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서울공대 이야기

고층건축기술--(2)

2004.07.07 03:57

sweetpea 조회 수:7618

 

2. 초고층 건설기술


  고층건물의 건설은 구조안전의 확보 면에서 매우 힘든 작업일 뿐만 아니라 시공기술, 설비기술, IT 기술 등 모든 기술적 측면에서 건설기술 및 관련 산업기술의 총아라고 할 수 있다. 이에 따라 초고층 건축에 관련된 전문가 영역이 구성되어 오랫동안 SOM, Ove-Arup등의 설계회사는 초고층건물 설계에 대한 독자적인 영역을 구축하고 있으며, 국제 고층건축 도시주거 학회 CTBUH (council of tall building and urban hanitat) 등의 국제학회가 기술교류 및 보급을 위하여 활발히 활동하고 있다.

  초고층 건물에서 순수한 건축 디자인적 요소를 제외한 건축 기술상의 문제는 구조안전성, 방재, 설비시스템, 시공 등으로 구분하여 생각할 수 있다. 구조안전분야의 기술적 문제점은 크게 재료와 바람 및 지진과 같은 악조건의 외부환경이며, 현재는 9·11 사태이후 예상치 않은 사태에 대비하여야 하는 기술적 어려움을 이중으로 안고 있다.

  재료적으로 가장 많이 사용되는 건축자재는 철근 콘크리트와 강재로써 1930년부터 1970년대까지의 초고층 건축에는 무게 대비 강도면에서 유리한 강재가 많이 사용되었다. 그러나 1980년대 이후 건축물의 안전성뿐만 아니라 사용성에 대한 상대적 중요성이 부각되고 또한 재료 및 시공방법의 획기적 발전에 따라서 1990년대 이후 건설되는 대부분의 초고층 건물은 철근콘크리트구조 또는 콘크리트와 강재의 장점을 이용한 합성구조로 건설되고 있다.


  재료분야에서 그 동안 많은 발전이 있어 왔으며, 이에 따라 항공우주 분야, 기계, 반도체분야에서 첨단 재료가 사용되고 있다. 그러나 건축분야에서 건축자재로 사용되기 위해서는 가득의 용이성, 경제성, 대형단면의 제작가능성, 접합성, 시공성 등을 두루 갖추어야 하며, 이러한 조건을 만족시키는 콘크리트와 강재의 강도는 한계를 가질 수밖에 없다. 따라서 건축용 재료의 발전은 다른 분야에 비하여 상대적으로 그 속도가 더딘 편이며, 현재 사용되는 재료의 강도를 고려할 때 현재 경제적으로 건설할 수 있는 건물의 높이는 최대 200층을 넘지 못할 것으로 예상되고 있다. 따라서 미래의 초고층 건축을 위해서는 높은 강성과 강도뿐만 아니라 경제성을 함께 갖춘 첨단 재료의 개발이 절실히 필요한 실정이다.


  건물의 구조안전성에 영향을 미치는 하중의 종류는 많지만 건물의 높이가 증가 할수록 바람(풍하중)에 대한 건물의 지지력이 매우 중요하며, 건물전체의 설계를 결정하는 제일 중요한 요소이다. 혹자는 바람을 지지하는 일반구조시스템과 구별되는 특별한 횡력 지지시스템을 필요로 하는 건축물을 초고층 건물로 정의하기도 한다. 바람에 대한 건물의 지지력은 극한 풍하중에 대하여 건물이 무너지느냐를 판단하는 기준과 사용 풍하중에 대하여 건물의 사용성이 보장되는냐의 기준을 함께 고려하여야 하는데, 일반적으로 후자가 초고층 건물의 설계를 결정하는 요소이다. 100층짜리 시카고 존 핸콕 빌딩의 최상층에 위치한 레스토랑의 샹들리에가 항시 흔들린다는 것을 고려할 때(지금은 고정식으로 바뀌었다.) 약간의 심한 바람에도 건물 사용자의 어지러움증, 불쾌감으로 인한 사용성의 저해는 예상하기 쉽다.

