1. 서 론
1.1. 연구의 배경 및 목적
1.2. 연구의 방법 및 범위
2. 동결깊이와 건축물 기초설계 관련 국내 기준의 변화
3. 얕은기초의 시작과 개발 과정
3.1. 프랭크 로이드 라이트(Frank Lloyd Wright)의 유소니언 하우스(Usonian House)와 얕은기초의 시작
3.2. 북유럽의 단열재를 적용한 얕은기초 개발
4. 미국의 FPSF의 제도화 과정
5. 결 론
1. 서 론
1.1. 연구의 배경 및 목적
2000년대 초반부터, 건축물 기초 깊이 산정과 관련하여 현장의 혼선이 지속되고 있다. 이 혼란은 동결심도(凍結深度, 이하 동결깊이)에 관한 건축 기준을 어떻게 해석하고 적용해야 하는지에 대한 판단이 애매모호하기 때문이다. 동결깊이라는 용어는 1971년도부터 발행된 구조물 기초 설계기준에서 등장한다. 1971년 구조물 기초 설계기준은 토목 구조물의 기초 설계에 대한 일반적인 기준 및 방법을 제시한다고 명시하고 있어, 건축 구조물은 제외된 듯 보일 수 있으나, 이후 1986년 개정 시, 건물, 교량, 흙쌓기, 댐 등 지반이 지지하는 모든 구조물 기초에 관한 일반적인 설계기준 및 방법을 제시한다고 밝히고 있다. 그리고 가장 최근에 개정된 2016년도 기준에서도 본 설계기준의 적용 범위는, 토목 구조물, 건축 구조물, 기계 등 지반에 축조되는 각종 구조물의 기초 등에 대한 일반적이고 기본적인 기준을 제시하고 있다는 기조를 유지한다. 동결깊이란 동절기 지반의 온도가 영하로 유지되어 지반이 동결하는 깊이(Ministry of Construction & Transportation, 2002)를 말하며, 더 정확히 말해서, 동절기 지반의 온도가 영하로 유지될 때, 지반 내, 지중수의 동결층과 비동결층의 경계면의 깊이(Ministry of Land, Infrastructure and Transport, 2014)를 말한다. 건축물의 기초 깊이 산정 시, 동결깊이를 중요시하는 이유는, 이것이 동결융기(frost heave, 이하 동상) 현상을 막기 위해 고려해야 하는 기본조건이기 때문이다. 동상은 지중의 간극수가 동결하여 부피가 증가하면서 지표면을 부풀어 오르게 만드는 현상을 말한다. 대기 온도가 영하로 떨어질 경우, 흙 속의 간극수가 얼게 되는데, 동결된 얼음덩어리와 냉각수는 큰 친화력을 가지고 하부의 물을 흡입하면서 얼음덩어리의 부피가 지속적으로 증가하여 지표면이 부풀어 오르게 된다. 그리고 해빙기가 되어 융해가 일어나면 흙의 함수비가 높아지고 흙의 강도와 지지력이 감소하게 되는 것이다. 따라서 동상은 건축물 기초의 부동침하를 일으킬 수 있어 구조적 안정성에 위협이 된다. 이런 이유로 구조물 기초 설계기준은 1971년 초판에서부터, 동상을 막는 유일한 방법으로 기초 저면이 지반의 동결깊이보다 깊어야 한다는 조건을 제시한다.
1991년에서 2021년까지 측정된 동결깊이 분포도를 참고하면, 동결깊이는 지역별로 다음과 같은 수치를 보인다. 강원도 중북부 110~150 cm, 강원남부 90~130 cm, 경기 남부, 충북내륙, 경북내륙은 80~100 cm, 경기 중남부, 충청, 경북, 전북은 50~80 cm, 경남, 전남은 30 cm 이하로 나타난다(Hong & Kim, 2021). 즉, 남부지역을 제외하면, 대부분 지역에서, 최소 50 cm 최대 150 cm 이하까지 기초 저면을 내려야 한다는 의미이다.
그러나 2002년 구조물 기초 설계기준의 세 번째 개정에서부터 동결깊이를 구하는 계산식이 삭제되면서 동상을 피하는 여러 방법을 적용할 수 있는 근거가 마련된 듯 보였다. 하지만 그 이후로 실무자들이 참조할 수 있는 지침이 제시되지 않아, 기초 깊이를 동결깊이 이하로 내리는 기존의 기준을 관행적으로 따르고 있다.
이러한 상황은 동절기 기온이 매우 낮은 스웨덴, 노르웨이, 핀란드 등의 북유럽 국가들과 미국과 캐나다 등 북미의 여러 지역에서 FPSF(Frost Protected Shallow Foundation) 즉, 동상 방지에 특화된 얕은기초 방식을 적용하는 것과 대비된다. 예를 들어, 미국의 건축법규 IRC의 FPSF 기준을 국내에 적용할 경우, 동결깊이가 가장 깊은 강원도 중북부에서도 30 cm의 기초 깊이가 가능하다. 따라서 공사 기간 단축과 공사비 절감 등의 효과를 기대할 수 있으나, 국내에서는 FPSF를 적용할 수 있는 명확한 법적, 기술적 근거가 부족하다.
1.2. 연구의 방법 및 범위
FPSF의 국내 도입이 늦어지는 데에는 두 가지 이유가 있다. 먼저 동상에 대한 보호 조처로서 동결선 아래로 기초 저면을 내려야 한다는 1971년부터의 기준이 유일한 지침처럼 준수되고 있기 때문이고 둘째, FPSF 적용을 위한 공식 가이드라인이 부재하기 때문이다.
