월간전원주택라이프



[11월호 특집] 03. 지진에 강한 주택 구조, 따로 있나요?

2016-11-01

THEME 03 전문가에게 물었다 '지진에 강한 주택 구조, 따로 있나요?' 내진 성능은 집의 구조와 형태, 집이 놓인 위치, 시공방법, 관리법 등에 따라 각각 달라진다. 매우 예민하면서도 세심한 기술인 셈. 그래서 어떠한 주택이 더 안전하고 덜 안전한지를 단순히 알 순 없다. 즉 case by case다. 그래도 우리는 궁금하다. 과연 내가 사는 주택구조는 괜찮을까. 이에 관련 구조별 건축 전문가에게 질문해봤다. 다시 한 번 말하지만, 주택별 상황에 따라 전문가의 답을 그대로 적용하지 못할 수도 있다는 점을 인지하자. 또한, 규모가 엄청나게 큰 지진에 버티는 주택은 거의 없다. 내진설계는 건축물 자체가 아닌 그 안의 사람들을 보호하기 위해 이루어짐을 잊지말자. 01. 한옥의 내진성이 궁금하다! 김영민 명지대 건축학부 교수 "이번 경주지진으로 한옥의 피해가 부각되는 것 같아 안타깝습니다. 피해를 입은 분 중 경제적으로 넉넉하지 않은 이들이 많아 더욱 안타깝습니다. 하지만 많은 분들이 자발적으로 지진피해 복구에 참여하고 있어 우리 사회에 희망이 있다고 생각합니다. 재발 방지를 위해서는 한옥의 내진성을 높이는 연구와 일반인의 관심이 필요합니다." Q. 지난번 경주지진 당시 낡은 한옥 일부가 파손됐는데, 한옥 괜찮을까요? 전통적인 방법으로 잘 지은 한옥은 지진에 약하다고 볼 순 없습니다. 이번 경주지진의 경우도 기둥이나 도리, 대들보 등 구조재에 문제가 발생한 것보다는 기와 탈락이나 흙벽의 균열 등 마감재가 손상된 것이 대부분이었습니다. Q. 그렇다면 한옥은 지진에 얼마나 버틸 수 있을까요? 이 부분은 정확히 알 수 없습니다. 역사적으로 지진으로 초가집이 무너졌다던가, 석탑의 탑신이 떨어졌다는 등의 기록이 있지만 이 때에도 지진 강도가 얼마 정도인지 정확히 파악하지 못했습니다. 하지만 변형능력과 에너지 흡수 능력이 큰 한옥 특성상, 중간규모의 지진까지는 어느정도는 잘 저항한다고 예상할 수 있습니다. Q. 한옥도 내진설계가 가능한가요? 안타깝게도 내진설계 개념을 적용한 한옥은 아직 없다고 볼 수 있습니다. 일본의 경우 현대식 목구조에 제진장치를 설치한 사례가 있는데, 이때 벽체 내에 숨겨 설치하는 방법을 취했습니다. 한옥도 이러한 방법을 활용하거나 결구 부위의 강성을 더 크게 하는 방법으로 내진성능을 확보할 수도 있을 것입니다. 기둥과 도리, 기둥과 대들보 사이의 결구 부위에 철물로 보강하거나 기둥 사이에 가새를 덧붙이는 방법이 있겠죠. 하지만 이러한 경우 한옥의 멋을 해치게 된다는 단점이 있습니다. 이러한 부분은 앞으로 연구가 필요합니다. Q. 이번 지진의 경우, 기와 탈락이 눈에 띕니다. 보완책은 없을까요? 지진력에 의해 건물은 주로 옆으로 흔들리게 되는데, 이때 기와는 지붕에 결속해 있지 않기 때문에 관성력에 의해 지붕구조체와 분리되는 현상이 발생할 수 있습니다. 현재 한옥 시공방법으로는 지진 발생 시 기와와 지붕구조 분리 및 이로 인한 탈락을 막기는 근본적으로 어렵다고 보입니다. 