기초의 종류 - 기초는 어떻게 결정할까?

기초와 종류와 기초를 어떻게 결정하는지 살펴보겠습니다.

기초의 종류

기초는 크게 얕은 기초와 깊은 기초로 구분합니다. 얕은 기초는 상부구조의 하중을 지탱할 수 있는 지반이 비교적 얕은 깊이에 있어서 지반 위에 온통기초나 줄기초를 설치하는 것을 말하는데 직접기초라고도 합니다. 깊은 기초는 상부구조의 하중을 지탱할 수 있는 지반이 깊은 위치에 있어서 기초 밑에 말뚝을 박아 지지하는 것을 말합니다.

기초는 기초 위에서 하중을 실어 나르는 구조체의 형태(기둥, 벽 등) 와 지반의 특성에 따라 다양한 형태로 만들어집니다. 얕은기초(직접기초)를 모양에 따라 구분하면 독립기초, 줄기초, 온통기초(Mat foundation), 복합기초로 구분할 수 있습니다.

독립기초는 원형이나 각형 기둥 하부에 설치해서 기둥을 타고 전달되는 축력을 독립적으로(방석처럼) 지반에 전달하는 기초를 말합니다. 독립기초의 크기는 기둥의 축력을 지지 지반에 넓게 분산할 수 있을 정도의 크기로 만드는데, 대략적인 과정은 다시 살펴보겠습니다.

줄기초는 연속기초라고도 하며, 벽이나 일련의 기둥을 띠모양으로 받치면서 상부 응력을 지반 또는 지정에 전달합니다. 소규모 조적식 건물 등에 주로 사용합니다.

복합기초는 두 개 또는 그 이상의 기둥에서 전달되는 응력을 하나의 기초판 형태로 기초에 전달하는 방식입니다. 건물 외곽에 위치한 기둥을 지지하는 독립기초가 대지 경계선을 넘을 때 주로 사용합니다. 건물 외곽 쪽으로 기초가 확장되지 못하고 반대쪽으로 상대적으로 크게 확장되면서 내부 기초와 연결되는 형태입니다. 이런 방식으로 외곽 기둥과 내부 기둥의 하중을 모아 지반에 균일하게 전달합니다.

온통기초는 상부구조에서 가해지는 응력을 단일기초판으로 모아 지반 또는 지정에 전달하는 방식입니다. 복합기초와 유사하지만 기둥 여러 개와 벽체를 동시에 지지하면서 바닥판 전체를 연결하는 방식으로 만들어집니다.

말뚝기초는 기초가 설치되는 지반의 지내력이 충분하지 못할 때 사용합니다. 말뚝은 견고한 지반에 도달할 수 있도록 충분히 깊게 설치해야 하고, 선단의 지지력뿐 아니라 주변 흙과의 마찰력으로 지지됩니다.
말뚝기초는 기성콘크리트말뚝(PHC 말뚝 등), 강관말뚝, 현장타설 콘크리트말뚝으로 구분할 수 있습니다.

기초의 결정 과정

기초를 결정하는 과정을 대략 살펴보겠습니다.
처음에 해야 할 일은 토질조사결과(토질 주상도)를 확인하는 것입니다. 기초구조물이 설치되는 높이(지하층의 깊이)와 건축물을 지지할 수 있는 단단한 지반의 깊이를 따져보는 것입니다.

만일 기초가 설치될 위치의 지반이 약하다면 구조방식을 강구조로 바꾸어서 무게를 줄이는 것도 가능합니다.

그럼 간단하게 기초 형식을 결정하는 과정을 살펴보겠습니다.

먼저 건축물의 중량을 따져봅니다. 일반적으로 구조방식에 따라 건축물의 중량은 달라집니다. 보통 강구조가 가볍고 철근콘크리트구조가 조금 더 무겁습니다. 최하층은 기초보 등이 있기 때문에 훨씬 더 무겁게 됩니다.

■ 기둥의 구조적 역할
■ 기둥의 크기를 줄이려면?

위 그림에서 볼 수 있는 것처럼 기둥의 가장 기본적인 역할은 상부에서 전달되는 축하중을 기초로 전달하는 것입니다. 통상 인접한 기둥끼리 경간의 절반 정도씩 분할한 영역을 각자 지지하게 되는데 이렇게 전달되는 축력을 합한 값이 P라고 가정해보겠습니다.

이제 토질 주상도를 확인해 보아야 합니다.

■ 토공사 - 지반조사로 무엇을 알 수 있을까?
■ 지반조사 - 보링과 표준 관입 시험

토질주상도를 확인해보고 기초가 설치되는 깊이에 단단한 지반이 있는지 확인합니다. 지내력을 구하는 것은 복잡한 과정이지만 건축물의 구조기준 등에 관한 규칙[별표 8]에서 정하고 있는 지반의 허용지내력은 다음과 같습니다.

(단위 : kN/m²)

지반		장기응력에 대한 허용지내력	단기응력에 대한 허용지내력
경암반	화강암·석록암·편마암·안산암 등의 화성암 및 굳은 역암 등의 암반	4000	각각 장기응력(연속적으로 작용하는 힘에 의한 변형력)에 대한 허용지내력 값의 1.5배로 한다.
연암반	판암·편암 등의 수성암의 암반	2000
	혈암·토단반 등의 암반	1000
자갈		300
자갈과 모래와의 혼합물		200
모래섞인 점토 또는 롬토		150
모래 또는 점토		100

한편, 건축물을 지지할 수 있는 지층으로서 양호한 사질토 지반이라면 장기허용응력도는 통상 N값의 10배 정도 (10 × N kN/m²)로 대략적으로 추정해 볼 수 있습니다. 그래서 만일 지반에 자갈섞인 모래가 분포하고 있고, N값이 30 이상이면 지내력을 300kN/m² 정도로 가정해볼 수 있습니다.

대략적으로 기초가 설치될 지반의 깊이에서 이처럼 단단한 지반이 있다면 독립기초나 온통기초 같은 얕은 기초로 건축물을 충분히 지지할 수 있습니다. 만일 기초가 설치될 깊이의 지층이 성토층으로 구성되어 있고 N값이 작다면 건축물을 지지할 수 없겠죠.

만일 직접기초로 기초를 설치한다고 가정하고 기둥 하나 당 기초축력 P가 3,600kN/개소이라고 가정해보겠습니다. 이것을 지지지반의 지내력인 300kN/m²으로 나누면 12m²의 면적의 기초가 필요해 집니다. 즉 3.3m × 3.3m의 크기로 만들면 독립기초로서 지지할 수 있게 됩니다.

기초 면적 = 기둥의 하중 ÷ 지반의 지내력

만일 기초의 바닥면이 지지층 깊이까지 도달할 수 없다면 문제가 됩니다. 기초에 작용하는 축력을 지지층에 전달해야만 하는데, 건물의 규모가 크지 않다면 기반을 개량하는 방법을 적용할 수 있습니다.

지반 개량은 통상적으로 지반을 원기둥형태로 파서 말뚝이나 벽체처럼 배치하는 식으로 지반을 보강하는 방법을 사용할 수 있습니다. 지반 전체를 보강하는 방법을 쓸 수도 있지만 독립기초나 기둥의 아래쪽 지반을 개량하면 지반개량면적을 줄일 수 있게 됩니다. 그런데 지반개량 깊이가 깊다면 통상 10m 이상 말뚝기초를 고려하게 됩니다.


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