4-05. 기초의 단열 - 가. 기초의 형태

우선 기초가 독립/줄/온통기초 등으로 나뉘는지, 지반의 지내력과 어떤 상관이 있는지 극히 기초적인 개념부터 설명을 드려야 할 것 같다. 그래야 아래에 나오는 지내력 시험이 왜 필요한지를 인지할 수 있기 때문이다.

지반의 지내력과 기초의 면적

지내력이라 함은 지반이 상부의 하중을 견딜 수 있는 정도를 말한다.

즉, 이 지내력을 알아야 알맞은 기초의 형태를 정할 수 있다. 그러므로 이 관계를 간단한 계산을 통해 이해해야 한다. 또한 이 내용은 기초 하부에 단열재를 깔 수 있는가? 또 깐다면 어떻게 까는가? 등등에 대한 답변이 될 수 있기 때문이다.

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하중에 대한 계산은 kN 으로 하는데, 이를 편하게 보시려면... 

약 10kN = 1ton 으로 계산하시면 되며, 사실 단위를 보지 마시고, 숫자의 크기로만 보셔도 된다. 

모든 단위를 kN 으로 통일해서 글을 적었기 때문이다.

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어떤 지반이 200 kN/㎡ 을 받을 수 있다고 한다. 2층 건물의 전체 하중이 50 kN/㎡ 라고 한다면, 50/200 = 0.25 로 계산 될 수 있다.

이 뜻은.. 건물 바닥면적의 0.25 배 크기의 기초판 면적 건물의 하중을 다 내릴 수 있다는 의미가 된다. 즉 바닥면적이 100 ㎡ 이라면, 독립기초의 바닥면적이 25㎡ 면 건물의 하중을 견딜 수 있다는 뜻이다. 

너무나 당연한 이야기를 해서 죄송하다.

이를 그림으로 표현하면 다음과 같다. (실제 이런 건물은 없다. 그저 개념으로 보면 된다.)

그림에 있는 작은 기초판의 면적에 실리는 전체 하중은 200 kN/㎡ 이고, 지내력도 200 kN/㎡ 이므로 이 건물은 안정적이라는 의미가 된다. 

이런 식으로... 건물의 하중이 50 kN/㎡ 인데, 만약 지반의 지내력이 같은 50 kN/㎡ 이라면, 기초는 바닥면적과 동일한 면적이 되어야 한다. 즉 온통기초가 되어야 한다는 뜻이다. 

만약 지반이 성토지반이거나 연약지반이어서, 건물의 하중이 지내력보다 크다면 땅 속의 암반층까지 말뚝을 내리는 식의 공사를 해야 하는 것이다.

일반적인 토질 상태에 신축되는 대부분의 주택 수준에서, 지내력이 건물의 하중 보다 최소 3배 정도로 크다. 그러므로, 주택에서 별다른 계산없이 줄기초를 하더라도 지금까지 별 문제없이 버텨왔던 것이다. 즉 그저 우연의 산물이라는 뜻이다.

그럼 이런 의문을 가질 수 있다.

Q: 지반이 완전 돌이라서 엄청 딴딴하다면, 기초판의 크기를 극히 작게 해도 되는가?

A: 맞다. 그렇다. 콘크리트 구조물의 강도가 받아 주는 범위 내에서 엄청 작게 할 수 있다.

그러므로, 평판재하시험 또는 토질시험 이라고 하는 지내력 시험, 즉 내 땅이 어느 정도의 하중을 받을 수 있는지에 대한 검사를 해야 한다. 그래야 경제적으로 기초를 만들 수 있는 것이다. 

지내력을 안다면, 아래와 같이 계산되는 것이 정상적인 계산 방법이다.

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지내력 : 200 kN/㎡

건물의 전체 하중 : 50,000 kN

기초판의 최소면적 : 50,000 / 200 = 25 ㎡

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그러므로 지내력 시험을 하면 기초판의 면적을 최소화할 수 있도록 계산이 가능하기 때문에 기초의 가격을 아낄 수 있다.

거푸집공의 인건비 상승

하지만 최근 거푸집공의 인건비가 늘면서, 줄기초 방식이 현장에서 점차 사라지고 온통기초(매트기초) 방식으로 변하고 있다. 온통기초는 기초판의 면적이 바닥면적과 같기 때문에, 더욱 여유가 커지게 된다. 그래서 이 지내력 시험을 생략되어도 구조기술사가 별다른 언급을 하지 않는 이유가 된다.

