목조건축물의 내구설계

[로베스테이트]

목조건축물의 내구설계 (1)
편집장 (전체기사), desk@forestnews.or.kr

 

1. 목조건축물의 열화원인과 내구성 향상을 위한 3요소

1.1 목조주택의 열화원인
1.1.1 목조건축물의 열화에는
목조건축물에 있어서 목질부재의 열화현상에는 풍화, 마모, 부후, 충해 등이 있다. 이 중 풍화는 각종 가스, 우수, 먼지, 바람 등의 자연외력에 의해서 부재의 표면이 매우 서서히 조직이 침식되어지는 물리․화학적 현상으로 단시간에 목재의 심층부까지 열화가 진행되는 일은 거의 없다. 마모는 건물 사용과정에서 상판과 건구 등의 설치와 조작에서 목재의 마찰로 생기는 재료 표면의 물리적 파괴․소모현상을 말하며 건물 전체의 구조내력과는 직접적인 관계는 없다. 이에 비하여 부후는 각종의 부후균에 의해서 목재 조직이 화학적으로 분해되어지는 현상이므로 조건만 갖추어지면 단시간에도 목재의 내부까지 피해를 끼칠 수 있다. 또 충해로 히라다가루나무좀 등에 의한 피해는 일반적으로 피해 부재가 활엽수재를 중심으로 한 비구조부재에 한정되는 것이 있는가 하면 흰개미에 의한 피해는 부후와 같이 조건만 갖추어진다면 단시간에 습윤상태나 건조상태에 있는 구조부재의 내부까지 피해를 끼칠 수 있으므로 건물의 안전성이나 주거성에 매우 큰 영향을 끼칠 수 있다. 그러므로 협의로는 목조주택의 열화를 지칭할 때는 부후와 흰개미의 피해를 말하는 것이 일반적이다.
이와 같이 목질부재의 부후와 흰개미 피해의 발생과 더불어 건물에는 각종 성능저하가 발생하지만 이들 중 가장 심각한 문제는 구조안전성의 저하이다. 그러니까 건물의 골조인 토대, 기둥, 보, 가새 등에 열화가 발생하였을 때는 건물 자체에 대한 내진성, 내풍성이 저하됨은 물론 바탕재에 열화가 생긴 경우에는 여기에 지지되고 있던 마감재의 탈락과 손상, 또는 건물 강성의 저하를 받게 된다. 이것으로 인해 소실되는 매년 건물 스토크의 경제적 가치는 말할 것 없고, 인명이 위험에 처하는 상황도 발생하기 때문에 목조주택의 열화 원인을 명확하게 밝히고 이를 방지하는 것은 사회적으로도 매우 중요한 의미를 갖는다.
목조건축물의 내구설계(1)

1.1.2 열화원인
부후균이나 흰개미의 생육에는 영양분이 되는 목재 이외에도 적당한 온도와 수분, 산소의 4조건이 있다. 목조주택에 부후, 흰개미의 피해가 발생하는 것은 목조주택 내부에 이와 같은 생물의 생육에 적당한 환경이 형성되었기 때문이다. 이 중에서 산소에 관한 조건에서 지하상수면하에 묻힌 말뚝 등은 예외이나 지표면상에 구축된 건축물의 경우는 강제로 차단할 수 없으므로 다른 3조건이 열화발생의 요인이 된다.
영양분에 관한 조건은 목재로서 방부․방의(흰개미)약제 처리를 하지 않은 내후성이 작은 수종이나 내후성이 커지만 변재부분이 포함된 경우에는 부후균이나 흰개미의 영양원이 된다.
또 외기온도는 부후균, 흰개미에 대하여 어떠한 조건에서도 우리나라의 기후 조건에서 보면 모두 생육가능 범위에 포함되므로 최저 온도조건에서도 생육 가능하다. 그러나 생육 적온이 되어도 기간이 한정되어지기 때문에 각 부위 내에 있는 목질부재 주변의 온도환경이 집 밖과 연동되어지도록 시공되었다면 다시 말해 외부로부터 통기가 충분하다면, 생육 적온기간이 한정되어지는 것에 따라서 생물번식 범위와 속도를 억제할 수 있고 열화피해를 지연시킬 수 있다. 전통 주택에서는 건물의 각 부재는 축조부재와 같이 노출되어 있으며 바닥부재나 지붕부재와 같이 마루 밑이나 지붕 이면 등이 은폐되어 있어도 통기가 충분히 될 수 있도록 만들어져 있다. 그러므로 부재 주위의 온도환경은 외기와 연동되어 있지만, 현대의 주택구법은 경골목구조나 판넬 구법의 벽체와 같이 완전히 그 내부공간이 폐쇄되어 있다. 이러한 경우는 벽체내부의 온도가 외기 온도와 연동되지 않으며, 생육 적온기간이 장기화되면 열화현상도 증가할 것이다.
수분조건은 건물의 기본적 기능이 외부공간의 빗물이나 이슬로부터 인간생활을 지켜주는데 있으므로 건물의 외부에는 물을 침입시키지 않도록 설계되는 것이 기본이다. 외부에서 작용하는 빗물도 될 수 있으면 목재 부위에 직접 작용하지 않도록 하거나 작용하더라도 조기에 배수되고 건조가 금방 될 수 있도록 설계하는 것이 대원칙이다. 그러므로 원리적으로는 건물 중의 목질재료에는 수분이 작용하지 않아야 하고 열화피해의 방어는 이 수분 조건을 차단하는데서 비롯된다. 그러나 실제로는 구법상의 특성 이외에 설계 잘못이나 시공불량 또는 유지관리나 자재관리의 열악함, 마무리나 방수재료의 열화 등의 여러 가지 요인에 의해서 수분․습분이 작용하게 되므로 결과적으로 4가지의 열화조건을 모두 만족시킬 수 있다. 이상과 같이 수분조건은 열화피해 발생의 유무를 결정하는 최대의 요인이 된다.

