목조트러스를 사용, 목조주택의 안전성과 경제성 높인다

[Wood樂]

목조트러스를 사용, 목조주택의 안전성과 경제성 높인다

글·사진 / 박문재(국립산림과학원 탄소순환재료과)

목조트러스는 응력등급을 구분한 구조용 제재목을 삼각형으로 구성하여 트러스 연결판(truss plate)이라고 하는 철물에 의해 접합한 고도의 공학목재이다. 목조트러스는 북미는 물론 오세아니아, 유럽, 일본 등에서도 널리 사용되고 있는 목조주택의 부품 산업 중에서 가장 핵심적인 산업이다. 목조트러스는 단독주택뿐 아니라 공동주택, 공공시설, 농업용 및 공업용의 각종 시설에 효과적으로 적용되고 있다. 경골 목조트러스는 소재 특성상 길이와 너비 등에 한계를 지닌 서까래보다 훨씬 넓은 경간의 실내공간을 연출할 수 있어, 특히 현대 주택에서 요구도가 높은 융통성을 높이는 데 한몫을 할 수 있는 특별한 장점이 있다.
1830년대 미국에서 경골 목조주택이 최초로 시공되고 보급이 본격화된 이래, 북미의 목조주택에는 지속적인 기술의 발전이 설계 및 시공현장에 반영되어 오고 있었다. 하지만, 목조주택 산업에서 이룩한 대표적인 기술혁신은 단연 목조트러스의 개발이었다. 목조트러스는 미국의 플로리다에서 J. Jeruit가 1955년 금속 트러스 연결판을 발명하여 곧바로 상용화 단계에 돌입함으로써 실제 현장에서 각광을 받기 시작하였다. 트러스 연결판은 1956년 미국 Gang-Nail 트러스 제조회사에서 본격적으로 생산하기 시작한 이래 지속적인 성장과 발전을 거듭하여 왔다. 이후 목조트러스는 주택부품제조회사에서 생산하는 가장 중요한 부품으로 자리매김하게 되었으며, 목조트러스는 주택부품산업을 선도하여 안정된 대규모의 시장을 형성하게 되었다. 북미에서 신축되는 목조주택의 60~70% 정도가 목조트러스를 적용하고 있으며, 캐나다의 경우에는 약 95% 정도의 목조주택에 적용되고 있다. 미국의 경우 1,600~2,000여 개 목조트러스 제조회사가 활동하고 있어 그 산업규모를 짐작할 수 있다. 프리컷 방식의 적용을 비롯한 공업화 목조주택의 논의가 뜨거운 최근 목조주택 산업에서 중요한 부품인 목조트러스에 대하여 알아본다.

목조트러스의 역학적 이론

삼각형은 하중을 지지하고 전달하는 데 가장 효율적인 기하학적 구조이다. 작은 부재를 삼각형의 트러스로 구성하게 되면 큰하중도 작은 하중으로 분산되는 효과가 있어, 중간에 기둥이나 내력벽을 설치하지 않더라도 넓은 경간의 주택을 시공할 수 있게 된다. 목조트러스에 작용하는 하중은 압축 또는 인장 응력만 작용하고, 접합부에는 모멘트가 작용하지 않는 것으로 가정하여 단순화된 설계를 수행하고 있다. 접합부는 평면 내에서 수직 또는 수평하중이 전반적으로 평형을 이루게 되어 안정된 구조를 가지게 되는 것이다. 목조트러스로 설계하면, 건축재료인 목재사용을 최소화하면서 구조성능을 극대화하는 장점을 지니게 됨을 입증하는 것이다.

