[공학자의 눈으로 본 세상- 회색 바위 1부] 구조물 시공에서 부력과 양압력이 갖는 의미
회색바위는 건설을 상징하는 콘크리트와 시멘트 원석 석회암을 의미합니다.
본 글은 토목 현장에서 발생할 수 있는 사고를 예방하기 위해 기본적으로 알아야 할 지식들을 독자들이 쉽게 이해할 수 있도록 사례를 통해 작성된 글임을 밝힙니다.
장마를 앞두고 현장소장이 공사팀장과 순찰중에 있었던 일화이다.
현장소장은 다음주부터 시작될 장마를 대비하기 위해 현장에서의 준비사항이 어떻게 되고 있는지 공사팀장에서 물었다. 공사팀장은 '토공작업은 가배수로와 도수로를 정리를 했고, 구조물 5미터×4미터 규격의 수로박스는 어제 콘크리트 쳐서 양생중'이라고 답했다.
이야기를 나누는 사이 수로박스 구조물 시공 위치에 도착했다. 그곳에는 공사대리가 철근반장과 작업사항을 이야기 중이었다. 일의 진행을 묻는 현장소장에게 '다음주까지 박스 작업을 마무리하겠다'고 대답했다.
이후 다음주부터 장마가 시작되는데 배수시설이 보이지 않는다고 공사팀장이 묻자, 공사대리는 '콘크리트를 쳐 놨는데, 배수시설은 없어도 될 거 같아 준비 안했고, 비가 와서 물이 차면 콘크리트가 수중양생도 되고 좋지 않냐'고 공사팀장에게 답했다.
그 말을 들은 팀장은 "부력이라는 것도 몰라? 잘못하면 박스가 떠오른단 말이야!" 라며 대리의 업무처리를 나무랬지만, 대리는 "에이, 설마요? 5미터×4미터이고 두께가 50센치이면 1미터에 자그마치 10톤이여요. 타설길이가 20미터이니깐 저기에 들어간 레미콘만 200톤이고 40톤 탱크(전차)가 5대가 있는거와 같은데요. 저게 배처럼 뜬다고요?" 라며 무엇이 문제인지조차 이해를 하지 못했다.
세상에는 같은 것 같으면서 다른 것들이 종종 있다. 부력과 양압력도 비슷한 듯 하지만 다른 의미를 가지고 있는데, 공학자들도 혼돈하기 쉽다.
수중에 있는 물체는 그것이 차지하고 있는 부피만큼의 물의 무게와 같은 힘에 의해 위쪽으로 밀어 올려 진다. 이 밀어 올리는 힘을 물의 부력이라고 하며, 양압력은 지하수면과 바닥슬라브의 수두차에 의해 바닥면에 작용하는 상향 수압을 말한다.
즉, 부력은 물에 잠긴 체적만큼 잠긴 부피만큼 물무게로 가벼워져 배가 물 위에 뜨듯이 뜨게 되는데, 지하철역사, 하수처리장, 정배수지, 박스, 건물 등과 같은 대형구조물도 떠오르게 되니 물의 힘은 실로 대단하다.
부력에 대한 안정성을 확보하더라도 대단면 스판인 경우 양압력 작용에 의한 문제가 발생할 수 있다. 이와 같이 양압력에 의한 구조물이 한번 손상되면 조치를 취하기 어렵고 손상부위를 복구하는데 엄청난 시간과 비용이 발생하므로 사전에 이에 대한 충분히 검토가 필요하다.
위 사례처럼 공사대리가 생각하고 있는 개념과 달리, 콘크리트의 무게가 문제가 아니고 잠긴 체적만큼 물의 단위중량 만큼 가벼워져 뜰수도 있기 때문에 양압력에 대한 대책도 강구해야 한다. 실제로 지하철 같이 아주 큰 구조물도 떠올라 균열이 간적이 있으며, 뿐만 아니라 물속의 구조물은 양압력을 받기 때문에 지간이 긴 주차장 같은 곳에서는 양압력에 대한 대책을 반드시 마련해야 한다.
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