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문제 정의
- 매해 지역에 흙 건축 시공을 위한 사전 실험으로 포항 지역의 흙을 사용한 흙의 기본적인 입도분포와 입도분포의 변화에 따른 강도 변화 실험을 수행하였으며, 이 실험에서는 강도의 변화와 그 거동특성에 주목하였다. 본 실험은 첨가제 없이 흙의 순수한 성질을 간직하며 자체의 실트와 점토의 변화에 따른 비교가 주목적이다.
- 본 연구과제의 일차적인 주목적은 매해 지역의 나무집 건축에 따른 삼림훼손 및 생태환경 문제를 해결하기 위한 대안으로 흙다짐공법을 활용하는 것이다. 아울러서 ‘매해 대상지역의 삶의 질 향상’을 향한 첫 발판으로 샘플하우스 작업을 통하여 흙 건축 기술에 대한 가능성을 현지인들에게 제시하는 것이다.
- 본 연구에서는 태국 매해의 흙 다짐공법을 이용한 경로당 시공을 위하여 포항과 강원도에서 채취한 흙을 가지고 입도분포의 변화에 따른 흙의 기본적인 강도특성을 연구하였으며, 첨가제를 통한 강도증진 연구도 병행하였다. 강도 실험 후 실제 구조물에 대한 시공 사례로서 한동대학교 내에 쉼터를 설계하여 흙 다짐벽 공법에 의해 시공하였다.
- 태국 매해 지역에 실제로 흙 다짐공법에 의한 경로당을 시공하기에 앞서 위와 같은 연구결과를 한동대학교 교내 쉼터 시공에 적용하는 검증 과정을 수행하였다. 이 과정을 통하여 현지에서 발생할 수 있는 문제를 사전에 발견하여 차단하고, 현지인 스스로 지속가능한 주거환경 개선을 이루어 나갈 수 있도록 하는 현지인 대상 흙 건축 교육과정 준비에 그 목적이 있다.
- 매해 지역 흙에 대한 분석은 현지에서 채취해온 소량의 흙을 분석한 실험이다. 이 실험의 의도는 현지 흙의 성질을 시공하기 전에 검토하여 현지에 있는 재료의 안정성과 적합함을 검토하는 것이었다. 이 실험에서는 국내산 흙을 이용한 사전 실험에서 사용하지 않았던 침전법을 사용하여 더 작은 입자의 silt와 clay의 분리를 보다 세심하게 검토하였다.
제안 방법
- 4. 컴퓨터 구조해석을 통하여 실제 쉼터를 모델링하였고 적정 흙다짐 벽의 두께를 35cm 이상으로 산정하였다. 실제 시공에서는 40cm를 적용하였다.
- 55MPa로 최소기준강도를 만족하였다. 5%일 때가 강도기준과 흙의 고유의 색깔을 유지했으므로 실제 한동대 내의 쉼터 및 태국 매해 현지의 경로당 시공에는 5% 비율을 적용하였다.
- 6. 연구 결과를 토대로 학생들과 함께 태국 매해 지역에서 흙과 대나무를 활용하여 마을 경로당을 시공하였다.
- 55MPa로 최소기준강도를 만족하였다. 8%인 경우는 흙의 고유색이 보존되지 않는 것이 확인되었고, 이로 인해 강도 기준은 충족한 5% 석회 첨가비율을 실제 한동대 내의 쉼터 및 태국 매해의 경로당 흙 건축에 사용하는 석회 첨가제 비율로 정하였다. 톱밥을 첨가한 경우에는 강도증진에는 큰 효과가 없었으나 결합력과 자체의 무게를 어느 정도 줄일 수 있었다.
- 각 수준별로 흙 입자의 분포도를 <그림 3>에 나타내었으며 BS 1377과 관련하여 그 입도분포의 관계를 나타내었다. silty-clay가 5%인 경우부터 비율을 10%, 15%, 20%로 순차적으로 늘려가며 그 변화의 양상을 파악하고자 하였다.
- 각 수준별로 흙 입자의 분포도를 에 나타내었으며 BS 1377과 관련하여 그 입도분포의 관계를 나타내었다.
- 본 연구에서는 태국 매해의 흙 다짐공법을 이용한 경로당 시공을 위하여 포항과 강원도에서 채취한 흙을 가지고 입도분포의 변화에 따른 흙의 기본적인 강도특성을 연구하였으며, 첨가제를 통한 강도증진 연구도 병행하였다. 강도 실험 후 실제 구조물에 대한 시공 사례로서 한동대학교 내에 쉼터를 설계하여 흙 다짐벽 공법에 의해 시공하였다. 이와 같은 흙 다짐벽 기술에 대한 연구/실험/국내시공을 통해 매해현장에 흙 건축을 적용하기 위한 기술적 토대를 마련하였다.
