초고층 건물의 코어는 왜 항상 한가운데에 있을까

코어는 왜 항상 건물 한가운데에 있을까

고층 건물 평면도를 몇 개만 겹쳐 봐도 금방 눈에 띄는 규칙이 있다. 엘리베이터, 계단, 배관·전기 샤프트가 모여 있는 코어(core) 구역이 거의 예외 없이 평면의 정중앙 근처에 몰려 있다는 점이다. 사무실 배치나 창가 조망을 고려한 결과처럼 보이기도 하지만, 실제로는 구조 설계에서 나온 결론에 가깝다. 코어를 가운데 두지 않으면 바람과 지진이 건물을 미는 힘 앞에서 건물이 옆으로 흔들리는 동시에 비틀리기 시작한다.

이 주제에 관심을 갖게 된 계기는 특별한 게 아니었다. 몇 년 전 해외 초고층 빌딩들의 기준층 평면도를 모아놓은 자료를 훑어보다가, 층마다 생김새가 다 다른데도 가운데 네모난 구역만은 하나같이 비슷한 위치에 자리 잡고 있다는 걸 알아챘다. 처음엔 그냥 엘리베이터를 한곳에 모아두려는 편의상의 배치인 줄 알았다. 그런데 런던의 리든홀 빌딩처럼 코어를 아예 건물 한쪽 끝으로 밀어낸 사례를 찾아보다가, 이게 편의의 문제가 아니라 건물이 안 넘어지고 안 비틀리게 만드는 구조적인 문제라는 걸 알게 됐다.

비틀림 강성과 편심이라는 개념

건물에 바람이나 지진 하중이 가해지면 두 개의 가상의 점이 중요해진다. 하나는 건물 질량이 고르게 분포했을 때의 무게중심(center of mass), 다른 하나는 건물이 옆으로 밀리는 힘에 저항하는 강성 요소들이 모여 만드는 강성중심(center of rigidity)이다. 이 두 점이 평면상에서 겹치면 건물은 밀리는 방향으로 곧게 흔들릴 뿐이지만, 두 점 사이에 거리가 생기면 그 거리만큼 추가적인 회전력, 즉 비틀림 모멘트가 발생한다. 이 거리를 편심(eccentricity)이라 부른다.

코어는 엘리베이터 샤프트나 계단실을 둘러싼 두꺼운 철근콘크리트 전단벽(shear wall)으로 이루어져 있어서, 건물 전체 강성의 상당 부분을 코어 하나가 떠맡는 구조가 많다. 그래서 코어가 평면 중앙, 즉 무게중심과 가까운 위치에 있으면 강성중심도 자연히 무게중심 근처에 놓이게 되고 편심이 작아진다. 편심이 작을수록 비틀림이 작고, 비틀림이 작을수록 건물 외곽 기둥이나 벽체가 추가로 감당해야 하는 하중이 줄어든다. 이것이 비틀림 강성(torsional rigidity)이 높은 상태다.

바람과 지진이 코어에 전달되는 과정

단계별로 보면 다음과 같은 흐름을 탄다.

[외부 하중 발생]
 바람 압력(파사드에 분포) / 지진 관성력(각 층 질량에서 발생)
        │
        ▼
[바닥판(슬래브)이 하중을 수평으로 전달]
 각 층 슬래브가 다이어프램 역할을 하며 힘을 모음
        │
        ▼
[코어 전단벽이 하중을 흡수]
 코어가 평면 중앙에 있으면 → 편심 작음 → 순수 휨 위주로 저항
 코어가 한쪽에 치우치면 → 편심 발생 → 휨 + 비틀림 동시 저항
        │
        ▼
[기초로 하중 전달]
 코어 하부가 거대한 캔틸레버처럼 작동, 기초 슬래브·말뚝으로 전달

즉 코어는 단순히 통로가 아니라, 매 층에서 모인 수평 하중을 기초까지 내려보내는 하나의 거대한 수직 캔틸레버 보 역할을 한다. 코어가 중앙에 있으면 이 캔틸레버가 평면 전체와 균형을 이루면서 순수하게 휘는 방향으로만 움직이고, 옆으로 밀려나 있으면 휘는 동시에 돌아가려는 힘까지 받는다.

