[스크랩] 구조-(동결선/지진/바람/물/불/나무)

동결선

 

기초의 깊이는? 지하층이 없는 건축물을 설계할 때에 고민하는 한가지가 있다. 기초를 지상으로부터 얼마만큼의 깊이에 설치해야 하는가 하는 것이다. 기초의 바닥은 기온이 영하로 내려가서 땅을 얼게 만드는데 까지는 내려야한다. 이 깊이를 동결선이라고 한다.

동결선이라는 것은 겨울철에 땅이 어는 깊이를 말한다. 땅이 얼게되면 부피가 증가하게 되는데 이것은 냉장고에 넣어둔 맥주가 얼게되면 부피가 증가되어 맥주병이 깨지는 것에서 확인 할 수가 있다. 이렇듯 땅의 부피가 늘어나게 되면 동결선 깊이를 지키지 않은 기초판을 들어올리게 된다. 이어 봄이 와서 해빙기가 오면 다시 침하하게 되어 건축물의 균열 원인이 된다. 따라서 건축물을 설계·시공시에는 건축물이 지어지는 지역의 기후조건에 따라 동결선의 깊이를 반영하여야 한다.

그렇다면 적도 지방처럼 항상 영상 기온을 유지하는 지역은 어떻게 될까? 과장하여 말한다면 지상에 그대로 기초를 놓아도 될 것이나 건축적으로 기초가 노출되면 보기가 좋지 않으므로 건축적인 해결을 위해 땅속에 묻히는 정도로 해서 시공하면 될 것이다. 또한 겨울철에 기온이 영하로 내려가고 지하층이 없는 구조물의 경우에는 1층 바닥 슬래브를 slabs on grade로 하는 경우가 많은데 이럴 때는 건물의 외곽에 위치한 기초는 동결선 깊이이상으로 해야하며 건물 외부의 지중보도 역시 동결선 깊이까지 내리고 외부에 인접한 1층 바닥 슬래브의 균열 방지를 위해 지중보 안쪽에 단열재를 부착시켜야 하는데 이는 우리가 가장 지켜지지 않는 것 중에 하나이다.

 

 

지진 지진에 튼튼한 구조물을 설계하는 방법은 여러 가지가 있을 수 있겠지만 구조물이 놓이게 되는 땅은 설계자가 어찌할 수 없는 설계조건이다. 그러면 땅의 종류에 따라 지진의 진동은 구조물에 어떠한 영향을 미칠까? 하는 의문을 갖게 된다. 모래땅과 진흙땅 그리고 암반으로 이루어진 세 곳에 똑같은 구조물을 시공했다고 가정하자. 그리고 같은 에너지와 같은 진동수를 갖는 지진이 엄습해 왔다고 한다면 어느 지반에 지어진 구조물이 지진의 영향을 많이 받을까? 하는 궁금증을 갖게 될 것이다. 물론 단순 비교하기엔 지진의 성격은 간단하지는 않지만 가장 유리한 곳은 암반처럼 밀도가 큰 곳이 아무래도 유리할 것이다. 지진의 진동은 암반처럼 밀도가 크고 강성이 큰 지역을 통과하게 되면 진폭이 줄어들게 되며 진흙땅과 같이 지반의 강성이 작을수록 증폭 효과를 갖게 된다. 따라서 지반이 좋지 않은 곳에서의 구조물의 설계와 시공은 더욱 더 조심스럽게 하여야 할 것이다. 또한 모래땅은 진흙땅보다는 유리하기는 하지만 지반의 액상화 현상에 대한 고려를 주의 깊게 하여야 한다. 액상화 현상은 모래지반에 물이 침투하는 경우에 지진의 진동이 가해진다면 물의 상승으로 인해 기초가 놓이는 지반의 손실을 가져오게 되어 구조물의 침하와 전도를 가져오게 될 것이므로 지진이 많이 발생하는 모래질의 땅에서는 직접기초보다는 간접기초쪽으로 적극적으로 고려하여야 할 것이다. 따라서 구조물의 내진설계는 암반 같은 좋은 지반에 짓도록 해야하며 같은 대지에서도 좋은 지반 위치에, 같은 위치에서도 좋은 지반레벨까지 기초를 위치시키는 것이 튼튼한 내진설계가 될 것이다.

