기술자료

4-05. 기초의 단열 - 다. 기초의 외단열과 동결심도

M 관리자 21 27,808 2011.05.16 22:21
동결심도의 사전적의미는 생략하겠다.

건축물에서 동결심도는 무척 중요한 인자이다. 기초하부의 토양이 겨울에 얼면 그 부피가 커져서 건축물을 들어올릴 수도 있기 때문이다.

인터넷의 대부분 자료가 건축물의 동결심도라 하면 다음과 같이 오래된 표와 그림으로 설명되어져 있다.

<전국 동결지수 및 동결기간 현황>


<전국 동결지수선도>

이는 1980년 건설부 도로조사단에서 작성된 표와 그림이다.

그러나, 많은 분들이 모르시고 계시지만, 2003년에 한국도로공사 도로교통기술원에서 작성한 동결지수가 별도로 있다.

<전국 동결지수 및 동결기간 현황 - 2003>

<전국 동결지수선도>


*참고사항
동결지수는 일평균 기온이 (+)에서 (-)로 변하는 달부터 시작하여 (-)에서 (+)로 변하는 달까지의 일평균 기온을 누계하여 PLOT했을 때의 시각-기온곡선에서 0℃이하에 있는 곡선 부분과 시각축으로 둘러싸인 면적 부분의 크기를 온도와 시간과의 곱으로 나타낸 수치임.
즉, 동결지수는 영하이하인 온도와 영하이하로 유지된 시간의 곱이다.

동결깊이는 다음과 같은 식에 의해 추정된다고 알려져 있다.

Z=C√F
Z : 동결심도
C : 정수(3~5)
F : 동결지수(℃일)

이 식의 근거는 1986년에 나온 "구조물 기초설계기준"에서 나온 것인데. 문제는 이 기준 속의 동결심도관련 내용이 2008년 개정판에서는 삭제된 것이다.

2008년 "구조물 기초설계기준"에는 상기의 계산식과 동결지수 등의 내용이 삭제되고, 단순히 "기초의 깊이는 지반의 동결깊이보다 깊어야 한다"라고 만 되어져 있다.

또한 "건축구조기준-KBC 2009"에도 기초의 저면은 온도변화에 의하여 지반이 체적변화를 일으키지 않아야 한다"라고만 되어져 있다.

왜 일까?

이유는 상기에서 보여준 동결지수표와 동결지수선도는 모두 도로공사를 위해 만들어진 것이기 때문이다. 
즉, 지반 상부에 아무것도 없는 도로의 경우 동결에 의한 도로의 침하를 막기 위해 일정깊이 이상 지반을 치환해 주어야 하기 때문에 이 동결지수가 유효하지만, 건축물의 경우는 다르기 때문이다.

아래 그림으로 명확히 이해할 수 있는데.. 대지 조건에 따른 동결깊이를 극명하게 보여주고 있다.


즉, 숲이나 눈 또는 나뭇잎으로 덮힌 흙이나, 건축물에서는 동결심도가 극히 낮아지고, 도로 등 상부에 아무것도 없는 곳에서는 동결심도가 깊어짐을 알 수 있다. 상기에 열거된 표와 그림, 그리고 계산식들 모두 이 도로를 위한 것이지 건축물의 동결심도를 계산하기 위한 것이 아닌 것이다.

이를 이론을 처음으로 실무에 적용한 사람은 유명한 건축가인 프랭크 로이드 라이트가 1930년대 미국 경제불황기에 제안한 중산층 주택 기준인 Usonian Home Style에 적용하기 시작하면서 사용되었다. 이후 유럽으로 알려졌으며 폴리스티엔 단열재의 개발과 함께 널리 사용되었다.

이러한 기초를 International Residential Code 에서는 Frost Protected Shallow Foundation (이하 FPSF)라고 정의하고 있다. 즉, 궂이 번역하자면 "동결을 방지하는 얕은 기초"라고 할 수 있겠다.

이 FPSF를 그림으로 설명하면 다음과 같다.

아래 그림은 기존의 기초방법이다. 즉, 기초저면을 동결심도이하까지 내리는 방식이고 지금도 우리나라의 모든 건축가는 이렇게 알고 있다.

그러나, FPSF에서는 코드로 정해진 기준깊이만 맞추면 되는데,, 여기서 주목할 것은 기초옆면에 단열재가 붙어 있고 기초하면에 잡석이 있다는 사실이다.


우리나라에서는 기초하단에 잡석다짐을 한다. 이것은 기초저면이 동상을 입지 않도록 하는 조치인데, 사실상 기초가 동결심도까지 닿아 있다면 이 잡석다짐도 필요없다. 

