스크랩 목조건축 자재의 종류 및 특성 - 2. 구조재

[나는 나~!]

2. 구조재

목재의 단열성능은 콘크리트의 12배, 철보다는 무려 483배나 더 좋습니다. 구체적인 수치로 비교해 보면 목재(0.08을 kal/m·h·℃)를 1로 했을 때, 콘크리트(0.94kal/m·h·℃)12배, 철(38.6kal/m·h·℃)483배의 열을 전합니다.

대표적인 목조주택인 한옥의 경우 철근 콘크리트와 비교하여 겨울에 춥다고들 말한 것은 기밀성이 잘 되어 있지 않기 때문이지 목조주택이기 때문에 그러한 것은 아닙니다.

목조주택은 어떤 공법으로 짓는가에 따라 경량목구조 주택, 중목구조 주택, 통나무주택으로 분류할 수 있습니다.
각 공법에 대한 자세한 설명은 저희 회사 홈페이지(http://iwood.in)의 건축공법 메뉴를 통해 확인해 보시기 바라며, 여기서는 설명을 생략합니다.

서양 특히 미국과 캐나다에서는 목재의 여러 가지 좋은 장점들을 잘 살려 경량목구조 공법의 목조주택을 개발하여 이미 보편화 되어있습니다.

경량목구조 건축(일명 2×4공법주택이라 불림)의 주요 자재는 규격목재입니다. 우리 나라에서는 구조재라 불리우고 있습니다. 규격목재는 집을 에워사고 내부 공간을 칸으로 막는 구조체의 골조가 되며 그 위에 마감재를 붙입니다. 목재 뿐만 아니라 , 그 밖에도 목공 제품을 구조체의 공사와 내-외부를 마감하는 재료로 사용합니다. 이 모든 제품들은 특정한 용도와 기준에 맞게 제조됩니다.

골조공사에 주로 사용되는 두께가 1 1/2~3 1/2인치인 목재를 규격목재(구조재), 두께가 4 1/2인치 이상인 목재를 중목구조재(timber)라고 부릅니다. 그 밖에도 데크재(decking), 판재, 마감목재 등으로 구분합니다.

목조주택을 구성하는 주요한 재료로 균일한 구조적 성능을 필요로 하기 때문에 엄격한 품질관리가 요망되는 재료입니다. 경량목구조 주택이 보편화되어 있는 미국이나 캐나다, 유럽에서는 이를 위해 등급재를 시행하여 엄격히 관리하고 있습니다.
즉 우리 나라에서 가장 많이 수입하고 있는 캐나다의 경우 건축공사에 사용하는 목재에는 국립 목재 등급 기구(National Lumber Grades Authority, NLGA)의 등급 규정을 적용한 등급표시 스탬프를 찍습니다.

구조재의 성능은 수종, 등급, 함수율 등에 의하여 강도가 정해집니다.
목재 등급 검수원이 목재의 갈램(목재가 마르면서 갈라진 틈), 옹이, 나무결에 등의 상태를 시각적으로 검사하여 목재의 등급을 결정합니다.
이 성능은 각 목구조재 제품에 아래 그림과 같은 등급도장으로 표시되어 소비자에게 공급되어 지고 있습니다.

위 그림에서 보는 것과 같이 성능표시 등급 공인 마크는 목재의 수종, 함수율, 등급, 생산자 이름 그리고 등급 결정 검사협회를 표시하는 내용으로 구성되어 있습니다.
아래와 그림과 같은 등급 표시도 있습니다.

2&BTR : 번들포장 단위에 2등급 이상의 목재를 포함한 목재로 노출이 필요없는 골조재로 쓰입니다.
피죽이 있어서 외관이 지저분 할 수있지만 강도나 구조에는 영향이 없는 제품입니다.
골조자재, 프레임, 뼈대로 많이 사용합니다. 한쪽 면에 피죽이 있습니다.

4SQUARE : Square Edge, 피죽이 없는 제품으로 모서리가 살아있고 구조용이나 인테리어용으로 사용

JAS : JAPAN STANDARD의 약자. 일본이 정한 스탠다드급 목재로 죽은 옹이도 없고 피죽도 없어 노출용 구조재나 마감재, 가구재로 폭넓게 사용됩니다.
 
