4. 기초의 움직임과 신축이음매(E.J)
건축계획상 다르게 작용하는 기둥 축하중으로 인한 기초 사이의 침하량 차이(부등침하)로 인한 구조물의 하자를 방지할 취지로, 신축이음매(E.J)에 대한 필요성 여부가 실무를 하다보면 여지없이 등장하는 논쟁거리(트집거리)가 되어 구조설계자들을 곤혹스럽게 하는 경우가 많다.
건축심의위원들의 트집거리를 제공하지 않기 위해서 신축이음매(E.J)를 설치하면 그만이겠지만, 누수발생가능성 및시공 및 건축상세처리의 곤란함이 뻔히 예측되는데, 실무를 하는 엔지니어의 입장에서는 양심에 찔리는 일이다.
그래서 많은 경우, 논쟁의 시비거리가 되며, 해명에 시달릴 줄 알면서도 신축이음매(E.J)의 설치를 포기하곤 한다.
그렇다고 필자가 신축이음매(E.J)를 모두 싫어하는 것은 아니며, 건축계획 및 여러 주변 상황에 따라 신축이음매(E.J)가 필요하다고 판단되면 꼭 설치하기를 고집한다.
물론, 이런 신축이음매(E.J)설치 여부에 대한 판단들을 명확한 규칙들로써 정립한다는 것은 불가능할 것이며,그때그때 상황에 따라 경험과 여러 가지 이론적 토대를 근거로 엔지니어들의 판단에 의존하게 된다.
필자도 엔지니어의 한사람으로서, 나의 결정이 꼭 맞다고 주장하고 싶지는 않다.
필자는 하나님 앞에서 한 인간으로서의 나약함과 부족함을 알고 있기 때문이다. 다만 다른 사람들보다는 이 분야의 전문가로서 선택을 해야 하기 때문에 최선을 다하는 것이며, 이 선택이 옳았기를 하나님께 기도할 뿐이다.
예를 들어 아래 그림(a)~그림(c) 처럼 건축계획상 고층부, 중층부, 저층부가 함께 공존하는 건물의 경우에는 각 동별 기둥 및 기초의 다른 축하중(P2>P1>P3)으로 인하여 동별 기초의 부등변형이 발생할 수 있으며, 이로 인한 추가응력발생으로 균열 등의 구조적인 하자가 예상될 수 있다.
그림(a)의 경우와 같이 기초가 지내력(fe)이 비교적 낮은 지표면에서 형성되어, 전면(MAT)기초로 고층부, 중층부, 저층부 기초를 동일하게 일체로 붙혀 시공한다면 연직응력에 대한 지반응력비가 차이가 생김으로써 각 동별 지반의 부등침하가 예상될 수 있을 것이다.
이에 대한 대책의 하나로 그림(a)와 같은 신축이음매(E.J)의 설치를 고려해 볼 수 있는데,고층부, 중층부, 저층부 상호간에 신축이음매(E.J)를 설치하여 건물을 개별 구조체로 분리시킴으로써, 고층부, 중층부, 저층부의 다른 연직 축하중으로 인한 동별 기초간의 부등침하를 배제하여 하자를 줄이자는 의도이다.
이 경우 시공상 각 동별 분리된 개별공정이 이루어질 수 있으므로 인접동에 대한 간섭을 받지 않는 이점이 있으나, 신축이음매(E.J)가 내진이음매(Seismic Joint)의 역할을 동시에 겸해야함으로 그 틈이 크고 이에 따른 누수방지등을 위한 건축상세가 필요하며, 각 동별 연결부에서의 기초간 간섭이 생기지 않도록 하는 구조계획이 요구된다.
그러면 신축이음매(E.J)를 설치하지 않는 방법은 없는가?
그림(b)와 그림(c)는 신축이음매(E.J)를 설치하지 않는 대안으로 생각할 수 있는 것들인데,
먼저, 그림(b)는 침하가 잘 일어나지 않는 암반까지 말뚝기초 등을 이용하여 건물을 지지시킴으로써 각 동별 기초의 부등침하를 방지하는 방법이다.
이 경우 고층부, 중층부, 저층부의 연직 축하중 등이 달라 말뚝내력의 차이가 발생함으로, 각 동별 다른 직경 또는 다른 종류의 말뚝을 사용하거나, 말뚝개수 및 기초저판의 크기 및 두께를 조절하여야 한다.
