【주택 내진설계】 지진에 안전한 주택 짓기

가장 경제적인 주택 내진 방법
지진에 안전한 목조주택 짓기

1980년대만 해도 단열에 대한 개념이 없어서 건축주나 시공사 모두 단열공사에 돈을 들이려고 하지 않았다. 그러다 보니 국가에서 설계에 단열을 반영시키고자 집을 준공할 때 강제 요건으로 단열재 구입 영수증을 첨부하게 할 정도였다. 지금은 단열 하면 집의 가치가 높아진다고 하여 건축주 스스로 패시브하우스, 제로에너지하우스, 에너지플러스하우스 등을 짓는 추세다.

이러한 의식의 변화는 지난해 경주에 이어 올해 11월 15일 발생한 포항 지진으로 내진耐震으로 이어질 전망이다. 실지로 경주 지진 이후 내 집의 가치를 높이기 위해 집을 지을 때 내진에 투자할 용의가 있다는 건축주들이 늘어났다. 필드 리포트에선 NS주택문화센터에서 2017년 2월 25일 일산 킨텍스에서 개최한 찾아가는 세미나 중 송재승 원장(NS주택문화센터/미추설계스튜디오 대표)이 진행한 ‘가장 경제적인 내 집의 내진 설계’를 소개한다.

정리 윤홍로 기자 Ⅰ 진행 송재승(NS주택문화센터 원장/미추설계스튜디오 대표)
취재협조 NS홈 http://whcc.co.kr

(편집자 주) 아래 사진을 클릭하시면 단독주택 구조별 내진 성능을 분석한 시리즈 기사(1~6편)로 연결됩니다. 1편 '지진에 강한 주택 짓는 법'부터 6편까지 시리즈 기사로 철근콘크리트주택, 한옥, 조적조 주택, 스틸하우스, 목조주택을 다루었습니다. 단독주택이나 전원주택 건축을 계획하시는 분들께 많은 도움이 되리라 생각하오니 참고하시기 바랍니다. 감사합니다.

11월 15일 경북 포항시 흥해읍 일대에서 규모 5.4의 강진이 발생했다. 지난해 9월 12일 경북 경주에서 규모 5.8의 강진이 발생한 지 1년 2개월 만이다. 중앙재난안전대책본부는 11월 16일 오전 6시 기준으로 이재민은 1,536명, 민간인 시설 피해는 1,197건 발생했다고 발표했다. 이 가운데 주택 피해는 1,098건으로 완파 3건, 반파 219건, 지붕 파손 876건으로 파악됐다.
문제는 ‘한반도는 지진 안전지대가 아니다’라는 사실이 밝혀진 상황에서 강진이 또 언제 어떻게 엄습할지 모른다는 점이다.

지진으로 인한 인명피해는 주로 비구조물인 치장벽돌 및 타일벽, 내장재 파손 등에 의한 것이다.

통계를 보면 지진으로 인한 인명과 재산 피해 그리고 수습 과정의 문제들은 대부분 고층 건축물이 아닌 소규모 단독주택에서 발생한다. 단독주택 한 채에 주거하는 인원은 적지만, 그 수가 워낙 많기 때문이다.
인명 피해는 주로 창호, 기와, 치장벽돌, 타일, 조명기구, 전기 배선 등 비구조물의 파손에 의해 발생하는 것으로 나타났다.

건축물의 내진 디자인 및 보강에 앞서 지진에 대해 살펴보자. 먼저 지진파에는 지구 내부를 통과하는 중심파와 지구 표면을 따라 이동하는 표면파가 있다. 중심파는 다시 유리창을 맹렬히 떨게 하고 시끄러운 충돌음을 내면서 수평으로 진행하는 1차파(P파), 그리고 1차파 몇 초 후에 발생하며 지반을 상하좌우로 움직이게 하는 2차파(S파로)로 구분한다. 지진 피해의 대부분은 2차파에서 발생한다. 리히터Ricther 규모는 지진계에 기록된 지진파의 진폭, 주기, 진앙 등을 계산해 산출하며, 단계가 1씩 올라갈 때마다 지진 에너지는 약 32배, 진폭은 약 10배 증가한다. 지진 규모에 따른 건축물의 피해 정도를 통해 알 수 있듯이 진도 6이 넘으면 심각한 상황이 발생하므로 내진 설계 기준을 충족해야 한다.