캐나다에서는 목재 등급을 육안 판정 등급과 기계 응력 판정 등급(machine-stress-rated, MSR)으로 구분 적용하여 판매하고 있습니다. MSR목재는 구조적 특성에 따라서 등급 표시를 하고, 일반 목조건축의 구조재로 사용하는 MSR목재는 수종을 구분하지 않습니다.
캐나다에서는 여러 가지 연질목재(softwood) 수종을 함께 벌채하고, 제재하며, 등급을 정해서 판매합니다. 성질이 비슷하여 함께 사용하는 수종들을 모아서 단일 혼합수종으로 만들고, 통합명칭으로 판매합니다. 우리 나라에서 볼 수 있는 스프러스(S.P.F)가 이에 해당합니다.  S.P.F구조재는 Spruce가문비나무, Pine소나무, Fir전나무 등의 수종 그룹을 함께 벌목후 Kiln-Dry (함수율 19% 미만으로 건조)하여 규격화된 치수로 제재하여 구조용으로 적합하게 만든 목재입니다.

Select Structural가 최고 등급이며, 높은 강도와 경도 그리고 외형이 좋아야 하는 곳에 사용합니다. No.1 등급 목재에는 약간의 Select Structural 등급 목재가 포함될 수도 있고, 약간 큰 옹이도 허용됩니다.

시험결과에 의하면 No.1과 No.2 등급 목재는 강도가 같습니다. 이 목재들은 일반 목조건축 공사에서 가장 많이 사용되며 우리 나라에 수입된 목재는 거의가 다 No.2등급 목재입니다.  No.3 등급 목재는 외형이 중요하지 않은 곳에 사용합니다.

2×4와 2×6 구조재는 샛기둥 등급(stud grade)으로 판매합니다. 샛기둥 등급의 목재는 곧고, 강하여 수직 벽 부재로 적합합니다. 샛기둥 등급 목재는 Construction, Standard, Utility 그리고 Economy 등급으로 분류합니다. Construction과 Standard 등급은 구조재로 사용합니다. Construction은 No.3와 비슷한 강도를 가지며, Standard는 No.3보다 강도가 낮습니다. Utility와 Economy는 구조재로 사용하지 않으며, Economy가 가장 낮은 등급입니다.
이와 같은 목조주택의 다양한 공법에 맞는 목재의 최소 등급은 캐나다의 연방 건축법으로 규정하고 있습니다.

장선과 서까래의 최대 허용 지지 간격표 등 목재 등급과 그 밖의 여러 기술 자료들은 한국 캐나다 우드 홈페이지 http://www.canadawood.or.kr에서 쉽게 무료로 구해 보실 수 있습니다.

이젠 구조재의 규격을 알아보겠습니다.
흔히 많이 볼 수 있는 2×4 구조재는 두께 2인치 폭 4인치인 구조재를 말합니다. 8피트, 10피트, 12피트....이런 길이로 재단되어 공급되고 있습니다.
그런데 2×4 구조재를 실제로 치수를 재어 본 일반 사람들은 치수가 정확하지 않다고 투덜대기도 합니다. 1인치가 2.53센티미터이니까 정확한 치수는 5.08×10.16Cm가 맞는데, 이보다 작은 치수인 3.8×8.9cm이니 그런 소리를 할만도 합니다.
이것은 건조되지 않은 자연 그대로의 생나무를 2×4 규격으로 제재해서 건조과정과 대패마감작업을 거치기 때문에 작아지게 되는 것입니다. 따라서 아래 표와 같이 생나무 제재 상태의 크기를 공칭치수 건조과정과 대패마감 작업을 거친 최종 크기를 실제치수로 구분하여 부릅니다.

목재를 건조 시키는 방법은 자연 건조식(Air Dry)와 인공 건조식(Kiln Dry)이 있습니다.
자연 건조식은 목재를 야적상태에서 자연 건조시키는 방법으로 적절히 건조되기 위해서는 몇 달씩 걸리므로 경량목구조의 구조재 보다는 통나무 주택 구조 등에 널리 쓰이는 방법입니다.

인공 건조식은 Kiln이라는 건조로에서 온도를 점차 증가시키고 습도를 낮춰가면서 건조시키는 방법으로 거의 모든 목구조 자재의 건조방법으로 이용되고 있습니다.

구조재는 왜 반드시 함수율이 18%이내인 건조목(kiln Dry)이어야 할까요?
이는 목재 수축에 의한 구조적, 마감재와의 긴밀성, 시각적 손상 방지와
목재의 구조적 강도 증가, 못과 철물의 유지력 증가, 접착성 및 도장성의 증대, 전기절연성의 증가, 부후 및 변색 방지를 위함입니다.
목재의 수축은 두께 및 폭 방향(목리에 수직)으로 이뤄지며 평형함수율에 도달할 때까지 이뤄집니다. 평형함수율이란 주위의 온도와 습도에 관련하여 목재가 더 이상 수분을 흡습/방습하지 않게 되는 상태의 함수율을 말하며 8~12%의 함수율이 이에 해당됩니다.
앗! 함수율은 또 뭐냐구요? 그것은 나무에 포함되어 있는 수분의 양을 말합니다.