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Expansion Joint 이야기 1

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  • 하이구조
  • 03-05-06 16:19
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1. Expansion Joint (E.J), 신축(伸縮)이음매 란?

 

 

신축이음매를 Expansion Joint 또는 약칭으로 E.J 로 부르는 것이 좀 배웠다는 우리 건축인들 사이에서는 더 친숙하게 느껴지는 용어가 되어버렸다.

 

외국어(영어, 일본어 등)로 난발되는 건축전문용어들을 저항없이 받아들였던 탓인지 몰라도 막상 우리말로 번역하려고 하면 적당한 단어를 찾지 못하여 난감한 경우가 많다.

 

Expansion Joint 도 그 취지 및 의미를 살펴보면, 늘어나고 줄어듬에 대비하는 이음매의 뜻으로, 영어로 말하면 Expansion and Contraction, Elasticity, Flexibility 에 가깝다.

 

이를 팽창에 대비한 이음매의 성격을 가진 Expansion Joint로 표현하는 것은 어쩐지 모순이 있는 것 같다. Expansion and Contraction Joint 가 사용하기 길었다면, Elasticity Joint 가 적절한 표현이 아니었을까 생각된다.

 

그런 면에서 보면 우리말로 신축(伸縮)이음매라는 용어가 훨씬 올바른 표현이 아닐까 싶다.

 

먼저 건물에서 신축이음매(E.J)의 정의부터 내려보면

 

신축이음매(E.J)란?

건물을 적당한 간격으로 분리시킴으로써 건물을 별개의 구조물들로 분리ㆍ구성하여 온도변화, 습도변화 및 건조수축에 기인한 건물의 팽창ㆍ수축에 따른 균열방지를 위한 틈새를 가진 이음매로, 기초의 부등침하 및 구조물의 하중에 의한 변형을 흡수하며, 지진발생시에는 구조적 안전성를 확보하는 내진이음매의 역할을 할 뿐 만 아니라, 공사중에는 시공이음매로서 임무를 수행한다.

 

이에 일반적으로 신축이음매(E.J)가 설치되는 경우를 살펴보면 다음과 같다.

 

① 넓은 평면의 건물로 건조수축, 온도 및 습도변화 등으로 인한 균열발생이 예상될 때

② 고층부와 저층부의 구조체가 맞닿는 부위,

   기존 건물에 새로운 건물을 수평 증축하는 경우의 맞닿는 부위,

   지하연결통로 등과 건물본체의 연결 부위 등의

   기초의 부등침하로 인한 균열발생이 예상될 때

③ 평면형태가 L, T, Y, U 형 등 급격히 강성이 변화하는 부위

 

한 여름에 늘어지고, 겨울에 줄어드는 변형에 안전을 위한답시고 50m정도마다 틈을 내어 나누어 놓은 일반기차 레일도 실제로는 덜커덩덜커덩 하는 소음과 불쾌한 승차감을 느끼게 하는 애물단지로 작용하는 것과 같이, 건물에서의 신축이음매(E.J)도 누수발생가능성이 높으며 공사도 까다로워서 설치하지 않았으면 하는 건축마무리지만, 건축 및 구조계획 초기에 그 설치유무를 놓고 항상 고민해야하는 골칫거리이다.

 

요즘 나오는 고속철도레일은 고속열차가 매끄럽게 운행할 수 있도록 전 구간의 레일을 끊김없이 연결한다는데, 건축에서의 신축이음매(E.J)는 과연 필요한 존재인 것인가?

 

지금부터 신축이음매(E.J)의 의미 및 성격을 나름대로 되새기면, 관련 자료들을 정리해 보면서 필자의 작은 생각을 글로써 옮겨 보고자 한다.

 

 

 

2. 살아 움직이는 콘크리트 건물과 신축이음매(E.J)

 

 

무생물인 건물을 살아있다고 얘기하면 웃는 사람들도 있겠지만, 필자는 건물을 대할 때 살아 움직이는 생명체를 다루는 듯한 착각에 매번 빠지곤 한다.

