정보 | 지진경계령 당신의 집은 안전 하십니까?

지진  경계령 우리집은 안전한가!

 

  아이티의 아픔이 채 가시기도 전, 중국 칭하이에서 발생한 강진은 또 한번의 어마어마한 인명 피해로 이어졌다. 우리나라도 더 이상 지진 안전지대가 아니라는 전문가들의 말을 굳이 인용하지 않아도, 우리는 이미 본능적으로 위험을 감지하고 있다. 불시에 닥쳐오는 자연재해를 막을 수는 없지만 아무 준비 없이 그저 방치하는 것은 목숨을 내놓고 사는 것과 마찬가지다. 지금 당장 주위를 둘러보라. 과연 우리집은 지진으로부터 안전한가? 확신이 없다면 지금부터 소개할 내진공법이 적용된 주택사례를 통해 우리집 안전성을 가늠해 보자. 

“내진설계는 보험과도 같습니다” 


  지진이 발생하면 건물의 운명은 대개 1분 이내에 결정된다. 수개월 내지 수년에 걸쳐 지어진 건물의 운명이 단 1분만에 결정되는 것이 허망하게 들릴 수도 있지만, 지진이 건물을 흔들어대는 시간은 길어야 그 정도이다. 간혹 여진(餘震)에 의하여 파손되기도 하지만, 그 경우도 본래의 지진으로 인하여 이미 약화된 건축물을 여진이 마무리(?) 하였다고 표현하는 것이 옳다.

우리나라의 내진설계기준

우리나라의 내진설계기준은 1976년 중국 당산 지진 및 1985년 멕시코시티 지진 등 강한 지진으로 인하여 발생한 막대한 인명손실과 재산피해를 거울삼아 1988년부터 6층 이상의 건축물이나 10만㎡ 이상의 건축물을 대상으로 처음으로 시행되었다. 그 후 1995년에는 내진설계 의무대상이 1만㎡ 이상의 건축물로 확대되었다가, 2009년에는 3층 이상, 1,000㎡ 이상, 높이 13m 이상의 건축물로 확대되었다. 그리고 2009년 7월에 개정된 건축법 시행령은 2층 이하라도 연면적 1,000㎡ 이상이거나 높이 13m 이상의 건축물은 내진설계를 적용하도록 의무대상을 확대하였다.

건축법 시행령에 따르면, 대부분의 전원주택은 규모로 볼 때 현행 우리나라 내진설계기준의 적용 의무대상에서 제외된다고 하겠다. 

그렇다면 전원주택과 같은 소규모 건축물은 내진설계를 하지 말라는 것인가? 그런 뜻은 아닐 것이다. 내진설계 적용 의무대상에서 제외된다는 것은 건축허가 또는 신고 시 내진설계 확인서를 제출할 필요가 없다는 것을 뜻하는 것이지 내진설계를 하지 말라는 것은 아니다. 실제로 국토해양부에서는 소규모 건축물의 내진구조기준 및 표준 내진설계도면을 마련 중인 것으로 알려져 있다.