목조트러스의 생산 및 설치

목조트러스를 생산, 설치하기 위한 주요 공정을 요약하면 다음과 같다.
설계 → 트러스 부재 가공 → 조립 생산 → 운반 → 설치
목조트러스는 목조나 조적조, 철근콘크리트조 주택의 서까래나 장선 대신에 사용된다. 목조트러스는 사재와 현재가 삼각형으로 배열되어 효과적으로 하중이 전달되기 때문에 작은 구조부재로서 충분한 하중 내력성능을 가진 구조요소이다. 목조트러스는 여러 치수의 규격 구조재로 사재와 현재를 구성하고, 아연도 강철판에 이를 낸 다양한 형태와 치수의 트러스 연결판으로 접합하여 제조한다.
목조트러스 부재에 사용되는 구조용 목재는 육안등급구조재나 기계등급구조재가 사용된다. 트러스 제조에 사용되는 부재의 최소 단면치수는 현재 38×89mm, 사재 38×89mm의 규격구조재를 사용한다. 부재의 치수는 하중과 경간, 간격에 따라 더 넓은 것을 사용할 수 있다.
트러스 연결판은 아연도금 강철판을 필요한 규격으로 절단하고 이(齒)를 내는 고속 스탬프기계로 생산한다. 트러스 연결판 제조업체는 트러스 연결판과 실제 치수의 목조트러스 시험 결과를 활용하여, 종류별 트러스 연결판과 목조트러스의 설계치를 결정한다. 트러스 연결판은 다양한 규격과 두께로 생산되며, 가장 일반적으로 사용되는 연결판의 두께는 16, 18, 20게이지의 강철판으로 너비는 25~250mm이고 길이는 최고 600mm까지 생산된다. 이의 치수는 6~25mm까지 다양하다.
목조트러스 제조를 위하여 다양한 지붕경사와 부재의 위치에 따라 컴퓨터를 사용한 정밀재단기로 재단하여 부재를 트러스 제조장치의 조립 위치에 꼭 맞게 배치하여야 한다. 컴퓨터에 의한 설계에 따라 목조트러스의 각 현재와 사재의 규격과 등급, 재단 패턴, 트러스 연결판의 종류와 규격, 위치, 방향도 결정된다. 재단된 구조부재의 접합부에 트러스 연결판을 양쪽에 놓고 유압장치 또는 롤러를 사용 압력을 가하여 목조트러스를 제조한다.
목조트러스의 설계 및 사용기준은 건축법과 구조설계기준에 따른다. 트러스 연결판은 캐나다 규격(CSA)과 북미 규격(ASTM), 유럽법규(EURO CODE 5) 등의 규정에 적합하게 제조되어야 한다.
목조트러스는 일반적으로 트러스 설계기준과 트러스 연결판 제조업체가 제공한 구조해석 소프트웨어를 사용하여 트러스 제조업체에서 제조한다. 트러스 제조업체는 구조설계와 가새설치 지침에 따라 작성한 구조설계 인증, 골조 평면도와 각 트러스의 설계도면을 제공한다.
트러스 연결판은 특허권을 보유하는 제조업체에서 제조하며, 트러스 연결판의 형상과 치수, 두께 등에 따라 설계치가 다르다. 트러스 플레이트의 설계치는 인증기관의 감독을 받아 승인된다. 트러스의 설계는 트러스 부재와 접합부를 설계하고, 트러스에 대한 필수 정보를 모두 확보하는 소프트웨어를 사용하여 진행된다. 이 때 구조설계 도면에 포함되는 내용은 트러스 형상, 설계하중, 부재의 수종·규격·등급, 트러스 연결판의 치수와 위치, 트러스의 지점과 상향력 저항에 필요한 요구사항, 트러스 부재의 가새 요구사항 등이다.
물매 트러스는 여러 형태의 주택에서 다양한 지붕구조에 광범위하게 적용된다. 물매 트러스는 어떤 지붕형태이든 적합하게 제조할 수 있으며, 캔티러버에도 적용할 수 있다. 평행현 트러스는 바닥과 평지붕 구조에 사용된다. 현재는 목재이고 사재는 강재나 목재를 사용한다. 지역에 따라서는 목조주택의 바닥구조에, 사재와 평행현을 모두 목재로 제조한 평행현 트러스가 광범위하게 사용되고 있다.
목조트러스는 수직방향의 하중에는 강하지만 수평방향의 하중에는 약하기 때문에 취급에 주의가 필요하다. 트러스는 포장된 묶음으로 함께 운반하고 평평한 지면에 보관하여야 한다. 경간이 6m 이하인 경우 손으로 조립이 가능하지만, 이보다 경간이 넓은 경우 크레인 등을 사용할 수 있다. 목조트러스는 제조업체에서 제공하는 기준에 따라 알맞은 간격으로 배치하며, 제조업체 지침에 따라 각 트러스 상호간에 임시 또는 영구가새를 설치하여 안정성과 구조성능을 확보하도록 하여야 한다.