- <그림 1>과 같이 지름 100mm, 높이 125mm인 원형 몰드에 3회에 걸쳐 흙을 넣고 수동 다짐기로 각 층마다 25회씩 다짐하였다. 다짐하는 방법은 German standard DIN 18952에 따라 그림과 같이 하였다.
- 5%가 넘으면서 흙 고유의 색을 잃어가는 경향이 나타났다. 또한 결합력을 높이기 위해 톱밥을 사용하여 비교해 보았다.
- 흙의 강도 실험을 통하여 입도분포에 대한 기초적인 자료와 그에 따른 강도 및 거동특성을 파악하였고, 실제로 조성되는 한동대 내의 쉼터 및 태국 매해 현지의 경로당 시공에 적용하기 위하여 강도를 보완하는 적정한 첨가제의 비율을 도출하였다. 또한 구조해석을 통하여 흙다짐 벽의 적정두께를 35cm 이상으로 산정하였으며, 태국 매해 지역 경로당 시공에는 40cm 벽두께를 적용하였다. 매해 현장에 있는 흙을 채취해 흙의 성분과 흙 건축의 적합성을 검토하였으며, 국내 흙을 이용한 흙 강도 실험의 결과를 매해 지역 경로당 시공에 응용하였다.
- 이와 같은 흙 다짐벽 기술에 대한 연구/실험/국내시공을 통해 매해현장에 흙 건축을 적용하기 위한 기술적 토대를 마련하였다. 또한 매해 지역에 있는 흙의 성능을 알기 위해 그 지역에서 채취해온 흙의 입도를 분석하였다. 이러한 재료/구조적인 연구 성과를 적용하여 매해 지역 흙의 배합 및 다짐공법을 연구 개발하였으며, 학생들과 함께 태국 매해에서 지역재료인 흙과 대나무를 활용하여 마을 경로당을 시공하였다.
- 매해 지역에 주거지 환경문제를 해결하기 위해 본 연구에서 제시한 흙과 대나무를 이용한 생태적 건축 공법은 주변에서 쉽게 구할 수 있는 건축 재료를 이용한 건축 공법이었다. 사전 조사를 통하여 흙과 대나무가 주변에 쉽게 재정적 부담 없이 얻을 수 있는 재료임을 확인하였으며, 이 재료들은 경제적/환경적으로 볼 때 지속가능한 생태적 건축을 가능하게 한다.
- 매해 지역에 흙 건축 시공을 위한 사전 실험으로 포항 지역의 흙을 사용한 흙의 기본적인 입도분포와 입도분포의 변화에 따른 강도 변화 실험을 수행하였으며, 이 실험에서는 강도의 변화와 그 거동특성에 주목하였다. 본 실험은 첨가제 없이 흙의 순수한 성질을 간직하며 자체의 실트와 점토의 변화에 따른 비교가 주목적이다.
- 매해 지역의 실제 흙 건축 시공을 위하여 우선적으로 현지답사를 통해 경로당이 들어갈 장소에 대한 위치, 사람들의 생활방식, 건축에 사용할 흙, 그리고 거푸집과 다른 시공에 필요한 재료들을 현지에서 사전에 조사/준비하였으며, 그 자료를 바탕으로 학생들과 같이 설계와 실시도면을 만들고 현지에서 시공할 절차를 계획하였다<;그림 5, 6, 7, 8>.
- 또한 구조해석을 통하여 흙다짐 벽의 적정두께를 35cm 이상으로 산정하였으며, 태국 매해 지역 경로당 시공에는 40cm 벽두께를 적용하였다. 매해 현장에 있는 흙을 채취해 흙의 성분과 흙 건축의 적합성을 검토하였으며, 국내 흙을 이용한 흙 강도 실험의 결과를 매해 지역 경로당 시공에 응용하였다. 각각의 결과를 정리하면 다음과 같다.
- 본 실험에서 사용한 흙의 입도 분포는 <표 4>와 같으며, 흙의 기본적인 입도분포 변화에 따른 강도 실험에서 사용한 것보다 입도 비가 양호한 강원도에서 채취한 흙을 사용하였다. 석회를 첨가제로 선택하여 0-8%의 비율에 따라 실험하였으며, 실험방법은 흙의 기본적인 입도분포 변화에 따른 강도 실험과 동일하게 수행하였다.
- <표 5>와 같이 석회의 양을 0, 2, 5, 8%의 네 수준으로 나누어 각각의 강도변화를 확인하였다. 5%가 넘으면서 흙 고유의 색을 잃어가는 경향이 나타났다.
