강구조 초고층건축물의 과거, 현재 그리고 미래
Past, Present, and Future of High-rise Steel Buildings
그림 3. Empire State Building (미국, 뉴욕)
그림 4. Sears Tower (미국, 시카고)
그림 5. Petronas Tower (말레이시아, 쿠알라룸푸르)
그림 6. Taipei 101 (타이완, 타이페이) 그림 1. 에펠탑
(프랑스, 파리)
그림 2. Home Insurance Building (미국, 뉴욕)
1. 초고층 건축의 배경
로마는 민족과 도시가 영광과 멸망의 역사를 되풀이하면서 항구 근접도시로 발달을 거듭하였고, 1900년대 들어서는 항공의 연결로 도시와 도시를 일일생활권으로 도시 자체가 경쟁력 있는 브랜드화를 표방하면서 세계화로 탈바꿈하게 되었다. 이에 따른 도시의 복합화 는 인구의 도시집중과 제한된 건축부지의 효율적 이용, 기존의 복잡 한 도심의 역할을 분산시켜 수직적 확장․분화의 필요성 등 사회적, 경제적 요구에 의하여 1930년대 이후 초고층건축물 건설이 현저하 게 증가됨과 동시에 도시환경에 대한 중요성이 더욱 강조되고 있다.
“고층화의 시대적 요구에 대응하여 사회적, 기능적, 경제적, 효율성 과 생활하며 일하고 휴식하는 장으로서 안락하고 쾌적한 환경을 이 룰 수 있도록 준비해야 한다”는 파즐러 칸 박사의 주장을 통해 초고 층건축물이 지향해야 할 목표와 방향을 명확하게 설정할 수 있다.
초고층건축물은 도시적 맥락에서 갖게 되는 도시공간과 경관의 이미지, 그리고 이에 따른 시각적 아이덴티티(identity), 도시하부 구조와 관련된 교통과 보행자공간 및 가로변에서 전개되는 도시활동
의 다양성 등을 가지는 도시 속에 하나의 수직도시이다.
미국을 비롯한 구미 선진국이 이미 1930년대부터 강구조와 더불 어 Rockefeller Center, Empire State Building 등 100층 이 상의 강구조 초고층건축물을 건설하기 시작하였고, 1970～80년대에 는 재개발 대형건설사업으로 주거, 업무, 쇼핑을 복합화하면서, 기 능 상승효과를 유도하고 건축물의 세계 브랜드화한 강구조 초고층건 축물이 뉴욕 및 시카고에서 110층, 400m 이상 높이에 도달하게 되 었다.
아시아에서는 1980년 말경부터 홍콩을 비롯하여 중국, 대만, 일 본의 극동 아시아권에서는 국가적 상징으로 재개발사업을 시작하여 태국, 말레이시아, 싱가포르 등으로 급속히 발전하여, 타이완의
‘Taipei 101’이 101층 509m로서 2006년 현재 기준으로 준공된 초 고층건축물 중에서 최고의 높이로 랜드마크를 차지하게 되었다. 그 리고 주거기준 300m 이상이면서 그 이상 구조 높이를 인정받은 초 고층건축물은 21개에 이르렀다. 이는 초고층건축물이 도시개발 기 능 이외에 국가적 상징성의 의미를 부여하는 측면도 있는 실정이며, 개발도상국가일수록 지도자의 강한 의지가 표출되고 있다.