 

딱딱하다고 생각되는 콘크리트 건물도 실제로는 항상 미세하게나마 움직이고 있으며, 주위환경에 따라 호흡을 하듯이 팽창ㆍ수축을 반복하고 있다.

 

콘크리트 구조물이면 발생할 수 밖에 없는 균열도 건물의 호흡에 따라 균열폭이 커지기도 작아지기도 한다.

 

콘크리트 움직임의 원인이 되는 요소들 중 먼저 주위환경으로부터의 반응 몇 가지를 간단히 살펴보기로 한다.

 

 

☞ 습도변화

 

일반적으로 대부분의 건물들은 그들이 수명을 다할 때까지 건조되는데, 수증기량의 변화로 인한 체적의 변화는 수축이 대부분이다.

 

건물의 외벽에 떨어지는 빗방울은 아주 오랜 기간이 경과되지 않는 한, 콘크리트 속의 수증기량을 눈에 띠게 증가시키지 못한다.

 

계절에 따른 대기 중 습도변화 때문에 수증기의 증감은 다소 있을 수 있겠지만, 실질적으로  콘크리트는 습도변화에 의하여 수축할 수는 있으나 팽창하지는 않는다고 보는 것이 타당할 것이다. 

 

 

☞ 온도변화

 

온도는 짧게는 하루를, 길게는 계절을 주기로 변화하기 때문에 건물을 팽창시키기고, 수축시키기도 한다.

 

어떤 원인에 의한 건물의 팽창과 수축은 많은 조건들에 의하여 구속되고 영향을 받기 때문에 정확한 변형량을 계산한다는 것은 불가능에 가까울 것이다.

 

다만, 온도변화로 인한 대략적인 변형량은 콘크리트의 평균 열팽창계수에 구조물의 길이와 온도변화량을 곱함으로써 구할 수는 있다.

 

콘크리트의 온도에 대한 열팽창계수는 0.00001~0.000013 정도인데, 100 ℃ 까지는 1 ℃ 에 대하여 약 1×10-5 (1/℃) 정도 팽창한다.

 

따라서 예를 들어 10 ℃ 의 온도변화에 대한 100m의 철근콘크리트 부재는 약 1cm의 길이 변화를 가져오며, 여름과 겨울의 온도차이가 30℃ 인 온도변화에 노출된 60m의 벽체는 약 1.8cm 의 움직임을 보일 것이다.

 

 

☞ 건조수축의 영향

 

수분의 상실로 인한 콘크리트의 건조수축은 콘크리트의 배합과 대기상태에 따라 변화한다.

 

실질적으로 철근콘크리트의 건조수축량은 불완전한 건조상태와 철근에 의한 구속력으로 말미암아 실험실에서 측정되는 무근콘크리트의 실험값 보다 작은 것이 일반적이다.

 

실험실에서 측정되는 일반적인 건조수축계수는 대략 600×10-6 이라고 한다.

 

따라서 길이 100m 벽체는 약 6cm, 길이 60m 벽체는 약 3.6cm의 건조수축으로 인한 움직임을 보인다는 얘기가 된다.

 

그러나 실질적으로 부피가 있는 철근콘크리트 구조체의 수축ㆍ팽창은 콘크리트의 매스(Mass)에 따라 3차원 입체적으로 변화한다는 사실을 우리는 간과하지 말아야 할 것이다.

 

 

☞ 콘크리트 건물의 신축이음매(E.J)의 간격은?

매스(Mass)는 보통 신축이음매(E.J)의 변형량을 계산하는데 고려하지 않고 있다.

그러나 건물의 실제 관찰을 통하여 보면, 매스(Mass)의 영향에 의하여 온도하강으로 인한 수축과 건조수축량의 조합에 의하여 구하여지는 예상 변형량의 1/2 보다 작은 전체수축량이 실질적으로 나타난다고 한다.