- 흙벽을 제작함에 있어 사전의 강도실험 결과를 활용하였으며, 구조해석을 통하여 그 가능성을 입증하였다. <그림 4>와 같이 흙 다짐공법에 의한 쉼터를 설계/모델링하고 마이다스프로그램을 통하여 실제 조성 시 가능한 벽두께를 구조해석으로 산정하였다. 하중 산정에 있어서는 포항 지역의 기본풍속인 45m/s 와 설계풍속 48m/s를 고려하여 설계속도압 146kgf/m2로 설정하였고, 지진하중은 마이다스가 제공하는 응답스펙트럼 해석을 적용하였다.
- 위에서 부족했던 강도를 보완하기 위하여 첨가제의 비율을 달리하여 그 적정한 비율을 도출하였다. 본 실험에서 사용한 흙의 입도 분포는 <표 4>와 같으며, 흙의 기본적인 입도분포 변화에 따른 강도 실험에서 사용한 것보다 입도 비가 양호한 강원도에서 채취한 흙을 사용하였다.
- 이 실험의 의도는 현지 흙의 성질을 시공하기 전에 검토하여 현지에 있는 재료의 안정성과 적합함을 검토하는 것이었다. 이 실험에서는 국내산 흙을 이용한 사전 실험에서 사용하지 않았던 침전법을 사용하여 더 작은 입자의 silt와 clay의 분리를 보다 세심하게 검토하였다. 거름체법과 침전법에서 얻은 자료를 가지고 수행한 입도 분석 결과 매해의 입도비가 이상입도비와 거의 흡사한 것으로 나타나 매해 흙의 성분이 흙 다짐벽으로 쓰기 적합한 것으로 확인되었다.
- 또한 매해 지역에 있는 흙의 성능을 알기 위해 그 지역에서 채취해온 흙의 입도를 분석하였다. 이러한 재료/구조적인 연구 성과를 적용하여 매해 지역 흙의 배합 및 다짐공법을 연구 개발하였으며, 학생들과 함께 태국 매해에서 지역재료인 흙과 대나무를 활용하여 마을 경로당을 시공하였다. 이번 연구는 태국 매해 지역만아니라 향후 강도증진 방향의 모색과 더불어 흙 건축 규정에 관한 기초적인 자료로 활용될 수 있을 것이다.
- 이것을 감안하여 흙 10버킷에 물 1/2버킷을 섞었다. 콘크리트 기초위에 다짐공법으로 벽을 만들었으며, 시공된 다짐벽의 수분이 빨리 증발하는 것을 막아 흙이 충분히 양생되도록 비닐을 덥고 일주일간 건조기간을 가졌다<;그림 10>. 거푸집은 길이 2.
- 태국 매해 지역에 실제로 흙 다짐공법에 의한 경로당을 시공하기에 앞서 위와 같은 연구결과를 한동대학교 교내 쉼터 시공에 적용하는 검증 과정을 수행하였다. 이 과정을 통하여 현지에서 발생할 수 있는 문제를 사전에 발견하여 차단하고, 현지인 스스로 지속가능한 주거환경 개선을 이루어 나갈 수 있도록 하는 현지인 대상 흙 건축 교육과정 준비에 그 목적이 있다.
- <그림 4>와 같이 흙 다짐공법에 의한 쉼터를 설계/모델링하고 마이다스프로그램을 통하여 실제 조성 시 가능한 벽두께를 구조해석으로 산정하였다. 하중 산정에 있어서는 포항 지역의 기본풍속인 45m/s 와 설계풍속 48m/s를 고려하여 설계속도압 146kgf/m2로 설정하였고, 지진하중은 마이다스가 제공하는 응답스펙트럼 해석을 적용하였다. 그 결과 벽두께가 35cm 이상인 경우 흙다짐공법 적용이 가능하다고 분석되었으며, 실제 적용은 40cm 로 하였다.
- 흙 다짐벽 기술에 대한 연구/실험/국내시공을 통해 매해 현지에 흙 건축을 적용하기 위한 기술적 토대를 마련하였으며, 연구 결과를 토대로 학생들과 함께 태국 매해 지역에서 흙과 대나무를 활용하여 마을 경로당을 시공하였다.
- 흙 자체의 입도변화를 주기 위하여 에서처럼 0.075 mm 이하의 입자를 4수준으로 나누어 각 수준별로 3개의 공시체를 만들었다.
- 흙벽과 대나무 지붕으로 만들어진 경로당은 본 연구 수행 결과가 적용된 흙다짐 공법으로 벽을 만들었고, 지붕은 현지기술 조사를 통하여 대나무 구조 공법을 적용시켰다<;그림 11, 12>.
