아름다운 구조이야기 4 - Fazlur Khan의 원셸플라자

[One Shell Plaza., 휴스턴, 1971년 준공, 50층(218m), 사진출처 : Google Earth]

 

원셸플라자의 특징

 

1. 이중튜브구조(튜브인튜브)

2. 경량콘크리트 사용

 

 

Tube-in-Tube System
튜브 속의 튜브, 이중튜브구조

 

이중튜브구조(튜브인튜브)는 평면에서 외곽 기둥들로 이루어진 프레임튜브와 내부 코어를 형성하는 전단벽으로 이루어진 벽체튜브가 이중으로 구성됩니다.

프레임튜브구조가 갖는 단점은 2가지가 있습니다. 하나는 평면에서 외곽기둥들 중 모서리기둥에 응력이 집중되는 전단지연효과, 둘째는 입면에서 바람이나 지진 등의 수평하중이 작용할 때 전단변형 거동을 가지므로 상층부의 층간변형보다 저층부의 층간변형이 상당히 커진다는 것입니다. 이러한 단점은 중저층의 건물규모에서는 그다지 문제가 되지 않지만, 고층건물 이상에서는 건물이 높아질수록 상당한 부담이 됩니다. 이러한 부담을 줄여주는 방법은 이중튜브구조(튜브인튜브), 대각가새튜브구조, 묶음튜브구조 등이 있고 요구되는 높이와 형상에 따라 역학적으로 효과적이고 경제적인 구조방식을 채택합니다. 이중 이중튜브구조는 기본적인 프레임튜브구조에 내부 코어를 전단벽의 벽체튜브를 추가하는 것으로서 수평하중 방향에 직각방향으로 외부 프레임을 형성하는 기둥들에 작용하는 축방향 응력분포에서 전단벽의 연장선에 위치하는 기둥들의 전단지연효과에 의한 축방향 응력을 높임으로서 모서리 기둥에 집중되는 응력을 분담시키는 효과를 발생시켜 전체 기둥들에서의 응력 최대치를 효과적으로 낮추어 줍니다. 또한 입면상에서의 거동에서도 골조-전단벽 상호작용을 발휘하여 골조만의 전단변형 거동을 수직방향 캔틸레버와 같은 전단벽이 휨변형 거동으로 상쇄시킴으로서 저층부의 과도한 층간변형량을 상당히 감소시켜 줍니다.

파즐루 칸(Fazlur Rahman Khan)은 구조계획 설명회에서 이미 이중튜브구조로 설계된 1963년 준공된 DeWitt-Chestnut Apartments와 1965년 준공된 Brunswick Building에서 실제 증명된 효과를 소개함으로서 공사비와 공간활용도가 높은 이중튜브구조(튜브인튜브)를 One Shell Plaza에도 적용하도록 승인 받았습니다.

One Shell Plaza가 앞선 사례의 DeWitt-Chestnut Apartments 및 Brunswick Building과 다른 조건은 구조재료로 강재가 아닌 콘크리트를 사용해야 한다는 것이었습니다. 허리케인이 잦은 휴스턴의 지역조건 때문에 높은 강도와 강성을 갖는 구조부재가 필요했고, 당시 이 지역은 뉴욕이나 시카고와는 달리 고층건물이 많지 않아서 이를 시공에 참여할 수 있는 고급경력의 시공기술자가 많지 않고 중저층건물이 대부분이어서 건설재료 수급 인프라도 철근콘크리트 재료에 치중되어 있었기 때문에 강구조보다 철근콘크리트구조가 공사비 측면에서 상당히 경제적이었습니다. 고층건물을 철근콘크리트구조로 하는 경우에 장점은 경제성 외에도 기둥과 슬레브를 일체로 타설하게 되어 골조-전단벽 상호작용이 보다 이상적으로 발휘될 수 있다는 것이고, 단점은 고정하중이 크게 증가하며 저층부에서 요구되는 기둥 크기가 커지고 코어와 외부기둥 사이의 스팬에도 한계가 있다는 것입니다. One Shell Plaza에서는 이러한 단점을 해소하기 위해서 철근콘크리트구조에 사용하는 콘크리트를 보통콘크리트(비중 2.3)가 아닌 경량콘크리트(비중 1.7)로 사용하여 전체 구조물의 자중을 줄였고, 저층부 기둥들 중 축하중을 많이 받는 일부 기둥의 깊이를 0.6m에서 1.2m까지 변화를 주어 건물 외측으로 돌출시킴으로서 외장 미적인 측면에서 익숙하진 않지만 주목성을 높였으며, 각층 슬래브는 와플형으로 계획하여 슬래브 부재자중을 감소시켜 넉넉한 스팬을 확보하였습니다.

 

[ 그림출처 : http://khan.princeton.edu ]

 

 

High-Strength Lightweight Concrete
고정관념을 바꾼 노력

 

고정관념은 합리적이고 타당한 실험과 경험 등의 증명에 의해 당연한 사실로서 여겨지게 되는 경우도 있지만, 때로는 편견과 오해들이 끊어내기 힘든 사슬처럼 얽혀져서 당연한 사실로서 잘못 여겨지는 경우도 있습니다. 어떤 연유로 형성된 관념이던지 간에 일단 고정관념이 되면 너무나 확고해서 이를 바꾸는 것은 쉽지 않습니다. 쉽지 않을 뿐만 아니라, 당연하다고 여기는 것에 대해서 그 이유를 밝히고 올바른 사실로 바로 잡으려고 시도했을 때, 쓸데 없는 짓을 하는 바보라고 놀림 대상이 되거나, 혼란을 야기하는 불순분자로서 혐오 대상이 되거나, 제거 대상이 되기도 합니다. 인류역사에서 수많은 선각자들이, 과학역사에서도 수많은 혁신적인 과학자들이 이러한 수모를 겪었습니다.