기와가 지붕에서 떨어지지 않는다고 해도 보토와 기와가 분리되고 보토가 흐트러져 전체적인 기와공사가 불가피한 문제도 발생할 것입니다. 결국 수리비용이 많이 들게 되겠죠. 기와 탈락을 막기 위해서는 기와를 지붕구조에 정착하는 방법을 강구해야 하는데, 이마저도 다른 요인에 의해 기와가 파손됐을 때 교체 등이 어려울 수 있습니다. 기와를 지붕구조체에 고정하면서도 쉽게 교체할 수 있고, 전통적인 한옥의 멋을 유지할 수 있는 기술개발이 필요한 상황이죠. 02. 콘크리트 주택의 내진성이 궁금하다! 김승직 계명대 건축공학 전공 교수 Q. 어떠한 구조의 주택이 지진에 취약한지 관심이 많습니다. 내진설계를 하고 정석대로 제대로 잘 짓기만 하면 어떤 형식의 주택도 어느 정도의 지진에는 잘 대응할 수 있을 겁니다. 하지만 내진설계가 되어 있지 않다면, 저층 주택의 경우 사용재료에 상관없이 지진에 대해 취약합니다. 해외에서는 내진설계 시 층수제한을 두지 않지만 국내에서는 2층 이상 연면적 500㎡ 이상 건축물만 대상으로 지정돼 있습니다. 만약 내진설계가 되어 있지 않다는 가정하고 콘크리트 주택과 목조 주택, 조적조 주택 중 가장 취약한 주택을 선택하라면 조적조 주택이라 판단됩니다. 조적조 주택은 벽돌 사이에 철근을 삽입해 내진성능을 확보하는 설계를 하지 않는 한, 벽돌의 강도와 시멘트 모르타르의 강도가 상대적으로 많이 낮기 때문에 지진 발생 시 피해가 더 많이 발생할 수 있다고 판단됩니다. 물론 벽돌 사이 철근 삽입하는 방식은 국내에서 거의 하지 않고 있는 것으로 보입니다. 반면, 철근콘크리트 구조물은 철근을 사용합니다. 압축력에는 강하지만 인장력에는 약한 취성 재료인 콘크리트의 약점을 보완하기 위해서죠. 따라서 지진 발생 시 조적조 주택과 비교하여 상대적으로 나은 에너지 소산능력을 발휘합니다. 목조 주택의 경우, 세 주택 중 상대적으로 중량이 적기 때문에 관성력과 관련 있는 지진 하중의 크기를 줄일 수 있고, 접합부의 철골 연결재를 사용할 경우 지진 발생 시 조적조 주택보다는 나은 연성거동을 보일 거라 판단됩니다. Q. 필로티 구조가 지진에 취약하다 들었는데, 그 이유는 무엇인가요? 건축물에서 인접한 상부 또는 하부층에 비해 강성이 부족해 기둥의 상하부에 소성힌지(하중이 증가함에 따라 기둥 단부가 마치 회전이 쉽게 될 수 있는 핀처럼 움직이는 현상)가 형성되기 쉬운 층을 연약층(Weak story 혹은 Soft story)이라 합니다. 이러한 연약층은 기둥 상하부에 휨 파괴가 발생해 한 층이 붕괴하면서 전체 건물에 상당한 피해를 입힐 수 있습니다. 필로티 구조물은 벽체가 많은 상부층과 비교해 1층에는 벽체 없이 기둥으로 돼 있어 횡강성이 상대적으로 낮아 연약층이 되는데, 변형이 크게 발생하고 붕괴 위험성도 높아질 수 있습니다. Q. 지진 발생 시 콘크리트 주택에서 피해가 발생할 수 있는 부분은 어디인가요? 최근 발생한 중대형 지진으로 지진하중을 고려하지 않고 중력 하중 만을 고려한 설계를 했던 철근콘크리트 구조물들이 상당한 피해를 입었습니다. 