- 실제 적용사례로서 한동대학교 내 쉼터를 설계하여 흙 다짐벽 공법에 의해 구조물을 시공하였다. 흙벽을 제작함에 있어 사전의 강도실험 결과를 활용하였으며, 구조해석을 통하여 그 가능성을 입증하였다. <그림 4>와 같이 흙 다짐공법에 의한 쉼터를 설계/모델링하고 마이다스프로그램을 통하여 실제 조성 시 가능한 벽두께를 구조해석으로 산정하였다.
- 흙의 강도 실험을 통하여 입도분포에 대한 기초적인 자료와 그에 따른 강도 및 거동특성을 파악하였고, 실제로 조성되는 한동대 내의 쉼터 및 태국 매해 현지의 경로당 시공에 적용하기 위하여 강도를 보완하는 적정한 첨가제의 비율을 도출하였다. 또한 구조해석을 통하여 흙다짐 벽의 적정두께를 35cm 이상으로 산정하였으며, 태국 매해 지역 경로당 시공에는 40cm 벽두께를 적용하였다.
- 흙의 입도분포에 대한 기초적인 자료와 그에 따른 강도 및 거동특성을 파악하였고, 실제로 조성되는 한동대 내의 쉼터 및 태국 매해의 경로당에 적용하기 위하여 강도를 보완하는 적정한 첨가제 비율을 도출하였다.
대상 데이터
- 본 실험에서 사용한 흙의 입도 분포는 와 같으며, 포항 지역의 H골재회사에서 구할 수 있는 자연 상태 그대로의 흙을 사용하였다.
- 본 실험에서 사용한 흙의 입도 분포는 와 같으며, 흙의 기본적인 입도분포 변화에 따른 강도 실험에서 사용한 것보다 입도 비가 양호한 강원도에서 채취한 흙을 사용하였다.
- 실제 적용사례로서 한동대학교 내 쉼터를 설계하여 흙 다짐벽 공법에 의해 구조물을 시공하였다. 흙벽을 제작함에 있어 사전의 강도실험 결과를 활용하였으며, 구조해석을 통하여 그 가능성을 입증하였다.
- 현지에 시공한 경로당 다짐벽의 흙 배합은 10버킷 흙에 모래 1버킷, 시멘트 2/3버킷 그리고 물 1/2버킷을 이용하였다. 흙은 정상적으로 1m 아래 심토를 사용하여야 하지만, 사정상 표토를 일부 사용하였다.
이론/모형
- KS L 5105에 의거하여, 와 같이 14일의 재령기간을 거쳐 기계식 압축강도실험기기로 압축강도를 측정하였다.
- <그림 1>과 같이 지름 100mm, 높이 125mm인 원형 몰드에 3회에 걸쳐 흙을 넣고 수동 다짐기로 각 층마다 25회씩 다짐하였다. 다짐하는 방법은 German standard DIN 18952에 따라 그림과 같이 하였다. 기준강도에 대한 규정에 따라 재령기간은 14일로 정하였고 물의 비는 9-10%를 유지하였다.
성능/효과
- 1. 흙의 기본적인 입도분포 변화에 따른 강도 실험에서 silty-clay의 비율이 10%가 되었을 때 1.253MPa로 가장 높은 강도를 나타내었다. 하지만 첨가제의 결합 없이 구조체로 쓰이기에는 부족한 강도를 나타내었다.
- 2. 첨가제 추가를 통한 강도 보완 실험에서는 New-Mexico에서 제안한 기준강도의 최소기준을 석회첨가 5%와 8%일때 만족하였다. 8%일 때 가장 큰 1.
- 5. 매해 지역 흙에 대한 적합성 분석에서는 현지에서 채취해온 흙을 분석하여 이상입도비의 비율과 많은 차이가 없음을 확인하였고, 현지 재료에 대한 적합성이 검증되었다.
- New-Mexico에서 제안한 기준강도의 최소기준을 석회첨가 5%와 8%일 때 만족하였다. 8%일 때 가장 큰 1.66MPa가 나왔고 5%일 때도 1.55MPa로 최소기준강도를 만족하였다. 8%인 경우는 흙의 고유색이 보존되지 않는 것이 확인되었고, 이로 인해 강도 기준은 충족한 5% 석회 첨가비율을 실제 한동대 내의 쉼터 및 태국 매해의 경로당 흙 건축에 사용하는 석회 첨가제 비율로 정하였다.