 

 

바람 바람이란 무엇이고 구조물에는 어떠한 영향을 미칠까? 바람은 지상의 대기내에서 공기덩어리의 이동에 의해 일어나는 공기의 운동이다. 따라서 이것은 온도와 기압의 차에 의해서 발생한다. 먼저 바람이 구조물에 어떠한 영향을 미치는 것을 알기 위해서는 대표적인 바람의 성질 두 가지를 알아야 한다. 첫째, 바람은 높이에 따라 풍속이 변화한다. 즉 바람은 높이가 높아질수록 속도가 빨라진다.  풍속이 빨라지게 되면 풍압이 세게 되며 구조물에 영향을 많이 주게 될 것이다. 같은 지역에서 우리가 등산을 할 때 높이 올라 갈수록 바람의 속도가 세어지는 것을 느낄 수가 있으며 고층건물 옥상에서 바람이 세다는 것을 느낄 수 있는 것 또한 이런 바람의 성질 때문이다. 그래서 이러한 바람의 높이에 따른 성질을 고려하여 구조물은 물론 건축마감재에도 적용하여야 한다. 예를 들자면 유리창에 유리두께를 결정할 때도 고층일수록 유리두께를 두껍게 하여야 한다. 또한 유리창의 프레임이나 건축물의 외장재를 건식공법으로 할 때에도 이러한 바람의 영향을 고려하여야 할 것이다.   둘째, 바람은 조도에 따라 풍속이 변화하게 된다. 조도는 구조물이 세워지게 되는 지상의 평탄도를 말하는데 우리나라에서는 노풍도라는 용어를 사용한다. 바람은 똑같은 풍속을 갖더라도 지표면이 평탄하게 되면 풍속을 그대로 유지하게 되지만 장애물이 있게 되면 풍속의 감소를 갖게 된다   따라서 건축물, 산 등의 장애물이 있게 되면 영향을 덜 받게 되는 것이다.   바닷가 마을에서 방풍림으로 풍속을 저하시켜 바람의 영향을 덜 받게 하는 것이 그러한 연유에서 기인한 것이다. 하여튼 바닷가나 초원같이 평탄한 곳에서는 바람의 영향을 가장 많이 받게 될 것이고 중소도시나 야산 등의 중규모의 장애물이 있는 곳은 두번째로 바람의 영향을 덜 받게 될 것이다. 그리고 고층건물이 밀집한 곳은 가장 바람의 영향을 덜 받게 되나 고층건물이 밀집한 곳은 바람이 고층건물의 좁은 틈을 지나면서 풍속이 빨라지는 성질도 있으므로 이러한 것도 고려하여야겠다.

물 물은 우리 인간에게는 없어서는 안되는 중요한 것이지만 건축물에는 피해를 끼치는 경우가 많이 있다. 예를 들자면 지붕이나 벽체에 방수가 제대로 되어 있지 않는 경우에는 빗물이 스며들어 건축물에 피해를 입히게 된다. 그러나 더 큰 피해를 주게 되는 것은 땅 속에 있는 지하수이다. 지하수위는 항상 일정한 것이 아니며 비가 많이 오게 되면 증가하게 되며 건축물이 있는 지역에 비가 내리지 않더라도 상류지역에 수량이 증가하여 하류지역의 수위가 올라간다면 이 하천에 인접한 지역에도 지하수위가 상승하게 될 것이다.   지하수위가 상승되면 구조물의 지하바닥에는 부력으로서 구조물을 떠받치게 될 것이며 구조물은 이동, 상승, 그리고 침하에 의해 변형과 균열을 일으키게 될 것이다. 그래서 이러한 구조물의 피해를 예방하기 위해서 설계시에 적절한 대책을 세워야 하겠다. 이런 대책에는 크게 3가지가 있다. 첫째는, 구조물의 자중을 키우는 방법이며 통상적으로는 기초가 있는 부분의 단면을 키워 중량을 늘이는 방법이 제일 많이 사용된다. 이는 가장 기본적인 방법이며 가장 많이 적용하는 방법이기도 한다.  따라서 개인적으로는 중력식 공법이라 정의하고 싶다. 둘째는, rock anchor를 이용하는 닻 공법이다. 이것은 구조물을 지하 깊은 곳에 있는 암반에 rock anchor로 묶어 놓는 것으로  배가 항구에 정박할 때에 닻을 내려 고정시키는 것과 같은 이치라 하겠다. 셋째는, 통상 De-watering 공법이라 하는 간접적 제어방법이다. 상승되는 수위에 따른 수량을 모아서 펌프를 이용하여 구조물에 영향을 주기 전에 제거하는 방법이다. 이것은 권투선수가 상대선수의 주먹을 강한 맷집으로 견딜 것이 아니라 빠른 발놀림이나 상체의 움직임으로 피하는 방법이라 하겠다. 이 방법은 구조물의 바닥에 물이 잘 통과되는 자갈, 물을 모와 집수정으로 모와 주는 역할을 하는 유공관, 흙 찌꺼기를 걸러 주는 filter mat , 그리고 집수정에서 모인 물을 빼내는 펌프와 고장시에 필요한 예비펌프가 필요하게 된다. 이러한 방법들에 의해 구조물은 항상 물에 대해 저항하고 있으며 이를 소홀히 할 때는 어김없이 자연 재해로써 우리에게 찾아올 것이다.

