1. 서론

많은 초고층 빌딩 건설 사업이 작년의 리만사태로 촉발된 세계 경제의 불황으로 인해 취소되거나 연기되었다. 그러나 아직 많은 수의 사업들이 진행되고 있는데, 이중에는 아주 특이하고 주목할 만한 외형 및 디자인을 가지고 있는 건설 사업이 있다. 특히 일본은 지진, 태풍 및 여러 악조건의 자연환경을 받고 있기 때문에 초고층 빌딩의 설계는 매우 어려운 작업이다. 최근에는 이러한 외부의 하중 에너지를 흡수하는 구조계획을 수립하는 것이 일반적 인데 컴퓨터를 이용하여 불가능한 작업이 거의 없어진 지금 고층빌딩의 설계철학은 점점 더 중요해 지고 있다.

2. 일본의 초고층 빌딩의 역사 

전체높이가 333 미터에 이르는 토쿄 타워는 작년에 건립 50주년을 맞았다. 그러나 일본의 실질적인 100 미터 이상의 빌딩은 Kasumigaseki 빌딩으로서 1968년 완공 되었으며 36층 규모의 147 미터 높이의 건물이다. 이러한 일본에서의 성과는 시카고의 1885년 Home Insurance Building, 1885년 프랑스 에펠탑 완공, 시카고와 뉴욕에 초고층빌딩이 등장하기 시작한 1930년대 이후 50년 이상 지난 후의 결과이다. 이러한 시간 간격의 원인은 사회 및 경제적 환경과 더불어 지진공학과 같은 기술적인 면도 작용하였다.

일본의 경제상황은 1950년대 후반 급속도의 성장을 보여주는데 세계 지진 공학회 컨퍼런스가 1954년과 1960년에 각각 개최되고, 24층의 가상의 고층빌딩에 대한 연구가 3년간의 일정으로 1959년에 시작된다. 1960년에 동적해석에 대한 연구가 시작되면서 후판 강재의 사용이 건설현장에 적용되는 등의 시공방법 발전과 맞물려 주변 환경이 매우 적극적으로 변하게 된다. 특수구역이라는 명칭아래 1964년에 고도제한이 풀리면서 New Otani (72m 높이) 호텔 등을 포함하여 많은 초고층 빌딩들이 이 시기에 건설되었다.

                                                              <사진 1. Mode Gakuen 나선타워의 전경> 

< 사진 2. 고베 상업, 산업 및 무역 센터 빌딩 >

 
New Otani 호텔은 3개의 날개벽을 가진 독특한 형상을 가지고 있지만, 대부분의 초기 초고층 빌딩들은 Kasumigaseki 빌딩처럼 구조적으로 안정적인 뼈대구조를 형성하기 위해 2축이 교차하는 4각형의 평면계획으로 건설되었다. 건축기술자들은 비대칭으로 인해 발생 가능한 즉, 지진으로 인한 비틀림 현상 등 여러 가지 문제점을 회피하기 위하여 기존의 고리타분한 외형을 고집하였다. 이것은 나름대로 초기의 초고층빌딩 설계자들에겐 현명한 선택이었다.

< 그림 1. Mode Gakuen 나선타워의 평면 계획 >

나중에, 1970년대에 이르러 케이오 플라자 호텔은 상대적으로 날렵한 외관을 보여주었고, 신주쿠 스미모토 빌딩은 내부에 8각형의 평면을 가진 3 가지 층으로 구분된 원통형 외관으로 시공되었으며, 선샤인 60 빌딩은 1978년에 240 미터의 높이를 달성하였다. 1982년에는 중앙부에 대형 개방 홀을 가진 신쥬쿠 NS 빌딩과 대형부재의 연결을 통한 초고층 빌딩을 구현한 NEC Super Tower 가 건설되었는데 이 빌딩의 기둥은 일정 지역에 집중 배치하여 빌딩의 저면주변의 보다 큰 평면 유연성을 갖도록 하였다. 현재는 이러한 대형부재에 의한 초고층빌딩의 건설이 주류가 되어 있다.

< 그림 2. 골조계획의 설계 개념 >

1995년 고베지진 이후로 지진격리장치와 댐퍼개념이 초고층 빌딩에 적용되어 대형지진 발생 시 변위발생을 최소화하도록 하였고 이로 인해 빌딩의 자중을 지탱하는 기둥과 보등에 배치되어 지진시의 안전도를 향상시킴과 동시에 유지관리 기능을 강화하였다. 현재 구조계획 측면에서는 점점 더 지진력을 분리하거나 흡수하는 방향으로 발전하고 있는데 이때에는 성능중심의 설계개념과 파손 조정 개념이 주 설계개념으로 등장하고 있다. 다시 말하면 지진시에 일반 보와 기둥이 받는 에너지의 양을 감소시키는 목적인, 능동적인 부재활용을 통해서 에너지를 흡수하는 방식이다.

