두바이에 있는 초고층 빌딩 ‘부르즈 할리파’는 높이가 828m에 이른다.
과연 건물은 어디까지 높아질 수 있을까?

 

건물을 비약적으로 높여 준 ‘철’과 ‘엘리베이터’
 
역사적으로 건물의 높이는 그때까지의 높이 한계를 돌파하는 사건을 통해 한꺼번에 높아졌다고 할 수 있다.
  
건축물의 고층화에서 큰 사건의 하나가 ‘철(강재)’의 사용이다. 그 상징적인 건축물이 프랑스 파리에 있는 ‘에펠탑’이다(아래의 사진).   

 

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1889년에 세워진 이 철탑의 높이는 건설 당시 312m였다(현재는 324m). 그때까지 세계에서 가장 높은 건축물은 돌로 된 ‘워싱턴 기념비’(높이 169m, 미국)였기 때문에 최고 기록을 2배 가까이 경신한 셈이었다.
  
고층화에 관한 또 하나의 사건은 ‘전동식 엘리베이터’의 발명이다. 건물을 주거용이나 사무실로 사용하는 경우, 계단을 통해 이동한다면 5층 건물(높이 20~30m) 정도로 하는 것이 현실적이다.
  
그런데 19세기 말에 전동식 엘리베이터가 개발되고 건축 기술이 발전하자 수십 층의 고층 빌딩이 활발하게 지어졌다. 그리고 1931년에는 102층 높이의 엠파이어 스테이트 빌딩(미국)이 지어졌다(아래의 사진).

 

02-Empire_State_Building_from_the_Top_of_the_Rock.jpg


“300m급 이상의 빌딩은 지진보다 바람에 대한 대책이 중요”
 
고층 빌딩을 지을 때 고려해야 할 사항은 한두 가지가 아니다.
  
예컨대 지진이 많은 지역에서는, 고층 빌딩을 지을 때 가장 고려해야 할 사항이 지진의 진동이라고 생각할 것이다.
  
그러나 높이 300m 정도 이상부터는 지진의 진동보다는 바람의 압력에 의한 진동을 중시해 건물 구조와 요동 대책을 생각해야 한다.
  
건물은 각각 흔들리기 쉬운 주기(1왕복하는 데 걸리는 시간)를 가지고 있다(고유 주기). 고유 주기는 건물이 높아질수록 길어진다. 즉 높은 빌딩일수록 서서히 흔들린다.
  
고층 빌딩의 경우, 건물 높이(m)의 0.02~0.03배가 거의 고유 주기(초)이다. 높이 100m인 빌딩이라면 고유 주기는 약 2~3초이다.
  
지진의 진동 주기는 많은 경우 0.5~2초 정도이다. 지진의 진동 주기와 건물의 고유 주기가 차이 날수록 그 건물은 지진이 일어났을 때 잘 흔들리지 않는다.
  
높이가 300~400m인 초고층 빌딩의 고유 주기는 기본적으로 6초를 넘는다. 즉, 초고층 빌딩은 일반적으로 지진으로는 잘 흔들리지 않는다.
  
한편 빌딩이 높아질수록 바람을 받는 면적이 늘어나는 데다 높은 곳일수록 풍속이 강해진다. 즉, 건물 전체가 받는 풍압이 커진다. 도시에서는 지상 100m 부근의 풍속은 지상 10m 부근 풍속의 3배 정도이다.
  
그렇기 때문에 건물을 수평 방향으로 흔드는 힘을 계산하면, 300m를 넘는 초고층 빌딩에서는 지진보다 바람의 영향이 강해진다 (아래의 그림 참조).  

03-89_첨단기술_72-77-3_건물_진동_수정.jpg

 

“빌딩 높이의 한계는 1.6km?”
 
그러면 현재의 건축 기술로 과연 몇 m 높이의 고층 빌딩을 지을 수 있을까?
  
견해의 차이는 있을 수 있겠지만. 현재의 철과 콘크리트를 사용해 보통 모양의 고층 빌딩을 만들면 높이 1마일, 즉 1600m 정도가 한계라고 한다. [일본 도쿄 공업대학 다케우치 도루(竹內 徹) 교수의 견해]

 

04-89_첨단기술_72-77-5_건물_높이_비교_2.jpg

 

 위의 그림은 1600m의 초고층 빌딩(오른쪽)과, 현존하는 초고층 건축물을 비교한 것이다. 그림 왼쪽의 60층 정도(200m정도)의 빌딩과 비교하면 압도적인 높이임을 알 수 있다(도쿄의 스카이 트리는 빌딩은 아니지만, 높이 비교를 위해 넣었다).
  
기술적으로는 1600m보다 더 높은 빌딩을 만들 수 있지만 그 경우에는 건물의 무게를 떠받치기 위해 바닥이 크게 퍼진 산 모양 구조가 되어야 한다.
  
높이 8848m의 에베레스트 산이 존재하기 때문에, 극단적으로 말해서 바닥을 넓히면 9000m를 넘는 빌딩도 실현할 수 있겠지만, 그것을 빌딩이라고 부르기는 어렵다.
  
 

“기술적인 면 이외에 경제적인 문제도 중요”
 
1600m급 빌딩을 지으려면 현실적으로는 건축 재료나 구조 외에도 여러 가지 문제가 생긴다.
  
현실적으로 가장 큰 문제의 하나는 경제적인 면이다. 거대한 빌딩을 지탱하기 위해 저층에는 고강도의 콘크리트나 강재가 필요하다.
  
고층에 사용하는 재료는 가능한 한 가벼운 재료가 요구되며, 외벽재는 상공의 풍압을 견디도록 튼튼해야 한다. 이런 고성능 재료를 사용하면 재료비가 높아진다.
  
또 완성 후에 적어도 300층 이상 되는 각 층이 사무실이나 호텔로 모두 활용되어 투자액을 회수할 수 있을지도 검토해야 한다.
  
위층으로 가기 위해서는 초고속 엘리베이터가 많이 필요하다. 그런데 엘리베이터의 대수를 많게 하면 이번에는 거주 공간이 좁아지는 딜레마가 생긴다.
  
그 밖에도 유리창 청소나 물을 위로 올리는 일, 배수, 에어 컨디셔닝, 재난시의 피난 경로, 벼락에 대한 대책 등 건물이 높아짐에 따라 해결해야 할 문제가 크게 많아진다.
  
인류 사상 가장 높은 빌딩을 만든다는 계획은 멋져 보이지만, 건물로서의 현실적인 편리를 생각하면 그다지 합리적이라고는 할 수 없다.
  
고층 건축물의 높이 한계를 현실적으로 결정하는 것은 건축 재료나 구조 등의 문제라기보다는 이러한 편리함의 문제일 수도 있다.   

05-89_첨단기술_72-77-1_건물_높이_비교_수정.jpg

 

위의 그림은 세계에서 가장 높은 빌딩(스카이트리 제외)의 역대 챔피언들이다. 1931년 이후 세계에서 가장 높은 빌딩을 나타냈다(가장 왼쪽이 엠파이어 스테이트 빌딩, 가장 오른쪽이 부르즈 할리파).

 

각 건축물 위에 표시된 수치는 지상으로부터의 높이이다.
괄호 안의 수치는 빌딩의 구조와는 관계없는 안테나류를 포함한 경우의 높이이다.

 

<출처 : 21세기의 첨단기술 35 / 월간과학잡지 Newton>

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