칸은 One Shell Plaza의 구조설계에서 여러가지 문제점을 해결하기 위해서 구조부재를 고강도경량콘크리트로 사용하고자 했습니다. 현재 건설산업계에서도 주요구조부재의 재료로 경량콘크리트를 사용함에 있어서는 주저함과 신중함이 많습니다. One Shell Plaza가 계획되고 설계되던 1960년대 중반에는 보통콘크리트의 사용강도도 21~28MPa을 넘는 경우가 거의 없었는데, 고층건물에 요구되는 고강도콘크리트를 경량콘크리트로 실현시킨다는 것은 터무니 없는 것으로 여겨졌습니다.

One Shell Plaza에서 요구되는 콘크리트 강도는 와플슬래브 등 각층 바닥구조부재에서는 32MPa, 기타 모든 구조부재에서는 42MPa였습니다. 구조부재의 자중을 줄일 수만 있다면 구조부재 자체의 크기도 줄일 수 있고, 최종적으로 기초설계에서도 많이 유리해지겠지요.

콘크리트는 재료보다 과정에서 강도가 결정됩니다. 재료측면에서 레미콘사는 목표강도 위해 재료를 배합설계하여 출하하지만, 과정측면에서 현장도착시까지 레미콘 이동시간, 타설시 진동다짐, 타설후 양생 등등 시공자의 재료관리 및 시공능력 뿐만 아니라, 타설 및 양생시의 기온 및 우천 등의 자연환경도 강도발현에 크게 영향을 줍니다. 각각의 단계에서 시공자의 결정과 행동이 콘크리트 강도에 결정적인 영향을 줍니다. 이러한 콘크리트를 당시 시공사례가 많지 않은 고강도보통콘크리트로 하는 것도 어려운데, 이것을 고강도경량콘크리트로 하는 것은 전문적인 시공자들로서도 전혀 상식적이지도 않고 불가능한 것으로 여겨져서 많은 저항이 있었습니다.

경량콘크리트는 골조나 모래를 경량재료를 사용하는 것입니다. 그 장점은 자중이 작아 물량을 줄일 수 있고, 높은 초기강도 발현이 가능하여 조기 거푸집 철거가 가능하여 공기를 단축시킬 수 있으며, 단열과 내화성능이 비교적 높습니다. 반면에 단점은 보통콘크리트보다 탄성계수가 낮아 변형, 처짐 등 강성과 관련된 내용에서 다소 불리하고, 수급량이 많지 않아서 비쌉니다. 탄성계수와 관련하여 현행 KDS기준으로 살펴보면, 보통콘크리트로 설계압축강도가 42MPa일 경우에 E_c=30500Mpa(=8500³√(42+4.2))이고, 경량콘크리트로 단위질량이 1,700kg/m³에 설계압축강도가 42MPa일 경우에 E_c=19366Mpa(=0.077×1700^1.5׳√(42+4.2))이며, 경량콘크리트가 보통콘크리트 대비 63% 수준입니다. 이는 단면형상을 조정하여 단면2차모멘트 등 단면성능을 높이면 해결할 수 있습니다. 보통콘크리트로 폭 400㎜에 깊이 500㎜의 기둥단면으로 균열을 고려하지 않는 단면2차모멘트(I)는 41.6×10⁸㎜⁴, E_cI=1.268×10¹⁴N·㎜²이고, 경량콘크리트로 폭 400㎜에 깊이 600㎜의 기둥단면으로 조정한다면 단면2차모멘트(I)는 72×10⁸㎜⁴, E_cI=1.394×10¹⁴N·㎜²이므로, 물량은 20%증가하지만, 부재중량은 11.5% 감소하고, 강성효과는 9.9% 증가하는 효과가 생깁니다. 여기에 보나 슬래브와 같은 수평구조부재에서는 자중감소로 인한 물량이 절약되는 효과가 더 추가되므로 경제성 측면에서도 불리하지 않습니다.

당시 업계에서는 경량콘크리트가 보통콘크리트보다 상당히 약해서 구조재료로는 적합하지 않다는 것이 상식처럼 여겼고, 특히 기둥과 전단벽, MAT기초에는 금기로 여겼으며, 그 사례로 댈러스타워를 들었습니다. 이 건물의 경량콘크리트에서 표면박리현상이 발견되었고, 많은 전문가들도 경량콘크리트가 약하기 때문에 이러한 현상이 발생했다고 단정했습니다. 칸은 이러한 고정관념에 대해서 포틀랜드시멘트협회 및 PCA 기술자들과 사실원인을 규명하고자 노력하였고, 직접 댈러스를 방문하였으며, 결국 경량콘크리트 구조부재 자체의 문제가 아니라 비구조요소인 벽돌마감이 경량콘크리트보다 태양열에 의한 팽창이 더 크게 일어난다는 것과 이 벽돌벽체에 신축줄눈이 없이 시공되었기 때문에 표면마감이 휘면서 구조체에 인장응력을 유발하여 균열과 표면박리가 발생된 것임을 밝혔습니다.

이후 ACI위원회는 구조용 경량콘크리트가 승인된 시공재료에 관한 심포지엄에서 칸의 프로젝트에 관한 논문 2건을 발표하였습니다.  끝.