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주택 건축 공정관리, 구조공사-철근콘크리트 구조
건축구조란 한마디로 건축물의 형상을 이루는 뼈대다. 지반에서부터 지상층에 이르기까지 기초와 기둥, 보, 벽, 바닥 슬래브, 계단, 지붕 등의 구성으로 설계된 건축물의 골격을 이룬다. 구조는 하중의 방향에 따라 수직하중과 수평하중 그리고 하중의 원인에 따라 고정하중, 적재하중, 적설하중, 풍하중, 지진력, 충격하중 등으로 분류한다. 하중 기간에 따라 장기하중과 단기하중으로 분류한다. 위치에 따라서 중심하중과 편심하중으로, 하중의 분포 상태에 따라서 집중하중과 분포(등분포, 등변분포, 부등분포)하중으로 나눈다. 건축물의 구조는 이러한 다양한 하중을 이겨냄으로써 우리가 안심하고 거주하도록 공간의 구조적 안정성을 제공하는 것이다.
구조의 종류는 구성 방식에 따라 가구식구조, 조적식구조, 일체식구조, 특수구조가 있다. 구조의 형식에 따라서 라멘구조, 벽식구조, 트러스구조, 아치구조, 플랫슬래브구조, 절판구조, 셀구조, 스페이스 프레임구조, 현수식구조, 막구조가 있다. 또한 구조의 사용 재료에 따라 철근콘크리트구조, 목구조, 석구조, 벽돌구조, 시멘트 블록구조, 철골구조, 철골 철근콘크리트구조 등이 있다. 구조의 시공 방식에 따라서는 습식구조, 건식구조, 현장구조, 조립구조로 나눌 수 있다. 이와 같은 구조의 종류를, 특수구조를 제외한 주택 건축구조에 많이 사용되는 것만을 간단하게 정리하자면 다음 표와 같다.
주택 건축구조의 종류
현재 국내 주택 건축에 많이 적용되는 구조공법으로는 ▲일반적으로 널리 알려진 철근콘크리트주택 ▲환경친화적이고 우수한 온습 조절 능력으로 건강과 변화가 많은 디자인에 유리한 목조주택 ▲무게에 비해 강도가 크고 구조재의 내화성과 자원의 재활용성이 우수한 스틸하우스 ▲70, 80년대 경제 성장기에 많이 보급됐으나 요즈음은 적용 빈도가 낮아지는 조적조주택 ▲경제적인 이유로 경량 샌드위치 패널 또는 프리패브 등을 이용하는 조립식 주택 등이 있다.
물론 이러한 공법 외에도 여러 가지가 더 있지만 소비자가 참고하도록 사용 빈도가 높은 공법을 위주로 설명하고자 한다. 이를 위해 전문서적 및 본인의 자료와 실무 경험 그리고 관련 협회의 자료를 발췌, 편집하여 부분적으로 인용했음을 밝힌다.
내구성을 인정받아 시장에 적용되는 공법들은 유지·보수관리를 전제로 공법의 사용 가능한 수명은 통상 100년 이상으로 본다(조립식 공법은 제외). 그러나 각종 마감재와 매입된 난방, 급·배수 설비의 노후에 따른 보수비 대 신축비의 경제성과 사용자의 이용 편리성, 디자인 트렌드 등의 변화로 주택의 사회적 수명은 다시 줄어 통상 30∼50년으로 본다. 과거 70, 80년대에 많이 지어진 주택들이 지금은 거의 멸실한 상황을 보면 우리의 주택들은 통상적인 사회적 수명도 다하지 못하는 것이다. 물론 당시 공급 위주의 주택 보급 상황과 사회적 수명보다 짧은 설비 수명 때문으로 이해해야 할 것이다. 그러나 이러한 현상은 급속한 경제 성장기에서 발생하는 상황으로 한 획을 긋고, 이제는 50년 이상 100년을 내다보는 미래지향적이며 친환경적인 주택을 설계하고 시공해야 한다.
공법은 기본 설계안의 형상과 주요 마감재료, 지형, 지리적 위치 등을 종합 검토해 선정하는 것이 원칙이나 경우에 따라서는 수요자가 선호하는 공법이 있으므로 설계 시 지정 공법의 특성을 잘 파악해야 한다. 이를 위해 다양한 구조공법의 개요와 특장점을 간략하게나마 먼저 이해하고 주택 건축에 많이 적용되는 철근콘크리트주택, 목조주택, 스틸하우스, 기타 공법의 구조 정의와 특성, 장단점, 시공 시 주의점 등을 기술함으로써 건축공학을 전공하지 않은 현장 관리자와 수요자에게 다소나마 도움을 주고자 한다. 그러나 공법 간의 장단점 비교는 엔지니어로서 무의미하다고 판단되기에 마지막에 간략한 특성만 비교하고자 한다.