1.1.3 주요 열화요인으로 수분의 역할
여기에서 목조주택에 작용하는 수분, 습분에는 그 공급 상태에 따라 빗물, 생활용수, 결로수, 바닥의 체류습기 등이 있으며 이러한 것은 건축적으로 다음과 같은 요인이 된다.

(1) 빗물
빗물은 주로 지붕이나 외벽 등의 건물 외주부에 작용하는 수분이며 직접 비를 맞는 부재 이외에는 방수, 비아무림(flashing)의 불량한 곳으로부터 누수 및 침수에 의해서 공급되어진다. 지붕에서는 기와나 루핑재가 파손되는 불량한 곳으로부터 지붕틀 또는 벽체의 하지, 골조로 침수가 있을 수 있으며, 또 지붕 덮게 재료의 규모에 따라서 적절한 지붕 구배를 두지 않으면 지붕 덮게 접합하는 곳에서 지붕틀 내부로 누수될 수 있다. 한편 외벽에서는 우각부를 중심으로 한 외벽 마무리재나 줄눈의 균열부분 또는 개구부틀재 주위, 베란다, 부섭집(pent house) 등의 다른 부위와 접합부의 방수불량한 곳에서 빗물의 침수가 발생한다. 여기에 처마홈통, 선홈통의 접합이 불량한 곳이나 용량부족에 의한 오버플로어 또는 기초주위의 지반에는 낙수물의 튀어 오름에 의해서도 외벽 벽체에 빗물이 공급되는 수도 있다.
(2) 생활용수
생활용수에는 인간생활에서 사용하는 물로서 일반적으로 부엌, 욕실, 세면장, 화장실 등의 물을 사용하는 곳의 건물 바닥, 벽에 작용하는 물이 해당된다. 부엌, 세면장, 화장실에서는 수도나 싱크 주위에 방수가 불량한 곳, 욕실에서는 바닥, 천장 등의 각 부위의 방수 ․ 물 튀김의 마감이 불량한 곳이나 욕조와 벽과 만나는 부분의 방수 시일이 파손된 곳 등에서 바닥이나 벽으로 침투하며 목질부재는 물을 공급받게 된다.
(3) 결로수
결로는 공기가 어떤 온도가 낮은 물체와 닿아서 차가워지면서 노점온도 이하가 되므로 공기 중의 과잉 수증기가 그 물체 표면에 응집되는 현상이다. 건축의 경우에는 벽 등의 표면에 결로가 생기므로 각 부위에 적절한 방습조치를 하지 않은 경우에는 수증기를 많이 갖고 있는 실내의 따뜻한 공기가 벽체나 지붕 아래 등에 침입하여 내부 결로를 일으키는 수가 있다. 부위의 표면에 결로가 생길 경우는 발견되기도 쉽고 건조도 빨리 되지만, 부위 내부의 재료 표면이나 단열재 내부에서 발생하는 부위내 결로는 발견도 어려울 뿐만 아니라 건조도 잘 안되기 때문에 가장 위험한 형태의 수분공급이 될 수 있다. 또 바닥 밑이나 벽체 내에 설치된 급수관의 표면에 결로가 발생하여 결로수를 목재에 공급하는 수도 있다.
(4) 바닥 밑 체류습기
바닥 밑 공간에 있는 수증기는 습윤상태가 되기 쉽고 물빠짐도 좋지 않는 지반에서는 바닥 밑 토양 중에서 수분증발로도 발생된다. 전통 목조건축물에서 보듯이 주위 개방형의 바닥이 높은 高床式 바닥 밑 공간에서는 항상 외부로부터 통기가 되기 때문에 습기가 체류하는 일은 거의 없으나 기초 세움 부위에 따라서 외주위 또는 내부가 폐쇄적인 둘러싸인 기초형식으로 현대 주택의 바닥 밑 공간은 건조토양이 아닐 경우에는 특별한 방습대책을 하지 않으면 습기가 체류하기 쉽다. 이로 인해 바닥틀 부재나 토대, 주각(柱脚, column base) 등 축조 하부부재는 흡습으로 고함수율의 상태가 되기 십상이다.

1.2 내구성 향상을 위한 3요소
1.2.1 내구성 향상을 위한 3요소와 내구성능과의 관계
지반, 기상조건이 일정하다고 가정하였을 때, 목질 건축물 구조재의 내구성능은 주로 설계, 시공, 사용․유지관리의 3요소에 의해 결정된다. 이러한 것은 건물의 라이프사이클의 거의 모든 단계에서 여러 가지 요인과 관련이 있으며 각각 내구성능 확보상 그림 1과 같은 관계에 있다고 생각한다. 그러니까 재료선택을 포함한 설계에 따라서 초기 내구성능치가 정해지지만, 시공을 잘하고 못함에 따라서 그 수치가 저하하는 경우도 있다. 또 사용방법이나 유지관리의 여하에 따라서 내구성능이 저하되는 속도가 좌우된다. 이러한 3가지 요소 모두를 잘 조절함으로 건물의 내구성이 향상된다.

