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목조교실·미국식 목조주택 탐구
목조주택이란 무엇인가? 목구조 건축의 개요.종류.특징
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최근들어 국민소득이 향상되고 전원 주택이 많이 등장하면서 새로운 재료와 건축 조형으로써 목조건축이 일반인들에게도 관심의 대상이 되었다. 우리에게도 옛날에 귀틀집이라는 통나무 벽체에 너와지붕의 통나무집이 있었으나 현재의 통나무 주택은 우리에게 그리 익숙한 구조는 아니다. 통나무집은 집짓는 구조가 미국식 목조주택에 비하면 복잡할 뿐만 아니라 사용하는 장비나 공구가 많이 필요하지만, 이에 비하여 여기에서 소개 하는 미국식 목조주택(2×4 House)은 자재나 공구가 간편하고 집짓기도 수월하고 공사비 면에서도 유리한 점이 많다. 이 미국식 목조주택은 그 나름대로의 건축규정(Bldg. Code)이 있는데 교육받지 않은 목수들이 그들대로의 경험에 의한 집을 지음으로서 여러 가지 문제점들이 야기되고 있는 게 현실이다. 앞으로 약 1년에 걸쳐 목차에서 보는바와 같은 순서로 미국식 목조주택 건축 과정을 소개하고자 한다.
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1. 미국식 목조주택의 개요
목조주택의 개요
미국식 목조주택도 물론 큰 의미의 목조건축에 포함되는데 목조건축은 발달 과정으로 보아 통나무 그자체로 집을 지어 오다가 목재 가공 기술이 발달되어 제재목이 발달하면서 각재로 집을 짓게 되었다. 목조건축은 통나무 건축과 목구조 건축으로 구별할 수 있고 통나무 건축은 다시 수공예 통나무 건축과 기계식 통나무 건축으로 구분된다.
일반 목구조건축은 기둥-보 목구조건축과 우리가 이야기하고자 하는 경골 목구조건축으로 분류되며 이 경골목구조는 다시 ①발룬 프레임 (Balloon Framing), ②프랫폼 프레임(Platform Framing), ③패널 시스템(Core System) 3가지로 구분할수 있다.
목조주택의 역사
미국식 목조주택(2×4 주택)은 여러가지로 특이한점이 많다. 이 ‘2×4’ 공법은 1832년 조지 스노우(George W. Snow)라는 사람에 의하여 시카고에서 창고를 짓는데서 시작되었다. 그는 창고를 짓기 위하여 큰 부재의 목재가 필요했는데 작은 원목밖에 없었다.
그래서 그는 작은 원목으로 제재한 2×4 부재를 만들어 사용함으로써 오늘날 2×4구조를 창시하였다. 1840년대의 2×4 구조는 발룬 구조(Balloon Framing)라고 불렀다. 그 이후 1900년대는 요즘 많이 쓰이는 플랫폼 구조(Platform Framing)가 일반적으로 쓰여졌다.
발룬 구조와 플랫폼 구조의 차이는 발룬 구조의 샛기둥(Stud)은 일층에서 지붕까지 일체화되어 있으나 플랫폼 구조는 각층마다 샛기둥(Stud)이 단절돼 있다는 것이다. 2×4 구조의 중요한 요소는 건축 규정에 있는데, 1915년 2×4 구조의 건축 규정이 제정된 이래 1921년, 1945년 건축규정이 개정되었고 계속하여 오늘에 쓰이는 건축규정으로 개정되었다.
1972년 동부쪾서부쪾남부 지역의 건축법을 통합, 두세대 주거를 위한 2×4 건축 규정을 미국 전체 지역의 규정으로 발전시켰다.
2000년에는 이 규정이 첫 번째의 국제적인 주거 규정으로 제정되어 기존의 모든 2×4건축 규정을 대신 할 것으로 예상된다.
2. 목구조 건축의 종류
기둥 및 보 구조 ( POST & BEAM )
기둥 및 보 구조는 가장 오래된 목구조 방식중의 하나로 통나무 구조에서 발전된 건축방식이다. 또한 현대 목조건축에서는 경골 목구조 다음으로 많이 사용되고 있는 구조법이다. 이 구조는 이름 그대로 기둥과 보로 구조체를 형성하는 것인데, 그 장점으로는 첫째 큰 단면의 부 재를 사용하여 부재수를 줄임으로써 칸사이가 넓어져 벽의 활용이 원활하며 자재 및 인력을 절감할 수 있다.
최근에 개발된 각종 패널 재료와 유리의 활용을 위한 적절한 구조법이다. 둘째 구조체의 노출로 목조 건축의 감각을 최대로 느낄 수 있으며 기둥 사이는 비내력 벽이므로 개구부를 만들 수 있어 대형 창으로 사용하여 전망을 좋게 할 수 있다.