지진 규모에 따른 건축물 피해 정도
리히터 4.9∼5.5 : 가시적 피해, 가구가 움직임
리히터 5.5∼6.1 : 시공 불량한 건물에서 피해 발생
리히터 6.1∼6.7 : 건물 파손과 부분적 붕괴
리히터 6.7∼7.3 : 견고한 건물도 파손

내진 성능 뛰어난 목구조주택
국토교통부는 2017년 2월 4일 재난 및 재해에 대한 건축물의 대응력을 높이는 내용의 <건축법시행령> 개정안을 시행했다.

건축법시행령 제32조(구조 안전의 확인)
① 법 제48조 제2항에 따라 법 제11조 제1항에 따른 건축물을 건축하거나 대수선하는 경우 해당 건축물의 설계자는 국토교통부령으로 정하는 구조기준 등에 따라 그 구조의 안전을 확인하여야 한다.
② 제1항에 따라 구조 안전을 확인한 건축물 중 다음 각 호의 어느 하나에 해당하는 건축물의 건축주는 해당 건축물의 설계자로부터 구조 안전의 확인 서류를 받아 법 제21조에 따른 착공신고를 하는 때에 그 확인 서류를 허가권자에게 제출하여야 한다.
1. 층수가 2층[주요구조부인 기둥과 보를 설치하는 건축물로서 그 기둥과 보가 목재인 목구조 건축물(이하 ‘목구조 건축물’이라 한다)의 경우에는 3층] 이상인 건축물
2. 연면적이 200㎡(목구조 건축물의 경우 500㎡) 이상인 건축물. 다만, 창고, 축사, 작물 재배사 및 표준설계도서에 따라 건축하는 건축물은 제외한다.
3. 높이가 13m 이상인 건축물
4. 처마높이가 9m 이상인 건축물
5. 기둥과 기둥 사이의 거리가 10m 이상인 건축물
6. 건축물의 용도 및 규모를 고려한 중요도가 높은 건축물로서 국토교통부령으로 정하는 건축물
7. 국가적 문화유산으로 보존할 가치가 있는 건축물로서 국토교통부령으로 정하는 것
8. 제2조제18호가목 및 다목의 건축물
9. 별표 1 제1호의 단독주택 및 같은 표 제2호의 공동주택
[시행일 : 2017. 12. 1.] 제32조 제2항

국토교통부 건축정책과 담당자는 “건축법 제32조 2항에 ‘다음 각 호의 어느 하나에 해당하는 건축물’이라 규정돼 있다”면서 “9호에 단독주택이 있으므로 구조 안전 확인서를 허가권자에게 제출해야 한다”고 설명했다. 이어 “1, 2호의 목구조 건축물이란 주택이 아닌 목구조 건축물”이라고 밝혔다. 즉, 1, 2호는 목조 주택에 대한 예외가 아니라는 것이다.
따라서 구조 안전의 확인(지진에 대한 구조 안전을 포함)을 한 모든 단독주택 건축물은 착공신고를 하는 경우 구조 안전 및 내진 설계 확인서를 작성해 허가권자에게 제출해야 한다.

송재승<NS주택문화센터원장/미추설계스튜디오 대표>

경골목구조는 지진으로부터 안전할까. 송재승 원장은 “경골목구조가 다른 구조에 비해 상대적으로 안전하다는 뜻이지, 지진으로부터 절대 안전하다는 것은 아니다”라며 “건축주 입장에선 내 집의 가치를 높인다는 관점에서 내진 보강을 이해하는 것이 바람직하다”고 한다. 그리고 “경골목구조는 여타 구조와 달리 내진 보강이 쉬우며 자재비, 인건비 등을 다 포함해 3.3㎡당 10만 원 정도 들기에 투자 가치가 충분하다”고 조언한다.

경골목구조가 조적조, 콘크리트조, 철골조 등에 비해 내진성이 우수한 이유는 무엇일까. 지진에 대한 건축물의 안전은 자중自重(자체 하중)과 연성延性(물체가 탄성의 한계를 넘어서 파괴되지 않고 가늘고 길게 늘어나는 성질) 두 가지를 꼽는다. 먼저 자중을 보면, 구조설계에서 하중은 수직하중(고정하중, 적재하중, 적설하중 등)과 수평하중(풍하중, 지진하중)으로 구분한다. 일례로 지붕 고정하중의 경우 경골목구조는 리얼 징크 또는 아스팔트슁글로 마감하면 약 60㎏/㎡(0.6KN/㎡)인데 비해 콘크리트조는 콘크리트 슬래브로 마감하면 약 700㎏/㎡이다. 경골목구조는 콘크리트조에 비해 지붕의 고정하중이 1/10도 안 된다.

