Tech Trend - 초고층 기술동향과 롯데월드타워 적용 기술
TECH TREND는 기술을 선도하는 혁신기업으로부터 듣는 최신 기술동향입니다.
이주호 기술연구원장 롯데건설(주) joo7777@lottenc.com
들어가는 말
초고층 건물은 일반 건물에 비해서 많은 비용과 초정밀 기술이 적용되는 만큼 건물의 높이가 그 나라의 기술력과 경제력을 상징한다는 점에서 중동 및 아시아 지역을 중심으로 다수 건설되고 있다.
또한 초고층 기술력에서 롯데월드타워, 버즈칼리파, 타이페이101 등을 시공한 우리나라의 기술력이 글로벌 기술 수준에 비해 결코 뒤처지지 않으며, 오히려 중국과 함께 초고층 기술을 선도하고 있다.
최근까지 글로벌 및 국내 경기 침체로 초고층 프로젝트 시장은 상당히 위축되어 있었으나, 삼성동 한전 부지의 초고층 프로젝트 계획소식 등이 들리면서 초고층 기술이 재조명 받고 있다.
이에 본고에서는 국내 최고층 건물인 롯데월드타워의 간략한 구조계획과 타워에 적용된 초고층 요소기술 중 시공성 및 품질, 안전 확보와 관련된 다섯 가지 요소기술을 소개하고자 한다.
프로젝트 및 구조 개요
롯데월드타워(연면적 330,000㎡)는 서울시 신천동에 공사 중인 제2롯데월드 신축공사(연면적 810,998㎡)의 고층부에 해당한다.
지상123층, 지하6층 규모로 판매시설, 업무시설, 호텔, 오피스텔 및 전망대 등으로 구성되어 있다.
최고 높이는 555m로 현재 공사 진행 중인 국내 최고층 건물이며, 2015년 2월 98층 코어 벽체 타설을 통해 400m를 돌파하였고 3월 중 100층 시공을 예상하고 있다. 프로젝트 개요 및 조감도는 표 1 과 같다.
초고층 요소기술
기둥축소(Column Shortening) 보정 시공
기둥과 벽체 등의 수직 구조부재는 작용하중 및 시간의 경과에 따른 재료특성에 따라 시공 이후 점차 축소되는 현상을 보이며, 중량이 큰 초고층 건물일수록 탄성/비탄성 축소량이 증가한다.
이러한 기둥축소 현상은 커튼월, 수직배관, 엘리베이터 레일 등의 기능장애를 유발하고 구조설계 시 고려되지 않은 부가응력을 발생시킴으로서 균열 등을 야기시킨다.
따라서 기둥축소량을 예측하여 골조 공사 시 보정하는 기술이 필수적으로 적용된다.
롯데월드타워의 경우 MIDAS를 통한 3차원 시뮬레이션 수행 및 400여 개의 계측기를 설치하였으며, 예측 대비 결과를 분석하여 보정 방안 및 위치를 도출하고 있다.
코어 벽체와 메가 기둥간의 부등축소량은 ACS Form 상승량 조정, Embeded plate 매립 위치 조정, Gusset Plate 용접 위치 조정 등을 통해 보정하고 있다.
아웃리거의 경우 부등축소에 의한 부가응력이 발생하므로 Delay Joint를 적용하여 부가응력 발생을 최소화하였다.
이와 같은 시공 중 보정을 위한 노력은 초고층 건물의 공사 시 품질관리와 정밀 시공에 크게 기여할 것으로 판단된다.
빌딩 구조 건전도 감시(Structural Health Monitoring)
최근 50층 이상의 건물에는 SHM 적용이 의무화 되어 초고층 건물에서 그 중요도가 점차 증대 되고 있다.
롯데월드타워에 적용한 SHM 기술은 총 671개의 계측기를 설치하여 첨단 계측기술, 정보기술, 나노기술 및 통신기술을 융합한 유비쿼터스 기반으로 실시간 건물의 외부 하중 및 변형을 모니터링하여, 건물과 사용자의 안전을 객관적으로 평가/보증함과 동시에 건물 Life Cycle Cost를 최소화할 수 있도록 유지 관리하는 웹(Web) 기반의 지능형 통합시스템이다.