실제로 찾아보니: 수치로 본 편심의 효과

이 부분은 나도 처음엔 “편심이 있어도 코어 자체가 튼튼하면 큰 차이 없지 않을까” 하고 넘겼는데, 실제로 관련 연구를 찾아보니 생각보다 차이가 컸다. 대칭 평면 건물에서 코어 위치에 따른 구조거동을 비교한 국내 연구에서는, 중심 코어 건물에서는 비틀림이 거의 발생하지 않은 반면 편심 코어로 배치했을 때는 휨과 비틀림이 복합적으로 발생하면서 최대 횡변위가 크게 늘어났고, 지진하중 자체는 횡강성 저하로 다소 줄었음에도 비틀림 영향으로 최대 층간변위비는 오히려 크게 증가한 것으로 확인됐다(scienceon.kisti.re.kr 게재 논문). 즉 코어를 옆으로 옮기면 힘은 줄어드는데 변형은 더 커지는, 직관과 반대되는 결과가 나온다.

코어가 차지하는 면적 자체도 작지 않다. 고층 오피스 빌딩을 대상으로 한 학술 연구(METU 건축대학 저널, Space Efficiency in High-Rise Office Buildings, 2009)에 따르면 코어 면적이 기준층 전체 바닥면적에서 차지하는 비율은 평균 26% 수준이며, 건물마다 22~30% 사이에서 분포한다. 층의 4분의 1가량이 엘리베이터·계단·설비 샤프트와 전단벽으로 채워진다는 뜻이고, 이 면적을 줄이려는 시도가 구조적으로는 곧 비틀림 저항을 줄이는 시도와 맞물린다.

사례: 코어를 중앙에 둔 건물과 옆으로 뺀 건물

버즈 칼리파(828m, 두바이)는 중앙 코어 구조를 극단까지 밀어붙인 사례에 가깝다. SOM의 구조기술자 빌 베이커가 고안한 버트레스드 코어(buttressed core) 시스템은 육각형 철근콘크리트 중앙 코어가 비틀림 강성을 전담하고, 코어에서 뻗어 나온 세 개의 날개가 각각 서로를 지지하며 바람에 의한 전단력을 나눠 받는 구조다. 이 시스템은 서울의 타워팰리스 3차(2004년 준공)에서 먼저 적용된 뒤 버즈 칼리파에서 완성됐다. 타이베이 101 역시 중앙에 철근콘크리트 코어를 두고, 8개의 외곽 슈퍼컬럼을 26·50·74·90층의 아웃리거 트러스로 코어와 연결해 코어 하나에 쏠리는 부담을 외곽 기둥과 나눠 갖는 방식을 쓴다.

반대 사례로는 런던의 리든홀 빌딩(The Leadenhall Building, 일명 치즈그레이터)이 있다. 이 건물은 세인트폴 대성당 조망축 보호 규정 때문에 건물 단면 자체가 한쪽으로 기울어진 쐐기 모양이라, 코어를 중앙에 두면 상층부에서 코어가 외벽을 뚫고 나가는 문제가 생겼다. 그래서 엘리베이터와 설비 샤프트(전체 서비스 리저의 85%가 여기 몰려 있다)를 건물 북쪽 면에 붙은 별도의 47층짜리 구조물로 완전히 빼내고, 대신 건물 외곽을 감싸는 대형 가새 골조(braced steel megaframe)가 옆으로 밀리는 힘과 비틀림을 함께 받도록 설계했다. 중앙 코어라는 선택지를 포기한 대신, 그 역할을 외피 전체에 분산시킨 셈이다.