李 銀 澤 / 정회원, 중앙대 건축학부 부교수
Lee, E. T. / Associate Professor, Chung-Ang University etlee@cau.ac.kr
초고층 건축물 : 기술의 발전과 사회적 의미
표 1. 세계 주요 강구조 초고층건축물
그림 10. Bank of China Tower(중국, 홍콩) 그림 7. Torre
Latinomericana (멕시코, 멕시코시티)
그림 8. Land Mark Tower (일본, 요코하마)
그림 9. Commerzbank Tower (독일, 프랑크프르트)
그림 11. The Center (중국, 홍콩)
그림 12. John Hancock Center (미국, 시카고) 건 물 명 층수 높이
(m)완공연도 위 치 세계
순위 비 고 Home
Insurance Building
10 - 1885 미국 뉴욕 1913년
해체 미국 최초의 강구조 고층건축물 Eiffel Tower - 300 1889 프랑스 파리 34 연철(7,300톤) 사용 Empire State
Building 102 381 1931 미국 뉴욕 8 가새-강접골조 (steel 소요 42.2psf) John Hancock
Center 100 344 1969 미국 시카고 15 트러스튜브구조 (steel 소요 31.0psf) World Trade
Center 110 417 1972 미국 뉴욕 2001년 붕괴
골조튜브구조 (steel 소요 37.0psf) Sears Tower 110 443 1974 미국 시카고 3
세계 최고 강구조 초고층건축물 (steel 소요 33.0psf) Land Mark
Tower 70 296 1993 일본
요코하마 35
일본 최고 강구조 초고층건축물 (SM 570Q TMCP) Commerzbank
Tower 60 259 1997 독일
프랑크푸르트 81 유럽최고(합성구조) 초고층건축물 Jin Mao
Tower 88 421 1998 중국 상하이 4
중국 최고(합성구조) 초고층건축(steel- SWS490(TME100)) Petronas
Tower 88 452 1998 말레이시아
쿠알라룸프 2 합성구조(철골부재수 493EA)
Taipei 101 101 508 2003 대만
타이페이 1
세계최고 (강재 브레이스, CFT기둥)
국제적인 추세로 50층 이상의 초고층건축물이 개별 및 단지개념 으로 날로 증가하고 있으며, 미래지향의 랜드마크 의미로도 점차 강 조되고 있는 초고층건축물은 도시속의 도시개념으로 현대 도시기능 과 제도가 강조되는 대형 프로젝트이다. 따라서 이에 수반되는 최첨 단 공학기술과 하이테크 등의 요소를 소화할 수 있는 설계, 구조, 신재료, 경제적 시공기술이 더욱 요구되는 시점에 와 있다.
2. 강구조 초고층건축물의 발전사
철기시대 이래로 인간은 철을 사용하여 왔으며, 18세기 산업혁명
이후에 철의 수요가 급속도로 증가하고 이에 따른 대량생산이 뒤따 라 철강산업이 급속하게 발전하게 되었으며, 이제는 철과 관련되지 않는 분야는 없을 정도로 모든 분야에 철이 사용되고 있다.
강구조 초고층건축물의 발전사를 살펴보면 1885년 압연형강을 사 용한 미국 최초의 강구조 고층건물인 10층 Home Insurance Building이 시카고에 건설되었다. 이 건축물은 6층까지는 주철재의 기둥, 연철재의 보를 사용하였고, 그 이상의 층은 압연형강을 사용 하였다. 그 후 1889년 파리박람회를 위한 유명한 에펠탑과 기계관 이 건설되었다. 에펠탑은 높이 300m, 7,300톤의 연철을 사용하였 다. 1889년 Tacoma Building, 1891년 시카고의 Fair Store(최 초 전체 강구조건축물), 1894년 Old Colony Building등이 있으 며 이 시기에 이미 수압식 엘리베이터에서 1889년에는 전동식 엘리 베이터가 도입되었다. 1908년 미국 베들레헴사에서 H형강의 생산 과 더불어 구조시스템의 개발이 건축물의 급속한 고층화를 촉진하게 되어 뉴욕에 1930년 Chrysler Building, 1931년 완공된 102층 Empire State Building(381m)은 철골기둥보로 구성되며 리벳에 의한 기둥-보 접합부가 적용되었다. 