아름다운 구조이야기 1 - Citicorp Center

 

SELF-SACRIFICING

 

"You have a social obligation. In return for getting a license and being regaded with respect, you're supposed to be self-sacrificing and look beyond the interests of yourself and your client to society as a whole. And the most wonderful part of my story is that when I did it nothing bad happened."

 

여러분은 사회에 대한 책임이 있습니다. 자격증을 갖게 되고 존경을 받는 상황을 만들고 싶다면, 여러분은 희생을 각오해야 하고 자신과 고객의 이익보다 사회 전체에 대한 이익을 추구해야 합니다. 내 이야기의 핵심은 스스로 그렇게 했을 때 아무런 문제가 생기지 않는다는 것입니다. - 르 메죠(William J. Le Messurier)

 

위 글은 1995년 5월 29일자 THE NEW YORKER에 "THE FIFTY-NINE-STORY CRISIS"라는 제목으로 게재된 내용 중 일부입니다. 르 메죠가 수년간 하버드대학 학생들에게 구조기술사로서 자신의 실수를 고백하고 이를 수습하는 과정을 소개하면서 남긴 말입니다.

 

이 이야기는 1978년으로 거슬러 올라갑니다. 

 

 

Citicorp Center

 

르 메죠가 구조기술사로서 설계에 참여한 Citicorp Center는 1977년에 준공되었습니다.

Citicorp Center는 시티은행 본사로서 금융의 상징인 뉴욕 맨하탄에 지상 59층, 지하 3층으로 지어졌고, 지상에서 279m의 위용을 자랑하는 초고층으로서 당시에 세계에서 7번째로 높은 건물이었으며, 총공사비는 1억7500만 달러였습니다.

그러나 건물형상은 불안해 보이고 생소합니다. 이를 굳이 좋게 표현한다면 역동적이면서도 중력에 도전하는 현대기술의 정점이라고도 할만 합니다.

 

건물 부지 북서쪽 모서리에 1903년 부실하게 준공된 고딕형식의 노후한 성베드로 성당이 있었는데, 성당은 당시 위치 그대로 현대적으로 재건축하는 조건으로 시티은행 측에 인접대지에서 초고층건물 신축하는 것에 합의했고, 이 경우 시티은행 건물의 기초가 성당 부지를 침범하거나 성당 지반에 심각한 영향을 끼치게 되므로 위 사진과 같이 다소 불안해 보이지만 역으로 획기적이라 할만한 기발한 방법으로 기둥을 배치할 수 밖에 없었습니다.

 

땅 위에 지어지는 건물은 어떠한 형태로든 불가능한 것은 없습니다. 다만 구조기술사가 그만큼 더 고민하고 고생하면 가능합니다. 기존 건물형태과 다르다면 새로운 구조재료와 새로운 구조시스템이 필요한 경우가 많습니다. 그렇게 되면 당연히 공사비가 급격히 증가합니다. 이런 부담에도 추진될 수 있었던 이유 중에는 건축주가 세계적인 금융기업인 시티은행이었던 것이 크게 한 몫 했습니다.

 

Chevron Bracing & TMD

 

당시 이 프로젝트에 참여해달라고 주문받은 르 메죠는 이미 풍부한 경험과 능력을 인정받는 세계적인 구조기술사였습니다. 이 건물을 위해서 당시에 신기술이라 할 수 있는 V자형 Chevron 내풍가새(총 48개), 질량공조감쇠장치 TMD(373톤)를 구조시스템에 도입하여 요구되는 건물형상을 구조적으로 안전하게 해결할 수 있었습니다. 

 

[ 출처 : Citicorp Center_Presentation, faculty.arch.tamu.edu ]

Student's Question

 

문제는 준공후 1년 후인 1978년에 발견되었습니다.

건물에 구조적인 문제가 있었음을 알게 된 것은, 한 대학생의 질문에서 시작됩니다.

뉴저지 대학 학부생인 허틀리(Diane Hartley)라는 여학생이 당시에 관심과 찬사를 받던 이 새로운 형태의 건물을 학부 논문으로 다루고자 했습니다. 이 학생은 전화로 모서리에서 부는 바람에 대한 안정성에 대해 질문했고, 르 메죠의 사무실에서는 당시 기준에 적합하게 계획되었다고 답변했습니다. 당시 기준에서는 모서리 바람의 영향에 대한 내용이 없었습니다.

