건축물 기초설계의 필요성과 고려사항, 형식과 종류

건물의 기초는 건물의 하중을 지반으로 전달하고 안정적으로 지지해 주는 역할을 합니다. 건설과정 중 무엇보다 중요하고 기초가 되므로 그 필요성을 알아보고 고려사항, 기초형식의 종류, 사례에 대해서 알아보고자 합니다.

건축물의 기초설계의 필요성

건물의 기초 설계는 건물을 건설하는 과정의 중요한 단계 중 하나로 건물의 기초가 되는 구조적 기초로서 건물의 중량을 지탱하고 시간이 지남에 따라 받는 힘에 저항할 수 있도록 설계되어야 합니다. 제대로 설계된 기초가 없다면 건물은 정착, 구조적 손상, 붕괴까지 다양한 문제를 겪을 가능성이 높기 때문에 건물의 안전성과 안정성, 장기적인 내구성을 확보하기 위해 무엇보다 필수적인 사항입니다.

고려사항

기초설계를 구축할 때 고려해야 하는 주요 고려사항에는 여러 사항이 있은데 그것에 대해 알아보고자 합니다. 첫 번째, 토양조건으로 건물 현장의 토양 상태는 토질 상태와 시간 경과에 따른 토양의 침하 또는 이동에 저항하도록 기초가 설계되었는지 확인하기 위해 신중하게 평가해야 하며, 지지력, 침하 특성은 기초의 유형과 크기를 결정하는데 필수적인 사항입니다. 두 번째, 건물 하중입니다. 건물이 기초에 주는 하중은 건물의 무게(고정하중)뿐만 아니라 거주자, 가구 및 기기에서 예상되는 하중(활하중)도 포함하여 건물에 작용하는 다양한 하중에 대해 안전하게 지지토록 설계되어야 합니다. 세 번째, 건축법규 및 기준으로 장소에 따라 다르며 건축물의 기초 설계는 지역 건축 법규를 준수해야 한다. 네 번째, 지진, 홍수, 강풍 등 환경 요인을 고려하여 이러한 힘을 견딜 수 있도록 해야 합니다. 다섯 번째, 건축물의 유형 및 형태로서 건물의 높이, 형태 등은 건축물 기초설계의 안정성에 큰 영향을 미치며, 건축물의 안정적인 지지를 위해 말뚝기초나 케이슨 기초와 같은 깊은 기초 등 기초설계의 형태 결정에도 큰 영향을 줍니다. 여섯 번째, 방수와 배수로 건물 내부에 습기가 들어가 파손이 발생하지 않도록 기초 설계에 적절한 방수와 배수가 가능토록 설계하야여 합니다. 일곱 번째, 건설 비용과 시간으로 기초 설계 시 이용 가능한 예산과 균형을 고려한 접합한 기초를 설계하여 안전한 기초설계와 성능을 확보토록 하여야 합니다. 

기초의 형식과 종류

지반은 토양 상태, 구조 요건, 건축물의 종류에 따라 사용할 수 있는 종류가 다르며, 크게 지내력 기초와 파일기초로 구분할 수 있습니다. 먼저 지내력 기초의 종류를 구분하면 줄기초 및 펼침기초(Spread footing), 매트기초 가 있습니다. 먼저 줄기초는 콘크리트의 연속된 스트립이 건물의 하중을 지탱하는 얕은 기초로 일반적으로 주택 등의 균일한 부하 분포를 가진 저층 빌딩에 사용됩니다. 펼침기초(Spread footing)는 줄기초와 마찬가지로 더 넓은 영역에 부하를 분산하기 기초판을 더 내밀어 기초판을 기운 얕은 기초로 상업용 건물과 같은 개별 기둥이나 고립된 부하에 자주 사용됩니다. 매트기초는 뗏목 기초(raft foundation)라고도 하며, 건물 전체의 하중을 지탱하는 크고 두꺼운 콘크리트 슬래브가 지반에 직접 지지 하중을 전달하는 기초입니다. 매트 기초는 하중조건, 단단한 지반조건 또는 침하가 최소화할 수 있는 경우에 사용도며 여러 복합적인 조건을 고려하여 적용하여야 합니다. 다음은 말뚝 기초로 말뚝(pile)이 건물의 하중을 더 깊고 안정적인 토양층(암반등)에 전달하는 깊은 기초로 지표 근처의 토양이 약하거나 건물을 지탱하는데 불충분한 경우에 사용됩니다. 일반적인 파일 유형에는 드리븐 파일(driven pile), 보링 파일(bored pile), 헬리컬 파일(helical pile)이 있습니다. 다음은 케이슨 기초(caisson foundation)입니다. 케이슨은 바닥이 열려 있거나 닫혀 있는 큰 방수 구조물을 말하며, 드릴 된 샤프트로 구축되어 콘크리트로 채워지기도 합니다. 케이슨 기초는 다리, 고층 빌딩, 해상 플랫폼 등의 높이와 무게가 있는 구조물에 사용됩니다. 마지막으로 피어 기초(pier foundation)입니다. 피어 기초(pier foundation)는 건물 하중을 지탱하는 일련의 개별 피어 또는 교각을 구성하여 상부 하중을 지반으로 전단하는 기초로, 보통 원통형 샤프트를 굴착하여 콘크리트 또는 보강된 석축으로 메움으로써 구축되며 팽창성 토양이 있는 지역이나 수위가 높을 때 일반적으로 사용됩니다.

기초 형태의 선택과 설계는 토양 상태, 지반 조건, 건물 높이, 하중 및 건설 제약 등의 요인에 따라 달라지는데 하중을 효과적으로 분산하고 현장 상황과 요인을 고려하여 적용 가능한 건축법규와 기준을 준수하여야 하며, 이런 복합적인 요건을 고려하여 자격이 있는 구조 및 지질기술 엔지니어가 반드시 수행해야 함을 유의하여야 합니다.

성공적인 사례와 실패 사례

각종 환경·지질 조건을 견디는 튼튼하고 내구성 있는 기초를 만들기 위해 혁신적인 기술과 기술이 활용된 건설업계에는 기초 설계 성공 사례가 많이 있는데 그 첫 번째 사례는 Burj Khalifa입니다. 아랍에미리트 두바이에 있는 세계에서 가장 높은 건물의 기초로 지름 50m 두께 3.7m의 거대한 기초로 높이 828m의 탑 무게를 지탱하기 위해 현장 토양 상태와 고도의 기술을 면밀히 분석하여 성공적으로 설계된 사례입니다. 또 다른 사례는 타이베이 101로 고층 빌딩의 기초는 말뚝과 거대한 콘크리트 매트의 조합된 형태로 건물은 지진 활동이 활발한 지역에 위치해 있어 규모 7.0까지의 지진을 견딜 수 있도록 설계되었습니다. Check Lap Kok 공항은 인공섬에 위치한 홍콩의 공항으로 기초는 암반에 고정된 깊은 말뚝 기초로 태풍과 기타 극단적인 기상 조건을 견디도록 설계되었습니다. 페트로나스 타워는 말레이시아 쿠알라룸푸르에 있는 초고층 건축물로 타워의 기초는 114개의 말뚝으로 두께 4미터의 콘크리트 매트 기초로 구성되어 있으며 매그니튜드 6.5까지의 강풍과 지진에 견딜 수 있도록 설계되어 있습니다. 이들 기초설계 성공사례는 크고 복잡한 구조물을 견고하고 내구성 있는 기초를 마련하여 안정적이며 혁신적인 엔지니어링 기술과 기술의 사용뿐만 아니라 토양과 환경조건에 대한 신중한 분석의 중요성을 보여줍니다.