소규모 건축물의 내진설계

동역학 이론에 따르면‘동일한’재료와 공법으로 건축하였을 경우 고층건물이나 대규모 건축물보다 중·소규모의 건축물이 지진에 더 취약할 수 있는 개연성(蓋然性)이 높다. 이는 일반적으로 작은 구조가 큰 것에 비하여 더 견고하고 단단하여 더 큰 지진력1)을 불러들일 가능성이 크기 때문이다. 그럼에도 불구하고 소규모 건축물이 내진설계 적용 의무대상에서 제외되는 것은 일반적으로 고층건물이나 대규모 건축물과‘동일한’재료와 공법을 사용하지 않기 때문이며, 지진에 의하여 손상을 입을 경우 파급효과의 무게가 고층건물이나 대규모 건축물과는 다를 것이기 때문이기도 하다. 그러나 고층건물이나 대규모 건축물 그리고 소규모 건축물 모두의 내진설계에 적용되는 원리는 동일하다고 할 수 있다. 즉, 지진력이 지반으로 안전하게 흘러가도록 구조적 일체성2) 및 연속성3),그리고 지진에너지4)를 소산5)시킬 수 있는 적절한 메커니즘을 확보하는 것이다. 마치 사람의 몸에는 여러 지체들이 있지만, 한 사람으로서 일하는 것과 같은 원리이다. 이를 달성하기 위하여 고층건물이나 대규모 건축물에서는 다양한 설계법과 기구(機具Device)들이 사용되고 있다. 그러나 소규모 건축물에 있어서는 비용과 시공자의 기술적 문제로 말미암아 그 사용이 활발하지 못하거나 제한적이다. 비록 내진설계에 대하여 잘 알고 있지 못하더라도 부재와 부재(예를 들어 보와 기둥이, 기둥과 기초)가 서로 연결되는 접합부만 견고하게 하여도 큰 비용을 들이지 않고서도 상당한 효과를 볼 수 있는 내진설계 방법의 하나가 될 수 있다. 이와 아울러 벽체 안에 대각선 방향의 가새(Bracing)를 설치하여 건축물의 수평변위를 제한하거나 지진에 의한 힘이 흐르는 길을 더 안전한 길로 대체하여 바꿔주는 방법도 좋은 내진설계 방안이 될 수 있다.

1) 지진력(地震力seismic load) 지진에 의한 지반의 가속도가 건물의 질량에 전달되어 건물 뼈대에 작용하는 힘 또는 하중

2) 구조적 일체성(構造的一體性structural integrity) 여러 구조부재들을 모아 건립한 건축구조물이 마치 한 몸인 것처럼 반응하는 특성

3) 구조적 연속성(構造的連續性structural continuity) 구조부재와 구조부재를 강하게 엮는 성질, 즉 이웃하는 구조부재들이 함께 힘과 변형에 저항하는 성질

4) 지진에너지 지진에 의한 지반의 진동이 내포하고 있는 에너지, 즉 일할 수 있는 능력. 바꾸어 말하면 건축구조물을 진동시킬 수 있는 능력

5) 소산(消散dissipate) 에너지를 소모시키는 것, 즉 사용하는 것

결국은 철학의 문제

앞서 언급한 바와 같이 내진설계기준은 건축구조물의 안전과 관련된 품질을 유지하기 위한 최소한의 요구조건으로 절대적인 것은 아니다. 즉 내진설계기준에 명기된 바와 동일하거나 그 이상의 효과를 입증할 수 있는 다른 방법이 있다면 원칙적으로 얼마든지 사용하는 것이 허용된다는 뜻이다. 그러므로 내진설계의 효과를 결정짓는 가장 기본적인 것은 내진설계철학이라고 할 수 있다. 내진설계철학을 다른 말로 표현하자면 내진설계전략이라고도 할 수 있다. 따라서 내진설계철학은 건물과 그 안팎의 사람들을 지진으로부터 경제적으로 안전하게 보호하고자 하는 범위나 방향을 정하는 대전제와 함께 그것을 어떻게 달성할 것인가 하는 넓은 의미의 방법론을 포함하게 된다. 이를테면 동네 뒷산을 주말마다 오르거나, 헬스클럽에 등록하여 매일 운동을 하거나, 또는 수영장에 등록하여 하루걸러 한번 수영레슨을 받는 것 중 어느 것이 나의 또는 당신의 건강을 유지하기에 가장 적절할 것인가를 결정하는 것과 마찬가지라고 할 수 있다. 내진설계는 결국 건물에 작용하는 지진에 대하여 힘으로 저항할 것인지, 변형을 억제할 것인지, 또는 지진에너지를 흡수하도록 할 것인지를 결정하는 과정이라고 하겠다. 그리고 이들 각각의 전략을 달성하기 위한 여러 갈래의 길이 있을 수 있으며, 설계자는 자신의 지식적인 배경과 상식에 따라 가장 합리적이라고 생각하는 방법을 골라 건축주에게 제시할 수 있어야 한다. 마치 어느 길로 산의 정상에 오르는 것이 이 계절의 정취를 즐기기에 가장 적절한 길인가를 결정하는 등산객처럼 말이다.