따라서, 본 연구에서는, 먼저, 구조물 기초 설계기준과 건축 구조 기준 등, 국내 기준들에서 제시하는 동결깊이에 대한 기술적 내용을 이해하고, 건축물 기초계획과 관련한 내용이 개정 시점에 따라 어떤 변화 과정을 거쳤는지 분석할 것이다. 이를 통해, 기초를 동결깊이 이하로 내리는 것이 절대적인 조건이 아님을 확인할 것이다. 또한 20세기 중반부터 시작한 북유럽의 FPSF 개발 과정과 정착 과정을 고찰하며, 마지막으로 미국에서 21세기 초반부터 제도적으로 적용되고 있는 FPSF 가이드라인을 분석함으로써, 기초의 깊이가 동결선 이하로 내려가지 않음에도 동상을 피할 수 있는 해당 방식이 오랜 연구와 검증을 통해서 안정성을 확보한 방식임을 제시하고자 한다.
북유럽의 FPSF 개발 과정을 추적할 수 있는 주요한 자료는 1992년 미국 육군 공병대(CRREL)에서 펴낸 European Foundation Design for Seasonally Frozen Ground 보고서(Farouki, 1992)이며, 스웨덴, 노르웨이, 핀란드의 연구와 검증 과정 그리고 그 제도적 적용에 대해서 자세하게 분석하고 있다. 그리고 미국이 FPSF를 적용한 과정은 1994년 NAHB(미국 주택 건설 협회)에서 펴낸 Frost-protected shallow foundations: PhaseⅡ-Final report(NAHB, 1994)를 통해서 확인할 수 있다. 이 보고서는 북유럽의 FPSF 연구개발 결과를 미국에 적용하기 위하여 5개 지역에서 실증 주택을 건설하여 검증한 내용을 담고 있다. 그러나 현재 국내의 FPSF에 관한 연구 자료는 부재한 상황이다, 지반공학 분야에서 얕은기초에 대한 연구 논문들이 다수 존재하나, 이때의 얕은기초는, 단열재를 활용한 FPSF 기초 방식이 아니다. 따라서, 본 논문은 해외의 FPSF 개발 과정과 제도화 과정을 제시함으로써, 국내에서의 적용을 촉구하고자 한다.
2. 동결깊이와 건축물 기초설계 관련 국내 기준의 변화
건축물 기초계획과 관련한 국내 기준은 구조물 기초 설계기준과 건축 구조 기준 그리고 소규모 건축 구조 기준으로 정리할 수 있다. 구조물 기초 설계기준은 1971년 발행을 시작하여, 가장 최근 2016년도에 5차 개정을 마쳤고, 건축 구조 기준은 2005년 발행을 시작으로 2022년까지 7번의 개정을 거쳤다. 그리고, 소규모 건축 구조 기준이 2017년 처음 발행되었다가, 2019년까지 두 차례 개정을 거친 후, 2022년 건축 구조 기준이 전체 개정되면서, 건축 구조 기준에 흡수되어 2023년 12월에 폐지된다.
따라서, 건축물 기초계획과 관련하여 가장 오랫동안 판단 근거가 되었던 것은 구조물 기초 설계기준이다. 1971년 최초 버전에서, 동결깊이에 대한 언급은 도로의 동상이라는 장(章)에서 언급되며, 1986년 판에서는 동상이라는 장(章)에서 다루어지는데, 동결깊이가 도로 공사뿐 아니라 구조물의 기초에도 영향을 주는 조건임을 간단히 언급한다. 그리고, 1971년, 1986년 판까지만, 동결깊이를 구하는 계산식 Z=C(Z: 동결깊이, C:정수, F: 동결지수)을 제시하는 것에 반해, 이후 2002년 설계기준에서부터 더 이상 제시되지 않으며, 동상에 대한 개별 챕터도 삭제된다. 이에 따라 동결깊이 관련 건축적 제약이 사라졌다고 인식하게 만드는 근거가 되기도 한다. 그럼에도, 2002년, 2008년, 2014년, 2016년까지 계속해서, 설계 일반사항에서 기초의 깊이는 그 지지면이 지반의 동결깊이보다 깊어야 한다는 기준을 제시하고 있으며, 지반조사 시, 동결 민감성을 확인하라는 기준을 유지한다.
한편, 2005년부터 건축 구조 기준이 건축법 시행규칙의 세부 기준으로 건축 분야의 지침으로 활용되고 있다. 건축 구조 기준은 2005년 초판 발행부터 2018년도 5차 개정까지, 기초와 동결깊이와 관련하여 두 개의 기준을 지속해서 게시하였다. 첫째, 기초 밑면은 함수량의 변화 및 동결의 우려가 없는 위치로 한다. 둘째, 줄기초의 깊이는 동결선 아래까지 설치하며 지면으로부터 기초벽 상단까지의 높이는 300 mm 이상으로 한다. 두 기준 모두 일견, 동결선 이하로 기초의 저면을 내리라는 것으로 이해될 수도 있으나, 첫 번째 기준의 경우 동결의 우려가 없는 위치라고만 표현되어, 동결깊이와 관련된 기준을 다르게 해석할 수 있는 여지를 주고 있다. 그리고 2015년 2차 개정부터, 2018년 5차 개정까지 새로운 기준이 추가되는데, “직접기초의 저면은 온도 변화에 의하여 기초지반의 동결 또는 체적변화를 일으키지 않으며 또한 우수 등으로 인하여 세굴되지 않는 깊이에 두어야 한다”라는 내용이다. 이 조건에서도 동결이 일어나지 않는 깊이로 해석될 뿐, 그 기준을 동결선 이하라고 명시하지 않는다. 이후 2019년 6차 개정에서, 2005년도부터 게시된 두 개의 조항이 삭제되고, 2015년도에 추가된 조항만 남는다. 그리고 최근 2022년 전면 개정을 거치며, 앞선 모든 조항이 사라지고, 동결에 대한 보호 조치로서 세 가지 방법이 제시되는데, 이 중 하나 이상의 방법으로 보호조치를 해야 한다는 규정을 담는다. 첫째, 지역의 지반 동결선 아래로 기초 저면을 연장한다. 둘째, 기초저면의 지반이 동결되지 않도록 적절한 방법으로 열전달을 차단하는 방법으로 시공한다. 셋째, 단단한 암반 위에 설치한다. 개정된 조항은 동결깊이에 관한 기준이 동상 방지를 위한 절대 조건이 아니며, 동결에 대한 여러 보호 조치 중 하나임을 보여준다. 즉, 동결을 피하는 다른 방식에 대해서도 가능성을 열어둔 것이다. 특히 열전달을 차단한다는 표현에서 단열재를 이용한 방식에 관한 것임을 유추할 수 있다.
