1월11∼12일 1m가 넘는 눈이 내려 백 년만의 ‘눈폭탄’을 맞은 강원 영동지역. 14일 까지 강원도가 잠정 집계한 농축산물 피해현황 중 강릉시내 비닐하우스만 해도 230채(8만 25㎡)가 폭설을 견디지 못해 무너지는 등 총 310채(10만 8,578㎡)의 비닐하우스가 파손돼 약 31억 3,000만 원의 피해가 발생한 것으로 나타났다. 이처럼 비닐하우스는 농축산가에 꼭 필요한 구조물이지만 강풍이나 폭설에는 속수무책이어서 이에 대한 보강법이 시급하다.

중국 쓰촨성 지진 이후, 한 조사에서 국내의 초·중·고등학교 건축물의 경우 내진설계가 이루어진 건축물이 전체 학교건축물의 14%에 불과하다는 결과가 나왔다. 학교건축물의 경우 유사시의 공동피난시설로 이용될 수 있는 공간으로 지진에 대한 충분한 내력이 필요한 건축물 중에 하나이다. 이에 교육과학기술부가 주도해 여러 건의 학교건축물 내진보강 프로젝트가 진행되고 있으나 보강기술력이 부족한 업체 등의 참여로 인해 보강경비만 증가하고 보강효과도 검증되지 않은 보강법등이 적용되고 있는 실정이다.

또한, 최근 기상이변에 의한 한반도의 기습폭설과 한파로 인한 농촌시설물의 붕괴피해사례가 증가하고 있다. 특히, 우리나라의 겨울철 농작물 재배의 기본시설인 비닐하우스는 전문가의 구조적인 성능검토 없이 농가의 경험에 의해 시공된 형태가 대부분을 차지하고 있다. 이에 정부에서는 설하 중 비닐하우스 구조물 보강에 대한 관심이 증대하고 있는 실정이다. 이러한 가운데 경북대학교 강구조 및 구조동역학 연구실(신경재 지도교수/이하 강구조연구실)이 보다 효율적이고 현실적인 구조물 보강법에 대한 연구를 진행해 오고 있어 귀추가 주목되고 있다.

학교건물의 내진성능평가 및 보강방법 개발

강구조연구실은 신경재 교수가 2005년 경북대학교 건축공학과에 부임하면서 지금의 연구실이 갖추어졌다. 신 교수는 다양한 해석기법 및 구조해석 프로그램을 통해 건축구조의 이해와 새로운 건축구조 시스템의 개발에 주력하며 학생들을 지도해왔으며, 특히 현재 시공되어 사용되고 있는 오래된 건축구조물 및 취약한 구조물의 보강에 대한 지대한 관심으로 다양한 보강법에 대한 연구를 진행해왔다.

이에 강구조연구실은 현재 ▲내진 설계되지 않은 학교건물의 내진성능평가 및 보강방법 개발(교육과학기술부>한국연구재단>기초연구) ▲기상이변 자연재해 극복을 위한 장경 간 초경량 철골구조 농촌시설물 개발과 활용기술(국토해양부&한국건설교통기술평가원>2008년 건설교통 기술연구 개발사업>지역기술혁신사업-호남권) ▲고장력 측정을 위한 측정용 턴버클의 개선 및 표준화 연구(교육과학기술부>한국연구재단>도약연구지원사업) 등 크게 세 가지의 프로젝트를 수행하고 있다.
2003년 말부터 2006년 말까지 3년간 진행된 건설교통부 연구과제인 ‘고장력 인장봉과 인장력 측정 장치를 이용한 건축구조물 보강방법 개발’에서는 철근콘크리트 구조물의 노후화 현상 및 구조물 용도변경에 의한 보수/보강법을 제시했다.

프리스트레스(prestress)를 가한 고장력 인장봉을 이용한 외부 비부착 포스트텐션닝(post-tensioning) 공법은 시공이 간편하고 기존 구조체와의 일체성 및 보강효율이 높은 것으로 알려져 있다. 강구조연구실은 이를 바탕으로 2010년부터 진행된 ‘내진 설계되지 않은 학교건물의 내진성능평가 및 보강방법 개발’ 과제에서 중국의 쓰촨성 지진 이후에 관심이 증대되고 있는 국내의 학교건축물 내진성능평가 및 보강공법의 연구를 진행 중에 있다. 이 연구를 통해 강구조연구실은 현재 사용되고 있는 학교건축물의 비선형동적해석을 통해 내진성능을 평가하고 장/단변 방향으로의 내진보강법을 제시한다는 방침이다.