이후 구조용강재의 양산, 강구 조이론의 정립, 강구조 설계기준의 제정 등의 발전을 거듭하여 새로 운 시스템의 강구조 초고층건축물이 건설되었다. 1969년 John Hancock Center, 9.11테러에 의해 붕괴된 World Trade Center는 1972년 북측동, 1973년에 남측동이 완공되었다. 이미 이 시기에 프레임 튜브가 시행되었던 것이다. 그리고 1974년 시카 고에 세계최고의 강구조 초고층건축물인 110층 443m의 Sears Tower가 건설되어 강구조 건축물의 초고층화시대를 열었다. 또한 같은 지역의 Mexico City에서 1955년 완공된 Torre Latinomericana(지하 2층, 지상 44층)는 높이 182m의 세계 유 수의 지진지역에 건설된 본격적인 강구조 초고층건축물의 원조라 할 수 있다. 이 건축물은 1957년 7월의 M=7.9의 지진으로 콘크리트
건물명 (m) 연도 순위
한진빌딩 23 82 1969 서울 서초구 - 최초 강구조 고층건축물
삼일빌딩 31 114 1971 서울 종로구 - -
대한생명빌딩 63 249 1984 서울 영등포구 3 최고 강구조 초고층건축물 무역센터 55 229 1987 서울 강남구 삼성동 5 50mm 국산후판사용 LG트윈타워 34 135 1990 서울 강남구 역삼동 28 합성구조
포스코 센터 33 136 1994 서울 강남구 삼성동 33 TMCP강 사용 테크노마트 21 39 189 1998 서울 광진구 구의동 7 - 포스틸 타워 27 132 2003 서울 강남구 역삼동 - SM 490 TMCP강 사용 하이페리온 69 256 2003 서울 양천구 목동 2 SM 490 A 사용 타워팰리스 III 72 264 2004 서울 강남구 도곡동 1 SM 520 B 사용
그림 16. Trade Center (서울, 삼성동) 그림 14. Tower Palace
(서울, 도곡동) 그림 13. Hyperion
(서울, 목동)
그림 15. KLI 63 Building (서울, 여의도)
그림 17. Posco Center (서울, 삼성동)
그림 18. Techno Mart 21 (서울, 구의동)
건축물의 6개동 등이 피해를 입었으나 창문하나도 피해가 없었으며, 1985년에는 9월 M=8.1과 M=7.9의 지진에서도 12장 정도의 유 리창이 파손되는 정도로 완벽하게 성능을 발휘하였다. 올바른 설계 와 올바른 시공에 의해 특별히 강구조 초고층건축물의 우수한 내진 성을 확인한 예이다.
그리고 1993년 일본 최고의 강구조 초고층건축물 70층 Land Mark Tower가 건설되었고, 1997년 유럽 최고의 강구조 초고층건 축물 60층 Commerzbank Tower이 독일에 세워졌고, 1998년 중 국최고의 강구조 초고층건축물인 88층 Jin Mao Tower가 건설되 었다. 2003년에는 타이완에 101층, 508m 높이의 세계에서 가장 높은 Taipei 101이 건설되었다. 일본에서는 196층, 1,000m의 Skycity-1000과 500층, 2,001m에 에어로폴리스인 강구조 초고층 건축물이 건설계획 중에 있어 강구조를 이용한 건축물의 초고층화는 더욱 촉진될 것으로 전망된다.
우리나라의 강구조 고층건물의 역사를 보면 건축물에 처음 사용 된 시기는 불분명하다. 1910년 준공된 덕수궁 석조전 지붕 및 바닥 그리고 서울역, 중앙청의 지붕구조 등 부분적으로 강구조로 건설되
강구조 초고층건축물은 1969년 H형강을 사용한 한진빌딩을 효시로 하여, 1970년대에 들어와서는 해외건설의 호황, 포항제철의 철강재 의 국내생산 등으로 강구조 고층화현상이 본격적으로 시작되어 삼일 빌딩, 대우빌딩, 동방생명빌딩, 롯데호텔 등이 건설되었다. 1980년 대에는 더욱 고층화되어 1984년 국내 최고의 강구조건축물인 60층 (249m) 대한생명빌딩이 세워졌으며, 1987년에 한국종합무역센터, 1994년에 포스코센터가 건설되었다. 강구조 주상복합건축물의 건설 확대로 인하여 69층(261m) 타워팰리스Ⅱ, 29층(256m) 하이페리 온이 2002년에 완공되었다.
