목구조건축의 종류와 이해

[목가연]

목구조 건축의 종류와 이해

일반인들이 생각하는 목조주택하면, 통나무주택을 연상하지만,실은 목조주택과 통나무 주택은 전혀 다른 구조개념이며,목구조 주택은 각 목재를 구조체로 지어진 건축물을 말하며 구조재로 사용된 목재의 규격,크기 시공방법에 따라 통나무주택(log house),기둥 보 구조 주택(Post&Beam),경량 목 구조주택(Light Weight Wood Frame House) 등으로 구분된다.

이중에서 경량 목 구조주택이 우리가 흔히 말하는 목조 주택이다. 북미 등 일본에서는 이것을 자신들의 전통주택과 구분하기 위하여 2*4주택이라 부른다.

2*4란 것은 주로 사용되는 구조용 목재가 두께 2인치,넓이 4인치의 각재를 사용하여 구조체를 만들고 그 위에 합판재 등 기밀도가 높은 소재들을 계속 덧 붙이는 방식으로, 외장재 등 치장마감을 원하는 취향대로 다양하게 처리할 수 있어 오늘날 가장 과학적으로 발전된 건축양식이다.

북미 등 미국에서는 일반주택 거의가 이 방식으로 건축되고 있다. 즉 목조주택=2*4주택=경량목구조주택이라는 등식은 최근에 가장 일반적으로 행해지고 있는 시공방식을 요약한 것이라 할 수 있다.

* 일반적인 목조주택의 장점은 다음과 같다.

1)쾌적한 실내환경 유지

2)건강주택으로써의 수명연장

3)높은 단열성능

4)내화 구조에 의한 화재안전

5)뛰어난 충격흡수력

6)설계가변성과 응용성

7)공사비의 절감 효과 등

사실상 이러한 장점들은 목재를 가장 적합한 건축재료로 이용해온 한국의 전통가옥에서도 발견 되어진다. 한국에서는 지난 수 십년 간 현대화의 과정에서, 잊혀진 목재문화 전통이 최근 들어 생활의 향상과 인식의 발전에 의해 되 살아나고 있다. 전원주택이라는 형태의 이름으로 형성되어 지고 있는 목 구조주택 시장에서 일반인들의 목조주택 개념에 대한 인식, 목재에 관한 부정확한 상식, 그리고 가격유통구조의 개선 등은 해결되어야 할 선결 과제이다. 그 중에서도 시급한 것은 목 구조 주택의 기초 재원 및 기준마련과 함께 자재의 규격화가 이뤄져야 할 것이다.

최근 몇 년 전부터 수도권 신도시,개발 지역 등을 위주로 전원 주택 등 단독주택 단지조성이 본격화 되면서 목조주택에 대한 관심이 빠르게 확산되어 가고 있다. 1990년부터 외국의 통나무형 별장 등이 국내에 등장하기 시작하면서 미국 등 외국계 목 구조 주택 회사들이 현지기술자를 동원하여 대거 국내시장에 보급해왔다. 그러나 점차 주거 형태로써의 통나무형 구조는 여러가지 문제점을 드러내고 있다. 그것은 나무가 가지고 있는 특성 때문인데 둥근 원형 상태로 쌓아가는 공법상에서 틈새가 벌어지고 오랜 시간 지나면서 심한 수축 현상을 보여왔다. 특히 사계절 변화가 뚜렷한 한국 기후 실정상 통나무의 변형을 초래하는 가장 큰 원인이기도 하다. 이는 캐나다나 미국등지에서도 자연의 숲속에서나 산장 형태로 볼 수 있듯이 가장 원초적인 주택 구조라 할 수 있다.

몇 년간 외국기술과 자재로 지어진 통나무형태 구조에서 보완 발전된 목구조형태 2*4주택 구조로 점차 바뀌어 가는 실정이며 이에 따른 사후관리문제도 병행 발전해야 할 문제점이다.

1995년을 기준으로 국내에 건축되는 목조주택의 평균 크기는 30~35평이고 건축비는 약 1억원 정도이다. 이 값은 땅값을 뺀 가격이며 평균공사기간은 6주에서 10주이다.

목구조 주택재의 종류

현재 국내 목구조 주택에 사용되어지는 목재는 거의 전체부분이 미국 서부지역 목재협회(wwpa.western woood products association)에서 작성한 규정에 따르며 목재 분류는 아래와 같다.

구조용 각재 : 2’’ 에서 4’의두께와 폭을 지니며 1,2,3,등급으로 세분된다.

스터드 : 2’ 에서 4’의 두께와 2*6’의 폭을 지니고 10피트 이하로 재단된다.

판재 및 일반용재 : 사이딩이나 선반용 널재와 같은 구조적 강도 보다는 목재의외관이 중요한 용도에 사용

통재(Beams) : 목구조 방식에서 큰 하중을 부담하는 구조용재로 사용된다.

방부목재 : 목재가 과도한 습기에 노출되면 부패하게 된다. 이러한 현상은 균류나 해충에 의한 부식으로 습기,적정한 온도,산소 그리고 목재의 섬유질과 같은 영양소등 네가지 인자에 의해 발생한다. 그러므로 이중 한가지라도 제거되면 나무의 부식은 방지된다.

화학적 잔유물은 목재의 영양소를 감소시키는데, 오늘날 방부제는 무색무취로 도장이 가능하고 인체에 아무런 해를 주지 않을 정도로 발달되었다. 따라서 부식요소에 노출된 목재나 지면에 접한곳 혹은 습도가 높은 곳에 사용되는 목재는 화학적으로 처리하여 목재의 사용한계를 넓힌다.

이러한 방부처리의 기준은 미국 방부목재협회(American wood preservers association)에 의해 제정되어 사용되어 지고 있다. 가장 일반적인 수용성 방부제로 CCA라 표기되는 크롬화 동 비산염이 현재 국내 방부목재의 처리제로 주로 사용되어지고 있다. 현재까지 보고 된 바로는 이러한 방부처리 목재는 수명에 있어서도 일반의 목재보다 더욱 오래 지속하는 것으로 나타났다. 이와 같은 방부목재는 주로 외부에 사용되는데 기초토대 설치작업,발코니,담장,옥외 조경물로 습기에 직접 노출되는 곳에 사용한다.

*건축법에서도 방부처리 목재의 사용규정에 관한 규정과 천연적인 내구성의 목재의 사용을 다음과 같이 규정하고 있다.

지반면에서 18인치(45cm) 이내의 목재 장선측의 바닥판은 방부처리 목재이어야 한다.

마루밑 지반면에서 12인치(30cm)이내의 마루보는 방부처리 목재이어야 한다.

지면에 직접 접하는 콘크리트 혹은 매몰 되는곳에 방부재제가 사용될경우 건축법에서는 함수율이 19%이하이어야 한다고 규정하고 있다.

시공과정

기초공사 : 콘크리트 줄기 초를 기초 구조로 하여 상부의 목구조를 고정시키기 위한 앵커볼트등을 고정한 후 콘크리트를 타설하고 약 하루간의 양생기간을 거친후 형틀을 제거하고 소정의 높이까지 성토하여 설비작업과 단열재를 설치하고 수평철근을 배치한 후 바닥콘크리트를 타설한다.

목공사 : 1층의 2*6외벽과 2*4내벽이 세워질 위치에 먹줄을 놓고 일정 간격으로 스터드를 조립하고 문과 창문의 개구부를 구성하고 외벽과 하지재를 부착한다. 벽체 프레임은 조립하게되면 소정의 위치에 세워 콘크리트 바닥에 고정된 앵커볼트에 정착시킨다. 내부의 2*4벽체를 세워 이와 같은 과정을 통해 조립 설치한다.

지붕 트러스 공사

창호공사

배관공사

지붕마감 공사 : 지붕공사는 먼저 단열재 설치후 루핑 펠트를 깔고 그위에 아스팔트 슁글로 마감한다.

설비공사

전기공사

외벽공사

단열재공사

석고보드공사

내부마감공사

상기와 같은 내용은 목구조 주택을 시공하는데 필요한 결정적인 요건들이며 작업 순서이므로 목재의 선택에서 시공과정, 그리고 사후관리까지 이어지는 주택관리 시스템의 효율적인 선택 시공이 절대로 필요하다

1. 목조주택의 특징

우리 민족은 반만년이라는 긴 세월동안 자연을 사랑하며 살아왔다. 주변에 자연이 늘 가까이 있었으며, 주거환경 또한 목재와 흙이라는 자연소재를 이용하였다. 그러나 오늘날의 우리 주거환경을 생각한다면 그 어느 곳에서도 선조들이 즐기며 살아온 자연의 멋과 맛을 느낄 수 없다. 반만년을 이어온 역사의 숨결이 40∼50년의 짧은 근대화의 물결 속에 파묻혀 버린 것이다. 오랜 세월동안 이어져 내려온 목재와 흙이라는 자연의 건축소재가 시멘트의 출현과 함께 급속히 사라져 버리고 우리의 주변에는 온통 회색 빌딩들이 감옥처럼 우리를 둘러싸게 되었다. 고도의 경제성장, 근대화, 첨단화라는 목표만을 바라보면서 살아오는 동안 우리도 모르는 사이에 편하고 싸고 손쉬운 것에 길들여진 탓일 것이다. 이제는 한숨 돌리며 우리의 지나온 세월을 돌아보면서 재도약을 위한 충전을 해야 할 시기가 되었다고 할 수 있다. 급하게만 살아온 우리 생활의 주거환경도 한번 생각해 볼 필요가 있다.

하지만 최근 들어 편안함과 자연미, 그리고 디자인을 중시하는 경향이 생기면서 이색적인 건물들이 많이 들어서고 있다. 그 중 하나가 서울 근교를 중심으로 들어서고 있는 목조주택들이다. 목조건축은 기존의 콘크리트나 벽돌 건축물에서는 느낄 수 없는 편안함과 자연스러움을 강점으로 꾸준히 소비층을 늘리고 있다.

목조 건축물은 많은 장점들을 지니고 있다. 현장, 혹은 공장에서도 용이하게 조립될 수 있으며, 신속하고 저렴한 시공성은 오늘날의 주택 수요에 적절하게 적응하고 있다. 수십년동안 미국에서는 목구조가 주택 건축의 가장 적절한 시스템으로 채용되어 왔다. 더욱이 근래에 이르러서는 공학목재를 사용한 구조 시스템의 발달로 공동주택에 목재를 이용하는 새로운 가능성을 보여주었다.

가. 쾌적한 실내환경 유지

목재를 구조재로 사용하는 목조주택은 수분과 공기가 유동할 수 있다. 실내의 습도가 높을 때는 외부의 수분을 흡수하고, 건조할 때는 목재가 가지고 있는 습기를 방출하여 쾌적한 상태를 유지시킨다. 밀폐된 아파트의 경우 환기가 제대로 안되는 불편함이 있으나, 목조주택은 환기를 자주 시키지 않아도 항상 신선한 실내공기를 유지한다.

나. 높은 단열성능

적절하게 시공된 경량 목구조는 일반적으로 에너지효율이 매우 뛰어나다. 목재는 그 자체로 단열 및 보온성능이 뛰어나며, 목조주택은 그 구조상 단열 및 보온처리가 쉽게 이루어 질 수 있다. 목재의 단열성능은 콘크리트의 7배, 철의 176배, 일반 단열재의 1.5배이다. 경골구조의 벽체, 바닥 또는 천장구조에는 구조부재들 사이의 공간이 있으며, 이 공간에 구조부재와 동일한 두께만큼 단열재를 채우는 것으로 단열효과를 높이고 있다. 실제로 같은 평수의 목조주택과 일반주택을 비교할 때, 냉난방비를 30% 정도 절약할 수 있다.

다. 목조주택의 화재안전성

경량 목구조의 내화성능은 일차적으로 내장 석고보드에 의존한다. 벽과 천장에 시공되는 석고보드는 20분에서 2시간의 내화성능을 지닐 수 있다. 석고보드는 화염의 진행속도를 느리게 하며 일정 치수 이상의 목재는 강철보다 열전도율이 훨씬 낮아 화재가 발생했을 경우 쉽게 불이 붙지 않고 유독가스 발생이 적어 인명, 재산의 피해가 적다. 내화구조를 구성하는 다른 방법으로는 합판 바닥위에 경량콘크리트를 타설하여 방화막을 형성하거나 방염목재를 사용하거나 또는 내화성능을 지니도록 최소한의 단면규격을 지니는 중목구조의 부재를 사용하는 방법 등이 있다.