 

불 화재가 발생하면 건축물에 어떠한 영향을 미칠까? 목재로 지어진 구조물은 미관상 뛰어난 재료이기 때문에 나무를 노출시켜 시공하는 경우가 일반적이다. 따라서 목구조는 화재에 대한 뚜렷한 대책이 없다. 화재를 예방하기 위해서는 항상 조심하는 수밖에 없으며 화재시에 피해를 최소화기 위해 소화기를 비치하는 등의 적절한 소방대책을 마련하거나  내장재를 불연, 내화재료로 사용하여 피해를 줄이는 수밖에 없다. 요즈음의 구조물은 대개의 경우 철근콘크리트구조나 철골구조로 시공하는데 철근콘크리트구조인 경우에는 콘크리트 피복이 불로부터 어느 정도까지는 지켜주며 철골구조일 경우에는 내화 피복재를 사용하여 불로부터 구조물을 보호해 준다. 가장 많이 사용하는 철근콘크리트구조의 콘크리트 피복은 불에 타지 않은 재료이므로 불로부터 일정한 시간동안 구조물을 보호해준다. 그래서 피복두께에 따라 2-3시간 이상을 심각한 재앙으로부터 지켜주게 된다. 그러한 콘크리트도 화재온도와 화재에 노출시간에 따라 견딜 수 있는 한계가 있다. 화재온도가 300℃정도일 때에는 콘크리트의 강도의 감소는 미비하나  500。c이상이 되면 콘크리트의 강도가 반으로 줄게 되며 콘크리트의 탄성계수도 반이하로 줄게 된다. 콘크리트 강도가 반으로 준다는 것은 10개층을 지지하고 있는 기둥이  5개층 정도만 지지할 수 있다는 것을 의미한다. 심각한 피해가 예상되며 또 탄성계수가 반으로 된다는 것은 특히 보와 바닥판의 처짐이 2배나 증가되며 많은 균열이 예상된다. 그러면 화재온도를 어떻게 알 수 있을까? 화재가 났을 때 화재온도를 측정할 수는 없는 노릇이 아닌가? 그것은 화재가 진압된 후 콘크리트의  표면 상태에 따라 예측할 수가 있다. 화재온도가 300℃이하일 경우에는 구조물 표면에는 그을음 정도만 부착이 되어 구조물이 피해가 크게 되지 않을 것이며, 300-600℃일 경우에는 콘크리트 표면이 핑크색으로, 600-950℃까지는 회백색, 950℃이상의 경우에는 담황색으로, 그 이상 1200℃가 되면 콘크리트가 용융되게 될 것이다. 또한 화재온도가 300℃이상이 되면 구조체의 단면내의 급격한 온도차에 의해 폭렬현상이 있게 된다. 폭렬현상이라는 것은 구조물 표면이 폭파되듯이 튕겨 떨어져 나가는 현상을 말한다. 이러한 여러 가지의 현상을 종합하여 화재온도를 예상할 수 있으며 피해를 예측하여 피해복구를 수행할 수 있게 될 것이다. 피해복구는 화재온도 예측에 따라 기둥주위 인접한 부분에 슬래브나 보와 같은 수평부재인 경우에는 처짐이 제일 많이 예상되는 중앙부에 동바리를 받쳐 놓는 것이 일시적이지만 안전진단을 하여 보수·보강을 할 때까지는 매우 효과적이다.  왜냐하면 불에 노출되면 콘크리트와 철근은 모두 강도가 저하되지만 콘크리트는 1년 정도의 시간이 지나면 원래 강도의 90%정도까지는 회복되는 특성을 가지고 있기 때문이다. 따라서 화재가 진압된 후 아니면 진압되는 도중이라도 심각한 건물의 붕괴를 방지하기 위해서는 이러한 불의 성질을 알아 조치하여야겠다.

 