3. 미래 초고층건물의 건립기술
초고층건축물은 기술적으로 기존의 50～100층 규모의 건설기술 과는 많은 차이점이 있을 것이다. 초고층건축물의 건설을 위해서는 혁신적인 공법과 신소재 및 빌딩 운영시스템의 개발이 필요하다. 즉 초고층건축용 자재는 초극강, 초극내력을 지닌 초경량 불연자재여야 한다. 이는 현재 사용되는 있는 강재와 콘크리트 재료의 성능을 획 기적으로 향상시킨 신소재들이 속속 개발되고 있으며 더욱 뛰어난 소재의 개발이 지속적으로 이루어지고 있다.
또 현재 엘리베이터 기술은 200층 규모의 수직 운송이 가능한 단 계이나 초고층건축물에서는 건축물 내부의 간선도로 시스템이 설치 되어야 하고, 자기부상 캡슐형 이동장치와 같은 수직 및 수평이동을 위한 신개념의 운송수단이 적용될 것이다. 또한 수만에서 수십만 명 의 인구를 수용하는데 따른 에너지 소비를 절감하기 위한 자연에너 지 활용 및 에너지 재활용시스템과 수자원의 재활용시설, 쓰레기 운 송 처리시스템, 화재나 테러에 대비한 재난 방재시스템 등이 단일건 축물 내에서 구축되어야 한다.
초고층 건축물 : 기술의 발전과 사회적 의미
그림 19. CCTV 본사 사옥(중국, 베이징) 그림 20. 2008 베이징올림픽 주경기장(중국, 베이징)
중국 상하이는 21세기 자국의 국력을 상징적으로 보여주고 2050 년에 인구 3천만명 시대를 대비하여 ‘바이오닉 타워’라는 이름의 1,100m가 넘는 초고층건축물 건립을 추진하고 있다. 피어즈 등의 건축가가 제안한 바이오닉 타워는 주거공간과 함께 사무실, 백화점, 병원, 학교, 공원 등의 시설을 모두 수용하며 25층 단위의 독립적인 생활공간을 수직으로 12개를 쌓아올려 300층에 달한다. 강한 지진 에 견딜 수 있도록 건축물 기초에는 호수 등으로 이루어진 지진 흡 수지역을 설치하고 태풍 등 강풍에 대한 최상층의 진동 범위를 2.5m 이내로 조절하는 구조시스템을 채택하였다. 또한 건물 내부 화재 시 재해 확산 방지를 위해 바닥을 방화구조로 하는 등 재해에 대한 대책도 고려하였다. 일본에서는 1994년부터 건설성 및 90개 이상의 관련업체가 참여하여 높이 1,000m, 연면적 약 300만평 (1,000ha), 수명 1,000년 이상인 수직형도시를 개발하려는 연구가 시작되었다. 이밖에도 360도 회전하는 초고층건축물을 세워서 각 실마다 정해진 방향에서 일조량과 전망이 정해져 있는 기존 건축물 과 달리 일조권과 조망권을 공평하게 해줄 수 있는 기술도 실현될 예정이다.
초고층건축물에서는 바람의 세기와 실내외 기압 차로 인해서 자 연환기를 도입하지 못하는 문제에 대한 해결 방안으로 이중외피(二 重外皮) 시스템을 도입하여 자연환기에 의한 난방에너지 절감방법이 사용되고 있으나 장래에는 공기를 투과시킬 수 있는 유리의 채용과 일사량이 많은 건축물외피에 대해서 태양의 이동과 빛의 세기에 따 라서 투명도를 자동으로 조절하는 유리를 사용하여 1,000m 이상 고도의 강한 바람과 온도변화에 대응할 수 있도록 만들게 될 것이다.
