1940년 미국 워싱턴주에 건설된 타코마 내로우즈 다리는 개통 당시 세계에서 세 번째로 긴 현수교로 큰 주목을 받았습니다. 하지만 아름다운 외관과 달리 이 다리는 개통 4개월 만에 붕괴하며 공학 역사에 지대한 영향을 미친 비극적인 사례로 남았습니다. 강한 바람에 의해 다리가 비정상적으로 흔들리다 파괴된 이 사건은 공기역학적 탄성 상호작용의 위험성을 여실히 보여주었습니다. 당시 기술력으로는 수직 진동이 어떻게 치명적인 비틀림 진동으로 변해 거대한 구조물을 붕괴에 이르게 했는지 그 상세한 과정을 완벽하게 규명하는 데 한계가 있었습니다.

2020년 하반기, 서울대학교 기계공학과 최해천 교수팀과 KISTI 연구진은 국가 슈퍼컴퓨터 누리온을 활용해 이 역사적인 붕괴 과정을 과학적으로 재현하는 데 성공했습니다. 연구진은 실제 상황과 가장 유사한 조건을 조성하여 바람에 의한 다리의 진동과 붕괴 메커니즘을 심층적으로 분석했습니다. 특히 공기나 물의 흐름이 무질서하고 불규칙하게 변하는 난류 영역에서의 역학적 변화를 파악하기 위해 거대한 연산 자원을 투입했습니다. 이는 유동의 복잡한 움직임이 구조물에 미치는 영향을 규명하기 위한 정밀한 도전이었습니다.

레이놀즈 수는 유체의 관성력과 점성력의 비를 나타내는 무차원 수로, 유동 패턴을 결정하는 핵심적인 지표입니다.

실제 붕괴 당시의 레이놀즈 수는 약 300만이라는 매우 높은 수치를 기록했으나, 이를 그대로 계산하는 것은 현재의 슈퍼컴퓨터로도 천문학적인 연산 능력이 요구되는 일이었습니다. 이에 연구진은 현상을 충분히 시뮬레이션하면서도 실질적인 계산이 가능하도록 레이놀즈 수를 10,000으로 조정하여 분석을 수행했습니다. 유동은 3차원 공간에 130억 개 이상의 격자와 2,500개의 노드를 투입한 시스템을 통해 분석되었으며, 이를 통해 바람과 교량 사이의 공기역학적 상호작용으로 교량이 흔들리기 시작하는 초기 단계를 상세히 확인할 수 있었습니다.

시뮬레이션 결과, 교량은 초기에는 일정한 주파수를 가진 수직 진동을 보이다가 점차 심각한 비틀림 진동으로 전이되었습니다. 교량 위아래에서 주기적으로 발생하는 와류가 구조물과 상호작용하며 진동을 증폭시킨 것입니다. 특히 별도의 인위적인 조건 없이도 수직 진동이 비틀림 진동으로 변하는 과정을 확인했으며, 유동에 의한 압력 변화가 교량의 비틀림을 유발하고 이것이 다시 압력 변화를 심화시키는 상호 증폭 현상이 포착되었습니다. 이는 교량 단면의 가장자리에서 떨어져 나오는 와류 구조가 붕괴의 직접적인 원인임을 시사합니다.

이번 연구는 세계 최초로 타코마 내로우즈 다리의 붕괴 전 과정을 3차원으로 재현했다는 점에서 학술적으로 매우 중요한 성과입니다. 단순히 과거의 사고를 복기하는 수준을 넘어, 풍력에 의한 대형 구조물의 진동과 붕괴에 대한 이해를 획기적으로 증진시켰기 때문입니다. 3차원 시뮬레이션을 통해 확보된 정밀한 데이터는 향후 교량 설계의 안전성을 높이는 기초 자료가 될 것입니다. 나아가 항공기 날개의 떨림 현상 예측과 같은 다양한 공학적 난제를 해결하는 시스템으로 확장되어, 더욱 안전한 사회 구조물을 설계하는 데 기여할 것으로 기대됩니다.