그렇다고 하더라도 성토지반, 논이었던 땅, 물이 흐르던 곳을 메운 땅 등등 지내력이 현저히 부족한 땅도 많으므로 (특히 택지개발지구) 지내력시험은 그 비용도 얼마 하지 않으므로 꼭 한번 해야 한다.

기초의 구조계산을 위한 지내력 시험 (평판재하시험)

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.

기초 구조계산을 제대로 하기 위해서는 지층의 상태를 알아보는 "표준관입시험" 이나 "평판재하시험"을 해야 하는데 이를 행하는 단독주택부지는 거의 찾아 보기 힘들다.

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 앉혔을 경우, 몇 년 이내에 침하가 있었을 것이다. 아래 사진은 지반 조사 후 파일 기초를 시공하는 사진이다.

두 방법 중 어떤 것이 더 나은 기초인가는 아무도 말할 수 없다. 지내력 시험을 통한 기초설계를 해서 가장 알맞은 방법을 택하는 것이다.  

구조 설계사무소에 단독주택이나, 근린생활시설의 구조계산을 의뢰하면 오른쪽 그림처럼 온통기초로 풀어오는 경우가 대부분이다. 물론 지내력은 조사하지 않았기에 충분한 안전율을 확보할 수 있는 온통기초가 더 유리하기도 하지만, 거기에 더해서 철근이나, 콘크리트 두께를 과다 설계하게 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. 

온통기초의 하부 단열  

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

대부분의 도면에서 기초는 아래와 같이 표기된다. (기초테두리 하부의 버림콘크리트는 생략)

기초 하부에 단열재를 깔 수 있는가 없는가에 대한 논의는 다음 글에서 하겠다.

http://www.phiko.kr/bbs/board.php?bo_table=z3_01&wr_id=106 

일단은 이런 형태 자체가 가지고 있는 문제점부터 이야기를 하는 것이 옳다고 판단한 탓이다.

기초 하부 사선 구간의 문제점

90년대 전까지 현장에서 일하셨던 분들은 기초 도면이 아래와 같이 표기되어져 있는 것을 보셨던 기억이 있을 것이다.

형태와 재료는 동일한데, 기초하부의 삼각형 공간을 "무근콘크리트"라고 따로 표시를 한 것이다.

기초도 콘크리트, 삼각형 모양의 무근도 콘크리트인데.... 왜 이 것을 별도로 표기했는지... 여기엔 중요한 이유가 있었다.

즉, 그 당시는 기초를 항상 두 번에 걸쳐 타설을 하였다. 작업 순서는 아래와 같다.

1. 먼저 흙을 기초 형태로 걷어 낸다.

2. 잡석다짐을 한다. (물론 경사진 부분에서 일정한 두께를 만드는 것은 어렵다.)

3. 그 위에 버림콘크리트를 친다. PE필름은 생략하였다.

이 역시 경사진 부분에 일정한 두께의 버림콘크리트를 만드는 것은 불가능하다.

4. 거푸집을 대고 기초의 테두리를 만든다.

5. 안쪽 거푸집을 제거하고, 삼각형의 공간에 무근콘크리트를 채워넣는다. 대부분 자갈을 많이 섞은 모르타르를 현장에서 배합해서 사용하였다.

6. 그 다음 기초판 배근을 하고 콘크리트를 타설하였다.

지금의 방식을 요약하면 과거의 방식과 1~3번까지는 같으나, 단열재를 깔고 기초판을 한번에 타설하는 것으로 변하였다. 

과거에 이와 같이 기초를 두 번에 걸쳐서 타설하여 만든 것은 이유가 있었다. 

위와 같이 기초하부가 사선으로 되어져 있는 경우 그림을 그리기는 쉽지만, 현장에서 그림처럼 시공하는 것은 불가능하다. 아래의 형태를 만들기 위해 정말 많은 사람이 무수히 많은 땀을 흘렸음에도 결과는 만족스럽지 못하다. 

<사선 부위의 흙이 다 드러나게 된 것은 방습층으로 깔린 PE 필름 위에 몰탈이 붙지 않고 흘러 내렸기 때문이다.>

일단 사선부분에 무근이 잘 고정되지도 않을 뿐더러 단열재를 붙이기 위해 평평한 면을 만들기는 더더욱 어렵다.

바닥면을 고르게 만들지 못하기 때문에 그 위에 단열재를 까는 것도 무리스럽지만, 가장 큰 문제는 사선 부분의 단열재 아래 쪽에 커다란 공극이 생긴다는 것이다.

