목조주택의 구조 설계 및 시공관리 Ⅰ

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주택은 그 내부에 사람이 거주하는 공간이며 거주자들의 생명과 재산으로 보존하는 가장 가치 있는 자산이라고 불 수 있기 때문에 안전의 확보 문제는 아무리 강조하여도 지나치지 않다. 따라서 주택의 설계 및 시공자는 주택 거주자의 생명과 재산을 지킨다는 자부심과 함께 책임을 느껴야 하며 자신이 설계하고 시공하는 주택의 안전을 확실히 보장하기 위하여 최선의 노력을 기울여야 할 것이다.
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■ 연재순서
1. 한국형 목조주택에 대한 연구
2. 목조 주택의 구조 설계 및 시공 관리 Ⅰ,Ⅱ
3. 국산 목조주택의 표준 모델

경골목조건축 공법은 약 1백50년 전에 미국에서 개발되어 수많은 시행착오와 연구를 거치면서 발전되어 온 공법이다.

초기에는 양질의 목재를 원목형태로 이용한 통나무 건축이 주를 이루었으나 사회가 안정되고 점차 목재가공 기술과 기계가 발전되면서 보다 많은 양의 주택을 경제적인 가격으로 지을 수 있는 대책이 필요하게 되었다.

이러한 목적을 위하여 개발된 것이 경골목조건축 공법으로 이는 목재의 가공기술 발전과 함께 철 못의 대량 생산에 의하여 점차 일반화되어 왔다.

사용되는 자재나 시공 방법도 모든 것이 표준화되었으며 간단한 도표나 쉽게 기억할 수 있는 형태의 표준화로 누구나 이 공법을 이해하고 적용할 수 있는 수준까지 발전되었다.

이 공법은 우리나라에도 80년대 후반부터 보급되기 시작하였다. 사실 경골목조건축 공법은 전문가들만이 설계 및 시공을 할 수 있도록 전문화된 건축업계에 일종의 혁명과도 같은 의미를 지닌다고 할 수 있다.

왜냐하면 이 공법은 전문가가 아니더라도 누구나 쉽게 이해할 수 있으며 노력을 통하여 쉽게 전문가가 될 수 있도록 표준화가 가장 높은 수준으로 이루어진 공법이기 때문이다.

누구나 표준 공법만 알면 이를 바로 자신의 건축에 적용할 수 있으며 이를 따름으로해서 구조적 안전성까지 자연스럽게 확보할 수 있다.

현재 우리나라에서 이루어지고 있는 목조주택의 설계 및 시공은 주로 몇몇 업체들의 경험에 의존하거나 외국에 설계를 의뢰하고 있는 실정이다.

이는 아직까지 목조주택의 설계에 적용할 수 있는 우리나라의 설계 기준이 없기 때문이며, 국내 실정에 맞는 자료가 없기 때문이라고 할 수 있다.

이러한 문제의 해결을 위하여 현재 건설교통부 및 대한건축학회가 공동으로 목구조설계기준 제정 작업을 하고 있으며, 이 작업에 본 연구의 책임자를 비롯하여 임산 관련 연구자들과 업체들도 함께 참여하고 있다.

목구조설계기준의 제정에 발 맞추어 우리나라에서도 앞으로 목조주택의 건축이 점차 활기를 띠게 될 것으로 생각되며, 이러한 시기에 한국형 목조주택의 표준 모델을 개발하여 업계에 제시하는 것은 매우 중요한 의미를 지닌다고 할 수 있다. 여기서는 목조주택 구조설계의 기본 원리에 대하여 설명하였다.

목조주택의 구조설계

목조주택은 주요 구조부가 목재로 이루어진 주택을 의미한다. 따라서 목조주택에서는 주택에 작용하는 여러 가지 하중들이 주택의 주요 구조부를 구성하는 목재부재들과 목재 접합부를 통하여 전달, 분산 및 지지된다.