 

▲ 그림 1. 구조재의 내구성능치의 변화와 설계, 시공, 유지관리 요인과의 관계 

1.2.2 설계상의 요인
설계단계는 초기성능으로서 내구성능을 만들어 넣는 단계이며, 이것을 일반적으로「내구설계」라고 한다. 내구설계에서는 열화억제를 위한 건물 주위의 통풍, 일조를 주로 한 미세한 환경만들기이며 소요 내구성능치를 가진 재료를 결정하고 그 것을 보호하기 위한 부위 구성 시스템(방수 ․ 비아무리 ․ 통풍 ․ 환기 등을 목적으로 한 각 부 구법 시스템)의 결정, 사용 방법 ․ 유지관리의 확보성을 담보하는 부위구성시스템(말하자면 「사용 ․ 유지관리를 위한 지원 시스템」)의 결정 등이 그 내용이 된다. 종래의 건축기준법을 보면 이 부분은 대부분이 설계자나 시공자의 재량으로 되어 왔지만, 일본의 경우는 새로운「품확법」(『주택의 품질확보 촉진 등에 관한 법률』)으로 성능표시된 주택은 이러한 일부를 명시하고 평가하도록 되어 있으므로 국내에서도 조만간 도입이 되어질 것으로 전망한다.

1.2.3 시공상의 요인
시공단계는 설계에 따라서 의도되고 확정된 초기성능을 실현하는 단계이며 시공행위의 품질이 가장 문제의 단계이다. 시공행위의 품질이란 설계도서와 같은 것을 얼마정도 확실하게 실현하였는가 하는 데 있으며, 바꾸어 말하면 시공의 신뢰성이다. 구체적으로는 사용된 재료 ․ 품질 ․ 치수의 동등성, 방수 ․ 방습 ․ 비아무리는 중요한 접합부나 부재의 절단부의 아무리기 등은 설계도면과의 대응하여 일치하지 않으면 안된다. 이러한 것은 시공감리 또는 시공관리의 정도(精度)와 밀도에 의해서 확보되도록 되어 있지만 일본에서 개정건축기준법이나 「품확법」에서는 중간 검사를 여러 회 나누어서 실시하는 것으로 대응하도록 하였다.

1.2.4 유지관리상의 요인
설계나 시공에 따라서 실현된 구조재의 초기 내구성능치는 설계시에 상정된 이상의 부하를 거는 방법이나 절절한 유지관리가 되지 않는 경우에는 상정된 시간내에서 한계치에 달하는 수가 있다. 그러므로 이러한 건물의 사용방법이나 유지관리에 관한 요인은 구조재의 초기 내구성능치의 저감계수로서 잡아줄 수 있다. 이러한 요인은 건물사용자의 의식과 관계되는 요인이기 때문에 기본적으로는 건물가치를 장기간에 걸쳐서 유지하는 것이 개인적으로 이익이 되는 사회, 경제환경을 정비하는 것과 더불어 그 것이 자원이나 환경 등의 사회적인 측면에서도 올바른 생각이라는 것을 계몽하여 갈 필요가 있다.

2. 내구설계의 기본원칙
건물을 오랫동안 유지시키는데 가장 기본이 되는 내구설계상의 기본원칙을 정리하면 다음과 같다.

2.1 설계에 따라 내구성능을 정하는 기본
목질구조재의 내구성능을 확보하는 기본은 그림 2와 같이 재료 그 자체의 내구성능이 큰 것을 선택함과 동시에 재료의 내구성능을 저하시키는 원인이 되는 수분 ․ 습분을 장기간 계속적으로 작용시키지 않는 시스템을 만드는 것이다. 이 때 어떠한 고장 또는 허용한도를 넘어서는 사고가 생겼을 경우 그 시스템에는 이중 삼중으로 수분 ․ 습분의 작용을 억제시키는 보조시스템이 포함되어 있어야 하며 또 구조재료에 발생하고 있는 어떠한 위험한 사태를 검지하고 경우에 따라서 그 것을 용이하게 보수할 수 있는 것을 지원하는 보조시스템을 갖추는 것도 중요한 포인트이다.

 

▲ 그림 2. 설계단계에서 고려해야 할 내구성능유지 시스템 

2.2 열화되기 어려운 건물환경의 설계
열화되기 어려운 건물환경을 만들기 위한 제1 보조시스템으로서 건물 주변환경을 건물의 내구성능 확보상 유리하게 만드는 것이 중요하다. 이는 건물이 들어설 지역의 기후 ․ 지역특성(기온, 습도, 일조시간, 풍우 ․ 강설량, 탁월풍향, 해안으로부터 거리, 흰개미의 유무 등)이나 국지적 기상조건(주변 수목이나 지형에 의한 건물 주위의 풍우의 흐름, 습도 구배 등) 등에 의해서 정한다.
제 2의 보조시스템으로서 각 부 구법에 따라 구조재를 수분 ․ 습분으로부터 보호하는 것이 필요하다. 이를 위한 구법을 구분하면 그림 3과 같고, 1) 비아무림 ․ 물흘림구법, 2) 방수 ․ 방습구법, 3) 통기 ․ 환기구법의 3가지로 분류할 수 있다. 비아무림 ․ 물흘림구법은 지붕, 외벽, 토대, 우수, 사용수가 구조재에 작용하기 전에 빨리 제거하기 위한 건축적 수법이며, 각 부의 형상 ․ 치수 ․ 구배 등의 자세한 디자인으로 대응하거나 하지 ․ 마감재료의 조합에 의해서 대응하는 수도 있다. 그러나 방수 ․ 방습구법은 빗물이나 사용수 또는 습기가 구조재에 작용하는 것을 방수 ․ 방습재료로 방어하는 방법이며 방수 ․ 방습재료가 가진 물리화학적 성능에 크게 의존된다. 이 구법은 많은 경우 물 ․ 습기의 작용하는 부위의 하지 ․ 마무리면 또는 그 들과 접합부에 사용된다. 더욱이 통기 ․ 환기구법은 이상의 구법에 의하여도 막을 수 없는 수분 ․ 습분(바닥 ․ 지붕이면 체류습기, 외벽, 지붕, 바닥 밑 등의 부위내 결로 등)을 조기에 건물 밖으로 배출하기 위한 수법이며, 부위내의 자연 압력차를 이용하는 것이 일반적이지만 경우에 따라서 강제적 통기 ․ 환기 수단이 사용되기도 한다.
이러한 3종의 구법을 수분 ․ 습분의 처리 상태에서 보면 1) 비아무림 ․ 물흘림구법은 수분 ․ 습분을 부위에 작용시키지 않는 기능, 2) 방수 ․ 방습구법은 어떤 부위에 작용한 수분 ․ 습분을 그 내부에 침투시키지 않는 기능, 그리고 3) 통기 ․ 환기구법은 내부에 침투된 수분 ․ 습분을 조기에 건조시키는 기능을 갖출 수가 있어야 한다. 각 부 구법인 보조시스템은 구조재를 수분 ․ 습분으로부터 지키는 보호시스템으로써 이러한 3종의 구법은 상호보완적인 기능을 가져야 함이 매우 중요하며, 내구성능의 향상을 고려한 설계에 있어서는 이 원칙을 지키는 것이 중요하다.
그림 3. 수분 ․ 습분의 처리 구법