  초고층 건축이 시도된 이래로 바람에 대한 건축물의 저항성을 높이기 위한 최적의 구조시스템을 개발하기 위한 노력이 끊임없이 경주되어 왔으며, 그 결과 다양한 효과적인 구조시스템이 개발되었고, 초고층 건물에 알맞은 튜블러구조(tubular structure)와 같은 독특한 구조형식이 개발되었다. 이러한 구조시스템의 개발로 인하여, SOM 설계회사의 Fazular Khan과 같은 스타 구조엔지니어가 탄생되었다. 이러한 효율적인 구조시스템의 개발에 따라서 1970년대에 건설된 세계무역센타에 사용된 강재량(146㎏/㎡)은 1930년대에 건설되었던 엠파이어스테이트 빌딩에 소요된 강재량(바닥면적당 강재량 = 200㎏/㎡)에 비하여 획기적으로 감소되었다. 그러나 이러한 경제적인 설계가 이번 9·11 사태로 인한 예상치 않은 사태에 대한 구조물의 저항력을 떨어뜨리는데 일조하였음은 부인할 수 없는 사실이다.

 

 

<img src=http://eng.snu.ac.kr/~lee496/sixub/noname06.bmp> <img src=http://eng.snu.ac.kr/~lee496/sixub/noname07.bmp>

그림6. 타이페이 101            그림7. 터뷸러 스트럭쳐

 

 

현재에는 초고층건물에 효율적인 구조시스템은 이미 규명되었으며 또한 이미 그 기술이 보급되어 새로운 구조시스템의 개발을 통한 경제성의 창출은 더 이상 기대하기 어렵다. 따라서 보다 경제성을 실현하기 위하여 현재는 풍하중 자체를 감소시키거나 그 영향을 감소시키려는 기술적 연구가 많이 진행괴고 있다. 진동제어 시스템의 설치, 건물 평면 및 외관 형태의 변화에 대한 연구가 이에 속한다. 진동제어 시스템은 전동제어장치를 통하여 건물의 흔들림을 상쇄하기 위한 방법으로서 감쇠장치의 구동시 전기·기계적 힘을 빌리느냐에 따라서 능동감쇠장치와 수동감쇠장치로 구분된다. 타이페이 101 건물의 92층 식당 꼭대기에 설치된 800톤의 구형추와 보스톤의 존 행콕 타워의 콘크리트 매스를 사용하는 질량감쇠기 등은 후자의 예이다.


   건물의 평면 및 외관 형태에 변화를 주어 바람에 의한 건물의 진동을 최소화하려는 시도는 후자는 최근 시공된 또는 설계되는 모든 건물에 공통으로 사용되고 있는 방법이다. 진마오 빌딩, 페트로나스타워, 심지어 70층 규모의 삼성동 타워팰리스에는 평면에 굴곡을 도입하고 있으며, 상하이에 건설되는 470m 높이의 세계금융센타 건물에는 입면에 구멍을 내어 바람에 의한 악영향을 최소화하기 위한 노력이 시도되고 있다.

  동적인 특성을 나타내는 바람의 특성을 고려할 때 건물에 대한 풍하중은 크기와 특성은 바람의 속도뿐만 아니라 건물의 동적특성, 주위의 환경에 의하여 영향을 받으며, 그 특성이 복잡하여 예상이 어렵다. 따라서 고층건물에 대한 풍하중의 영향은 실제 환경을 시뮬레이션한 풍동실험을 통하여 검증하는 것이 일반적이다. 이러한 풍동실험을 통하여 주위건물의 영향으로 인한 협곡효과 및 세장한 초고층 건물의 동적효과를 고려할 수 있다. 또한 구조의 안전성뿐만 아니라 건물주위의 풍환경을 검토하기 위해서도 필요하다.