< 사진 4. 진동 조절 기둥 >                            < 사진 5. 시공중 전경 >

< 그림 3. 10층 바닥판 보 설치계획 - 외측에서 전달되는 수평력이 강 트러스보를

통해 내부 트러스 튜브로 전달>

3. 유연한 외관과 구조계획

이러한 설계 경향으로 인해 점 점 더 자유로운 형상의 설계가 행해졌다. 나고야역 인근에서 시공중인 Mode Gakuen 나선 타워는 “타워들” 이라는 복수형태의 명칭으로 불리고 있는데 그 이유는 3개의 타워가 서로 나선형으로 엮여서 건설되는 것으로 설계되었기 때문이다. 이 형상은 이 3개의 학교 즉, 패션 학교(Mode), 컴퓨터 및 애니메이션 학교(HAL), 그리고 의학학교 (ISEN)의 학생들의 에너지가 서로 조화롭게 상승작용을 이루는 것을 의미한다.

이러한 개념을 단순히 빌딩의 외형에만 구현하는 것에 그치지 않고 실제적 측면에서 표현하기 위해 이 빌딩의 형상설계는 계획단계에서부터 기술자들이 참여하였다. 이러한 생체적인 나선형 모양의 복잡한 구조물을 설계하기 위하여 최신 컴퓨터에 의지하기 보다는 이성적이고, 강하고, 섬세한 표현력을 나타내기 위해 명확한 목적이 구현된 구조적 설계개념이 창안되었다.

이 건물은 지상 36층과 지하 3층으로 되어 있으며 2층의 펜트하우스가 있다. 구조물의 높이는 지상 170m 이며 지하 21m 이다. 중심 코어는 타원형 단면형상을 가진 3개의 현의형태의 날개 구조물을 가지고 있으며 이들은 원주방향으로 서로 배열되어 있다. 평면 형상은 높이에 따라 변화하도록 되어 있다. 3개의 교실은 각각의 날개 구조물에 중심코어 주변으로 배치되어 있고, 이 각각의 교실들에 엘리베이터와 계단이 각각 설치되어 있다. 나선형으로 건물의 층수가 올라갈수록 교실들의 크기는 점점 작아지게 된다. 이러한 중심코어에서 3개의 날개 구조물까지의 거리가 빌딩의 외형을 유기체의 형태로 나타나게 한다.

내부 골조는 계단, 엘리베이터 등의 수직부재와 빌딩 중심에 위치한 장치 샤프트로 구성되어 있는데, 12개의 수직 기둥이 중심코어 주변으로 배치되어 있으며, 이 기둥들은 조밀하게 보강되어 있어 이것들이 중심부의 두꺼운 중심체 역할을 수행한다. (내부 트러스 튜브) 이 원통형 구조물은 지진이나 태풍 등에 의해 발생하는 수평력 이나 비틀림에 대해 매우 강하고 견고하게 저항하여 구조물의 성능수준을 확보하고 있다. 외부에는 보강재가 없이 최소 직경의 기둥과 약한 골조로 형성되어 지진력 에는 약하지만 외형적으로 투명하고 날렵한 형상을 확보하였다.

수평하중은 빌딩의 형상으로 인해 지속적으로 외벽의 경사방향 기둥에 작용하게 된다. 이러한 수평하중을 처리하기 위해서 플랫 보를 트러스 형태로 배치하여 강성을 증대시키고 외벽에서 발생하는 수평력을 내부 트러스 튜브로 전달하도록 계획하였다. 저면층 에서의 내부 트러스 튜브에 연결된 보강재와 기둥 및 보의 연결부는 지속적인 비틀림 하중과 더불어 지진 시 대단히 큰 응력을 받는다. 따라서 이러한 여섯 곳의 연결부에 대해 하중전달이 용이하고 강성을 증대시키기 위하여 프리캐스트 블록을 배치하였다. 내부골조가 지진시의 수평력과 지속적인 비틀림 하중을 견디는 동안에 외부 골조는 빌딩의 자중을 지지하고 독특한 외관을 나타내도록 계획하였다.