라. 지진과 태풍 안전성

구조재로써 목재가 약하다고 생각하는 경우가 많지만 목재는 다른 재료와 비교할 때 무게에 비해 강도가 높고 목재 자체가 유연성을 가지고 있어 건축물의 사하중을 최소화한다. 1995년 일본 고베 지진이나 1994년 미국의 캘리포니아 지진의 경우에서도 목조주택의 피해는 다른 구조보다 훨씬 적었음이 이를 증명하고 있다.

마. 설계 가변성과 응용성

경량 목구조는 단순한 건축방법으로 구조체를 경량화 할 수 있으며, 그로 인하여 건물 디자인을 자유롭게 할 수 있는 장점이 있다. 구조체를 구성하는 각 부재들, 즉 장선, 스터드, 서까래 등이 가변성을 지니고 있어 어떠한 형태의 건축물로도 쉽게 구조체를 형성할 수 있다. 문, 창호, 벽체 등을 더하거나 제거하기 쉬워, 구조 변경이나 증축 등에도 어려움 없이 대응할 수 있다. 목조주택은 시멘트 또는 콘크리트와는 달리 설계의 제약이 거의 없다. 또한 어떠한 구조라도 간단한 구조설계에 의하여 그 안전성이 확보될 수 있다. 따라서 설계과정의 경비가 최소화될 수 있으며, 자신이 살고싶은 집을 원하는 대로 지을 수 있는 장점이 있다.

또한 경량 목구조는 환경 적응성이 뛰어나다. 실제로 혹한의 알래스카에서 열대의 하와이까지 이러한 구조방식이 널리 사용되고 있다. 목재, 스터코(stucco) 또는 벽돌 등 어떠한 외장재료로도 마감될 수 있는 다양성을 지니고 있다.

바. 공사비의 절감

최근에는 건물 시공비 중 인건비가 차지하는 비율이 예전보다 상대적으로 높아지고 있다. 경량 목조주택은 구조재뿐 아니라, 창, 문, 기타 마감재들이 표준화, 규격화, 시스템화되어 있기 때문에 소수의 숙련공만 있으면 시공할 수 있다. 공간의 구성이나 형태의 변화도 자유롭고 저렴하여 대량공급의 저렴한 주택에서 고급 주택까지 다양한 설계가 모두 가능하다. 또한 건식공법이기 때문에 계절의 영향을 받지 않아서 자재준비나 기능공 확보 등 사전준비를 철저히 한다면 겨울공사도 합리적이다. 2" 두께의 목재로 시공되기 때문에 건축자재가 차지하는 공간이 상대적으로 적어 공간활용에도 매우 효과적이다.

다양한 기능의 많은 인부들이 요구되는 시멘트 건축과는 달리 목조건축에서는 요구받은 대로 못질할 수 있는 소수의 단순작업인부들만이 요구된다. 대형의 중장비도 필요없고, 모든 건축부위와 자재들을 몇 명의 인부들만으로 쉽게 취급할 수 있다. 오늘날의 목조건축 특히 경골 목구조에서는 목재간의 결합이 파고 끼우는 형태의 맞춤결합이 아니고 편편한 면끼리 맞대어 못을 박는 조임쇠 결합의 형태를 취한다. 그러므로 고도의 숙련된 목공기술이 요구되지 않으며, 초보자라도 빠른 시간안에 숙련될 수 있는 장점이 있다.

건축경비 중 인건비의 비율이 약 60% 정도를 차지하므로 비숙련의 적은 인원이 빠른 시간안에 건축공사를 완료할 수 있다는 것은 큰 이점이라고 하겠다.

사. 보수유지의 경제성

목재는 다른 건축재료에 비하여 누구나 손쉽게 다룰 수 있다. 간단한 도구만 있으면 자르고, 파고, 다듬고, 못질할 수 있기 때문에 주택의 사용중에 필요한 보수유지를 자신이 할 수 있는 이점이 있다. 보수가 필요한 부위에 한하여 국부적으로 보수공사가 이루어 질 수 있는 것도 목조주택만의 장점이다.

아. 내구성과 안전성

콘크리트 건물의 평균 내구연수는 약 50년이며, 주거용 건축물의 경우 10∼20년 사이가 내구연한에 해당된다. 그러나 목조주택은 평균 내구연수가 50년 이상이며, 양질의 자재로 주의깊게 시공하고 보수유지를 철저히 할 경우 200년 이상도 사용할 수 있다. 우리 나라의 최고 목조 건축물이 13세기 후반에 건축되었다는 사실과 선진화된 목조주택의 경우 보존상태가 양호할 때 백년이 넘는 주택을 도심이나 교외지역에서 쉽게 접할 수 있다. 목조주택의 내구성과 안전성 향상을 위해서는 다음과 같은 사항이 요구된다.

① 기초는 견고하게 설치하여 부동침하를 방지할 것.

② 구조체는 방습구조로 설계하고 시공할 것.

③ 방습을 위해서는 건축물의 외피를 경사지게 마감할 것.

④ 건물 구조체를 해충으로부터 보호하고 좀이 슬지 않게 할 것.

⑤ 풍압이나 지진력에 대응할 수 있도록 기초에서부터 지붕구조에 이르기까지 가새, 격판 등과 같이 횡응력에 저항하는 구조와 연속적인 보강철물로 구조체의 안전성을 확보할 것.

이와 같은 사항을 철저히 지킨다면 수백년간 몇 대째 물려가며 살 수 있는 주택은 목조에서만 가능하다.

자. 차음효과

경량 목구조의 차음구조는 각 실의 용도나 점유상태에 따라 다른 방법이 사용되고 있다. 첫째, 설비덕트나 전기배선과 같은 불원소음 발생원의 배치를 적절히 조절한다. 둘째, 벽체사이와 바닥 사이에서는 음전달을 감소시키기 위해 여러 가지 구조방법이 사용되고 있다. 벽체의 경우 두 줄의 스터드를 엇갈리게 배치하거나 공기층을 둔 채 두 겹으로 배치하여 소음전달을 차단하는 것이 효과적이다. 또한 소음패널, 감음판, 차음재, 혹은 소음 실런트 등을 사용하여 음전달을 감소시키는 방법도 사용된다.


이상에서 살펴본 바와 같이 목조주택은 건축당시 뿐 아니라 사용 중에도 대대로 경제성이 있는 건축방식이다. 이와 같이 주거용 건축물로 목조주택이 선호되고 있는 것은 상기한 수많은 목재의 장점들이 큰 이유로 작용하고 있다.

2. 건축재료로서 목재의 특징

가. 목재에 대한 잘못된 편견

일반인들은 목재에 대해 잘못된 편견들을 가지고 있다.

(1) 모든 목재는 부후한다는 편견이다. 모든 목재는 부후한다는 것이 사실이진만 부후하기 위해서는 세가지 조건을 충족해야만 한다. 그 세가지 조건은 양분, 온도, 수분이다. 목재는 목질부 자체가 양분이므로 양분의 조절은 불가능하다. 그리고 목재가 사용되는 온도는 부후균의 서식온도범위에 속하기 때문에 온도조절도 불가능하다. 그러므로 목조주택에서 목재의 부후에 필요한 조건중 인공적으로 조절이 가능한 부분은 수분이다. 목재를 건조한 상태로 사용하여 부후균의 서식에 필요한 수분조건을 충족시키지 않으면 목재의 부후를 예방할 수 있다.

(2) 일부 수종은 절대로 부후하지 않는다는 편견이다. red wood, cedar 등의 일부 수종은 다른 수종에 비해 부후균에 대한 저항성이 높은 것이 사실이지만 부후의 속도가 늦을 뿐이지 절대로 부후하지 않는 것은 아니다.

(3) 건조부후균도 있다는 편견이다. 목재는 건조한 상태로 유지하면 절대로 부후하지 않는다. 지면에서 충분한 높이에 있는 목조주택의 부후는 건조부후균이라는 균의 역할이 아니라 목재의 부후균이 균사를 지면으로 뻗어 수분을 공급받기 때문이다. 모든 균은 건조한 상태에서는 서식할 수 없다.

실제 건축시 부후를 예방할 수 있는 방법은 배수가 양호한 지역을 선정하고, 물의 고임을 방지하며, 건조목을 사용하고, 건축부재가 수분에 노출되지 않도록 하며, 방부처리하지 않은 목재는 통풍이 잘되는 곳에 사용하도록 한다. 건조목은 절대로 부후하지 않는다. 건축용 목재를 현장에서 지면에 방치해서는 안되며, 지면 또는 콘크리트와 접하는 부위와 수분에 노출되는 부위에는 반드시 방부처리 목재를 사용하여야 한다. 마루바닥은 지면 또는 콘크리트 바닥과 적절한 거리를 띄우고 시공하여야 한다.

(4) 화재시 목구조는 무조건 철구조보다 위험하다는 편견이다. 그러한 이유는 철은 불연성 재료이고, 목재는 가연성 재료이기 때문이다. 그러나 화재시 구조물의 붕괴는 열에 의한 강도손실이 주 원인이 된다. 각 재료의 열전도율은 목재의 경우 0.5∼1.5이지만, 철은 315로 목재의 약 300배, 알루미늄은 5400으로 10,000∼1300배, 콘크리트는 11∼16으로 약 10배 정도가 크다. 실제로 화재가 발생했을 경우 열에 의한 강도손실은 목재에 비해 다른 건축재료들이 훨씬 크다. 예를들면 철은 온도가 38℃ 상승할 때 약 4% 정도의 강도감소율을 보인다. 목재는 주변온도가 약 450℃일 때 목재 표면에서 발화가 시작되지만 철은 450℃에서 이미 자체강도의 50% 정도가 감소하여 붕괴위험에 노출되어 있는 상태이다. 이와 달리 콘크리트는 화재에 강할 수 있다. 실제로 대형 목구조불의 경우 온도의 전도에 따라 결합철물 부위의 강도가 약화되므로 결합철물의 파괴로 목구조물이 붕괴되는 것이 한 예가 된다.

(5) 목재는 온도가 내려갈수록 강도가 감소한다는 편견이다. 그러나 실제로 목재는 온도가 감소할수록 강도가 증가하는 경향을 보인다.

나. 건축재료로서 목재의 장점

흔히 목재의 장점이라 하면 아름다운 무늬와 부드러운 질감 또는 촉감을 꼽는 경우가 대부분이다. 그러나, 이러한 장점은 목재가 내장재 또는 마감재로서 이용되는 경우에 국한될 뿐이다. 목재가 구조재로서 갖는 장점은 크게 네가지로 요약할 수 있다.

첫째, 지구상의 천연자원 중 유일하게 재생가능한 자원이다. 이러한 목재를 이용한 건축공법은 다른 재료의 이용보다 경제적일 뿐 아니라 자원의 재활용 측면에서도 중요한 일이다. 또한 목재 폐재를 이용하여 제조할 수 있는 목질재료의 이용은 목재의 무절제한 사용을 예방할 수 있기도 하다.

둘째, 비강도(강도/무게)가 크다는 점이다. 이것은 다른 구조재료에 비하여 동일한 강도를 발휘하는 데 경량이므로 건축물의 자체하중을 경감시킨다는 이점이 있다.

셋째, 적당한 정도의 흡습성을 지닌다는 점으로서, 다른 재료에서는 볼 수 없는 목재만의 특징이기도 하다. 이것은 쾌적한 실내 습도를 유지시킴으로 주거환경에 매우 유익할 뿐 아니라, 결로현상을 방지하는 기능을 수행하기도 한다.

넷째, 단열성이 우수하여 에너지 절약이 가능하다.

다섯째, 가공성 및 작업성이 용이하여, 작업시 고도의 전문지식을 필요로 하지 않으며, 노동력을 절감할 수 있다.

