외벽환경

건물은 끊임없이 움직인다.

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멀리서 보는 산은 움직임 없이 곧게 서있는 것 같지만 가까이 가서 보면 모든 것이 끊임없이 움직이고 있다. 

1. MOVEMENT 움직임

건물도 끊임없이 움직인다. 건물 구조 자체의 무게도 건물을 움직이고(1), 구조 위에 놓는 지붕마감, 설비를 위한 기계들도 건물을 움직이고(2), 또한 건물 안에서 사람들과, 물건이 이동하면서 건물의 무게를 이리저리 이동시키면서 움직이고(3). 계절에 따라 눈이나 비가 건물에 쌓이면 그 무게가 건물을 움직이고(4), 태풍과 같은 강한 바람(5), 지진(6)이 건물을 움직이고. 그리고 건물 구조의 재료자체도 시간이 지나면서 움직이고(7), 건물이 놓인 지반의 상태에 따라 움직이고(8), 그리고 온도(9)와 습도(10)에 따라 재료들의 수축과 팽창에 의해 건물이 움직인다.

10가지 건물의 움직임

구체적으로 10가지의 건물의 움직임에 대해 이야기 본다.

2. BUILDING DEFLECTION 건물 변형

구조적으로 건물 바닥은 기둥들이 받쳐서 서있는데 기둥과 기둥 사이의 바닥은 하중으로 인해 가운데 부분이 굴절하게 된다. 원인은 앞에서 말한 (1) 자체 구조의 하중에 의해 (2) 구조 위에 놓이는 설비나 구조위에 놓이는 건축재료의 하중에 의해 (3) 건물사용 시 바닥 위의 사람들이나 가구들에 의한 하중에 의해 (4) 눈이나 비로 인한 물에 의한 하중에 의해 발생하게 된다.

3. DIFFERENTIAL DEFLECTION 다른 변형

위에서 말한 하중들이 위층과 아래층이 똑같은 받는다면 굴절되는 곡선이 비슷해서 위층과 아래층의 변형의 차이가 적게 나올 수 있다. 하지만 일상에서는 각각의 층이 받는 하중이 다르고 이럴 경우 위층 바닥이 변형되는 정도와 아래층 바닥이 변형되는 정도가 더 크게 나올 수 있기 때문이고 이를 Differential Deflection 이라 하고 좀 더 큰 변형이 생길 수 있다.

4. HORIZONTAL MOVEMENTS 수평 움직임

주로 아래나 위로의 움직임은 상대적으로 건물에 적게 영향을 주지만 좌우로의 움직임은 건물에 심각한 문제를 발생시킨다. 대표적으로 바람에 의한 움직임과 지진에 의한 움직임이 있다. 

5. WIND LOADS(5) 바람

긴 막대기 한쪽 끝을 잡고 서 있을 때 가만히 잡고 있기 힘들고 조그마한 흔들림에도 크게 흔들린다. 건물도 결국 지면이라는 한쪽 끝에서 전체를 잡고 서있는 것이다. 건물이 높아질수록 점점 잡고 있기가 힘들고 조그마한 흔들림에도 중심이 좌우로 흔들리기 쉽다. 

그림에서 전체 건물의 변형과 층과 층간의 변형(Inter-Story Drift)의 최대치를 L/400이라고 표시했다. 이는 4m의 층고의 경우 4000mm/400=10mm로서 좌우로 10mm 이상 움직이는지 않도록 구조를 설계하라는 것이다. 

6. SEISMIC LOADS(6) 지진

바람의 경우에는 한 방향으로 오는 힘이라고 한다면 지진의 경우 양쪽으로 흔드는 힘이 적용해서 건물을 더 크게 흔들어 더 큰 피해를 줄 수 있다.

7. INTER-STORY DRIFT 층간 변형 규정

 이래 그래프는 구조체가 하중을 증가해서 결국 부러지는 상태까지를 그래프로 나타낸 것이다. 하중이 Elastic이라고 표시된 부분에 있으면 하중이 증가했다 없어지면 다시 원래 형태 돌아오지만 구조체가 부러지기 전까지 Plastic Deformation이라고 구조체가 부러지지는 않지만 하중이 없어져도 원래 형태로 돌아가지 못하는 구간이 있다. 앞에서 '내력외력'에서 이야기했듯 건물 구조 설계의 기본 콘셉트는 일정시간 동안 구조가 무너지지 않게 설계해서 사람들이 안전히 대피할 수 있는 시간을 버는 것이다. 다시 말해 건물이 부러지지 않는 Plastic Deformation구간까지 하중을 받게 설계를 한다는 것이다. 

구조적으로는 Strength-Level Seismic Load까지 설계해서 Plastic Deformation구간까지 고려하여 설계해서 최대의 효율을 고려하지만 외벽설계 시에는 Service-Level Seismic Load만 결국 형태가 다시 돌아올 수 있는 Elastic구간을 고려하여 설계한다. 앞장에서 말한 물에 대한 대비는 이 구간의 움직임에 하자가 생기지 않도록 해야 한다.

8. CREEP- Long-term Shrinkage(7)

구조가 지속적인 하중을 받을 때 하중을 더 증가시키지 않아도 변형이 증가되는 현상으로 주로 콘크리트, 콘크리트 블록, 나무구조에서 주로 발생하며 건물 구조를 세우고 초기에 많이 발생한다. 

 9. AXIAL SHORTENING- Long-term Shrinkage(7)

층과 층사이에 있는 기둥이 눌려 줄어드는 현상으로 주로 콘크리트 구조 건물에서 더 크게 발생하고 층수가 많은 초고층 건축에서는 고려되어야 한다.

10. DFERENTIAL SETTLEMENT(8)

피사의 사탑이 놓인 지반이 쉽게 말해 한쪽은 딱딱하고 한쪽은 물러서 한쪽으로 기운 것인데, 이런 지반의 상태에 따라 움직임이 다르게 발생해 건물에 영향을 줄 수 있다.

11. COMBINED EFFECTS

실제로 건물에서는 위의 움직임이 복합적으로 작용한다.

12. THERMAL(9)

앞에서 건물의 움직임을 이야기했는데 건물 외벽 자체에서도 움직임이 발생한다.

외벽은 극한 외기의 온도에 대응해야 하기에 온도의 변화에 의해 외벽 재료 자체가 움직임이 발행하는 것을 고려해야 한다. 

커튼월에 사용되는 알루미늄은 라임스톤보다 온도에 따라 4배 더 늘어나거나 줄어든다.

외부의 온도를 내부로 들어오지 않게 알루미늄 프레임을 외부와 내부에 만나는 곳에 Thermal Break라는 플라스틱 물질로 끊어주는데 이럴 경우 외부에 있는 알루미늄과 내부의 알루미늄의 팽창 수축정도가 달라져 문제가 생길 수도 있다.

13. MOISTURE(10)

외벽의 재료자체가 흡수하는 수분 정도에 따라 팽창하는 정도가 달라져 움직임이 팽창과 수축에 의해 건물 외벽에 문제를 일으킬 수 있다.

14. 마무리

건축 외벽을 설계하는 건축가로서 이 모든 것을 계산하고 숫자를 넣을 필요는 없다. 컨설턴트들과 이야기를 해서 최소한으로 제공해야 하는 외벽 시스템 간의 간격을 알고 그에 기반에서 설계를 하게 된다. 일반적으로 건축가는 초기에 미적인 요소를 생각해 이러한 간격을 최소로 하려 하지만 위의 상황에 의해 점점 커지게 된다.

중요한 것은 

외벽은 항상 움직이고 움직임을 고려해서 외벽 디자인을 해야 한다는 것이다.