사실상, 동결깊이는 절대적 수치로 볼 수 없다. 동결깊이를 얻는 방식은 두 가지로, 첫째, 해빙기 직전 굴착을 통해 실측하는 것과 둘째, 동결깊이 계산식(Z=C)으로 추정하는 것이다. 계산식의 주요 변수는 동결지수(F)로서, 동결지수는 측후소에서 표집된 기상정보를 토대로 산출되는데, 연간 영하의 기온과 그 계속시간을 곱한 값이다. 1971년과 1986년 구조물기초 설계기준에서는 실측된 동결깊이를 제시한 것이 아니라, 동결깊이 산정 공식을 소개하였으며, 계산식에 대입할 동결지수는 건설부 도로조사단이 1980년도에 발표한 전국 동결 지수선도를 통해서 제공하였다(Figure 1). 도로조사단이 1949년에서 1978년까지 국내 22개의 측후소와 70개의 농업 기상 관측분실 등 92개소에서 얻은 기상 데이터를 바탕으로 작성한 결과였다(National Construction Research Institute, 1989).
국내 최초의 동결깊이 실측은 1980년도부터 진행된다. 기간은 1980년부터 1989년까지로, 국립 건설연구소에서 진행하였다. 전 지역 고속도로변, 최소 111개 최대 180개의 실측지점을 임의 선택하여, 비포장 지표면의 굴착을 통해 육안으로 조사하였다. 그리고 10년간의 실측 연구 결과를 종합하면서 1989년 보고서를 통해, 전국 동결 지수선도와 전국 최대 동결깊이 선도를 발표하였다. 이후 1991년부터 현재까지 한국건설기술연구원에서 전국 국도상에 동결심도계(methylene blue)를 매설하고 포장도로에서의 동결깊이를 측정하고 있다. 1990년도 1개를 설치한 후, 2021년에 90개까지 매설하여 매년 자료를 갱신 중이다(Hong & Kim, 2021).
이 측정치를 통해, 동결깊이 추정식의 정수(C)를 한국의 기후 환경에 맞게 보정하여, 계산식의 정확도를 높이는 연구가 계속 진행 중이다. 즉, 실측값은 조사 지점에서는 정확한 수치일 수 있으나, 전국의 모든 토질 및 지면 조건을 촘촘히 반영할 만큼 대단위의 실측이 이루어지지 않으며, 비포장된 지면이나, 포장된 도로라는 한정된 조건에서만 실측이 이루어진다는 점에서 절댓값으로 사용하는 데에는 한계가 있다.
실제로 동결깊이는 다양한 변수에 반응하는 상댓값이다. 토질의 종류, 지표면의 환경, 예를 들어, 식물이 덮고 있거나, 눈이 덮여있거나, 포장된 경우와 그렇지 않은 경우, 혹은 건축물이 있는 경우, 그리고 난방 건물인지 비난방 건물인지에 따라 지중 온도에 변화가 생기고, 동결깊이도 움직인다(Figure 2). 따라서 건설기술원에서 제시하는 동결깊이 결과는 절대적 수치가 아니며, 대지의 세밀한 변수를 반영하지 못한 오차 범위가 넓은 추정치이다. 결국 건축 기초 설계의 관건은 절댓값으로서의 고정된 동결깊이가 아니라, 대지의 환경 따라 변화하는 상대적인 동결깊이에 초점을 맞추어, 기초 하부가 얼지 않는 조건을 형성하는 것이 되어야 한다. 그러나 아직 국내에서 지반의 동결을 막는 구체적 기준이 제시되지 않는 상황에서, 국외의 FPSF 기술 지침의 개발 과정과 그 내용을 참고할 필요가 있다.
3. 얕은기초의 시작과 개발 과정
3.1. 프랭크 로이드 라이트(Frank Lloyd Wright)의 유소니언 하우스(Usonian House)와 얕은기초의 시작
얕은기초 방식이 처음 실현된 것은 1930년대 미국에서 지어진 유소니언 하우스에서이다. 유소니언 하우스는 경제 대공황(1929-1939)이라는 시대 상황에서 프랭크 로이드 라이트가 미국 중산층을 위해 제안한 저렴한 가격의 소규모 주택을 말한다. 라이트가 얕은기초를 유소니언 하우스에 적용한 이유는 얕은기초가 시공상 용이하며 비용면에서 경제적이었기 때문이다.
