1. 서 론

건설 구조물에 있어서 지진 등 구조체 거동 및 진동에 대응하기 위한 성능 설계는 일반적으로 콘크리트 구조체에 국한하여 연구되어 왔다. 그러나 최근 우리나라에서도 포항 일대에서 발생한 지진 피해 사례를 보면 콘크리트 구조체 뿐만아니라 내외장재로 사용된 건설 자재 전반에 걸쳐 내진성능 설계의 필요성이 요구되고 있다.

포항 지진 사례를 살펴보면, 2016년 9월 포항에서 발생한 규모 약 5.1의 지진은 우리나라에서 관측된 지진기록 중 역대 4번째로 큰 규모의 지진이었다. 이 지진의 특징은 지진 발생 이후 2018년 5월까지 약 2.0~3.0 규모의 여진이 100회 이상 발생하였으며, 미소 지진까지 모두 포함하면 약 615회가 넘는 지진이 지속해서 발생하였다는 점이다.

특히, 포항 지진의 피해 특징은 지속적으로 발생한 여진에 의해 직접적인 구조체 붕괴로 인한 피해 보다 Photo. 1과 같이 건축물 시공된 내장재, 외장재, 조적벽체 등의 유리, 타일, 화강석 등 마감재와 다가구 주택 조적 벽체 등이 무너져 내려 그 아래 정차된 차량 등이 파손과 행인들의 부상이 있었으며 이는 생명의 위협까지도 가져올 수 있었던 사례로 기록되고 있다.

이와 같이 우리나라의 대부분 지진 피해 사례의 일반적인 특징이 직접 구조체 붕괴로 인한 피해보다 건축물에 사용된 내·외장재의 낙하로 인하 피해 사례가 가장 많은 부분을 차지하고 있는 점으로 고려 할 때, 그동안 우리나라의 지진 대책 마련에 있어 안일했던 내외장 마감재의 내진 성능 문제점을 상기시키는 계기가 되었으며, 이제는 우리나라도 지진의 안전지대가 될 수 없음이 확실히 인식되었다.

Photo. 1. Earthquake Damage Case in Pohang

따라서 지진에 의한 내진 성능 대책은 구조체 뿐만아니라 건설 구조물에 사용되는 자재 전반에 걸쳐 대응 할 수 있는 성능 설계 기준 마련이 필요한 것으로 판단된다.

이에 본 연구에서는 위에서 조사된 포항 지진 사례를 통하여 우리나라 지진 발생 시 나타나는 일반적 유형을 구조체의 직접적인 붕괴보다는 구조물 내외부에 시공된 마감재의 박락, 낙하 등에 초점을 맞춰 구조체의 내진 성능 설계와 더불어 구조체에 전면 부착 시공되어 건축물의 내외부로부터 침투하는 물을 차단하는 방수재료가 대응해야 할 성능을 거동과 진동으로 보고 이에 대응 할 수 있는 성능 설계 방법 및 품질검증 방안을 제안하고자 한다.

연구 진행 대상 구조물 부위는 지상의 환경이 고스란히 전달되어 열악한 환경 조건 속에 놓여 있는 지하 구조물을 대상으로 하여 진행하고자 한다.

2. 방수재료의 거동 및 진동 대응 성능 설계의 필요성 및 현황

콘크리트 구조체에 부착 시공되는 방수재료의 거동 및 진동 대응 성능 확보의 가장 중요한 목적은 다양한 내외부 환경에 의해 발생되는 구조물의 열화(균열 등)에 따른 누수로부터 구조체를 안전하게 보호 할 수 있도록 장기 방수성능 확보와 주거 생활의 불편함을 최소화 할 수 있는 성능 확보에 있다.

이러한 측면에서 볼 때 지진 영향 시 건축물에 시공된 방수층에서 대응해야 할 거동과 진동의 흡수 효과를 기대할 수 있다면 지하 콘크리트 구조물 손상을 최소화하고 지하수의 유입을 차단함으로써 건축물을 보호할 수 있는 가능성이 매우 높아진다.

