무량판 구조의 종류부터 장단점, 문제점, 그리고 사고사례에 관하여 알아보는 시간을 가지겠습니다. 22년 1월 11일 광주광역시 서구 화정동에 위치한 현대산업개발이 건설한 아이파크 39층의 초고층 건설공사 현장에서 콘크리트 타설 중에 대형 참사가 발생한것이다. 사실 이때까지만 하더라도 이런 사고가 요즘 시대에 일어난다는게 말이되나 싶을 정도로 심각성을 인지하지 못했다. 하지만 현재에 일어나고 있는 비극의 시작일지도 모른다는 생각이 든다.
몇일이 지나지 않았지만 지난달이다. 23년 7월 30일 오후 원희룡 국토부장관과 이한준 LH 사장은 고개를 숙였다. LH서울지역본부에서 열린 공공주택 긴급안전점검 회의에서 서민의 주거를 담당하는 LH가 철근누락등에 관해서 사과한것이다.
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철근 누락이라고??? 이게 말인가 방구인가… 단순 저 단어의 의미만 봐도 끔찍한 단어인데 그렇다면 이것이 얼마나 심각성이 있는지 확인해보아야 겠다.
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1. 무량판 구조 총정리
1-1 무량판 구조란?
- 무량판 구조는 건축구조의 한 방식으로, 없을 무(無)에 대들보 량(梁)을 씁니다. 기둥에 슬래브를 바로 연결된 바닥 구조물이며, 보(beam)나 거더(girder)의 수평 부재가 없습니다. 축하중에 의한 구조 지지 방식을 뜻합니다. 이런 방식은 교량을 만들때 자주 사용되던 방식이였지만 이제는 건물을 지을 때도 널리 사용되는 방식입니다. 슬래브는 콘크리트 바닥을 말하는데, 슬래브의 무게가 기둥을 통해 지반으로 하중이 전달되어 내려가도록 설계되어 있습니다. 쉽게 설명하여 말풀이 그대로 해보면 대들보가 없는 구조입니다. 집에 가장이 없는 구조라고 너무 가버리시면 곤란합니다;;;
1-2 무량판 구조의 종류
단순 무량판 구조 (Simple flat slab)
단순 무량판 구조는 기둥 상단에 덧대는 형식의 보강을 하지 않고 단순한 기둥으로 지지합니다. 시공비가 낮다는 장점이 있으며, 공사의 기간도 짧습니다. 이런 단순 무량판 구조의 설계는 기둥과 기둥사이의 거리가 6m ~ 9m의 간격을 주는것이 바람직합니다.
드롭패널 구조 (Drop panel)
기둥 상단 부분에 보강을 댓댄 형식을 갖춘 부분이 트롭패널이라고 합니다. 이러한 드롭 패널 설계는 평판 슬래브의 펀칭 전단 저항을 크게 향상시킬 수 있습니다. 드롭패널이 설계된 슬래브는 슬래브와 기둥의 연결부에 휨모멘트 저항성을 높여 안전도를 향상시키고 처짐을 크게 줄이면서 슬래브의 전체 강성을 향상시킵니다.
칼럼헤드 구조 (Column head)
칼럼헤드는 구조물에서 기둥의 윗부분이 확장되는 장치입니다. 칼럼헤드를 구현하기 위해서는 기둥의 양쪽 면에 경사를 준채 콘크리트를 타설해야하기 때문에 거푸집 시공이 가장 고난이도를 보이고 있습니다. 칼럽헤드는 무량판 구조에서 하중의 분산으로 전단파괴를 방지하는 가장 효과적인 구조입니다.
1-3 무량판 구조의 문제점
무량판 구조를 설계할 때 중요도가 높은 사항은 핀칭 전단 파괴입니다. 극심한 국부 전단응력으로 인해 파손될 염려가 있습니다. 이러한 파괴는 기둥의 바닥 또는 슬래브와 기둥이 맞닿아 있는 부분에서 자주 발생합니다.
펀칭 전단 파괴는 하중이 가해지는 곳에서 자주 발생하며 모든 부분에 균일로 슬래브가 파괴됩니다. 그렇기에 붕괴를 유발하는 주요원인을 제어하기 위해서 안전조치가 충실한 설계를 하셔야 합니다. 맨 처음 언급한 단순 무량판은 단기간 저비용이라는 장점이 있지만 반대로 사고의 위험은 높아지기 때문입니다. 그렇다고 해서 무량판 구조가 모두 나쁘다는 것은 아닙니다. 붕괴가 잦은것은 사실이나, 시공 자체가 잘못 된 것이지 구조적으로는 전혀 문제가 없습니다. 시공능력과 설계비용의 투명함이 중요한 부분을 차지합니다. 썩은 고인물로 인하여 안좋은 사례를 자주 접합니다.
- 기둥에 컬럼헤드 혹은 드롭 패널을 추가합니다.
- 기둥의 직경을 늘려 전단 응력을 감소시킬 수 있습니다.