김각경 소장(두항구조안전기술사사무소)은 “무게가 가볍다는 말은 지진 발생 시 건축물에 힘을 옮기는 값이 작아진다는 것을 뜻한다”면서 “지진 발생 시 지반이 흔들리면 그 위에 가만히 있던 건축물도 흔들리므로 관성에 의해 문제가 발생한다”고 말한다. 즉, 지진 발생 시 자중이 가벼운 구조일수록 상대적으로 안전하다는 것이다. 다음이 연성으로, 경골목구조는 자전거 바퀴살과 같은 다선 구조 형식이라 균형 잡힌 내진 성능을 발휘한다. 단면이 비교적 작은 부재로 구조적 요소를 많이 분산해 바닥판, 벽판, 지붕판을 엮어 만들기에 연성을 갖는다.

1995년 발생한 진도 6.8 규모의 일본 고베 지진으로 20초 동안 6천여 명이 죽고 30여만 명이 집을 잃고 10만여 동의 건축물이 파손됐다. 특징은 재래식 전통 주택이나 콘크리트 건축물들은 많은 인명과 재산 피해를 낸 반면, 현대식 목구조 주택들은 대부분 피해를 입지 않았거나 경미한 피해에 그쳤다는 점이다. 고베 지진 전에 일본 내 주택시장에서 경골목구조가 차지하는 비율은 5% 전후에 불과했지만, 이후 그 비율이 15~20%로 급성장했다. 일본인들이 경골 목조주택의 안전성을 높이 평가했다는 사실을 알 수 있다.

경골목구조 내진 실험_일본 방재과학기술연구소와 미국 콜로라도주립대학 연구팀이 공동으로 7 층 경골목구조(12.4m×18.4m×20.4m, 1층은 지하 주차장 상정(철골조), 2∼7층 경골목구조) 건축물을 만들어 내진 성능을 테스트한 결과 진도 7.5에서도 안전한 것으로 나타났다.

지진에 안전한 건축 디자인은
사진을 보면 1층은 필로티 구조 주차장이고, 2층 이상은 벽식 구조이다. 이런 유형의 집은 반드시 내진 보강해야 한다. 1999년 대만에서 진도 7.6 지진 발생 당시 1층 소프트 스토리가 붕괴됐다. 방법은 양쪽 측면을 전단벽(구조벽)으로, 기둥을 스틸로 보강하는 것이다.

왼쪽 사진은 화려하고 뭔가 할 얘기가 많은 집 같지만 지진에 약하다. 오른쪽 사진은 극단적인 단순한 박스 형태로 창도 없지만 지진에 강하다. 미국에서 내진 설계 모델 스터디를 통해 만든 집이다.

경사지 주택 배치
어떤 구조의 집이든지 지진을 생각한다면 절토지 끄트머리 또는 경사지 가까이 배치하는 것을 피해야 한다. 경사지의 경우 최소한 3m 띄워 주택을 배치하는 게 좋다. 절토지 중간에 앉혀야 지진 발생 시 집이 앞으로 미끄러지거나 경사지에 변형이 발생해도 직접적인 영향을 받지 않는다.

내진 평면 형태

내진 주택은 물건을 담는 박스 형태로 벽체, 지붕, 기초가 지진으로부터 파손되지 않도록 일체화시킨 집이다. 재난 위험형 C, H, T, L자 평면을 피한다. 일례로 ‘ㄱ’자 집일 경우 건축물을 분리한 대칭 형태가 이상적이다. 평면 계획 시 문제가 없으면 떨어뜨리는 게 좋다.

평면 길이

같은 비용을 들여 건축하더라도 주택 평면이 어떤 형태냐에 따라서 지진 발생 시 피해 정도는 차이가 많다. 이상적인 평면은 원형이고 장방형이 정방형보다 붕괴 위험이 크다. 어떤 구조의 집이든지 너무 길게 지으면 좋지 않다. 외벽 길이를 단변 ‘B’의 3배 미만으로 하거나 가능하면 두 동으로 분리하는 게 바람직하다.

지붕 구조
목조주택은 지붕이 주로 서까래 구조로 가운데에 마룻대를 두고 양쪽으로 서까래를 나열한 형태이다. 지진엔 서까래보다 트러스 구조가 안전하다.

