2. 신소재와 정밀설계기술 총동원

초고층의 하이테크 공법

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현대의 바벨탑을 가능하게 하는 첨단건축기술은 초강력 건설재료, 새로운 설계이론과 컴퓨터이용, 슬립폼공법 업다운공법 기계화시공 등 현대적인 시공방법이 주축을 이룬다.

'벽돌을 만들어 견고히 굽자하고 이에 벽돌로 돌을 대신하며 역청으로 진흙을 대신하고, 성(城)과 대(臺)를 쌓아 대 꼭대기를 하늘에 닿게 하여…'(성경, 창세기 11장 3절 4절). 성경의 바벨탑과 같이 높은 건물을 지으려는 욕구와 노력은 인간의 역사와 함께 시작되었다. 건축가 프랭크 로이드 라이트가 1956년에 제안한 높이 1마일(1천6백m)의 마천루는 이러한 인간의 욕구와 노력의 한 줄기를 이어 왔다. 실제로 건설된 건물의 층수가 1백층을 넘은지 이미 오래며(미국 엠파이어스테이트 빌딩, 1931년), 높이가 4백m를 넘어선지도 20년이 지났다(미국 세계무역센터 1972년).

그러면 이러한 초고층 건물을 건설하려면 어떠한 문제점들이 있으며 현재의 기술로 어느 수준까지 가능할 것인가. 이러한 문제점들은 크게 건설재료, 설계기술 및 시공기술 분야에 대한 것들로 나눌 수 있으며 이들에 대한 현재의 기술 및 향후 추세와 전망을 알아보자.

신소재 FRP

바벨탑을 쌓으려던 인간들은 하늘에 닿기 위해 직면한 가장 근본적인 문제점을 해결하려고 하였다. 그것은 다름 아닌 건설재료였다. 하늘까지 닿는 탑을 쌓으려면 강한 재료가 대량 필요했으므로 벽돌을 만들어 돌을 대신하였다. 또한 높은 탑은 넘어질 염려가 많으므로 벽돌과 벽돌을 연결할 때 진흙이 아닌 접착력과 강도가 큰 역청을 사용하였다. 역청은 요즘 아스팔트 계열의 시멘트와 같은 것이다.

바벨탑 시대의 인간들이 인식했던 바와 같이 우수한 건설재료의 확보는 초고층 건축에서 제일 먼저 해결해야 할 문제다. 여기에서 우수한 건설재료라 하는 것은 두가지 조건을 만족해야 한다. 첫째는 강해야 하고, 둘째는 무게가 가벼워야 한다.

이론적으로 현재 우리가 사용하고 있는 보통 철근콘크리트(강도 2백10kg/㎠)로 초고층 건물을 짓는다면 어느 정도 높이 지을 수 있을까. 건물의 형태 등에 따라 차이가 있으나 기존의 설계 및 건설방법을 그대로 사용하여 3백층 건물을 지으려면 1층은 공간이 하나도 없이 콘크리트로 모두 채워야 한다. 콘크리트 보다 강도가 훨씬 큰 강철로 지을 경우(철골건물)는 어느 정도 올라갈 수 있을까. 이론적으로 건물바닥 면적을 강철로 모두 채울 경우는 약 4천층 정도 까지 올라갈수 있으나 강철은 콘크리트와 달리 부재(部材, 건물을 이루고 있고 힘을 받는 부분)끼리 연결할 때 용접이나 볼트를 사용해야 하므로 그 두께가 제한을 받게 되며 현재의 기술로 20cm 이상의 두께는 용접이 힘들다.

그러나 다행히도 고강도 경량 건설재료의 연구가 지난 20여년간 활발히 진행되어 강철의 경우 일반강철의 항복(隆伏)강도 2천4백kg/㎠가 1만kg/㎠로 4배 가까이 증가되었으며 콘크리트의 강도는 보통콘크리트의 강도인 2백10kg/㎠가 1천3백kg/㎠로 6배 가까이 증가되었다. 이러한 재료 특성의 개선을 위한 연구는 현재에도 계속되어 금세기 말에는 항복강도 2만kg/㎠에 달하는 강철과2천kg/㎠에 달하는 콘크리트가 개발될 것으로 믿어진다. 이쯤 되면 높이 1천m, 층수로는 2백50층 정도의 건물을 건설하는데 적어도 재료에 대한 문제점은 해결된다고 할 수 있다.