2.3 재료의 적재적소 이용
다음의 제3 보조시스템은 사용재료 그 자체를 고내구화하는 수법이다. 기본적으로는 고장 확률이 높은 부위 ․ 부재에 내구 신뢰성이 높은 재료 ․ 부품을 사용하는 것(예를 들면 욕실에 유니트 욕조를 사용하는 등)이지만 목질재료를 사용하지 않는 경우에는 재료에 따라 그 수법은 달라진다. 또 금후 목질 건축물의 구조적 특징을 생각할 경우는 여러 가지의 공학목재(engineering wood)가 중요한 대상이 된다. 특히 공학목재의 접착 내구성능이나 접합부에 사용하는 못, 철물의 내구성능을 확보하는 것이 문제가 되기도 한다.

2.4 필요에 따른 약제처리
소재, 제재에서는 수종이 가진 고유의 내구성능을 살리는 것이 기본적인 방향이지만, 내구설계의 원칙이 되는 페-일세브의 기능을 확보하기 위해서는 필요한 최소한의 범위내에서 약제처리를 하는 것은 피할 수 없는 수단이다. 그러나 안이한 약제사용은 환경문제 뿐 만 아니라 주거자의 건강문제에도 크게 영향을 하는 수가 있으므로 금후에도 사용시나 폐기시에 환경이나 인체에 부담이 되지 않도록 재처리가 가능한 약제의 개발과 처리법의 실용화가 시급한 상태이다.

 

▲ 그림 3. 수분 ․ 습분의 처리 구법 

2.5 유지관리가 쉬운 설계
이상과 같이 3단계에 걸친 구조재의 내구성능 확보책과 더불어 고장 확률이 높은 부위에는 원칙으로 고장을 검지하고 보수하기 쉽도록 점검구를 요소요소에 설치할 것과 외벽을 벗겨내도록 하는 구법을 사용하거나 누수 ․ 결로를 검지하는 센서를 설치하는 등이 있다.

3. 내구설계를 하기 위한 검토사항

3.1 목표 내용년수
내구설계를 함에 있어서 우선 목표로 하는 내용년한을 정하는 것을 전제로 한다. 이것은 시공주의 개인적 사정이나 생각 방법이 기본이 되지만 근년에는 자원, 환경, 에너지의 유효이용 등의 사회적 요청도 고려하여 결정해야 함이 강하게 대두되고 있다.
목표 내용년한을 정하는 데는 건물이 어느 정도의 상태에 이르렀을 때를 수명으로 하여 판단할까 하는 기준이 중요하다. 일반적으로 건물 또는 그 건물을 구성하는 부위, 부재, 부품 등의 태반은 각 종의 열화현상 또는 경제적 불이익, 진부화 등을 위하여 대규모적인 개조, 개축 또는 제거, 교환을 필요로 하는 시간을 생각하는 것이 보통이다.

3.2 지역성
목표로 하는 내용년한이 정해졌다면 다음에는 건물이 어떠한 기상조건, 지반조건의 지역에 축조되는지를 고려할 필요가 있다. 건물에 작용하는 열화인자, 열화외력에는 지역성이 작용하기 때문이다.
건물 내에 구성된 기상환경을 미시적 환경이라면 건물을 둘러싸고 있는 자연환경은 거시적인 환경으로 간주할 수 있다. 건물 주변환경 또는 내부환경은 이 거시적 환경에 크게 규정되고 있음이 밝혀졌지만 다양한 생물의 서식환경도 이 거시적인 환경에 의해 규정되고 있으며 생물열화 외력의 크고 작음을 정하는 주요한 요인이 되고 있다. 예를 들면 일본흰개미는 연평균 기온 12℃이상, 1월 평균기온 1℃이상의 지역에서 생식하며, 버즘버섯(Serpula lacrymans)은 20℃전후의 지역에서 발생한다. 그러므로 우리나라의 온도, 습도, 연간강수량 등의 관점에서 부후균이나 흰개미의 활동, 번식에 있어서 적당한 조건이 될 수 있으며 목조주택에 발생하는 생물열화현상은 기본적으로 이 거시적 환경에 영향을 받고 있다고 보아도 좋다. 그림 4는 우리나라의 부후위험 분포도이다. 이것도 각지의 온도, 습도, 강수량 등의 거시적 환경조건을 기본 데이터로 작성한 것이다. 목조주택을 축조할 경우에는 언제나 이와 같은 지역 고유의 생물열화의 위협이 있다고 보아도 되며, 각각의 자연환경에 따라서 생물열화 대책을 세울 필요가 있다.
그림 4. 온도와 강수량을 기준으로 한 부후분포 위험도