신 교수는 “지진의 피해가 많은 일본이나 미국 등의 경우에는 X 가새 또는 K 가새 등을 이용한 건축물의 횡보강이 많이 이루어지고 있지만 이 공법들은 개구부의 시야를 가리는 단점이 있어서 지진피해 경험이 적은 국내 일반 사용자들이 느끼는 거부감이 외국에 비해 상대적으로 크다. 이에 강구조연구실은 이런 심리적인 거부감을 배제하면서 건축물과 일체화되는 공법을 개발 중”이라고 연구 과제를 설명했다. 

‘비닐하우스 구조보강 장치’ 특허 등록

비닐하우스는 농가의 겨울철 농작물 재배공간으로 널리 사용되는 시설물이지만 전문가의 구조적인 설계 및 검토 없이 농가의 자가 경험에 의해 시공되어 사용되어온 구조물이기도 하다. 이를 개선하기 위해 농림수산식품부에서는 2017년까지 현재 사용되는 일반형 규격의 파이프를 내재해형(SPVHS) 규격으로의 교체를 목표로 하고 있으나 농가의 경제적 형편이 넉넉지 않은데다가 전면 교체까지의 시간적 여유도 있어 현 구조물의 효과적인 보강법을 제시했다. 하지만 최근에도 경북 포항지역의 폭설로 인해 많은 채소재배시설이 붕괴되어 농가에 커다란 피해를 준 것은 물론 국가적으로도 재정적인 부담이 가중되고 있는 상황이다.

이에 강구조연구실은 2009년부터 ‘기상이변 자연재해 극복을 위한 장경 간 초경량 철골구조 농촌시설물 개발과 활용기술’ 과제에 참여해 농촌시설물 중에 하나인 비닐하우스의 보강법에 대한 연구를 수행하고 있다.

“비닐하우스는 형상이 아치형상이지만 구조적으로 프레임 거동을 하는 구조물이기 때문에 연직하중에 의한 휨모멘트에 대해 저항하게 된다. 하지만 적설량이 20cm 정도 되면 무너지는 시설물이 발생하고, 30cm 적설량이 되면 많은 붕괴피해로 이어진다. 이러한 경우 내부에 임시로 보강을 하면 50cm 이상의 적설량에도 붕괴되지 않고 유지될 수 있다”라고 말한 신 교수는 “이는 직선부재(기둥)의 상단에 폭설 시 임시적으로 인장타이재를 추가해 모멘트에 저항하던 구조체를 축력에 저항하는 타이아치형 구조체로의 단기적인 변화를 유도했기 때문”이라고 부연 설명했다. 이러한 획기적인 임시보강방법은 2010년 12월에 특허명칭 ‘비닐하우스 구조보강 장치’로 등록되기도 했다.

한편, 신 교수는 “강구조연구실이 아직 몇 해 되지 않아 졸업생이 많지는 않지만 그동안 수행한 대학원생들의 연구 활동이나 학회교류를 통해 쌓은 지식 및 경험을 토대로 거점대학으로서 경북대의 위상에 맞는 역할을 다하고 있다. 또한 거점 국립대로서 졸업한 학부생, 대학원생들이 국제적으로 충분히 경쟁력 있는 자격을 갖추도록 최선을 다해 연구하고 공부하면서 더 나은 건축현장의 문화를 이끌려 노력하고 있다”라며 연구실에 대한 포부 및 학생들에 대한 믿음을 숨김없이 드러냈다. 또한 신 교수는 “BK21사업단의 지원과 연구프로젝트의 지원으로 대학원생들의 해외 국제학회 참여 및 외국 저명학자 초대강연 등으로 지방대에서도 다양한 경험을 할 수 있다”라면서 지방 국립대의 활성화를 위한 한마디도 잊지 않았다.