타워 형상의 빌딩은 빌딩 전체적으로 매우 큰 휨 변형과 외부 기둥에서 축방향 인장 및 수축을 받게 되어 궁극적으로 빌딩의 천단부에서는 상당한 양의 변형이 발생한다. 효율적으로 지진 에너지를 흡수하기 위해 2가지의 새로운 조절 시스템을 빌딩에 도입하였다. 구조해석결과 지진 시 발생하는 변형이 댐핑시스템 도입으로 인해 그렇지 않은 경우보다 20% 이상 감소되는 것으로 나타났다.

높은 수준의 축방향 인장력과 압축력을 받는 외벽의 기둥들은 축방향 변위를 집중시키기 위하여 4층 또는 7층 간격으로 제거하고 ; 대신 그 위치에 점착력 댐퍼를 설치하여 높은 수준의 에너지 흡수효과를 확보하였다. 이 조절 기둥들은 전체 빌딩의 26개소에 설치되었다. 시뮬레이션 결과 이러한 조절기둥들은 대규모 지진 시 지상층 에서는 40mm,, 기타 층에서는 20mm 정도로 인장과 수축을 반복하는 것으로 밝혀졌고, 조절 기둥 주위의 외벽 마감재는 이러한 변위에 대응하기 위해 수평 및 수직 변위를 마감 재료의 층 변위를 통해 흡수하도록 계획하였다. 이러한 점착력 댐퍼들은 일반적으로 하중을 지지하지 못하기 때문에 조절 기둥과 함께 상층 바닥판에 보강재가 부착되어야 한다. 이때 조절 기둥은 내부의 트러스 튜브와 켄틸레버 트러스로 연결되어 진다.

빌딩의 천단부에서 발생하는 대규모의 변위를 고려하여 전체 빌딩 자중의 1%에 해당하는 중량을 빌딩 천단부에 위치시키고 여기에 로울러 베어링과 라미네이티드 고무 절연체를 통하여 빌딩의 고유주기를 변화시킨다. 대규모의 지진 발생 시에는 이러한 부가 중량물에 의한 변위는 빌딩의 변위와 역방향으로 500mm 나 발생 한다 . 이러한 방식으로 지진시의 에너지를 소산시킨다.

라미네이티드 고무 절연체는 중량을 지지할 수 없고 오직 구조물의 안정 스프링의 역할을 수행한다. 이 2 개의 층 구조물은 수평방향의 강성도를 조절하고 수평변위를 배가시킨다. 이 시스템은 납 성분의 댐퍼를 사용하여 상당한 양의 에너지를 흡수한다. 그리고 롤러 베어링 장치는 수직방향의 1.0 중력 가속도 만큼의 운동량을 지지할 수 있게 되어 있다. (떨어지거나 눌러 붙지 않고)

각 부재의 안전여유는 각 부재의 중요성에 의해 달라진다. 빌딩에 예측 가능한 수준 보다 더 큰 지진이 작용할 때에도 견디도록 하기 위해 가장 중요한 구조 요소인 기초구조와 내부 트러스 부재에는 상당한 크기의 안전여유를 부여한다. 그리고 예상치 못한 대규모의 지진이 발생했을 때에도 빌딩의 성능수준을 확보하기 위해서 아주 드문 지진가속도인 설계 지반면 가속도의 1.4배의 지진가속도에도 구조물의 탄성성질을 잃지 않도록 설계하며 또한 내부 트러스 튜브는 이러한 설계 지진가속도의 1.8배의 지진에서도 견딜 수 있도록 안전여유를 부여하여 설계한다.

4. 토쿄 Sky Tree

토쿄 Sky Tree 의 건설은 2008년 7월에 시작하였다. 이 610m 높이의 초고층 건물은 세계적으로 최첨단의 디지털 지상파 TV 방송탑인 동시에 도심 재개발의 상징으로 여겨지고 있다. 에도시대의 문화유적이 발달한 아사쿠사와 연계하여 주요 여행목적지로서 위상을 높이고 있다.

삼각형 모양의 현장 지형 제약조건으로 인해 저면의 주탑 형상은 일반적인 67m 길이의 삼각형 형상을 보이고 있다. 전망 로비 층은 원형모양으로 되어 있어 360 도의 전경으로 간토지역을 조망할 수 있도록 되어 있다. 이러한 특징, 즉 저면의 삼각형 형태에서 상층부로 갈수록 원형으로 바뀌는 변종형태로서 이러한 외형이 이 타워의 독특한 특징을 나타낸다.

첫 번째와 두 번째 전망대는 각각 약 350m 와 450m 에 위치하고 있고 타워의 최 첨단부는 약 500m 높이를 자랑한다. 높은 증폭탑은 방송 안테나가 부착되는 곳으로서 주탑의 천단부로부터 지상 610m 까지 솟아있다.