그러면 이보다 더 높은 건물을 건설하는데 쓰이는 것을, 다시 말하면 더 높은 강도의 초고강도 재료를 얻을 수는 없는 것일까. 근래에 첨단 신소재라고 하는 여러가지 물질들이 개발되고 있다.

이러한 신소재중 건설재료로 이용하고 있는 대표적인 것은 섬유강화 플라스틱 FRP, Fiber Reinforced Plastics)이다. FRP의 가장 큰 특징과 장점은 강도가 높은 반면에 무게가 가볍다는 것이다. 건물이 높아지면 자체 무게가 증가하기 때문에 초고층 건물에서는 강도와 함께 무게(비중)가 중요하다. 즉 단위무게당 강도가 클수록 초고층 건물에 적합한 재료라 할 수 있다. 탄소섬유강화플라스틱은 단위무게당 강도가 일반 강철의 33배나 되고 고강도 강철에 대해서도 11배나 된다. 또한 콘크리트와 비교하면 보통콘크리트의 1백14배, 고강도 콘크리트의 25배에 달할 정도로 우수한 재료의 특성을 갖고 있다(표).
 

(표) 주요 건축재료의 강도 비교(표) 주요 건축재료의 강도 비교


앞에서 소개한 스카이시티 1000에는 바로 이 탄소섬유강화플라스틱으로 만든 판을 이용한 건설 계획이 세워지고 있다.

이외에도 세라믹 소재의 이용, 무결점 콘크리트 등 신소재에 대한 연구가 활발히 진행되고 있으며 앞으로 초고층 건물의 건설에 적극 이용될 전망이다.
 

(그림1) 고층건물의 기계화시공(그림1) 고층건물의 기계화시공


컴퓨터가 설계이론을 실용화

설계기술의 발달은 크게 세가지로 나눌 수 있다. 첫째는 설계의 정밀도가 향상된 것이고, 둘째는 우수한 건물형태의 개발이며, 셋째 초고층에서 문제가 되는 지진 및 바람에 대한 저항능력의 향상이다.

먼저 설계 정밀도의 중요성에 대해 간단한 예를 들어보자. 만일 설계의 정밀도가 50% 밖에 안된다면 아무리 강도가 높은 재료를 사용한다고 해도 그 강도의 50% 밖에 이용할 수 없다. 그 이하를 사용하면 건물의 안전에 대해 아무도 보증을 할 수 없기 때문이다.

1931년에 완공된 엠파이어 스테이트 빌딩의 1층은 유효면적이 40% 정도 된다고 한다. 즉 바닥면적의 60% 정도를 건물에 작용하는 힘(자체무게, 바람 등)을 지탱하기 위한 구조물이 차지하고 있다. 이것은 매우 비효율적인 것으로 그 이유는 앞서 말한 재료의 강도가 낮은 이유도 있지만 설계가 부정확한 이유도 크다.

설계의 정밀도를 높이는데 가장 큰 공헌을 한 것은 다름 아닌 컴퓨터의 발달이다. 놀랍게도 건물의 설계에 이용되는 기술의 대부분은 가깝게는 20년, 멀게는 1백여년전에 이미 이론적으로 정립해 놓은 것들이다. 그러나 이러한 설계기술들을 실제 이용하기에는 너무나 계산과정이 복잡하고 시간이 많이 걸려 단순한 형태의 낮은 건물이외에는 거의 사용이 불가능했다. 잘 알려진 바와 같이 컴퓨터는 그 자체로 생각하는 능력은 없지만 계산능력이 뛰어나기 때문에 수학적으로 정확한 이론들을 실제 설계에 이용할 수 있게 되었다.

설계의 정확도를 높이는데 이바지한 또 하나는 설계이론의 발달이다. 옛날에는 사용하는 건설재료의 성질을 단순화시켜서 설계했기 때문에 재료의 강도와 특성을 충분히 또한 정확히 이용하지 못했다. 현대의 설계이론은 복잡한 재료의 특성을 가능한한 실제에 가깝도록 반영하였기 때문에 설계의 정밀도가 향상되었고 이로 인해 보다 더 높은 건물의 설계가 가능하게 되었다.