3. 목재와 주거환경

가. 목재와 온도환경

재료의 온도조절 성능을 나타내는 실온변동비는 목재가 콘크리트, 흙, 벽돌, 유리섬유, 스티로폼 등에 비하여 적다. 목조주택의 내부온도는 콘크리트주택에 비하여 여름에는 낮으며 겨울에는 높게 유지된다. 목조주택 중에서는 많은 양의 목재가 사용된 구조에서 우수한 온도조절 성능을 나타내고 있다. 목재는 수많은 세포들로 이루어져 구조적으로 우수한 성능을 나타내며 세포내강의 공기층들이 높은 단열성능을 나타내게 한다. 또한 현대식 경골 목구조에서는 스터드, 장선, 서까래 등의 골조부재 사이에 단열재를 설치할 수 있는 공간이 확보되므로 구조체 자체의 두께를 줄이고 내부 공간을 넓게 확보하면서도 만족할만한 단열성능을 나타내고 있다.

<그림> 난방 방법에 따른 실내 온도분포

나. 목재와 습도환경

실내의 습도환경은 쾌적한 생활과 신체의 질병 그리고 위생면에서 대단히 중요하다. 목재는 대기중의 습도에 따라서 수분을 흡습하거나 방습하는 성질을 가지고 있다. 따라서 실내에 많은 목재가 노출될수록 외기의 습도변화에 대한 실내의 습도변동이 줄어들게 된다. 이러한 습도조절 효과는 목재가 두꺼울수록 크다. 습도조절에 적합한 목재의 두께는 습도의 변동주기에 따라서 달라지며 변동주기가 길수록 두꺼운 목재가 요구된다. 여러 가지 내장재 중에서 목재 및 목질재료의 조습성능이 가장 우수하기 때문에 실내에 노출되는 목재의 양이 많을수록 바람직한 습도환경인 60% 정도를 유지하게 한다. 주택의 단열화와 기밀화로 인하여 주택 내부에서 일상생활 중에 발생되는 수분의 배출이 어려워짐에 따라 내장재료의 조습성능이 더욱 필요하다고 할 수 있다. 실내의 습도조절을 위해서는 가능한 한 많은 목재 및 목질재료를 사용하고 환기를 자주 시켜주어야 한다.

목조벽체의 내부에서 결로가 발생되지 않도록 하기 위해서는 목조벽체의 단열과 수분의 통과를 방지할 수 있는 방습층이 부착된 단열재의 사용과 수분이 빠져나갈 수 있는 틈새를 메우는 작업이 필요하다.

다. 목재와 음환경

주거환경 중에서 가장 큰 불만요인은 소음환경이다. 외부로부터의 소음에 대해서는 콘크리트 주택의 불만족도가 높으며 위층으로부터의 충격음에 대하여는 목조주택이나 철골조주택에서 불만족도가 높게 나타난다. 콘크리트 주택에서 외부로부터의 소음에 대하여 불만족도가 높은 것은 비록 차음성은 좋지만 주택건축재료의 흡음성이 나쁘고 실내의 잔향시간이 길기 때문인 것으로 생각된다. 목조주택의 건축자재들은 흠음률이 높으며 실내의 음이 울리지 않고 빠른 시간내에 감쇠되며 잔향시간이 짧다. 위층으로부터의 바닥 충격음은 목조주택에서 불만족도가 높게 나타나는데 주로 보행이나 어린이들의 놀이, 가구나 물건의 이동 등에 의하여 충격음이 초래된다. 목조주택의 바닥 충격음은 바닥의 진동과 아울러 아래층 천장이나 벽체의 진동으로 전달된다. 바닥 충격음은 두껍고 무거운 바닥의 사용으로 줄일 수 있으나 너무 무거운 바닥은 과도한 변형을 초래할 수 있다. 목조주택에서는 구조를 바꾸거나 차음층의 설치, 완충작용을 하는 바닥층의 설치 등을 통하여 바닥충격음을 적정 수준까지 낮출 수 있다.

소리는 들을 수 있는 가청역의 소리와 들을 수 없는 초음파역의 소리로 나눌 수 있다. 20∼30kHz 범위의 초음파음은 주로 자연의 소리에 풍부하게 포함되어 있으며 사람의 심신을 상쾌하게 하여주는 효과를 나타낸다. 목조주택은 콘크리트 주택에 비하여 차음성이 떨어지지만 초음파역의 음이 많이 통과되어 실내로 전달되는 특성을 지닌다. 따라서 목조주택은 실내에서도 자연의 풍부한 초음파음을 듣게 되므로 주택의 소음환경에 대한 만족도가 콘크리트 주택에 비하여 높게 나타난다.

라. 목재와 공기환경

재료를 냄새와 시각으로 평가하게 되면 목재가 다른 재료들보다 우수하게 평가된다. 목질재료가 내장재로 사용되는 경우에 포르말린 방산에 주의하여야 한다. 포르말린의 방산량은 재료의 종류, 사용장소, 기온, 접착제의 종류, 도포량, 경화제, 열압조건, 저장기간 등에 따라서 달라진다. 특히 요소계의 수지를 사용할 경우에는 심각한 문제가 초래될 수 있다. 현재 세계 각국에서는 포르말린 방산량을 줄이고자 하는 끊임없는 연구와 노력이 이루어지고 있다. 자연계에는 방사선을 방출하는 많은 재료들이 있으며, 그 중에 대표적인 것이 토양과 시멘트이다. 자연방사선중에서 가장 많은 양을 차지하는 것이 라돈이며 이 방사선은 암발생의 원인이 될 수 있다. 재료들 중에서 시멘트계 재료와 흙은 목재보다 수십배 많은 방사선 방산량을 보이며 석고보드류 중 일부는 더 많은 방사선 방산량을 보이고 있다. 콘크리트주택의 실내 라돈농도는 목조주택보다 2배정도 높으며 목조주택에서는 마루 밑의 토양이 주된 방사선 발산의 요인이 되고 있다. 주택내의 라돈농도를 줄이기 위해서는 가능하면 시멘트계의 재료사용을 줄이고 목재의 사용을 늘리며 마루밑의 토양은 덮어주고 마루밑이나 실내의 환기를 효율적으로 실시하여야 한다.

4. 목조건축의 구조

가. 목조주택의 분류와 그 역사

목조주택은 인류의 역사와 더불어 존재해 왔으며, 오랜 동안 변천을 거듭하면서 구조, 공법 및 혜택 상에서 꾸준히 변화해 왔다. 북미지역에서는 대부분의 주택이 목조로 지어지고 있고, 호주, 뉴질랜드, 일본 등 세계 각지에서 목조주택이 보급되고 있다. 최근에는 목조주택이 거의 보급되지 않던 중국, 대만 등 아시아 지역에서도 목조주택에 대한 관심이 높아지고 있다. 이러한 추세와 더불어 우리 나라에서도 목조주택에 대한 관심도가 고조되고 있는 실정을 감안할 때 목조주택에 관한 잘못된 인식을 바로하여 선택의 오류를 범하지 않도록 하는 것이 매우 중요한 일이라 생각된다. 현재 사용되고 있는 목조주택을 공법 중심으로 분류하여, 간단하게 그 역사를 살펴보자.

목조주택은 나무를 구조재로 하여 지어진 건축물을 말하며, 구조재로 사용된 목재의 규격, 크기 및 시공방법에 따라 기둥-보 공법(Post & Beam), 경량 목조주택(Light Frame House), 통나무공법(Log House) 등으로 분류된다.

(1) 기둥-보 구조(Post and Beam Construction)

이 공법은 들보, 도리 등의 횡재와 기둥으로 이루어진 구조로서, 한옥 등을 포함하는 우리의 전통적인 목조 건물에 적용되어 온 공법이다. 외국에서도 가장 오래된 공법의 하나로, 세부적으로는 오랜 시간이 지나면서 많은 변화가 있었으나, 횡재와 기둥을 통한 하중전달을 기본으로 하고 있는 점은 변함이 없다. 또한 이 공법은 일반적으로 우리에게 널리 알려진 공법으로 목조주택이라 하면 이 공법에 의한 건물을 연상시키기도 한다.

현대에 이르러서는 전형적인 플랫폼 구조와 혼용되어 사용되며 그러한 경우 골조구조를 이루게 된다. 현대적인 기둥-보 구조의 장점은 첫째, 적은 수의 대단면 부재를 사용하므로 칸사이를 늘릴 수 있고 자재와 인력을 절감할 수 있다. 둘째, 목재를 노출하게 되어 목재의 수려한 질감을 자연스럽게 표현할 수 있다. 셋째, 지붕구조를 바닥이나 벽체보다 먼저 구축할 수 있어 작업에 많은 도움을 줄 수 있다. 즉, 기초가 타설된 후 기둥과 보 부재로 지붕구조를 지지하게 되어 가설의 내부작업공간, 자재창고 등의 기능을 제공할 수 있게 된다.
기둥-보 구조는 플랫폼 구조에 비해 다소 어려운 구조로 여겨지는데, 보와 보, 보와 기둥의 연결부위 설계와 시공에 주의가 요구된다. 또한 건물의 모든 하중이 결합부위로 전달되므로 결합부위의 설계는 건물의 구조 안정성에 치명적인 것이 된다. 따라서 하중을 부담하게 될 기둥을 배열할 때 내력벽이나 대각 가새의 사용을 적절히 고려해야 한다. 기둥사이에 걸쳐지는 보는 대규모의 개구부를 형성할 수 있게 한다. 이러한 개구부는 비내력 경량 칸막이 벽이나 대형 유리창으로 구성될 수 있다.

기둥-보 방식의 단점으로는 플랫폼 구조에 비해 전기나 기계설비의 매설을 위한 감추어진 공간이 없다는 것이다. 따라서 상부 덕트와 같은 설비라인이 그대로 노출되거나 천장을 낮게 마감해야 되는 난점이 있다. 또한 수직설비를 위한 별도의 설계가 요구된다.

(2) 중(重)목구조 방식(Heavy Timber Framing System)

이 구조 방식은 기본적으로 기둥-보 방식의 원리와 동일하다. 가장 커다란 차이점은 구조용 목재가 통재(Heavy timber)로 분류되는 최소한의 규격을 지니는 목재들로 구성된다는 점이다. 중목구조의 규정에 요구되는 부재의 최소규격은 화재시 구조체의 안전을 보장할 수 있어야 한다. 목재가 화염에 휩싸였을 때 검게 그을린 탄소피막은 방화막을 형성하여 목구조 부재가 일정한 시간동안 구조 성능을 유지할 수 있게 하는 것이 이 구조의 기본 개념이다. 이러한 특징의 중목구조는 목재를 구조재와 동시에 수장재로 사용하고자 할 때 많이 사용되고 있다. 예를 들어 부드러운 목재의 질감을 표현하고자 하는 레스토랑, 호텔 혹은 스키산장과 같은 전원풍의 건축물들에서 사용되고 있다. 이러한 건축물들이 지녀야 할 분위기에는 중목구조가 가장 적합하다.

중목구조의 적용 원칙 가운에 또다른 중요한 기준은 높은 내화성능을 요구하는 집회시설 등에 적용되는 건축법 규정이다. 내화구조로 건축되어야 하는 실내 체육관 같은 것이 규정된 범위와 설비 등을 갖추게 되면 지붕구조에 중목구조를 사용할 수 있게 한다. 실례로 워싱턴주의 타코마 돔은 직경 160m에 달하는 공간을 중목구조의 지붕으로 구성하고 있다. 이 돔의 지붕은 집성재를 삼각형으로 기성화하여 지오데식 돔으로 구성한 골조위에 합판으로 마감한 최대의 목조건축물이다.

<그림> 타코마 돔

(3) 경골공법(Light-Frame Construction)

이 공법은 바닥판과 내력벽에 의하여 건물을 일체화하는 방법으로, 목재로 짜여진 틀에 합판 등의 판재를 붙인 바닥 및 벽에 의해 건축하는 공법이다. 이는 북미에서 약 150년의 역사를 가진 목조공법으로서, 초기에는 balloon 공법, braced-frame 공법이 사용되었으나, 1920년대부터 platform 공법이 완성되었다. 이 후 이 공법이 북미지역 목조주택의 중심을 이루는 공법이 되었다. 현재, 북미지역에서는 90% 이상의 주택이 이 공법에 의해 세워지고 있다.