3.3 구법

3.3.1 미시적 환경과 열화
거시적 환경에 따라서 목조주택의 주변 ․ 내부환경과 열화외력은 기본적으로 규정되어지는 것으로 이것은 곧바로 건물 내부에 있는 목질부재의 주변환경 내지는 열화의 유무를 규정하는 것으로 관련지울 수는 없다. 부후균의 번식온도에 달하지 않은 시기에도 실내의 난방 에너지가 직접 간접으로 부재에 작용한다면 부재 주위의 온도는 생물열화가 발생되는 온도까지 충분히 상승할 수 있고, 외기가 이외로 건조한 지역에서도 욕실이나 부엌의 사용수가 바닥 밑이나 벽내에 누수 된다면 부재 주위에 생물열화 발생에 필요한 수분과 습분은 쉽게 공급되어 진다. 특히 최근 바닥 밑이나 벽내, 지붕이면을 밀폐하거나 반밀폐한 구법의 주택에서는 거시적인 환경과는 무관하게 부위내, 부재 주변에 열화에 적당한 환경이 여러 가지 요인에 의해 형성되는 수가 많이 있다. 이와 같이 부재주변에 형성되는 온도, 습도, 수분, 통풍 등의 상태를 여기서는 미시적 환경이라고 부르지만 부재에 발생하는 생물열화는 이러한 미시적 환경에 따라서 발생의 유무, 속도, 범위가 최종적으로 결정되어 질 수 있다.

 

▲ 그림 4. 온도와 강수량을 기준으로 한 부후분포 위험도 

3.3.2 구법과 열화환경
건물의 내부에 형성되는 이 미시적 환경에는 직접적으로는 부위의 위치 ․ 구법과 그 부분의 기능 ․ 용도(온습도, 수분의 작용조건)에 따라서 결정되어 진다고 보아도 좋을 것이다. 예를 들면 바닥에서는 지반면에서 습기에 대해서는 기초구법에 있는 환기성능이나 방습대책이 관계가 있으며 사용수에 대해서는 바닥의 방수구법, 물흘림이 관련이 있다. 또 벽에서는 실내로부터 수분, 습분의 침입에 대해서 방수구법이나 방습구법 또는 통기구법이 관계하며 외벽면의 빗물에 대해서는 방수구법이나 낙수물 튀김이 관계한다. 더욱이 근년 보급되고 있는 각 부위의 단열구법에서는 방습층의 위치나 그 재질이 중요한 열쇄를 갖고 있다. 이와 같이 생각하면 건물내에 있어서 부재 주변의 미시적 기후를 결정하는 요인은 각종 수분 ․ 습분의 작용조건을 기본으로서 부재의 바깥으로 노출상태, 부재의 일조조건, 부재의 지반면으로부터 높이, 단열재의 유무, 부재의 이종재료와 접촉상태, 부재 주변의 통기상태 등이 있다고 생각된다. 이러한 조건은 부재의 구성방법, 그러니까 구법에 따라서 결정되어지므로 내구설계를 할 때에는 이러한 구법상의 요인은 재료의 열화에 어떻게 영향을 미칠까를 충분히 고려하여 설계하는 것이 중요하다.

3.4 열화되기 쉬운 곳
내구설계를 하면서 4번째 검토해야 할 사항은 열화되기 쉬운 곳을 파악하는 것이다. 열화되기 쉬운 곳을 무시하고 설계하면 내구성과 관련하는 재료, 코스트, 손가는 곳이 부적절하게 배분되어지게 된다. 또 재료의 적재적소의 사용 구분이 곤란해지며 약제처리의 범위를 필요 없는 곳에도 확대하는 요인이 된다.
목조주택에서는 우선 방위별로 열화되기 쉬운 문제가 있다. 건물은 최소한 4개의 벽면을 가진 입방체의 집합체로 되기 때문에 건물 벽면은 태양에 대한 방위에 따라서 일반적으로 동서남북의 4면으로 나누어진다. 열화환경이 형성되기 쉬움은 그 방위에 따라서 영향이 크며 통상 북쪽면이 가장 열화되기 쉬운 방위이다. 이것은 북쪽면이 볕이 들지 않으므로 건조가 잘 안됨은 물론 남향에 거실을 만드는 습관이 있기 때문에 물을 사용하는 곳을 북쪽면에 배치하는 경우가 많다. 그 결과 생활용수, 결로수가 건물 북쪽 부분에 작용하기 쉽기 때문이다. 방위별 열화비율을 보아도 북측면의 토대부재의 피해율이 가장 높고, 이어서 서면, 동면이며 남측면이 가장 피해율이 낮다. 남측면에 거실용의 커다란 개구부를 둔 결과 열화피해가 집중되고 있는 북측면에 상대적으로 내력벽을 설치하는 것이 줄어들기 때문에 이 방위에서 열화확율의 차이는 목조주택의 구조안전성, 특히 내진 ․ 내풍성에 커다란 영향을 미칠 수 있다.
다음으로 부재별 상처받기 쉬운 차이를 파악해 둘 필요가 있다. 똑 같은 수종을 사용하여도 열화 환경이 형성되기 쉬운 공간에 위치하는 부재로써는 저절로 열화피해를 받을 확률은 변하기 때문이다. 부재별 열화경향은 건물의 물을 사용하는 위치와 각부구법과는 밀접한 관계가 있다. 그 중에서도 물이 체류하기 쉬운 부재, 그러니까 건물의 하부에 위치하는 부재, 또는 수평부재, 물을 쓰는 주변, 외주에 위치하는 부재 등은 열화피해를 받을 확률이 높아진다. 예를 들면 토대, 주각, 가새 등의 축조부재의 하부나 바닥부재 등은 바닥 밑 체류습기나 빗물, 생활용수 또 경우에 따라서는 결로수 등의 영향을 받기 쉽고, 구법이 적당하지 않거나 시공, 유지관리상의 결함이 있는 경우에는 열화가 특히 발생하기 쉽다. 부재별 열화피해에 관한 조사결과에서도 위에서 지적한 부재가 특히 피해가 크다는 것이 보고되고 있다. 중요한 점은 이러한 부재가 언제라도 구조상 중요한 역할을 하고 있는 부재이며 피해량은 적다고 하여도 그 구조안전성에 미치는 영향이 매우 클 것이라는 것이다.