 

이 학생의 질문내용을 직원으로부터 전달받은 르 메죠는 호기심이 발동했습니다. 실무를 해보지 않아서 기준을 제대로 모르는 학생의 질문 수준이 낮다고 생각할 수도 있었겠지만, 르 메죠에게는 학생이기 때문에 가능한 참신한 질문이었고 어떤 전문가도 그다지 신경쓰지 않았던 주제였기에 역학적 호기심이 발동했습니다. 그리고 그는 그가 가르치는 MIT와 하버드 학생들에게 초고층 건물에서 내풍설계의 중요성을 인식시키기 좋은 사례라 생각하여 계산을 해보았습니다. 계산결과, 내풍가새 4개가 모서리 방향에 작용하는 엇몰아치는 바람에 의해서 예상변형보다 40% 더 증가되는 것이 확인되었습니다.

 

[ 출처 : Jonathan Hopkins & Shawn Johnson, faculty.arch.tamu.edu ]

 

이 정도 예상 변형량 초과는 구조부재의 여유 강성능력과 부가적인 TMD 감쇠능력 효과로 인해 어느정도는 안전측 범위로 흡수 가능했었던가 봅니다. 그러나 르 메죠는 혹시나 하는 마음으로 뉴욕사무소에 확인 전화를 했습니다. 르 메이어의 활동거점은 케임브리지 본사였고, 이 뉴욕사무소는 실제는 맨하탄 소재의 제임스 루더맨 구조사무소와 합자회사 형태로 운영하면서 이 건물 구조설계에 참여했었습니다.

 

Welded Joint or Bolt Joint

 

르 메죠는 뉴욕사무소 파트너로부터 자신에게 보고나 검토요청 없이 자기들 선에서 시공업체의 변경요구를 받아들여 시공된 내용이 있음을 전화통화로 알게 되었습니다. 당초 이 건물 내풍가새는 용접접합 방식으로 설계되었었는데, 시공업체(Bethleham Steel)에서 용접접합이 인건비가 많이 들고 지나치게 강하다고 주장하면서 실용적이고 안전성에도 뒤지지 않는 볼트접합 방식으로 변경을 요구했고 뉴욕사무소에서 이를 받아들였던 것입니다.

뉴욕사무소 파트너가 맨하탄 현장에서 벌어지는 변경에 대해 사사건건 켐브리지 본사의 승인을 받았다면 제때 준공할 수 없었고, 뉴욕사무소 파트너가 검토한 변경내용에도 기술적인 하자는 없었습니다. 다만 일반적인 형태였다면 그렇다는 것입니다. 그리고 당시 기준에 따른 설계에서는 그렇다는 것입니다. 그러나 거장 르 메죠가 보는 안목은 일반적인 건물을 다루는 일반적인 기술자들의 것과는 차원이 달랐습니다.

르 메이어는 이 변경 사실을 듣고 충격을 받았고 초조해졌습니다.

당시 기술자들은 초고층 건물에서 바람의 영향이 크게 지배한다는 것은 알았어도 건물의 흔들림을 제한하는 목적은 사용자의 불편을 해소하기 위한 사용성 확보 정도로 여기는 것이 일반적이었지만, 르 메죠에게 그 흔들림은 변형에 의한 특정부위의 응력집중 또는 공진효과로 진동이 증폭, 부재파괴, 전체 구조시스템의 붕괴에 이르는 붕괴메커니즘의 주요 원인이 될 수도 있는 무서운 것이었습니다.

 

이미 시공된 볼트접합 상태와 과거 풍동실험 데이터를 정밀하게 검토하고 재계산한 결과, 우려했던 상황은 더욱 확실해 졌습니다.