그가 얕은기초 방식을 알게 된 것은 1902년이다. 그의 거주지이자 건축 교육장이었던 탈리에신(Taliesin North)에 건물을 건축하면서, 웨일스 출신의 석공이 작업하는 방식을 보게 되었다. 일반적으로 위스콘신 주(洲)에서는 기초를 시공할 때, 동결선 아래까지, 3.5~4 ft(91.4~122 cm)를 파내는 것이 일반적이었으나, 이 작업자는 16 inch(대략 40 cm) 깊이의 트렌치를 파고 쇄석을 채운 후 얕은 경사를 잡았다. 이것은 배수를 원활하게 만들어, 기초 하부에 지하수가 모이지 않게 함으로써 동결 가능성을 낮춘다. 그래서 라이트는 이 기초 방식을 건식기초(dry wall footing)라고 불렀다. 그는 탈리에신에서 생활하며, 건식기초 방식의 건전성을 경험하였고, 이후 지속적으로 설계에 적용한다. 물론 건축심의에서 이 방식이 허가되지 않는 경우를 몇 차례 겪기도 하였는데, 이러한 상황을 두고, 클라이언트에게 이유 없이 손해를 끼치는 것이라 비판한다(Wright, 1972).
그리고 라이트가 얕은기초의 안전성을 자신할 수 있었던 또 다른 이유는, 유소니언 하우스의 난방방식이 한국의 온돌 시스템을 차용한 바닥난방 시스템이었다는 점이다. 프랭크 로이드 라이트가 한국의 온돌을 체험한 것은, 일본 제국 호텔 설계를 위해 일본을 방문했을 때라고 알려져 있다. 그는 온돌의 바닥난방을 재해석한 중력열(gravity heat) 시스템을 첫 번째 유소니언 하우스인 제이콥스 주택(1936, 위스콘신)에 최초로 적용하였다(Figure 3).
중력열 난방방식은 스팀 혹은 온수가 흐르는 파이프를 바닥에 설치하는 것으로, 콘크리트 슬래브에 매립하는 방식이 아니라, 슬래브 바로 밑 쇄석층에 위치시킨다. 쇄석층에 묻힌 난방 파이프는 바닥 슬래브와 지반 사이에서, 열원의 역할을 하며, 기초 저면의 온도를 높이는 역할을 한다(Figure 4).
따라서, 전통적인 기초 방식이 경험상의 데이터로 동결깊이를 준수했다면, 라이트는 동결이 일어나지 않는 조건을 조성하는 것이 기초 설계의 관건임을 이해했던 것으로 보인다. 즉, 배수와 난방열을 이용하여 동해로부터 기초를 보호하는 얕은기초의 초기적 대안을 제시한 것이다.
3.2. 북유럽의 단열재를 적용한 얕은기초 개발
얕은기초의 본격적인 개발은 북유럽 국가들에서 진행되었다. 스웨덴에서는 이미 20년대부터 얕은기초를 적용하였다. 1964년 Lund 대학 소속의 Adamson의 연구팀은 기초 토양의 열 흐름을 분석하기 위해 온도 실측 및 이론적 계산을 진행하였다. 아담손의 연구에 기초하여 1967년 스웨덴 건축 설계 기준(SBN 1967)은 스웨덴 전 지역의 건물 기초 깊이를 0.25 m로 규정한다. 이어서 아담손은 단열재의 다양한 적용 방식에 따른 동결침투(Frost Penetration) 거동을 평가하였고, 이 연구 내용이 1971년과 1973년에 발표된다. 그리고 이 결과를 반영하여, 1980년 SBN이 개정된다. 동결침투란 지표면에서 시작된 냉각이 지하로 점진적으로 전달되어 토양과 그 안의 수분이 동결되는 과정을 의미한다.
한편 노르웨이에서는 1949년까지 기초의 위치를 동결선 이하에 둘 것을 건축 법규상에서 명시하였다. 그러나 1950년대부터 얕은기초가 적용되기 시작하였고, 1955년 얕은기초를 테스트하기 위한 실험 주택들이 건설되었다. 1961년에는 Skaven-Haug가 노르웨이의 432개 지자체를 조사하여 동결선을 준수할 경우의 최소 기초 깊이를 제시하였다. 결과는 0.75 m에서 1.88 m까지 다양했으며, 평균값은 1.45 m였다(Farouki, 1992). 그리고 1960년대 말, 얕은기초를 적용한 경량 건물들의 실제 사례들이 분석되었으며, 1970년 법규에서, 얕은기초가 제도적으로 허용될 수 있는 근거가 만들어진다. 법규에 따르면, 기초는 동결로 인한 손상이 발생해서는 안 되며, 동결 부착력(side grip)으로 인한 동상이 일어나서도 안 된다. 즉, 이 조건들을 만족한다면, 동결깊이 이하로 기초 깊이를 설계하는 기존의 규정을 지킬 필요가 없어진 것이다. 이 과정에서 1970년 Frost I Jord 프로젝트(토양의 동결에 관한 프로젝트)가 착수되어, 1976년까지 얕은기초 설계 가이드라인 개발을 위한 연구가 진행된다. 이 프로젝트는 Trondheim 기술 대학과 노르웨이 건축 연구소(NBI) 그리고 현장의 컨설팅 엔지니어들 간의 협력 사업이었다.
3.2.1 동결침투 관련한 8가지 요인
스웨덴의 아담손의 연구와 노르웨이의 Frost I Jord 프로젝트의 결과에 따르면, 동결침투에 영향을 미치는 8가지 요소는 다음과 같다. 기후, 적설, 빌딩 규모, 바닥 단열재, 기초벽 단열재, 지면으로부터의 바닥 높이, 외측 수평 단열재, 열교(cold bridge)이다.