4. 건물 각 부분의 내구설계상의 포인트

4.1. 재료

4.1.1. 목재 ․ 목질재료
재료와 관련하여 내구성 향상의 기본이 되는 첫 번째는 적당한 목재를 적당한 장소에 사용하는 것이다. 내구성에 있어서 적재적소라고 함은 썩기 쉬운 곳에 썩기 어려운 재료를 사용하는 것을 말한다. 목조주택에서 썩기 쉬운 부분이란 건물의 아래쪽에 있는 수평부재이거나 수직, 사면부의 아래에 있는 부재로 토대, 주각 주각(柱脚, column base, base of column) 기둥의 응력을 기초에 전달하는 작용을 하는 부분. 즉 기둥의 직압력을 직접 콘크리트 기초에 전달시키면 콘크리트의 지압응력도가 기둥재에 비해 매우 적어 파괴 우려가 있으므로 기둥하부에 밑판(底板 base plate)을 대서 기둥의 응력을 분산시키도록 함.
, 가세 등이 해당된다. 이러한 것은 구조내력상 주요한 부재이기도 하기 때문에 이 부분에서 피해를 받게 되면 구조 내력이 약하게 됨은 당연한 일이다. 항상 물을 사용하는 곳, 땅과 접하고 있는 곳에서는 목재의 대체 재료를 이용하는 것도 고려해야 할 것이다.
토대 등과 같이 내구성을 필요로 하는 부분에는 종래에는 약제를 가압주입한 방부 ․ 방의처리재가 많이 사용되었다. 그러나 최근에는 내구력이 있는 수종의 심재부는 동등한 내구력이 있는 것으로 간주하고 있다. 그러므로 폐기시의 환경문제나 주거자의 화학물질과민증 문제 등을 고려하여 목재에 약제처리하는 것을 중단하고 목재가 자연적으로 갖는 내구력을 발휘할 수 있도록 건물축조 방법을 선택하는 것도 하나의 수단으로 채택되어지고 있다. 목질재료로서 내후력이 있는 수종은 편백, 나한백, 미국편백, 미국나한백, 밤나무, 느티나무 등의 심재부 또는 이러한 수종을 사용한 구조용 집성재 등이 있다.

주각(柱脚, column base, base of column) 기둥의 응력을 기초에 전달하는 작용을 하는 부분. 즉 기둥의 직압력을 직접 콘크리트 기초에 전달시키면 콘크리트의 지압응력도가 기둥재에 비해 매우 적어 파괴 우려가 있으므로 기둥하부에 밑판(底板 base plate)을 대서 기둥의 응력을 분산시키도록 함.

또한 근년에는 각종 집성재 이외에도 단판적층재나 각종 보드류가 많이 사용되고 있지만 이러한 것은 KS 및 산림청고시 등의 규격에 적합한 것을 사용할 필요가 있다. 이러한 목질건재의 내구성을 좌우하는 결정적인 요인은 기재의 내후성과 기재를 일체화하기 위하여 사용하는 접착제의 내구성에 있다고 한다. 어느 정도 장기간의 내구성을 요구할 때는 페놀수지계 접착제 이상의 접착내구성이 있는 것을 선택할 필요가 있다. 최근에는 포름알데히드 방산량의 문제도 있으므로 내장마무리, 하지재 등에 이러한 건재를 사용할 경우에는 사용목적, 장소 등에 있어서 방산등급에 적합한 것을 사용할 필요가 있다.
제재의 품질로서는 함수율이 목조건물의 기본적인 질을 결정하는 커다란 요인 중에 하나이고, 방부 ․ 방의 대책 상으로도 목재함수율은 될 수 있으면 20%이하로 억제시킬 필요가 있다. 일반적으로 20%이하의 함수상태라면 목재부후균이 생육할 수 없으므로 부후가 발생하지 않는다. 그렇기 때문에 될 수 있으면 지붕수리를 빨리하고, 공사 중에는 열심히 시트를 덮어주어서 목재가 빗물에 젖는 것을 방지해 주는 것이 중요하다. 만약 젖었다고 하여도 건조 목재는 습윤 목재에 비하여 용이하게 원래의 상태로 회복되기 때문에 건조한 목재를 사용할 필요가 있다.

4.1.2. 접합금속류
목재 이외의 재료에서 건물의 내구성과 관련이 있는 것에는 못, 앵커볼트, 홀다운금속, 감잡이쇠볼트 등의 접합금속류가 있다. 이러한 소재는 강재이므로 수분, 습기 등에 의해서 재질이 산화되어 녹이 생기며, 내구력이 떨어진다. 강재는 목재보다 표면 결로가 생기기 쉽기 때문에 녹발생의 기회도 많아진다. 녹이 발생되어 부식하지 않도록 앵커볼트나 감잡이쇠볼트 등은 공장에서 용융아연도금법 등으로 방청처리가 되고 있다. 금구류는 접합부에서 존재응역을 전달하는 중요한 역할을 하고 있으므로 품질이 보증된 것을 사용할 필요가 있다.