목구조는 콘크리트 구조물에 비하여 유연한 구조에 속한다. 다시 말하면 비교적 큰 변형이나 진동을 자체적으로 흡수하는 성질을 가지고 있기 때문에 콘크리트 구조물처럼 어느 순간에 급격하게 무너져 내리는 사태의 발생 가능성이 낮다고 할 수 있다.

비록 목조주택에서는 건축 후 바로 나타나는 변형이 적을지라도 장기적으로 하중이 작용하는 상황과 주변 환경의 온도 및 습도가 변화되면 변형이 서서히 증가하는 크리프(crep)현상을 나타낸다.

따라서 등급과 치수, 함수율 등이 부적절한 목재를 주택의 구조부재로 사용하게 되면 장기하중 하에서의 과도한 변형으로 건축 후 상당 시간이 흐른 다음엔 하자나 과도한 변형 이 발생하는 원인이 될 수 있다.

구조물에 작용하는 하중의 종류, 크기, 방향, 성질 등을 종합하여 각 부재에 작용하는 인장, 압축, 휨 및 전단 응력의 크기를 계산하고 이를 견딜 수 있는 수종, 치수, 및 등급을 결정하게 된다.

이와 같은 구조계산의 적용을 위하여 먼저 구조용 목재의 수종, 등급 및 치수별 강성 및 강도에 대한 정확한 자료가 필요하고 사용되는 목재의 성질을 확인할 수 있는 등급구분 규정과 그 규정의 정확한 적용이 필요하다.

구조용 목재에서 올바른 품질의 확인이 필요한 이유는 바로 이와 같은 구조계산의 적용에 의한 안전의 확보를 위한 것이라고 할 수 있다.

1. 목조주택의 구조 특성

주택이 하중을 지지하는 원리에 따라서 크게 기둥-보 구조(column - beam system)와 상자형 구조(box system)로 구분할 수 있다.

기둥-보 구조는 큰 치수의 기둥과 보로 구성되어 있으며 이들 수평 및 수직부재들이 하중을 지지하거나 전달시키고 기둥과 보사이의 접합부가 수평하중에 의하여 발생하는 휨 모멘트에 대한 저항 능력을 제공한다.

상자형 구조는 벽식구조 (wall system)라고도 하며 특별히 굵은 치수의 기둥이나 보가 없이 바닥, 지붕 및 벽 등의 면이 하중을 지지 또는 전달시키는 기능을 갖는다.

구조물에 작용하는 하중은 크게 수직 하중과 수평 하중으로 분류할 수 있다. 수직하중은 중력의 작용에 의하여 위에서 아래쪽으로 작용하는 하중으로 건물, 사람, 가구, 기구 및 기타 물건의 무게와 눈에 의한 하중 등이 여기에 속한다.

수평하중은 지면과 평행하게 옆으로 작용하는 하중으로서 바람과 지진에 의한 하중을 의미한다. 목조주택은 작용하는 수직하중을 지붕으로부터 벽과 바닥을 거쳐 기초구조로 전달하고 최종적으로 지반에 분산하여 전달시킴으로써 효율적인 수직하중 저항구조를 이룰 수 있다.

수평하중에 대하여는 건물 전체로 보았을 때 마치 하나의 외팔보와 같이 하중을 지지하며 최종적으로 외팔보의 지점에 해당되는 기초 구조에서 모멘트와 수평하중을 지지하고 지반에 분산시키는 수평하중 저항구조를 이루게 된다.

2. 수직하중 저항구조

수직하중은 위에서 아래로 작용하는 하중이므로 건물에서 가장 위쪽의 부재에 작용하는 하중을 먼저 계산하고 점차 아래로 이동시키면서 하중의 크기를 계산하게 된다.

기둥-보 구조에서는 지붕의 작은 수평보 사이를 덮개 재료(sheathing) 또는 갑판(decking)이 덮고 있는데 이들 덮개 재료에 작용하는 하중이 수평보에 전달된다 .

