구조 설계
634m를 지원하는 기술
634m의 거대한 탑을,
어떻게 안전하게 지지하고 있는가.
도쿄 스카이트리는 최첨단 기술과 일본의 지혜가 융합된 세계 유일의 건축물입니다.
그 압도적인 높이와 안전성을 실현한 구조 설계의 핵심적인 특징들을 알기 쉽게 소개해 드립니다.
도쿄 스카이트리 의 구조 설계에 대해 부분별로 소개
STRUCTURAL
DESIGN?
미지의 영역을 개척하기 위한
리서치부터 시작
도쿄 스카이트리의 높이는 약 634m입니다.
건설지가 스미다구 오시아게 지구로 결정된 2006년 당시, 일본에서 가장 높은 건축물은 1958년에 완공된 도쿄 타워(설계: 닛켄셋케이)로 약 333m였습니다.
약 50년의 세월을 거쳐 단숨에 두 배 가까운, 전례 없는 높이에 도전하게 된 것이기에 이는 최첨단 기술을 구사한 '미지의 영역에 대한 도전'이라 할 수 있습니다. 그 안전성을 확보하기 위해, 우선은 그 미지 영역에 대한 철저한 리서치부터 시작했습니다.
600m 상공의 바람을 알다
600m 상공에는 어떤 바람이 불고 있는지 조사하기 위해, 라디오존데라는 기상 관측 기구를 띄워 고층에서의 풍속 분포와 바람의 난류를 조사했습니다. 또한, 일반적인 지반 조사에 더해 평소에는 실시하지 않는 조사 방법(미동 어레이 조사)으로 지하 3km 정도까지의 깊은 지층 구조를 조사함으로써, 지진 발생 시 이 장소가 어떻게 흔들리는지 더욱 정확하게 시뮬레이션하고 있습니다.
이러한 치밀한 조사를 통해 다양한 설계상의 고안과 검증을 거쳐, 일반적인 초고층 건축물의 설계에서는 상정하지 않는 지진이나 폭풍에 대해서도 안전성을 확인하고 있습니다.
거대한 나무처럼
지반과 연결되는 방식
건물은 높아질수록 지진이나 강풍 시의 흔들림으로 인해 기초 부분에 큰 '인발력(뽑아내는 힘)'과 '압축력(밀어넣는 힘)'이 가해집니다.이 타워처럼 가늘고 긴 경우에는 특히 큰 힘이 가해집니다.지반 설계에서 이 난제를 해결할 필요가 있었습니다.
마치'스파이크 슈즈의 밑창' 같은 벽 말뚝
그래서 기초 말뚝을 마디가 있는 벽 형태로 만들어 마찰 저항을 키움으로써 이에 대응하고 있습니다. 이 마디는 말하자면 '스파이크 슈즈의 밑창'과 같은 것입니다. 또한, 이 벽 말뚝을 연속시키고 방사형으로 땅속에 배치하여 '나무뿌리'처럼 지반과 일체화하는 것을 의도하고 있습니다.
또한, 지상에 보이는 타워의 철골은 그대로 지하의 말뚝에 연속적으로 연결되어 힘을 직접적으로 전달하고 있습니다. 이를 반대로 말하면, 「대지에서 자라난 거대한 나무처럼 서 있다」고도 할 수 있을 것입니다.
연결해 하나로 만드는
철골 구조의 설계 기법
타워를 지탱하는 고강도 강재의 비밀
부재로는 ‘고강도 강관’이라는, 일반적인 철골보다 약 2배 강한 철을 사용하고 있습니다. 타워 하부의 강관은 직경 2.3m, 두께 10cm에 달하는 거대한 규모입니다.
타워 구조는 ‘트러스 구조’로, 주재·수평재·사재로 이루어진 각 부재를 삼각형 형태로 접합해 만든 골조 구조입니다. 각 부재의 접합은 ‘분기 이음’이라 불리는 방식으로, 강관끼리를 플레이트 등을 사용하지 않고 직접 용접해 연결합니다. 이는 외관이 단순할 뿐만 아니라 방청 성능 면에서도 장점이 있습니다.