그럼 FPSF에서 이야기하는 이 기준깊이는 얼마인가?  즉 어떻게 해야 도로에서 이야기하는 동결심도까지 기초를 내리지 않아도 동상에 의한 피해가 없는가?

그 기준은  International Residential Code (이하 IRC)에 정의되어져 있다.
IRC는 미국에서 전세계에 미군을 파견할 때 그 들이 지내는 막사(숙소)를 건설하기 위한 지침 코드로 시작되었다가 현재는 국제적인 주거시설의 건축 코드로 발전한 일종의 메뉴얼이다.





이 IRC에서는 FPSF에 대한 깊이의 정의를 다음과 같이 내리고 있다.



여기서, A,B,C,D의 길이에 대한 기준은 다음과 같다.

<IRC에 의한 단열재설치와 기초깊이에 관한 사항>

설명을 하자면, 동결지수가 815℃일 이하이면, 기초깊이를 305mm 만 하되 측면에 EPS기준 수직단열재를 약 40mm 정도 대면 동결심도와 무관하게 기초를 둘 수 있다는 이야기이다.

여기서 동결지수 815℃일이 우리나라의 어디 지방정도인지는 맨 위에서 세번째 표를 보면 된다.
표를 보면 우리나라에서 동결지수 815를 넘는 곳은 대관령 해발 842m 지점밖엔 없다. 다시 말해 우리나라 거의 모든 지방에서 기초깊이는 300mm만 내려가면 무방하다는 이야기이다. 물론 측면 단열재를 댄다는 전제하에.....

이 이유는 다음과 같이 건축물에서의 열류 흐름을 보면 이해할 수 있다.




즉, 지중열과 건축물 바닥으로부터 배출되는 열에 의해 측면과 기초저면 수평단열, 그리고 기초하부 잡석다짐으로도 동결심도와 관계없이 30cm 만 들어가서 기초를 앉어도 되는 것이다.
다만, 패시브하우스처럼 바닥으로부터 배출되는 열이 거의 없는 건축물의 경우에는 측면과 수평단열재를 더 증가시키면 되는 것이다.


결론적으로 이야기해서 IRC코드에 의하면 우리나라는 수직단열재 만으로도 거의 전국토에서 30cm 깊이의 기초로도 건축물이 성립된다는 것이다. 다만 패시브하우스에서는 바닥으로부터의 열흐름없이 지중열만으로 동상을 예방해야 하므로, IRC에서 제시한 단열두께를 약 2배정도로 사용하고, 그래도 마음에 걸리면 수평단열재를 약 30cm 폭으로 깔아주면 무방한 것이다.

이 부분이 우리나라의 건축물관련 연구자가 연구해야 할 또 다른 분야인 것이다. 갈 길이 멀다......


Comments

G 홍도영 2011.05.17 05:13
항상 느끼는 것이지만 정리되고 연구하고 쉽게 설명하려 밤 잠 설치는 모습에 감사드립니다.

먼저 동겸심도 즉, 결빙되는 것을 막기위한 구조체와 줄기초를 아직도 많은 분들이 혼돈하여 사용하는 듯 합니다. 그래서 구조와는 상관없는 프리케스트 같은 간단한 구조물을 매트 기초아래에 설치하는 경우도 있지요. Frankfurt의 초등학교에 사용된 시스템이 바로 그것이지요. 아마 자료가 있으실 겁니다.

제가 개인적으로 읽는 분들을 위해 한가지 윗 내용에 첨부를 해도 된다면 매트구조나 기타 약간의 줄기초도 30cm까지 들어가지 않아도 최소장님이 말씀하신 것처럼 사실 문제는 없습니다. 조건은 잡석이 물을 배수할 수 있는 성능이 있어야 하고 그 깊이가동결선 이하까지 깔아서 물이 고여 결빙되는 일이 없어야 합니다. 즉 동결심도가 1m라면 잡석다짐 밑선이 1m가 되어야 한다는 말입니다. 기초구조가 1m가 되어야 한다는 것이 아닙니다.  그러면 결빙이 되더라도 지중속의 체적변화는 없다고 보는 것이지요. 잡석다짐이라고 꼭, "큰" 잡석만 생각하는데 그렇지는 않습니다. 모래크기부터 약 45mm까지 다양하게 이용이 되지요. 너무 크면 말그대로 다짐이 잘 되질 않습니다. 이 잡석의 목적은 하중을 분산하는 것도 있지만 모세관 현상으로 올라오는 수분을 끊는 것이 그 첫번째 입니다.

