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토목,건축

철근과 콘크리트에 대하여, 층간소음은 왜 생길까? (철근콘크리트의 역사)

by ZOZOON 2020. 8. 20.

철근과 콘크리트

 

건축 자재의 일종. 콘크리트 안에 철근을 넣어 콘크리트의 단점인 부족한 인장강도(잡아당기는 힘에 버티는 강도)를 보완한 복합자재다. 건설 현장에서나 서류 등에는 줄여서 R/C(Reinforced Concrete)나 철콘이라고 쓰이는 경우가 많다.

콘크리트와 철근을 같이 쓸 수 있는 첫 번째 이유는 철근과 콘크리트의 열팽창계수가 우연하게도 거의 동일하기 때문이다. 두 번째로 콘크리트가 철근을 감싸는 형태로 시공되므로 부식에 취약한 철근에 공기가 접촉하는 것을 막아주고, 타설당시 콘크리트는 수분을 잔뜩 머금고 있지만 알칼리성 물질이라 철근의 부식을 막아준다.

영어로는 'Reinforced Concrete'. 여기서 철근을 Reinforcement, Reinforcement bar 혹은 Re-bar라고 칭한다. 직역하면 보강된 콘크리트지만 의미상으로는 철근 콘크리트라 부르는 것이 맞다. 철근 이외에 다른 재료를 쓸 경우, Polymer concrete, Cementitious composite 등으로 혼합되는 재료나 발현되는 재료적 특성에 따라 명칭이 달라진다.

건축, 토목 분야에서 사용하며 철근 콘크리트의 타설 후 중량은 1입방미터당 2.5톤 가량으로 무겁고, 물이 사용되는 습식재료이므로 시공기간도 오래 걸려서 당연하게도 주로 일정 크기 이상의 건축물에 사용된다. 현재 5층 이하 규모의 타운하우스나 상가는 기초만 철근 콘크리트로 다지고 그 위는 시공기간이 단축되는 경량철골이나 목구조로 만들어지는 추세다. 특별히 문제가 없다면 철근 콘크리트 구조물의 수명은 일반적으로 50~200년 정도로 길다. 단, 부실시공일 때는 제외다.

밑의 설명은 이해를 위해서 기초적인 화학과 물리지식을 요구하기 때문에 기본 화학 정보를 어느 정도 숙지하고 읽는 것이 좋다.

철콘의 역사

 

콘크리트는 고대 이집트와 로마 때부터 사용되었는데, 이때의 콘크리트는 화산재 퇴적물의 일종인 응회암의 분말과 석회, 모래를 물에 섞은 뒤 굳히어 만든 일종의 모르타르(Mortar)로 주로 석재나 벽돌을 연결하는 접착재료로서 사용하였고 현재와 같은 결합재로서의 콘크리트 건물을 만드는 방식은 아니었다.

이런 원시적인 콘크리트를 이용해 만든 가장 유명한 건축물은 기원 후 126년 완성된 로마의 판테온 신전이다. 현대에 비하면 원시적인 천연 콘크리트를 이용해 무려 43.3m의 돔을 만들어 냈다. 당시에는 철근이 없어 콘크리트의 단점인 인장력을 보완하기 위해 말총을 넣었는데, 놀랍게도 최신예공법인 '섬유보강' 콘크리트(Fiber Reinforced Concrete)를 이미 2000년 전에 사용한 셈이다.

또한 고대 로마 제국 팽창에 따라 이집트나 그리스 등지에서도 사용되었다.

19세기에 들어 영국을 중심으로 시멘트에 대한 연구가 활발히 이루어졌고, 1824년 벽돌공 조셉 아스피딘(J. Aspidin)이 분말로 분쇄된 석회석과 점토를 섞어 가마에서 소성하는 시멘트 제조법을 발견하였다. 이렇게 만들어진 시멘트는 영국 남부 포틀랜드 지방에서 산출되는 회백색 석회석과 비슷하여 포틀랜드 시멘트(Portland Cement)라 이름붙여졌고 현재에도 그대로 불려지고 있다. 강재가 보강된 콘크리트가 1832년 영국의 이삼바드 킹덤 브루넬에 의해 런던의 템즈강 터널공사에 처음으로 사용되었다는 기록이 있다. 다만 현재의 철근 콘크리트와는 커다란 차이가 있다.

