과학영재교육원

초고층 건축의 바람이 중동을 넘어 아시아로 불고 있다. 최고의 바벨탑을 쌓으려는 인간의 야망이 끝없이 이어지는 가운데 지난 2008년 완공된 UAE 두바이 소재의 버즈칼리파(Burj Khalifa)의 828m 높이를 뛰어넘으려는 시도가 계속되고 있다.   
초고층 건물에는 고강도 콘크리트가 쓰인다. ⓒ 삼성건설
올해 4월부터 사우디아라비아의 제다에는 높이 1000m가 넘는 현대판 바벨탑 ‘킹덤타워(Kingdom Tower)’ 건설이 시작되고 있다. 지난달 4일 중동의 부국 두바이가 “세계 최고층 트윈타워를 건설한다”고 밝혔다. 이 건물은 600만㎡ 면적의 세계에서 가장 높은 쌍둥이 빌딩이 될 것으로 알려졌다.  
또 이보다 앞서 중국 호남성의 장사시(長沙市)는 버즈칼리파 보다 10m가 높은 838m 건물을 이미 착공한 상태다. 초고층 건축 붐이 일고 있는 우리나라에도 서울 용산에 세워질 620m의 랜드 마크 빌딩과 잠실 제 2롯데월드, 상암 국제비지니스센터 등이 500m를 넘는 초고층 빌딩들이다.  
그러나 이 초고층 건축 붐에 대한 반론도 만만치 않은 실정이다. 그중 하나가 바로 초고층 건물을 위해 사용되는 고강도 콘크리트의 폭렬 현상이다.  
전문가들에 따르면 고강도 콘크리트의 폭렬은 화재시, 급격한 온도상승에 따라 부재 표면의 콘크리트가 탈락하거나 박리되는 현상을 말한다. 즉, 조직이 치밀한 고강도 콘크리트에서 열에 의한 내부 수증기가 외부로 빠져나가지 못하고 팽창 한계점에 이르렀을 때, 콘크리트가 폭발하는 것을 말한다.  
그런데 이 폭렬현상으로 고온에서 구조부재 철근의 노출은 치명적인 구조내력 저하를 초래해 건물 전체의 붕괴까지도 초래하는 것으로 알려져 있다.  
따라서 향후 초고층 건물의 건축을 위해 화재시 건물 내부의 수증기가 빠져나갈 수 있는 방법이 활발하게 연구되고 있는 실정이다.  
수증기 못 빠져 나가면 붕괴 
초고층 건물의 건축에는 매우 다양한 문제가 고려된다. 저층 건물보다 훨씬 높기 때문에 바람에 의한 풍하중, 지진에 의한 지진하중 등에 더욱 취약하기 때문이다. 또 건물의 전단저항에 파괴되거나 변형하지 않아야 하고, 휨저항에 쓰러지지 않아야 한다. 아울러 기둥이 압축 또는 인장 파괴되지 않아야 하는 문제점을 안고 있다.  
이를 위해 초고층 건물에는 고강도 콘크리트(High Strength Concrete)가 사용된다. 이는 설계기준 압축강도가 중량 골재 콘크리트에서 40MPa 이상이거나 경량골재 콘크리트에서 27MPa 이상인 경우의 콘크리트로 단위면적 1㎠당 0.8t 이하의 하중을 견딜 수 있다.  
그러나 이 높은 강도의 콘크리트에 뜻하지 않은 단점이 발견됐다. 그것은 바로 콘크리트의 폭렬(爆裂) 현상이다. 전문가들은 “건물 화재와 같은 고온에서 고강도 콘크리트(HSC)의 역학적 특성은 재료물성에 변형을 가져올 수 있다”고 말한다.  
즉, 시멘트 수화생성물의 분해 및 각종 골재의 물리·화학적 변형에 의한 강도저하와 시멘트 수화생성물을 구성하는 화학적 결합수의 분해 및 세공구조에 분포되어 있는 물리적 흡착수, 자유수 등의 수분증발에 기인한 강도저하가 나타날 수 있다.  
또 이런 변형을 통해 국부적인 내부 응력이 발생하게 되고, 정도에 따라서는 균열이 커져서 결국 콘크리트가 파괴된다. 즉, 화재가 발생해 건물의 온도가 빠르게 올라가면 내부 조직이 매우 조밀한 고강도 콘크리트의 경우, 열에 의한 콘크리트 내부의 수증기가 외부로 빠져나가지 못함으로써 건물 붕괴의 위험이 도사리고 있는 것이다.   
초고층 건물의 폭렬 현상에 의한 붕괴를 막는 방법은 섬유보강공법이다. ⓒ 삼성건설
반면에 일반 콘크리트는 내부 수분이 수증기로 변해도 콘크리트 입자 사이로 빠져나올 수 있는 것으로 알려져 있다.  
고온에 녹아 통로 역할  
지난 2001년 9월 11일 미국의 심장부인 뉴욕 한복판에 자살폭탄 테러가 발생했다. 결국 미국 자본주의 상징처럼 여겨졌던 월드트레이드 센터(WTC)가 한 순간에 무너져 내렸다. 건물이 붕괴되면서 엄청난 양의 먼지들이 바람을 타고 시가지 전역을 순식간에 덮었고, 수많은 사람들이 희생당했다.  
당대 최고의 기술력으로 지어진 이 고층 빌딩이 그렇게 빨리 붕괴될 수 있었을까? 이때 월드트레이드 빌딩의 붕괴원인으로 폭렬현상이 주목을 받았다. 이외에도 수많은 초고층 건물의 화재 붕괴의 주 원인으로 이 폭렬 현상이 의심받고 있다.  
지난 2008년 호서대 권영진 교수는 한국화재소방학회 추계학술논문발표회에서 “고강도 콘크리트의 폭렬현상은 400°C 이상의 고열에서 폭발하며, 일반 콘크리트는 내부수분이 수증기로 변해 입자사이로 빠져나오지만 고강도 콘크리트는 입자가 촘촘해 수증기가 빠져나오지 못해 폭발하듯 터져 나오고 이는 철근을 한 번에 떨어져 나가게 만든다”고 말했다.  
이러한 폭렬현상으로 고온에서 구조부재 철근의 노출은 치명적인 구조내력 저하를 초래해 구조물의 붕괴까지도 초래하게 된다는 것이다.  
이에 그동안 고강도 콘크리트의 폭렬 저감방안으로 표층부의 온도상승ㆍ온도구배 저감방안, 수증기압 저감/수분이동을 용이하게 하는 방안들이 연구된 가운데 섬유보강 공법이 개발됐다. 이는 화재시, 혼입된 유기섬유가 폭렬이 발생하기 전 녹아서(200℃ 이하) 시멘트 내에 미세통로를 형성시키게 된다.  
전문가들은 “콘크리트 내에 혼입된 유기합성섬유는 화재 발생 시 고온에 녹아버려 콘크리트 내부의 수증기를 효과적으로 배출시키는 통로역할을 하게 되어 콘크리트의 폭렬현상을 방지할 수 있다”고 말한다.  
현재 이 공법은 콘크리트의 내화성능을 확보하는 데 있어 경제적이고 시공방법도 간단해 가장 널리 쓰이고 있다. 일반적으로는 적합한 섬유보강재로 파워메쉬화이버(폴리프로필렌 계)와 나이콘화이버(폴리아미드계 고성능나일론) 등이 적용되고 있다.
 
 
 
 
 
조행만 객원기자 다른 기사 보기chohang3@empal.com
저작권자 2014.12.22 ⓒ ScienceTimes
 
 
 
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