[진화하는 초고층 빌딩] 초고층 빌딩에는 '비밀의 추'가 있다는데…

옥상 밑에 진동제어장치
빌딩 전체 중량의 1% 무게
건물 진동때 반대로 이동
움직임 상쇄시키는 역할

한때 세계 최고는 미국 뉴욕의 엠파이어스테이트빌딩이었다. 1931년 102층(381m)으로 지어져 40여년간 세계에서 가장 높은 건물이라는 수식어가 따라붙었다. 당시 초고층 건물은 안정성 위주로 설계된 데다 중량도 무거워 강풍에 따른 진동에 덜 민감했다.

지금은 사정이 달라졌다. 건축설계 기술과 고강도 재료 등의 등장으로 초고층 건물의 전체 무게가 가벼워지고 외관이 날씬해지면서 강풍에 따른 진동에 예민하게 반응하게 됐다. 지난 7월 테크노마트에서 벌어진 대피소동도 결국은 건물의 진동 때문인 것으로 나타났다.

◆초고층 건물에는 추(錘)가 있다

건물 최상층의 진동가속도가 일정한 크기 이상이 되면 건물 사용자가 진동을 느끼기 시작한다. 진동가속도 크기가 커지면 어지러움 메스꺼움 등을 느끼게 된다. 이에 따라 건물 최상층의 진동가속도를 허용가속도 수준 이하로 유지하기 위한 설계가 초고층 빌딩에 반영되고 있다.

수평진동을 억제하는 진동제어장치(진동을 줄여주는 설비)로 부가감쇠장치가 있다. 이 중 하나가 TMD(Tuned Mass Damper · 동조질량감쇠기)다. TMD는 건물 상부에 건물 전체 중량의 1% 내외인 추를 설치해 건물이 진동할 때 진동 반대 방향으로 움직이게 함으로써 건물 진동을 상쇄시키는 역할을 한다.

호주 시드니의 센터포인트타워에 적용된 이후 미국 뉴욕의 시티코프센터,보스턴의 존 핸콕 타워,대만의 타이베이101 등을 지을 때 설치됐다. 국내에서는 강원도 양양국제공항 관제탑에 처음 적용했다. 인천국제공항 관제탑에는 TMD의 일종인 HMD(Hybrid Mass Damper)를 넣어 초속 25m의 풍속에서도 관제사들이 흔들림을 느낄 수 없도록 사용성을 극대화했다.

공기 흐름을 조절하는 공기역할로도 수평진동을 제어할 수 있다. 건물의 횡단 면적 모양을 변형하거나 수직 방향으로 횡단면적이나 크기에 변화를 주면 건물의 진동을 감소시킬 수 있다는 얘기다. 초고층 건물에 미치는 바람의 영향을 줄이기 위한 방법으로 수직 방향으로 횡단면적을 변화시키거나,상층부 면적이나 건물 높이 방향의 모서리를 감소시키는 방법도 있다. 중국 상하이의 진마오타워,말레이시아 쿠알라룸푸르의 페트로나스타워에 적용됐다.

◆공기 역학도 건축설계에 활용

진동가속도를 허용가속도 이하로 유지하기 위해 전 세계적으로 사용되는 기준은 일본의 건축물 진동에 대한 거주 성능지침,캐나다 및 호주 기준,유로 코드 등 6가지가 있다.

캐나다 기준에 따르면 거주자가 진동을 알 수 있는 빈도를 10년에 1회로 규정하고 있다. 국내에는 아직 강풍에 대한 사용성 기준이 마련돼 있지 않다.

수평진동을 제어하는 동시에 쾌적하면서도 친환경적인 초고층 건물을 설계하려는 시도도 다양하다. 윤성원 서울과학기술대 건축학부 교수는 "강풍으로 인한 수직진동을 제어하기 위해 구조시스템,공기역학적 방법,제진장치 등이 함께 활용된다"고 말했다.

튜브시스템은 효율적인 건축구조시스템을 적용한 예다. 튜브시스템은 20세기 후반까지 초고층 건물 구조시스템의 대명사였다. 좁은 간격의 외부기둥과 춤이 큰 스팬드럴을 사용한 튜브시스템은 횡하중 지지시스템으로 사용돼 왔다. 이 시스템은 미국 시카고의 윌리스타워와 존핸콕센터에 사용됐다.

김진수 기자 true@hankyung.com