싼 게 비지떡?

이 말을 달리 표현하면 아마‘물건에 대하여 잘 알지 못하면 무조건 비싼 것을 사라’는 뜻이리라. 과연 그럴까? 내진설계철학을 구현하기 위하여 각각의 설계자가 제안하는 여러 가지 설계안에 따라 초기투자비용은 천차만별일 수 있다. 이 말대로라면 그 중에서 가장 높은 초기투자비용의 설계안을 선택하여야 좋은 내진설계를 할 수 있는 것이겠지만, 반드시 그렇지만은 않다. 내진설계를 할 때에는 고려된 지진의 회귀주기(回歸週期Return Period)가 있기 마련이고, 건물의 생애기간 동안 그 지진이 발생할 확률에 따라 그리고 지진이 발생하였을 경우 입게 될 것으로 예상되는 손상의 정도에 따라 매년 적립하여야 할 비용이 발생한다. 따라서 설계자는 건축주에게 각각의 내진설계안에 따르는 초기투자비용과 손실보전을 위한 적립금을 제시하여 건축주로 하여금 가장 경제적인 내진설계안을 결정하도록 도울 수 있어야 한다는 것이 필자의 바람이다. 그러나 이는 시간과 비용에 쫓기는 구조설계사무소의 여건으로 보아 지금으로서는 현실적으로 가능하지 않은 이상향일 뿐이다.

내진설계는 보험과 같은 것

사람들은 예측불허의 앞날이 불안하여 각종 보험에 들지만, 정작 불행한 사태를 당하게 되어 보험금을 수령하게 될 것을 간절히 바라는 마음으로 보험에 가입하는 사람은 없을 것이다. 보험을 가입하는 것은 비록 원하지는 않지만 혹시라도 닥칠지 모르는 불행한 사태에 대비하여 가입하는 것이다. 마찬가지로 내진설계도 지진이 발생한다는 보장이 있기 때문에 하는 것이 아니라 건물의 생애 중에 닥쳐올지도 모르는 만일의 사태에 대비하기 위한 것이다.  보험에 대한 사회적 관심이 높을수록 보험이 사회안전망으로서의 역할을 다하게 되듯이 내진설계에 대한 사람들의 이해와 사회적 공감대의 형성이야말로 지진이 닥쳤을 때 그 피해를 최소화하기 위한 첩경일 것

이다.

필자 김장훈 씨는 미국의 뉴욕주립대학교(버펄로)에서 철근콘크리트구조의 내진설계를 연구하여 박사학위를 취득한 후, 1998년부터 아주대학교 건축학부에서 학생들을 가르치고 있다. 비전문가(일반인)들을 대상으로 지은 책「상식과 지식으로 버무린 내진설계철학」(예영커뮤니케이션 2008)의 저자로서 내진설계의 저변 확대에 노력하고 있다. kimjh@ajou.ac.kr

 

지진성능테스트 1 목조주택

경골조와 기둥-보로 지진에 맞서다





현재 우리나라에 지어진 일반건물 중 내진 설계가 제대로 이루어진 건물은 많지 않다. 즉, 지진 무방비상태인 것이다. 따라서 지진의 위험이 경고되는 이러한 상황에서 지진에 강한‘한그린’목조주택의 개발은 반가운 소식이 아닐 수 없다. 국립산림과학원이 개발해 상표등록을 마친 한그린 목조주택은 기존의 목조주택과 한옥의 장점을 혼합한 구조로, 주요 건축자재를 현장에서 조립 완성하는
프리-컷(Pre-Cut) 방식을 이용해 비용이 저렴한 것은 물론 지진에 강하다는 장점을 가진다.

