조적식구조 설계법: 계산하지 않는 경험적 설계법과, 프리즘으로 확인하는 강도

조적조의 설계법이 셋인 이유와, 그중 경험적 설계법이 계산 대신 치수 규칙으로 안전을 보장하는 방식 — 전체높이 13 m·처마높이 9 m·전단벽 공칭두께 200 mm와 담당 감리자의 승인. 강도를 재료 규격이 아니라 프리즘 시험체로 확인하는 세 경로, 그리고 허용응력을 절반만 적용하면 시공 중 시험이 면

조적식구조는 벽돌·블록·석재 같은 조적개체를 모르타르로 쌓아 만드는 구조이고, 다른 재료와 달리 강도가 도면에 적는 것으로 정해지지 않는다. 콘크리트는 배합으로, 강재는 규격으로 강도가 정해지지만, 조적조의 강도는 개체와 모르타르와 쌓는 솜씨가 함께 만든다. 그래서 기준은 프리즘이라는 시험체로 그것을 확인하게 한다.

이 구조가 쓰이는 자리는 셋이다. ① 저층 건물의 내력벽 — 별도 골조 없이 벽이 하중을 받는다. ② 채움벽 — 골조 안을 메우는 비내력벽이지만 지진 때 골조와 상호작용한다. ③ 기존 건축물 — 국내 노후 건축물의 상당수가 조적조이고, 보강 검토의 대상이 된다.

이 글은 KDS 41 60 05 조적식구조 일반, KDS 41 60 15 조적식구조 설계 일반, KDS 41 60 40 경험적 설계법의 조문을 인용한다. 허용응력과 강도식은 옮겨 적지 않는다.

1. 설계법이 셋이고, 하나는 계산을 하지 않는다

조적식구조 기준은 설계법별로 문서가 나뉜다 — 허용응력설계법(KDS 41 60 20), 강도설계법(KDS 41 60 30), 그리고 경험적 설계법(KDS 41 60 40)이다.

앞의 둘은 다른 재료와 같은 방식이다. 한계상태설계법 편에서 본 대로 안전여유를 저항 쪽에 몰거나 하중과 저항으로 나눈다. 특이한 것은 세 번째다.

경험적 설계법은 부재력을 계산해 강도와 비교하지 않는다. 대신 치수와 배치가 일정 조건을 만족하면 안전한 것으로 본다. 그 조건이 조문에 숫자로 박혀 있다.

조적벽이 횡력에 저항하는 경우에는 전체높이가 13 m, 처마높이가 9 m 이하이어야 이 기준의 경험적 설계법을 적용할 수 있다. — KDS 41 60 40, 4.2 (1)

조적벽이 구조물의 횡안정성 확보를 위해 사용될 때는 전단벽들이 횡력과 평행한 방향으로 배치되어야 한다. 조적전단벽의 공칭두께는 최소 200 mm 이상이어야 한다. — KDS 41 60 40, 4.3 (1)

4장의 나머지 절도 같은 성격이다 — 벽체의 높이, 횡안정, 압축응력, 측면지지, 최소두께, 연결, 정착. 계산식이 아니라 갖춰야 할 조건의 목록이다.

그리고 이 설계법을 쓰려면 절차 요건이 하나 붙는다.

경험적 설계법에 의해 조적구조물을 설계하려면 담당 감리자의 승인을 얻은 후 KDS 41 60 15와 이 기준의 규정들을 따라야 한다. — KDS 41 60 40, 4.1 (1)

계산을 생략하는 대신 제3자의 승인을 요건으로 걸었다. 성능기반 내진설계가 제3자 검토를 요구하는 것과 방향은 반대지만 구조는 같다 — 통상적인 경로에서 벗어나면 검토자를 세운다.

2. 강도는 프리즘으로 확인한다

조적조의 기준압축강도는 재료 규격에서 바로 나오지 않는다. 개체가 아무리 튼튼해도 모르타르가 약하거나 줄눈이 채워지지 않으면 벽은 그만큼 약해진다. 그래서 기준은 완성될 벽과 같은 방식으로 쌓은 시험체를 만들어 시험하게 한다.

프리즘 : 그라우트 또는 모르타르가 포함된 단위조적의 개체로 조적조의 성질을 규정하기 위해 사용하는 시험체 — KDS 41 60 05, 용어의 정의

확인 방법은 세 가지 중 택일이다(4.4.1) — 프리즘시험(4.4.2), 프리즘시험성적(4.4.3), 조적개체강도법(4.4.4).

프리즘시험의 요건이 구체적이다. 28일압축강도를 기준으로 하되 7일·3일 강도와의 상관관계가 확인되면 그것을 쓸 수 있고, 시공 전에 5개의 프리즘을 제작·시험한다. 제작에 쓰는 재료는 시공 시 사용될 재료여야 하며, 담당원 또는 승인된 자의 입회하에 제작하고 승인된 기관이 시험한다.

기존 시험성적을 쓰는 경로(4.4.3)는 표본 요건이 훨씬 무겁다 — 최소 30개의 프리즘 시험성적을 사용하고, 평균압축강도가 기준압축강도의 1.33배 이상이어야 한다. 개별 시험 대신 통계를 쓰는 대가로 여유를 더 요구하는 구조다.

