Petronas Twin Tower 페트로나스 트윈 타워 구조설계

페트로나스 타워는 한국에서도 유명한 건축물입니다. 재미있는 사실은 한 개의 건물은 한국이 다른 한개의 건물은 일본이 설계를 했으며 가장 어려운 기술력을 필요로 한 브릿지는 한국이 지었는데. 이때 한국과 일본의 시공에서 서로 일찍 끝내기 위해서 엄청난 기술과 노력을 했다는 것입니다. 한국과 일본의 경쟁을 통해서 이익을 본 것인데요. 일본이 먼저 짓고 있던 시공단계를 한국이 먼저 시공을 마무리 했다는 것인데요. 새로운 기술과 다양한 공법이 사용된 페트로나스 트윈 타워의 구조에 대해서 알아보겠습니다.

건물개요

• 소재지 : 말레시아 kuala lumpur
• 발주처 : kuala lumpur city center berhad
• 설계자 : cesar pelli and associates inc.
• 시공자 : SAMSUNG-KUKDONG 건설의 컨소시엄 / Hazama 건설
• 공사기간 : 1992.03.14~1998.09.16 (27개월)
• 건립자 : 말레이시아 페트로나스사 및 콸라룸푸르 시티센터
• 규모 : 지하 6층 , 지상 88층 (88층 4개층이 하나의 층을 이루는 중층 구조로 실제 높이로는 92층입니다.)

 

 

• 건물 총 높이 : 451.9
• 연면적 : 395,000m2
• 구조 : 철골 철근콘크리트 조  + 철근콘크리트 조
• 외부 마감 : Unit Panel System (ALUMINIUM & STAINLESS STEEL CURTAIN WALL)

• 타워의 디자인은 말레이시아의 기후와 이슬람 문화의 독특한 특징을 반영하였습니다.
• 대칭적이며 상징적인 평면을 가집니다.
• 콘크리트와 철골구조와 더불어 이슬람의 예술을 모티브로 디자인된 유리 파사드로 이루어졌습니다.
• 말레이시아가 2020년에 선진국에 합류한다는 Vsion 2020 계획을 상징하는 건물입니다.
  
  

 

 

최근에 새로 짓고 있는 어마어마한 높이의 마천루 빌딩들이 세계에 많이 있습니다. 하지만 아직까지 완공이 되지 않은 건물들이기 때문에 그런 부분을 제외하고 현재 지어진 세계의 마천루는 아랍에밀레이트 두바이에 있는 부르즈 할리파가 1위의 자리를 지키고 있습니다. 

2010년에 완공되어 829.84미터의 높이를 자랑하고 있으며 2위에는 2014년 완공된 중국상하이의 상하이 타워가 632미터입니다. 그뒤로는 601미터의 아브라즈 알바이트 (사우디아라비아 메카)이고 자랑스러운 한국의 롯데월드타워가 555미터로 4위를 차지하고 있습니다. 2016년에 지어진 서울의 롯데타워는 블로그 앞에 글에서 구조에 대해서 살펴보았으니, 필요하신 분들께서는 찾아보시면 될것 같습니다.

페트로나스 트윈타워는 총 대지면적의 40%를 건축부지로 사용하고, 나머지 60%를 공원 및 도로 등 공공시설으로 계획했습니다. 건축부지를 21개 필지로 분할하여 토지분양 공동개발 방식을 채택하는 방향을 설정하고 건물과 함께 인프라도 보완을 했습니다. 또한 주변 도로를 확장하고 지하차도를 신설하였으며 도시고가 고속도로와의 연결을 하여 교통 인프라를 높이고 경전철 역사를 건립하였습니다.

 

 

주요구조

• 기둥 R.C(철근 콘크리트 구조), 보 Steel, 슬라브는 데크 콘크리트를 사용하여 타설하였습니다. 
• 기초의 강도는 600MPa, steel의 강도는 Fy = 3.5t/cm2 사용하였습니다.
• 수평하중에 대한 저항은 코어의 콘크리트 전단벽, 원형방향부의 외부 16개의 콘크리트 기둥과 Ring Beam으로 구성되어 있는 46.2m의 원통형인 튜브로 시공하였습니다.