즉 단열재 하부 면이 평탄하지 못하기 때문에 내부에도 공극이 있지만, 문제는 사선 부분과 만나는 곳은 너무 큰 공간이 생긴다는 것이다.

비록 좋지 않은 예지만, "최저가"로 공사가 이루어지는 많은 현장은 흙을 사선으로 만든 후에, 잡석다짐도 버림콘크리트 조차 하지 않고, 그냥 단열재를 깔고 있기 때문에 아래와 같은 결과도 흔하게 볼 수 있다. 

이 상태에서 테두리 배근을 하고, 그냥 비닐만 깐 다음 단열재를 시공한다.

단열재의 하부에 거대한 공간을 볼 수 있다.

이 것이 가져오는 문제는...

이 위에 콘크리트를 타설할 경우, 단열재 하부 공극에 콘크리트가 채워질 수 없다는 것에 있다.

즉 아래와 같이 하부가 텅 비어 버리는 결과를 초래한다는 것이다.

특히 바이브레이터 조차 제대로 사용하지 않는다면, 대부분의 공간이 비게 된다.

이 경우 구조계산의 가정사항과는 전혀 다른 조건이 되며, 철근 배근을 빼먹거나, 얇은 철근으로 대충하거나 한다면... 심한 경우 기초판과 기초테두리 사이에 균열이 가게 된다.

그러므로 과거 선배 세대에서 했던 (두 번 타설하는 기초) 방식이 근거가 있었다는 것이다. 

이 것이 모두 "싸게교"를 믿는 건축시장의 결과라는 것을 부정할 수 없을 것이다.

협회 질문게시판에 "밤에 자는데 엄청 큰 소리가 나고, 화장실의 타일이 (가로방향으로) 쭉 떨어져 나갔다"라는 질문이 있었다. 질문하신 분은 "타일 떨어진 것 이외에는 다른 이상을 발견하지 못했다"고 했으나, 기초가 부러졌을 가능성이 높은 경우다.

아래의 예는 상당히 높은 수준으로 기초의 바탕면을 형성한 예이다. 아마도 이 정도의 품질을 만들 수 있는 현장도 찾기 쉽지 않을 것이다.

하지만 이러한 좋은 상태라고 할지라도, (상상해 보면) 이 위에 잡석다짐, 비닐, 버림콘크리트 작업을 하면서 테두리의 흙이 제대로 형태를 유지하고 있을리가 없다는 것을 쉽게 알 수 있다.

<이 사례는 잘 시공된 좋은 사례로 가져온 것이나, 혹시 사진의 소유자께서 삭제를 원하시면 바로 삭제하겠습니다.>

현실적 대안

그러므로 우리는 선택을 해야 한다.

기초를 두번 타설할 것인가.. 사선부분과 단열재 하부를 평탄할 수 있도록 정교하게 만들 것인가...

만약 지금의 상황을 바꾸기 어렵다면, 기초하부에 단열재를 까는 것은 좋지 않다는 결론이다. 즉, 기초 하부에 단열재가 하중을 버틸 수 있느냐 없느냐와는 별개의 문제로 기초 상부로 단열재를 올리는 것이 현실에서의 대안이 될 수 있다는 것이다.

이 경우는 철근 배근시 PE필름의 훼손을 최소화할 자신이 있다면 기초 하부의 버림콘크리트도 생략할 수 있다. (시공사가 판단할 수 있는 영역이다.) 

이 때 몇가지 유의사항이 있다.

첫번째는 동결심도에 관한 것인데, 외벽에 외단열을 한다고 하더라도 기초 측면에 단열재를 생략할 경우 우선 동결심도로 부터 자유롭지 못하다는 것이다. 

즉 기초측면에 단열재를 시공할 경우, 기초의 깊이를 350mm 이하로 내릴 필요가 없어진다. 이 것에 관한 내용은 아래 글에 있다. 

http://www.phiko.kr/bbs/board.php?bo_table=z3_01&wr_id=112 

또한 외벽의 EPS단열재가 지면과 붙을 경우, EPS단열재의 흡수율로 인해 하단에 물이 먹을 수 있고, 겨울철 야간의 동결융해로 인한 하자로 이어질 수 있다.

더 나아가, 기초에 묻어 놓은 각종 수배관이 얼어서 문제가 생긴다. 아래 사진은 기초측면에 단열재를 넣지 않아서 화장실의 모든 배관이 얼어서 겨울철에 전혀 사용을 하지 못하고 있는 집의 열화상사진이다.