먼저 동결침투에 영향을 미치는 기후 요소는 지역의 동결지수이다. 동결지수(Fd)란 어떤 지역에서 겨울철 추위의 세기와 지속 시간을 수치화한 것으로, 영하로 떨어진 날들의 온도와 시간을 곱하여 누적한 값을 말한다. 노르웨이는 보수적으로 F100을 적용하는데, 이것은 100년에 한 번 경험할 수 있는 최악의 겨울을 가정하고 특정 지역의 냉기 강도를 누적하여 계산한 수치이다. 반면에, 스웨덴은 동결지수를 직접 참고하지 않도록 간소화된 건축 기준을 마련하였다. 1980년 스웨덴 건축 기준(SBN)은 평균 겨울 기온, 동결깊이, 연간 강설량을 기반으로 네 개의 기후구역을 설정하고, 각 지역의 동결심도에 따라 지역별로 표준화된 기초 깊이와 단열재 두께 등의 단열 요구사항을 제공한다. 이는 이미 동결지수를 고려하여 계산된 기준으로 대략 F50을 적용한 것으로 알려져 있다.
둘째, 적설이다. 눈이 쌓일 경우, 동결침투 깊이가 줄어든다. 그러나, 건물 근처에서는 주로 눈이 제거되므로, 얕은기초 설계에서 일반적으로 무시된다. 적설량을 기초 깊이와 관련하여 이용한 가장 오래된 사례는, 현재 북유럽과 러시아에 거주하는 사미족의 조상인 고대 라플란드인으로, 한 겨울 내부에서 불을 때면서, 주택의 벽 둘레에 눈을 쌓아 지면에 직접 올린 벽 하부의 흙이 어는 것을 막고 동결로부터 보호했다.
셋째, 빌딩 규모로서, 아담손의 연구에 따르면, 바닥 치수 4 m × 4 m인 건물 모서리에서의 동결침투 깊이는 바닥 치수 10 m × 10 m인 건물의 경우와 거의 동일하다. 이것은 1967년 SBN에서 최소 4 m 너비의 건축물에 얕은기초 설계기준을 적용하도록 한 지침에 부합한다. 즉 건물 모서리에서의 열 손실은 건물의 규모와는 큰 상관이 없음을 보여준다.
넷째, 바닥 단열재(floor insulation)로, 아담손의 연구는 바닥 단열재의 단열성능이 동결침투 깊이에 미치는 영향을 보여주었다. 실험 조건은 두 가지로, 기초벽에 단열재가 없는 경우와, 열저항 값이 1.08 m2K/W인 단열재가 설치된 경우였다. 기초벽의 측면 단열 여부를 떠나, 바닥 단열재의 열저항 값이 높아질수록, 즉 단열재의 성능이 좋을수록, 바닥에 전달되는 열이 줄어들기 때문에 동결침투 깊이가 증가하는 양상을 보인다. 실험 결과상, 바닥 단열재의 열저항 값이 1.0 m2K/W에서 2.15 m2K/W 사이는 동결침투 깊이가 약간씩 증가하며, 2.15 m2K/W를 넘어가게 되면, 거의 증가하지 않는다(Figure 5). 결론적으로 단열재를 설치하지 않는 것이 동결침투를 줄이는데 도움이 되지만, 이 경우, 바닥을 통한 열손실의 증가로 바닥 온도가 낮아져 재실 환경을 저해하므로 추가적인 난방 에너지가 필요하다.
다섯째, 기초벽 측면 단열재로, 이 수직 단열재는 건물의 열 손실을 제한하고 열을 기초 저면으로 유도하는 역할을 한다. 아담손의 연구에 따르면, 수직 단열재의 열저항 값이 1 m2K/W로 증가할 때까지(EPS 40 mm에 해당) 동결침투 깊이는 줄어드나, 단열재의 저항값이 1 m2K/W 이상 증가할 경우, 동결침투에 미치는 영향은 미미하다(Figure 6). 즉, 수직 단열재의 저항값이 너무 높을 필요는 없다. 그러나, 단열재의 위치는 중요하다. 단열재를 기초벽 외측에 둘 때와 내측에 둘 때를 비교할 경우, 외측에 설치하는 것이 동결침투 깊이가 줄어든다. 이것은 열교 현상과 관계가 있다.
여섯째, 지면으로부터의 바닥 높이이다. 건물의 바닥 높이가 지표면에서 떨어질수록 기초 저면으로 흘러가지 않는 열 손실이 많아진다. 따라서 기초벽에 대한 단열이 더 필요하다. 그런 의미에서, 1980년 SBN에서는 지표면으로부터 건물 바닥의 수직높이가 0.3 m를 넘으면 기초벽에 대한 추가 단열이 필요하며 최대 0.6 m를 초과하지 않을 것을 명시한다(Figure 7).