셋째 골조와 마감 작업을 분리하여 할 수있어 공장 제작이 가능하다. 공장이나 작업이 편한 장소에서 제작된 기둥 보를 현장에서 다시 조립하고 그 위에 지붕 및 마감 공사를 하여 집을 완성할 수도 있다.
이 구조법의 단점은 전기나 기계 설비가 노출되어 나타난다는 점이다. 2×4 구조에서는 이것들을 벽 속에 감출 수 있으나 이 구조법에서는 천장과 같은 공간 속에 설비를 감추고 수직 설비 라인을 위한 별도의 공간이 필요하게 된다.
경골 목구조 ( LIGHT WEIGHT WOOD SYSTEM)
목구조 중에서 가장 일반적인 방법으로 미국식 목조주택 (2×4 HOUSE)의 기본이 되는 구조로써 다음 3가지 구조로 다시 분류 할 수 있다.
1)발룬 구조 (Balloon Framing)
1830년경, 시카고의 엔지니어이며 목재상이었던 스노우(George W. Snow) 씨가 칸막이 벽체의 소단면 각재의 프레임이 구조체에 전달되는 하중을 지지하기에 충분하다는 것을 깨닫고 발룬 구조(Balloon Framing)를 개발하였다.
이 방법은 경량 목구조의 하나로 작은 단면의 각재들만 사용하여 그 간격을 좁혀서 벽체에는 스터드(Stud)로, 바닥에는 장선(Joist)으로, 지붕에는 서까래(Rafter)로 구성되며 기계로 양산된 못을 사용하여 목수들이 쉽고 빠르게 건축할 수 있게 만든 구조이다.
이 구조는 벽체 스터드가 기초에서 지붕까지 한 부재를 사용하고 2층 바닥은 스터드의 중간에 끼워지는 형식이다. 지붕의 서까래와 천장틀은 벽체 스터드 상부의 두겁대(Top Plates)위에 지지된다. 발룬(Balloon) 이라 불리는 이유는 구조 방식의 우수성과 건물을 가볍게 구성하여 풍선처럼 날아갈 듯한 인상에서 비롯하였다.
이 구조의 약점은 층간 벽체와 바닥 장선의 결합 방식이 화염 진행을 적절하게 차단하지 못한다는 것이다. 또한 스터드의 길이가 길어 시공시 다루기 힘든 약점이 있어 현재에는 거의 사용되지 않고 있다.
2) 플랫폼 구조(Platform Framing)
발룬 구조의 약점인 화재에 약한 내화 성능과 시공상의 불편함을 보완한 새로운 구조 방식으로 플랫폼(Platform Framing)이 개발되었다. 현재 시공되는 경골 목구조의 대부분을 차지하는 방식으로 콘크리트 줄기초 위에 평탄한 바닥을 만든 뒤 세워지고 마지막으로 최상층 벽체 상부에 지붕 서까래와 천장틀을 설치한다. 다음 층의 벽체 설치는 하층부의 벽체 위에 새로운 평탄한 바닥을 만든뒤 세워지고 마지막으로 최상층 벽체 상부에 지붕 서까래와 천장틀을 설치한다.
벽의 스터드 부재는 외벽에 2×6 내벽에 2×4의 규격재가 16′간격으로 설치되고 스터드 사이에 단열재를 채우는 방법이다. 이 구조의 장점은 첫째는 구조 부재의 길이가 짧고 가벼워서 작업이 용이하다는 점이다. 둘째는 평탄한 플랫폼 위에서 벽체의 제작 및 조립이 이루어져 작업의 신속성과 정확성이 높다.
마지막으로 플랫폼의 바닥 구조는 하층부와 상층부의 방화막 역할이 가능하다는 점이다. 플랫폼이 구성하는 방화막은 발룬 구조에서 추가적으로 소요되었던 방화용 깔판의 설치를 위한 인력과 시간을 절감하였다.
3) 패널 공법 방식(Core Panel)
현장에서의 인력을 최소화하고 공장에서 대량생산에 의한 공사비 절감 효과를 얻기 위해 개발된 방법이다. 이 방식으로 내력 패널(Framed Panel)은 경골 목구조의 구조 개념과 동일한데, 현장에서 조립되는 공법 (Stick Frame)과의 차이점은 벽체 제작은 공장에서 하고 조립은 현장에서 한다는 것이다.
가압판 패널(Stressed Skin Panel)은 경골 목구조의 내부 벽체용 패널로 사용되는데 양면에 합판이나 OSB로 마감되는 소규모 내력 패널이다. 벽체에 작용하는 응력을 스터드 목재가 받지 않고 양면의 합판이 받도록 되어 있다. 샌드위치 패널(Sandwich Panel)은 가압판 패널과 유사하나 내부의 프레임이 목재가 아닌 스티로폼과 같은 단열재로 채워져 있고 외부면에 합판이 부착되어 있다.