(가) 발룬구조(Balloon Framing) - 1830년경, 시카고의 엔지니어이며 목재상이었던 스노우씨(George W. Snow)가 칸막이 벽체의 소단면 각재의 프레임이 구조체에 전달되는 하중을 지지하기에 충분하다는 것을 깨닫고 발룬구조를 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 불리우는 이유는 구조방식의 우수성과 건물을 가볍게 구성하여 풍선처럼 날아갈 듯한 인상에서 비롯하였다.

이 구조의 약점은 층간 벽체와 바닥 장선의 결합방식이 화염 진행을 적절하게 차단하지 못한다는 것이다. 또한 스터드의 길이가 길어 시공시 다루기가 힘든 약점이 있어 현재에는 거의 사용되지 않고 있다.

(나) 플랫폼 구조(Platform Framing 2×4) - 발룬구조의 약점인 내화성능과 시공상의 불편함을 보완한 새로운 구조방식으로 플랫폼 구조가 개발되었다. 현재 시공되는 경량목구조의 대부분을 차지하는 방식으로 콘크리트 줄기초 위에 평탄한 1층 바닥을 만들고 그 위에서 1층 벽체를 제작하여 조립 설치한다. 다음층의 벽체는 하층부의 벽체 위에 새로운 평탄한 바닥을 만든 뒤 최상층 벽체 상부에 지붕 서까래와 천장틀을 설치한다. 벽의 스터드 부재는 외벽에 2×6 또는 2×4, 내벽에 2×4의 규격재가 16" 간격으로 설치되고 스터드 사이에 단열재를 채우는 방법이다. 이 구조의 장점은 첫째, 구조부재의 길이가 짧고 가벼워서 작업이 용이하다. 둘째, 평탄한 플랫폼 위에서 벽체의 제작 및 조립이 이루어져 작업의 신속성과 정확성이 높다. 셋째, 플랫폼 바닥구조는 하층부와 상층부의 방화막 역할이 가능하다는 점이다. 플랫폼이 구성하는 방화막은 발룬 구조에서 추가적으로 소요되었던 방화용 깔판의 설치를 위한 인력과 시간을 절감하였다.

(다) 공장 조립식 패널공법(Pre-fabricated Panel Construction) - 이 공법은 건축물을 구성하는 바닥, 벽, 지붕 등의 각 부분을 공장에서 패널로 제작하여 현장에서 조립 또는 연결하는 공법으로 우리나라에서도 최근에 많이 보급되고 있는 PC 공법과 기본적으로 동일한 개념에서 출발한다고 할 수 있다. 현장에서의 인력을 최소화하고 공장에서 대량생산에 의한 공사비 절감효과를 얻기 위해 개발된 방법이다.

구조부재를 단위화 하는 패널공법은 공장에서 대량생산하여 현장으로 운반된다. 이러한 구조부재는 벽체, 바닥, 지붕과 같은 건축의 모든 부위를 기성화할 수 있는 것이다. 현장에서는 소수의 인력과 소형의 이동크레인 만으로도 쉽게 조립하며, 단층주택의 경우에는 대개 하루만에 조립한다. 통상 단독주택에 사용되는 바닥과 지붕구조는 공장제 트러스와 함께 사용하여 긴 스팬을 형성하게 하고 내부의 내력벽이나 기초를 줄이게 한다. 이러한 패널에는 다음과 같은 세가지 유형으로 나뉜다.

1) 내력패널(Framed Panel) - 기본적으로 경량 목구조의 구조개념에 의한다. 현장에서 조립되는 공법과의 차이점은 구조체를 공장에서 제작하여 현장으로 운반하게 된다는 것이다. 기본적인 패널은 스터드와 상하부 두겁대(plate) 그리고 외부 합판재로 구성된다. 패널의 크기는 일반적인 층고인 8피트의 높이를 지니는데 그 길이는 운송여건에 의해서만 제약을 받게 된다. 이러한 내력패널은 문, 창문, 사이딩, 단열재 그리고 설비배관 등이 공장에서 미리 설치되어 현장 작업을 크게 줄일 수 있게 한다.

2) 가압판 패널(Stressed Skin Panel) - 경량 목구조의 내부 벽체용으로 사용되는데 양면에 합판이나 OSB로 마감된 소규모 내력패널이다. 벽체에 작용하는 응력을 내부의 목재 프레임보다는 양면의 합판재가 부담한다.

3) 샌드위치 패널(Sandwich Panel) - 기본적으로 가압판 패널과 비슷하나 내부의 프레임이 목재가 아닌 스티로폼과 같은 단열재에 합판 등을 부착하여 제작하는데, 외부면에 합판이나 OSB를 사용하여 구조적으로 가압판 패널과 동일한 기능을 지니게 한다. 내부면에는 석고보드를 사용하여 평활한 마감면을 형성하게 하며 이때는 내력패널의 기능을 상실하고 비내력 칸막이벽으로 구성된다. 이러한 비내력 칸막이벽은 기둥-보 방식에서 벽체를 구성하는데 주로 사용된다.

<그림> 공장제 패널방식

(4) 통나무 조립공법(Log Construction)

이 공법은 흔히 통나무집으로 알려져 있는 방법으로 비교적 원목에 가까운 단면을 가진 부재를 수평으로 겹쳐 쌓아서 벽체를 구성한다. 현재 보급되고 있는 통나무 조립공법은 계통적으로 북구계와 북미계로 대별되고 있으며, 사용되는 부재의 단면 형상은 이전의 원형에 가까운 형상으로부터 사각형에 가까운 형상까지 매우 다양한 형상을 띠고 있다. 통나무 구조는 수평목을 내력벽으로 하고 바닥이나 지붕 구조는 2×4 경량 목구조와 동일한 구조로 구성된다. 벽체가 통나무를 쌓은 구조이기 때문에 1개 층 높이에서 7∼12cm의 침하가 장기적으로 발생하게 되므로 창문틀 등의 개구부에는 침하를 고려하여 설계하여야 한다. 통나무 구조는 통재와 통재가 접합되는 부위의 접합방식에 의해 구조 성능이 다른데 초기에는 Saddle Joint가 사용되다가 이후 Square, V-notched, Dovetail 방식 등의 맞춤법이 개발되었다. 통나무 구조의 특징은 구조목이 실내외 마감으로 노출되기 때문에 산장이나 식당 등 자연속의 집에 잘 어울린다.

<그림> 통나무 조립공법

우리의 주택건설현황과 여건 등을 감안하여 이들 공법들의 특징을 살펴보면 우리의 실정에 가장 적합한 것은 경골공법에 의한 목조주택이라고 여겨진다.

나. 경량 목조주택의 시공방법상 분류

경량 목조주택의 가장 두드러진 특징은 사용된 각재 및 판재(주로 합판 또는 OSB)의 규격이 표준화되어 있고 용도별로 규격화되어 생산된다는 점이다. 이와 같은 규격화된 자재를 이용해서 4가지 형태로 건축된다.

(1) 현장 건축(Site Construction) - 공사 현장에서 규격화된 목재를 이용하여 건축하는 방법이다. 특징은 사용된 건축자재가 모두 규격화, 표준화되어 있으며, 시공과정 중 설계변경 등이 가능하다. 고급 주택일수록 이 방법에 의해 시공되며 미국과 같은 경우 가장 많이 응용되는 목조주택 방식이다.

(2) 공장 조립식 주택(Profabricated System) - 건축물의 주요 구조체 즉, 바닥체, 벽체 및 지붕을 공장에서 제작하여 공사현장으로 옮겨 조립하는 건축방식이다. 이와 같이 주요 구조체를 사전에 공장에서 조립하여 지어진 방식이라하여 Prefabricated 또는 Panelized 시스템이라 하며 조립식 목조주택이라 함은 바로 이 방식에 의한 주택을 말한다. 건축공기를 단축할 수 있고 대량 보급이 용이하며 주요 구조체를 공장에서 제작하기 때문에 시공상 과학적인 관리가 가능한 장점이 있다.

(3) 모듈러 홈(Modoular Home) - 공간을 단위화한 두 개 이상의 구조체(모빌홈)를 공장에서 제작하여 현장으로 반입하고 크레인을 이용하여 상자를 쌓는 식으로 건축하는 조립식 주택이다. 미리 타설된 콘크리트 기초위에 구조체를 고정시키고 각종 설비라인을 연결하여 주택을 완성하는 것으로 일반적으로 현장에서 건축되는 경량 목조주택의 질과 유사한 정도의 수준을 지닌다.

(4) 모빌홈(Mobile Home) - 모빌홈은 이동식 주택이라고 불리우는 조립식 주택이다. 모빌홈은 현장에서 구조체를 안정시키기 위하여 잭이나 가재로 구조체를 지지해주고 전기나 상하수도의 설비 연결작업만이 필요하다. 고려해야 할 것으로 이동시 도로여건과, 상시용 주거보다는 건축물의 수명이 짧기 때문에 저렴한 자재 선택이 요구된다.

다. 목조주택의 화재안전성

주택에서의 화재에 대한 안전성의 개념은 종종 불연성과 혼동되어 사용되고 있다. 그러나 이 두가지 용어는 서로 상이한 뜻을 지니고 있기 때문에 반드시 구별되어야 하며, 그 구별이 분명치 않으면 오해가 생길 여지가 있다. 불연성이란 불에 타지 않는 재료의 사용을 의미한다. 건축물에서의 화재는 어떤 구조(목조, 콘크리트 및 철골)에서든지 그 발단이 건축물 내부의 가연성 재료들로부터 시작된다. 건축물은 그 내부에 사람이 거주하는 것이 목적이기 때문에 화재의 원인이 될 수 있는 가연성 재료들이 항상 존재하게 된다. 그러므로 구조재료 자체에는 불연성의 재료가 있으나 건축물 전체를 놓고 본다면 불연성의 건축물은 있을 수 없는 것이다. 화재사고에서 보면 구조재료의 불연성 여부가 중요한 것이 아니고 인명피해의 대부분이 건축물 내부의 가연성 재료의 연소에 따른 유독가스 및 연기의 발생에 의한 것임을 알 수 있다.

화재에 대한 안전성은 1) 화재의 예방, 2) 화재의 조기발견, 3) 화재의 조기진화, 4) 사람이 대피할 수 있는 시간동안 화재 확산 지연, 5) 건축물의 붕괴방지를 의미한다. 주거용 건축물에서는 구조재료의 불연성보다 화재 안전성에 더 중점을 두어야 하며, 건축물의 구조재료는 화재안전성의 다섯가지 요소들 중에서 네 번째와 다섯 번째에 관련된다고 할 수 있다. 목재는 연소되기 위해 몇 가지의 단계를 거쳐야 한다. 먼저 나무의 온도가 올라가면 나무 내부의 물이 끓기 시작하고 물이 증발되며, 온도가 더욱 올라가서 약 260℃에 달하면 나무의 탄화가 시작된다. 온도가 더욱 증가되면 나무의 증류에 의한 휘발성 가스의 발생이 시작되며, 약 400℃ 이상에 이르면 이 휘발성 가스에 불이 붙고 탄화된 부분의 탄소성분이 공기중의 산소와 결합하여 열과 빛을 내고 일산화탄소를 발생시키며 연소되는 것이다. 이와 같이 나무의 연소가 시작되기 위해서는 초기에 높은 열이 공급되어야 하며, 목재의 탄화, 증류 및 착화가 진행될 때까지 계속적으로 높은 온도가 유지되어야 한다. 목재는 건조된 것이라도 항상 내부에 수분이 존재하며 나무는 연소 전에 내부의 수분이 먼저 끓고 기화되며 가스와 동일한 온도까지 온도가 상승되어야 한다. 이 과정에서 많은 열을 흡수하게 되므로 수분이 많은 목재일수록 연소가 어려운 것이다.

