기초단열과 동결심도

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......

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