취재협조 국립산림과학원(심국보 박사) 02-961-2522 www.kfri.go.kr

 

지반의 흔들림에 강한 목조주택

범지구적으로 지진에 의한 피해가 끊임없이 확산되는 추세다. 우리나라에서도 지진이 발생하는 빈도와 그 강도가 증가하고 있어, 한반도도 더 이상 지진 안전지대가 아니라는 주장이 설득력을 얻고 있다.  일반적으로 목조건축은 주요 구조부재가 목재로 된 건축물을 뜻한다. 목재는 다른 재료에 비해 비강도(강도/무게)가 크고 탄성과 충격흡수성능이 좋아 건축 재료로 많은 장점을 가진다. 지진으로 인한 지반의 흔들림은 건축물의 무게에 따른 관성에 의해 건축물에 수평하중을 부여하며, 건축물이 무거울수록 지진에 의한 수평하중의 크기는 커진다.  그러므로 지진이 발생하였을 때 건축물에 가해지는 수평하중의 크기는 자중이 적은 목조주택이 적은 응력을 가하게 되는 것이다. 즉, 이것이 목조주택이 지진에 강할 수밖에 없는 이유 중 하나다.

구조적으로 안전성이 우수한 프리-컷 공법

국산재의 효율적인 이용 촉진 및 전통 한옥의 특성을 가진 우수한 품질의 목조주택보급을 위해 개발된 한그린 목조주택은, 기둥과 보가 고정 수직하중(건축 재료의 무게 등)과 가변 수직하중(눈하중 등)을 지지하며 목재가 노출된 구조다.  건축비의 절감을 위해 구조재를 모듈화하여, 생산과 조립만으로 시공이 가능할 수 있도록 과정을 단순화시켰으며, 여기에 에너지소비를 최소화할 수 있는 단열설계와 태양광 및 펠릿보일러를 설치해 친환경주택을 완성하였다. 또한 목재를 주택의 구조재와 내장재로 동시 사용함으로써 탄소저장고의 역할이 크다.

연면적 196㎡, 지상 2층 규모로 모든 구조재는 프리-컷을 통해 생산된 국산재이며, 180각의 대단면 구조재임에도 글루램이 아닌 원목 그대로를 건조해 사용한 것이 특징이다. 스팬의 경우 1.2m=M의 모듈을 적용하여 1M, 2M, 3M, 4M을 사용하였고, 벽체는 단열재에 OSB를 양쪽으로 접착한 SIP복합패널로 시공하여 기존 기둥-보 공법과는 차이를 두었다.

한옥이 기둥-보의 접합성을 높이기 위해 무거운 지붕으로 눌렀던 것과 달리 가벼운 지붕을 얹음으로써 지진의 흔들림에 훨씬 유연하게 대처할 수 있다.

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약한 골조의 단점을 보강한 혼합구조

건축물의 수평하중 저항성능은 태풍과 같은 강한 바람 또는 지진 등에 의한 건축물의

구조적인 안전성을 확보하기 위해 매우 중요하다. 이에 따라 우리나라에서도 건축물

의 내진설계 중요성이 강조되고 있으며, 내진설계기준 또한 강화되고 있다.

지진에 강한 다양한 공법이 적용된 한그린 목조주택은 비강도가 우수한 목재를 주요

구조부재로 사용하여 고정하중을 감소시킴으로써 지진에 의한 피해를 줄일 수 있도

록 개발되었다. 특히 지진에 의한 건물의 흔들림에도 강한 성능을 발휘하는 경골목구

조 벽체를 기둥-보 구조와 혼합하여 적용한 것은 한그린 목조주택의 가장 큰 특징이

다. 즉 지진 때문에 발생하는 수평하중을 골조와 벽체로 분산해 접합강성을 높인 것

이다. 이러한 혼합구조는 지진에 대한 저항력이 약한 골조의 단점도 보완할 수 있다.

