기초의 구조계산을 위한 지내력 시험

현재의 낮은 설계비 수준 때문인지는 모르겠으나, 단독주택 단위에서 기초구조계산을 하는 경우는 거의 없다. "어! 우리 집은 구조설계사무소에서 계산한 기초 구조도면이 있는데?" 라고 반문하시는 분이 있을지도 모르겠다. 그 구조계산은 계산이 아니라 추정치일 가능성이 거의 100%에 가깝다. 여기서 추정치라고 이야기하는 것은 기초의 구조계산을 추정한 것이 아니라 "지반 상태의 추정"을 의미한다.

땅의 정보를 모르는데 그 위에 올려진 기초가 무슨 소용이 있을 것인가? 

정상적인 기초 방식의 선정은 다음과 같은 프로세스를 거친다.

지반조사(지내력) -> 구조계산(건물자중/용도별 이동하중/풍하중/설하중 고려) -> 기초설계

예를 들어, 파주 00 주택의 경우 지반조사를 했더니 하부에 지하수가 흐르고 있었다. 만약 여느 사람이 하듯이 그저 추정치로 기초를 앉쳤을 경우, 몇년이내에 침하가 있었을 것이다. 아래 사진은 지반 조사 후 파일기초를 시공하는 사진이다.

원래 계곡이있던 곳을 매웠다는 추정이 가능한데, 토지를 매매한 토지주택공사가 단지를 조성하기 전 원지반에 대한 상세한 설명이 매매시 같이 이루어졌어야 한다는 생각이다. 단순히 도면을 참고하라고만 문서에 되어져 있는 경우가 대부분이고 막상 신축시 문제가 생길 경우 문서에 명기를 해놓았기 때문에 귀책사유가 없다고 주장하는 것은 구매자입장에서 볼 때는 야속한 일이기 때문이다.

위와 같이 지반 하부의 상태 혹은 지내력은 미리 알 수 있는 것이 아니다. 시험을 통한 방법만이 유일한 방법이다. 물론 지금까지 해왔어도 아무런 문제가 생기지 않을 수 있다. 확률은 50:50 일 뿐.... 

 

 

기초의 형식

 

대게 단독주택의 기초는 아래의 그림처럼 줄기초 혹은 매트기초로 나뉘어 진다. </di>

두 방법 중 어떤 것이 더 낳은 기초인가는 아무도 말할 수 없다. 위에 적었듯이 지내력 시험을 통한 기초설계를 해서 가장 경제적인 방법을 택하는 것이다.

 

하지만, 대게의 경우 줄기초는 슬라브 중간에 상부 벽을 받기 위한 지중보가 추가되므로 매트기초보다 콘크리트 물량이 적게 들어가도 인건비나 거푸집이 더 많이 들어감으로 결국 매트기초를 택하는 경우가 많다.

구조 설계사무소에 단독주택이나, 근린생활시설의 구조계산을 의뢰하면 오른쪽 그림처럼 매트기초로 풀어오는 경우가 대부분이다. 물론 지내력은 조사하지 않았음으로 충분한 안전율을 감안하여 철근이나, 콘크리트 매트 두께를 과다설계하게 된다.

지내력 조사가 사전이 이루어지면 경우에 따라서 기초비용에서 지내력 조사 비용을 빼고 남을 수 있다. 그 만큼 그 땅에 알맞게 설계가 이루어지기 때문이다. 물론 그렇지 않은 경우가 더 많다. 하지만 모든 것이 그렇듯이 추정치는 항상 문제를 야기할 소지가 있다.

 

매트기초의 하부 단열

 

줄기초를 선택하는 경우는 지표면 가까이 지내력이 부실하여 기초를 상당히 많이 내려야 할 때, 매트기초로는 그 구성이 어렵기 때문에 선택할 수 있다. 그 외의 경우라면 매트기초로 설계되는 것이 대부분이므로 우선 매트기초의 단열부터 설명을 들어간다.

 

외단열로 시공할 경우 대게 최선의 방법으로 선택하는 것이 아래와 같은 방법이다. 기초하단까지 외단열을 내리고 실내측에는 콘크리트 상부에 단열재를 두껍게 까는 방법(경우에 따라서는 겹쳐서 2겹으로 시공)이다.