이러한 측면에서 방수재료의 지진에 의한 거동 및 진동에 대한 성능 설계 연구는 현재 우니라 에서는 연구된 사례는 없으나, 일본에서 건설자재의 다양한 내진 성능 설계와 더불어 방수재료의 내진 성능 설계 연구가 진행되어 실용화되고 있다.

일본의 기술은 1990년대부터 이미 아스팔트 유제와 시멘트를 주성분으로 하는 아쿠아팔트(Aquaphalt)가 신소재로 개발되어 판매되고 있으며, 이 재료의 특성은 혼합 전에는 액체 상태를 유지하고, 혼합과 동시에 젤(Gel) 상태로 되어 지진 발생 시 구조체와 더불어 방수재료의 내진 성능 발휘가 가능하다고 소개하고 있다. 이러한 활용성으로 터널, 댐 등 지진발생이 빈번한 지역의 신축 건축물에 사용되고 있다.

3. 내⋅외장재의 내진 성능 설계 반영 기술

건설 구조물에 내진 성능 설계를 반영하는 가장 궁극적인 목적은 지진에 견딜 수 있도록 공학적으로 구조물의 안전 성능을 확보하기 위함이다.

또한, 내진 성능 설계의 기본 개념은 예상되는 모든 지진에 대해 피해가 전혀 없도록 설계하는 것이 아니라 구조부재 및 비구조부재가 받는 손상을 최소로 하여, 구조물의 붕괴로 인한 인명 피해가 발생하지 않도록 하는 것에 주안점이 있다. 이는 모든 구조물에 사용되는 건설 자재에 있어서도 동일하게 적용되어야 하는 기본 개념이라 할 수 있다.

특히, 21세기 미래 건설 구조물의 변화에 요구되는 고성능, 고내구성, 다기능성 등 4차 산업의 중심 키워드를 반영한 융합된 성능 요구를 만족할 수 있는 재료적 성능 설계도 함께 이루어져야 한다.

국내외 건설자재 내진설계 현황을 살펴보았을 때, 국내의 경우 아직까지 현행법상 건축 과정에서의 내진설계 규제는 있지만 자재에 대한 규제는 없어 내진용 제품군이 드물고 대부분 시공법에 의존하고 있는 상황이다. 국외의 경우 일본, 캐나다, 독일과 같이 비구조재에 내진성능을 부여한 다양한 건축자재가 개발되고 있다.

국내에서는 포항 지진 피해를 계기로 건설 구조물의 내진 성능 설계를 위한 제도 마련이 검토되고 있으며, 지난 2019년 7월에는 국토교통부(건축 안전팀)에서 화재 및 지진에 취약한 건축물 구조설계와 건축자재를 끝까지 추적하여 처벌한다는 보도 자료를 발표하여 건축구조 및 건축자재에 대한 “건축안전 불시 점검 모니터링을 통한 지진에 대비할 수 있는 정책”도 추진 중이다. 도ㅘ 또한 우리나라의 한 내외장재 기업에서는 내진용 천장재를 개발하여 지진 발생 시 자재가 떨어지지 않도록 철제 소재를 추가 적용해 흔들림이나 떨어짐을 방지하는 기능을 강화하여 현장 적용한 사례도 조사되었다.

해외 경우 일본에서는 조적벽 건축물에 사용하는 내진 성능을 강화하는 탄력 코팅재(아크릴 실리콘 도료수지와 유리섬유 융합 재료)가 실용화되어 적용되고 있으며, 건축물의 내진 성능 정보 전달 프로그램을 연구하여 건물 프레임, 비구조 요소, 방수재료, 내부 및 외부 마감재, 배관 시스템, 에어컨 및 환기 시스템, 전기 시스템 등이 어떻게 손상되고 있는지, 혹은 손상을 방지할 수 있도록 설계 되었는지에 대한 정보 제공이 가능하도록 진행하고 있다. 특히, 내진 성능 및 추정 손상뿐만 아니라 각 건물에서 예상되는 손상에 대한 정보 제공을 목적으로 연구되고 있다.