한그린에 적용한 혼합구조의 성능은 경골목구조 전단벽체보다도 더 뛰어나며, 기둥-

보 접합부의 접합강성과 기둥부재의 휨강성이 저항력을 더욱 키워준다.

혼합구조 벽체의 수형하중 지지성능

P&B : 기둥-보 골조, LF : 경골목구조 전단벽체, PB-LF : 혼합구조 벽체

PB-LFW : 창문개구부 혼합구조 벽체, PB-LFD : 문개구부 혼합구조 벽체

P15 : 수평변위 15㎜일 때 하중, P45 : 수평변위 45㎜일 때 하중, K : 수평강성

수평반복하중 사이클 혼합구조 벽체의 반복하중시험 혼합구조 벽체의 수평하중저항성능

지진성능테스트 2스틸하우스

“철물 보강과 나사로 긴결시키다”

지진에 의해 건축물이 파손되거나 붕괴되는 현상은 여러 가지 원인에 의해 발생할 수 있다. 왜냐하면 건축물에 직접적으로 손상을 주는 것은 지진에 의해 나타나는 자연현상이기 때문이다. 지진에 의해 나타나는 자연현상으로는 지반진동, 산사태나 눈사태, 지반의 액상화, 지반의 솟아오름이나 갈라짐 또는 부동침하, 쓰나미(Tsunami) 등도 지진으로 나타나는 자연현상이다.

지진에 대해 건축물이 안전한가를 평가하기 위해서는 다음에 제시될 그림과 같이 지반에 발생한 진동이 건축물에 수평방향의 전단력으로 작용하여 건물이 손상을 입게 되는 것으로 가정한다. 그러므로 건물이 지진에 대해 안전한가는 건물에 작용하는 하중에 대해 건물 자체의 구조나 접합부 등이 얼마나 잘 견디느냐와 관련이 있다.

건물의 무게에 비례해 작용하는 하중

먼저 건물에 작용하는 하중을 보면 지진동에 의해 지면이 수평방향으로 움직이게 되는데, 이는 시간에 따라 크기가 다른 힘을 건물에 전달한다.  건물은 지반에서 전달된 이 하중에 의해 영향을 받게 된다. 그런데 이 하중은 건물 자체의 무게(자중)에 비례하여 작용한다.  즉 건물 자체의 무게가 가벼울수록 지진에 의해 건축물에 작용하는 하중이 작아진다는 의미이다.

스틸하우스는 구조체 자체의 무게가 가벼운 공법으로 지진에 의해 영향을 받는 하중의 크기도 그만큼 작다고 할 수 있다.

                   지진에 의해 건물에 작용하는 하중

하중에 저항할 수 있는 홀다운과 앵커

수평방향으로 작용하는 하중(지진)은 기초에서 벽체로 전달되고, 이 하중이 다시 바닥으로 전달된 다음 2층 벽체, 지붕으로 전달된다. 이렇게 하중이 전달될 때, 한 부분이라도 제대로 하중에 저항하지 못하면 구조물은 파손된다.

스틸하우스는 기초 부분에 지진의 영향이 미칠 때, 벽체로 그 힘이 전도되는 것을 방지하기 위해 홀다운(철물)을 사용한다. 벽체에는 미끄럼을 방지해 주는 앵커를 기초와 긴결한다.

벽체 변형을 방지하는 X브레이싱과 면전단재

벽체에 X브레이싱이나 면전단재를 이용하면 벽체가 마름모 모양처럼 변형이 일어나지 않는다. 강판인 X브레이싱 전단벽체는 작은 부위에 설치하더라도 큰 힘으로 저항할 수 있으며, 면전단재는 X브레이싱보다는 저항력이 작지만 넓은 면적에 설치할 수 있다.

