트러스 구조

나무젓가락 4개로 네모 상자를 만들고 모서리를 살짝 밀어보면, 못을 단단히 박아도 금세 평행사변형으로 비틀거려요. 모서리의 각도가 쉽게 변하기 때문이에요. 하지만 젓가락 3개로 세모 모양을 만들면 아무리 꼭짓점을 밀고 눌러도 세 변의 길이가 변하지 않는 한 절대로 모양이 찌그러지지 않아요.

수학적으로 삼각형은 세 변의 길이가 정해지면 각도까지 오직 하나의 모양으로 고정되는 유일한 다각형이에요. 이 원리 덕분에 모서리를 단단한 용접으로 굳히지 않고 핀으로 헐겁게 연결해도 구조 전체가 형태를 유지해요.

건축가들은 이 성질을 이용해 커다란 다리나 높은 타워를 지을 때 튼튼한 삼각형을 촘촘히 엮는 방식을 떠올렸어요. 사각형 구조물보다 훨씬 적은 재료로도 흔들림 없는 단단한 뼈대를 완성할 수 있답니다.

무거운 다리 위에 기차가 지나가면 다리 상판은 아래로 푹 꺼지려는 힘을 받아요. 일반 판자라면 가운데가 휘어지다 똑 부러지겠지만, 트러스 구조에서는 이 꺾이는 힘을 단순히 당기고 미는 힘으로 쪼개어 분산해요.

삼각형의 꼭짓점을 위에서 꾹 누르면, 양쪽 빗변은 양옆으로 밀리면서 짓눌리는 힘(압축력)을 받아요. 동시에 바닥에 놓인 밑변은 양쪽으로 팽팽하게 잡아당겨지는 힘(인장력)을 견디게 돼요.

하중이 꼭짓점(이음매)에 전달되도록 만들어 주면, 각 부재는 주로 자기 몫의 밀고 당기는 힘만 감당하게 돼요. 그래서 비교적 가는 쇠파이프나 각목으로도 큰 무게를 나누어 버틸 수 있어요. 다만 눌리는 부재는 너무 가늘면 옆으로 휘며 꺾이는 좌굴이 생길 수 있어서, 충분한 굵기와 강성이 필요해요.

조금 더 정확히 말하면, 실제 건물이나 교량의 트러스는 꼭짓점이 완벽한 회전 핀으로만 되어 있지 않고 단단하게 용접되어 휨 힘이 미세하게 생기기도 해요. 하지만 엔지니어들은 계산을 단순화하기 위해 오직 축 방향 힘만 받는 이상적인 결합으로 먼저 계산하고, 이음매 때문에 생기는 추가 힘은 따로 확인해요.

속이 꽉 찬 거대한 콘크리트나 철판 대신 트러스 구조를 쓰면 자재를 대폭 줄일 수 있어요. 자재가 줄어들면 구조물 자체의 무게가 가벼워져서 더 멀리까지 기둥 없이 다리를 놓을 수 있게 돼요.

게다가 겉이 뚫린 격자 탑이라면 뼈대 사이사이로 바람이 숭숭 통과하기 때문에 거센 태풍이 불어도 바람의 저항을 줄일 수 있어요. 에펠탑이나 송전탑이 거센 바람 속에서도 끄떡없이 서 있는 비결 중 하나가 바로 여기에 있답니다. 다만 지붕재로 덮인 경기장 지붕 트러스처럼 바람이 통과하지 않는 경우도 있어요.