세계 무역 센터 (월드 트레이드 센터, world trade center) 붕괴 사고 - 골조 튜브, 구조 시스템, 열화, 연쇄 붕괴, 지반의 리바운드 및 국내 초고층 빌딩 설계 시사점 제시

본문내용

시점에 기둥과 연결된 접합부가 파괴되며 바닥을 지지하고 있는 트러스와 철근콘크리트 슬래브가 바로 아래층에 떨어지면서 충격하중으로 작용하게 된다.
수직하중 및 수평하중을 지지하고 있던 기둥도 항공기 폭발에 의해 열화된다. Tower 2의 경우 항공기가 충돌한 부분의 기둥 및 트러스 거더의 열화가 심하여 사진에서와 같이 상부층이 한쪽으로 기울어져서 무너졌다.
CNN에 의하면 나중에 충돌한 Tower 2가 45분만에 붕괴되어 Tower 1의 1시간 45분보다 1시간이나 빨리 붕괴되었다. 이것은 폭발의 크기, 건물 평면 및 입면 위치, 그리고 부재의 내력에 기인한다고 할 수 있다. 외견상 Tower 2가 폭발의 정도가 컸다. Tower 1은 연기가 지속적으로 발생되었지만 Tower 2의 경우 붉은색 화염이 지속적으로 관찰되었다. 평면 위치를 살펴 보면 Tower 1은 중앙부에 위치하였지만 Tower 2는 한쪽으로 치우쳐서 항공기가 충돌되었다. 따라서 Tower 2의 경우는 한쪽면의 기둥들이 상대적으로 빠르게 폭발에 의해 열화되었다고 할 수 있다.
수직적 위치를 살펴보면 Tower 1의 경우 건물 높이의 4/5, Tower 2의 경우 건물 높이의 3/5 위치로 열화되는 기둥의 입장에서 보면 Tower 2의 기둥이 더 많은 수직하중을 부담하여야 했다.
부재의 내력면에서는 건물의 높이에 따른 위치에 관계없이 각 수직부재는 거의 일정한 정도의 내력의 여유를 가지도록 설계된다. 세계무역센터의 경우 이에 대한 상세한 정보가 없는 상태에서는 내력의 여유에 대한 영향은 평가하기 어렵다.
연쇄붕괴
충돌된 층의 트러스 거더 및 슬래브들이 손상되어 아래층으로 떨어지게 되면 연속적으로 Pancake 붕괴가 발생하게 된다. 이것은 내부기둥과 외부기둥을 연결하는 거더가 전단에만 견딜 수 있도록 설계되었기 때문이다. 즉 상부의 20개층 또는 40층에 해당하는 하중이 해당층의 하중에 부가되어 작용하므로 연속적으로 붕괴가 진행하게 된다.
내부의 거더 및 슬래브가 하부층으로 붕괴되어 내려가면 해당층에 있던 외부의 기둥은 안쪽으로 기울게 된다. 붕괴된 세계무역센터의 남아 있는 외부기둥을 보면 안쪽으로 기울어져 있음을 알 수 있다.
지반의 리바운드 : 지반의 힘의 균형 상실
110층 건물이 건설될 때 하부 기초는 9in 침하되었다고 한다. 따라서 기초를 누르던 건물이 붕괴되어 없어지게 되면 지반은 융기하게 된다. 건물의 실제 중량은 1,000,000톤 정도로 예상되는데 상당부분이 비산먼지 등으로 사라지고 잔해로 남아 있는 중량은 상당히 줄어들 것이다. 따라서 지반 융기는 상당히 가능성 있는 거동이 될 것이며, 이러한 지반의 융기로 주변건물의 기초지반의 변형을 초래하게 된다.
Twin Tower에 인접한 47층 사무소 건물도 파괴되었다고 한다. 이 건물의 구조시스템에 대한 정보가 없는 상태에서 그 원인을 예상하는 것은 무리가 있지만, 건물의 붕괴될 경우와 기초가 튀어오르면서 발생되는 진동은 고베지진에서 건물의 주요붕괴원인이 되었던 수직방향의 진동을 유발시키게 될 것이다. 110층 건물의 붕괴되면서 발생시키는 에너지는 지구상에서 발생된 그 어떤 지진보다도 작지는 않을 것이다.