지붕의 작은 수평보로는 서까래(rafter), 장선(joist), 보강재(stiffner), 보조도리(subpulin)등을 들 수 있다. 이 작은 수평보들은 양끝에서 중간 크기의 보에 의하여 지지되는데 들보(beam), 장선(joist), 중도리(purlin) 등이 여기에 속한다.

마지막으로 중간 수평보들은 큰보(girder)에 의하여 지지되며 큰보는 기둥(column)에 의하여 지지를 받는다. 기둥의 하중은 기초구조 또는 지정(footing)으로 전달되고 그 아래의 잡석 다짐을 통하여 지반에 분산된다.

수직하중 저항 구조에서는 덮개 재료가 충분한 강성을 유지하면서 작용하는 하중을 수평부재에 골고루 분산시키는 역할을 수행하여야하고 수평부재는 작용하중에 의한 휨 응력과 전단응력을 견디면서 과도한 변형의 발생 없이 양쪽 끝의 지점에 하중을 전달시켜야 한다.

기둥이나 샛기둥 같은 수직부재는 작용하는 압축 응력을 견뎌야 하며, 옆으로 휘는 좌굴의 발생 없이 하부구조로 하중을 전달하여야 한다. 위깔도리나 밑깔도리와 같은 받침구조는 상부에서 작용하는 하중에 대한 횡지압강도(횡압축강도)가 중요한 고려인자이다.

일반적으로 수직하중 저항구조에서 접합부는 부재를 제 위치에 고정시키는 역할을 하며 구조적으로 중요성을 갖지 않지만 그림 (b)와 같은 걸침 구조에서는 접합부의 설계가 중요하다.

<그림 1>과 같이 수직부재와 수평부재가 만나는 경우에는 (a)와 같은 받침구조가 바람직하며 높이 제한과 같은 여러 가지 요인에 의하여 수직부재의 측면에 수평부재를 부착하여야 하는 경우에는 (b)와 같이 접합 철물(hangers)을 사용하여야 한다.

3. 수평하중 저항구조

건물의 수직하중 저항구조는 장기 하중에 의하여 서서히 변형이 증가하는 크리프 변형의 경우를 제외하고 일반적으로 건축 중 또는 건축 후 빠른 시간 내에 그 안전성이 나타난다.

그러나 수평하중 저항구조는 건물의 건축 후 태풍, 허리케인, 지진 등의 자연 재해가 발생하기 전까지 그 안전성의 평가가 어려운 실정이다. 다시 말해 건물의 수평하중 저항구조가 불안정한 경우 자연재해가 발생하기 전까지 그 안전성의 평가가 어렵다는 것이다.

건물의 수평하중 저항 구조가 불안정한 경우에 자연 재해가 닥치게 되면 건물의 과도한 변형이나 구조적 붕괴가 급속히 진행되기 때문에 건물 거주자의 생명이나 재산 보호를 위해서 수평하중 저항구조의 안전성 확보는 매우 중요한 과제라고 할 수 있다.

건물의 수평하중 저항구조는 그 기본 원리에 따라서 <그림 2>와 같이 크게 세 가지로 분류할 수 할 수 있다.

4. 접합 구조

구조물은 일반적으로 외부에서 작용하는 하중을 효과적으로 지지할 수 있도록 설계된 물체를 의미한다. 목구조의 경우에는 목재 부재 사이에 서로 파거나 자르고 다듬어서 끼워 맞추는 형식의 맞춤 접합구조와 부재끼리 맞대 놓고 외부에서 철물을 사용하는 철물 접합구조가 사용될 수 있다.

목구조에서는 수직하중 저항구조와 수평하중 저항구조를 효과적으로 구성하기 위하여 적절한 접합구조의 사용이 필수적이다. 따라서 목구조의 설계자들은 목구조를 구성하는 여러 가지 부재들에 대한 설계와 함께 부재사이의 접합부에 대한 설계를 반드시 고려하여야 한다.

