일정한 크기의 삼각형을 반복, 조합하여 원하는 형태로 만든 트러스는 아주 가늘고 작은 부재를 이용해 상당히 큰 구조물을 튼튼하고 합리적이며 경제적으로 만들 수 있도록 도와주고 형태도 다양하게 할 수 있어 사용자 요구 조건에 맞는 맞춤형 설계가 가능하다. 대개 전용 구조계산 프로그램을 사용해 트러스를 제작하는데 공사에 맞는 적정 하중과 태풍, 적설 등의 환경조건을 잘 산정, 적용해야 한다.
글 조종승<리플래시기술㈜ 주택사업부 이사>
글쓴이 조종승 님은 건축사, 시공기술사, 패널라이징 전문가입니다. 연세대학교 건축공학과를 졸업하고 현대산업개발, 건축사사무소 섬 소장으로 근무하다 현재 시설물 유지관리 및 보수 전문회사인 리플래시기술㈜ 이사로 재직중에 있습니다. 031-798-6942 www.refreshsystem.co.kr
패널에 이어서 구조체의 일체화와 강성을 높이는 트러스Truss 공법에 대해 살펴보기로 한다. 여러 가지 도형 중 구조적으로 가장 안정적인 것은 삼각형이다. 그림과 같이 연결 부위인 꼭짓점에 힘을 가하면, 사각형이나 오각형은 꼭짓점 부분이 찌그러지기 쉬우나 삼각형은 변형 없이 잘 버틴다.
현재까지 남아 있는 고대 건축물도 삼각형으로 이뤄진 것들은 외력(특히 지진, 태풍 등의 횡력)에 잘 버티며 오랜 세월 그 형태를 유지하고 있는 것을 알 수 있다. 고대 그리스 건축물은 지진으로 사라지거나 일부만 남아 있는 것이 많지만 이보다 훨씬 오래전 사각뿔 형태로 지어진 피라미드는 큰 변형이나 붕괴 없이 오천 년 이상 원형을 그대로 유지하고 있는 것이 좋은 예라 하겠다.
큰 건축물을 튼튼하고 경제적으로 만드는 트러스 트러스는 일정한 크기의 삼각형을 반복, 조합해 원하는 형태로 만든 구조물이다. 여기서 일정한 크기는 삼각형의 변을 이루는 부재의 재료강도에 따라 좌우된다. 변을 이루는 부재가 강철 등의 튼튼한 재료라면 삼각형의 크기가 커지고, 강철에 비해 강도가 약한 목재 같은 경우는 반대로 작아진다. 물론 절점(꼭짓점)의 연결 방법과 강도도 크기에 영향을 준다. 트러스는 아주 가늘고 작은 부재를 이용해 상당히 큰 구조물을 튼튼하고 합리적이며 경제적으로 만들 수 있도록 도와준다. 더불어 자연 상태의 재료로 만들기 힘든 크기의 구조물을 쉽게 만들 수 있다. 20m가 넘는 목재를 구하기는 쉽지도 않고 그 비용도 만만치 않지만 트러스로 제작하면 24m짜리 목재 스팬Span(지점과 지점 사이의 거리, 경간이라고도 한다)도 어렵지 않게 만들 수 있다. 크기뿐만 아니라 형태도 다양해 사용자 요구 조건에 맞는 맞춤형 설계도 가능하다. 이외에 트러스 장점을 보면 ▲높은 구조 성능을 갖는 경제적인 시스템이며 ▲자연 상태의 단일 부재에 비해 품질이 균일해 일관성 및 신뢰성이 있고 ▲긴 스팬이 가능해 건축 계획에 융통성, 가변성을 줄 수 있으며 ▲향후 내부 칸막이벽 변경이 가능해 지속 가능한(Sustainable) 건축이 되고 ▲바닥 트러스의 경우 중간 부분인 웨브 공간을 이용하면 배선, 배관이 자유로워 후속 작업이 편리하며 ▲배선, 배관이 보에 손상을 줘 건물의 안전을 위협하는 것을 방지하며 ▲부재 면이 넓어(4"×2") 바닥 판재 시공이 매우 용이하다.
트러스 제작은 전용 프로그램 사용 트러스를 제작하기 위해서는 우선 구조계산을 해야 한다. 구조계산은 계산기를 가지고 사람이 직접 해도 되지만 시간을 단축하고 보다 정밀한 계산을 위해 요즘은 대개 전용 구조계산 프로그램을 사용한다. 전용 프로그램에는 목구조 관련 법규와 하중 조건의 검토 사항을 고려한 수식이 입력돼 있어 해당 공사의 실정에 맞는 구체적 수치 등만 입력하면 된다.