 

이때 철근의 구속력이 이들 전체수축량을 작게 하는데 일익을 담당을 했을 것이라는 것은 의심할 여지가 없을 것이다.

 

보통 철근콘크리트 건물의 신축이음매(E.J)가 60m 내외인 점을 감안할 때 가장 불리한 조건하에서 콘크리트의 움직임으로 인한 60m 떨어진 신축이음매(E.J)의 최대변형량은 2.5cm를 초과하지 않는다고 보는 것이 일반적이다.

 

따라서 길이 60m~90m 정도의 비교적 짧은 대부분의 건물들은 신축이음매(E.J)가 요구되지 않는다고 보는 견해가 대다수이다.

 

그러나 만약 건물 전체의 움직임이 구조체에 균열을 일으킬 수 있는 한도를 초과한다고 판단된다면 건물 어느 지점에서의 신축이음매(E.J) 및 다른 조인트들의 필요성을 심각하게 고려해 보아야 할 것이다.

 

콘크리트 건물에서 신축이음매(E.J) 설치목적은 분리된 각 구조물들이 건조수축, 온도 및 습도변화에 따라 자유로이 늘어나고 줄어드는 것을 허용하여 콘크리트의 균열을 억제함으로써 건물의 구조적 무결함 추구 및 사용성 향상에 도움을 주자는데 그 한 편의 취지가 있다고 할 것이다.

 

구조체에 구속없이 팽창과 수축이 자유롭게 일어나도록 한다면 이러한 움직임에 대하여 콘크리트에 균열을 발생시키는 응력이 발생하지 않기 때문이다.

 

그러나 실질적으로 모든 구조체에는 구속력이 존재한다는 것이 엄연한 사실이며, 이것이 신축이음매(E.J)의 설치여부를 놓고 엔지니어가 고민하는 문제인 것이다.

 

평범한 크기의 균형잡힌 평면을 가진 대부분의 건물들은 신축이음매(E.J) 없이 체적변화로 인하여 발생하는 응력들을 저항하도록 설계된다.

 

물론 컨트롤 조인트들(Control Joints)은 모든 건물 안에 설치되어야 한다.

 

그러나 크기, 모양, 평면들 어떤 상황에 처할 경우에는 구조체의 효용성과 외관에 손상을 주는 응력을 발생시키지 않기 위하여 건물을 몇 개의 개별적인 구조체로 분리시키는 조인트들의 설치가 바람직한 경우도 있다.

 

설계자들은 체적변화의 원인과 사용성에서의 건물의 고찰을 통하여 신축이음매(E.J) 및 다른 조인트들의 필요성 여부를 가늠하여야 할 것이다.

 

우리나라에서도 최근에는 길이 100m 이상의 건물의 경우에도 신축이음매(E.J) 없이 시공하는 것이 일반화되고 있는 추세에 있으며, 외국에서도 200m 이상의 철근콘크리트를 한 덩어리로 시공하여 하자없이 사용하고 있는 기록이 있다.

 

콘크리트의 호흡을 통한 어느 정도의 균열발생은 인정하고 추가적인 철근의 보강을 통하여 균열발생의 최소화에 대비토록 하는 것이 신축이음매(E.J)를 함부로 설치하여 건물을 나눔으로써 발생하는 더 큰 골칫거리보다는 낫다는 것이 경험 많은 건축 실무 전문가들의 대다수 의견이다.

 

 

 

3.  연성이 풍부한 철골건물과 신축이음매(E.J)

 

 

한편 콘크리트의 움직임보다 변형능력이 큰 철골건물의 경우는 과연 신축이음매(E.J)의 설치간격이 어느 정도가 적절한 것일까?

