함으로서 모든 교량 구조물의 외력에 대한 저항구조가 명확하게 거동하도록 계획하였다.

 

 

< 그림 10. 교량의 하부구조 전경 >

 

 

< 그림 11. 중앙 교각의 전경 >

 

 

< 그림 12. 교량의 전경 >

 

 

< 그림 13. 교량의 정면도 스케치 >

 

  

< 그림 14. 교량의 단면도 - 단면별로 높이의 차이를 나타내고 있다. >

 

 

< 그림 15. 정역학적 해석 >

 

 

< 그림 16. 시공 전경 >

 

  

< 그림 17. 배근 설계 >

 

 

< 그림 18. 종단면도 및 바닥판 단면도 >

 

▣ 원문제목 : The empirical approach in the evolution of bridge and structure design

 

▣ 원문의 주요목차*******************************************************************

1. 서론

2. 경험적인 접근방법

3. 구조물 설계 철학

4. 전설적인 3개 작품의 분석