일곱째, 외측 수평 단열재(ground insulation)로, 기초 외곽에 수평으로 설치된 단열재가 토양에서 지표로 방출되는 열손실을 방해하여 동결침투를 줄인다. 아담손의 연구에 따르면, 건물 모서리의 동결침투가 외벽 중심보다 두 배 이상 깊다. 이러한 현상을 모서리 효과(Corner effect)라고 하는데, 이 현상은 건물의 열 손실 양상과 관계가 깊다. 건물의 열 손실은 바닥 중앙에서 외곽으로 갈수록 증가하며 외벽의 중심에서 코너 방향으로 증가한다. 그리고 모서리를 통해 두 측면에서 모인 열이 빠져나간다. 더 많은 열을 뺏긴 구조체는 더 빠르게 냉각되면서 주변 토양의 온도를 낮추어 동결침투가 쉬운 환경이 된다. 따라서, 건물 모서리에 수평단열재를 설치하여 땅의 냉각 및 동결 과정에서 방출된 열이 지표면으로 쉽게 손실되지 못하게 만들어 기초를 보호한다. 당연히 모서리 효과는 열손실 방향과 반대로 코너에서부터 외벽의 중심 방향으로 줄어든다. 스웨덴 남부에서는 모서리로부터 1~1.5 m 정도에서 그리고 북부에서는 2m 지점에서 모서리 효과(corner effect)가 사라진다(Figure 8). 그렇지만, 기후가 혹독한 지역, 즉, 동결지수가 높은 곳에서는 건물 모서리뿐만 아니라, 건물 외벽 전체에 수평단열재를 설치하는 것이 권장된다.
여덟째, 열교 현상(cold bridge effect) 이다. 열교 현상이란 건물의 어떤 부분에서 단열이 약화되거나 끊김으로 인해서 열 손실이 생기는 것을 의미한다. 따라서 기초벽 단열재의 불연속적인 설치로 인해서 얕은기초에 열교가 발생할 경우, 그 주변으로 동결침투 범위가 깊게 형성되어 동상의 위험성이 높아진다.
위와 같이 스웨덴과 노르웨이의 연구는 유럽에서 1940년대부터 개발되기 시작한 합성 단열재를 사용하여 기초 주변의 열손실을 줄이고 동결선을 상승시키는 방법을 제시하고 있다.
3.2.2 노르웨이의 얕은기초 설계 가이드라인 발행
Frost I Jord 프로젝트가 종료된 이후 연구의 한 축을 담당했던 NBI는 해당 연구 결과를 바탕으로 1978년 Byggdetaljer(건축 디테일)에 얕은기초 관련 설계 지침을 추가하였다. Byggdetaljer는 NBI가 건축 분야의 기술 발전과 표준화를 목표로 1964년도부터 발행한 건축 설계 및 시공 지침서이다. 얕은기초 지침에는 두 개의 항목이 제안되었는데, 하나는 A521.111 지침으로 난방 건물에 대한 얕은기초 설계 가이드라인이며, 다른 하나는 A521.811 지침으로 비난방 건물에 대한 얕은기초 설계 가이드라인이다. 그리고 1986년에 A521.111 이어서 1987년에 A521.811의 개정이 이루어지는데, 도면 및 다이어그램, 도표를 통해 설계와 시공에 관한 더 구체적이고 실질적인 내용을 제시한다. 이들 지침은 이후 유럽연합과 미국의 얕은기초 설계지침 개발에 직접적인 영향을 준다.
1986년에 제시된 A521.111의 주요 내용을 정리하면 다음과 같다. 기초의 깊이와 외측 수평 단열재의 계획 방식은 최대 동결지수(F100)에 따라 달라진다(Table 1). 동결지수가 30,000°C·hr인 경우, 기초의 깊이는 수평 단열재가 없이도 0.4 m 깊이로 계획 가능하다. 그러나 동결지수가 더 커질 경우, 열 손실이 많이 발생하는 건물 코너와 건물의 비난방 공간에 외측 수평 단열재를 설치함으로써, 기초 깊이가 과도해지는 것을 줄일 수 있다. 기초 깊이는 같은 조건이라면, 동결지수가 클수록 깊다. 그리고 단열재의 설치 방법이 기초 깊이에 영향을 주는데, 기초벽 수직단열재를 외측에 설치하는 것보다, 내측에 설치할 경우, 기초 깊이가 더 깊어진다. 이는 열교로 인해 건물의 열 손실이 커지기 때문이다. 이 경우, 기초 깊이를 줄이기 위해서 외측 수평 단열재를 모서리와 비난방 구간 외에도 기초벽 전체에도 적용해야 한다.
Table 1.
Minimum foundation depth with ground insulation (Farouki, 1992)
| Maximum freezing index (°C·hr) | Minimum foundation depth (m) | Necessary ground insulation at corner and unheated room (mm)* | |
| Concrete insulated externally | Concrete insulated internally | ||
| ≦30,000 | 0.40 | 0.40 | - |
| 35,000 | 0.40 | 0.50 | 50×500×1000 |
| 40,000 | 0.50 | 0.60 | 50×500×1000 |
| 45,000 | 0.60 | 0.70 | 50×500×1000 |
| 50,000 | 0.70 | 0.85 | 50×500×1500 |
| 55,000 | 0.85 | 1.05 | 50×500×1500 |
| 60,000 | 1.00 | 1.20 | 50×500×1500 |
*t (insulation thickness)×B×L (Figure 9).
지침은 이어서, 동결지수에 상관없이, 기초의 깊이를 획일적으로 0.4 m로 설정할 경우의 단열재를 어떻게 설치해야 하는지 보여준다(Table 2). 동결지수가 높아짐에도 불구하고, 기초 깊이를 얕게 유지하기 위해서, 기초에 대한 단열을 강화하여 건물의 열손실을 줄여야 함을 보여준다. 따라서, 외측 수평 단열재는 건물 모서리와 비난방 구간뿐 아니라 건물 전체 기초벽 하부에 설치되어야 하며, 동결지수가 높을수록 단열재의 길이, 폭, 두께를 강화한다. 이와 함께, 기초벽 하부에는 기초 하부에 물이 고이지 않도록 두께 100 mm의 배수층을 둘 수 있으며 이 배수층은 기초 깊이에 포함할 수 있다.