우수한 건물형태의 개발에는 여러가지 독특한 것이 많이 있으나 이를 이해하기 위해서는 전문적인 지식이 필요하므로 상세한 내용은 피하고 그중 한가지만 예를 들어 설명하기로 한다. 초고층 건물에서 가장 큰 문제는 지진이나 바람에 의해 건물이 전도(顚倒), 즉 넘어지려고 하는 것이다. 설사 건물이 전도되지는 않는다 하더라도 건물이 크게 흔들리면 안에 있는 사람들이 불안해하거나 또는 작업을 할 수 없게 된다. 초고층 건물은 건물의 폭에 비해 높이가 높기 때문에 상대적으로 수평방향의 힘에 약하게 마련이다. 이때 옆에 있는 비슷한 높이의 건물과 서로 튼튼하게 연결해 주거나 또는 그런 형태로 건물을 지으면 건물의 흔들림이 훨씬 덜하고 전도에 대한 안전성이 크게 증가하게 된다(그림2). 이는 효율적인 건물형태 개발의 극히 작은 예이며, 같은 양의 건설재료로 더 높게 건물을 지을 수 있는 건물형태가 개발되었고 이를 개선 발전시키는 연구가 각국에서 진행중이다.
 

(그림 2)초고층건물의 수평지지력 향상(그림 2)초고층건물의 수평지지력 향상


다음으로 지진 및 바람에 대한 저항능력의 향상에 대해 알아보자. 첫째 계측기술의 발달로 실제 발생한 지진 또는 바람의 강도와 특성을 보다 정확하게 측정할 수 있게 되었다. 이 측정된 자료를 토대로 수학적인 방법을 통해 미래에 닥쳐올 지진이나 바람에 대한 예측을 보다 정확히 할 수 있게 되었다. 또 하나는 지진 또는 바람의 영향을 감소시키는 방법이 개발되고 있다. 이 방법은 주로 강한 지진이 빈번하게 발생하는 일본과 같은 나라에서 활발히 연구되고 있다. 가장 보편적인 방법으로는 자동차의 충격완화 장치를 건물에 설치하는 것이다. 울퉁불퉁한 길을 갈 때 마차를 탈 경우와 자동차를 타고 갈 경우에 느끼는 충격이 크게 다르다. 자동차가 훨씬 충격이 덜한 것은 바퀴 부분과 의자 스프링에 설치한 충격흡수장치(shock absorber)덕분이다. 충격이 적다는 것은 힘이 덜 전달된다는 것을 의미하므로 건물에 이러한 장치를 부착하면 강한 지진이 발생해도 건물에 주는 영향은 크게 줄어든다. 이 방법은 현재 20층 정도의 건물까지 실용화되고 있으며 보다 강력한 스프링 및 댐퍼의 개발로 그 적용범위가 늘어갈 것이다. 지진 또는 바람에 대한 저항능력을 높이는 다른 방법은 인간이 균형잡는 원리를 이용하는 것이다. 바람이 불거나 흔들리는 버스 안에서 사람이 중심을 잡고 넘어지지 않는 이유는 넘어지려고 하는 반대방향으로 무게중심을 옮기기 때문이다. 이 원리를 건물에 적용하는 방법이 실용화되어 15층 정도의 건물에 사용되고 있다(그림3). 이 방법은 인간의 조작으로 불가능하며 모든 필요한 자료와 기기가 컴퓨터에 미리 입력되고 연결되어 있어야 한다. 아마 미래의 초고층건물은 작용하는 힘에 의해 인간과 같이 능동적으로 그리고 신속하게, 아마 필요에 따라 그 형태까지 변경시킬 수 있는 생물화한 건물이 될 것이다.
 

(그림3)수평력에 의한 저항메커니즘(그림3)수평력에 의한 저항메커니즘


업다운공법과 로봇이용

고도의 설계기술로 설계된 초고층 건물을 어떻게 건설할 것인가 하는 것이 시공기술의 문제다. 초고층 건물의 시공에는 두가지 큰문제점이 있다. 하나는 건설하는 시간이 너무 많이 걸린다는 것이고 다른 하나는 건물이 너무 높아 작업하기에 여러가지 어려움이 있다는 것이다.