- Foundation

1. 지반조사 : 88층 타워의 설계에 들어가기 전 지반 상태를 알아보기 위해 440개의 보링테스트를 실시했습니다. 그 결과 암반의 금격한 경사로 인해 타워 위치를 남동쪽으로 60미터 이동하여 지반으로부터 80~180미터에 이르는 깊이로 경사를 이루는 협곡형태의 기반암층 위에 시공하였습니다.
2. 말뚝기초 타설 : 기초바닥 슬래브에서 40~150미터에 이르는 길이로 1.2m x 2.8m의 장방형 마찰말뚝 (현장타설) 104개를 굴착했습니다.
3. 그라우팅 : 지반조사결과 석회암층에 공극이 다수 존재하는 것으로 확인되어 말뚝공사 실시 전에 석회암의 공극을 메우기 위하여 광범위한 그라우팅을 실시합니다.
4. 매트기초 타설 : 상부하중을 지지하기 위한 4.5미터 두께의 매트기초를 44시간에 걸쳐 연속적으로 타설했습니다.

 

- Core

•  아웃리거 : 페트로나스 타워는 컴팩트한 코어로 바람이나 기타 외력으로부터 생기는 비틀림에 저항하는데 필요한 횡력과 강성의 반만을 담당하도록 설계되. 나머지 필요한 힘은  코어월과 아웃리거(코어에서 주변부까지 연결된 강성보)를 포함한 외주부를 둘러싼 콘크리트 보과 기둥에 의해 충당. 철골 캔틸레버들은 별모양의 돌출부를 형성 위해 외주부 바깥으로 뻗음. 돌출부는 시각적인 제한없이 외부 풍경 시야 제공하였습니다.
• Tube in tune : 페트로나스의 코어는 중심부에 속이 빈 벽으로 둘러싼 사각형을 둠으로써 구조체입니다. 페트로나스 타워의 오피스면적의 평균 효율 76%~ 77%을 자랑합니다.

• Floor Framing으로써 Structural Steel Beam은 Shear stud와 Metal Deck와 함께 합성 슬래브를 이루고, steel beam들은 먼저 시공된 코어벽체와 기둥에 매설된 plate에 shear Lag를 용접하고 Beam과는 볼트로 연결합니다.
• 초고층빌딩에서 자중에 의하여 발생하는 벽체와 기둥의 부동축소현상은 각 벽체의 전체 축소량이나 부동축소량을 산출하여 과다한 축소량과 부동 축소량을 방지하기 위하여 보정하였습니다.

 

 

• 지하에서 9층까지는 3.5mm, 10층에서 39층까지는 3.0mm, 40층 이상은 2.0mm씩 실제보다 높게 타설하였습니다.
• 벽체와 외부기둥 사이의 부동축소화를 최소화하기 위해서 실제 기둥에서의 바닥 슬래브보다 높게 시공하였습니다.
• 60, 73, 82층에서 Set Back되고 84층 상부에서 철골기둥과 Ring Beam을 이용하여 급격한 경사를 처리하였습니다.

• 이슬람식 평면은 정사각형을 돌려 8각형을 만들고 그 안에서 원을 채워넣은 기하학적 형상은 이슬람 문양에서 빌려 왔습니다.
• 조화와 안정 그리고 이상을 상징하는 원형을 조화시켜 평면을 구성하고 건물 내부는 현지에서 생산되는 목재, 석재 등의 내장재를 사용함으로써 말레이시아  건축개념으로 하였습니다.
• 60층, 72층, 82층, 88층에서 set back시켜 (bustle)외관상 변화를 주었습니다. (상층으로 갈수록 점점 줄어들게끔 하여 하중의 부담을 줄여 나갔습니다.)
• 둥글고 각진 모양을 교대로하여 캔틸레버로 형성된 돌출부는 토러스로 짜여진 보에서 건물 외부쪽으로 공간 사용을 가능하도록 하였습니다.

구조적 특징

위치별 재로로는 말레이시아의 특징인 아열대 지방에 속해 있어 콘크리트 양생에 적합한 기후라는 장점을 가지고 있기 때문에 고강도 콘크리트가 주재료로 사용되었습니다. 콘크리트의 강도는 800MPa에 이릅니다. 기둥은 R.C구조, 보는 Steel, 슬라브는 데크 위에 콘크리트를 타설하였습니다.

기초의 형식 : 기초는 파일위에 4.5m 두께의 매트기초로 하였으며 기초의 강도는 600Mpa입니다. 횡력과 강성은 초고층 건물에는 필수적으로 필요한 것이다. 작은 건물은 중앙의 코어가 중추역할로 이용되지만 패트로나스타워의 컴팩트한 코어는 건물전체에 미치는 바람이나 기타 외력으로부터 생기는 비틀림에 저항하는데 필요한 횡력과 강성의 반만을 담당하도록 설계되었습니다. RC CORE WALL : 거의 정사각형 형상을 이루고 있는 RC CORE WALL은 전단벽의 역할을 하며, 상층으로 진행되면서 벽두께가 750mm에서 350mm로 두께가 감소하고 코아의 크기도 줄어듭니다.