- 기둥과 슬래브 연결부에 전단 보강을 제공하여 슬래브의 펀칭 전단 저항을 향상시킵니다.
2. 무량판 구조의 장단점
2-1 무량판 구조의 장점
- 보 거푸집 공사가 줄어들어 시공 기간이 단축됩니다. 이것은 비용과의 아주 밀접한 관계가 있기도 합니다.
- 설계자는 벽의 제약을 받지 않기 때문에 구조상의 넓은 시야를 제공할 수 있습니다. 구조체의 세부사항도 간략해지며, 건축물의 골조에 영향을 주지 않고 쉽게 평면배치를 변경하는 장점이 있습니다.
- 라멘구조에서는 보와 슬래브를 합친 두께가 무량판 구조의 슬래브 두께보다 큽니다. 층의 수직 요소의 길이가 짧아지면 건축물의 전체 높이가 줄어들고 그 결과 건물의 자체 무게가 감소합니다. 전체 높이가 줄어들고 자체 중량이 감소하면 개발 비용을 크게 줄일 수 있기 때문에 고층 건물이 이 기술을 자주 사용합니다.
- 무량판 구조는 대들보가 없기 때문에 전기 및 설비배관 등의 작업을 위해 케이블을 구부리거나 보를 관통할 필요가 없습니다. 에어컨 덕트, 화재진압 덕트, 전기 덕트 등을 보다 손쉽게 설치할 수 있습니다.
- 무량판 구조는 방해되는 구조물이 없기 때문에 내부 전체가 개방감이 있어 미관에도 좋습니다. 대부분의 강당은 빛과 소리가 최대한 멀리 퍼질 수 있도록 무량판 설계가 자주 사용됩니다.
2-2 무량판 구조의 단점
- 라멘구조에 사용되는 슬래브에 비해 무량판 구조의 슬래브는 두께가 훨씬 더 두껍습니다. 따라서, 슬래브의 철근량과 콘크리트량이 증가합니다.
공동주택 바닥충격음 차단구조 인정 및 관리기준
– 라면 구조 :150mm
– 무량판 구조 : 180mm
- 기둥과 기둥사이의 거리가 넓을 수록 휨모멘트와 전단력이 커집니다. 이런 문제를 해결하려면 드롭 패널과 기둥의 직경을 넓게 해야합니다.
- 풍하중, 지진하중 등으로 인한 수평하중을 견디는데 푸량판 구조는 매우 취약합니다. 내진 성능의 확보를 위해 추가적인 전단철근 배근 등의 비용이 발생할 수 있습니다.
서울 여의도의 파크원은 우리나라에서 세번째로 높은 건물입니다. 파크원을 디자인한 리차드 로저스는 최신 공학 기술로 “하이테크” 건축의 대가입니다. 외관의 빨간색은 지진에 대비하기 위하여 덧댄 내진 성능을 높이기 위한 시공법입니다. 건물 외부 모서리에 8개의 대형 기둥(Mega Column)과 서로 연결해주는 대형 버팀대의 조립식 구조입니다. 이를 구현하기 위해서 시공사인 포스코건설은 프리미엄 철강재를 사용했습니다. 전체 철강재 63,000톤 중에서 약 70%에 해당하는 43,000톤을 고강도 특성을 가진 ‘TMCP(Thermo-Mechanical Control Process, 열처리 제어공정)’강을 썻습니다.
3. 무량판구조 사고 사례
3-1 삼풍백화점 붕괴
1995년 6월 29일, 대한민국 수도 서울에서 삼풍백화점이 구조적 결함으로 인하여 붕괴되었습니다. 조사결과, 이 건물은 “무량판 구조”라는 기술을 적용하였는데 구청장부터 고위 공무원, 건설업체 등 비리의 온상이였습니다. 건물을 조사한 결과 설치된 콘크리트 기둥의 직경이 설계도에 표시된 80cm에 못미치는 60cm에 불과했습니다. 더 심각한 문제는 기둥의 철근의 갯수가 필요한 16개였지만 무너진 잔해에서 발견된 기둥의 철근은 8개에 불과해 건물이 견디기 위한 강도가 기준의 절반이였습니다. 이 뿐만이 아니라 콘크리트 바닥을 강화하기 위한 철근이 5cm가 아닌 10cm 윗쪽에 배치되어 구조물의 강도는 20%나 더 떨어졌습니다.
또한 화재가 층간으로 확산되는 것을 방지하기 위한 모든 에스컬레이터 주변에 방확별을 설치했지만, 박화벽을 설치하기 위해 지지 기둥을 절단하며 지름을 더욱 줄이게됩니다. 직경이 줄어들면 하중이 슬래브의 더 작은 면적에 집중되기 때문에, 결국 슬래브에 구멍이 뚤리는 결과를 초래한 것입니다. 이러한 요인과 함께 레스토랑과 무거운 식당장비 추가되면서 결국 건물은 하중을 이기지 못하고 무너지게 됩니다.