건설에 소요되는 시간이 너무 길어지면 건물을 짓는 비용이 많이 들어 경제성이 떨어지게 된다. 따라서 초고층 건물의 성패는 시공기간을 어떻게 단축하는가에 있다. 이에 대해서 많은 시공법과 건설장비가 개발되어 사용되고 있으며 그 중 특히 중요한 몇가지를 소개하고자 한다.

콘크리트 건물을 건설할 경우 아무리 작은 규모의 건물이라도 한층을 짓는데 최소 4일에서 15일이 소요된다. 콘크리트 공사에는 여러가지 작업이 필요하기 때문이다. 이러한 일련의 콘크리트 작업을 체계화하고 콘크리트를 연속적으로 부어 넣어 시공기간을 단축시키는 방법을 슬립 폼(slip form)공법이 이라 한다. 이 공법은 콘크리트를 부어 넣을 형틀을 유압잭으로 연속적으로 서서히 수직 이동시키며 콘크리트를 연속적으로 부어 넣기 때문에 시공속도가 무척 빠르다. 필자가 근무하던 부산 신항의 사일로 공사에서는 높이 45m(18층 아파트 높이)의 사일로 콘크리트 공사를 불과 15일만에 끝냈으니 그 시공 속도와 효율성은 더 강조할 필요가 없을 것이다.

초고층 건물에서 공사기간을 줄이기 위해 사용되는 또다른 방법은 건물의 지상부분과 지하부분을 동시에 건설하는 것이다. 이 공법은 흔히 업다운(up and down) 공법이라고 한다. 초고층 건물은 그 안정성 때문에 지하층이 깊어야하고 그만큼 시공기간도 길어지게 된다. 이 공법에서는 먼저 지하층의 기둥을 흙속에 박고 1충 바닥판을 시공한 후 지상층을 2층 3층 순으로 시공하는 것과 동시에 1층 바닥판 밑의 흙을 파내고 지하 2층 3층을 시공하는 것이다. 보통의 경우 지하층의 공사기간은 전체 공사기간의 절반가량을 차지하므로 이 공법을 사용하면 전체 공사기간이 절반으로 단축된다.

공사기간을 단축하는 다른 하나의 방법은 시공을 기계화하는 방법이다. 기계화 시공이라고 부르는 이 방법은 건설장비가 발달함에 따라 자연히 발달하고 있으며 최근에는 로봇을 이용하는 방법이 개발되고 있다. 현재 건설로봇의 기능은 콘크리트의 표면을 고르게 하거나 페인트를 칠하는 작업 등 단순한 작업에 불과하며 사람의 조작이 직접 간접으로 필요하나 최근에는 각종 센서를 장착하고 인공지능을 갖추어 독자적으로 판단하고 작업하는 로봇을 개발하려 하고 있다. 로봇의 이용은 단순히 공사기간을 단축하는데 의미가 있는 것이 아니라 사람이 접근하기 힘든 곳의 작업이나 위험한 작업에 매우 효율적이다.

일본의 T 회사에서는 이제까지 소개한 슬립폼 공법, 업다운 공법 및 기계화 시공을 한 건물에 동시에 적용하는 공법을 고안, 사용하고 있다.

초고층 건물을 건설하려면 필요한 재료와 장비뿐만 아니라 사람들도 높은 위치에 올려져야 한다. 이러한 재료 등의 운반과 고공에서의 작업은 시간도 많이 걸릴 뿐만 아니라 사고의 위험성이 크다. 이러한 이유로 초고층 건축에서는 PC화한 부재를 사용하는 것이 매우 효율적이다. PC화라 함은 Precast 또는 Precast Concrete의 약어로 벽 기둥 등 건물의 구성요소를 현장에서 모두 시공하는 것이 아니라 지상 또는 공장에서 미리 제작한 후 현장에서는 조립작업만을 하는 것을 말한다. 이 방법을 사용하면 현장직업이 줄어 들어 공기가 단축될 뿐만 아니라 현장작업자의 수를 줄일 수 있으며 공장제품으로 공사 품질을 높일 수 있다.

바벨탑은 완성될 것인가?