 

 

<img src=http://eng.snu.ac.kr/~lee496/sixub/noname08.bmp>

그림 8. 풍동실험

 

 

건물이 높아질수록, 그리고 산업화와 정보화가 가속될수록 설비 공사비가 일반 공사비를 초월할 정도로 중요하다. 따라서 경제적인 설비시스템의 설계 및 구축이 매우 중요하다. 전기 및 냉난방 설비시스템이 가장 중요하며, 거주민의 건강 및 유지관리비용의 절감을 위해서는 친환경적, 에너지 절약형 시스템을 적극 활용하는 것이 매우 중요하다. 이외에도 쓰레기 처리, 주차관제, IBS, 보완시스템 등 설비적으로 갖추어야 할 무수히 많은 복잡한 시스템이 상존하며, 적절히 기술적으로 대응되어야 한다. 초고층건물의 중요한 이동수단인 엘리베이터의 경우 초고속 엘리베이터의 개발뿐만 아니라, 엘리베이터 존 구획의 방법, 2층 엘리베이터 등 계획적인 면에서도 많은 연구가 필요하다. 이러한 설비시스템의 유지관리시스템의 구축에도 노력이 필요하다.


  최근 들어 초고층 건축에서 가장 중요시 되고 있는 분야는 방재분야이다. 특히 9·11 사태이후 예상치 못한 사태가 발생하면서 이에 대한 대비가 절실한 실정이다. 일반적으로 건축물의 설계시에는 상식적으로 생각할 수 없는 테러에 의한 비행기 충돌 등의 하중은 고려하지 않는 것이 일반적이다. 초고층건물의 효시라 할 수 있는 엠파이어 스테이트 빌딩에 비행기가 충돌한 적이 있으며, 실제 월드트레이드 센타의 설계시 상업용 비행기의 충돌을 가상하여 설계에 반영하였다. 그럼에도 불구하고 몇십년이 지난 후 보다 대형기의 충돌로 인한 피해 및 충격 및 화재로 인한 손상은 예상을 초월하여, 기존의 대비책을 무색하게 하였다. 따라서 현재에는 불가항력에 의한 재앙일지라도 어떠한 경우에도 생명을 지키기 위한 노력이 진행 중이다. 불연성 소재로 건설되는 피난층을 설치한다든가 건축소재로써 내화와 내충격성에서 보다 뛰어난 철근콘크리트를 주재료로 사용한다든가 하는 것이 그것이다. 이외에도 방재시스템의 보완을 위해서는 전용 승강기의 설치, 제연설비의 확충, 비상계단의 확충이 필요하다.


  자동차산업, 반도체 산업이 각각 기계분야, 전자분야 발전의 척도가 되듯이 초고층 건물은 계획, 설계, 설비, 시공, 구조의 건설 각 분야의 다양한 요소기술들의 총합체이므로, 초고층건물의 시공은 건설회사 또는 해당 국가의 건설기술력의 척도가 된다고 할 수 있다. 현재 국내에서는 설계능력에 비하여 시공능력이 보다 나은 것으로 평가되고 있으며, 몇몇의 국내건설사는 이미 세계 제일의 페트로나스타워(88층, 삼성, 극동건설), Raffeles City(72층, 쌍용건설), 플라자 라키아트건물(382m 79층) 등 외국의 초고층건물의 건설에 참여한 바 있다. 또한 국내 많은 고층 주거건물의 건설을 통하여 건설기술을 축적해 나가고 있다. 초고층건축물의 시공기술의 발전을 위하여 필요한 기술은 커튼월의 사용, 접합방법의 개선, 경량자재의 사용, 양중장비를 포함한 건설장비의 개발, 고도의 공정관리(construction management)능력의 배양, 공기단축기술의 개발 등이다. 특히 최근 초고층건물의 건설에 많이 사용되는 철근콘크리트의 경제성은 시공기술, 장비, 공법의 개발에 전적으로 달려있다 해도 과언이 아니다. 효율적인 콘크리트 공사를 위해서는 콘크리트 압송장비의 개발, 건식공법의 개발, 모듈러 시공법의 개발, 거푸집시스템의 개발, 품질관리기술, 모니터링(계측)기술의 개발이 필요하다. 콘크리트 압송기술의 경우 최근에는 초고층건물의 시공에는 무려 400m 에 가까운 압송높이를 기록한 예도 있다.

 

 

 

 

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