(1) 대형 목구조물의 내화성능 - 단면의 치수가 큰 목재부재가 사용되는 구조물에서는 목재 구조부재 자체가 내화성능을 갖는다. 화재가 발생되어 구조부재에 열이 가해지면 부재의 표면은 탄화되나 오랜 시간이 경과된 후에도 내부에는 상당한 부분이 건전한 상태로 남아있게 된다. 이는 목재 자체의 높은 단열성능(알루미늄의 약 600배, 철의 약 150배, 콘크리트의 약 7배, 벽돌의 약 2배)과 부재 바깥쪽의 탄화층이 단열성능을 더하여주기 때문이다. 이러한 관계는 큰 치수의 목재(집성재) 기둥부재에 대한 내화성 시험으로 명확해 진다. 시험의 결과로 측정된 목재의 탄화속도는 4면에서 열을 받는 경우에 매분당 0.6∼0.7mm이다. 화재 발생시 건물 내부의 사람이 안전한 곳으로 피신하는 데에는 약 30분의 시간이면 충분하며, 일반적으로 건축규정에서는 주거용 건물에 30분의 내화성능을 요구하고 있다. 그러므로 구조설계에서 요구되는 단면의 치수보다 약 2.5cm 더 크게 한다면 30분간의 연소 후에 내부의 건전목재부분이 구조설계에서 요구하는 성능을 충분히 발휘할 수 있을 것이다.

목구조 부재는 자체의 내화성이 미약하기 때문에 외부에 내화성이 있는 재료를 덧붙여 내화성능을 높이게 된다. 일반적으로 가장 널리 사용되는 재료는 석고보드로서 미국과 일본의 경우에는 두께 12mm 이상의 석고보드 1겹, 두께 9mm 이상의 석고보드 2겹 또는 두께 7mm 이상의 석고보드 1겹에 두께 8mm 이상의 회반죽(plaster)을 바른 구조가 1시간 이상의 내화구조로 인정받고 있다. 이러한 구조에서는 석고보드 내부 목재 골조부분의 온도가 탄화온도인 약 260℃에 도달하기까지의 시간을 1시간 이상 지연시키며 따라서 주택의 구조부분은 사람이 피신하고 진화하기에 충분한 시간동안 그 기능을 유지할 수 있게 된다.

또한, 경골 목구조의 화재에서는 밀폐공간의 개념이 중요한 역할을 한다. 주택 내의 방에서 발생한 화재는 문과 창문이 닫혀있다면 인접한 다른 방으로 번지기 전에 산소부족으로 인하여 저절로 진화될 것이다. 이러한 개념에서는 문과 창문의 내화성능이 중요한 역할을 하게 된다. 경골구조의 골조에서 스터드, 장선 또는 서까래와 같이 길게 연속된 부재들의 사이에는 일정한 간격으로 보막이가 사용되는 데 이는 구조성능의 향상 뿐 아니라 화재시에는 불길이 이 공간을 타고 번지는 것을 막아주는 화재 번짐막의 역학을 담당하게 된다.

(2) 내화처리목재의 사용 - 일반적인 주거용 건물에서는 이상의 2가지 내화성능 중의 하나로 충분하지만 화재발생시에 특히 위험이 크다거나 화재 안전성이 아주 높게 요구되는 건축물에서는 내화처리목재를 사용할 수 있다. 내화처리약제는 종류에 따라서 탈수작용, 가스작용, 피부작용, 흡열작용, 방열작용 및 단열작용 중 한가지 또는 몇가지의 복합작용에 의하여 화재에 대한 저항성을 제공한다. 내화약제에는 여러 가지 종류가 있으며, 일반적으로 단일약제보다는 혼합약제가 더욱 좋은 내화성능을 나타낸다. 약제의 주입방법은 도포 또는 침지에 의한 방법과 가압식 주입법이 있으며, 처리방법은 도포 또는 침지법이 쉽고 간단하나 내화효과는 가압식 주입법이 월등하다.

(3) 내장재로서의 목재의 사용 - 미국의 대표적인 건축규정인 Basic National Building Code, Uniform Building Code, 및 Standard Building Code 그리고 미국 임산물협회의 101 Life Safety Code 등에서는 ASTM E 84의 방법에 의하여 시험한 화재확산등급 수치로 200 이하의 재료를 건축물의 내장재로 사용하도록 정하고 있다. 대부분의 무처리 목재들은 화재확산등급이 200 이하로 이들 규정에 적합하며 따라서 대부분의 건축물 내장에 그대로 사용될 수 있다. 화재확산등급은 대체로 소나무류가 약간 높게 나타나며 삼나무, 느릅나무, 호도나무, 백송 등이 비교적 낮은 값을 나타낸다.

이상에서 살펴본 바와 같이 건축물에서는 구조부재의 불연성보다는 예방, 조기발견 및 진화 그리고 대피 등의 종합적 대책에 의한 화재안전성이 중요한 고려사항이다. 그리고 화재하에서의 구조적인 안전성, 화재의 확산지연 및 방지가 중요한 요인이며 이러한 측면에서 본다면 목조건축물들은 뛰어난 내화성능을 지니고 있다.

라. 목구조 건축물의 내진성

태평양 연안국가들에서 많은 지진이 발생한다는 것은 잘 아려진 사실이다. 이러한 지진으로 인한 피해는 우리의 상상을 초월할 정도로 막대하다. 목구조가 제대로 건축되는 경우에 이러한 지진에 매우 강한 저항능력을 갖는다는 것은 오랜 기간동안의 연구와 지진 피해지역에 대한 조사 결과로 증명되었다. 지진에 의하여 작용하는 하중의 크기는 건축물의 무게에 비례한다. 따라서 목구조는 가벼우므로 건축물에 작용하는 지진하중의 크기를 감소시키고 목재자체의 유연성과 연결시키는 못결합부의 탄성 및 감쇠능력에 의하여 건물에 전달되는 지진 에너지의 상당부분이 흡수 또는 발산되므로 충격을 완화시키는 작용을 한다.

<그림> 지진에 강한 목구조

마. 목구조 건축물의 태풍 안전성

세계 여러 나라에는 태풍, 돌풍, 허리케인 등과 같은 강한 바람이 종종 나타난다. 이러한 종류의 강한 바람은 건물의 측면에 수평하중을 가함으로서 건물을 넘어뜨리거나 또는 지붕부분에 큰 피해를 발생시킨다. 목구조는 가볍기 때문에 이러한 바람에 의한 피해에 약한 면이 있으나 각 구조부재 사이의 올바른 결합에 의하여 태풍과 같은 강한 바람하중에 충분히 저항할 수 있는 구조체를 형성할 수 있다. 지금까지 바람피해를 입은 목조주택에 대한 조사 결과를 보면 대부분의 피해는 부적절한 설계 및 시공에 원인이 있는 것으로 나타났다. 설계사나 시공자들은 적은 부분일지라도 목조건축 규정의 못질 방법이나 일반 설계상식을 간과하므로 돌이킬 수 없는 큰 피해를 초래할 수 있다는 것을 명심하여야 한다.

목구조의 구조성능은 크게 나누어 기초, 바닥, 벽 및 지붕의 4개 요소로 나타난다. 여기에서 주의할 점은 이들 4개 요소들의 구성이 완벽할 뿐 아니라 각 구성요소들 사이의 결합부도 중요한 요인이 된다는 사실이다. 목구조는 땅밑의 기초에서부터 지붕끝까지 모든 구조가 일체화되어 하나의 구조체로 작용할 때 지진이나 태풍 등과 같은 강한 하중에 충분히 저항할 수 있는 강도를 지니게 된다. 기초는 지진하중이나 수직하중의 저항에 매우 중요한 요소이다. 특히 지상의 목구조부와 기초사이의 결합부 구성에 세심한 주의를 기울이지 않으면 건물 전체의 과도한 변형이나 붕괴를 초래할 수 있다. 이 부위에 고정볼트나 강철띠쇠를 사용할 때에는 반드시 구조설계 및 사용지침서 상의 용량을 준수하여야 한다.

전단벽은 측면에서 작용하는 하중에 저항하는 주된 요소로 적당한 강도를 나타내기 위해서 외부의 합판덮개와 내부의 스터드 사이의 못질이 중요하며, 반드시 정확한 크기의 못을 정확한 위치에 요구되는 수만큼 사용하여야 한다. 벽덮개(합판 또는 OSB)의 부착에는 보통못이 사용되나 외벽널(siding)의 부착에는 아연도금장치못(galvanized box nail)과 같이 녹슬지 않는 못이 사용되어야 한다. 목구조에서 바람피해가 가장 많이 발생하는 부위는 지붕이나 지붕덮개 재료로 벽덮개와 마찬가지로 규정에 명시된 크기와 수의 못을 사용하여 정확하게 부착하여야 한다. 일반적으로 덮개재료의 측면부위에는 15cm 간격으로, 내부에는 30cm 간격으로 못질을 하는 것이 최소의 요건으로 구조설계에 따라서 필요한 경우에는 이 요건이 더욱 강화되어야 한다. 지붕의 끝부분은 특히 바람의 피해를 많이 받는 부위이므로 이 부위의 못 간격은 10cm(측면) 및 15cm(내부)로 강화되어야 하며 처마가 벽으로부터 30cm 이상 돌출되어서는 안된다.

바닥이나 수평지붕은 격판으로 설계되어 수평격판으로 작용하고 전단벽은 수직격판으로 기둥을 나타내어야 한다. 경골목구조에서는 이들 수평 및 수직격판이 상호 긴밀하게 결합되므로 수직 및 수평하중에 저항하는 상자형 구조(box system)를 이루게 된다. 따라서 이 상자가 올바른 강도를 나타내기 위해서 상자의 모든 면의 구조와 함께 각 면 사이의 결합이 완전하게 이루어져야 한다. 목구조는 지진과 바람 두가지 하중에 모두 강한 저항력을 나타내는 우수한 건축재료이지만 이 목적을 달성하기 위해 올바른 구조설계 및 시공방법을 터득하고 이를 준수하여야 한다.

5. 목조주택에 사용되는 목재의 품등구분

구조재의 품등은 육안적인 관찰에 의하여 적절하고 일관성있게 품등을 판정 표시하여 건축법을 따르고 있다. 또한 평가기준을 상대적으로 비교할 수 있도록 신뢰성있는 평가기준을 제공하고 동일 품등이라면 항상 같은 수준의 강도와 외관의 특성을 지닌 제품을 보증하는 기능을 제공하고 있다.

구조재로 이용되는 수종에는 더글러스-퍼-라치, 솔송나무, 엥겔만 스푸루스, 삼나무, 소나무류, 전나무 등이다. 이들 수종은 생육, 벌채, 조재, 유통이 혼재되어 있고, 용도, 품등 구분표시 등 상호 통용이 가능하다.

미국 서부지역 임산물 협의회의 품등표시인은 검정인, 제조회사, 품등, 수종, 함수율 등의 다섯 요소로 구성된다. 검정인은 제품이 미국 서부지역 임산물 협의회의 감독하에 품등이 판정되었음을 의미하고 제조회사인은 제품생산업체의 고유 번호나 상표로 표시하며, 품등명이나 그 약자로 품등표시를 한다. 품등인 표시 예는 다음과 같은 것이 있다.

수종인은 수종명 또는 수종의 그룹명을 적절한 기호로 표시하고, 함수율인은 S-GRN, S-DRY, MC 15 등으로 표시하며, S-GRN(Surfaced Green)은 평삭재로 함수율이 19%를 초과하는 표준크기의 건조재, S-DRY(Surfaced Dry)는 평삭건조재로 함수율이 19% 이하인 표준크기의 건조재, MC 15(Moisture Content 15%)는 함수율이 15% 이하의 표준크기 건조재를 의미한다.

제재품의 품등은 원목형질 및 제재과정에서 발생한 결함에 의해 결정되며, 이들의 종류, 크기, 분포밀도, 출현률, 위치 등이 종합적으로 고려되어 판정된다. 형질을 좌우하는 요인에는 옹이, 둥근모, 부후, 할렬, 분할, 길이굽음, 비틀림, 너비굽음 및 제조결함 등이 있다.

<그림> 제재품의 품등인 예

6. 설계하중

주택이 하중을 지지하는 원리에 따라서 크게 기둥-보 구조와 상자형 구조로 구분할 수 있다. 기둥-보 구조는 큰 치수의 기둥과 보로 구성되어 있으며 이들 수평 및 수직부재들이 하중을 지지하거나 전달시키고 기둥과 보 사이의 결합부가 측방하중에 의하여 발생하는 휨모멘트에 대한 저항능력을 제공한다. 상자형 구조는 벽식 구조라고도 하며 특별히 굵은 치수의 기둥이나 보가 없이 바닥, 지붕 및 벽 등의 면이 하중을 지지 또는 전달시키는 기능을 한다.