창문 배치
창문은 일조, 전망, 통풍 등으로 인해 남쪽에 집중적으로 낸다. 한쪽으로 창문이 밀집하면 붕괴 위험이 크므로 개구부의 크기와 개수를 줄이는 게 좋다. 특히 전면에 통창을 낼 때 신중하게 생각해야 한다. 코너 창을 설치하는데 지진 발생 시 횡력을 받을 때 취약한 부분이 모서리이다. 따라서 두 개구부 사이에 있는 전단벽을 적절히 확보해야 한다. 창문을 계획할 때 좌우 비대칭의 불규칙한 설치는 피한다. 즉, 횡력이 작용할 때 하중이 일정하게 작용하도록 개구부와 창의 위치, 크기를 동일하게 맞춘다.

경골목구조 내진 보강
앞에서 지진에 안전한 건축 디자인과 취약한 건축 디자인을 살펴보았다. 지진에 취약한 건축 디자인은 내진 보강을 통해 바로잡아야 한다.

건축물에 작용하는 하중은 크게 고정하중과 수평하중(풍하중, 지진하중)으로 구분한다. 수평력을 지닌 지진하중은 소규모 주택에 작용하면 미끄러짐(Sliding), 기울어짐(Racking), 뒤집힘(Overturning) 등의 현상으로 나타난다. 송재승 원장은 “경골목구조주택은 이러한 지진의 작용으로부터 타 구조에 비해 상대적으로 안전하다는 것이지 절대적으로 안전한 것은 아니다”라며 “내 집의 안전뿐만 아니라 가치를 높인다는 차원에서 지진력이 작용할 때 발생하는 상향력과 미끄러짐을 저지하는 두 가지의 내진 보강이 필요하다”고 설명한다.

그러면 경골목구조에서 내진 보강이 필요한 곳은 어디일까.
“지붕재를 윗깔도리에 연결하고 윗깔도리를 샛기둥(스터드Stud)에 연결하는 지붕과 외벽 연결 부위, 복층 이상일 경우 층간 벽 연결 부위, 아래층 벽을 기초에 연결하는 샛기둥과 밑깔도리 연결 부위, 토대와 기초의 연결 부위다. 이러한 부위에 다양한 보강 철물을 사용해 연결하면 비교적 쉽게 지진하중이나 풍하중으로부터 보호할 수 있다."

보강 철물 대신 더 많은 못을 치면 안 될까.
“가령 허리케인 같은 풍하중이나 지진으로 인한 상향력에 의해 지붕이 날아가지 않게 하려면 벽체와 지붕을 잡아줘야 하는데 못만으로는 한계가 있으며, 또한 부재가 작은데 못을 많이 치면 부재가 파손될 염려가 있다.”

트러스/서까래 및 샛기둥과 윗깔도리 연결
수직 목재와 수평 목재가 만나는 부위를 잡아 줘야 한다.

층간 벽 연결
위층과 아래층이 만나는 부위를 잡아줘야 하는데 보통 띠쇠로 연결한다.

샛기둥과 밑깔도리 & 토대와 기초 연결
기초바닥과 접하는 벽체 하단 부위는 지진 발생 시 탈락하기 쉬우므로, 이것을 잡아주기 위해 내진 보강용 앵커볼트를 사용한다.

비구조부 보강
외벽을 치장벽돌로 마감하면 지진 발생 시 힘없이 무너진다. 이때는 치장벽돌 전용 앵커로 보강한다. 경주 지진 시 건축물의 기와 파손이 가장 심각했는데 기와걸이를 사용하면 기와를 다 붙들어 맬 수 있다.

에너지 절약형 평면 = 내진 평면
내진 설계한 집을 보면 공교롭게 에너지 절약형 집과 유사하다. 에너지 절약형 평면으로 아래 그림을 예로 많이 든다. 외벽 길이를 최소로 하는 것이 에너지 손실을 최소화하는 에너지 절약형 평면이다.

정사각형 평면 구조인 A주택의 외벽 길이가 40m라고 하면, B주택은 44m, C주택은 48m, D주택은 52m이다. 주택에서 외벽 길이가 늘어난다는 것은 열손실 면적이 늘어난다는 뜻이다. 그러니 패시브하우스는 당연히 A타입 쪽으로 디자인을 할 것이다.

단면 대비 가볍고 강하며 유연한 목재의 장점을 활용하면 목구조주택을 짓는 데 도움이 된다. 여기에 집의 가치를 높이기 위해 건축주들이 내진설계를 선택할 필요가 있다. 막연하게 예쁜 집이 아닌 실용적이고 안전한 집을 짓기를 바란다.