이에 힘입어 콘크리트의 취약점인 인장강도 보강에 대한 연구가 1850년대 이후로 많이 진행되었다. 1854-1855년 윌킨슨(W.B. Wilkinson)의 철근 콘크리트 바닥판 특허, 1848년 발명, 1855년 특허를 받은 프랑스의 랑보(J.L. Lambot)가 만든 철망 보강 콘크리트 보트 등이 이 시대의 결과물이다.

 

1853년에는 프랑스의 사업가 프랑수아 쿠아네(François Coignet)가 파리시의 외곽에 세계 최초로 철근 콘크리트 건물을 짓기도 했다. 물론 이때 철근은 콘크리트를 더 튼튼하게 보강하려는 목적보다는, 마치 소조처럼 단지 철근뼈대에 콘크리트 덩어리를 덧붙여 잡아줄 목적으로 사용한 것이었다.

철근 콘크리트의 가장 괄목할만한 연구는 프랑스의 정원사 모니에(J. Monier)에 의해 이루어졌는데 콘크리트로 만든 화분이 작은 충격에도 자꾸 깨지는 것 때문에 내부에 철망을 두른 콘크리트 화분을 만들었다. 이를 1854년 제2회이지만 제1회라고 주장하는 파리 만국박람회에 출품하였고 1855년에 특허받았다. 모니에는 1875년까지 철근 콘크리트를 이용한 파이프, 수조, 판, 교량, 계단 등에 대해서도 특허를 받았다. 그리고 코아니에(Coignet)는 보와 아치의 건설에 대한 보강 콘크리트의 원리를 1861년 책으로 출판하였다. 이러한 성과는 독일에 전수되어 프로이센 건축감독관인 쾨넨(M. Koenen)이 철근 콘크리트의 보 단면 해석법을 개발하여 1886년 논문으로 발표하였다. 미국의 하얏트(Hyatt)는 1878년 논문에서 철근 콘크리트 설계의 기본 원리를 밝혔다. 이후 1900년대 초반에 이르기까지 많은 특허와 연구가 이루어졌고 1920년대 이후에 본격적으로 건설업에 적용되어졌다.

한국에서는 1910년대부터 철근 콘크리트 건물이 지어지기 시작했다. 한국 최초의 철근 콘크리트 건물은 1910년 11월 준공된 부산세관 본청사이다. 철근 콘크리트로 구조를 잡고 러시아산 붉은 벽돌로 외부 마감한 건물이었다. 1912년 1월 준공된 한국은행 본점은 현재까지 남아 사적 280호로 지정되어 보존되고 있다. 이후 1925년 준공된 서울역 건물, 1926년 준공된 서울시 청사 및 조선총독부 청사 등이 있다.

한국 건축가가 설계한 건물로는 건축가 박동진이 설계한 1934년 준공된 고려대학교 본관건물(사적 제285호), 1937년 준공된 똑같이 생긴 중앙고등학교 본관건물(사적 제281호), 건축가 박길룡이 설계한 1937년 준공된 화신백화점 등이 대표적인 건물이다. 1938년 건립된 반도호텔은 지하 1층, 지상 8층에 연면적 18,300㎡, 1960년대에 이르기까지 한국에서 가장 높은 건물이었다.

 

층간소음은 왜 생길까?

 

아파트에서 가장 큰 문제중 하나는 층간소음이다. 사실 아파트가 처음 도입된지는 많은 시간이 흘렀으나 유독 2017년 기준 근 10여년 사이에 이웃간 분쟁이 많아졌는데, 이는 복합적인 문제가 여럿 섞여있다. 일단 콘크리트 재료적으로 많은 발전과 연구가 진행되면서 강도가 높아지게 되었고 그 덕에 종전보다 더 얇은 두께로 벽과 층계를 만들 수 있게 되었다. 그러나 반대 급부로 그만큼 구조의 두께가 얇아져 소리가 쉽게 투과된다.이런 문제를 건축음향 학계에서는 물론이고 건설회사들도 이미 예상하고 있어서 슬라브 구성 시 차음을 위한 층을 넣는 등 여러 노력을 기울여 왔다.