구조물에 작용하는 하중은 크게 수직하중과 측방하중으로 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. 측방하중은 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. 측방하중에 대하여는 건물 전체로 보았을 때 마치 하나의 외팔보와 같이 하중을 지지하며 최종적으로 외팔보의 지점에 해당되는 기초구조에서 모멘트와 측방하중을 지지하고 지반에 분산시키는 측방하중 저항구조를 이루게 된다.

가. 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 덮개재료(sheathing) 또는 갑판(decking)이 덮고 있는데 이들 덮개재료에 작용하는 하중이 수평보에 전달된다. 지붕의 작은 수평보로는 서까래, 장선, 보강재(stiffner), 보조도리(sub-purlin) 등을 들 수 있다. 이 작은 수평보들은 양 끝에서 중간크기의 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 잡석다짐을 통하여 지반에 분산된다.

상자형 구조에서는 지붕의 서까래 사이에 걸쳐있는 지붕덮개를 통하여 지붕하중이 서까래에 분산되고 서까래의 하중은 벽체의 위깔도리에 의하여 지지된다. 천장의 하중도 벽체의 위깔도리로 전달되고 이어서 벽체 하부의 밑깔도리로 전달된다. 밑깔도리로 전달된 하중은 바닥하중과 함께 토대로 전달되고 기초구조를 통하여 지반에 분산된다.

수직하중 저항구조에서는 덮개재료가 충분한 강성을 유지하면서 작용하는 하중을 수평부재에 골고루 분산시키는 역할을 수행하여야 하고 수평부재는 작용하중에 의한 휨응력과 전단응력을 견디면서 과도한 변형의 발생 없이 양쪽 끝의 지점에 하중을 전달시켜야 한다. 기둥이나 스터드 같은 수직부재는 작용하는 압축응력을 견뎌야 하며 옆으로 휘는 좌굴의 발생 없이 하부구조로 하중을 전달하여야 한다. 위깔도리나 밑깔도리와 같은 받침구조는 상부에서 작용하는 하중에 대한 횡압축강도가 중요한 고려인자이다. 일반적으로 수직하중 저항구조에서 결합부는 부재를 제 위치에 고정시키는 역할을 하며 구조적으로 중요성을 갖지 않지만 걸침구조에서는 결합부의 설계가 매우 중요하다. 수직부재와 수평부재가 만나는 경우에는 받침구조가 바람직하며 높이제한과 같은 여러 가지 요인에 의하여 수직부재의 측면에 수평부재를 부착하여야 하는 경우에는 결합철물을 사용하여야 한다.

나. 측방하중 저항구조

건물의 수직하중 저항구조는 장기하중에 의하여 서서히 변형이 증가하는 크리이프변형의 경우를 제외하고 일반적으로 건축 중 또는 건축 후 빠른 시간내에 그 안전성이 판가름난다. 그러나 측방하중 저항구조는 건물의 건축 후 태풍, 허리케인, 지진 등의 자연재해가 발생하기 전까지 그 안전성의 평가가 어려운 실정이다. 건물의 측방하중 저항구조가 불안정한 경우에 자연재해가 닥치게 되면 건물의 과도한 변형이나 구조적 붕괴가 급속히 진행되기 때문에 거주자의 생명이나 재산보호를 위해서도 측방하중 저항구조의 안전성 확보는 매우 중요한 과제라고 할 수 있다.

건물의 측방하중 저항구조는 그 기본원리에 따라서 세가지로 분류할 수 있다.

강성뼈대구조(rigid frame) - 주로 대형 목구조, 기둥-보 구조 등에서 적용되는 개념이다. 강성뼈대구조의 결합부는 회전이 불가능한 강성결합으로 이루어지고 측방하중은 구조부재인 보와 기둥의 휨에 의하여 지지된다. 수직트러스 또는 버팀구조라고 하며 수직트러스 내의 인장버팀재(tension brace)의 인장강도에 의하여 측방하중이 지지된다.

전단벽구조 - 벽체 전체 또는 일부가 전단력 저항요소로서의 기능을 가지며 벽체의 면전단 강도에 의하여 측방하중이 지지된다.

수직트러스 구조 - 초기의 경골목구조에서 경사가새(diagonal brace)가 사용되던 원리이며 오늘날에는 금속띠쇠를 대각선으로 사용하여 경사가새를 대신하기도 한다. 현대식 경골목구조에서는 거의 대부분 전단벽구조가 적용되고 있으며 목재골조 위에 합판이나 OSB와 같은 판재료를 덮어서 벽체를 구성한다.

<그림> 측방하중 저항구조

전단벽과 같이 경골목조 위에 구조용 덮개재료를 사용하여 측방하중을 지지하는 면구조로 만든 것을 격판(diaphragm)이라고 한다. 현대식 경골목구조는 상자형 구조로서 건물의 6면이 모두 격판으로 구성되어 측면에서 작용하는 하중을 효율적으로 지지하게 된다. 격판의 면전단강도에 의한 하중저항능력은 하중방향에 평행한 면을 통하여 발휘된다. 따라서 측방하중에 수직한 벽면의 덮개를 통하여 스터드로 전달된 하중이 상하의 수평격판에 전달되고 수평격판의 하중은 다시 양측면에서 측방하중에 평행한 양면의 전단벽에 전달된다. 이때 전단벽은 수직격판으로 작용하며 측방하중을 지지하게 된다. 건물의 측방하중 저항구조는 기본원리 중 한가지 또는 여러 가지가 복합적으로 적용될 수 있다.

격판은 측면에서 작용하는 하중을 덮개재료의 면전단강도(in-plane shear strength)로 지지한다. 이 경우에 뼈대부재와 덮개재료 사이의 못결합부가 하중의 지지능력에 결정적인 영향을 미치게 되는데 대부분의 경우에 덮개재료의 면전단 파괴 이전에 못결합부의 변형이나 파괴가 먼저 발생하게 된다. 따라서 격판구조를 적용하는 경우에는 덮개재료를 뼈대부재에 부착하는 못박기 방법이 명시되어야 하며 이를 준수하여야 올바른 측방하중 저항구조를 만들 수 있다.

<그림> 상자형 구조

다. 결합구조

구조물은 일반적으로 외부에서 작용하는 하중을 효과적으로 지지할 수 있도록 설계된 물체를 의미한다. 구조물 중에서 특히 주택은 구조부재들이 유기적으로 연결되어 내부공간을 충분히 확보하면서도 작용하는 하중을 지지할 수 있도록 설계되어야 한다. 철구조물은 용접이나 볼트 등의 사용으로 구조부재 사이를 연결시키고 콘크리트구조에서는 내부의 강화철근을 서로 연결시켜줌으로써 결합부를 구성한다.

목구조의 경우에는 목재부재 사이에 서로 파거나 깎고 다듬어서 끼워 맞추는 형식의 맞춤 결합구조와 부재끼리 맞대놓고 외부에서 철물을 사용하는 철물 결합구조가 사용될 수 있다. 과거에 철물이 발달되지 못한 시절에는 맞춤 결합구조가 유일한 대안이었으나 오늘날 여러 가지 철물의 발달로 인하여 일부 특수 구조를 제외하고는 철물 결합구조가 일반화되어 있다. 못의 대량생산이 가능해지면서 못은 목구조에서 가장 많이 사용되는 결합철물이 되었다. 그 외에 나사못, 볼트, 스파이크 등이 사용되며 최근에는 여러 가지 구조와 기능의 결합 띠쇠들이 개발되어 용도와 치수, 모양, 강도 등의 요건에 따라서 적당한 것을 골라서 쓸 수 있게 되었다.

목구조에서 수직하중 저항구조와 측방하중 저항구조를 효과적으로 구성하기 위하여 적절한 결합구조의 사용이 필수적이다. 따라서 목구조의 설계자들은 목구조를 구성하는 여러 가지 부재들에 대한 설계와 함께 부재 사이의 결합부에 대한 설계를 반드시 고려하여야 한다.

라. 영역

설계하중에 대하여 다루기에 앞서서 먼저 구조부재에 대한 영역(tributary area)의 개념에 대하여 알고 있어야 한다. 영역은 해당 구조부재에 하중을 전달하는 것으로 생각되는 면적이라고 정의될 수 있다. 큰보, 장선 등의 수평부재에 대한 영역은 양쪽에 인접한 부재들과의 거리의 절반에 해당하는 영역나비(tributary width)에 부재 길이를 곱하여 계산할 수 있다. 따라서 장선이나 서까래처럼 반복적으로 배치된 부재의 경우에는 부재의 배열간격이 영역나비가 된다.

기둥과 같이 수직한 부재의 경우도 인접한 다른 기둥들과의 중간점을 연결한 선으로 영역을 계산할 수 있다. 수평부재에 균일분포하중이 작용하는 경우에는 부재의 단위 길이당 작용하는 하중의 크기로 설계하중을 계산하는 것이 편리하다. 그러므로 단위 면적당 작용하중의 크기에 영역나비를 곱하여 주면 수평부재의 단위 길이당 작용하는 하중의 크기를 계산할 수 있다. 수직부재의 경우에는 그 단면의 도심을 통과하여 작용하는 집중하중으로 계산하며 단위면적당 작용하중의 크기에 해당부재에 대한 영역을 곱하면 설계하중을 구할 수 있다.

마. 설계하중

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

건물의 구조부재에 대한 설계는 일반적으로 건축되는 순서와는 반대로 이루어진다. 다시 말하면 건축은 제일 아래의 큰 부재에서부터 시작하여 위로 진행되어 올라가지만 구조설계는 제일 위쪽의 작은 부재에서부터 시작하여 아래로 내려가면서 이루어진다. 설계하중은 주로 UBC(Uniform Buildling Code)의 제 23장에서 주로 다루고 있으며 ANSI/ASCE 7-95, "건물 및 기타 구조물에 대한 최소설계하중(Minimum design loads for building and other structures)"에서도 설계하중에 대한 자세한 계산방법을 제시하고 있다. 우리 나라에서는 "건축물의 구조기준 등에 관한 규칙"의 제 2장에서 설계하중의 계산을 다루고 있다.

바. 수직하중

수직하중에는 사하중(고정하중, dead loads), 활하중(적재하중, live loads) 및 눈하중(설하중, snow loads) 등이 포함된다.

사하중은 구조물 자체의 무게와 함께 구조물에 영구적으로 부착된 모든 시설 및 재료의 무게를 포함한다. 활하중은 짧은 기간동안 구조물에 작용하는 하중으로 지붕활하중과 바닥활하중으로 구분할 수 있다. 눈하중은 적설에 의한 하중으로서 지역에 따라서 달라진다.

(1) 사하중(고정하중) - 사하중은 구조물을 구성하는 모든 재료와 구조물에 영구적으로 부착되는 모든 시설의 무게를 포함한다. 여기에 포함되는 항목으로 서까래, 장선, 기둥 등의 뼈대부재와 덮개재료, 단열재, 외장재, 내장재, 파이프, 자동소화시설, 냉방장치, 난방장치, 물탱크 등을 들 수 있다.

일반적으로 건물의 사하중은 단위면적당 무게로 계산되므로 각종 재료나 시설의 무게도 같은 단위로 변환시키는 것이 편리하다. 뼈대부재의 단위 길이당 무게를 알고 있는 경우에는 그 값을 부재사이의 간격 또는 그 부재에 대한 영역나비로 나누면 쉽게 단위면적당 하중의 크기로 변환시킬 수 있다. 일반적으로 널리 사용되는 목구조 뼈대부재의 치수와 간격에 대하여 각각의 경우에 상응하는 균일분포하중이 정해져 있다. 목조주택에서 목재 구조부재의 무게는 전체적인 설계하중에 비하면 매우 적은 값에 해당된다. 따라서 목재 구조부재의 무게를 계산하는 과정에서 생기는 오차는 일반적으로 최종 제품의 선택에 큰 영향을 미치지 않는다.

건물의 사하중을 계산하기 위하여 건물의 구조나 사용되는 재료의 종류와 특성에 대하여 알고 있어야 한다. 사용되는 재료의 두께와 품질에 따른 단위하중을 모두 더하면 해당부위에 대한 사하중의 크기를 계산할 수 있다.