특히 비내진 상세(전단철근이 적게 시공되거나 없는 경우)를 가진 철근콘크리트 구조물의 피해가 계속 보고되고 있습니다. 사례를 살펴보면, 기둥과 보-기둥 접합부에서 파괴가 많이 발생합니다. 기둥의 경우 휨에 의한 기둥하부의 파괴, 전단파괴, 단주효과에 의한 전단파괴가 많이 발생합니다. 단주효과란, 설계 시 고려하지 않은 칸막이 또는 조적조 벽에 의해 기둥의 높이가 상대적으로 작아져 단주같이 거동하는 것으로 의미합니다. 보-기둥의 접합부 파괴는 대부분 부적합한 상세로 인해 파괴됩니다. Q. 콘크리트 주택의 내진보강 방법은 없나요? 현재 관련 보강법은 다양하게 연구개발되고 있습니다. 횡력저항시스템을 추가해 보강하거나, 부재 보강법, 댐퍼로 지진에너지를 소산시키는 등 다양한 방법이 있습니다. 가장 먼저 횡령저항시스템은 프리캐스트 철큰콘크리트벽을 보-기둥 골조에 설치하거나 브레이스를 X자로 설치해 횡력저항능력을 키우는 방법이 있습니다. 구조물기둥보재 보강법의 경우, 단면증설법이나 강판보강법, 섬유보강 또는 FRP(Fiber Reinforced Polymer) 보강법이 있습니다. 횡령저항시스템과 구조물기둥보재 보강법은 재래식 공법으로 건물의 중량을 증가시키거나, 작업공간 확보의 어려움, 이용공간의 제한 등의 문제점을 안고 있습니다. 이중 강판보강법은 모재와 보강재 사이의 접착성 상태에 따라 구조물을 보강할 수도 있지만, 오히려 구조물 상태를 더욱 불리하게 할 수 있고 지속적인 유지보수가 필요하다는 문제점도 있지요. 이 같은 재래식 보강공법의 단점을 보완하기 위해 탄소섬유Carbon Fiber. 아라미드섬유Aramid Fiber, 유리섬유Glass Fiber 등과 같은 복합 신소재를 이용한 새로운 보강법을 개발해 사용하고 있습니다. Q. 강도 높은 콘크리트로 집을 지으면 안전할까요? 물론 강도가 높은 콘크리트로 집을 짓는다면 건축물의 강성이 증가해 지진하중에 견딜 수 있는 능력도 향상하겠죠. 하지만 고강도 콘크리트로 주택을 짓는 것은 좋은 방법은 아닙니다. 일반적으로 건축물의 내진설계는 2,400년에 한번 발생하는 지진 세기(250년에 초과 확률 10%)의 2/3 수준에 대해 인명안전을 목표로 설계합니다. 많은 분들이 오해하는 것 중 하나가 내진설계가 된 건물은 피해가 없을 거로 생각하는데, 내진설계의 목표는 인명안전 확보이기 때문에 내진설계를 했다 해도 지진 시 건물에 어느 정도의 피해는 발생할 수 있다는 것입니다. 이러한 점을 미뤄볼 때 콘크리트 강도만을 높이는 것보다는 철근 상세를 증가해 구조물의 연성 확보가 더 나은 방법입니다. 03. 스틸하우스의 내진성이 궁금하다! 정재민 한국기술교육대 건축공학부 겸임교수 스틸하우스는 건축물 무게가 가벼워 지진에 의해 작용하는 하중의 영향이 적습니다. 또한, 최근 미국 샌디에이고에 위치한 연구소에서 스틸하우스 공법으로 지은 6층 건물의 내진 테스트로 진도 7 이상의 강도에도 안전하다는 것이 확인됐습니다. 이처럼 과학적인 실험에 의해 성능이 검증된 전단벽이나 지붕, 바닥의 다이아프레임이 적재적소에 배치되는 형태로 설계 및 시공이 이뤄지기 때문에 지진에 잘 견디는 공법이라 할 수 있습니다. Q. 