그럼에도 전혀 층간소음이 줄지 않고 반대로 증가한 것과 같이 느끼는 이유는 건축적으로만 보자면 첫째로 아파트의 고층화, 둘째로 창호(창문) 성능, 셋째는 층간소음의 주체가 윗집이 아니기(?) 때문이다.

외부소음의 감소는 당연히 인간 청력의 역치값을 내리게 되고, 저층부에서나 과거의 낮은 차음성능을 지닌 창호가 있는 아파트에서는 외부의 소리에 섞여서 들리지 않았을 층간소음이 전에 없이 크게 들리게 되는 일이 발생하는 것이다. 거기다가 밀도가 조금 더 높은 아파트의 경우 단순히 윗집에서 내는 소리만이 아니라 윗집의 옆집이나 윗집의 윗집이 내는 소리가 철근 콘크리트 벽체를 타고 내려와 전달되는 경우도 흔하다. 당연하게도 반대로 아랫집에서 올라오는 경우도 있다.

단순하게 윗집에서 내는 소리가 차음층과 단열재가 시공된 천장을 지나 공기에 전달되어 들리는 것보다 윗집의 옆집에서 낸 소리가 벽을 타고 서라운드로 울리며 사람의 귀 가까이서 들리는거나 크게 다르지 않다. 오히려 더 클 수도 있다. 게다가 일반적인 공기를 통해 전해지는 소리의 경우 방음재에 의한 차음 효과가 크나, 아이들이 뛰는 소음, 바닥에 뭔가 떨어지는 충격음의 경우 방음재에 의한 효과가 떨어지기 때문에 아무리 방음재 시공을 잘해도 층간소음에 의한 피해는 계속된다. 더불어 난방 때문에 단열재까지 들어가는 슬라브와 외부벽체와 달리 아파트의 내부벽체는 배선이나 배관 제외하면 통짜로 철근 콘크리트다. 인터폰 등의 전기 배선을 위한 수직배관을 타고 소음이 들리는 사례도 있고, 실제 윗집의 옆집에 의한 층간소음에 시달리는 등의 사례도 찾아보면 어렵지 않게 찾을 수 있다. 층간소음 들린다고 단순하게 윗집의 잘못으로 볼 문제는 아니라는 것은 알아두어야 한다.

이러한 층간소음 문제를 해결하기 위해 구조기준 상 100~120mm 정도면 충분한 슬래브 두께를 주거공간에서 150mm에서 210mm 늘리는 등 여러가지 대책을 내놓았으나, 딱히 효과는 보지 못하였다. 현재는 구조적으로 이를 해결하기 위해 기존의 솔리드 슬래브 대신 중간에 공극이 있는 중공 슬래브를 사용하는 공법이나, 기존의 전단벽식 구조 대신 모멘트-골조를 사용하는 대안이 제시되고 있다. 하지만 이러한 방법은 필연적으로 슬래브가 두꺼워지거나, 이와 함께 두꺼워진 보 때문에 층고를 늘려야하는 등 층고에 따른 층수 확보가 민감한 아파트에서는 실질적으로 적용이 불가능하여 아직도 구조적으로 뚜렷한 해결책은 없는 상황이다.