이 지침은 노르웨이 전역에 0.4 m 기초 깊이를 적용할 수 있음을 보여주었고, 1960년대에 조사된 동결깊이와 비교할 경우, 그 차이를 확인할 수 있다.
Table 2.
Necessary ground insulation with foundation depth of 0.4 m (Farouki, 1992)
| Maximum freezing index (°C·hr) | Ground insulation (mm) | |
| At corner* | Along a long wall† | |
| ≦30,000 | - | - |
| 35,000 | 50×500×1000 | 50×250 |
| 40,000 | 50×750×1000 | 50×250 |
| 45,000 | 50×750×1500 | 50×250 |
| 50,000 | 80×750×1500 | 50×500 |
| 55,000 | 80×1000×1500 | 80×500, 50×750 |
| 60,000 | 80×1000×2000 | 80×750 |
*t (insulation thickness)×B×L; †t×b (Figure 10).
Figure 10.
Ground insulation along all walls, at corners and outside an unheated small room (Farouki, 1992).
4. 미국의 FPSF의 제도화 과정
미국은 1992년, 육군 공병대 CRREL 연구소(한랭 지역에 대한 연구기관)에서 스웨덴, 노르웨이, 핀란드 등 북유럽에서 30년간 진행된 얕은기초 방식의 연구와 실증 사례를 조사 분석하여 보고서를 펴낸다. 이후 1994년 HUD(미국 주택 도시개발부)의 지원을 받은 NAHB(미국 주택 건설 협회)에서 실험 주택을 건설하여 북유럽의 얕은기초 방식을 미국의 기후와 지질 환경에 적용해보았고, 이러한 검증 과정을 거쳐 FPSF 설계 가이드라인을 제시한다. 2000년 미국 연방 전체의 건축법으로 IRC(International Residential Code)와 IBC(International Building Code)가 제정되면서, 단독주택 및 타운하우스 같은 소규모 주택에 적용하는 IRC에 얕은기초 관련 지침(R403.3)이 제시된다. 그리고 2001년 ASCE(American Society of Civil Engineers: 미국 토목 공학학회)에서 FPSF의 설계와 시공에 대한 표준 ASCE 32-01을 제정하여 출판하였다. 이어서 2004년 NAHB는 10년 만에 FPSF 설계 가이드라인의 개정판을 펴낸다. 마지막으로 2009년 상업, 산업, 주거 등의 모든 건축 유형에 적용되는 IBC에서도 동결 보호 방법의 하나로 얕은기초의 사용을 인정하고, 자세한 지침은 ASCE 32-01을 참조하도록 유도한다. IBC 1809.5에 따르면, 건물의 기초를 동결로부터 보호하기 위해 동결선 아래로 연장하거나, 단단한 암반에 설치하거나 혹은 얕은기초 설계 및 시공 지침을 다룬 ASCE 32-01를 따를 경우, 동결선 이하로 설계하지 않을 수 있음을 명시한다. IBC는 직접적으로 얕은기초 지침을 제시하지 않으며, IRC는 ASCE 32-01 기준과 비교할 경우, 간략하게 정리하고 있으므로 ASCE 32-01 기준이 두 법규를 뒷받침하는 기술자료로써, 미국 전역의 건축 설계자들과 엔지니어들의 주요 참고 자료로 활용된다. ASCE 32-01의 주요한 내용을 정리하면 다음과 같다.
기준은 크게, 난방 건물과 비난방 건물에 대한 얕은기초 설계 방법을 제시한다. 난방 건물과 비난방 건물을 분류하는 구체적 기준은 월 평균 실내온도를 기준으로 판단하며, 난방(heated) 건물은 월평균 실내 온도가 최소 63°F(17°C) 이상인 건물을 의미한다. 그리고 월 평균 실내 온도가 41°F(5°C) 이하인 건물을 비난방(unheated) 건물로 분류하고 그 중간의 경우를 반난방(semi-heated) 건물로 분류한다. 그런데, 반난방 건물의 설계 방식은 난방건물의 설계 방식을 적용하되, 기초의 깊이를 강화하는 방식이므로, 난방 건물과 반난방 건물은 큰 의미에서는 같은 방식을 적용한다고 볼 수 있다.
얕은기초 설계의 첫 단계는 항상 건물이 시공될 지역의 동결지수를 확인하는 것이다(Table 3). 미국도 노르웨이처럼 보수적인 접근으로 동결지수(AFI, Air Freezing Index) F100을 사용한다. 동결지수는 동결지수 선도와 지역별 동결지수 표를 통해서 확인 가능하다. 미국은 영하로 거의 내려가지 않는 플로리다와 극한의 추위를 경험하는 북부 알래스카까지 다양한 기후를 가지고 있으며, AFI는 최저 0°F·days에서 5,000°F·days(67,000°C·hr) 이상이 되기도 한다. 그런데, 얕은기초는 동결지수가 4,500°F·days(60,000°C·hr)을 초과하는 영구 동토층이나 연평균 기온이 32°F(0°C) 미만인 지역에서는 적용할 수 없다(American Society of Civil Engineers, 2001).
Table 3.