X브레이싱은 스틸하우스의 구조재로 사용되는 강판과 동일한 강판을 이용하여 강판의 폭, 두께, 벽체 모서리에 접합하는 나사의 개수 등에 따라 수평하중에 저항하는 힘의 크기를 조절할 수 있다. 반면 면전단벽체는 12㎜ OSB나 구조용합판 등을 이용하여 벽체가 수평하중에 저항할 수 있도록 하는 것으로, 면전단재와 스틸하우스 구조재와의 접합나사 간격 등에 따라 저항하는 힘의 크기를 조절할 수 있다. 스틸하우스의 경우 아래 표와 같이 접합부를 구성할 시, 면전단벽체가 수평하중에 저항할 수 있는 하중의 크기를 산정하여 설계에 적용하고 있다.

바닥 골조와 지붕 트러스의 저항 장치

바닥에는 조이스트라고 하는 구조재를 18㎜ OSB나 데크플레이트로 정해진 간격에 맞춰 나사로 접합하고 블록킹과 스트랩 등으로 긴결한다.  이렇게 구성된 바닥판은 벽체에서 전달된 수평하중에 잘 저항하게 된다. 지붕에는 트러스를 수평방향 하중에 저항할 수 있는 12㎜ OSB로 나사로 접합하고 트러스 브레이싱에 의해 연결한다. 트러스와 벽체는 나사와 접합철물을 이용하여 긴결하게 된다.

  글을 쓴 정재민 씨는 한국철강협회 스틸하우스 전문강사로 활동하고 있으

며, 한국기술교육대학교 건축과 출강, 대원대학 건축인테리어 계열 출강으로

스틸하우스 교육에 힘쓰고 있다. 02-559-3565 www.steelhouse.or.kr

 

지진성능테스트 3철골 라멘 주택

“일체형 용접+내력벽으로 충격 흡수”

용인 이에스하임(ESHeim)의 모델하우스는 고강도 프레임에 견고한 접합을 통한 유닛(UNIT) 공법으로, 강도 12의 강진을 견뎌낼 수 있는 박스형(Box) 설계구조이다. 유닛 자체의 내구성도 140을 보장하며, 공장에서 생산된 모듈의 정밀도가 그대로 현장에 적용되기 때문에 설계상의 구조와 성능을 지닌 건물을 시공할 수 있다. 일본의 한신 대지진의 2.2배인 지진강도 1,800GAL의 흔들림에도 견뎌낼 수 있는 검증받은 내진성능을 가졌다.

취재협조 (주)이에스하임 02-3453-8509 www.esheim.com

유연하게 외력을 흡수하는 라멘 구조

모델하우스는 철골 라멘(Rahmen) 구조의 주택을 80%까지 공장에서 생산하는 유닛 공법의 주택이다. 라멘 구조란 기둥과 보가 강성(剛性)으로 접합되어 연속적으로 이루어진 골조를 말하며, 모든 외력은 기둥ㆍ보를 통하여 기초로부터 지반에 전달한다. 이러한 라멘의 특성으로 인하여 평면계획상 자유스러운 배치가 가능하고, 넓은 개구부 및 공간을 얻을 수 있어 고층건축에 널리 채택되는 구조이다.

지진에 저항하는 박스 라멘 구조와 내력화된 외벽은 딱딱함과 유연함의 2중 강도를 발휘하게 된다. 철강을 고강도·고정밀도의 용접으로 박스형에 일체화시켜 단일 부자재임에도 대지진도 견딜 수 있다. 구조 자체가 견딜 수 있는 한계를 넘을 시에는 기둥과 보가 서로 변형하면서 에너지를 흡수하고 흔들림이 진정되어 원래의 자리로 되돌아가는 유연한 저항형 구조이다.

일반적인 용해아연 도금보다 3~4배 강한 용해아연 알루미늄마그네슘 합금 도금을 모든 철골에 사용하여 약 140년이나 녹 방지 효과가 있다. 이는 철골에 손상이 가도 도금 중의 아연, 알루미늄, 마그네슘의 성분이 녹아서 철을 보호하며 절단면이나 가공 부분, 용접 부분에도 도금 층 안의 마그네슘이 녹아내려 뛰어난 보호 피막을 형성한다.

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