5. 설계 하중

건물에 대한 구조계산에서 제일 첫 번째 단계는 건물에 작용하는 하중의 종류, 크기, 방향 등을 결정하는 것이다. 이러한 설계하중에 근거하여 구조부재 또는 접합부의 치수, 등급, 구조등이 결정되기 때문에 설계하중의 계산은 매우 중요한 작업이라고 할 수 있다.

설계하중은 주로 UBC(Uniform Building Code)의 제 23장에서 다루고 있으며 ANSI/ASCE 7-95, ‘건물 및 기타 구조물에 대한 최소설계하중’에서도 자세한 계산 방법을 제시하고 있다. 우리나라에서는 ‘건축물의 구조기준 등에 관한 규칙’의 제 2장에서 설계 하중의 계산을 다루고 있다.

1) 영역
영역은 해당구조부재에 하중을 전달하는 것으로 생각되는 면적이라고 정의될 수 있다. 큰보, 장선 등의 수평부재에 대한 영역은 양쪽에 인접한 부재들과의 거리 절반에 해당하는 영역나비(tributary width)에 부재 길이의 곱으로 계산될 수 있다.

2) 수직 하중
수직하중에는 고정하중(dead load), 활하중 또는 적재하중 (live load) 및 눈하중(snow load) 등이 포함된다.

고정하중은 구조물 자체의 무게와 함께 구조물에 영구적으로 부착된 모든 시설 및 재료의 무게를 포함한다. 활하중은 짧은 기간동안 구조물에 작용하는 하중으로 지붕활하중과 바닥 활하중으로 구분할 수 있다. 눈하중은 적설에 의한 하중으로 지역에 따라 크기가 달라진다.

·고정 하중
고정하중은 구조물을 구성하는 모든 재료와 구조물에 영구적으로 부착되는 모든 시설의 무게를 포함한다. 여기에 포함되는 항목으로 서까래, 장선, 기둥 등의 뼈대 부재와, 덮개재료, 단열재, 외장재, 내장재, 파이프, 자동소화시설, 냉방장치 물탱크 등을 들 수 있다.

일반적으로 건물의 고정 하중은 단위 면적당 무게로 계산된다. 사용되는 부재의 사양에 따른 정확한 무게는 일반적인 재료인 경우에는 건축관련 참고서적에서 구할 수 있으며, 특별한 재료가 사용되는 경우에는 그 재료의 제조업체로부터 참고자료를 구할 수 있다.

설계자들은 설계과정에서 건물의 각 부위에 사용되는 재료에 대하여 정확히 알고 있어야 하며 이러한 지식으로부터 산출된 고정하중의 값이 정확한지 또는 다른 일반적인 경우와 비교하여 과다하거나 너무 작지는 않은지 항상 확인하여야 한다.

·활하중
활하중은 건물이나 구조물의 사용 또는 그 내부에 거주함으로써 발생하는 수직 하중을 말한다. 활하중은 가구, 사람, 건축장비, 건축 인력 등의 무게를 포함한 바닥활하중과 건축 또는 수리에 관련된 사람, 장비 및 자재의 무게와 화분이나 사람같이 건물의 수명중에 위치를 옮기는 하중인 지붕활하중으로 구분된다. 일반적으로 주거용 건물의 경우에는 200kg/m2의 바닥활하중과 100kg/m2의 지붕활하중을 기본으로 하고 있다.

·눈하중
설계 눈하중(SL)은 다음식에 의하여 계산한다.
SL=P ×Zs ×Cs
여기서
P = 눈의 평균 단위 중량 (적설깊이 1cm당 kg/m2)
Zs = 수직 최심 적설 깊이 (cm)
Cs = 지붕의 경사도 및 형상에 따른 계수

·비하중
지붕의 배수시설은 해당 지역의 강우량을 충분히 감당할 수 있도록 설계되어야 한다. 경사각이 1.2。미만의 평지붕일 경우에는 지붕 위에 물고임에 의한 변형의 증가와 이로 인한 불안정에 대한 분석이 필요하다.