Minimum insulation requirements for FPSF of heated buildings (ASCE standard 32-01, 2001).
|
Air-Freezing Index, F100 (°F·days) |
Vertical Insulation R-value, Rv |
Horizontal Insulation R-Value, Rh |
Horizontal Insulation Dimensions (in)* | Minimum Footing Depth (in)† | |||
| Along Walls | At Corners | A | B | C | D | ||
| 500 or less | 0 | - | - | - | - | - | 12 |
| 1500 | 4.5 | - | - | - | - | - | 12 |
| 2000 | 5.6 | - | - | - | - | - | 14 |
| 2500 | 6.7 | 1.7 | 4.9 | 12 | 24 | 40 | 16 |
| 3000 | 7.8 | 6.5 | 8.6 | 12 | 24 | 40 | 16 |
| 3500 | 9.0 | 8.0 | 11.2 | 24 | 30 | 60 | 16 |
| 4000 | 10.1 | 10.5 | 13.1 | 24 | 36 | 60 | 16 |
| 4500 | 12.0 | 12.0 | 15.0 | 36 | 48 | 80 | 16 |
*; †Table 4. Simplified FPSF design method, insulation detail & horizontal insulation plan.
기준은 얕은기초 설계를 위한 단계별 프로세스를 제시한다(Table 4). 난방 건물은 간소화된 디자인 방법과 디테일한 디자인 방법으로 나뉜다. 간소한 디자인 방법은 지역별 동결지수에 따라 얕은기초 설계시 안전성이 확보된 수직, 수평 단열재의 열저항 값, 수평 단열재의 치수, 그 결과 추정되는 기초 깊이가 정리된 표를 활용한다. 그리고 표에서 주어진 정보를 토대로 단열재의 종류를 선택하여 두께를 계산하는 단계를 거치게 된다. 이 계산을 위해서 얕은기초에 적용할 수 있는 단열재들의 성능 값을 모아놓은 표가 제시된다. 간소화된 설계 방식은 미국 전역의 어떤 지역에서도 기초 깊이가 12~16 inch(30~40 cm)가 되도록 셋팅된다. 이러한 기초 깊이가 가능한 것은 IRC에서도 설명하듯이, 단열재가 건물로부터의 열을 기초 아래 지반에 붙잡아 둠으로써, 기초 주변의 동결선을 끌어올리기 때문이다.
Table 4.
Step-by-Step process for FPSF design according to ASCE standard 32-01
그리고 난방된 건물에 대한 디테일한 설계 방식은 간소화된 설계 방식에서 사용하는 표의 변수들을 설계자가 직접 계산하고 변경할 수 있도록 만든 방법으로, 특수한 경우에 대한 대응이 가능하며, 설계자가 직접 더 경제적인 방식을 찾을 수 있도록 만든다. 이외에도 반난방 건물은 난방 건물에 적용하는 얕은기초 방식과 동일하나 기초의 깊이를 8 inch(20 cm) 연장하도록 하며, 비난방의 경우는 건물이 열원의 역할을 할 수 없고, 오히려 지반의 열손실을 가속하므로, 지반과 건물 사이의 열전달을 차단하기 위해 슬래브 바닥과 건물 둘레 전체에 수평 단열재를 설치한다.
미국의 FPSF 지침은 스웨덴과 노르웨이 등 북유럽 국가에서 정리한 얕은기초 지침을 미국의 기후 환경에 맞게 정리하였으며, 적용의 편이성에 초점을 두어 지침을 개발하였다.
5. 결 론
본 연구는 북유럽과 미국에서 얕은기초가 정착한 과정을 고찰함으로써 이 설계 방식이 오랜 시간을 거쳐 검증된 방식이며 이론적으로도 타당한 방식임을 밝히고자 하였다.
건물 기초 주변에 단열재를 설치하여 동결선의 위치를 높이는 FPSF 방식은 여러 장점이 있다. 먼저 굴착 비용이 줄어들어 시공 비용이 절약된다. 둘째, 단열재를 이용하여 코너와 건물 외곽의 열교를 줄이는 데 초점을 맞추고 있으므로 건물의 에너지 효율이 향상될 수 있다. 셋째, 굴착량이 줄어들어 토양 오염이 최소화되며, 마지막으로 계획과 시공의 단순화를 기대할 수 있다.
이러한 얕은기초 방식은 60년대부터 북유럽에서 학문적으로 검토되고 실제 시공 사례들을 통해 검증을 거쳐 일반화되었고, 미국에서도 90년대부터 현장에 적용되기 시작해 2000년대에 법규를 통해 제도화되는 과정을 거쳤다. 그러나 한국은 얕은기초의 여러 장점에도 불구하고, 여전히 동결선 이하로 기초를 내려야 한다는 고정된 기준에서 벗어나지 못하고 있다. 이는 해외의 사례와 달리, 국가의 기후 환경 및 산업 환경에 맞는 얕은기초 설계기준이 부재하기 때문이다. 한국에서는 1971년부터 구조물 기초 설계기준에서 얕은기초가 언급되기 시작하였으나, 동상 방지에 특화된 얕은기초에 대한 지침이 아니었고, 2022년에서야 건축 구조 기준에서 FPSF를 연상할 수 있는 조항이 나타나는데, 기초 저면의 지반이 동결되지 않도록 적절한 방법으로 열전달을 차단하는 방법으로 시공한다라는 언급만 있을 뿐 그 적절한 방법이 무엇인지에 대해서는 구체적 내용을 제시하지 않는다. 따라서 본 연구는 FPSF 방식이 한국에서도 정착될 수 있도록 한국의 환경에 맞는 설계 지침의 조속한 개발을 촉구하는 바이며, 본 연구가 관련 정책과 연구개발을 위한 기초 자료로써 활용되기를 기대한다. 또한 후속 연구를 통해서, 국내의 몇 지역을 대상으로 FPSF 설계안을 제시함으로써, 해당 방식이 국내에서도 유효할 수 있음을 검증할 예정이다.