 

[ 출처 : Assessment Of Vibration Comfort Criteria For Tall Buildings, Eero Virtanen, AALTO UNIVERSITY ]

 

최상층에 설치된 TMD 작동효과를 고려하면 재현주기 55년의 폭풍에 안전하지만, 준능동형(Semi-Active)이기 때문에 태풍이나 화재로 전기가 공급되지 않는다면 즉, 제대로 작동되지 않는 상황이라면 고작 재현주기 16년의 폭풍에도 볼트접합부가 파괴될 수 있다는 끔찍한 결론에 도달하였습니다. 

 

His Choice

 

르 메죠는 이 사실을 누군가에게 밝힌다면 소송, 파산, 불명예가 따를 것을 알고 있었습니다.

이런 상황에 처한다면 누구라도 세가지 중 하나로 대응할 것입니다. 첫째는 진실을 숨기는 것이고, 둘째는 진실을 밝히면서 남의 탓으로 돌리는 것이며, 셋째는 진실을 밝히면서 스스로 책임지는 것입니다. 르 메죠는 세번째 길을 택했습니다.

그 자신도 격심한 스트레스로 자살충동을 느꼈다고 고백했지만, 자신만 알고 있는 이 진실을 묻어 버렸을 때에는 우려하는 그 붕괴가 발생할 가능성은 높았고 누군가는 죽을 수 있다는 단순하고도 명쾌한 사실을 직시하고, 그는 옳은 길을 택했습니다.

"나는 이 세상 누구도 모르는 비밀을 알고 있다. 오직 나만이 이 특별한 사건의 위험을 제거할 힘을 가지고 있다. 내가 이 위험을 해결하지 못할 실패의 확률은 아주 적다."

이후 미국 적십자사는 만약 이 건물이 붕괴되고 인근건물들에 연쇄영향이 발생했다면 최대 20만명이 사망했을 것으로 추산했습니다.

 

Respect

 

르 메죠가 시티은행 리스톤(Walter B. Wrestion) 회장과 리드 부사장에게 이 건물의 문제점과 해결 보강방법을 설명했을 때, 리드부사장은 그의 용기에 경의를 표했고, 리스톤회장은 유쾌하고 여유있게 전폭적인 지원을 약속했습니다.

시티코프는 부사장 두 명을 보수공사 책임자로 임명했고, 세계무역센터 구조설계를 담당한 구조기술사인 레슬리 로버트슨(Leslie Robertson)이 자신의 기술과 비상대책 회의공간으로 자신의 사무실을 르 메죠에게 제공하여 돕기로 하였고, 코호 철구회사 시공담당자 두 명이 디테일한 보강공법회의에 참석하여 즉각적인 용접보강공사에 참여하기로 하였고, TMD를 제작한 미니아폴리스 MTS 시스템사는 공사기간 동안 완전한 성능 유지 및 검사를 위해 기술자 한명을 파견하였고, 롱아일랜드 브룩해븐 국립연구소 기상예보관 두 명이 하루에 네번씩 풍향과 풍속을 알려 주었고, 미국 적십자사는 태풍 발생시 뉴욕시 및 뉴욕경찰과 협조하여 인근지역 주민대피 계획을 세웠고 1200명 이상의 봉사자를 위해 임시대피소와 음식을 제공하기로 약속했습니다.

 

뉴욕시 건설국 직원과 고급 공무원들 앞에서 르 메죠는 사실의 전모를 브리핑했습니다. 대각선방향으로 바람이 불 때 이 건물에 미치는 영향과 그 위험을 미리 예측하지 못한 자신의 불찰, 그리고 이를 해결하기 위한 보강공법을 한 시간 이상 설명했습니다. 보강계획에서 한가지 걸림돌은 당시 뉴욕시에는 자격시험에 합격한 실력있는 용접기술자가 부족한 것이었는데, 건설국 직원이 보수공사에 적합한 용접기술자들을 선발해서 현장에 투입되도록 하겠다는 약속을 했고 실제로 이 약속은 지켜졌습니다. 뉴욕시 공무원들은 회의를 떠나면서 르 메죠의 용기와 솔직함에 대해 경의를 표했고, 보수작업시 필요한 조치가 있으면 연락해 달라고 했습니다.

 

Result

 

내풍가새에 대한 용접보강은 야간작업을 감행하여 일주일 내내 진행되었고, 모든 보강공사는 완료되었습니다.