중앙 코어와 편심 코어, 그리고 다중 코어

정리하면 중앙 코어는 무게중심과 강성중심이 가까워 비틀림이 작고 설계가 단순한 대신, 코어가 큰 면적을 차지해 임대 가능 면적이 줄어드는 손해를 감수해야 한다. 편심 코어는 조망이나 파사드 개방감, 부지 형태 같은 건축적 이유로 선택되지만, 앞서 본 연구 결과처럼 같은 하중에서도 횡변위와 층간변위비가 커지기 때문에 그만큼 보강이 필요해진다. 리든홀 빌딩처럼 코어를 아예 포기하고 외곽 골조로 강성을 확보하는 방식도 하나의 해법이지만, 이 경우 코어 하나가 아니라 건물 전체 외피가 구조 부재 역할을 겸해야 하므로 설계와 시공 난도가 함께 올라간다.

흔한 오해: 코어는 그냥 엘리베이터 넣는 공간이다

코어를 두고 가장 흔한 오해는 “엘리베이터와 계단, 화장실 넣는 서비스 공간일 뿐”이라는 생각이다. 실제로는 코어를 둘러싼 전단벽이 건물 횡하중의 상당 부분을 전담하는 주 구조부재이며, 코어의 위치와 크기, 편심 여부가 건물 전체의 비틀림 거동을 좌우한다. 엘리베이터나 계단은 그 튼튼한 벽체 안에 자연스럽게 들어간 부수적 요소에 가깝다. 순서가 뒤바뀐 인식인 셈이다.

이번에 자료를 찾아보면서 든 생각은, 평소 무심히 지나치던 건물 가운데의 그 답답해 보이는 사각형 구역이 사실은 건물 전체가 안 흔들리게 붙잡아주는 뼈대라는 사실이었다. 눈에 잘 안 띄는 부분일수록 구조적으로는 더 결정적인 역할을 한다는 인상을 받았다.

핵심 정리

  • 코어가 중앙에 있으면 무게중심과 강성중심이 가까워져 편심이 작아지고, 비틀림 모멘트가 줄어든다.
  • 코어 전단벽은 바닥판을 통해 모인 바람·지진 하중을 기초까지 전달하는 거대한 수직 캔틸레버 역할을 한다.
  • 편심 코어는 같은 하중에서도 횡변위와 층간변위비를 키운다는 점이 국내 구조거동 연구에서 확인됐다.
  • 버즈 칼리파, 타이베이 101은 중앙 코어형, 리든홀 빌딩은 코어를 외곽으로 완전히 빼고 외피 골조로 강성을 대체한 사례다.
  • 코어는 엘리베이터를 위한 부속 공간이 아니라 건물의 주된 횡력 저항 구조체다.

참고자료

  • Council on Tall Buildings and Urban Habitat(CTBUH) 관련 학술 자료 및 Structural Systems for Tall Buildings, MDPI(2021) — 코어·아웃리거 시스템과 비틀림 강성 개념 설명
  • 대칭 평면형 건물에서의 코어위치에 따른 구조거동 분석, KCI/ScienceON(scienceon.kisti.re.kr) — 중심 코어 대비 편심 코어의 횡변위·층간변위비 비교 데이터
  • Space Efficiency in High-Rise Office Buildings, METU JFA(Journal of the Faculty of Architecture) 2009/2, pp.69-89 — 고층 오피스 건물 코어-기준층 면적비(평균 26%, 22~30% 범위)
  • Burj Khalifa Structure: Design and Construction, burjkhalifa.ae 공식 기술자료 / Buttressed core, Wikipedia(SOM·Bill Baker 설계 개요 교차 확인) — 버즈 칼리파 버트레스드 코어 시스템
  • Dynamic Loading Solutions in Taipei 101, STRUCTURE magazine / Thornton Tomasetti 프로젝트 자료 — 타이베이 101 중앙 코어-아웃리거 트러스 구조
  • The Leadenhall Building, RSHP(Rogers Stirk Harbour + Partners) 공식 프로젝트 자료 / steelconstruction.info(영국 철골구조 산업 기술정보) — 리든홀 빌딩 북측 오프셋 코어 및 외곽 가새 골조 구조
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