열교를 고려한다면 스틸이나 경량 목구조는 매트위에 주 단열재를 설치하게 되는데 이는 엄격한 의미에서는 내단열이 되기에 사실 조심스러운 시스템 입니다. 결로수는 그래서 보통 매트와 그 위의 방수층에 생기게 되는데 공사시 수분이나 기타 이유로 사실 어느정도는 생깁니다. 그래서 매트위의 구조에 방수쉬트를 100% 접착하는 것이 그 이유입니다. 그런데 기초와 외벽 연결부위에 상기 그림에서 처럼 수직 단열재를 설치하게 되면 이런 문제는 훨 줄어들게 됩니다. 그래서 목구조에서는 수직 단열재를 더 두껍고 약간 더 깊게 설치하기도 합니다.
위의 그림은 원리를 설명하는 것이기에 상관은 없지만 좀 더 추가를 하자면 외벽 단열재와 기초의 수직 단열재가 끊어짐이 없어야만 더 효율적입니다. 그렇지 못하면 가장자리 부분의 결로위험이 높지요. 그래서 기존의 주택바닥이 여러 이유가 있지만 곰팡이가 피는 원인이기도 합니다. 잡석에 관한 물성치는 아마도 도로공사측에서 잘 정리해 놓지 않았을까 싶은데요.
G 홍도영 2011.05.17 05:24
목구조 연결부위 선형열교 입니다.
M 관리자 2011.05.17 09:51
홍도영건축가께서 지적한 바와 같이 상부의 그림은 IRC에 나와있는 이해를 돕기위한 그림입니다. 그림에서는 목구조의 외벽선이 내려오다가 기초 측면의 단열재와 연속되어져 있지 않은 것을 지적한 것입니다. 옳바른 디테일은 목구조 외벽을 조금 외부로 빼내어 하부 기초 수직단열재와 일치시켜주어야 한다는 이야기 입니다.
위의 선형열교그림을 자세히 보시면 이해되실거라 생각합니다.

목구조 선형열교는 마침 하고 있었는데.. 시간을 덜어주셔서 감사드립니다.
1 차동광 2011.05.18 08:58
매번 좋은 정보만 얻고 갑니다...감사합니다...
1 김용철 2011.05.25 10:46
관리자님의 보다 깊이있는 글과 홍도영건축가님의 답글까지 고맙습니다.

P.S. 목조에서 저런 유형의 결로하자가 생긴다니 놀랍습니다.
4 이성원 2011.08.07 14:15
설계사도 아니고 시공자도 아닌 입장이다보니 용감하게 질문을 드려 봅니다.
기초를 깊게 안 한다하더라도 어차피 잡석을 동결심도까지 다져야 한다면 공정이 간단해 지는 것도 아닌것 같고 시공비 절감도 그리 기대 되지는 않는 것 같습니다. 잡석다짐을 충분히 하고 기초를 얕게 할 때 얻어 지는 장점이 어떤 것이 있는지 가르침 부탁드립니다.
M 관리자 2011.08.07 16:14
두가지로 나누어서 답변을 드려야 할 것 같은데요..

첫번째는 구조설계를 제대로 하면, 잡석다짐의 비용보다 골조가 내려가는 비용이 훨씬 커집니다. 현재의 단독주택처럼 구조설계없이 시공이 되면, 잡석다짐과 골조비용이 비슷해 지므로 질문과 같은 의문이 발생되는 듯 합니다.

두번째는 IRC 코드에 의하면 잡석다짐이 동결심도까지 내려가지 않아도 됨을 의미합니다. 즉, 수직단열재와 수평단열재를 코드에 나와있는데로 사용하면 잡석다짐을 궂이 동결심도까지 내리지 않아도 무방하다는 결론입니다. 홍도영건축가께서 지적하신 내용과 사실 상반될 수 있는 결론이죠.. 하지만, 본문의 끝에 밝혔듯이 이 모든 것들이 외국의 기준입니다. 우리 연구자가 장시간의 실험을 통해 결론을 내려야 겠죠.. 그래야 KS 기준이 생기고,, 그 전까지는 그저 논란의 연속일 듯 합니다.
시뮬레이션의 결과로는 IRC 코드의 내용이 맞습니다. 그리고 논리적으로는 홍도영건축가의 글도 맞습니다. 다른 사람의 집을 설계하면서 모헙을 할 수는 없기 때문에 IRC 기준대로 하면 된다... 라고 말씀드리기도 어려운 부분입니다.
또한 패시브하우스처럼 바닥으로 새는 열이 거의 없는 상황에서 IRC 코드의 내용을 따르는 것이 과연 옳은 가라는 의문도 있습니다.