캐나다에서는 브리티시 컬럼비아 대학교(University of British Columbia)의 연구원은 건축물에 지진이 발생하였을때 구조적 안전성을 유지할 수 있는 보조 역할로 초탄성 연성 스프레이 코팅재를 개발하여 벤쿠버 지역 초등학교에 적용하여 실용화한 사례도 있다. 본 외벽 코팅재는 EDCC(Eco- Friendly Ductile Cementitious Composite)로 명명하고 있으며, 주요 재료 성분으로는 고분자 섬유와 플라이애쉬를 사용한 친환경 제품이라 소개하고 있다.

독일의 경우 한 기업에서 개발한 제품 중 탄성 폴리프로필렌 섬유를 혼합한 벽지를 개발하여 지진 발생 시 인장 응력 감소 효과를 가질 수 있는 EQ-Top이 실용화 되고 있다. 이 벽지는 벽이 파열될 경우 벽면을 고정 시켜 벽이 붕괴 되는 것을 방지하여 탈출 경로가 차단되지 않도록 시간을 벌어줄 수 있도록 기능을 부가하여 건축물에 전달되는 지진력을 감소시키는 형태로 반영되고 있다.

4. 지진의 거동과 진동이 방수재에 미치는 영향

4.1 건축물의 내진 성능 설계 기술

내진 성능 설계는 지진 발생 시 구조물의 안전성을 유지하고 그 기능을 발휘할 수 있도록 지진하중을 추가로 산정하여 반영하고 구조물의 모든 응력이 허용응력 이내가 되도록 단면의 크기를 결정하는 구조 설계이다.

내진설계 기술은 Fig. 1와 같이 수평적인 지진하중에 견딜 수 있는 설계 기술로 내진, 면진, 제진 구조로 구분하고 있다. 내진 구조는 좌우 진동에 건축물이 대응할 수 있도록 건축물 내부의 가로축을 튼튼하게 하는 구조로 원자력 발전소 등에 적용된다. 면진 구조는 지진으로 땅이 흔들릴 때 건축물을 유연하게 하여 지진 진동에 파괴되지 않도록 하는 구조물 말하며, 건축물이나 교량 최하층에 적층 고무를 넣어 진동에 대한 완충 역할을 할 수 있도록 설계한다. 제진 구조는 건축물과 기둥 사이에 지진의 크기를 줄여주는 특수 장치를 넣는 구조물인 댐퍼를 넣어 충격을 줄이는 방식이고, 기존 건축물의 구조나 형식에 관계없이 설계가 가능하다.

Fig. 1. Schematic Diagram of Vibration Energy Absorption of Base Isolation Structure (Device)

내진설계 기술 중 방수시공기술에 개념적 접목 가능한 것으로 면진구조와 제진구조 2종류의 형태로 볼 수 있으며, 특히 면진구조 장치에서 지진 에너지 흡수 원리의 경우 건축물의 최하층에 적층 고무를 넣어 진동에 대한 완충 역할 개념의 적용은 본 연구에서 진행하고 있는 방수재료의 내진 성능 설계(안)의 중요 개념으로 적용 가능할 것으로 판단된다.

4.4 지진의 거동 및 진동 대응 방수재 설계

1995년 일본에서 발생된 Photo. 2의 고배 지진으로 한 층이 붕괴된 공동주택건물은 설계에서 요구하는 구조물 및 부재의 강도를 확보하는 설계만 반영한 사례로 지진 발생 시에 기둥에 작용하는 전단력이 전단강도에 달하면 적은 변형에서도 취성적으로 전단파괴 되어 수평력 및 수직하중에 저항하는 구조성능을 상실하여 붕괴된 사례이다.

이러한 사례를 통하여 볼 때 구조물 설계 시 기둥이 지지하고 있었던 수직하중은 파괴된 요소의 상하에 인접하는 구조벽 및 기둥에 연결된 보, 슬래브 등에 의해 주변의 기둥, 벽체에 전달되는 것까지 반영되어야 한다.