(3) 수평 하중
수평하중에는 바람과 지진에 의한 하중이 포함된다. 수평하중은 건물의 측면에서 지면과 평행하게 힘을 작용시키며 건물은 마치 기초 부분이 고정 지점인 외팔보와 같은 형태로 수평하중의 영향을 받는다.

여기서 만약 건물의 각 구조부들이 수평하중을 지지하기에 충분한 강성과 강도를 지니고 있지 못했다면 건물은 과도한 찌그러짐 변형(racking)을 나타내거나 붕괴될 것이다.

·바람하중 (풍하중)
설계 풍압 또는 설계 바람하중은 건물의 주된 바람하중 저항구조나 건물의 각부 구조 또는 외장 재료의 설계에 적용되며 다음 식에 의하여 계산한다.
P=pA ×p=Cq
여기서
P = 바람하중(kg)
p = 풍압 (kg/ m2)
A = 건축물의 유효 수압 면적 (m2)
C = 풍력계수
q = 설계속도압 (kg/ m2)

·지진하중
지진은 수평하중의 원인 중에서 바람과 함께 가장 중요한 요인으로 꼽히고 있다. 그러나 우리나라에는 지진이 거의 없고 소규모 건물에서는 지진의 위험도가 높지 않으며 목조주택은 지진에 대한 저항능력 및 진동을 흡수, 분산 및 감쇄시키는 능력이 뛰어나므로 크게 문제 되지 않는다.

4) 토양 및 정수압
지하실이나 벽 또는 이와 유사한 지하층의 수직구조를 설계할 경우에는 인접한 토양에 의한 수평하중이 고려되어야 한다. 여기서 추가로 고정되거나 움직이는 물체에 의한 하중의 추가가능성도 고려되어야 할 것이다.

인접한 토양의 일부 또는 전체가 자유수면 아래에 있는 경우에는 부력에 의하여 감소되는 토양의 무게와 총정수압을 함께 고려한 계산이 이루어져야 한다.

5) 하중 조합
건물에 작용하는 설계하중들은 각각 단독으로 작용하는 것이 아니고 몇가지 하중들이 동시에 작용할 수 있으며 그러한 경우에 건물은 안정성에 위협을 받게 된다.

그러므로 구조설계에서의 외력은 각각의 설계하중을 단독으로 취급하기보다는 동시에 발생할 가능성이 많은 하중조합들을 평가하여 그 중에서 가장 위험도가 높은 하중조합을 결정하도록 한다.

6)구조 설계의 원리
구조설계는 전통적으로 허용응력설계법(ASD: allowable stress design)에 기초하여 이루어져 왔다. 그러나 근래에 이르러 신뢰성설계(reliability-based design)와 극한설계(limits design)등의 개념이 새롭게 대두되면서 이러한 방법들이 하중-저항계수설계법(LRFD: load and resistance factor design)으로 정립되기에 이르렀다. 그러나 아직까지 목조건축은 허용응력설계법에 의하여 구조설계가 이루어지고 있다.

허용응력 설계법(ASD)

허용응력설계법의 기본은 외력에 의하여 구조부재 또는 결합부에 발생하는 응력이 해당부재나 결합부의 허용응력보다 커지지 않도록 구조를 조정하거나 부재의 선택, 배치 등의 결정을 하는 작업을 의미한다.

목구조 설계 기준

경골목조건축공법에 의하여 건축된 목구조물에 대해서는 일정 규모 이하인 경우에 구조설계를 하지 않아도 되도록 하고 있다. 이는 관례적으로 이러한 공법에 의하여 건축된 건물이 별도의 구조계산 없이 건축되어도 안전하다는 것이 입증되었기 때문이다.

목구조설계기준이 건설교통부에서 확정 및 고시된 후에는 목조주택의 구조설계가 필요할 경우 이를 참고하면 될 것이다.田

■ 글 이윤영(한국목조건축협회 부회장·초원주택 대표 031-666-5423)

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