 

물론 콘크리트 건물보다는 넓은 간격을 두어도 괜찮다는 것은 직관적으로 알 수 있지만, 콘크리트 건물과 마찬가지로 신축이음매(E.J)가 필요한 건물이 크기 및 이음매간의 거리들과 관련하여 정확한 자료들을 제시하는 것은 불가능하다.

 

이는 건설 당시의 주변온도나 건물의 수명기간(Life Cycle) 중의 예상되는 온도변화 등과 같은 많은 변수들 때문이라 할 수 있을 것이다.

 

여기에서는 AISC (American Institute of Steel Construction)에서 발표된 건물의 열팽창을 주제로 한 자료인

" the Federal Construction Council's Technical Report No.65, Expansion Joint in Buildings "의 내용을 소개하여 보기로 한다.

 

이 보고서에서는 보과 기둥으로 구성된 라멘구조의 경우에 대하여 설계온도변화에 따른 신축이음매(E.J)의 간격을 제안하고 있다.

 

이 보고서는 많은 도시들에 대한 자료들을 대상으로 하고 있으며, 허용할 수 있는 건물의 길이에 대하여 5가지의 보정계수들을 제안하고 있다.

EXPANSION JOINT SPACING GRAPH.bmp

 

상기 제안된 그래프는 보-기둥으로 구성된 라멘구조로, 기둥하부의 조건은 핀(Pin)조건이며, 내부 난방이 되는 건물을 대상으로 적용가능하며, 다만 다른 조건들이 지배적일 때는 다음과 같이 적용할 수 있다고 보고서는 기술하고 있다.

 

① 건물이 난방구조물이고 기둥하부의 접합상태가 핀(Pin)일 때는 제안된 허용길이를 사용할 것.

② 건물이 난방구조물일 뿐만 아니라 공기제어가 가능하다면, 허용길이를 15% 증가시킬 것.

    (단, 이 경우 공기제어시스템이 항상 작동하고 있어야 한다.)

③ 건물이 비난방구조물인 경우에는 허용길이를 33% 감소시킬 것.

④ 건물의 기둥하부의 접합상태가 고정(Fix)일 때는 허용길이를 15% 감소시킬 것.

⑤ 건물이 평면치수들 중 어느 한 면에 대하여 횡변위에 대한 강성이 두드러지게 클 경우에는 허용길이를 25% 감소시킬 것.

 

이들 보정계수들이 2가지 이상 건물에 영향을 크게 미칠 경우에는, 적용되어야 할 조건들에 대한 보정계수들을 대수적으로 적절히 합하여 적용해야 한다고 보고서는 기술하고 있다.

 

여기에서 설계온도변화란 구조부재가 실제로 체감하는 온도변화로, 연중 계절에 따라 냉방과 난방을 하여 실내 온도의 변화가 크지 않은 병원이나 주거시설의 내부에 위치한 구조부재는 온도변화가 거의 없을 것이며, 외기에 항시 노출되어 있는 구조부재는, 지역 및 노출정도에 따라 다르겠지만, 짧게는 일교차에 길게는 계절적 온도변화에 따라 심한 온도변화를 경험할 것이다. 

 

상기 ④,⑤ 번의 허용길이를 감소시키는 보정계수는 건물의 변형에 대한 구속력이 강할수록 균열 및 온도응력이 과다해짐에 기인한 것이다.

 

그러나 실제로 적용되고 있는 철골경량지붕의 신축이음매(E.J)의 간격은 이 보고서보다 훨씬 더 크게 나타나고 있는 것이 요즘의 추세이다.

 

이는 철골부재 자체가 변형능력이 우수한데다가, 철골자체가 온도응력에 대비한 충분한 강도를 갖추고 있으면 되는 것이며, 건물의 마감재도 변형흡수능력이 큰 것이 대부분이므로 하자발생요인이 크지 않다는 것이다.

 

또한 부재간 이음부를 슬라이딩 조인트 처리한다면 굳이 접합상세 및 시공만 까다롭게 하는 신축이음매(E.J)를 설치할 필요가 없다는 것이다.

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