Photo. 2. Earthquake Damage Cases in Japan

기존 지진파의 종류는 파와 입자의 진동방향이 같으며 첫 번째로 도착하는 P파, 파와 입자의 진동방향이 서로 직각이며 수직움직임을 가지는 S파, 파와 입자의 진동방향이 서로 직각이며 수평움직임을 가지는 러브파, 입자가 타원운동을 하면서 지표면을 흔들리게 하는 레일리파로 구분되어져 있으나, 위의 고배 지진의 사례를 통해 볼 때 수평과 수직의 각각 발생되는 지진파 뿐만아니라 특정 구조체는 수평과 수직에서 발생되는 지진파에 있어서도 고려되어야 함을 의미한다.

이러한 지진 발생의 실제 사례를 비춰볼 때 현재의 방수 성능 중심의 요구 조건에서 한 발 더 나아가 방수성능은 물론 보수와 보강 성능 대응 가능한 성능 설계가 요구된다.

5. 지진 발생 시 방수재료가 대응해야 할 환경 분석

5.1 자연 환경 분석

지하 구조물에 적용되는 방수재료는 지하라는 지리적 조건에서 발생되는 다양한 환경의 대응력이 필요하다.

지하 구조물에서 대응해야 할 열화 환경의 경로를 살펴보면 지상의 공기 중에 포함된 중금속이 미세먼지 혹은 매연 등에 의해 오염된 공기 속에 포함된 화학 물질이 빗물과 함께 지하로 유입되면서 지하 콘크리트 구조물이 대응해야 할 지하수와 화학적 환경으로 변화된다.

이 뿐만 아니라 콘크리트 구조물은 외기의 온도차에 의해 수축과 팽창을 지속적으로 반복함에 따라 움직임(거동)에 대응해야 한다. 또한, 토양에 대한 환경에도 대응해야 한다. 토양 속에는 다양한 화학적 환경이 포함되어 있고 지하 구조물에 토양에 의한 압력(토압)이 발생한다.

뿐만아니라 최근 사회적 문제로 연일 보도되고 있는 씽크홀(Sinkhole)의 간접적 영향을 들 수 있으며 Fig. 2와 같이 주요 발생 경로는 땅속의 토사나 암석 등과 함께 빈틈을 채우고 있는 지하수를 집수정에 모아 지표면으로 강재 배출(유출)함으로써 비워진 지하수 공극부분이 지표가 꺼지면서 발생한다.

Fig. 2. Status of Induced Drain System for Existing Underground Structures

위의 조사 자료를 토대로 지하 구조물이 대응해야 할 환경을 자연 발생적으로 생성되는 자연환경과 사람의 생활에서 발생되는 인위적 환경으로 구분하여 분석하여 이에 따른 요구 성능을 고찰하면 다음 Table 3과 같다.

Table 3. Required performance by correspondence environment

Sortation	Response Environment	⇒	Required Performance
Natural Environment	The groundwater contamination of rainwater	⇒	Chemical resistance
	pressure of groundwater and soil	⇒	Watertightness Response to the Substrate movement
	Velocity of Underground Water	⇒	Flow resistance
	Wind, Vibration of Strom	⇒	Response to the Substrate movement
	Salt Content around the Shore	⇒	Saline resistance
Artificial Environment	Shinkhole due to groundwater drainage, ground subsidence	⇒	Watertightness, Response to the Substrate movement
	Shrinkage and Expansion of Four Seasonal Temperature Changes	⇒	Response to the Substrate movement
	Continuous walking of vehicles and people, vibration during construction	⇒	Response to the Substrate movement

5.2 시공 환경 분석

기존의 지하구조물(지하철, 지하보도, 공동구, 공동주택 지하층 등)의 건축은 시공환경 및 경제적 부담을 구실로 콘크리트 구조체를 대상으로 직접 외방수 공사를 적용하지 않거나(주로 건축물 지하공사의 경우) 해당 구조물의 요구 성능에 부합하지 않는 재료 및 공법이 사용되고 있다. 이로 인하여 지하 공간에서의 누수는 Photo. 3과 같이 심각한 지하수 유출 문제와 구조체 내구 안전성 저하 등의 사회적 문제로 나타나고 있다.