비슷한 의문을 가지고 있었기에 해외자료를 찾고 있는 중이었습니다. 조만간 내용을 정리해서 글을 적으려 준비하고 있었는데.. 미리 질문을 주셔서 이 곳에 과정 중간적 성격의 답변을 드립니다.

올해 협회에서 시공하는 주택의 기초에 온도센서를 몇군데 넣어서 데이타를 받으려 준비 중에 있습니다. 비록 일반화할 수 있는 데이타는 아닙니다만, 어느정도의 이야기는 드릴 수 있으리라 생각하고 있습니다. 올 겨울이 지나서 내년 3~4월 쯤 데이타를 정리하여 올리도록 하겠습니다.

내용의 핵심을 짚어서 질문을 주셔서 감사드립니다.
4 이성원 2011.08.08 21:12
내용의 핵심을 짚었다니 우쭐해지고 방자해 질까 걱정입니다.
빠른 답변, 심도 있고 정성 어린 답변 항상 감사드립니다.
1 김중규 2012.04.09 20:38
현장감이 있는 내용입니다.
1 김종철 2013.01.10 13:42
좋은 내용 감사합니다^^
1 멋진건축가 2013.01.10 13:43
동결선
G 이건우 2014.06.10 18:15
보고만 말 수 없어서 감사인사 남깁니다.
좋은 정보 감사합니다...
M 관리자 2014.06.10 19:22
별말씀을요.. 감사합니다.
1 장웅재 2014.12.04 14:10
질문드립니다.
목조건축물의 매트기초 상부면을 보통 GL+400정도로 하는데, 영세한 시공자가 충분한 다짐을 하기 어렵고, 단부 기초를 GL-300까지 내리면서 줄기초형태의 철근배근을 하는 것도 쉽지 않아서, 대부분의 시공자들이 GL위에 400정도의 매트기초를 치게 되는 것 같습니다.
대안으로,
원지반위에 100정도 긁어내고, 잡석 200, 구조콘크리트 300 타설,
단부는 GL-500까지 터파기, 잡석 200, 구조콘크리트 700 타설하되,
배근은 가운데와 단부 구분없이 상부근과 하부근 간 200 간격으로 HD13@300 복배근 하고, (단부의 아래부분은 무근 형태)
매트 단부 외부에 40t EPS 설치하면,
거푸집 물량 약간 추가되는 것 이외에는 철근량이 매트기초와 동일하고, 콘크리트량도 미미한 차이이면서, 동결심도 우려도 덜 수 있는 방법이 아닐까요?
1 김송도 2016.05.15 02:16
안녕하세요. 늦은시간에 궁금한거 있어서 질문합니다.
올려주신 글에 IRC가 국제적인 주거시설 지침코드라고 하셨는데
주거시설이면 단독주택정도를 말씀하시는건가요 아니면 공동주택도 포함인지요
적용할수있는 규모가 궁금 합니다.
이 지침코드는 어느정도 규모까지 적용가능 한건지 궁금합니다.
M 관리자 2016.05.15 10:44
장웅재님... 죄송하게도 질문 글을 이제야 봤습니다. ㅠㅠ
14년 12월 글을 .. 김송도님 질문글을 보다가.. 알았습니다. 헐...

그래도 답변을 드리면.. 원칙은 GL -300 은 걷어 내야 합니다. 그래야 원지반의 지내력을 확보할 수 있다고 "추정"할 수 있습니다.
그렇게 하지 않는 것은 시공사가 "영세"한 것이 아니라 "건축주가 영세"하기 때문일 것입니다.
M 관리자 2016.05.15 10:45
김송도님..
IRC는 모든 주거시설에 대한 내용을 담고 있습니다. 그러나, 규모에 관한 사항을 별도로 구분하고 있지는 않으며, 모든 규정이 공동주택에도 그대로 적용가능한 것은 아닙니다.
별도로 전문가가 판단을 해야 하는 부분입니다.
1 김송도 2016.05.15 22:58
관리자님 그럼 여기에 올려주신 기초깊이와 수평단열재의 설치 기준은 공동주택은 아니더라도 단독주택에는 적용할수 있다고 봐도 되겠죠?
항상 많은 지식을 얻어 갑니다.
M 관리자 2016.05.15 23:49
네.. 그렇습니다. 당연히 적용가능합니다.
1 김송도 2016.05.16 03:29
알겠습니다.
오늘도 많이 배워갑니다.
좋은하루되세요^^
1 seesco 2016.12.28 21:41
동결심도