이런 방법이 현재 시장에서 단열을 가장 고려했다고 선택하는 방법의 일종이다.

 

 

이를 시뮬레이션 해보면 다음과 같다.

시뮬레이션은 Therm 6.2를 사용하였으며, Therm을 이용한 지중 온도전달 해석은 2009년 Urbana Passive House Conference 에서 David White씨가 발표한 자료를 근거로 해석하였다.

David White씨는 PH Consultant Session 발표를 통해 기초의 열전달해석을 위해 지중온도의 산정과 실내측 표면온도를 설정, 그리고 표면열전달저항에 대한 해석 방법을 발표한 바 있다.

앞으로의 모든 기초부위 열전달해석은 상기의 방법을 따랐음을 미리 알린다.

외기온도 : -5℃

실내온도 : 20℃

외부 지표온도 : 외기와 동일

해석 결과는 상기와 같이 나타나며, 실내측에서 원형을 그린 부위가 취약부위로 나타난다. 즉, 외벽과 바닥이 만나는 꼭지점 부위에서 12.6℃ 이하로 떨어지는 구간이 발생하며, 이 구간이 내부 마감표면까지 치고 올라온다. 방통하부의 단열재 내부 라인은 시뮬레이션의 경계조건 상 큰 의미는 없다.

바닥도 곰팡이와 결로의 문제점을 노출하고 있지만, 대부분 바닥난방을 하는 국내 주거시설의 특성상 큰 문제를 야기하지는 않는다.. 즉, 콘크리트 구조에서 외단열이라 할지라도 바닥과 벽체가 만나는 지점에서 온도가 많이 떨어짐을 알 수 있다.

그러므로 기초부위에도 실내측 단열은 한계가 있다는 결론에 도달하게 된다.

물론, 단열재의 실내측에 방습층을 확실하게 시공할 경우 하자의 요인은 현저히 줄어들 수 있으나, 최선의 방법은 아닌 것이다. 

 

상기의 그림에 있는 매트기초에 외단열로 단열을 하면 아래 그림과 같다.

 

 

여기서 기초하부의 단열재가 과연 주택의 하중을 받아도 문제가 없을 것이가? 라는 문제는 일단 다음으로 넘어가기로 한다. 결론부터 이야기하면 문제는 없다.

원론적으로 상기의 그림처럼 외단열로 해야 한다. (GL +200~300 까지는 압출법보온판을 사용) 

하지만, 위와 같이 기초하부가 사선으로 되어져 있는 경우 그림을 그리기는 쉽지만 현장에서 그림처럼 시공하는 것은 불가능에 가까우며 억지로 할 경우 인건비로 인해 그 비용을 감당하기 어렵게 된다. 

아래는 기초하부가 사선으로 되어져 있는 경우의 기초하부 단열재 시공모습니다. 저 형태를 만들기 위해 정말 많은 사람이 무수히 많은 땀을 흘렸음에도 결과는 만족스럽지 못하다. 

 

 

 

일단 사선부분에 무근이 잘 고정되지도 않을 뿐더러 단열재를 붙히기 위한 면을 만들기는 더더욱 어렵다

특히, 면이 고르게 만드는 것이 불가능하기 때문에 단열재와의 사이에 공극이 발생하고 이를 해결하기 위하여 결국 단열재를 다시 해체하고 다시 면을 잡는 공정이 추가로 투입되었다. 많은 금액과 노력이 배로 들 수 밖에 없었고,결과적으로 불가능한 방법을 억지로 하는 것이라는 판단이다.

(경험상 이러한 형태의 기초 외단열에 약 500만원정도가 더 들어간다.)

 

그러므로, 기초의 형성방법은 매트기초라 할지라도 사선으로 구조계산이 되는 것이 아니라 직각으로 풀어야 한다.

 

위와 같이 되어야 공사가 답이 나온다.
 

낯선 형태일테지만 구조설계사무소에 기초를 직각으로 풀어달라고 요구하면 어렵지 않게 풀어오는 것을 볼 수 있다.

아래는 직각 형태의 기초를 구조계산하여 풀어낸 하나의 샘플이다. (이 도면대로 다른 집을 할 수는 없다. 반드시 구조기술사에 의한 구조계산이 수행되어야 한다.)

 

<출처 : 한국패시브건축협회, www.phiko.kr>