조사관들은 조사를 통하여 “트리거”라고 알려진 붕괴의 결정적인 원인으 찾아냅니다. 건물이 무너지기 2년 전, 건물 동쪽에서 이웃의 소음 민원으로 옥상에 있던 에어컨 세 대가 옮겨졌다는 사실을 알아냈습니다. 건물 관리자는 크레인으로 옮기는 대신 롤러에 올려 지붕을 가로질러 끌고 다니면서 각 유닛의 엄청난 무게로 인해 표면이 더욱 불안정해진것입니다.
지붕 슬래브와 주요 기둥에 균열이 발생하며 건물의 하부에 하중이 더욱 쏠리게 되었고, 기둥은 레스토랑이 있는 5층과 연결된 위치에 균열이 발생하면서 결정적인 타격을 입게 됩니다. 생존자들의 증언에서 에어컨을 켤 때마다 균열을 통해 진동이 전달되어 2년 동안 지지 기둥에 도달하면서 균열이 넓어졌다고 합니다. 참사 당일, 에어컨을 차단했지만 이미 너무 늦어 구조물이 돌이킬 수 없는 손상을 입었고 기둥 주변의 5층 슬래브가 마침내 무너지고 말았습니다.
3-2 광주 아이파크 붕괴
광주광역시 서구 화정동에 위치한 현대산업개발 아이파크 39층 초고층 건설공사 현장에서 콘크리트 타설중에 붕괴 참사가 발생했습니다. 분양 당시 분양가는 1,600만원을 호가해 광주 지역내 대장 아파트로 불리우던 곳이지만 붕괴사고로 인해서 프리미엄은 고사하고 내집마련의 꿈을 가지던 분양자들 조차 불안에 떨었습니다. 현대산업이 빠른시간에 철거 후 재시공을 발표하면서 일단락되긴 하였지만 그 불안감을 씻어내기에는 오랜 시간이 필요해보입니다.
3-3 인천 검단신도시 자이 붕괴
2023년 4월 29일 인천광역시 서구 원당동의 검단신도시 안단테 자이 아파트입니다. 신축 현장에서 지하주차장 1층 지붕층인 놀이터 예정 지점과 지하주차장 2층의 지붕층이 연쇄적으로 붕괴되어 무너져내린 사고가 발생했습니다. 시공사는 GS건설 컨소시엄으로 다행히 인명피해가 없었습니다. 입주예정자들은 LH와 GS건설 측이 사고를 쉬쉬하고 은폐하려 했다고 말했다. 이 사고는 발주처나 시행사 측이 아닌 사고 발생 이튿날 공사현장 인근 고층 아파트 주민이 파손된 구조물을 발견하고 언론사에 제보하면서 알려졌다. 그렇다보니 그 여파가 상당히 심했던것으로 판단된다.
검단신도시 안단테는 총 1,666세대로 21년 9월에 공공분양주택으로 분양을 하였다. 23년 12월 입주예정을 앞두고 붕괴사고가 발생하여 자이는 다 지어놓은 아파트를 붕괴후 재시공하겠다고 발표했다. 총 1,666세대인 만큼 그 비용이 1조원에 육박한다는 얘기도 나돈다. 하지만 그 돈 보다 순살자이라는 오명이 GS건설에게는 치명적인 타격으로 전해지지 않을까 싶다.
3-4 ?????
글 처음에 언급했던 원희룡 국토부장관은 고개를 숙였다. 고개를 숙인데는 분명 이유가 있을것이다. 서민의 주거를 책임지는 LH에서 철근을 누락시킨 곳이 전국의 15곳이라고 했다. 곧바로 안전진단점검을 지시했다. 앞서 사고사례로 이야기 했듯이 삼풍백화점도 몇년을 버티어 왔다. 아이파크도 그렇고 GS자이도 그렇고 건축도중 사고가 일어나서 오히려 다행이다. 그곳에 거주하던 사람이 있었다면 정말 끔찍한 사건이 되었을 것이다. 과연 전국의 15개의 아파트 뿐일까? 이런 생각마저 든다. 시간이 갈 수록 콘크리트는 더 단단해진다고 한다. 하지만 철근이 없는 콘크리트는 제 역할을 해내는데 한계가 있을 것이다. 후진국에서나 일어날법한 일들이 1인당 소득 3만달러 시대에 대한민국에서 벌어지고 있다니 웃기지도 않다. 더이상 참사가 일어나지 않기를 바랄뿐이다.
이 글을 마치며
무량판구조는 앞서 말했듯이 붕괴사고가 일어나긴 하지만 구조적으로는 전혀 문제가 없습니다. 시공의 문제로 인한것이지 설계 자체로는 문제가 없다는 점 인지해주시길 바랍니다. 더불어 157미터에 달하며 네이버부동산 호가 기준 150억에 달하는 성수동 서울숲 트리마제도 무량판구조로 건축되었습니다. 안좋은 사례만 언급하여 오해가 있을 수도 있을거라 생각합니다. 긴글 읽어주셔서 감사합니다.