보강공사 중에 가장 심각한 변수는 태풍이었습니다. 허리케인 엘라가 뉴욕으로 다가오고 있었고 당초 계획대로 뉴욕시민 대피경보를 발령하기 직전에 태풍은 극적으로 방향을 틀어 동쪽으로 휘어져 대서양으로 빠져나갔습니다. 

이 보강공사로 Citicorp Center는 재현주기 700년의 태풍에도 견딜 수 있게 되었습니다.

 

시티코프는 르 메죠에게 소송을 걸지 않았고 보강공사비의 대부분을 자기부담으로 처리했습니다.

리스톤회장과 시티코프 경영진, 뉴욕시 건설국 공무원, 이 조치에 참여한 모든 기술자들의 협력이 낳은 훌륭한 결과였습니다.  무엇보다 가장 큰 공은 르 메죠에게 돌아갔습니다. 자신의 명성이 낮아지긴 커녕 오히려 더 큰 평판을 얻게 되었습니다.

 

르 메죠를 도왔던 또다른 거장인 구조기술사 로버트슨은 르 메죠를 이렇게 평했습니다.

"나는 그가 매우 솔직했기 때문에 그를 존경합니다. 우리는 그와 같은 상황에서 모든 기술자들이 그와 같이 행동했을 거라고 말은 하지만, 나는 그렇게 생각하진 않습니다."

 

William J. Le Messurier

 

르 메죠는 1926년 6월 12일 미시간주 폰티악에서 태어났고, 2007년 6월 14일 낙상사고 후 받은 수술 합병증으로 81세에 별세하였습니다.

 

[ 사진출처 : https://robbievanleeuwen.github.io ]

르 메죠의 일화는 우리나라에서는 생소한 반면에 미국에서는 뉴스, 신문, 잡지, 다큐 등에서 아직도 많이 소개되고 있고, 웹이나 유튜브 등 온라인 매체에서도 수없이 재생산되고 있으며, 미국과학재단(NSF)이 지원하는 연구윤리교육자료 중 도덕적 모범사례로 채택되어 교과서 등에서 소개되고 있습니다.

 

자칫 대참사로 이어질 뻔한 것을 막을 수 있었던 것은,

첫째, 학생의 질문을 수준 낮다는 편견을 갖지 않고 참신하게 바라볼 줄 아는 르메죠의 선량한 안목 때문이었고,

둘째, 잘못을 발견했을 때 자신의 명성보다 시민의 안전을 더 중하게 여긴 르메죠의 기술자적 양심과 용기 때문이었으며,

셋째, 잘못을 솔직하게 고백한 기술자를 탓하지 않고 그의 대책을 격려하고 지원해 준 수많은 사람들의 협조 덕분이었습니다.

 

르 메죠가 미국인들로부터 존경받는 이유는 그가 멋지고 대단한 구조를 설계해서가 아니라, 자기명성의 추락을 무릅쓴 솔직함과 용기 때문입니다. 르 메죠는 미국 구조기술사 뿐만아니라 모든 기술자들의 상징이 되었고, 그래서 미국에서는 기술자 전체가 르 메죠와 동격으로 존경받는 대상이 되었습니다. 돈 많은 부자나라여서 그들의 대가가 높은 것이 아니라, 자신들이 기술자들을 존경하는 마음과 기술자들은 배신하지 않는다는 신뢰의 정당한 보상으로 높은 대가를 당연하게 여기는 사회풍토가 조성된 것입니다. 상당히 많은 미국시민들도 구조기술사가 어떻게 일하는지는 몰라도 어떤 사람들인지는 알게 되었습니다.