4.2. 약제처리
건물에는 별의별 것의 사태가 발생할 수 있다. 예를 들면 상상을 뛰어넘는 열화부하가 걸리며, 설계에는 틀림없이 분명한 시공에 있어서도 매우 큰 오차가 생길 수 있고 목표로 하는 내구성능을 얻을 수 없는 등 사고이기 보다도 마감이나 방수층 등의 구조체 보호 시스템이 기능을 못하는 경우 등이 있다. 설계시에 있어서 재료선택이나 구법설계가 적절하여도 그와 같은 사태에 대응할 수 있는 방법이 건물에 포함되어 있지 않다면 장기에 걸친 주택의 내구성은 확보될 수 없다. 환경, 건강문제가 심각하게 대두되고 있는 오늘날에 있어서 약제처리는 이와 같은 사태에 대비해서도 실수가 없도록 대책을 세워야 한다. 그러므로 약제처리의 범위나 양은 필요에 맞도록 최소한으로 줄이는 것이 원칙이다.

 

▲ 그림 5. 토양처리 장소의 예 

4.2.1. 토양처리
우리나라에 서식하는 대표적인 가옥해충인 일본흰개미는 땅속에 집을 짓고 사는 해충으로 지하영소충이라고 하며, 땅속보다는 기초벽, 바닥고임돌 등의 지면과 건물을 다리로 삼고 건너다니면서 건물 내부로 침입한다. 그러므로 이러한 흰개미에 대해서는 지반면을 철근으로 일체화되어진 두께 100mm정도 이상의 콘크리트로 깔고, 방의약제로 처리하여 방의층을 구성하는 것이 유효하다.
그 중에서 방의를 위하여 지면의 토양을 방의약제로 처리하는 것을 토양처리라고 한다. 이 방법은 줄기초 내부의 지반면을 처리하거나, 온통기초의 하부 지반면을 처리할 때에 사용된다. 흰개미 활동이 추운지방이나 산간지방에서 방의조치는 생략해도 되지만, 이러한 지역에서도 정도의 차는 있지만 피해는 있기 때문에 부지주변의 피해상태를 유의하여 조사하고 지반면에 방의대책을 세우는 것이 좋을지 결정해야 한다.
토양처리는 그림 5에서와 같이 줄기초에서는 노출지반면의 내주부 및 주춧돌 또는 배관주위 20cm범위의 토양에 대하여 실시한다. 특히 급배수용의 염화비닐관과 접하는 부분에 방의처리를 할 때는 약제에 의해 관이 손상되지 않도록 배려해야 한다.

건물의 흰개미 방제를 위한 수단으로 토양처리도 판단을 잘못하여 시공하면 약제에 의해 우물이나 지하수가 오염되는 수가 있으므로 시공시 주의를 요한다. 토양처리를 적용함에 있어서는 부지의 상황, 토질 등을 적절하게 판단하고, 처리약제의 선택과 처리방법을 결정하여 수질오염과 관련되지 않도록 신중하게 처리하지 않으면 안된다. 이러한 점에서 최근에는 약제를 사용한 토양처리에서도 다양한 방법이 사용되고 있으며, 흰개미가 관통하지 않도록 가는 스텐레스 망으로 지반면을 덮는 등의 약제를 사용하지 않는 방법도 일부에서 시공되고 있다. 금후 이와 같은 비약제계의 토양대책도 선택의 한 방법이 되고 있다.

4.2.2. 목부처리
목재의 방부․방의처리 또는 방부처리에는 미리부터 목재를 처리공장으로 옮기고 공장 내에서 목재를 압력을 가하여 처리약제를 주입하는 경우와 현장에서 처리하는 경우로 크게 두 가지 방법으로 구분하고 있다. 공장에서 가압주입처리하는 목재는 이음매나 맞춤 등의 접합부 가공을 하기 전에 가압주입처리하는 것과 미리 이러한 가공을 프레카트 기계로 가공을 한 후 가압주입처리 하는 것이 있다. 전자의 경우는 처리 후 새로 발생한 접합부가공의 절단면 등에 대해서 다시 도포 또는 분무처리 등의 현장처리를 하여주어야 하지만, 「고내구 기계 프레카트 부재」로 불리는 후자의 경우는 이와 같은 현장처리는 일체 필요하지 않다. 그러나 현장에서 실제 처리목재를 사용할 때에는 건축현장으로 목재를 옮기고 이음매나 마무리 가공을 해 주어야 하므로 목재의 전면 및 가공절단면에 약제를 붓으로 도포하거나 분무기로 스프레이 하는 등의 처리가 필요하다.