각 공법에는 약간의 단점들이 있기 마련이며 기술자들은 그것을 이해하고 현장에서 응용할 때는 구조적, 기능적으로 보완해야 한다. 이러한 면에서 소비자들은 기술력이 확보된 업체에 시공을 의뢰해야 한다. 튼튼하고 편안한 주택을 완성하려면 구조적인 하자를 철저히 예방해야 한다. 먼저 철근콘크리트구조의 정의와 특성, 시공 시 주의점을 살펴보겠다.
철근콘크리트구조의 정의
철근콘크리트구조는 기둥, 보, 내력벽, 바닥 슬래브 등의 주요 구조부가 철근콘크리트로 시공되는 일체식구조를 말한다. 철근은 인장력에 강하고 콘크리트는 압축력에 강하다. 또한 이들은 팽창 계수가 유사하므로 일체화된 구조를 이루면 우수한 구조 성능을 나타낸다. 이러한 재료적 특징을 이용한 것이 철근콘크리트구조다. 철근 콘크리트구조는 구조 강성이 크고 내구성, 내화성, 내진성, 차음성이 좋다. 그렇기에 각종 중·소 규모 건물, 아파트, 빌라, 단독주택 등에 매우 보편적으로 적용되는 공법이다.
철근콘크리트구조의 특장점
가장 보편화된 공법이며 구조 강성이 우수하다
소비자들이 많이 본 친숙한 공법으로 물성이 단단하기에 구조적인 안정감을 준다. 구조 전체의 일체화로 구조적 성능이 우수하며 풍압과 지진에도 강하다. 그러나 어떤 공법도 마찬가지겠지만 잘못된 시공 관리로 균열이 발생하거나 심한 경우 붕괴되는 모습도 보았다. 그렇기에 아무리 훌륭한 공법을 채택하더라도 정확한 시공 방법을 따르지 않으면 안 된다.
내구성, 내화성, 차음성능이 우수하다
다른 공법의 소재에 비해 내구성이 좋다. 노출된 콘크리트는 산성비에 부식되는 경향이 있으나 대부분 내외장재로 매입되므로 비바람 등에 잘 견디고 오래 간다(노출 콘크리트공법 적용 구조 재료 자체를 의장적인 요소로 활용하기도 한다). 또한 내화성이 좋고 면밀도가 높아 차음성이 우수해 세대 간 경계벽 적용에 유리하다. 그러나 충격음으로 층간 소음이 발생하므로 방진 역할을 위해서 별도의 시공 방법을 적용해야 한다. 참고로 소리의 전달 속도는 공기보다 고체에서 더 빠르다.
재료의 구입 및 시공업체 선정이 쉽다
앞서 말한 바와 같이 가장 보편적인 공법이므로 시중에서 재료 구입이 쉽고 시공업체(자)가 많아 가까이에서 시공사(자)를 선정하기 좋다. 그러나 경쟁이 치열하다 보니 가격 졍쟁력을 위한 견적을 내는 경우가 많으므로 비용을 조금 더 지불하더라도 품질관리를 제대로 수행하는 업체를 선정해야 한다. 부분 공정의 현장 경험만으로 전체 범위의 시공을 수행하는 경우를 많이 보는데 이는 환자가 무면허 의사에게 진료를 받는 것과 다르지 않다. 주택 건축은 터파기와 구조체 시공에서부터 최종 마감과 하자 예방을 생각하고 적절한 디테일(상세도)을 제시할 수 있는, 종합 관리 능력이 있는 지휘자를 시공사로 선정해야 한다.
철근콘크리트구조의 단점
복잡한 디자인의 주택을 시공하기 어렵고 비용이 많이 든다
요즈음 많이 요구되는 서구식 디자인의 주택을 소화하기에는 거푸집 조립과 철근 배근이 까다롭고, 경사가 심한 지붕의 형상을 만드는 데 재료비와 목수 인건비가 많이 들어 오히려 비경제적이다. 형태가 비교적 단순하고 장중한 이미지를 낼 경우에는 적합하나 시멘트 독이 장기간 발생한다는 이유로 친환경, 웰빙 중심의 전원주택 분야에서는 많이 사용하지 않는 편이다.
습식구조로 일체화돼 난방비가 많이 든다
소재의 단열성이 떨어지고 습식 일체형 구조로 건식구조체보다 난방 부하가 커 난방비가 많이 든다. 단열성이 떨어지는 부분이 발생하기 쉬워 부분 결로가 발생할 수 있다. 또한 일정량의 수분을 포함하는 구조로 매우 차가운 소재이기도 하며 여름철에는 태양 복사열을 발산하는 축열 기능도 하므로 냉난방 부하가 크다.