지진에 안전한 건축물의 요소가 있다면 무엇일까요? 지진에 의해 건축물 파괴 및 붕괴 현상은 여러 원인에 의해 발생할 수 있습니다. 지진에 대해 건축물이 안전한지 평가하기 위해서는 지반에 발생한 진동이 건축물에 수평 방향의 전달력으로 작용해 건물이 손상을 입게 되는 것을 가정합니다. 그러므로 건물이 지진에 얼마나 안전한지를 판단할 때는 건물에 작용하는 하중에 대해 건물 자체의 구조나 접합부 등이 얼마나 잘 견디느냐와 관련 있지요. Q. 건물 무게도 지진 시 발생할 수 있는 피해와 관련이 있다고 들었습니다. 지진동에 의해 지면이 수평방향으로 움직이고, 시간에 따라 크기가 다른 힘을 건물에 전달하게 됩니다. 건물은 지반에서 전달된 이 하중에 의해 영향을 받게 되고요. 그런데 이 하중은 건물 자체의 무게(자중)에 비례해 작용하게 됩니다. 즉, 건물 자체의 무게가 가벼울수록 건축물에 작용하는 하중이 작아진다는 의미죠. 스틸하우스는 구조체 자체의 무게가 아주 가벼운 공법으로, 벽체의 무게는 동일한 크기의 철근콘크리트 벽체 무게의 1/8 수준이며, 2×4 목재 무게의 1/2수준입니다. 따라서 지진에 의해 영향을 받는 하중의 크기도 그만큼 작아서 동일한 규모, 동일한 층수일 때 더 안전하다고 할 수 있습니다. Q. 스틸하우스는 어떻게 지진에 견디나요? 스틸하우스의 기초, 벽체, 바닥, 지붕 구조는 수평 하중에 잘 저항할 수 있도록 설계할 수 있습니다. 기초에서 전달되는 수평 방향을 하중에 의해 벽체가 전도되는 것을 방지하기 위해 ‘홀다운’이라는 철물을 사용하고, 벽체가 수평방향 하중에 의해 미끄러지는 것을 방지하기 위해 ‘앵커’를 이용해 벽체를 기초와 긴결합니다. 벽체는 ‘X 브레이싱’이나 ‘면전단재’를 이용해 수평 방향의 하중에 의해 벽체가 마름모 모양으로 변형하지 않도록 합니다. X 브레이싱 전단벽체는 강판을 이용하기 때문에 작은 부위에 설치하더라도 큰 힘으로 저항할 수 있는 방법입니다. X 브레이싱은 스틸하우스 구조재로 사용하는 강판과 동일한 강판을 이용해 강판의 폭, 두께, 벽체 모서리에 접합하는 나사의 개수 등에 따라 수평 하중에 저항하는 힘의 크기를 조절할 수 있습니다. 그래서 수평 하중에 저항할 수 있는 벽량이 적거나 큰 수평 하중이 작용하는 경우 효과적입니다. 면 전단재를 사용하는 방법도 있는데 OSB나 구조용 합판 등을 이용해 벽체가 수평 하중에 저항할 수 있도록 구조재와 면 전단재와의 접합나사 간격에 따라 수평 하중에 저항할 수 있는 정도가 달라집니다. X 브레이싱보다는 저항력은 작지만 넓은 면적에 설치할 수 있다는 장점이 있죠. 바닥은 ‘조이스트’라는 구조재를 18mm OSB나 데크플레이트로 정해진 간격에 맞춰 나사로 접합하고 긴결하면, 벽체에서 전달된 수평 하중에 잘 저항하게 됩니다. 지붕의 경우는 ‘트러스’라는 구조재로 조립 후 트러스들을 수평 방향 하중에 저항할 수 있는 12mm OSB로 나사 접합하고 트러스 브레이싱으로 연결하면 됩니다. 또한 트러스와 벽체는 나사와 접합철물로 긴결하게 됩니다. 04. 