그림(c)는 또 다른 대안으로써 각 동별 축하중에 적합한 지내력(fe)이 나오는 하부 지반까지 건축계획적으로 지하실을 구축하여 각 동별 하부기초를 비교적 지내력(fe)이 좋은 지반에 앉힘으로써 각 동별 기초간의 연직응력에 대한 지반응력비를 거의 동일하게 유지시켜 부등침하량의 차이를 줄이는 방법이다.
그림(a) 신축이음매(E.J)를 이용한 부등침하방지 대책
그림(b) 말뚝기초를 이용한 부등침하방지 대책
그림(c) 지하실구축을 이용한 부등침하방지 대책
필자도 경우에 따라서 기초간 부등침하로 인한 하자를 억제하기 위하여 반드시 신축이음매(E.J)를 설치해야 한다고 고집하는 부위들이 있는데, 기존 건물에 새로운 건물을 수평 증축하는 경우의 맞닿는 부위와 지하연결통로 및 공동구 등과 건물 본체가 연결되는 접합부위 등이 이에 속한다.
건물을 수평 증축하는 경우에는 기존 건물의 기초에 증축으로 인한 추가적인 하중을 부여하는 것은 기초의 안정성면에서 불균형을 초래할 수 있기 때문이다.
한편, 점토 및 실트층이 아닌 일반토양에 건설되는 철근콘크리트구조는 실제로 건물하중의 대부분이 구조체의 고정하중인데, 구체공사 완료시에는 구조체의 고정하중에 의한 침하가 즉시처짐 형태로 이미 안정되어 있으며, 준공 후의 침하진행은 크지 않는 것이 일반적이다.
우리가 새 신발을 처음 신을 때 약간의 불편함을 느끼다가도 어느 정도 시간이 경과되면 발이 신발에 적응하여 안정을 취하듯이, 기초도 건설 중에는 각 시공단계별로 변화하는 하중에 변형(즉시처짐) 등을 일으키면서 지반에적응하기 위하여 전전긍긍하다가 준공되어 본연의 하중이 어느 정도 결정된 후에야 비로소 안정을 찾는 것이다.
따라서 이미 안정되어있는 기존 건물의 기초와 처짐이 진행중인 신설기초를 붙여 증축할 경우 부등침하로 인한하자발생의 소지가 많다. 고로 이 경우는 연결부에 신축이음매(E.J)를 설치하고 신설 건물의 기초가 기존 건물의 기초와 간섭이 생기지 않도록 하여 분리시키는 것이 바람직하다.
한편 지하연결통로나 공동구는 시공순서상 본 건물의 지하구조물이 완성된 후 나중에 설치되는 경우가 대부분이므로 신축이음매(E.J)의 설치가 시공상 바람직할 수 있다.
5 . 내진이음매(Seismic Joint , S.J)로서의 신축이음매(E.J)
건축계획상 건물의 수평강성이 심한 차이를 보이는 경우에는 지진발생시 국부적으로 응력집중으로 국부적인 구조적인 파괴를 가져오게 된다.
이에 지진발생시 국부 응력집중으로 파괴되기 쉬운 건물의 취약부위를 분리시킴으로써 구조적 안정성를 확보하는 지진에 대한 틈서리를 내진이음매(Seismic Joint)라고 칭하고, 신축이음매(E.J)를 포함하는 넓은 뜻으로 통용되고 있다.
따라서 지진발생시, 내진이음매(S.J)로 분리된 두 건물은 서로 충돌이 발생하지 않도록 충분한 거리로 이격시켜야 하며, 인접 건물간의 최소거리 제한이 설계기준에 명시되어 있다.
양측 건축물의 높이가 같을 때에는 건축물의 최상층의 변형량과 인접 건축물의 같은 높이의 변형량을 합한 값 이상의 간격을 두도록 함으로써 지진발생시 인접건축물의 충돌을 방지하여야 한다.
동일한 건물에 신축이음매(E.J)를 둘 경우에도 양측의 구조물을 인접 건축물로 간주하고 필요한 간격을 유지하여야 한다.
따라서 종래 내진설계대상이 되지 않았던 건물들에서는 신축이음매(E.J)의 틈이 건조수축량을 고려하여 5cm이하인 것이 많았는데, 현재 내진설계대상 건물의 경우에는 신축이음매(E.J)가 내진이음매(S.J)의 역할을 겸해야 하므로 예전보다 큰 틈서리를 내야하는 경우가 발생한다.