3. 여유를 남기면 시험이 줄어든다

이 기준에서 가장 특이한 규정은 시공 중 시험 빈도를 설계에서 쓴 여유와 연동시킨다는 점이다.

구조설계에 규정된 허용응력을 모두 적용한 경우에는 벽면적 500 m²당 3개의 프리즘을 제작·시험한다.구조설계에 규정된 허용응력의 1/2을 적용한 경우에는 시공 중 시험은 필요하지 않다. 다만, 시공 전 프리즘시험에 사용된 재료와 동일한 재료가 반입됨을 입증하는 증명서가 제출되어야 한다. — KDS 41 60 15, 4.4.2 ②③

이것은 검증 노력과 설계 여유를 맞바꾸는 거래다. 재료 강도를 끝까지 끌어 쓰면 그 강도가 실제로 나오는지 벽면적 500 m²마다 확인해야 하고, 절반만 쓰면 확인을 면제받는다. 강도가 예상보다 낮게 나와도 여유가 그것을 흡수하기 때문이다.

같은 논리가 조적개체강도법에도 적용된다(4.4.4) — 허용응력을 모두 적용하면 시공 전과 벽면적 500 m²마다 시험하고, 절반만 적용하면 시공 중 시험이 필요 없다.

실무적 판단은 여기서 갈린다. 소규모 공사에서는 시험 자체가 부담이므로 허용응력의 절반으로 설계해 시험을 면제받는 편이 낫고, 벽량이 많은 공사에서는 재료를 끝까지 쓰고 시험 체계를 갖추는 편이 경제적이다. 어느 쪽이든 도면에 그 선택이 드러나 있어야 현장이 시험 계획을 세울 수 있다.

4. 용어가 조적조의 사고방식을 보여 준다

KDS 41 60 05의 용어 정의는 이 구조가 무엇을 중요하게 보는지를 그대로 드러낸다. 대부분이 면적과 접합부에 관한 것이다.

용어정의

속빈단위조적개체순단면적이 같은 평면의 전단면적의 75%보다 적은 조적단위

속찬단위조적개체순단면적이 전단면적의 75% 이상인 조적단위

순단면적전단면적에서 채워지지 않은 빈 공간을 뺀 면적

가로줄눈면적가로줄눈에서 모르타르와 접한 조적개체의 표면적

보강조적보강근이 조적체와 결합하여 외력에 저항하는 조적시공형태

비보강기둥두께에 수직이 되는 수평치수가 두께의 3배를 넘지 않는 수직구조부재

대린벽한 내력벽에 직각으로 교차하는 벽

테두리보조적조에 보강근으로 보강된 수평부재

순단면적과 전단면적을 구분하는 것이 핵심이다. 블록은 속이 비어 있고, 그 빈 공간을 그라우트로 채웠는지 여부에 따라 힘을 받는 면적이 달라진다. 75%라는 경계가 속빈 개체와 속찬 개체를 가르고, 그에 따라 적용되는 계산이 달라진다.

가로줄눈면적이 별도 용어인 것도 같은 이유다. 조적조에서 힘은 개체를 지나 모르타르 접합부를 통해 다음 개체로 간다. 줄눈이 온전히 채워졌는지가 강도를 정하고, 그것이 프리즘 시험으로만 확인되는 이유이기도 하다.

대린벽과 테두리보는 조적벽이 홀로 서지 못한다는 사실을 담은 용어다. 벽은 면내 방향으로는 강하지만 면외 방향으로는 약하다. 직각으로 교차하는 벽이 서로를 잡아 주고, 테두리보가 벽 상부를 묶어야 하나의 구조가 된다. 이 상호작용이 조적벽의 지진 취약성을 결정한다.

5. 정리

설계법이 셋이다 — 허용응력설계법, 강도설계법, 그리고 계산 대신 치수 규칙을 쓰는 경험적 설계법.

경험적 설계법에는 적용 한계가 있다 — 횡력에 저항하는 조적벽은 전체높이 13 m, 처마높이 9 m 이하. 조적전단벽 공칭두께 200 mm 이상. 그리고 담당 감리자의 승인.

강도는 프리즘으로 확인한다 — 프리즘시험, 프리즘시험성적, 조적개체강도법 중 택일. 시공 전 5개, 시험성적을 쓰면 최소 30개에 평균 1.33배.

여유를 남기면 시험이 줄어든다 — 허용응력을 모두 쓰면 벽면적 500 m²당 3개, 절반만 쓰면 시공 중 시험 면제.

순단면적과 전단면적을 구분한다 — 75%를 경계로 속빈 개체와 속찬 개체가 갈린다.

벽은 홀로 서지 못한다 — 대린벽과 테두리보가 면외 방향을 잡는다.

다른 재료의 설계는 강도를 정하고 계산으로 확인하지만, 조적조는 강도 자체가 시공의 결과다. 같은 벽돌과 같은 모르타르로도 줄눈이 채워지지 않으면 설계값이 나오지 않는다. 기준이 프리즘 시험을 확인 수단으로 두고, 그 빈도를 설계 여유와 연동시킨 것은 그 불확실성을 설계자가 스스로 선택하게 하려는 것이다.