또한, 그동안 지하 구조물에 사용된 방수공법은 재료 및 시공환경을 반영하지 않고, 단순히 재료적 물성에만 의존하였기 때문에 내구수명에 있어서도 그 한계점에 달할 수밖에 없는 상황이며, 특히 지하라는 지리적 환경에 대한 고려가 전혀 없이 시공되어 지속적인 누수로 인한 피해가 가중되고 있다. 이러한 피해가 지속됨에도 지하 외벽에 방수시공이 적용되지 못한 이유 중 하나가 오픈 컷 시공을 통한 많은 공사비가 지출되고 있기 때문이다.

Photo. 3. Damage Caused by Water Leakage Structure Safety

이에 본 연구를 통하여 이러한 가혹하고 현실적인 시공환경에서도 적용 가능한 방수재료 및 품질관리 방법을 마련하고자 한다.

6. 기존 지하 구조물의 적용 방수공법 및 재료 분석

기존 지하 구조물에 적용되는 방수공법은 Fig. 3과 같이 내방수와 외방수로 구분 할 수 있다. 내방수는 실내로 유입된 물(지하수와 토양의 압력으로 유입되는 물)을 내부의 콘크리트 벽체에 방수재료를 시공하여 막는 방법이고, 외방수는 물이 지하 구조물로 유입되기 전에 콘크리트 구조체의 외벽에 방수시공을 통하여 사전 차단하는 개념의 방수공법이다.

위에서 제시한 내방수와 외방수의 공법을 개념적으로 만 접근하더라도 이미 들어온 물을 막는 것보다는 물이 콘크리트 벽체로 유입되기 전에 원천 차단 가능하면 더 큰 방수 효과를 기대 할 수 있다.

Fig. 3. Conceptual Diagram of Single-Side Walls Applied Existing Waterproofing System Technology

Fig. 4. The part-base waterproof material and the method of construction applied to the underground structure

결국 이러한 방수효과는 콘크리트 구조체를 보호하고 구조체에 시공되어 있는 철근의 부식을 방지하여 장기 내구성을 기대 할 수 있게 되기 때문이다.

이와 같은 큰 효과를 기대 할 수 있는 외방수의 시공이 어려운 이유는 위에서 언급한 방수재료가 대응해야 할 가혹한 환경, 시공성 등을 반영한 방수재료의 부재와 이를 성능 평가할 품질 검증 방법이 없기 때문이다.

이에 본 연구를 통하여 현재 지하 구조물에 적용되고 있는 방수재료를 Table 4와 같이 살펴보고 방수재료의 내진 성능 설계 기획에 기초자료로 활용하고자 한다.

7. 지하 구조물 적용 방수재료의 내진 성능 평가 방법 기초 제안

7.1 지진파의 특성과 방수층 영향 분석

지진 발생 시 지하 구조물은 지상과 달리 지반을 통하여 지진파가 전달되는 지리적 특성을 갖고 있으며, 이러한 특성에 따라 방수층이 받게 되는 거동 및 진동 에너지를 예측하여 설계되어야 한다.

이와 같이 전달되는 거동과 진동이 외벽에 시공된 방수층에 어떠한 영향 인자로 작용하는지에 대해서는 Table 5와 같이 지진의 P파, S파, 러브파, 레일리파 등의 지진파의 방수재료로서 대응력에 대한 영향 분석이 우선되어 검증 방법이 적용되어야 한다.