예를 들어 각 층마다 진폭을 1.5cm로 가정하였을 때 3층 건물에서는 4.5cm 흔들리기 때문에 신축이음매(E.J) 양측부분의 흔들림 폭을 합계하면 9cm 이상으로 해야 하며, 만약 10층 건물 각 층이 1.5cm씩 흔들린다고 가정하면 신축이음매(E.J)의 틈서리는 대략 1.5cm× 10 × 2 = 30cm 가 필요하게 된다.
(내진이음매에 대한 이야기는 다음 기회에 좀 더 자세히 논의하기로 하고, 여기서는 이 정도로 넘어가려 한다.)
따라서 어중간한 신축이음매(E.J)는 설치하지 않는 것이 바람직하며, 무작정 길다는 이유로 신축이음매(E.J)를 설치하였다가는 내진이음매의 틈을 일정거리 이상 유지해야 하기 때문에 거기서 오는 건축적 불이익이 크게 된다.
실제로 있을지 없을지도 모르는 불명확한 작은 이익(?)을 얻으려다가 도리어 더 큰 것을 잃어버리는 꼴이 되는 경우가 많다.
그래서 요즘에는 건물이 길다고 무작정 신축이음매(E.J)를 설치하지는 않으며, 건조수축대(Shrinkage Strip , Delay Joint) 설치 등의 대안을 많이 모색하고 있다는 추세이다.
6. 신축이음매(E.J) 상세 & 고려사항
일반적으로 실무에서 많이 사용되고 있는 신축이음매(E.J)의 구조개념은 아래의 그림과 같다.
구조적으로 신축이음매(E.J)의 종류와 관련하여 많은 엔지니어들은 이음매의 완전한 분리를 위하여 그림(가)와 같은 이중기둥설치 방식을 가장 바람직한 방식으로 인정하고 있다.
이 경우 기둥하부의 기초를 복합기초로 일체로 사용하는 경우와 기초도 편심기초의 형태로 분리하는 경우가 있을 수 있을 것이며, 이에 대한 판단은 해당 건물의 신축이음매를 설치하는 이유 및 주변상황에 따라 달라질 수 있을 것이다. 예를 들어 기초의 부등침하방지를 위한 신축이음매(E.J)의 설치라면 기초도 분리시키는 구조형식이 바람직할 것이며, 건조수축 및 온도변화 등에 의한 콘크리트의 움직임을 제어하기 위하여 신축이음매(E.J)를 설치하였다면 기초는 일체로 설치하여도 무방할 것이다.
그림(나)는 캔틸레버 보(Cantilever Girder) 처리를 하고 그 끝단을 작은 보(Beam)로 마무리한 형태이며,그림(다)와 그림(라)는 캔틸레버 슬래브(Cantilever Slab) 처리를 함으로 틈서리를 형성시킨 것이다.
이런 캔틸레버 형식(Cantilever Type)의 구조상세들은 기둥하부 기초의 간섭이 생기지 않는 장점이 있어서 기존건물에 새로운 건물을 수평 증축하는 경우에 활용하면 효율적이다.
일반적으로 다른 방식을 적용할 때에는 저 마찰 미끄럼 요소들이 사용되고 있는데, 이러한 시스템은 구속으로부터 완전히 자유로울 수 없으며, 움직임에 대하여 어느 정도의 내부 구속저항을 유발시킨다.
한편 대부분의 건물 규준들은 내화 및 방화벽에 대한 간격 및 설치위치들에 대한 제한조건들을 포함하고 있는데, 이들 방화벽들이 종종 신축이음매(E.J)의 위치가 되기도 하며, 이 경우에 이음매들의 상세처리가 실질적으로 필요하게 된다.
신축이음매(E.J)는 누수 등의 물 문제를 고려할 경우에는 되도록 설치하지 않았으면 하는 건축마무리이다.
그러나 설계상 구조체의 연속성을 끊을 필요가 있는 장소가 발생하는 경우에는 건물 상호의 다른 동향에 따르면서 방수, 지수 등의 역할을 다하기 위해 복잡한 외부철물을 설치하여야 한다.
신축이음매(E.J)의 상세에 관해서는 평소에 설계자, 시공자가 모두 고심하는 부분이며, 준공 후 유지관리에 대해서도 신축이음매(E.J)에 누차 결함이 생기는 경우가 많다.
어쨌든 신축이음매(E.J)의 상세는 각각의 건물에 의해 설정되는 변형량 등의 구조적인 요구를 만족시킬 필요가 있다.
