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초보 건축주를 위한 친절한 구조 공부 ① / 책상을 보면 목조주택이 보인다

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Vol. / 전원속의 내집

적게는 수천만원, 많게는 수억원까지 드는 건축비를 두고 과연 어떤 공법의 집을 지어야 할지 고민하는 독자를 위해 집의 뼈대가 되는 골조를 쉽게 이해해 보는 시간을 가진다.

 

 

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건축의 공법은 콘크리트, ALC, 경량철골(스틸스터드), 목조, 조적조, H-BEAM 등 여러 가지가 있다. 이 모든 명칭은 구조 즉, 집의 뼈대가 되는 골조가 무엇인지에 따라 붙여진 이름이다. 골조는 매우 중요하다. 내외장재나 단열재류는 추후 교체가 가능하지만, 골조는 대수선 공사를 하기 전에는 변경이 쉽지 않으며 많은 제약이 따른다. 따라서 어떤 공법을 적용하여 시공할 것인지 공법 선정에서부터 시작해 디테일한 설계, 그리고 규정과 시방서를 준수한 시공을 할 수 있도록 철저한 준비가 필요하다. 이러한 준비가 갖춰진다면 어떠한 공법으로 시공한다 하더라도 튼튼하고 보기 좋은 집을 가질 수 있을 것이다. 이번 칼럼은 목조주택의 기본 원리를 쉽게 전달하는 데 목적이 있다. 이 과정에서 어쩔 수 없이 다뤄지는 ‘구조역학’의 개념 역시 일상생활과 연계해 쉽게 설명하고자 한다.

목조주택은 크게 두 가지로 분류된다. 투바이(2인치 두께의 구조목) 목재와 OSB합판을 이용한 경골목구조(Light Weight Lumber Structure)가 첫 번째 방식이고, 다른 하나는 기둥과 보를 사용하여 프레임 형태로 건축하는 중목구조(Heavy Timber Structure)이다.

 

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경골목구조와 중목구조의 차이
위에 두 종류의 책상 그림이 있다. 왼쪽은 책상 상판을 양쪽 집성판재로 지지하고, 우측은 각재가 지지하는 형식이다. 책상 상판을 2층 바닥이라고 가정해 본다면 건축물의 지지원리와 별로 다를 것이 없다는 것을 알 수 있다.

경골목구조는 왼쪽 책상처럼 벽이 힘을 지탱하는 구조로 투바이 목재와 OSB를 구조재 삼아 못과 결합철물로 시공된다. 1795년 제이컵 퍼킨스(Jacob Perkins)가 못을 생산하는 기계를 발명하면서 시작되었고, 1869년 남북전쟁 이후 전쟁 복구를 위해 본격적으로 발전하였다. 이 구조는 벽이 하중에 저항하는 내력벽 형식의 건축이며, 미국과 캐나다 등에서 매우 과학적이고 체계적으로 매뉴얼화한 건축 공법이다.

 

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< 경골목구조 = 벽이 수직・수평 하중을 지탱하는 방식 >

내력벽과 전단벽 : 내력벽은 수직하중에 저항하는 벽이며 전단벽은 수평하중에 저항하는 벽체 구조를 일컫는다.




중목구조는 오른쪽 책상처럼 기둥과 보가 하나의 구조체를 만들어 힘을 지탱하는 구조다. BC 4,500~3,000년의 유적에서도 이 구조가 발견된 것으로 보아, 인류의 최초 목조건축 방식으로 추정된다. 로마시대 전쟁의 역사 속에서 많은 건축물과 목교를 건설하면서 이러한 기술이 발전을 거듭하고, 장부맞춤(Mortise and Tenon)의 짜임 방식이 실제 건축에 적용되었다고 알려져 있다.

중목구조 방식은 이후 미국으로 전해졌고, 우리나라의 한옥 구조 역시 중목구조에 속하며 중국에서 우리나라를 거쳐 일본에 전해졌다고 한다. 요즘 일본식 중목구조가 많이 선보이는데, 우리가 전해준 기술을 다시 우리가 수입하는 모습이다 보니, 공학자 입장에서는 안타까운 일이다.

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중목구조의 주요 구조부재는 보와 기둥이며 접합부는 짜임형태(Mortise and Tenon)와 볼트나 리벳을 사용하여 스틸 플레이트(Steel Plate)와 결합하는 방식이다. 인테리어 측면에서 보면 경골목구조는 실내에서 목재가 노출되지 않지만, 중목구조는 기둥과 보를 드러내 목재 본연의 미적 요소를 활용할 수 있다.