Table 5. 테이블

7.2 기존 내진 기술을 활용한 방수재 성능 평가 방법

본 연구에서 조사된 기존 구조체에 적용되고 있는 내진 기술 중 지진에너지를 Fig. 4와 같이 면진장치를 사용하여 해당 구조물의 지진 주기를 대응하거나 감쇠 능력을 검증 평가 할 수 있을 것으로 판단된다.

현재 기존 방수재료에 적용되고 있는 고유동성 비경화 형태의 고점착 씰재를 면진 기술의 개념을 적용하여 콘크리트 구조물에 전면 부착하여 적용성을 검토 할 수 있을 것으로 판단된다. 단, 기존의 고점착 씰재가 갖고 있는 방수재료의 성능만으로는 대응이 불가능하고 어느 정도의 지진파에 견딜 수 있는 방수재료 개발이 우선되어야 하며 이를 품질 검증 할 수 있는 시험 장치와 시험방법이 개발되어야 할 것으로 판단된다.

Fig. 5. Devices of Base Isolation Structure

Fig. 6. Plan to Introduce Waterproofing Materials for Base Isolation Technology

7.3 기존 표준을 활용한 방수재료의 거동 및 진동 성능 평가 시험 장치 및 방법

방수재료의 내진 성능 설계를 위한 시험 장치 및 시험방법은 기존 대한건축학회 기술표준(AIK-S-001-2019)으로 제정된 복합열화 및 구조체 거동이 동시 작용하는 환경에서의 방수층 성능 시험방법에 적용된 시험장치 및 시험방법의 기본 개념으로 도입가능하다.

Fig. 7. Conceptual diagram of structural behavior testing device

이 시험 방치 및 방법은 지하주차장, 지하차도, 지하공동구, 지붕 슬래브 등의 구조물에 시공된 방수층을 대상으로 습윤 환경과 상하 거동성능에 대응 가능한 품질 확보를 목적으로 개발된 사례이며 방수재료의 상하 거동 대응 성능을 검증 할 수 있도록 개발된 사례이다.

단, 본 연구를 통하여 기획하고 있는 방수재료의 내진 성능 설계의 개념의 접목을 위해서는 상하 거동뿐만 아니라 방사형태의 진동에 대한 검증 방법의 추가 검토가 필요 할 것으로 판단된다.

8. 결 론

최근 우리나라 포항 일대에서 발생한 지진의 피해 사례로 인하여 콘크리트 구조체뿐만 아니라 건설 구조물에 사용되는 내·외장 마감재 등의 내진 성능 설계의 필요성을 제안하였고 이러한 필요성에 따라 콘크리트 구조체에 방수재를 전면 접착 혹은 부분접착 형태로 시공하여 건축물 내외부로부터 물의 침입을 차단하는 방수재에 대한 구조체에 직접 영향을 주는 내진 대응 성능을 거동과 진동 유형으로 해석하여 이에 대응 가능한 성능설계 방안을 연구 검토하였다.

그 결과 현재 방수분야에서 개발되어 현장 적용되고 있는 고유동성 비경화 점착씰재를 활용하여 기존의 내진 기술의 개념인 면진 기술의 접목에 따른 활용 가능성을 제시하였으며 또한, 기존 방수재료에 거동 및 진동 성능 설계를 위한 재료의 기술 개발을 통하여 기존의 단일 방수성능 확보에 국한되어 있던 성능 설계를 방수+보수+보강을 융합 할 수 있는 다기능성 방수재료 설계를 제안하고자 한다.

또한, 이를 품질관리 할 수 있는 방안으로 기존 지하구조물 방수재료에 적용하고 있는 상하 반복을 통한 성능 검증 시험 장치를 활용하여 지진파가 구조물의 부착된 방수재료에 전달되는 변위를 측정 할 수 있는 장치의 개발의 방향을 설정하여 이를 토대로 시험방법의 적용 가능성을 확인하였다.

이에 본 연구를 토대로 한 후속연구에서 기존 개발되어 있는 비경화 고점착 씰재를 대상으로 거동대응성능 기본 성능 평가를 실시하고 이를 토대로 진동 대응성능 평가 방법을 모색하고자 한다.