 

철콘의 속설

 

녹은 그 자체로 철근 표면을 거칠게 만들기에, 녹슨 철근은 녹슬지 않은 철근보다 콘크리트와 사이에서 부착강도가 높아진다. 부착강도는 콘크리트와 철근의 완전부착이라는 설계의 전제조건 충족을 위해 매우 중요하다. 시공 전에 철근 표면에 어느정도 녹이 슬었다 해도 이를 굳이 제거하지 않고 시공하는 이유이다. 이러한 철근은 콘크리트 내부에서 공기유입이 차단되고 시멘트의 알칼리 성분으로 산화방지 피막이 형성되어 더 이상 부식이 진행되지 않는다. 강구조에서 고력볼트 접합시에 접합면에 생긴 녹을 굳이 제거하지 않는 이유도 고력볼트 접합법의 기본 원리인 부재간 마찰력을 높이기 위함이다. 가끔씩 녹이 슨 철근을 건축에 사용하는 것 자체를 부정적으로 보는 시선이 왕왕 있는데, 이를 그대로 쓴다고 바로 문제가 되는 것이 아니라 부식이 현저히 진행하여 더 이상 내력을 발휘 할 수 없을 경우만 문제가 된다.

일반인들은 건축 시 철근을 줄이는 것을 부실공사로 보는 경향이 있다. 위에 서술한 연성파괴는 콘크리트의 인장강도가 철근 보다 2배정도 더 버티도록 유도하기 위해 최대 철근량을 제한하고 있다. 따라서 무작정 많은 양의 철근을 넣을 수 없다. 반대로 철근을 너무 많이 빼면 당연히 문제겠지만, 적절하게 빼면 휨강도를 조금 손해보더라도 연성설계가 유도되어 더 안전한 건물을 지을 수 있게 된다. 건물이 단단한 것이 중요한게 아니라 그 거주자의 안전성을 확보해야 한다는 것이 현재 철근 콘크리트 구조 설계 경향이다. 문제가 되는 것은 현장에서 다른 목적을 가지고 철근을 임의로 줄여버리는 것인데 상술 하였듯이 6층 이하 건물은 구조설계가 건축구조기술사가 아닌 건축사들에 의하므로 이를 제지할 방법이 많지 않다. 이미 타설된 콘크리트 내부에 철근이 제대로 박혀 있는지 판단하는 방법은 매우 번거로워서 구조진단 받아야 할 정도가 아니라면 밝혀내기 어렵기 때문이다.

철근 콘크리트로 만든 집이 새집증후군이 많다는 오해가 많은데, 원인은 철근 콘크리트가 아니라 집 벽이나 여러 인테리어 과정에 쓰인 재료나 접착제에서 나오는 포름알데히드가 원인이다. 김병만은 한글주택 관련 책자에서 나무로 만든 집은 각종 화학첨가제가 많은데 콘크리트는 아니라고 책으로 썼는데, 이에 대하여 건축가들도 반응이 극과 극이다. 땅콩집으로 유명한 건축가 이현욱은 나무도 저가를 고집하다보니 첨가제가 들어가는 건 사실이지만, 그렇다고 콘크리트는 아니라고 하는 건 완전한 엉터리라고 반응하며 집을 지을 때 인부들이 입은 걸 보면 알 수 있다고 반론했다. 집 디자인이 꽤나 독특하여 화제가 된 건축가 문훈도 "집을 지을 때 보면 콘크리트 관련 집을 짓던 인부들은 온갖 피부병에 노출되어 있던 걸 많이 보았는데 목재 집은 그리 없었다."고 반응했다.

그런데 사실 건축재료에 관한 문제는 건축가들이 왈가왈부할 게 아니라 건축공학이나 재료공학, 실내환경 전문가들의 영역이다. 더불어 이 사람들이 말하고 있는 현상은 애초에 시멘트의 특성이다. 자세한 내용은 해당 문서 참조. 시멘트는 물과 섞이면서 수화생성물로 수산화칼슘을 생성하는데 이는 강알칼리성을 띤다. 피부에 묻으면 땀과 섞일 경우 당연히 해롭다. pH 11~13 수준의 강알칼리성 물질이 피부에 달라붙으면 당연히 단백질을 용해하고, 시멘트 분말이 안구에 들어갈 경우 큰 피해를 줄 수 있다. 분말 형태의 시멘트는 풀풀 날리기 일쑤이며, 이 날린 가루가 땀에 젖어 있는 인부의 온몸에 달라붙는데 피부가 멀쩡할 리 없다. 새집증후군과는 다른 문제다. 이처럼 콘크리트 시공시에는 당연하게도 시멘트 분말이 날리고 거기에 첨가된 혼화재(플라이 애쉬, 실리카 퓸 등), 혼화제(AE제, 유동화제, 감수제, 착색제 등) 역시 배합 시 비산할 수 있다. 그런데 어디까지나 시공 시 문제지 양생 후 문제가 아니다. 경화된 콘크리트에서 배합시 들어간 화학물질이 균열이나 파괴 등 특별한 사유 없이 마감 처리된 실내로 흘러 나온다는 것은 재료적 특성상 있을 수 없는 일이다.