습식구조물로 장마기에는 쾌적한 실내 환경을 만들기 어렵다
철근 콘크리트도 습도 조절 능력이 어느 정도 있으나 목재에 비해 현저히 떨어지므로 여름철 장마기에는 실내가 눅눅하고 통풍이 안 되는 부분에는 곰팡이가 피기 쉽다. 지하 구조물은 통풍을 위한 Dry Area나 선큰 가든 등을 이용해 쾌적한 실내 환경을 조성해야 한다.
주택 개조 또는 멸실 시 분쇄 및 폐기물 처리가 어렵고 비용이 많이 든다
다른 공법의 자재에 비해 강도가 커 분쇄가 어렵고 재활용되거나 소각 처리가 되지 않아 폐기물량이 많고 위탁 처리 시 비용이 많이 든다. 또한 소음과 비산 먼지로 인한 민원이 발생하는 등 다른 공법보다 환경면에서 불리하다.
철근콘크리트구조의 시공과 주의점
철근공사
철근콘크리트구조는 철근과 콘크리트가 일체화된 복합구조체로 주로 철근은 인장강도, 콘크리트는 압축강도에 유효하게 작용시켜 양자의 장점을 발휘하는 구조체다. 철근과 콘크리트 복합체인 철근콘크리트구조는 콘크리트가 경화함으로써 철근과 견고히 부착, 피복되어 철근의 내화성 및 내구성을 높여준다. 또한 철근과 콘크리트는 열 팽창 수축률이 거의 일치하므로 온도 변화에 대해서도 유리하다.
철근콘크리트구조의 골격에 해당하는 철근은 콘크리트와 복합체로 되어 구조체를 견고하게 하고 인장력이 약한 콘크리트를 보완해 구조 내력상 또는 역학상 구조체를 보강한다. 철근이 구조 내력상 유효하게 작용하려면 그 치수와 위치가 정확해야 하므로 배근의 적합성 여부는 매우 중요하다.
일반적으로 건축구조용 철근은 고장력 철근으로 철근과 콘크리트와의 부착력을 높이기 위해 이형철근을 사용한다. 또한 철근 가공을 위해 산소를 이용한 절단을 금지해 철근의 기계적 물성 저하가 없도록 한다.
철근의 이음 위치는 보통 응력이 큰 곳에서 이음은 피하고 같은 곳에 이음이 집중되지 않도록 한다. 압축 측에서는 철근 지름의 25배, 인장 측에서는 철근 지름의 40배로 하며 철근의 말단 갈고리(Hook)의 길이는 포함되지 않는다. 이형철근은 부착력이 크므로 말단의 훅을 생략할 수 있다.
철근은 내화성, 내구성, 콘크리트 타설 시 유동성을 확보하기 위해 다음 표와 같이 피복 두께를 확보하도록 하고 주근의 공칭 지름의 1.5배의 값과 표의 값 중 큰 것으로 한다.
거푸집(형틀)공사
거푸집(형틀)은 콘크리트를 부어넣어 콘크리트구조체를 형성하는 거푸집과 이것을 정확한 위치로 유지하는 동바리를 지칭한다. 이것은 콘크리트를 일정한 형상과 지수로 유지시켜 주며, 그 경화에 필요한 수분의 누출을 방지하고 외기의 영향을 방지하는 콘크리트의 적절한 양생을 목적으로 쓰이는 가설물이다.
거푸집은 구조 단면의 치수(기둥과 보의 치수, 내력벽의 벽두께, 다운 슬래브의 위치와 깊이 등 각종 주요 단면상의 치수)가 확보되도록 정확히 시공하고 콘크리트 타설 시 터짐이나 비틀림, 부분 부풀음 등을 발생시키는 측압에 견디도록 적절한 간격의 동바리 설치, 긴결재, 격리재 등으로 보강한다. 또한 스페이스 등의 부속물을 이용해 콘크리트의 내화 피복을 확보하도록 한다. 거푸집의 존치 기간은 건축공사 표준 시방을 따르고 주요 보의 경우는 후속 작업상의 충격하중을 고려해 존치 기간에 여유를 둔다.
철근 배근이 완료되면 구조체에 매입되는 각종 설비 배관의 정확한 수량과 위치 확보, 고정 상태를 점검한 후 나머지 면의 거푸집을 조립해 착오로 인한 구조부의 훼손을 최소화한다.
콘크리트공사
콘크리트공사는 철근콘크리트구조에 있어 가장 중요한 공사다. 철근, 거푸집공사와 합하면 전체 공사비 중 가장 많은 비중을 차지하는 공정으로 철근공사와 함께 철근콘크리트구조의 품질관리에 큰 영향을 미 친다.
콘크리트는 시멘트, 모래, 자갈의 혼합물에 물을 첨가해 성형, 응결, 결화시킨 구조 재료다. 콘크리트는 타설 후 경화를 계속해 4주(28일)가 지나면 거의 최종 압축강도에 도달하며 이때까지는 시멘트의 화학작용이 계속되도록 습윤과 온도를 유지해야 하는데 이를 양생 또는 보양이라고 한다.