8. 국내의 초고층구조시스템 현황
일본 고베지진에서와 같이 기둥, 벽과 같은 수직부재와 보, 슬래브 등의 수평부재가 강접합되어 있으면 중간층의 붕괴가 발생하더라도 해당층들만 붕괴되고 그상부 및 하부층들은 건전하였다. 고베지진은 상하부방향의 지진력이 크게 발생된 지진이다. 건물에 대한 방향성을 보면 세계무역센터와 유사하다고 하겠다. 고베의 건물은 바닥에서 상하부로 진동시켰지만 세계무역센터는 중간층에서 자체적으로 열화되어 붕괴된 차이가 있을 뿐이다. 그럼에도 불구하고 고베의 20층 내외의 건물들은 중간층 붕괴에 머물렀지만 세계무역센터는 완전붕괴되었다. 세계무역센터(철골환산물량 = 180kg/m2)는 초고층 건물의 새로운 장을 연 골조튜브를 적용한 건설기술의 결정체이었다. 전세계에 건설된 50층 이상의 건물들에서 가장 많이 적용되는 기술인 튜브구조를 가장 이상적으로 적용한 건물이었다. 건물에 사용된 물량도 동일 지역에서 재료적 차이에 의해 비교되고 있는 엠파이어 스테이트 빌딩(철근콘크리트조 ; 철골환산물량 = 200kg/m2)보다 훨씬 경제적이었다.
이러한 기술적 우수성에도 불구하고 항공기 충돌에 건물이 완전 붕괴되었다는 것은 검토할 필요가 있다고 하겠다. 항공기 충돌에서 안전하도록 건물을 설계한다는 것은 경제적 논리에서는 현실성이 없다. 그러나 인간존중의 차원에서는 건설물량을 크게 추가하지 않고도 해결할 수 있는 대안이 도출되어야 할 것이다. 국내에도 세계무역센터에는 미치지 못하지만 63빌딩을 비롯하여 최근에 초고층 주거시설들이 활발하게 건설되고 있다. 그 동안의 국내의 건물 설계에 있어서 기둥과 보의 접합은 일본의 경향을 따라서 강접합을 많이 사용하여 왔다. 지진의 위험성이 크지 않은 국내의 현실에서 지나치다고 느낄 정도로 강접합에 대한 구조 및 시공 기술자들의 선호는 일반화된 사실이었다. 따라서 강접합 구조물은 항공기와 같은 과대한 하중이 작용하더라도 완전붕괴가 될 가능성은 낮다고 할 수 있다.
그러나 최근에 외국과의 교류가 활발해지고 국내의 건축기술이 국제적 수준으로 향상되면서 외국에서 많이 사용되고 있는 핀접합에 대한 적용이 적극적으로 검토 및 적용되고 있다. 특히 대만 및 터어키 지진에서 철근콘크리트조 건물이 상당수 파괴된 이후 철골조가 철근콘크리트조보다 우수하다는 억지논리가 언론에 오른 적도 있다. 또한 이번 세계무역센터 붕괴와 관련하여 철근콘크리트조인 엠파이어 스테이트 빌딩은 수송기 충돌시에 안전했었다고 억지 비교를 하는 분이 있다고 한다. 건물의 안전은 사용한 재료에 영향받지 않는다. 어떠한 재료를 사용하던간에 건물에 작용하는 하중을 정확히 평가하고 이러한 하중하에서 적정한 건물의 안전성 및 사용성을 만족하면 그 건물은 안전한 건물이라고 할 수 있다. 단지 그 안전의 기준을 정하는 척도를 어떻게 정하느냐가 중요하다고 할 수 있다. 국내의 초고층 건물 설계에 있어서도 이러한 점을 반영하는 노력이 기울여져야 할 때이다.

키워드

초고층,   빌딩,   골조,   튜브,   철골,   무역센터,   열화,   붕괴