또한, 근대의 초고층건축물의 설계는 위의 그림 19와 20처럼 강 구조 초고층건축물의 외형의 변화이다. 강구조 초고층건축물의 장점 으로 건축물의 외형을 형이상적으로 설계하여 구조의 미를 외적으로
표현할 수 있다는 것이다. 앞으로 강구조 초고층건축물이 한 나라의 랜드마크로서 그 나라의 문화를 엿볼 수 있도록 건축물을 건설할 것 이다. 그림 19에 있는 중국 CCTV 본사 사옥은 수직으로 230m의 높이를 가지지만 일반 강구조 초고층건축물과는 달리 건축물의 형태 가 Loop형상으로, 38층에서 두 곳의 스카이로비가 설치된다. 전형 적인 초고층건축물과는 다른 형상이며, 고층에서 두 개의 타워를 연 결하는 것이 좁은 다리가 아니라 넓은 면적을 가지는 건물이라는 점 이다. 두 개의 타워를 연결하는 다리라기보다는 새로운 하나의 건물 이 타워 위에 올려졌다고 볼 수 있다. 또한 강구조 초고층건축물 강 점으로 공사기간도 매우 빠른 속도로 단축되고 있다. 500여m인 Taipei 101이 3년10개월에 지어졌으며 이보다 더 높은 Burj Dubai는 3년11개월의 공사기간이 소요될 예정이어서 1990년대 초 반에 비해 2배 이상 단축되고 있다.
4. 강구조 초고층건축물의 문제점과 보완
지난 2001년 9월 11일 20시, 뉴욕에 있는 월드트레이드센터 (WTC) 2개동에 여객기가 돌입하여 2개동 모두 55분과 1시간40분 후에 어이없이 붕괴되는 장면을 아직도 머릿속에 남아 있다. 승객을 태운 여객기가 초고층건축물에 도입하는 광경, 110층 세계최고 강 구조 초고층건축물이 붕괴되기 시작하면서 불과 10여초만에 주저앉 는 광경은 모두에게 경악스러운 기억이다. 이처럼 테러 및 화재 등 강구조 초고층건축물에서의 강재의 취약점과 보완사항을 기술하고자 한다.
첫째, 강구조 초고층건축물은 건축미를 강조하기 위하여 강재를 노출시켜 건설되어있다. 내식성이나 내후성강이 아닌 대부분의 일반 강재는 자연에 노출되어 있어 부식되기 쉬우므로 내구성을 확보하려
면 정기적으로 도장해야 한다.
종래에는 이것을 유지관리비용이 많이 드는 것으로 인식되었으나 최근에는 재도장 기술로서 20년 이상이 되는 중방식 도장기술이 사용되고 있고 무도장 내후성강, 내식강 같은 고성능 강재의 개발 로 총생애주기비용(LCC)측면에 서는 오히려 더 경제적이다.
둘째, 강구조 초고층건축물로 대 표되는 WTC가 테러에 의해 붕 괴된 것처럼 강재는 내화성이 약
당수준의 소방등급 소방설비를 갖추어야 하며 내화설계에 의한 내화 피복을 해야 한다. 또한 내화성능을 향상시키기 위하여 합금첨가에 의해 약 600℃ 정도까지도 고강도를 유지하여 내화피복의 사용을 감 소시킬 수 있는 내화강이 개발되었다.
셋째, 강재는 강도가 크기 때문에 자연히 부재의 단면이 얇아지게 되고 세장하게 되어 압축재나 휨재는 좌굴의 위험성이 높다. 이를 보완하여 현재 강구조 초고층건축물의 기둥 등의 주요부재를 CFT 구조로 나아가고 있다. 강관은 콘크리트 부피팽창에 따른 횡압력을 받아 이축응력상태로 되고, 충전된 콘크리트는 그 자체로 강도증가 에 기여할 뿐만 아니라 강관의 구속에 의해 삼축압축응력상태가 되 어 더 큰 압축강도를 발휘할 수 있으며, 강관 내부를 채움으로써 강 관의 국부좌굴이 원주의 외부로만 벌어지도록 제약하므로 기둥의 내 력성능을 상당히 향상시킨다.
