1940년 미국 워싱턴주에 건설된 타코마 다리는 개통 당시 세계에서 세 번째로 긴 길이를 자랑하며 세상에서 가장 아름다운 다리로 불렸습니다. 하지만 이 다리는 개통한 지 불과 4개월 만에 예기치 못한 바람에 흔들리다 맥없이 무너지는 참극을 맞이했습니다. 당시 사고는 교량이 바람과 반응하며 발생하는 공탄성적 특성 때문에 일어난 대형 참사로 기록되었으나, 구체적인 붕괴 메커니즘은 오랫동안 명확히 밝혀지지 않았습니다. 정지 상태에서 시작된 미세한 떨림이 거대한 비틀림으로 번져가는 과정은 현대 유체역학에서도 여전히 연구 가치가 높은 중대한 사례로 손꼽히고 있습니다.

서울대학교 기계공학부 최해천 교수팀과 KISTI 연구진은 국가 슈퍼컴퓨터 누리온을 활용하여 타코마 다리 붕괴의 전 과정을 완벽하게 재현하는 연구를 수행했습니다. 연구진은 1940년 당시의 설계 형상을 그대로 복원하였으며, 실제 환경과 가장 유사한 풍속 및 기상 조건을 설정하여 다리의 진동 발생부터 붕괴까지의 물리적 현상을 분석했습니다. 특히 실제 현상을 정밀하게 모사하기 위해 130억 개 이상의 격자와 2,500개의 슈퍼컴퓨터 노드를 투입하는 대규모 계산을 진행했습니다. 이는 유체역학 교과서에 등장하는 역사적 사고를 첨단 기술로 증명했다는 점에서 큰 의의를 지닙니다.

굴뚝에서 나오는 연기가 하늘 위로 일정하게 올라가지 않고 무질서하게 흩날리는 것은 우리 주변에서 쉽게 볼 수 있는 난류의 영향 때문입니다.

다리 붕괴의 핵심 원인을 파악하기 위해서는 공기의 흐름인 난류와 와류에 대한 이해가 필수적입니다. 난류는 유체의 유동 속도가 빠를 때 나타나는 무질서하고 불규칙한 흐름을 의미하며, 물체의 관성과 점성 사이의 관계를 나타내는 레이놀즈 수에 의해 결정됩니다. 타코마 다리 사고 당시 레이놀즈 수는 약 300만에 달할 정도로 매우 높았는데, 이를 그대로 계산하는 것은 현실적으로 불가능에 가깝습니다. 따라서 연구팀은 실제 현상을 충분히 모사하면서도 실용적인 계산이 가능하도록 수치를 조정하고, 3차원 공간상의 격자 해석을 통해 와류가 구조물에 미치는 영향력을 면밀히 검토했습니다.

시뮬레이션 결과, 정지해 있던 다리는 바람과의 공탄성적 상호작용에 의해 사고 당일과 동일한 진동수와 파장을 가진 상하 진동을 시작했습니다. 이후 인위적인 외부 조건 없이도 상하 진동은 다리 전체를 뒤트는 강한 비틀림 진동으로 전이되었습니다. 유동으로 인해 발생한 압력 변화가 구조물에 비틀림을 만들고, 이 비틀림이 다시 압력 변화를 더욱 증폭시키는 피드백 구조가 확인되었습니다. 기존의 2차원 해석에서는 볼 수 없었던 3차원 방향의 입체적인 비틀림각 변화를 관찰함으로써, 공기 흐름에서 전달된 에너지가 어떻게 다리의 진폭을 치명적인 수준까지 키웠는지 구체적으로 밝혀냈습니다.

이번 연구는 세계 최초로 타코마 다리 전체의 붕괴 과정을 3차원 시뮬레이션으로 구현해 냈을 뿐만 아니라, 실제 규모의 진동을 정밀하게 재현했다는 점에서 세계 최고 수준의 성과로 평가받습니다. 슈퍼컴퓨터 누리온의 16만 개 코어를 활용한 이 방대한 데이터는 대형 교량의 풍진동 및 붕괴에 대한 학술적 이해를 한 단계 끌어올렸습니다. 이러한 분석 시스템은 향후 교량 붕괴 예측 시스템의 고도화는 물론, 풍력 발전기의 효율적인 설계나 항공기의 기체 안정성 확보 등 유체-구조 상호작용이 중요한 다양한 첨단 산업 분야에 폭넓게 응용될 수 있을 것으로 기대됩니다.