콘크리트 강도에 영향을 끼치는 요소는 각 재료의 품질과 배합비, 물의 양, 시공법 등을 들 수 있다. 물 시멘트 비(Water Cement Ratio, W/C)란 시멘트를 비빌 때 넣는 물과 시멘트의 중량에 대한 비율로 물 시멘트 비가 클수록 시멘트의 강도는 약해지고 반대로 적을수록 골재 상호 간의 부착하는 힘이 강해져서 콘크리트의 강도는 커지고 내구성이 좋아진다.
콘크리트의 시공 연도(Worlability)는 콘크리트의 묽기 정도를 말하는 것으로 콘크리트를 부어 넣는 작업의 난이도에 관한 정도를 나타내며 슬럼프 시험(Slump Test)법을 기준으로 정한다. 슬럼프 시험은 반죽의 질기를 측정하고 시공 연도를 판단하며 성형성, 마무리의 용이성을 가름하는 중요한 수단이다.
콘크리트는 대부분 공장에서 생산된 레디 믹스드 콘크리트(Ready Mixed Concrete: 약자로 Remicon)를 사용하며 구조적으로 중요하지 않고 소량일 때는 현장에서 생산하기도 한다. 레미콘은 골재의 최대 치수(㎜)-콘크리트의 압축강도(㎏/㎠)-시공 연도(Slump)의 형식으로 시공 부분에 적합한 규격으로 주문한다. 주택 건축 시 사용하는 주요 구조부의 콘크리트는 주로 25-210-12 규격의 레미콘을 사용하고 기초 지정공사에 사용하는 버림콘크리트에는 25-180-8 규격의 레미콘을 사용한다. 높은 벽부나 충진이 어려운 부분에는 콘크리트 타설 시 충진이 용이하도록 25-210-15 규격의 레미콘을 사용할 수 있다. 현장에서는 레미콘의 출고증을 검수해 주문 규격을 확인하고 출하 후 1시간 이내의 레미콘을 사용한다.
콘크리트 타설 전에는 거푸집의 고정 상태, 철근의 배근 상태 및 상단 슬래브부 각종 매입 설비의 수량과 위치, 고정 상태 점검, 기타 오물을 제거하고 콘크리트의 유동성과 거푸집 제거에 유리하도록 물을 뿌린다. 단 겨울 시공 시에는 동결 위험을 예방하기 위해 물을 뿌려서는 안 된다.
콘크리트를 타설할 때는 먼 곳에서부터 시작해 계획된 작업 구획을 끝낼 때까지 계속해서 타설한다. 한 구획에서의 타설은 그 표면이 대략 수평이 되도록 하고 재료의 분리를 막기 위해 자유낙하 높이는 1m 이내로 한다. 보와 같은 주요 구조부의 타설은 그 하단에서부터 슬래브 상단까지 연속적으로 진행해 구조가 일체화되도록 이어붓기가 발생하지 않도록 한다.
타설 진행 중 후속 레미콘의 반입이 지체돼 수시간 경과 후 이어치기를 하면 콜드 조인트(Cold Joint)가 발생하는데 강도, 내구성, 수밀성, 기밀성 등 외측 면에서 구조물의 약점이 되기 쉽다. 슬럼프 15 미만의 된비빔 콘크리트에는 진동다짐기를 이용하는데 재료의 분리가 발생하지 않도록 콘크리트의 표면에 시멘트풀이 떠오를 정도의 30∼40초가 표준이다. 또한 높은 벽부에는 벽부 하단에서 나무 망치를 이용하여 진동을 주는 것이 도움이 된다.
콘크리트의 타설 후에는 표면의 급격한 건조가 진행되지 않도록 보양재를 덮고 살수해 습윤시키고 무리한 충격을 주어 강도 저하가 발생하지 않도록 보양한다.田
글 이재헌<㈜UNI건설(前 유니홈즈) 대표이사>
< 참고 문헌>
1. 건축시공학 (문운당) : 신현식, 김문한, 김무한 공저
2. 건축구조학 (기문당) : 김정섭, 이수곤, 문연준, 장정수 공저
3. 건축일반구조학 (문운당) : 김정수, 김현산, 김형만, 이광노, 이호진, 이훈 공저
4. 철근콘크리트구조 (산업도서출판공사) : 노희만, 부석량, 김현산 공저
5. 구조역학 (광명인쇄공사) : 서영갑, 길정대, 변동균 공저
6. 네이버 두산백과사전 검색
7. 건교부 건축공사 표준 시방서, 재직 건설사 실무용 자료 (시방서 및 공정관리 지침서)
8. http://mybox.happycampus.com/mira7179/1957791/?agent_type=naver검색
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