LANTERN 부재 검토
롯데월드타워의 LANTERN 부재는 107층(435.4m)부터 타워 최상부까지 약 120m 높이로 시공되는 구조물이다. LANTERN부재는 설치 높이를 감안할 때 양중 성능을 고려하여 분할 제작 및 조립을 공사계획에 반영하여야 한다.
특히 LNATERN 부재는 후판 대형강관의 Diagrid 형상이며, Free-Formed Design에 따른 접합부 제작 방법 및 상세가 복잡하게 구성되어 있어 공장제작 및 현장시공 중 발생할 수 있는 제작성 및 용접성에 대해 사전 검증이 필요하다.
또한 최상층부에 설치됨에 따라 풍하중에 의한 영향이 지속적으로 작용한다.
이러한 검증을 위해 1:1 Scale Mock-Up 및 용접 성능 테스트, 강관 부재 내진성능 평가를 수행할 계획이다.
따라서 실제 시공 시 발생할 수 있는 문제점에 대해 선제적 대책방안을 마련하여 공기지연요소를 사전에 제거하는 데 목적이 있다.
초대형 MAT 기초 공사
롯데월드타워의 기초는 72m×72m×6.5m 크기로 축구장의 80% 면적이며, 최대 Ø51 초대구경 철근과 수화열 제어를 위해 50MPa 초저발열 친환경 콘크리트를 사용하였다.
MAT 기초 콘크리트 타설 전 실물 모형실험(Mock-up test) 수행을 통해 시공성 및 수화열 특성 등을 사전에 분석하여 최적 양생 방안을 도출하였으며, 이를 통해 중심부와 내외부 온도차를 관리하였다.
설계시방기준은 중심부 71℃ 이하, 내외부 온도차 25℃ 이하이나 자체 시방기준은 중심부 60℃ 이하, 내외부 온도차 25℃ 이하로 엄격한 기준을 설정하였다.
실제 중심부 최고 온도 59℃, 내외부 온도차 19℃로 자체 시방기준에 적합하였다.
고성능 콘크리트 설계 및 다이렉트 펌핑(Direct Pumping) 압송기술
롯데월드타워에는 국내 최초, 최대 규모의 80MPa 초고강도 콘크리트가 지상 높은 곳에서도 사용될 수 있도록 최적 배합설계를 통해 압송성능을 비롯한 제반 시공성을 극대화하였다.
특히 초고강도 콘크리트는 일반 콘크리트에 비해 3배 높은 강도를 발현하고 3시간 내화성능까지 확보한 핵심기술이라고 할 수 있다.
또한 550m 상공까지 콘크리트 다이렉트 펌핑 기술은 콘크리트의 배합과 초고압 콘크리트 압송 장비, 최적의 압송배관 시스템 등을 통해 실현되며, 최근 150MPa 콘크리트의 다이렉트 펌핑에 대해 연구를 진행하고 있고, Mock-Up을 수행할 예정이다.
맺음말
초고층 건물은 완공 후 랜드마크적인 성격을 강하게 띰으로서 해당 지역의 구심적인 역할을 수행하게 된다.
또한 초고층 건물 요소기술에 대한 기술자의 부단한 개발과 시뮬레이션 및 최종 현장 적용에 이르기까지 수많은 시행착오를 겪으면서 하나의 요소기술이 탄생하게 된다.
롯데월드타워에는 앞서 언급한 요소기술 외에 설계, 시공, 재료, 구조 분야에서 다양한 요소기술들이 적용되었으며, 이러한 기술들을 바탕으로 예상치 못한 Risk 관리를 위해 완공 시까지 지속적인 모니터링을 수행할 것이며, 안전사고 없이 완공될 수 있도록 최선을 다할 것이다.
더불어 롯데월드타워는 국내 최초의 100층 이상 초고층 타워로서의 상징성뿐 아니라 서울시민과 외국인이 즐길 수 있는 관광명소가 될 것이다.