이 것을 고려하면 아래와 같이 구성되어야 한다. 

이렇게 해서 모든 문제가 해소된 것은 아니다.

두번째 고려해야 할 사항은 기초하부면을 통한 열교가 존재한다는 것이다.

물론 위와 같이 기초측면에 단열재가 아예 없는 것 보다는 훨씬 상황은 나아진다. 

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. 즉 이 부분이 곰팡이 생성 구간이 된다.

다만, 대부분 바닥난방을 하는 국내 주거시설의 특성상 큰 문제를 야기하지는 않는다.

즉 바닥난방의 열손실이 있지만, (요행히) 하자까지 이어지지 않았다는 뜻이다.

이를 보완하기 위한 방법은 기초의 측면 하부에 XPS 단열재를 수평으로 까는 방법이 있다. 이 경우 열교의 경로가 길어지면서 실내 온도가 안정권에 들어갈 수 있다.

(목구조는 이 수평단열재가 필요하지 않다.)

물론 기초측면 단열재의 건전성을 위해서, 아래와 같이 단열재 표면을 덮는 쇄석이 필요하다.

이 쇄석 대신 배수판을 설치할 수도 있으며, 여기에 관한 내용은 아래 글에 있다.

phiko.kr/bbs/board.php?bo_table=z3_01&wr_id=334

또한 기초 측면의 단열재 (지중단열재)에 EPS가 적당한가 XPS가 적당한가에 대한 논란이 있는데, 여기에 대한 내용은 아래 글에서 확인할 수 있다.

http://www.phiko.kr/bbs/board.php?bo_table=z4_01&wr_id=16134 

결론은 (다른 과학적 검증이 별도로 없는 한) XPS 가 유효하다.

다만, 위에 쇄석 또는 배수판을 하는 이유가, XPS라고 할지라도 물의 침투가 연속적이면 결코 좋은 결과로 이어지지 않기 때문에, 물로부터 단열재를 보호할 필요성에 필수적으로 요구되고 있는 것이다.

협회의 방식

이런 저런 이유로.. 협회는 아래와 같이 기초의 형식을 통일하였다. 

주택 수준에서는 모두 안정적인 방법이나, 3층을 넘어가는 경우나 기초의 깊이가 상이한 방식일 경우를 모두 포함하여 구조기술사의 확인을 받아야 한다. 

협회 표준주택의 경우 이 방식을 채택하여 내진설계가 포함된 구조계산서를 갖추었다.

하나는 지중보로 기초를 만든 형식이다. (줄기초의 변형 방식)

기초 하부의 단열재는 되메우기흙을 대신할 뿐이고, 계산상 단열성능을 고려하지 않는다. 즉 기초 저면의 지반이 사선으로 깍여서 생기는 문제를 원천적으로 제거하고, 지면으로 부터 1층 바닥 높이를 많이 올리려는 시장의 요구를 동시에 만족시킬 수 있는 방법이라고 판단하였다.

이 방식의 보이지 않는 장점은 오수배관을 이 지중보 속에 넣어서 쉽게 구배를 잡을 수 있다는 것과,  지중보는 횡력을 받지 않으므로 테두리를 제외하고는 간략한 단배근으로 해결할 수 있는 점이다.

<목구조의 경우 그림의 수평단열재가 요구되지 않는다.>

혹시 이 방식을 채택하려 하시는 분을 위해 조언을 드리면 (구조계산을 해야 겠지만)... 

지중보의 위치는 내벽이 내려오는 모든 구간에 해야 하며, 내벽이 없더라도 3미터를 넘을 경우 중간에 지중보를 만들어야 한다. (이 역시 구조기술사가 판단)

즉 1층 평면이 아래와 같을 경우 기초의 형태는 점선과 같다.

또한 지중보를 포함한 모든 바닥면의 하부에 단열재를 깔 수도 있으나, 혹여 그대로 따라하실 분들이 계실까봐 생략한다.

그 다음은 통상적인 온통기초의 형태이다. 이 경우 기초 측면의 수평단열재는 필요가 없어 지며, 측면배수가 보다 더 원활해 진다는 장점이 있다. 다만 위의 방식보다 철근량이 많아지면서 비용이 다소 올라 간다.

이 두 가지 방식이 가진 최대의 장점은 지면이 전체가 하나로 평평하기 때문에 다짐 등에서 실수를 할 확율과, 기초하부에 빈공간이 생길 확율이 없다는 점이다. 거기에 더해서 열교에 의한 2차 하자를 막는 것은 덤이다.