“하중은 건물 자체 무게에 비례한다”

얼마 전 동남아시아에 발생한 지진에 의한 해일에 많은 인명을 잃은 안타까운 일이 있었다. 자연재해에 의한 피해의 가능성은 우리나라도 예외는 아닐 것이다. 이러한 가운데 생활의 기본 단위인 주택의 안전성 진단이 어느 때보다 절실하다고 할 수 있다. 이에 국내에서 전원주택의 구조로 선호되고 있는 스틸하우스의 내진 성능을 점검해 본다.

지진에 의해 건축물이 파손되거나 붕괴되는 현상은 여러 가지 원인에 의해 발생할 수 있다. 건축물에 직접적으로 손상을 주는 것은 지진에 의해 나타나는 자연현상이기 때문이다. 지반진동, 산사태나 눈사태, 지반의 액상화, 지반이 솟아오르거나 갈라짐, 지반의 부동침하, 쓰나미(Tsunami) 등이 그것이다.

이러한 현상들이 건축물에 다양하게 영향을 주지만 지진에 대해 건축물이 안전한가를 평가하기 위해서는 <그림1>과 같이 지반에 발생한 진동이 건축물에 수평방향의 전단력으로 작용하여 건물이 손상을 입게 되는 것으로 가정한다.

건물이 지진에 대해 안전한가는 건물에 작용하는 하중에 대해 건물 자체의 구조나 접합부 등이 얼마나 잘 견디느냐와 관련이 있다.  

먼저 건물에 작용하는 하중을 보면 지진동에 의해 지면이 수평방향으로 움직이게 되는데, 이는 시간에 따라 크기가 다른 힘을 건물에 전달하게 된다. 건물은 지반에서 전달된 이 하중에 의해 영향을 받게 되는 것이다. 그런데 이 하중은 건물 자체의 무게(자중)에 비례하여 작용하게 된다. 즉 건물 자체의 무게가 무거울수록 지진에 의해 건축물에 작용하는 하중은 그 만큼 커진다는 의미이다. 스틸하우스는 구조체 자체의 무게가 아주 가벼운 공법으로 벽체의 무게는 동일한 크기의 철근콘크리트 벽체 무게의 1/8 수준이며, 2×4 목재 무게의 1/2 수준에 불과하다. 따라서 지진에 의해 영향을 받는 하중의 크기도 그 만큼 작아서 동일한 규모, 동일한 층수일 때 더 안전하다고 할 수 있다.  

수평하중에 대한 저항

다음으로 건물이 작용한 하중에 의해 어떻게 저항하는지 살펴보자. 수평방향으로 작용하는 하중은 기초에서 벽체로 전달되고 이 하중이 다시 바닥으로 전달되고, 다음으로 2층 벽체 및 지붕으로 전달된다.

이렇게 하중이 전달될 때 한 부분이라도 제대로 하중에 저항하지 못하는 부분이 있다면, 구조물은 파손된다.

스틸하우스의 기초, 벽체, 바닥, 지붕 구조는 수평하중에 잘 저항할 수 있도록 설계가 가능하다. 먼저 기초에서 전달되는 수평방향을 하중에 의해 벽체가 전도되는 것을 방지하기 위해 홀다운이라는 철물을 사용한다. 또한 벽체가 수평방향 하중에 의해 미끄러지는 것을 방지하기 위해서는 <그림 2>와 같이 앵커를 이용하여 벽체를 기초와 긴결한다.   

스틸하우스의 벽체는 X브레이싱이나, 면전단재를 이용하여 수평방향의 하중에 의해 벽체가 <그림 3>과 같이 마름모 모양으로 변형하지 않도록 한다. X브레이싱 전단벽체는 강판을 이용하기 때문에 작은 부위에 설치하더라도 큰 힘으로 저항할 수 있다. 반면 면전단재를 사용하는 방법은 X브레이싱보다는 저항력이 작지만 넓은 면적에 설치할 수 있는 장점이 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. 그래서 수평하중에 저항할 수 있는 벽량이 적은 건물이나, 큰 수평하중이 작용하는 경우 효과적이다.<그림 4>

면전단벽체의 내력

면전단벽체는 12㎜ OSB나 구조용합판 등을 이용하여 벽체가 수평하중에 저항할 수 있도록 하는 것으로 면전단재와 스틸하우스 구조재와의 접합나사 간격 등에 따라 수평하중에 저항할 수 있는 정도가 달라진다. 스틸하우스의 경우 <표 1>과 같이 접합부를 구성할 경우 면전단벽체가 수평하중에 저항할 수 있는 하중의 크기를 정확히 산정하여 설계에 적용하고 있다.

스틸하우스 바닥의 경우, 조이스트라고 하는 구조재를 수평방향 하중에 저항할 수 있는 18㎜ OSB나 데크플레이트를 가지고 정해진 간격으로 나사로 접합하고 블록킹과 스트랩 등으로 긴결한다. <그림 5>와 같이 구성된 바닥판은 벽체에서 전달된 수평하중에 잘 저항하게 된다.

스틸하우스 지붕의 경우, 트러스라고 하는 구조재로 조립한 후 트러스들을 수평방향 하중에 저항할 수 있는 12㎜ OSB를 나사로 접합하고 트러스 브레이싱에 의해 연결하여 수평방향 하중에 잘 저항할 수 있도록 한다. 또한 트러스와 벽체는 나사와 접합철물을 이용하여 긴결하게 된다.

스틸하우스에 벽체에 사용되는 이러한 공법은 벽체의 수평하중 저항 성능과 관계가 있는 홀다운설치, 앵커설치, 석고보드, 나사 개수 등을 실험을 통하여 그 성능을 입증한 것으로 실제 크기의 벽체를 제작하여 실제 지진파(El Centro NS 지진파, Kobe EW 지진파)를 벽체에 적용하여 그 성능을 검증한 것이다.<그림 6, 그림 7>

스틸하우스는 건축물 자체 무게가 가벼워서 지진에 의해 작용하는 하중의 영향이 적으며, 과학적인 실험에 의해 성능이 검증된 기초, 벽체, 바닥, 지붕 등을 이용하여 설계할 수 있기 때문에 지진에 잘 견디는 공법이라고 할 수 있다.
 
<포항산업과학연구소(RTST) 이승은 연구원>