목조 주택의 내진성이 궁금하다! 김각경 ㈜두항구조안전기술사사무소 대표이사 Q. 항간에 목조 주택이 조적조나 콘크리트 주택보다 지진에 안전하다는 소문이 있습니다. 사실인가요? 결론부터 말해서 어떠한 구조의 주택이든 제대로 구조설계하고 잘 지으면 어느 정도의 지진 규모에 버틸 수 있습니다. 따라서 어떤 주택이 지진에 더 안전하냐고 묻기보단, 구조설계를 잘하고 감리를 잘한 집에 대해 알아보는 것이 맞다고 생각합니다. 일단 경량목구조는 주로 주거 용도의 건물에 적용합니다. 거실이나 침실, 화장실 등 각 실이 벽체로 칸막이 돼 있고 외부면도 벽량이 많습니다. 이러한 벽체가 지진으로 발생하는 수평력을 지지하기 때문에 지진에 강하다고 ‘표현’할 수 있습니다. 또한 건물의 중량이 콘크리트 주택에 비해 가볍기 때문에 지진력 발생이 비교적 적다고 할 수 있습니다. Q. 단순한 구조의 건축물이 지진에 강하다고 들었습니다. 평면상 단순한 형태를 단순한 건축물로 볼 수 있는데, 요철이 많은 평면은 요철 꼭짓점 부근으로 응력이 집중되기 때문에 불리한 평면유형이라 할 수 있습니다. 그리고 입면이나 단면적으로 단순한 형태일 경우, 응력의 흐름이 원활히 이뤄져 불필요한 보강도 줄어들고 시공도 간편해질 수 있지요. 지붕의 형태도 단순한 형태이면, 하중 전단이 명확해지지만 복잡한 지붕형태 즉, 용마루가 여러 지점에 있고 절곡지점이 많으면 다소 지진에 불리하다고 말할 수 있습니다. 하지만 주택 특성상 창고처럼 단순한 형태만 추구할 수는 없죠. 구조설계자와 협의해 거주자의 편리와 의장적 조형을 갖춘 집을 만들 수 있으니 걱정마십시오. Q. 지진에 안전한 집을 위해 못을 많이 박으면 되지 않느냐는 질문도 있습니다. 경량목구조 주택의 경우, 각 부재를 연결하는 접합에 못을 주로 사용하게 됩니다. 못의 개수를 많이 사용하면 내력이 증가할 것이라 생각하겠지만 필요 이상의 못 치기는 부재의 갈라짐을 유도하게 됩니다. 접합부의 내력을 저하하게 되는 거죠. 그러므로 필요한 개수의 못을 정확한 간격으로 못 치기를 해야 합니다. 요즘에는 연결철물을 사용하기도 하는데, 이 경우 연결철물에 못 구멍이 지정돼 있어 과도한 못치기를 방지하고 적절한 접합 내력을 확보할 수 있습니다. Q. 튼튼한 목재를 사용하면 지진에 잘 버티지 않을까요? 목재는 수종에 따라 각각 허용응력에 차이가 있습니다. 동일한 수종이라도 등급에 따라 차이가 있습니다. 가장 중요한 것은 수종의 선정이 아니라, 건축계획을 고려한 구조검토입니다. 그러므로 획일적으로 어떤 수종이 더 안전하냐는 표현은 적절하지 않은 것 같습니다. Q. 내진에 강한 건축물은 실제 시공도 중요할 것 같습니다. 내진에 강한 건축물 즉 지진력·수평력에 강한 건축물을 시공하기 위해서는 각 부재의 접합부위, 특히 스터디와 OSB의 못 치기 간격이 중요합니다. 이를 법적으로 검증하는 규제는 현재로썬 없는 상황입니다. 시공자의 시공능력에 맡겨져 있죠. 물론 대다수 공사하는 분들이 규정에 맞게 시공하리라 봅니다. 