가압주입처리 목재는 산림청고시「목재의 방부․방충처리기준」에서 규정하는 방부처리중 목재의 사용환경범주 H1을 제외한 모든 처리용 목재가 이에 해당되며, KS F 3025「토대용 가압식 방부처리 목재」에 의한 것, 또는 KS F 3122「가압식 방부처리 마루틀재」에 의해 가압 방부처리되어 지는 것이 있다. 또 이와 같이 가압 방부처리된 목재는 2004년 7월 1일부터 산림청에서 시행하는 방부처리재의 품질인증제도로 그 품질을 보증하려고 한다. 이러한 방부처리재의 품질시험 방법으로 침윤도와 흡수량을 측정하는 방법은 국립산림과학원고시 제2004-1호「방부처리재의 침윤도 및 흡수량시험 방법」에 의한다. 방부․방의성능은 기본적으로 사용하는 약제와 그림 6에 나타낸 목재 단면에 방부제가 침투한 침투깊이를 나타내는 침윤도와 목재 내에 들어간 방부제의 약제량을 가름하는 흡수량으로 방부처리재의 품질등급을 규정한다. 품질인증제도가 시행된 이후에는 그 성능이 인정된 제품에 대해서는 품질인증 마크가 찍히도록 되어 있으므로 가급이면 품질이 확보된 제품을 사용하는 것이 바람직하다.
현장처리법으로서는 도포, 분무 및 침지가 있으며, 어떤 방법을 적용해도 목재 또는 목질재료의 표면적 1㎡당 300㎖의 약제를 2회 이상 나누어서 처리하는 것을 표준으로 하고 있다. 다시 뒤에서 설명하겠지만 특히 목재의 목구(마구리)면이나 접합부면의 처리 또는 콘크리트로부터 흡수성이 있는 재료와 접하는 부분에는 주의하여 약제처리를 잘 할 필요가 있다.
방부처리를 포함한 방부․방의처리를 해야 할 목질부재를 열거하면 다음과 같다.
① 토대를 사용하지 않는 목조건축물의 외벽은 밑둥잡이는 물론 밑둥잡이 이하의 부분에 있는 주각 주각(柱脚, Column base) : 기둥의 응력을 기초에 전달하는 작용을 하는 부분, 기둥의 직압력을 직접 콘크리트 기초에 전달시키면 콘크리트의 지압응력도가 기둥재에 비해 매우 적어 파괴우려가 있으므로 기둥 하부에 밑판(底板, base plate)을 대서 기둥의 응력을 분산시키도록 함.
의 전면, 기둥재를 기초와 연결시킬 때에는 주각 30cm 부분의 전면
② 토대는 내구성이 큰 수종으로 처리할 때는 도포․분무․침지․가압처리로 하고, 미국솔송나무(햄록) 등과 같이 내후성이 작은 수종을 사용할 때는 가압처리로 한다.
③ 목조의 외벽 중 라아드벽 라아드벽(lath wall) : 목조건축 또는 경량철골조에 있어서 철망을 치고 모르타르를 발라 만든 벽
과 같이 축조가 썩기 쉬운 구조로 되어 있을 때는 구조내력상 주요한 부분인 기둥, 가새 및 토대, 바탕 중에서 지면으로부터 1m 이내의 부분은 원칙적으로 전면처리를 한다.
④ 목조의 내벽중 욕실 등과 같이 습윤상태가 될 우려가 있는 부분에는 구조내력상 중요한 부분인 기둥, 가새 및 토대 이외에 바탕을 포함하여 원칙적으로 전면처리를 한다. 해당되는 부분이 2층에 있을 때에는 해당부분의 마루는 내력구조상 중요한 부분인 보, 층도리 이외에 장선과 바탕부분도 모두 전면처리를 한다(유니트 욕실을 사용한 경우에는 제외 함).
⑤ 맨 아랫계단에 있는 주춧돌과 장선․멍애․장선받이 등의 전면을 처리한다(적절한 바닥 방습이나 방의조치가 된 경우에는 제외 함).

주각(柱脚, Column base) : 기둥의 응력을 기초에 전달하는 작용을 하는 부분, 기둥의 직압력을 직접 콘크리트 기초에 전달시키면 콘크리트의 지압응력도가 기둥재에 비해 매우 적어 파괴우려가 있으므로 기둥 하부에 밑판(底板, base plate)을 대서 기둥의 응력을 분산시키도록 함.

라아드벽(lath wall) : 목조건축 또는 경량철골조에 있어서 철망을 치고 모르타르를 발라 만든 벽
이상이 목부처리의 바람직한 범위이지만, 이것을 더욱 자세하게 보면 신경을 써서 처리해야 할 주의점이 지적되는 곳이 좀더 있다. 우선 개개의 부재마다 특히 주의해서 처리해야 할 곳에 대한 문제이다. 여기에는 목재 마구리의 문제와 접합부 등의 가공을 한 부분에 대한 문제가 있다.
목재의 마구리는 가장 물을 흡수하기 쉬우므로 부후균이나 흰개미가 침입하기 쉬운 곳이다. 이 마구리는 부재를 이음매 또는 마무리 가공할 때 반드시 나타난다. 예를 들면 4m 길이의 토대는 이음매, 마무리 가공을 하지 않으면 목재의 양 끝 밖에 마구리가 발생하지 않는다. 이 부재에 볼트구멍, 기둥가는홈, T자맞춤, 여기에 사잇기둥가는홈을 뚫으면 양단 이외에도 적어도 10개 이상의 마구리면이 노출되어 진다. 다시 말해 부후균이나 흰개미가 어디에서나 침입하기 쉬워졌다는 이야기가 된다. 다행스러운 것은 마구리면이 약액의 흡수가 좋기 때문에 액액을 붓에 충분히 묻혀서 몇 차례 칠을 하면 처리의 효과가 발휘된다. 또 볼트구멍, 가는홈은 도포하기 어려운 곳이기 때문에 칠이 미치지 않는 곳이 없도록 붓을 바꾸어가며 충분하게 처리를 할 필요가 있다. 목재는 반드시 있어도 괜찮을 정도의 갈라짐이 있으므로 이러한 갈라진 부분에 대해서도 가는홈과 같이 유의해서 처리할 필요가 있다. 접합부분, 갈라짐 등의 개소에 약액을 침투시키는 것은 처리효과를 발휘하도록 하는 조치임을 알아야 한다. (그림 7)

 

▲ 그림 7. 접합부분의 약제처리 

또 하나의 문제점으로 물을 흡수하기 쉬운 재료와 접합부 처리의 문제이다. 현장에서는 토대를 올릴 때 토대의 아랫부분에 방부제를 도포한 후에 토대를 올려야 한다. 이것이 올바른 방법으로 토대를 올려놓은 후에는 토대의 아랫부분을 처리 할 수가 없기 때문이다. 만약 처리를 하지 않아도 줄기초가 낮을 때에는 콘크리트가 토양 중의 수분을 빨아들여서 그 수분이 목재로 공급되어 진다. 또는 여름철 습도가 높을 때는 콘크리트나 주춧돌의 표면에 결로가 생기고, 목재가 젖게 되므로 부후, 흰개미 피해의 원인이 된다. 줄기초의 콘크리트에 한정하지 말고 돌, 벽돌, 철재와 접하고 있는 목재는 처리를 하는 것을 원칙으로 한다.

[새암]

그림 부분이 보이지 않네요.... 부탁드립니다