소개
모든 건축물이나 구조물에서 기초는 가장 중요한 구성 요소입니다.
기초가 튼튼해야 하는 것이 모든 건축물과 구조물의 기본입니다.
튼튼한 기초를 만들기 위해 기초의 깊이를 어느 정도까지 해야 하는가 하는 문제에서 핵심적인 동결 심도에 대해 알아봅니다.
동결심도
동결심도의 의미를 알아보기 위해 한자를 살펴보겠습니다.
동결심도는 얼음 동(凍) 자에 맺을 결(結) 자, 깊을 심(深) 자, 법도(정도) 도(度) 자를 씁니다.
여기서의 도(度)는 정도를 나타냅니다.
그래서 요약하면 '얼음이 맺어지는 깊이의 정도'라고 보면 되겠습니다.
얼음이 얼려면 지면으로부터 얼마만큼 까지 내려가는가 하는 척도라 생각하면 쉽습니다.
동결심도가 중요한 이유는 동결심도 이하로 기초의 바닥을 두어야 기초에 해가 없기 때문입니다.
흙이 얼게 되면 팽창을 하고 팽창을 하면 기초에 영향을 미칩니다.
기초가 들어 올려지게 되면 슬래브도 영향을 받아 균열이 발생할 수 있습니다.
기초가 튼튼해야 구조물에 문제가 없게 되는데 기초가 움직인다면 문제가 발생합니다.
동결심도 구하기
동결심도는 Cm로 나타냅니다.
동결심도 구하는 식은 Z = C √ F입니다.
여기서 C는 상수로 양지는 3이고 음지는 5입니다.
음지는 양지보다 동결심도가 더 큰 것을 알 수 있습니다.
당연히 음지는 온도가 낮기 때문에 동결심도가 더 깊어야 합니다.
이 식에 따른다면 항상 양지인 곳은 거의 없기 때문에 안전하게 하려면 C는 5로 잡아야 합니다.
이렇게 되면 C를 3 혹은 5로 하는 의미가 있을까 하는 의문이 생깁니다.
무조건 5로 해야 하지 않나 하는 생각입니다.
F는 동결지수로 누적일평균기온의 최고점과 최저점 차이를 나타냅니다.
표에 나와 있는 동결지수를 살펴보면 서울이 380.9입니다.
식에 대입하면 음지일 경우 97.5cm가 나옵니다. 양지일 경우는 58.5cm가 나옵니다.
음지일 경우와 양지일 경우 동결심도는 약 40cm 차이가 납니다.
너무 많은 차이를 보이고 있습니다.
이렇게 되면 이 식의 신뢰성이 많이 떨어집니다.
위 식의 근거는 1986년 나온 "구조물 기초설계기준"이라고 하는데 문제는 2008년에서는 삭제되었고 이후로는 '구조물의 기초 깊이는 지지면이 지반의 동결 깊이보다 깊어야 한다'라고만 되어 있다는 것입니다.
이유는 동결지수표와 동결지수선도는 모두 도로공사를 위해 만들어졌기 때문이라고 합니다.
상부에 아무것도 없는 도로를 기준으로 만들어진 식이고 건축물이 있는 경우는 달라진다는 것입니다.
도로 상부에는 아무것도 없고, 차들이 수없이 통행하기 때문에 피로파괴가 발생할 수 있으며, 도로 하부에서는 겨울에 동결이 일어나기 때문에 건축물과는 너무나도 다른 환경이 됨을 쉽게 알 수 있습니다.
2012년도 국토해양부 도로동상방지층 설계지침에는 설계 동결깊이가 포장 두께보다 큰 경우 그 차이만큼 동상방지층을 설치하도록 되어 있습니다.
2012년도 국토해양부 도로동상방지층 설계지침 다운로드
건축물인 경우 기초의 저면이 동결심도보다 낮아야 된다는 것 외에 특별한 기준은 없습니다.
보통 건축설계 사무소에서는 안전하게 80~90cm 밑으로 기초의 저면을 위치시키는 실정입니다.
이렇게 되면 불필요하게 땅을 깊게 파야하고 물량이 증가하는 측면이 있습니다.
가장 확실한 방법은 실제로 추운 겨울에 땅 밑으로 어느 정도의 깊이에서 어는가를 관찰해 보는 것입니다.
IRC에서의 동결심도
IRC (International Residential Code )에서의 동결 심도에 관해 알아보겠습니다.
IRC를 알아보는 것은 우리나라에는 건축물(구조물)의 동결 심도에 대해 이렇다 할 만한 규정과 근거가 없기 때문입니다.
IRC에서 기초의 최소 깊이는 지면으로부터 12 in으로 약 30.48cm로 나와 있습니다.
그렇게 하거나 아니면 서리 방지를 위한 섹션 R403.1.4와 R403.1.4.1보다 크게 하라고 되어 있습니다.
영어의 frost 단어는 서리를 말하는데 서리는 공기 중의 수증기가 응결되어 생성되는 얼음결정이나 얼음층을 말합니다.
따라서 땅속의 수분 입자를 다루는 동결심도에 이 서리 방지를 위한 기초 깊이의 규정을 적용해도 되는가 하는 의문이 있습니다.
왜냐하면 땅속의 수분입자와 공기 중의 수증기는 지표면을 경계로 하여 그 성질이 다를 것이기 때문입니다.
IRC의 섹션 R403.1.4에는 최소 깊이 12 in (305mm)가 규정되어 있습니다.
IRC의 섹션 R403.1.4.1에는 4가지 방법 중 하나를 따르거나 여러 개의 방법을 따르라고 되어 있습니다.
내용 중 핵심은 HEATED BUILDING에서 기초 깊이와 기초의 수직과 수평단열에 대한 내용입니다.
우리나라와 비슷한 위도인 캘리포니아주에서 건축물 기초벽면에 단열재를 설치한다면 기초의 깊이는 12~14in (355mm)라고 나옵니다.
IRC의 섹션 R403.1.4.1의 방법 중 하나인 ASCE 32 (Ameican Society of Civil Engineers / 미국 구조공학회)에서는 실제로 주택을 짓고 적용한 내용이 나옵니다.
이러한 내용들은 미국의 기후와 환경에 따라서 나온 결과이기 때문에 참고로는 볼 수 있어도 우리나라에서도 똑같이 적용하는 것은 맞지 않다고 봅니다.
그리고 기후와 환경은 지속적으로 변화하기 때문에 데이터를 주기적으로 갱신해 주는 것이 필요합니다.
결론
동결심도는 겨울에 지반 하부에 땅이 얼마만큼의 깊이까지 어는가를 나타냅니다.
기초의 하부는 동결심도 아래에 있어야 합니다.
동결심도에 대한 구체적인 기준은 없습니다.
따라서 건축물의 경우 동결심도의 깊이에 대해서는 문제 삼기가 어려우며 논란의 소지가 많습니다.
우리나라의 설계사무소에서는 안전하게 대략 80~90cm 깊이로 기초하부를 설계합니다.
IRC(International Residential Code)에서는 기초의 최소 깊이는 305mm로 규정하고 있습니다.
미국 캘리포니아주에서 건축물에 기초벽에 단열을 하면 최소 깊이는 12in~14in (355mm)입니다.
우리나라 학계와 건축계에서는 하루빨리 우리나라 실정에 맞는 동결심도 기준을 만들어야 하겠습니다.
구조물 설치 시 어렴풋이 땅을 파고 기초 저면을 설치하여 인력과 시간과 돈을 낭비하는 일을 줄여야 하겠습니다.
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