다음으로 신축이음매(E.J)의 상세에 대해서는 의장적인 면에 대해서도 고려하여 건물로서의 다른 기능도 만족시켜야 한다. 즉 방수, 기밀음, 단열, 방온, 내풍압, 내화성 등에 대한 고려가 필요하며, 바닥에도 내마모, 방활 등의 부위에 대한 기능을 만족시킬 필요가 있다.
지진발생시, 신축이음매(E.J)가 지진의 움직임에 대한 기능을 다하면 될 것이며, 신축이음매(E.J) 부재가 파손될 경우에는 용이하게 보수공사가 진행될 수 있는 상세처리를 만드는 것이 중요하다.
외벽의 경우에는 파손에 의한 부재의 낙하가 원인으로 인적피해가 발생하지 않도록 낙하방지를 할 필요가 있다.
이밖에 신축이음매(E.J)는 마무리, 커튼월과의 조화, 치올림과 홈받침을 설치하여 지수성, 시공성, 움직임에 대한 추종성을 만족하는 디자인을 고려하여야 하며, 풍압에 따른 진동차나 온도차에 의한 구체의 신축에 의해 이상한 소리가 발생하지 않도록 록울 성형판 등의 면압축에 따르는 재료를 선정해야 한다.
지붕의 신축이음매(E.J)는 파라펫을 이용하여 콘크리트로 설계하는 경우도 있고, 코킹(cogging)없이 파라펫의 두겁대를 신축이음매(E.J)로 활용하는 방법도 있다. 후자의 경우는 기존제품에 풍부한 종류가 있어 선정하기 쉽고 시공도 간편하고 마무리도 좋다고 한다.
외벽 신축이음매(E.J) 철물은 폭풍우시 빗물이 스며드는 것을 전제로 하여 지수시트의 선택에 유의해야 하며, 중요한 점은 벽 신축이음매(E.J)가 바로 지상까지 구부러지지 않고 내려가는 것은 최하부의 배수도 충분히 고려하여마무리해야 한다.
결국 신축이음매(E.J)의 건축적인 상세처리가 누수방지에 무엇보다도 중요하며, 이에 대한 연구개발이 계속 진행시켜야 하는 것이 우리 건축인 모두의 영원한 숙제일 것이다.
7. 신축이음매(E.J) & 지하구조물
지하구조물에도 과연 신축이음매(E.J)를 설치해야 하는가?
이에 대하여 엔지니어들 마다 견해를 달리 할 수 있으나, 지하구조물은 땅 속에 들어가 있는 관계로 온도변화에영향이 지상구조물보다 작으며, 지하층 수평부재(보, 슬래브)들은 사방에서 토압과 수압을 받아 항시 압축력을 받고 있으므로 균열억제차원에서 지상구조물보다 유리하다는 것은 다들 의견을 같이 하고 있다.
대규모 공사로 공사기간이 오래 걸려 지하구조물이 공사 중 외기에 노출되는 시간이 많은 경우에 대하여 신축이음매(E.J)의 설치를 주장하는 사람들도 있는데, 공사도중 외기온도의 영향에 대한 대책은 현장 시공관리의 차원이며, 건조수축대, 시공이음매, 균열유발줄눈의 설치 등을 통하여 해결해 나가는 것이 바람직할 것이다.
한편, 지하구조물에 신축이음매(E.J)를 둘 경우 한 쪽 구조물이 편측토압을 받게 됨으로, 지하층수가 깊어 토압이 클 경우 이에 대한 지하구조물의 안전성을 해결하기 곤란한 경우가 발생할 수 있다.
이에 실무에서는 지하구조물의 경우 특수한 경우를 제외하고는 신축이음매(E.J)의 설치를 배제하는 것이 일반적이다.
지하구조물에서 신축이음매(E.J)를 삼가는 이유를 정리하여 보면 다음과 같다.
① 지온의 차이가 적어 온도팽창 및 수축이 적다.
② 슬래브 및 보가 수평토압 및 수압에 의한 압축력을 받으므로 수축균열의 원인이 줄어든다.
③ 지하실 중간에 신축이음매(E.J)를 두어 한쪽 구조물이 편측토압을 받도록 설계하는 것은 구조안전상 바람직하지 않다.
➃ 지금까지 신축이음매(E.J)를 생략하여 시공된 건물의 경우, 하자사례가 많이 발견되지 않았다.
➄ 지하실의 면적이 넓은 경우, 콘크리트를 적절히 끊어 침으로써 시공 중의 건조수축을 줄일 수 있다.