콘크리트 구조물은 화재가 발생한 후에 대표적으로 강도의 감소를 가져오게 된다. 강도의 감소에 따라 균열을 가져오게 되며 콘크리트 부재내의 열화차에 따른 콘크리트가 떨어져 나가는 폭렬현상도 가져오게 된다. 이에 못지 않게 화학적 피해도 발생한다. 대략 화재온도가 300˚C내외의 화재의 경우에는 구조물에 그을음 정도만 부착되게 되는데 이 정도의 화재로는 균열이나 화학적인 피해도 미비하다. 그러나 콘크리트 구조물은 화재가 발생되기 전에 시공시의 균열이든 시공후의 균열이든 균열이 있게 되는데 균열이 화재전에 이미 발생된 균열인지 아니면 화재에 의해 일어난 균열인지를 파악하는 것이 구조물의 안전진단을 위해서는 중요한 요인이 될 수가 있다. 그것은 육안에 의하여 쉽게 알아낼 수가 있다 화재전에 이미 있었던 균열인 경우에는 균열 틈으로 그을음이 부착되어 있겠지만 화재시에 일어난 균열인 경우에는 균열 틈으로 그을음이 부착되지 않기 때문에 육안으로 알 수가 있다 하여간 그을음 정도만 있는 화재시는 콘크리트의 화학적 피해도 거의 없겠지만 그래도 화학적 피해를 입었는지를 검사하여야 한다. 콘크리트의 주성분인 수산화칼슘은 ph농도가 12-13정도인 강알카리성에 속하는데 화재의 피해를 입게되면 화학반응을 일으켜 알카리성을 감소시키게 되는데 이것을 콘크리트의 중성화라고 하며 이 콘크리트의 중성화에 의해 구조물은 내구성에 큰 타격을 입게 된다. 즉 콘크리트가 중성화가 되면 콘크리트 피복에 의해 철근이 녹스는 것을 방지해 온 것이 비로소 녹이 슬게 되며 콘크리트 피복은 떨어져 나가게 되고 철근은 점차 단면 손실을 가져오며 구조부재는 균열을 동반하게 될 것이다. 그러므로 화재 후에 구조물의 중성화 정도를 알아야 한다. 중성화정도는 콘크리트의 파단면에 1％의 페놀프탈레인 용액을 분무하여 변색여부를 관찰하는 방법이 일반적이다. 이 때 용액이 묻은 부분이 무색이면 중성화된 것이며, 적색이면 중성화하지 않은 것으로 판단할 수 있다. 또한 정확한 중성화 깊이를 알려면 드릴 같은 공구를 이용하여 콘크리트 표면에 구멍을 뚫어 페놀프탈레인 용액을 분무하여 깊이를 측정할 수가 있다. 중성화 깊이를 알고 난 후에는 중성화된 콘크리트를 절취하여 신선한 콘크리트나 에폭시모르타르 등으로 교체하여 중성화에 의한 구조물의 피해를 방지해야한다.

나무 나무는 인간이 살아오면서 건축구조물에 가장 많이 사용해 오던 재료이다. 우리나라도 예외가 아니며 현존하는 역사 유적들의 주요 구조부는 물론이고 마감재까지도 나무를 사용해 왔다. 사실 나무는 질감도 좋을뿐더러 인간에게 친밀감을 주는 재료이며 미적으로도 아름다울 뿐 아니라 온도와 습도도 적절히 유지시켜 주기도 한다. 그러나 나무는 무엇보다도 구조적으로 뛰어난 재료이다. 우선 첫째로 나무가 하중으로부터 견딜 수 있는 강도가 뛰어나다는 것이다. 나무의 종류에 따라 다르겠지만 나무의 허용압축응력은 보통 70~80㎏f/㎠이다. 이것은 현재 구조물에 많이 사용하는 콘크리트의 설계기준 강도 210㎏f/㎠를 예로 든다면 이것의 허용압축응력이 3Fc = 0.3 × 210 = 63 ㎏f/㎠ 보다 상외하는 강도를 가졌다는 것이다. 즉, 나무의 압축에 대한 저항능력은 콘크리트와 대등하다는 것이다. 인장에 대한 능력을 비교하면 콘크리트라는 재료는 자신의 허용압축강도의 1/10 밖에 되지 않지만 나무는 자신의 허용압축강도보다도 허용인장강도가 약 10%를 더 저항할 수 있다. 허용전단응력은 서로 비슷하지만 나무가 약간의 저항능력이 더 있다.   둘째로는 지진에 대한 저항능력이 뛰어나다. 나무의 비중은 0.4~0.8 정도이다. 콘크리트의 비중은 2.4이므로 당연히 나무로 지어진 구조물의 자중이 저게 되는데 지진의 영향은 건물의 자중에 비례하여 영향을 받게 되므로  나무구조는 당연히 내진성능이 뛰어날 수밖에 없다. 셋째로는 시공성이 좋다. 가공성이 좋아 구조물을 시공하기 쉬우며 따라서 공기를 줄일 수가 있다. 이렇듯 공학적인 수치의 증거들이 없었다 하더라도 우리 인류의 선배들이 예리한 통찰력으로 구조적으로 뛰어난 나무를 건축구조물에 사용해 왔으며 앞으로도 좋은 구조적 성능을 가진 재료로 사용될 것이다.

 

출처 : 서라건원 (徐羅建院)

글쓴이 : 羅星 원글보기

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