그럼 과연 어떤 구조가 좋을까?
필자의 의견은 ‘모두 똑같다’이다. 흔히들 콘크리트주택과 목조주택을 비교할 때 콘크리트주택은 튼튼하고 오래가는데 건축비가 많이 든다고들 한다. 반면에 목조주택은 친환경적이고 평당 건축비가 저렴하지만 화재에 취약하고 내구성과 내후성(부식)이 약하다고들 말한다. 또한 중목구조가 튼튼하고 좋기는 한데 건축비가 비싸다고 말한다.

엄밀히 말하면 이것은 맞기도 하고 틀리기도 하다. 공법이라는 것은 이미 오랜 세월에 걸쳐 그 안정성이 입증된 것들만 살아남아 현대에 존재한다. 따라서 소규모 개인 건축물을 놓고 본다면 평면 계획과 입면 계획에 따라 그것에 적합하고 경제적인 공법을 선정하는 것이 바람직하고 합리적일 뿐이다.

기둥 사이의 경간 거리가 길고 높은 공간을 연출해야 한다면중목구조가 적합할 것이고, 그다지 크지 않은 공간이라면 경골목구조도 적합할 것이다. 필요하다면 이 두 가지 공법을 혼합한 구조도 무방하지 않을까? 그 예가 국립산림과학원에서 발표한 한국식 중목구조 공법으로 아래 이미지와 같다.

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구조설계, 구조공학, 역학. 참 딱딱하고 어려운 단어들이다. 예비 건축주들은 ‘내가 집을 지으면서 과연 이것까지 알아야 하나?’ 반문이 들 것이다. 그러나 물건 하나를 사고팔 때도 우리는 그 물건에 대해 어느 정도의 지식을 가지고 있어야 좋은 물건을 택할 수 있다. 집을 지을 때도 마찬가지다. 건축에 앞서 특정한 공법을 선택해야 할 때, 또는 공사 중간에 의문이 들 때 구조역학의 원리를 이해하고 있다면 중요한 결정을 하는 데 큰 도움이 될 것이다.

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건축과 관련된 설계 규정이나 시공 기준들은 모두 역학의 기반 위에 제정되고 시행된다. 우리나라는 대부분 미국과 유럽, 일본의 시방을 인용하거나 참고해 기준이 만들어졌고, 국내 실정에 맞게 일부 조정을 거쳐 제시하고 있다. 최근에는 『소규모건축구조기준 목구조』를 신설하여 입법 예고한 상태인데, 건축주나 설계 시공자 입장에서는 환영할 만한 정부 조치로 판단된다. 예비 건축주라면, 구조 기준 정도는 한 번쯤 직접 읽어 보는 것도 좋을 것이다.(국토교통부공고 제2018-243호)

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‘하중의 합 = 지내력의 합’이 되어야 한다.




우리는 평소 지구의 중력을 느끼고 살까?
구조역학이란 쉽게 말하면, 힘의 평형을 찾는 과정이라고 설명할 수 있다. 어떤 물체가 지구의 중력 때문에 생기는 누르는 힘과 이를 지탱하기 위해 물체 내부에 생기는 저항력이 서로 균형을 이루는 지점을 찾아내는 것이다. 건축물 전체로 보면 건축물 자체의 무게로 지반을 누르고 있으며 이에 대항하여 지반은 자신의 강성으로 건축물을 지탱한다. 이 저항력을 ‘지내력’이라 한다.

 




이처럼 구조설계란 구조체에 적용되는 힘의 원리를 역학이란 이론으로 수치화하고 정량한 것으로, 구조체의 안전을 위해 재료 선정, 구조 형상, 부재 치수를 결정하는 것이다.

다음 회에는 간단하고 알기 쉬운 역학의 기본 원리를 알아볼예정이다. 학창시절 배운 뉴턴의 법칙을 생각하며 접근하면 더욱 쉽게 느껴질 것이다. <다음 호에 계속…>



연재순서

01 경골목구조와 중목구조의 이해     
02 간단한 구조역학 이론과 목재의 특성에 관해     
03 공학목재, 그리고 트러스와 아치의 미학     
04 중목구조 주요 접합부의 디테일     
05 개인 공구로 짜임식 미니하우스 만들기




글쓴이_ 김창환

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토목직 공무원을 시작으로 건설업체에서 25년 동안 구조물의 설계와 시공을 맡아 왔다. 서울시립대 대학원에서 토목 공학을 연구하고 구조진동과 파괴역학을 주제로 공부해 왔다. 현재 글루램을 활용한 장경간 네트워크 아치교의 설계와 시공 논문을 집필 중이며, 일산에서 건축공방 나무를 운영 중이다.  http://blog.naver.com/kline352001



취재_ 이세정  |  사진_ 변종석

  

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