(2) 활하중(적재하중) - 활하중은 건물이나 구조물의 사용 또는 그 내부에 거주함으로써 발생하는 수직하중을 말하며 여기에는 바람, 눈, 지진, 비, 홍수 등의 환경에 의한 하중이나 사하중은 포함되지 않는다.

활하중은 바닥활하중과 지붕활하중으로 구분할 수 있으며 바닥활하중에는 가구, 사람, 건축장비, 건축인력 등의 무게가 포함되고 지붕활하중에는 건축 또는 수리에 관련된 사람, 장비 및 자재의 무게와 화분이나 사람같이 건물의 수명 중에 위치를 옮기는 하중이 포함된다.

건축규정에는 일반적으로 건축물의 설계에 반드시 고려되어야 하는 지붕 또는 바닥활하중의 최소치를 정하여 놓았다.

활하중은 일반적으로 균일분포하중으로 고려되지만 특정 건물이나 건물의 일정부분에는 집중하중이 작용하게 된다.

(3) 눈하중 - 설계 눈하중의 결정순서는 다음과 같다. ① 건물의 지리적 위치에 따라서 지면눈하중(ground snow load)을 결정한다. ② 지붕의 노출조건(roof exposure), 지붕의 단열조건(roof thermal condition), 건물의 용도 등을 고려하여 지면눈하중으로부터 평지붕눈하중(flat roof snow load)을 계산한다. ③ 지붕의 경사를 고려한다. ④ 부분하중을 고려한다. ⑤ 불균형 하중을 고려한다. ⑥ 낮은 지붕과 지붕의 높낮이에 따른 부분적인 적설 하중을 고려한다. ⑦ 경사지붕에서 미끄러져 내리는 눈을 고려한다. ⑧ 눈 위에 내리는 비에 의한 추가적인 하중을 고려한다. ⑨ 물고임에 의한 불안정을 고려한다. ⑩ 기존의 건물에 인접하여 신축할 경우에는 기준 건물의 지붕구조를 고려한다. ⑪ 기타 지붕구조 및 입지를 고려한다. ⑫ 설계치를 초과하는 눈하중을 고려한다.

(4) 비하중(강우하중) - 지붕의 배수시설은 해당지역의 강우량을 충분히 감당할 수 있도록 설계되어야 한다.

사. 측방하중

측방하중에는 바람과 지진에 의한 하중이 포함된다. 만약에 건물의 각 구조부들이 측방하중을 지지하기에 충분한 강성과 강도를 지니고 있지 못하다면 건물은 과도한 찌그러짐 변형(racking)을 나타내거나 붕괴될 것이다. 건물 자체가 충분한 강도를 가지고 있는 경우라도 기초구조가 부실하여 작용하는 모멘트를 저항하기에 부족하다면 건물 전체가 기울어지거나 넘어지는 결과가 초래될 수 있다. 바람에 의하여 지붕구조에 국부적으로 상향력이 발생하면 지붕과 하부 벽체 사이의 결합부가 부실한 경우에는 지붕이 날아가거나 붕괴되는 피해가 발생할 수도 있다.

(1) 바람하중 - 설계 바람하중은 건물의 바람하중 저항구조나 건물의 각 부분 구조 또는 외장재료의 설계에 적용되고 계산된다. 바람하중의 계산은 공식에 의해 적용되고, 벽체의 노출조건에 따라 바람하중의 적용이 달라진다.

(2) 지진하중 - 지진은 측방하중의 원인중에서 바람과 함께 가장 중요한 요인으로 인정되고 있다. 그러나 우리 나라에는 지진이 거의 없고 소규모 건물에서는 지진의 위험도가 높지 않으며 목조주택은 지진에 대한 저항능력 및 진동을 흡수, 분산 및 감쇠시키는 능력이 뛰어나므로 크게 문제되지 않는다.

(3) 토양 및 정수압 - 지하실 벽이나 이와 유사한 지하층의 수직구조를 설계할 경우에는 인접한 토양에 의한 측방하중이 고려되어야 한다. 여기서 추가로 고정되거나 움직이는 물체에 의한 하중의 추가 가능성도 고려되어야 할 것이다. 인접한 토양의 일부 또는 전체가 자유수면 아래에 있는 경우에는 부력에 의하여 감소되는 토양의 무게와 총 정수압을 함께 고려한 계산이 이루어져야 한다.

아. 하중조합

건물에 작용하는 설계하중들은 각각 단독으로 작용하는 것이 아니고 몇가지 하중들이 동시에 작용할 수 있으며 그러한 경우에 건물은 안전성에 위협을 받게 된다. 그러므로 구조설계에서 고려되는 외력은 각각의 설계하중을 단독으로 취급하기보다는 동시에 발생할 가능성이 많은 하중조합들을 평가하여 그 중에서 가장 위험도가 높은 하중조합을 결정하여야 한다.

하중조합의 결정은 허용응력 설계법과 강도설계법(하중-저항인자 설계법)에 따라서 약간의 차이를 나타낸다.

7. 주택의 구조설계

주택 설계라 함은 평면도, 정면도, 좌우측면도, 단면도 등에 공간배치를 하여 주택의 형태나 구조를 결정하는 것이다. 그러나 구조설계라 함은 설계도면을 기초로 설계하중을 고려하여 각 부재의 등급 또는 치수를 결정하는 것이고, 특히 부재의 계산과 결합부의 설계가 매우 중요하다.

목구조에서는 다양한 설계가 가능하다. 예를들면, 하중의 증가에 따라 구조부재의 치수, 구조부재의 등급, 결합철물의 치수, 결합철물의 수를 증가시키거나, 결합철물의 종류를 변경시키거나 금속판의 사용 또는 치수를 증가하는 등 다양한 방법 중 목적에 적합한 것으로 선택하여 결정한다.

가. 구조설계시 유의사항

(1) 수평보에서 끝면을 직각으로 파면 단면이 급격히 좁아진다. 단면적의 급격한 변화시에는 응력의 집중으로 그 부위의 응력이 재료 강도를 초과하여 파괴를 초래하게 된다. 따라서 수평부재의 인장면(아래쪽)을 파야 할 경우에는 단면적의 감소가 점진적으로 일어나도록 원형으로 한다.

(2) 볼트는 목재의 길이방향으로 고정하면 안된다. 그것은 계절과 수분조건, 연간 함수율 변화 등에 의한 치수변화에 의해 수축과 팽윤을 억제할 수 있으며, 할렬 가능성이 있기 때문이다. 그리고 볼트는 받침면에 가깝게 위치하여야 한다.

(3) 배관 또는 배선을 위해 수평부재를 파야할 때는 가능하면 인장면 파임은 피하는 것이 좋다.

(4) 트러스의 결합부에서는 가능하면 하중이 편심되지 않도록 하여야 한다. 즉 부재의 중심이 일직선에서 만나도록 하여야 한다. 편심하중의 작용은 트러스의 휨모멘트를 발생시켜 사용도중 예측치 못한 파괴를 초래할 수도 있다.

(5) 결합부는 목구조에서 가장 취약한 부분이다. 바람, 지진에 의한 파괴는 대부분 결합부에서 파괴가 시작되어 부재방향으로 진행한다.

나. 결합부

결합부는 목구조에서 가장 약한 부분이므로 결합부의 설계가 가장 중요하다. 결합부는 여러 부재를 통하여 하중 및 응력이 집중되는 것이다. 목재조직의 불연속으로 인한 불연속점에 응력이 집중되기 때문에 예상외의 큰 응력이 작용한다. 결합부를 잘못 설계하면 목리에 수직한 인장응력이 발생할 수 있으며, 목재는 목리에 수직한 인장응력에 가장 취약하다. 도면상에서는 예측못한 부분이 건축현장의 여러 요인에 의해 응력이 증가하여 결합부의 파괴를 초래할 수 있다. 목구조의 구조성능 개선을 위해서는 결합부의 구조강화가 가장 중요하다.

목구조의 구조성능은 구조설계가 잘 되었을 때 강한 구조이며, 목구조에서 강도적으로 가장 취약한 결합부의 보강으로 목조주택의 구조성능을 개선하여야 한다. 목조주택 건축규정에 따르지 않을때는 경험에 의한 시공보다 구조설계에 따라 시공되어야 한다. 우리의 특성에 적합한 목조주택 구조를 만들기 위한 개발과 개선을 위해 끊임없는 노력을 기울여야 한다.

8. 구조설계의 원리

구조설계는 전통적으로 허용응력 설계법(allowable stress design, ASD)에 기초하여 이루어져 왔다. 그러나 근래에 이르러 신뢰성설계(reliability based design)와 극한설계(limit state design)법 등의 개념이 새롭게 대두되면서 이러한 방법들이 하중-저항인자 설계법(load and resistance factor design; LRFD)으로 정립되기에 이르렀다.

가. 허용응력 설계법(ASD)

허용응력 설계법의 기본은 외력에 의하여 구조부재 또는 결합부에 발생하는 응력이 해당부재나 결합부의 허용응력보다 커지지 않도록 구조를 조정하거나 부재의 선택, 배치 등의 결정을 하는 작업을 의미한다. ASD의 기본적인 과정은 다음과 같다.

① 설계하중의 결정 : 하중의 종류, 임계하중 조합의 결정

② 부재 또는 구조에 작용하는 응력 결정

③ 허용응력 계산

④ 부재의 수종, 등급, 치수, 간격 등의 결정 : 작용응력과 허용응력의 비교

(1) 구조용 제재목 - 구조용 제재목은 그 위에 찍한 등급인에 의하여 품질이 확인되어야 한다. 등급인에는 등급, 치수, 함수율, 등급구분기관, 제재소 등이 명시되어야 하며, 공인된 등급구분기관에 의하여 인정된 것임을 확인하여야 한다.

(2) 설계치 - 여러 가지 목재(수종, 등급, 치수)와 철물의 설계치가 도표화되어 있다. 이 도표의 값들이 허용응력 계산의 기초자료가 되며 이 값들은 일반적으로 해당재료에 대한 시험결과의 5% 하한치에 해당된다. 과거의 목재 설계치들은 주로 무결점 소시편에 대한 시험결과의 5% 하한치에 각각의 등급과 치수에서 허용되는 결점에 의한 강도감소 정도를 추정하여 그 값을 산출하였다. 그러나 점차 목재자원의 효율적 활용과 구조의 안전성 확보라는 두가지 관점이 강조되면서 보다 실제상황에 근접한 설계치를 얻기 위하여 실대재 시험이 광범위하게 실시되었다. 그 결과 오늘날의 설계치들은 각각의 등급에 대한 실제 크기의 시편에 대한 시험결과의 5% 하한치를 적용하여 산출된 값들이다.

(3) 설계치의 조정 - 각 부재나 결합부에 대한 허용응력을 계산하기 위해서는 설계치에 여러 가지 조정인자들을 적용하여야 한다. 목재의 역학적 성질에 대하여 적용되는 조정인자들은 다음 표와 같다.

(가) 하중기간인자, CD - 하중기간인자는 다른 재료들보다는 목재에 가장 현저하게 나타나는 하중기간에 따른 부재의 하중지지능력의 변화를 고려한 인자이다. 목재는 일반적으로 하중의 작용기간이 길어질수록 지지할 수 있는 하중의 크기가 작아진다. 정상하중기간(normal duration)이란 총설계하중이 10년의 누적된 하중 작용 기간 동안 부재에 계속적으로 또는 누적되어 작용하는 하중의 형태를 의미한다. 하중의 작용기간이 10년에 미치지 못할 경우에는 탄성계수 E와 횡압축응력 FC┴을 제외하고 나머지 응력들에는 표 4-2의 하중기간인자를 곱하여 준다. 하중조합에 대해서는 그 중에서 가장 짧은 기간의 하중에 대한 하중기간인자를 전체 하중조합에 적용한다.

<표> 하중기간인자, CD

비고 : 1.6 이상의 하중기간 인자를 수용성 방부제 및 내화약제 처리목재에 적용하여서는 안된다. 충격하중인자는 결합부에 적용되지 아니한다.