 

[ 영상출처 : William LeMessurier-The Fifty-Nine-Story Crisis: A Lesson in Professional Behavior, YouTube, https://youtu.be/um-7IlAdAtg]

 

풍진동 현상의 이해 - 바람은 점성이 거의 없는 non-visco 성질로서 크기(풍속)과 방향(풍향) 예측이 곤란한 난류성분의 특징을 가짐 - 바람의 공기력 aerodynamic force가 구조물 거동에 영향을 주는 것을 공탄성현상 aeroelastic phenomenon이라 함 - 풍진동의 종류에는 와류진동 vortex, 제한진동 buffeting, 발산진동 flutter 등 세가지가 있음 - vortex : 원인 - 건물 후면과 측면에 생성되는 주기적 와류로 발생              조건 - 감쇠능력과 질량이 작은 구조물에서 발생가능              풍속 - 낮은 풍속에서 발생 빈도수가 높음              진폭 - 와류방출 진동수가 건물의 고유주기와 일치하면 공진현상이 발생하지만 한정된 진폭을 가짐              세부적인 종류 - 후류에 의한 Karman와류, 전면연단에서 박리된 바람에 의한 측면 와류              진동거동 - 풍직각방향 - buffeting : 원인 - 상호 인접된 건물들에서 앞 구조물에서 교란된 기류가 그대로 뒷 구조물에 작용해 불규칙 강제진동 유발                 조건 - 모든 종류의 구조물                 풍속 - 난류강도가 큰 기류가 예상되는 특수한 경우외에는 무시할 수준임                 진폭 - 단면이 평평할수록 거동응답이 커지며 이를 gust response라고 함                 진동거동 - 풍방향 - flutter : 원인 - 공기력이 건물의 고유주기모드와 연계되어 빠른 주기운동을 유발함              조건 : 질량, 강성, 감쇠능력이 작은 건물이 취약함              풍속 : 한계풍속(flutter발생풍속) 이상인 경우에 발생              진폭 - 풍속 증가에 따라 구조물 응답이 급격히 커지는 자발적인 발산형 self-starting 진동현상임              세부적인 종류 - 휨flutter(갤로핑), 비틀림flutter(플러터), 휨·비틀림flutter(합성 플러터)              붕괴사례 - 1940년 Tacoma Bridge가 미풍에도 비틀림flutter현상을 보이며 붕괴됨

 

와류진동의 이해 - 풍하중은 바람방향 외에도 구조물 형상에 따라 다양한 방향으로 작용함 - 6분력 : 바람이 물체에 작용하는 힘은 6개 방향으로 분해하여 이해할 수 있음                - 자체 무게가 큰 토목구조물과 건축구조물인 경우에는 양력과 요잉을 무시하고 2차원으로 단순화시킬 수 있음   단, 경량이거나 지붕면이 넓은 경우에는 모두 고려함 - 풍속이 증가하면 와류는 양측면에 비대칭적으로 발생할 가능성이 높고 이때 풍직각방향으로 진동이 증가함 - 푼직각방향 진동수는 풍방향진동수의 대략 0.5배임

 

풍진동에 대한 구조물의 대책 - 정적거동과 동적거동에 대한 내풍대책으로 구분함 - 정적거동 내풍대책 : 목적 - 풍하중을 저감시키는 것                              방법 - 1. 단면상 수풍면적을 감소시킴                                       2. 공기력 마찰계수가 적은 마감재료를 채택 - 동적거동 내풍대책 : 목적 - 풍진동을 저감시키는 것                              방법 - 1. 구조역학적 방법 (질량, 강성, 감쇠능력 증가)                                          ① 질량증가 : 와류진동 진폭감소 및 갤로핑 발생 소요풍속 증가효과                                                            단, 고정하중 증가시 고유진동수가 감소하여 역효과 발생가능을 우려할 것                                          ② 강성증가 : 건물 고유진동수를 증가시켜 와류진동 및 플러터 발생 소요풍속 증가효과                                                            단, 구조시스템 및 공간여건상 강성을 증가시키는 것에 한계가 있음                                          ③ 감쇠증가 : 와류진동과 버펫팅 진폭을 감소시키고 플러터 발생 소요풍속 증가효과                                                            가장 확실한 효과가 기대됨 (TMD, TLD, 각종 DAMPER)                                       2. 공기역학적 방법 (구조단면을 변화시켜 기류변화를 유도)                                          ① 기류박리 억제장치 설치 (fairing, spoiler)                                          ② 박리된 기류 교란장치 설치 (fluffer, shroud)                                          ③ 양면 압력차 감소장치 설치 (air gap)

 