여기서 중요한 것은 공사에 맞는 적용 하중과 태풍, 적설 등의 환경조건을 잘 산정, 적용해 전용 프로그램을 합당하게 운용하는 일이다. 이는 자동차 성능 못지않게 운전자의 운전 실력도 중요한 것에 비유할 수 있겠다. 특히 우리나라는 온돌이라는 고유 난방 방식을 위해 바닥 미장이 필수적인데 시멘트 미장의 무게는 두께 1㎝당 약 23㎏/㎡로 계산한다. 두께를 5㎝로 가정하면 제곱미터당 115㎏의 하중이 작용하는 것이다. 여기에 기타 바닥 마감 재료와 구조재의 하중 및 법규에 정해진 적재 하중 등을 더하면 구조계산용 하중은 제곱미터당 약 350㎏ 정도가 된다. 경량 목구조의 원조 격인 북미 지역은 바닥에 카펫 등의 건식 경량마감을 주로 하기에 하중이 제곱미터당 약 220㎏인 것에 비하면 이는 상당한 수치라 하겠다. 이와 같이 구조적으로 안전한 집을 만들기 위해서는 각각의 조건을 고려한 하중 산정과 적용이 매우 중요하다. 현재 우리나라는 자체 개발한 목구조 계산 프로그램이 없어 관련 법규가 유사한 미국 등의 외국 프로그램을 사용한다. 전용 프로그램을 사용하면 트러스의 구조계산 뿐 아니라 트러스를 형성하는 각 부재의 치수, 연결 철판의 크기 및 부재의 절단 경사각이 표시된 제작 도면도 함께 만들어지기에 제품을 빠르고 정확하게 제작할 수 있다. 제작 도면에 따라 절단한 부재의 접합 방법은 이전에는 연결 부위에 합판 등을 덧대고 못으로 고정했으나 연결 강도가 약하고 제작이 번거로워 요즘은 전용 연결 철판을 프레스로 눌러 긴결하는 빠르고 튼튼하고 경제적인 방법을 사용한다. 목재 트러스에 사용하는 연결 철판(Connecting Metal Plate)은 제조 회사마다 규격, 강도, 명칭과 인증 내용이 다르고 구조계산 프로그램과 밀접하게 연계돼 있으므로 프로그램과 연결 철판은 동일회사제품을 사용하는 것이 일반적이다. 트러스의 정확한 제작을 위해서는 부재 절단 전용장비와 연결 철판을 목재에 대고 누르기 위한 프레스를 갖춰야 한다. 또 트러스는 큰 하중을 지탱하는 구조 안전상 중요한 부재이므로 미국은 전용 프로그램으로 계산한 후에도 도면에 전문 기술자의 서명 확인을 의무화 함으로써 안전성에 책임을 지우고 있다.
횡력 받지 않도록 트러스 취급, 설치해야 트러스는 크기(면적)에 비해 두께가 매우 얇은 구조 부재이므로 직각으로 작용하는 힘(횡력)에는 매우 취약하다. 이는 트러스를 일종의 종이판으로 생각하면 쉽게 이해할 수 있다. 따라서 트러스의 취급, 운반, 설치 등의 전 과정에 있어 트러스 면에 횡력이 작용하지 않도록 하는 것이 중요하다. 트러스 면에 직각으로 힘이 가해지면 트러스가 지지하도록 계산된 하중을 충분히 버티지 못할 뿐 아니라 트러스 부재 자체가 변형되거나 파괴될 수도 있어 구조물의 안전에 심각한 영향을 준다. 따라서 미국은 트러스의 제작뿐 아니라 취급, 운반, 설치 등의 과정에도 여러 가지 주의 사항을 규정해 전문 인력의 시공을 유도하고 있다. 트러스를 설치할 때 횡력에 대한 대비를 충분히 하지 않으면 외부의 작은 충격에도 도미노Domino 현상과 같은 연쇄 도괴(Sequencial Collapse) 현상이 자주 발생하므로 각별히 주의해야 한다. 그러므로 일정 크기 이상의 트러스를 설치하는 경우, 트러스와 구조물 전체의 일체성과 강도를 높이기 위해 가새(Bracing)와 밑둥잡이, 버팀대 등의 여러 보강 방법을 적용한다. 이는 트러스가 낱개로 있을 때는 횡력에 매우 취약하지만 일정 개수(5개 정도)의 트러스를 횡 방향 가새와 버팀대 등으로 묶어 지지하면 트러스 집단 자체가 모든 방향의 외력에 대해 효율적이고 경제적으로 대항할 수 있기 때문이다. 또한 이러한 결합 부재가 설치되기 전까지는 트러스가 구조계산 된 하중을 충분히 지탱할 수 없으므로 공사 기간 중 자재의 적치나 하중재하 등에 각별히 유의한다. 경량 목조 건축물은 트러스 윗면에 OSB 판재를 고정하고, 밑면에 석고보드 등의 천장재를 부착함으로써 별도의 추가 부재 없이 트러스를 아래, 윗면에서 고정할 수 있기에 횡력에 효율적으로 저항할 수 있는 구조체를 형성 할 수 있다.
* 트러스에 관한 보다 자세한 사항은 WTCA(Wood Truss Council of America)홈페이지(www.sbcindustry.com 혹은 www.wtcatko.com)를 참조하기 바란다.
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