더불어 앞서 짧게 언급했지만, 애초에 새집증후군은 건물의 뼈대 재료와는 무관하다. 새집증후군의 문제로 지적되는 포름알데히드는 주로 접착제나, 공사후 남은 먼지등이 원인인데, 애초에 이것들은 목조가 되었든 철근 콘크리트가 되었든, 건물 골조(뼈대)에서 배출되는 것들이 아니라 실내에 장식되는 최종 마감재가 휘발성 유기화합물(VOC, Volatile Organic Compound)의 배출 기준을 충족하여 생산된 것인지 아닌지, 혹은 창문 틈새에 쓰인 우레탄 폼이 환경기준을 충족했는지 등에 의해서 배출여부가 결정된다. 주로 장식으로 설치된 몰딩이나 걸레받이나 내부에 설치된 합판등이 화학물질 배출기준도 충족치 못하는 저가의 수입산일 경우이거나, 건축자재의 파편이나 먼지들이 제대로 청소되지 않은 경우, 혹은 타일이나 벽지에 바르는 접착제나 창호에 기밀성을 위해 도포한 폼이 친환경제품이 아닐 경우이다. 근 10년간 국내에서는 건축자재 규제가 심해져서 친환경제품이 아닌 접착제는 건축현장에서 거의 사용되지 못하고 있기 때문에 보통은 다른 재료에서 문제가 터져나오는 경우가 많다. 국내에서 목조주택을 알러지나 아토피 등의 면역계 질환에 좋다는 잘못된 정보가 퍼져나갔는데, 목조주택의 종류도 한두가지도 아닐 뿐더러, 목재의 자정작용은 생나무가 실내로 노출되어야 얻을 수 있는 이점이므로 경량목 구조는 여기에 거의 해당사항이 없고(설계상 의도적으로 뼈대를 노출시킨 경우가 아니라면), 팀버프레임이나 통나무주택(Loghouse)등에 해당한다.

결론적으로 위에 언급된 김병만을 포함한 건축가들의 의견충돌이 전부 잘 모르는 사람들끼리 장님 코끼리 만지듯이 대화한 것에 지나지 않는다. 한국에서 건축가는 설계의 전문가지 재료, 건축공학적인 전문가가 아니다. 건축가를 철근 콘크리트 등 건축 다방면의 전문가로 아는 경향이 많은데, 유독 한국에서 설계자와 공학자의 역할 구분이 명확하게 나뉜다는 점을 알아두어야 한다. 북미나 선진국에서 설계사들도 구조공학과 재료공학을 반영하여 도면을 제출하는 것이 제도화된데 비해, 한국에서는 서로 배우는 것도 다르고 아는 것도 다르고 하는 일도 다르다.

이게 얼마나 다른지 잘 모르겠다면, 단적으로 건축가를 키워내는 건축학과는 일반적으로 물리와 화학을 배우지 않는다! 물리를 안 배우는데 역학을 배울 리도 만무하고. 사실상 건축학과는 공과계열보다는 미학계열에 가깝다. 한마디로 건물을 미적으로 수려하게 만들고, 실사용시 편하도록 건물을 디자인하는 게 목적인 학문. 대조적으로 건축공학과는 물리/화학을 배우고 역학 역시 제대로 배운다. 많은 다른 국가들이 토목공학과에서 건축공학과 일도 하는 것에 반해 한국과 일본은 건축공학과 토목공학이 나뉘어 있으므로 건축공학과 학생들은 더 건축의 이학적 특성에 대해 전문적으로 배운다.

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