풍동실험의 이해 1.개요 바람은 난류성분으로 그 하중작용의 정확한 예측은 불가능하나 구조물이 중저층에 정형이면서 주변환경에 특이사항이 없다면 가스트영향계수 등의 보정계수를 적용하여 풍하중 산정이 가능함. 단, 구조물이 고층 또는 비정형이거나 주변환경이 특이하면 계산에 의한 풍하중이 실제와 크게 다를 수 있으므로 풍동실험이 요구됨 2. 풍동실험의 대상 (KDS 41 10 15, 5.1.3 특별풍하중 적용대상)    (1) 풍진동 영향을 고려해야 하는 경우       ① 고유진동수가 1Hz 이하인 유연한 구조물로서,       ② 형상비가 큰 구조물 (원형평면인 경우는 H/d≥7, 원형평면이 아닌 경우는 H/√(BD)≥3 또는 H/√(Af)≥3)    (2) 공기력 불안정 진동을 고려해야 하는 경우       ① 특수한 지붕골조       ② 경량 외장재       ③ 장스팬 저강성 부재    (3) 골바람 효과가 발생하는 건설지점    (4) 인접효과가 우려되는 구조물    (5) 기타 특이한 형상의 구조물 3. 풍동실험의 종류    (1) 풍력실험        - 목적 : 풍력(풍하중)에 의한 변위 및 가속도에 대한 응답평가        - 방법 : 로드셀 위에 모형을 설치하여 측정        - 실험체 : 실제 구조물보다 고유주파수가 큰 강성체 모형을 사용    (2) 풍압실험        - 목적 : 외장재 설계용 실험        - 방법 : 풍압에 가장 불리한 조건을 실제 크기와 형상으로 제작하여 Mock-up Test        - 실험체 : 실물모형에 피토관을 설치하여 압력계에서 측정    (3) 공진력실험        - 목적 : 부가적인 공기력 예측        - 방법 : 풍력 및 풍압실험과 달리 분석을 거치지 않고 거동특성을 확인        - 실험체 : 진동특성을 반영한 탄성체 모형    (4) 풍환경실험        - 목적 : 건설지 주변환경에 대한 기류특성과 기류변화를 확인        - 방법 : 기류흐름을 육안으로 확인할 수 있는 연기 또는 재료를 섞어 방출        - 실험체 : 구조물과 주변 구조물, 자연환경 등을 축소한 형상모형 4. 실무고려사항 (KDS 41 10 15, 5.15 풍동실험)     - 바람의 특성과 구조물, 주변구조물, 지형조건은 현지조건에 적합하도록 재현할 것     - 풍동내 구조물 모형들의 단면 패쇄율은 풍동실험단면의 8% 미만이어야 함     - 풍동내 압력분포는 일정할 것     - 레이놀즈수에 의한 영향은 최소화해야 함       (레이놀즈수 : 관성에 의한 힘과 점성에 의한 힘의 비)     - 풍동 측정기기 응답특성은 요구하는 조건을 충족할 것      - 풍동실험결과로 평가한 주골조용수평풍하중의 전체 주하중은 산정한 값의 80% 이상일 것       (전체 주하중 : 유연구조물은 전도모멘트, 기타 건축물은 밑면전단력)     - 풍동실험결과로 평가한 외장래설계용 풍압은 벽은 ④영역, 지붕은 ①영역에 대해 산정한 풍압의 80% 이상일 것     - 재현한 상세 주변모형에서 대상구조물에 특별한 영향을 미칠 구조물이나 장애물이 없으면 위 80% 제한은 무시함

 

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 이 글은 코어건축구조기술사사무소의 도움으로 작성되었습니다.

 

이 글에 인용된 자료 :  「THE FIFTY-NINE-STORY CRISIS」, by Joe Morgenstern, The New Yorker, May 29, 1995

                              「59층 건물의 위기일발」, 전봉수 건축구조기술사 번역, 대한건축학회 회지 「건축」, 1996년 3월

                              「William Le Messurier, 81, Structural Engineer, Dies」, by Anthony Ramirez, The New York Times, June 21, 2007

                              「Blown Away: Revisiting a Famous Engineering Case」, by Dat Duthinh, NIST, July 23, 2019

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