그림과 같이 처음 정사각형의 형태로 코어가 형성이 되지만 상층부에서는 계단실만 남게됩니다. 코어의 벽이 결국 횡력을 지지하는 큰 역할을 하기 때문에 가장 먼저 시공이 되고 가장 중요한 작업이었습니다.

 

 

 

아웃리거시스템은 코어가 주된 횡력과 비틀림을 지지하지만 나머지 필요한 힘은 아웃리거를 포함한 외주부를 둘러싼 콘크리트 보와 기둥에 의해 충당됩니다. 외곽 기둥과 Ring BEAM은 건물 외곽에 16개의 기둥과 이를 연결하는 16개의 ring beam으로 구성된 RC프레임으로 튜브 구조로 형성됩니다. ( 아웃리거 시스템 : 코어에서 주변부까지 연결된 강성보)

건물의 형태가 위쪽으로 가면서 줄어드는 형태이고 하중이 줄어들기 떄문에 기둥의 크기가 줄어들게 됩니다. 

• Bridge : 브릿지는 압축력과 인장력이 모두 작용. 보는 브릿지를 잡고 있기 때문에 인장력이 작용하고, 건물과 브릿지를 동시에 잡고 있기때문에 그에 대한 반력으로 압축력이 작용합니다. 또한 브릿지는 빌딩을 더욱 안정적으로 만드는 역할을 합니다. 지상에서 조립후 리프트업공법을 이용했고, Complex system of hinges, espansion, joint, spherical bearings을 사용하여 지진이나 과한 풍하중등의 이유 로 두 건물이 따로 움직이거나 twist해도 브릿지는 잘 정착해 있을 것입니다.  구조적인 역할 이외에도 한쪽 건물의 화재 시 피난의 역할을 수행 할 수 있습니다.

여담으로는 한국 기업에서 연결한 브릿지는 아주 어려운 기술이기 때문에 다른 외국에서도 선뜻 하려고 했던 사람이 없었다고 합니다. 하지만 한국의 엄청난 기술력과 시공력으로 안전하고 구조적인 브릿지를 실제로 만들어 다른 나라에게 우리의 기술력을 보여주었습니다. 브릿지 하부구조와 장착 디테일은 엄청 어려운 구조 계산이었기 떄문에 디테일을 한번 살펴 볼 필요가 있습니다.

 

 

 

힘이 실리는 부위의 다이어그램을 확인해보시면 bending moment diaram - load digram - shear diagram의 부위에 하중이 들어가고 있는것을 볼 수 있습니다. 브릿지에 엄청난 하중이 들어가기 떄문에 두 건물 사이에서 끊기지 않는 브릿지는 그만큼 어려운 작업이었던 것입니다.

 

시공방법

골조 시공 : 당시 거푸집을 인양하는 방식은 주로 크레인이 담당했다. 페트로나스 타워의 경우 셀프 클라이밍 폼을 사용하였는데 타워크레인 없이 각각 10 마력의 용량을 가진 11대의 펌프를 이용해 자체적으로 거푸집을 올리는 시스템입니다. 지금은 보편화된 공법이지만 초고층빌딩에 사용한것은 페트로나스 타워가 처음이었습니다.  결국 셀프 클라이밍 폼을 이용하여 공정 단축이 가능했습니다. 시공 순서는 코어부 - 외곽 기둥 - steel beam - 슬라브 순서로 진행되었습니다.

 골조시공에 있어 중요했던 부분은 콘크리트를 400m가 넘는 위치까지 이동시키는 작업이었습니다. 높이 때문에 결국 콘크리트를 펌핑하는 방법을 선택했다. 펌핑시 문제가 발생할 경우 공기지연으로 이어질수 있었기때문에 펌프카오 파이프의 선택이 중요했습니다. 서로 다른 시공사에서 공사를 진행했기때문에 펌핑 방식에도 조금의 차이가 있습니다.

브릿지 시공방법은 lift - up 공법을 사용하였습니다. 지상층에서 조립한 브릿지를 리프트를 이용하여 끌어올려 정착시킨것으로 높은 상공에서 제작을 하고 연결하는것은 구조적인 부부이나 위험에 있어서 힘들기 때문에 사용한 방법입니다.

pinncale : 73.5 스테인리스 스틸청탑은 안테나 기둥, 첨탑 위의 볼 장식, 공 모양의 장식으로 구성되었습니다. 건물이 다 지어진 후 약 한달동안 조립되었고 일부를 지상에서 조립하여 리프트를 이용하여 올려 타워로 정착시켰습니다.