이에 대한 한가지 대안을 들 수 있는 것이 바로 한국목조건축협회에서 진행하는 감리제도인 ‘5-STAR 목구조품질인증’을 받는 조건으로 계약하는 것입니다. ‘캐나다우드한국사무소’와 공동 개발한 감리 매뉴얼로 충분한 기술적 근거를 검토한 내용으로 정리돼 있습니다. 매뉴얼에 의한 공정한 감리관리가 이뤄져 있기 때문에 봐주기식으로는 하지 않습니다. 신청 건수 대비 5-STAR 품질인증 발부 비율이 70%선입니다. 감리범위는 목구조와 외벽, 지붕 등 외피의 습기관리, 단열시공 관리 등 목구조 건축물의 기본적인 부분입니다. Q. 이미 지어진 목조 주택을 내진 보강하고 싶다면 어떻게 해야 할까요? 일본의 경우, 기존 건물의 내진보강에 힘쓰고 있습니다. 우리나라도 이에 대한 필요성을 느끼는 이들이 늘어나거나 법으로 강제된다면 내진성 확보를 위한 관련 공사가 늘어나게 될 것입니다. 일반적인 보강방법은 주로 벽체 보강법입니다. 건물 전체의 평면도를 작성하고 이를 기준으로 내진평가를 실시해 벽량이 부족한 경우 창호축소, 즉 벽량을 늘리는 거죠. 혹은 기존 벽체의 외장재를 철거하고 그 내부에 목재 가새를 설치하거나 일정 수평력이 확보되는 재료를 채우는 방식으로 보강할 수 있습니다. 하지만 제가 아는 선에서 우리나라에서 이러한 공사가 이뤄진 경우는 거의 없었던 것으로 알고 있습니다. in short 통나무 주택은요? 큰 통나무를 쌓아 만든 통나무 주택 거주자들도 이번 지진이 불안하기는 마찬가지다. 혹여 쌓아 올린 통나무들이 무너지진 않을까 노심초사다. 하지만 전문가들은 제대로만 잘 지었다면 안심해도 좋다고 말한다. 통나무 주택의 내진성에 대해 강석찬 정일품송 대표를 통해 알아봤다. 안전성_일본은 통나무 주택 수요가 세계에서 두 번째로 많은 국가다. 전문가들은 지진이 잦은 일본에서 통나무 주택을 선호한다는 점이 통나무 주택의 안전성을 반증한다고 본다. 형태의 문제보다는 얼마나 구조계산을 제대로 했는지가 중요하다. 이는 통나무 주택 뿐만 아니라 다른 주택도 마찬가지라고 전문가들은 지적한다. 결합방식_통나무 주택은 통나무와 통나무를 쌓는 각 모서리를 파서 가로축과 세로축을 반단 높이만큼 홈에 끼워 적층하는 방식이다. 통나무 주택은 해외에서 공법을 도입하면서 자연스럽게 내진이나 강풍에 잘 견딜 수 있도록 적용해왔다. 구조적으로 지진에 안전해 벽체붕괴나 변형은 거의 없음이 실험을 통해 검증됐다. 단, 공사비 절감을 위해 제대로 된 시공을 하지 않은 양심 불량 업체 주택의 경우 그 품질을 보장할 수 없다. 수종_자재 자체보다는 결합 방식에 따라 내진성을 갖춘다. 또한, 통나무 주택이나 목조주택의 경우 품질등급을 적용하는 공통적인 구조체를 많이 사용하기 때문에 별 차이가 없다. 외국의 보강방법_지진이 잦은 일본의 경우 통나무 주택 시공지침 및 법규에 따라 시공한다. 미국도 기초와 토대와 통나무를 앵커로 고정해 지진 발생 시 집이 전후좌우로 이동하는 것을 방지하고 있다. 아직 우리나라에서는 통나무 주택만을 위한 내진설계 시공사례가 많이 없다. 자체로도 내진성을 갖췄기 때문이다. 관련해 앞으로 연구해야 할 과제다. < Country Home News >