- 각 수준별 강도를 <표 5>에 나타내었다. New-Mexico에서 제안한 기준강도의 최소기준을 석회첨가 5%와 8%일 때 만족하였다. 8%일 때 가장 큰 1.
- 이 실험에서는 국내산 흙을 이용한 사전 실험에서 사용하지 않았던 침전법을 사용하여 더 작은 입자의 silt와 clay의 분리를 보다 세심하게 검토하였다. 거름체법과 침전법에서 얻은 자료를 가지고 수행한 입도 분석 결과 매해의 입도비가 이상입도비와 거의 흡사한 것으로 나타나 매해 흙의 성분이 흙 다짐벽으로 쓰기 적합한 것으로 확인되었다.
- <그림 3>은 입도분석 결과를 그래프로 옮긴 것이며, 그래프에서 점선은 입도분석의 결과를 나타내는 것이다. <그림 3>과 같이 매해의 점토양이 약 21.9%로 확인되었으며, 이상적인 20% 점토 양에 비해 조금 높으나 좋은 흙의 성분으로 충분히 받아 드릴 수 있는 수준이다.
- 하중 산정에 있어서는 포항 지역의 기본풍속인 45m/s 와 설계풍속 48m/s를 고려하여 설계속도압 146kgf/m2로 설정하였고, 지진하중은 마이다스가 제공하는 응답스펙트럼 해석을 적용하였다. 그 결과 벽두께가 35cm 이상인 경우 흙다짐공법 적용이 가능하다고 분석되었으며, 실제 적용은 40cm 로 하였다. 이 경우 인장응력은 발생하지 않았으며, 상단부의 최대 변위는 3.
- 한동대학교에서는 학부생들의 봉사학습(Service Learning)을 통하여 이와 같은 개발도상국들을 돕기 위한 Global Engagement and Mobilization(GEM) 과제들을 지속적으로 수행하고 있으며, GEM 사업의 일환으로 우리는 위와 같은 매해 지역의 주거 문제를 연구주제로 선정하여 사전 현지 조사를 시행하였다. 그 결과 흙과 대나무가 그 지역에서 저렴하고 쉽게 구할 수 있는 건축 재료로서 지속가능한 생태적 재료라고 판단하였다. 이와 같이 ‘흙과 대나무를 이용한 건축’을 그 해결책으로 삼은 이유는 위에서 설명한 장점들 외에도 흙은 단열, 보온, 그리고 습도 조절 능력이 뛰어나며, 대나무를 이용한 다양한 기술이 이미 현지에 존재하였기 때문이다.
- 이와 같은 실험 결과 매해 지역의 흙은 다짐공법에 적합한 흙으로 확인되었으며, 국내 흙을 이용한 강도 보완 실험에서 확인된 최적 첨가비율인 5% 석회첨가 다짐공법을 이용하여 한동대 교내 쉼터 및 태국 매해 경로당 흙 건축 시공을 수행하였다.
- 하지만 첨가제의 결합 없이 구조체로 쓰이기에는 부족한 강도를 나타내었다. 점토 성분이 많을수록 강한 결합력을 나타내었지만 실트성분이 함께 늘어남으로 강도의 증가는 없는 것으로 나타났다. 하지만 각 수준별 거동 특성을 비교한 결과 silty-clay 성분이 증가함에 따라 연성이 증가함을 보였다.
- 한편 점토 성분이 많을수록 강한 결합력을 나타내지만 실트성분이 함께 늘어남으로 강도의 증가는 없는 것으로 평가되었다. 하지만 각 수준별 거동 특성을 비교한 결과 silty-clay 성분이 증가함에 따라 연성 (Ductility)이 증가함을 보였다. 이는 silty-clay 성분이 높은 경우 첨가제를 이용해 강도를 높인다면 건축 재료로써 더욱 적합할 것이라 여겨진다.
후속연구
- 사전 조사를 통하여 흙과 대나무가 주변에 쉽게 재정적 부담 없이 얻을 수 있는 재료임을 확인하였으며, 이 재료들은 경제적/환경적으로 볼 때 지속가능한 생태적 건축을 가능하게 한다. 본 연구 결과가 앞으로 흙 건축 규정을 만들어 가는데 도움이 되길 바라는 바이다.
- 이러한 재료/구조적인 연구 성과를 적용하여 매해 지역 흙의 배합 및 다짐공법을 연구 개발하였으며, 학생들과 함께 태국 매해에서 지역재료인 흙과 대나무를 활용하여 마을 경로당을 시공하였다. 이번 연구는 태국 매해 지역만아니라 향후 강도증진 방향의 모색과 더불어 흙 건축 규정에 관한 기초적인 자료로 활용될 수 있을 것이다.
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