철골조 타워 구조의 개요
| 카나에 트러스 | 4개의 기둥과 수평재·브레이스재로 구성된 조합 기둥. 삼각형 평면 형태의 각 꼭짓점 위치에 배치되어 있습니다. 수평 하중에 저항하는 주요 구조체입니다. |
|---|---|
| 수평 연결 트러스 | 중앙 타워—링 트러스를 2개 층마다(25m) 연결하는 기둥. 수평력(면내)의 전달 부재이자, 정(鼎) 트러스·외주 기둥의 좌굴 보강재로 기능합니다. |
| 링 트러스 | 각 층마다(12.5m) 배치되는 수평재. 외주 기둥의 좌굴 보강재로 기능합니다. |
건물의 흔들림을 억제하는 새로운 구조
심주 제진 시스템
지진이나 강풍 시의 흔들림에 대해 어떻게 하면 보다 안심·안전한 건물을 만들 수 있을지 다양한 시도를 한 결과, 중앙부에 설치된 철근콘크리트 구조의 원통(=심주)과 외주부의 철골 구조 타워를 구조적으로 분리하고, 중앙부 심주의 상부를 ‘추’로 기능하게 한 새로운 제진 시스템을 사용하고 있습니다.
원리는 ‘질량 부가 메커니즘’이라는 현대의 제진 기술을 응용한 것으로, 대지진 시 약 40% 정도의 응답 전단력을 저감할 수 있습니다. 한편 일본의 전통적인 탑인 ‘오중탑*’은 지금까지 지진으로 인한 붕괴 사례가 없으며, 그 비밀은 역시 건물 중앙의 기둥인 심주에 있다고 추정됩니다.
이러한 옛사람의 지혜에 깊은 경의를 표하며, 오중탑에 빗대어 ‘심주 제진’이라고 이름 붙였습니다.
- ‘오중탑’은 일본 고유의 목조 건축물입니다. 태풍이나 화재로 인한 붕괴 사례는 있지만, 지진으로 인한 붕괴 기록은 남아 있지 않아 내진성이 뛰어난 건물로 알려져 있습니다. 높은 내진성의 이유에는 여러 설이 있지만, 중앙부에 세운 기둥인 ‘심주’가 큰 역할을 하고 있는 것으로 여겨집니다.
질량 부가 메커니즘
지진 시 등 건축물 본체와 타이밍이 어긋나게 진동하는 부가 질량(=추)을 추가함으로써, 본체와 추의 흔들림을 상쇄하여 건축물 전체의 흔들림을 억제하는 제진 시스템입니다. 부가 질량으로는 일반적으로 강괴나 콘크리트 덩어리가 사용되지만, 질량이 큰 설비 기기나 축열조 등을 질량으로 활용하는 사례도 있습니다. 이번과 같이 심주=계단실을 부가 질량으로 사용한 사례는 세계 최초입니다.
도쿄 스카이트리의 심주
도쿄 스카이트리에서는 중앙부에 세워진 원통형 구조물(철근콘크리트 구조, 내부는 비상계단)을 의미합니다. 오중탑에 관한 옛사람의 지혜에 깊은 경의를 표하며, ‘심주’라고 명명했습니다.
콘텐츠 제공
주식회사 닛켄 설계
「도쿄 스카이트리 설계 프로젝트」
도쿄 스카이트리의 설계에 참여한 닛켄설계가 제공하는 스페셜 콘텐츠입니다. 실제로 사용된 구조 기술과 프로젝트에 참여한 설계자들의 이야기 등, 구조 설계의 관점에서 도쿄 스카이트리를 살펴볼 수 있는 콘텐츠를 보실 수 있습니다.