넷째, 강재는 수많은 반복하중에 의해 피로가 발생하여 강도의 감 소 또는 파괴가 일어날 수 있다. 규정 이상의 반복하중 횟수가 발생 시 피로로 인한 추정강도의 감소 등을 설계 시에 고려하여야 한다.
강재는 우수한 구조재임에도 틀림없으나 위와 같은 단점을 가지 고 있다. 이런 단점들을 보완하기 위해서 각 나라의 강구조에 관련 된 연구자 및 엔지니어들이 지속적인 연구로 최근 구조용 강재들은 구조물의 안전성과 내구성 향상 측면과 제조업체의 생산비용의 절감 차원에서 개발되어 상용화되고 있다. 건축물의 안전성과 내구성 측 면에서는 표면조직 미세화를 통하여 취성파괴 저항성을 크게 향상시 킨 Hiatest강재, 피로균열 전파속도를 크게 감소시킨 FCA (fatigue crack arrest) 강재 및 내부식성을 향상시킨 anti- corrosion 강재 등이 상용화되고 있다. 생산비용 절감 차원에서는 용접선 감소와 경량화를 위한 LP(longitudinally profile) 강재 혹은 대입열 용접용 강재 및 강재의 절단 및 용접 시 발생되는 변형 제어형 강재들이 상용화되고 있다.
5. 결 론
앞에서 논의한 바와 같이 선진국에서는 21세기의 첨단기술과 경 제적 대국을 겨냥한 초대형 건설프로젝트를 구상하거나 추진 중에 있다. 강재의 경우 다양한 형상과 치수를 가진 부재로서 설계자가 설계시 창의력을 발휘할 수 있고, 강재는 기본적으로 사용하중하에 서 탄성거동을 나타내므로 부재 및 시스템의 거동을 이해하기 쉽다.
또한 콘크리트에 비하여 강도/중량의 비가 매우 크므로 강구조물은 대경간, 고층건축물 일수록 유리한 장점을 가진다. 이와 같은 강재
조재로서 더욱 중요한 비중을 차지할 것이 분명하다.
한편, 21세기의 모든 산업형태는 환경친화적이어야 하고, 그것은 그만큼 삶의 질을 추구하는 인류의 요구가 강하기 때문이다. 하나뿐 인 지구환경과 더없이 조화를 잘 이루는 녹색 소재가 또한 철이다.
철은 모든 생명체에 필요한 필수 금속이면서 산업현장에서 이용될 때도 리사이클링이 뛰어난 천혜의 자원이며, 또한 에너지 절약의 측 면에서도 뛰어난 자원이다.
앞으로 21세기이후의 고도 선진산업사회는 구조물의 초고층화, 초장대스팬화, 초대형화로 인하여 고성능, 고강도, 고기능의 고품질 의 강재의 개발과 최첨단 구조공학기술이 모두 응용되고, 친환경적 인 소재인 강재를 더욱 더 자원보존과 환경보호 측면에서 적절하게 이용할 수 있는 고도의 기술로 개발해야만 차세대 21세기형 초대형 초고층형 프로젝트의 성공을 기대할 수 있다. 그리고 21세기 이후 의 미래사회에서도 일반건축물에서는 고성능 신소재가 주 구조재의 하나로 이용되겠지만 강재와의 복합구조형식으로 발전될 전망이다.
특히 초고층형 건축물의 경우 주내력 구조재로서 이상적인 고성능강 재가 개발, 이용될 것이 분명하므로 21세기 이후에 다시 한번 신강 철 문명시대가 도래할 것이다. 그러므로 우리 강구조기술도 재래적 인 단순기술에서 최첨단 엔지니어링기술 중심으로 전환하여 강구조 초고층건축물의 핵심 요소기술을 연구, 개발하고 현장에 접목하는 노력을 적극적으로 매진해야만 할 것이다.
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