타워의 중앙부는 8m 직경의 계단을 포함한 원형 철근 콘크리트 부재로 되어 있고, 이 원형부재는 엘리베이터와 설비 샤프트를 포함하고 있는 강재 코아로 둘러싸여 있다. 이 강재코어 주위로 강파이프로 구성된 강 트러스 구조가 형성되어 있다. 이 강 트러스 구조의 평면계획은 저면에서는 삼각형 형태로 되어 있으나 상층부로 올라오면서 원형 단면으로 변한다. 이 트러스구조는 주 타워의 삼각형 저면의 꼭대기에 위치하고 있다. 각 트러스는 4개의 수평방향으로 연결된 주부재로 구성되어 있다. 이 강트러스 구조는 지진하중과 풍하중에 대한 타워의 주된 저항강성 이다.

< 사진 5. 토쿄 SKy Tree >                        < 그림 4. 구조 골조 계획 >

타워의 주 골조구조는 최대 직경 2,300mm, 최대 두께 100mm 의 강 파이프로 구성되어 있으며 이 부재의 항복강도는 400-630N/mm² 이다. 이 파이프들은 연결부가 서로 용접으로 연결되어 거셋 플레이트나 볼트가 필요 없도록 되어 있다. 이러한 용접은 미국 API 기준에 맞는 강도를 갖도록 설계되었으며 이 용접부의 강도는 유한요소 해석으로 검증되었다. 모든 연결부의 풍하중에 대한 피로 저항력 또한 규정 안전율에 부합되도록 검증되었다.

주 타워는 진동 조절 시스템이 채용되었다. 이것은 중앙 기둥식 진동 조절 시스템으로서 전통적인 일본의 5층 목재 파고다 건물의 중앙 기둥을 모델로 하였다. 이 토쿄의 Sky Tree 의 중앙 기둥은 철근 콘크리트 원통구조로서 지상 125m 이후에 강 트러스 구조와 분리되도록 되어 있다. 철근 콘크리트 원통 기둥은 진동 조절 시스템의 중량 댐퍼역할의 중량물로서 거동한다. 유압댐퍼가 주 타워 구조물의 감쇄성능을 강화하고, 중앙 철근 콘크리트 기둥의 변위를 제어하기 위해 콘크리트 기둥과 강구조 사이에 설치되었다. 계단구조물은 Shinchu-seishin (원통진동 제어시스템) 으로 불리며 일본의 전통 건축물인 5층 파고다 건물을 부르는 Gojunoto를 기본으로 설계되었다. 이 시스템은 타워 구조물에 작용하는 지진력을 약 40% 정도 감소시킨다.

< 그림 5. 삼각지지 타워와 중앙기둥의 설치 위치 >

< 그림 6. 중앙기둥부의 진동 조절>               < 그림 7. 타워 천단부 TMD >

증폭 타워에도 역시 진동 제어 시스템이 적용되었다. 부가 중량물과 스프링 구조가 타워의 천단부에 설치되고 증폭타워와 같은 고유주기를 갖도록 조정되었다.

타워의 기초는 견고한 현장타설 격벽 파일구조로 시공되었다. 파일의 선단부는 지진이나 태풍 작용 시 기초판에 전달되는 대규모의 수평력을 지지하도록 되어있으며 이를 위해 실제 크기의 현장 실험이 이러한 하중에 견딜 수 있도록 수행되었다.

5. 결 론

이 기고문은 앞으로 일본에서 가장 높은 구조물이 될 독특한 구조물에 대해서 소개하였다. 이러한 진동 조절 시스템이 채용된 구조물은 지진에너지를 효과적으로 흡수하여 피해를 경감시키도록 한다. 일반적으로 복잡한 형상의 구조물의 거동분석은 컴퓨터 기술의 블랙박스에 의존하는 경향이 있지만, 설계단계에서는 구조시스템을 가급적 간단하게 하여 이해가 쉽게 하고 하중의 흐름을 명확하게 하는 것이 중요하다. 이러한 측면에서 구조설계자의 설계철학과 각 빌딩의 명확한 설계개념이 매우 중요하다. 필자의 생각으로는 컴퓨터 구조해석은 단순히 이러한 설계개념의 가용성을 검증하는 수단일 뿐이고 더욱이 설계하는 빌딩이 복잡하고 고층화 될수록 명확하고 합리적인 구조계획이 더욱 더 필수 불가결한 요소가 된다고 판단된다.

▣ 원문제목 : Trends In The Structural Design Of High-Rise Steel Structures in Japan