3. 목구조 주택의 특징
1) 쾌적한 실내 환경 유지
목재를 구조 재료로 사용하는 목구조 주택은 수분과 공기가 안팎으로 드나드는 성질을 갖고 있다. 실내의 습도가 높을 때는 외부의 수분을 흡수하고 반대로 건조할 때는 목재가 갖고 있는 습기를 실내로 방출하여 쾌적한 상태를 유지시킨다. 밀폐된 아파트의 경우 환기가 제대로 안되는 불편함이 있으나 목구조 주택은 환기를 자주 시키지 않아도 항상 신선한 실내 공기를 유지한다.
2) 높은 단열 성능
적정하게 시공된 경골 목구조는 일반적으로 에너지 효율이 매우 뛰어나다. 목재의 단열성은 콘크리트의 7배, 철의 176배, 일반 단열재의 1.5배이다. 최근 시공 방법은 더욱 두꺼운 단열재를 사용하거나 외장 마감 전에 벽체에 고형 단열재를 시공하는 방법으로 단열 효과를 더욱 높이고 있다. 또 스터드, 장선 서까래 사이의 중공을 유리섬유와 같은 단열재로 충진함으로써 높은 단열 성능을 발휘하게 된다. 실제로 같은 평수의 목구조 주택과 일반주택을 비교할때 냉·난방비를 30%정도 절약할 수 있다.
3) 내화구조에 의한 화재 안전
경골 목구조의 내화 성능은 일차적으로 내장 석고 보드에 의존한다. 벽과 천장에 시공된 석고 보드는 20분에서 2시간의 내화 성능을 지닐 수 있다. 석고보드가 구조용 목재로부터 폭발성 물질의 접촉을 충분히 보호하기 때문에 상대적으로 화염의 진행 속도가 느리며 일정 치수이상의 목재는 강철보다 열전도율이 훨씬 낮아 화재가 발생했을 경우 쉽게 불이 붙지않고 유독가스 발생이 적어 인명, 재산의 피해가 적다.
4) 충격 흡수력이 뛰어나 지진과 태풍에도 안전.
구조재로서 목재가 약하다고 생각하는 경우가 많지만 목재는 다른 재료와 비교할때 무게에 비해 강도가 높고 목재 자체가 유연성을 갖고 있어 건축물의 지지 목재를 최소화한다. 1995년 일본 고베 지진이나 1994년 미국의 캘리포니아 지진의 경우에도 목구조주택의 피해는 타구조보다 훨씬 적었음을 증명하고 있다. 목구조 주택은 평균 내구년수가 50년 이상이며 보수 유지를 철저히 할 경우 200년 이상도 사용할 수있다. 예로 우리나라의 최고 목구조 건축물이 15세기 후반에 건축되었다는 사실과 선진화된 목구조주택의 경우 보존 상태가 양호한 경우 백년이상된 주택을 도심이나 교외 지역에서 쉽게 접할 수 있다.
5) 설계 가변성과 응용성
구조체를 구성하는 각 부재들, 즉 장선, 스터드, 서까래 등이 가변성을 지니고 있어서 거의 모든 양식, 어떠한 형태의 건축물에서도 쉽게 조립되어 구조체를 형성할 수 있다. 문, 창호, 벽체 등을 더하거나 제거하기에 용이하여, 구조 변경이나 장래의 증축 등에도 어려움 없이 대응할 수 있다.
경골 목구조는 단순한 구축 방법으로 구조체의 경량성과 그로 인한 건물 디자인의 유연성에 있다. 현장에서 단 한 사람의 목수가 용이하게 부재를 취급할 수 있고, 많은 부재들이 제재소에서 미리 소정 치수로 절단되어져 현장에서 신속하게 조립 설치될 수 있다. 또한 경골 목구조는 지극히 풍부한 환경적 적응성을 지니고 있다. 실제로 혹한의 알래스카에서 열대의 하와이까지 이러한 구조 방식이 널리 사용되고 있다. 목재, 스타코(Stucco) 혹은 벽돌 등 어떠한 외장 재료로도 마감될 수 있는 다양성을 지니고 있다.
6) 공사비의 절감
최근 시공 할 때 인건비가 차지하는 비율이 예전보다 상대적으로 높아져 요즘은 자재비와 인건비의 비율이 같아졌다. 경골 목구조주택은 구조재 뿐만 아니라 창, 문, 기타 마감재들이 표준화, 규격화, 시스템화되어 있기 때문에 소수의 숙련공만 있으면 시공할 수 있다.
공간의 구성이나 형태의 변화도 자유롭고 저렴하여 대량 공급의 저렴한 주택에서 고급 주택까지 다양한 설계가 모두 가능하다.
또한 건식 공법이기 때문에 계절의 영향을 받지 않아 자재 준비나 기능공 확보 등 사전 준비를 철저히 한다면 겨울 공사도 합리적이다. 2인치 두께의 목재로 시공되기 때문에 건축 자재가 차지하는 공간이 상대적으로 적어 실 평수가 넓어 공간 활용에도 매우 효과적이다 
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