(나) 습윤사용인자, CM - 도표의 설계치는 함수율 19% 이하의 조건에서 사용되는 제재목과 함수율 16% 이하의 조건에서 사용되는 집성재에 적용되는 값이다. 구조부재의 사용조건이 이와 다를 경우에는 각 도표에서 명시된 습윤사용인자를 적용하여야 한다. 종받침 설계치의 도표값 Fg에는 이미 습윤사용조건이 포함되어 있다.

(다) 온도인자, Ct - 목재는 정상온도 이하로 내려가는 경우에 강도가 증가되고 온도가 올라가면 강도가 감소된다. 일반적으로 65℃ 정도의 온도까지는 짧은 기간동안 노출되더라도 온도가 정상으로 회복되면 목재의 강도는 원상으로 회복된다. 그러나 65℃ 정도의 온도에 장기간 노출되거나 또는 그 이상의 온도에 노출되면 목재의 강도에 영구적인 손실이 초래될 수 있으므로 이와 같은 조건에 목재 구조부재가 노출되지 않도록 주의하여야 한다. 65℃ 이하의 온도에서는 일정기간 동안 노출되더라도 높은 온도로 인하여 목재의 함수율이 감소되며 함수율 감소로 인한 목재의 강도증가가 온도증가로 인한 목재의 강도감소를 상쇄시킬 수 있다. 그러므로 65℃ 정도까지의 온도에 일정기간의 노출이 반복되는 경우에도 영구적인 강도감소는 없는 것으로 간주하며 다음 표의 온도인자를 적용하여 온도에 의한 강도감소를 고려해 준다.

<표> 온도인자, Ct

(라) 보안정인자, CL - 보안정인자는 휨하중을 받는 부재(보)의 측방안정성에 관련된 인자이다. 휨부재의 높이 d가 나비 b보다 크지 않을 때(d≤b)에는 CL=1.0을 적용한다. 부재의 압축면에 전체 길이에 걸쳐 덮개재료가 사용되므로 부재의 측방이동을 방지해주고 양 끝면 지점에 회전을 방지하기 위한 측방버팀대가 설치된 경우에도 CL=1.0을 적용한다. 그 외에 규정에서 요구되는 측방버팀대가 보의 중간에 설치되는 경우에도 CL=1.0을 적용한다. 이와 같은 요건에 부적합한 경우에는 구조계산을 통하여 적절한 보안정인자 값을 구한 다음 이를 적용하여야 한다. 집성재 휨부재에 대하여 보안정인자,CL와 부피인자,CV가 동시에 적용되어서는 안되며 두가지 중에서 더 작은 값이 사용되어야 한다.

(마) 치수인자, Cs - 목재는 치수가 커질수록 결점의 포함가능성이 높아지므로 동일등급 내에서도 치수에 따라서 조정이 필요하다. 규격재에 대한 치수인자와 보재 및 기둥재에 대한 치수인자는 서로 틀리며 그 값과 계산공식이 각 도표에 수록되어 있다.

(바) 부피인자, CV - 부피인자, CV는 집성재에만 적용되는 인자로 하중이 집성판(lamination)의 넓은 면에 평행하게 작용하는 경우에 사용한다. 부피인자는 도표에 수록된 별도의 계산공식에 의하여 구할 수 있다.

(사) 평면사용인자, Cfu - 규격재가 눕혀져서 넓은 면에 수직한 하중을 받는 경우에는 각 도표에 수록된 평면사용인자가 적용되어야 한다.

(아) 인사이징인자, Ci - 목재에 방부약제 주입을 위하여 인사이징 처리를 할 경우에는 인사이징 인자를 적용하여야 한다. 이 제한치를 넘는 인사이징 처리에 대해서는 시험에 의하여 인사이징 인자가 결정되어야 한다.

<표> 인사이징 인자, Ci

(자) 반복부재인자, Cr - 규격재가 장선, 서까래, 스터드, 트러스 현재, 갑판 등의 용도로 사용되어 부재 사이의 간격이 24" 이하이고 부재의 수가 3개 이상이며 설계하중을 지지하기에 충분한 구조용 덮개재료와 같은 하중분산요소에 의하여 서로 결합되어 있는 경우에는 부재사이에 복합작용에 의한 하중분담이 발생한다. 따라서 개별적으로 하나의 부재만이 사용된 경우보다 하중지지능력이 증가되며 이를 고려하여 반복부재인자를 적용한다. 규격재 휨부재에 대한 반복부재인자의 값은 Cr = 1.15이며 도표의 갑판재에는 이미 Cr = 1.15의 인자가 포함되어 있다.

(차) 곡률인자, Cc - 집성재의 만곡부위에 적용되는 인자로서 공식에 의하여 계산된 값을 휨설계치에 곱하여 준다.

(카) 형태인자, CF - 도표의 휨설계치는 사각형 단면을 가진 부재에 적용되는 값으로 원형단면의 부재 또는 정사각형 단면의 부재가 대각선 방향으로 하중을 지지하는 경우(다이아몬드형)에는 다음 표의 형태인자를 적용하여야 한다. 형태인자를 적용하므로써 원형 또는 다이아몬드형 부재가 같은 단면적의 정사각형 부재와 동일한 모멘트 저항능력을 갖도록 취급해 주는 것이다.

<표> 형태인자, CF

(타) 기둥안정인자, CP - 기둥안정인자를 도표의 종압축 설계치에 곱하여야 한다.

(파) 전단응력인자, CH - 도표의 종전단응력 값들은 해당등급의 부재에 허용되는 분할, 할렬 및 윤할에 대하여 감소된 값들이다. 각각의 부재에 발생한 분할의 길이와 할렬 및 윤할의 크기가 알려져있고, 그 크기의 증가가 예상되지 않는 경우에는 도표의 종전단응력에 각 도표에 수축된 전단응력인자를 곱할 수 있도록 허용되어야 한다.

(하) 좌굴강성인자 - 트러스의 압축현재로 사용되어 휨과 축압축응력을 받으면 좌굴강성인자를 곱할 수 있도록 허용되어야 한다.

(거) 받침면적인자 - 부재의 끝부분에 임의의 길이를 갖는 받침이나 길이 6" 이상인 받침에 적용된다.

(3) 구조설계

위의 항에서 결정된 허용응력과 부재에 작용하는 응력을 비교하여 작용응력의 크기가 허용응력을 초과하지 않도록 부재의 수종, 등급, 치수, 간격 등을 결정하는 교정을 구조설계라 한다.

나. 하중-저항인자 설계법(Load and Resistance Factor Design;LRFD)

건축물에 대한 구조설계법의 표준은 전통적인 허용응력 설계법에서 하중-저항인자 설계법으로 옮겨지고 있는 추세이다. 아직까지는 두가지 방법이 모두 사용되고 있지만 후자에 대한 이론이 점차 정립되고 새로운 표준이 설정되면서 후자의 중요성이 강조되고 있다. 기본적으로 허용응력 설계법과 하중-저항인자 설계법 사이에는 큰 차이는 없다.

허용응력 설계법에서는 허용응력의 크기가 매우 낮게 설정되며 작용하중도 재료의 수명기간 전체에 걸쳐 작용하는 것으로 가정된다. 이와 같이 함으로써 건물의 안전성을 확보하고 경제성도 함께 추구하였다. LRFD에서도 기본적인 방법은 비슷하지만 여기서는 재료의 저항력과 인자의 곱이 작용하중과 인자의 곱보다 커야 한다.

설계과정은 LRFD와 ASD가 비슷하지만 가장 큰 차이는 LRFD에서 적용되는 저항과 하중값이 수치적으로 ASD보다 매우 크다는 사실이다. 저항값은 안전계수에 의하여 감소되기보다는 실제 시험값에 근사한 크기를 가지며 하중효과에도 1.2∼1.6 범위의 하중인자를 곱하기 때문에 그 크기가 증가된다. LRFD에서 저항은 어떤 부재의 하중지지성능을 나타내며 강도는 재료의 성질을 나타낸다.

(1) 하중조합과 하중인자 - 구조물의 설계에서는 하중인자와 하중조합들이 고려되어야 한다.

(2) 저항인자 - 다양한 재료의 사용에 신뢰성과 융통성을 부여하기 위하여 각 재료들의 저항값에는 적당한 저항인자가 사용된다. 저항인자는 언제나 1보다 작으며 그 값은 신뢰성 확보를 위하여 감소되어야 하는 저항의 크기를 나타낸다. 목질재료와 목재 결합부에 대한 저항계수는 각각의 하중 종류에 따라 다르며 저항인자들을 곱하여 줌으로써 해당 제품에 있어서 서로 다른 응력 형태에 대하여 비슷한 신뢰도를 얻을 수 있다.

(3) 시간효과인자 - LRFD에서 시간효과인자는 ASD에서의 하중기간인자와 비슷한 의미를 지니며 각각의 하중조합에 대한 값이 달리 적용된다. 이 인자들은 재료 강도의 변이, 단계적 하중모형, 피해의 누적효과 등이 고려된 신뢰성 분석에 근거하여 결정되었다. 표준강도값은 단기하중 시험에 근거한 것이므로 피해의 누적이 발생하지 않은 하중조합에 대한 값은 1.0이 된다. 시간효과인자는 충격하중이 주된 하중조합에 대하여 적용되는 1.25부터 영구적인 사하중이 주로 작용하는 하중조합에 대한 0.6까지의 값을 갖는다.

(4) 기본조건 - 기본조건은 대부분의 목제품이 사용되는 보호된 건물 내에서의 사용조건을 의미하며 이러한 조건에 합당한 경우에는 함수율, 온도 및 기타 처리에 대한 설계치의 조정이 요구되지 않는다. 함수율에 대한 기본조건은 ASD의 경우와 동일하며 제재목은 19% 이하 그리고 집성재, I형 장선, 목질판상재료 및 기타 구조용 복합재료 등과 같이 접착 및 집성 제품들은 16% 이하로 정의된다. 온도에 대한 기본 조건도 ASD와 동일하다.

(5) 기타 설계의 고려사항 - 설계자들은 구조설계를 통한 안전성의 확보뿐만 아니라 사용편의성, 내구성 및 화재 안전성 등의 측면에 대하여도 관심을 가져야 한다.

9. 구조물로서의 목조주택

목조주택은 주요 구조부재가 목재로 이루어진 주택을 의미한다. 따라서 목조주택에서는 주택에 작용하는 여러 가지 하중들이 주택의 구조부를 구성하는 목재부재들과 목재결합부를 통하여 전달, 분산 및 지지된다. 목조주택에서는 하중을 지지하는 목재부재 및 결합부의 강성과 강도가 주택의 변형, 하자발생 또는 구조적 안전과 밀접히 관련되어 있기 때문에 구조부재 및 결합철물의 선택에 신중을 기하여야 한다.

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. 이러한 점을 이용하여 최근에 우리 나라에 도입되기 시작한 목조건축 분야에서는 국내 제재소에서 제재된 미건조목을 등급이나 강도의 고려없이 사용하므로 주택 전체의 장기적인 구조성능의 불안정을 초래하는 경우가 많이 발생하고 있다.

비록 목조주택에서는 건축 후 바로 나타나는 변형이 적을지라도 장기적으로 하중이 작용하는 상황하에서 주변 환경의 온도 및 습도가 변화되면 변형이 서서히 증가하는 크리이프 현상을 나타낸다. 따라서 등급과 치수, 함수율 등이 부적절한 목재를 주택의 구조부재로 사용하게 되면 장기하중 하에서의 과도한 변형으로 인하여 건축 후 상당한 시간이 흐른 다음에 하자나 과도한 변형 등이 발생하는 원인이 될 수 있다.

구조물로서 필요한 강도를 확보하기 위하여 정확한 자료에 근거한 구조계산이 필요하다. 구조물에 작용하는 하중의 종류, 크기, 방향, 성질 등을 종합하여 각 부재에 작용하는 인장, 압축, 휨 및 전단응력의 크기를 계산하고 이를 견딜 수 있는 수종, 치수 및 등급을 결정하게 된다. 이와 같은 구조계산의 적용을 위하여 먼저 구조용 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.

주택은 그 내부에 사람이 거주하는 공간이며 거주자들의 생명과 재산을 보존하는 가장 가치 있는 자산이라고 볼 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.