이제까지 초고층 건물의 건설에 사용되는 기술의 종류와 수준 그리고 향후 추세 등에 대해서 간략히 소개했다. 세계의 인구는 폭발적으로 증가 일로에 있고 이용할 수 있는 땅의 넓이는 제한되어 있다. 앞으로 세계인이 살 수 있는 길은 더 높이, 또는 더 깊게 건물을 건설하는 것이다. 그 옛날 바벨탑 건설은 완성을 보지 못하고 중단되었으나 그 의지와 욕구는 면면히 이어 내려와 바벨탑 시대의 인간들이 하늘이라고 믿었을 구름 위에 까지 도달하는 초고층 건물들이 건설되고 있다. 하늘로 향한 인간의 욕구는 이에 만족하지 않고 아마 우리의 손자대에서는 높이10km의 극초고층 건물이 계획될지도 모른다. 신이 창조한 지구상의 어느 피조물보다 더 높은 건물이.

고층빌딩의 발, 엘리베이터 시어즈타워 꼭대기도 1분 이내에

고층빌딩이 줄지어 들어서면서 사람과 물건을 수직으로 올리는 엘리베이터(elevator, 승강기, 영국에서는 lift라고 함)에 대한 관심이 높아지고 있다.

더욱이 고층빌딩의 경우 엘리베이터가 빠른 속도로 운전돼야 하고 안전성 또한 일반 엘리베이터보다 높아야 한다. 최근에는 건물 내부에 있던 엘리베이터를 건물외곽에 배치, 오르내리는 동안 주변의 도시경관을 감상할 수 있도록 설계한 고층빌딩도 다수 출현하고 있다.

엘리베이터의 역사는 기원전으로 거슬러 올라간다. B.C. 200년경 아르키메데스가 밧줄과 도르래를 이용해 최초의 엘리베이터를 고안했다고 한다. 그전에도 우물속의 물을 퍼올리기 위해 밧줄에 두레박을 매달거나 무거운 돌을 높은 곳에 올리는데 도르래를 이용한 예가 있었다. 근대적 의미의 엘리베이터가 실용화된 것은 19세기. 동력으로 처음에는 수력이나 수압이 이용되다가 증기기관을 거쳐 1880년 독일 지멘스사가 만하임박람회에서 최초로 전동구동방식 엘리베이터를 선보였다. 우리나라에는 1940년 서울 화신백화점에 처음 엘리베이터가 설치됐다.

엘리베이터는 안전성이 가장 중요하다. 과속 과부하에는 이중의 안전장치가 설치돼 있고 와이어로프의 강도는 한계중량의 10배까지 견딜 수 있도록 설계된다. 또 정전시에 대비한 안전장치와 비상인터폰 비상탈출구 등을 필수적으로 갖추도록 하고 있다.

아파트 등에서 엘리베이터사고로 어린이나 노인들이 다치는 경우가 더러 있는데, 이는 대부분 정기점검을 소홀히 하거나 건물공사가 잘못돼 엘리베이터 틈새가 벌어져 있기 때문에 발생하는 것이다.

엘리베이터는 보통 5층이상 건물에 의무적으로 설치되는데 층수에 따라 속도가 다르다. 15층 정도는 1백50~1백80m/분, 25층은 2백10~2백40m/분, 35층은 2백40~3백m/분 정도의 속도가 요구된다. 현재까지 엘리베이터의 최고속도는 6백m/분. 고속 엘리베이터를 이용하면 시어즈타워의 꼭대기 1백10층도 1분 이내에 올라갈 수 있다. 진동 소음 승차감 때문에 더 이상 속도를 낼 수가 없다. 국내 최고층인 대한생명빌딩(60층)의 고속엘리베이터는 5백40m/분의 속도를 낸다. 이 엘리베이터를 처음 타본 사람은 한참동안 귀가 멍한 느낌을 받는다. 수직상승으로 중력가속도(g)가 줄어들기 때문이다.

인텔리전트빌딩(IB)에서는 엘리베이터작동도 컴퓨터에 의해 전자적으로 조종된다. 시간별 탑승자수, 교통량이 많은 층수, 수송순서 등을 순간적으로 파악해 이용자의 대기시간을 최소화하는 시스템이 IB의 중요한 부분이 된다.

글 : 김긍환 구조연구실장
과학동아 1991년 09호