목조트러스의 유연성과 융통성

목조트러스는 중간에 지지점이 필요하지 않은 열린 공간을 구성하는 데 편리하다. 트러스는 다양한 형태의 특이한 지붕모양으로 설계할 수 있다. 목조트러스는 주문 생산되기 때문에, 다양한 형태의 치수와 하중조건에서도 사용할 수 있다. 경간은 일반적으로 20m까지 사용하는데, 더 넓은 경간의 트러스도 제조할 수 있다. 농업용 또는 상업용 건축물에서는 목조트러스의 경간을 25m 이상으로 제공할 수 있다. 지붕과 바닥트러스는 사재 구성 공간이 열려 있어 배관과 전기배선, 기타 설비를 쉽게 설치할 수 있다. 목조트러스는 목조주택뿐 아니라 조적조나 콘크리트조, 철골조에도 쉽게 접합철물을 사용하여 시공할 수 있다. 다만 트러스의 길이와 형태는 운송과 취급 수단, 도로사정에 따라 제한될 수 있다.

목조트러스의 성능

목조트러스는 뛰어난 구조성능을 갖고 있다. 지붕 및 평행현 트러스는 현장에서 골조를 시공하는 어려움을 생략할 수 있다. 정밀가공과 철저한 품질관리로 제조되어 건축물에 필요한 구조완전성을 제공한다. 일반적으로 제조된 지붕트러스는 간격 600mm로 위깔도리 위에 쉽게 시공할 수 있다.
바닥트러스의 상현재는 89mm의 넓은 재면을 활용할 수 있기 때문에 덮개 시공 시 접촉 면적이 넓어 바닥과 일체화된 구조체를 형성하여 수명이 다할 때까지 사용될 수 있다. 바닥의 진동과 소음을 줄이기 위하여 트러스와 바닥에 접착제와 함께 시공하면 넓은강성을 얻을 수 있고 삐걱거림도 예방할 수 있다. 지붕과 바닥트러스가 공동주택 등에 적용되는 경우 1시간 또는 2시간의 내화성능을 확보하도록 설계할 수 있다. 바닥트러스는 소음을 차단할 필요가 있는 공동주택의 경우에는 차음설계를 할 수 있다.

목조트러스의 건축비 절감효과

목조트러스는 경사지붕이나 평지붕에 사용될 때 철골이나 콘크리트에 비하여 경제적일 수 있다. 목조트러스는 시공현장에서 조립하기 때문에 서까래나 장선을 설치하는 것보다 2배 이상의 공기단축이 가능하며, 현장폐기물이 발생하지 않아 청소비용을 절감할 수 있다. 대부분의 트러스는 중장비 없이도 시공이 가능하고 가벼워서 세워 설치하기 쉽다. 서까래의 경우 고도로 숙련된 기술자가 요구되는 반면 목조트러스는 일반 기술자도 쉽게 설치할 수 있다.

목조트러스의 환경적 장점

목재는 지구상 유일한 재생 가능한 자원으로서 목재를 사용하는 목조트러스는 천연자원을 활용하여 화석연료의 고갈을 막고 자재 생산 시 이산화탄소 배출을 최소화하고 수질오염을 줄이는 친환경 건축재료이다. 목조트러스는 단열재를 충전하기 쉽게 넓은 공간을 제공하고 단열성이 공기층을 확보하기 때문에 에너지효율이 높아 경제성과 아울러 친환경성을 확보하고 있다.

맺는말

국내에만도 목조트러스 제조회사 몇몇이 가동되고 있지만 아직까지 이렇다 할 시장은 형성되지 않고 있다. 목조트러스가 지니는 많은 장점을 고려할 때 목조주택 시장에 적극 활용하는 것이 목조주택 부품산업 활성화 및 주택 시장의 확대에도 도움이 될 것으로 보인다. 조만간 우리나라에 목조트러스 수요가 확대되어 목조주택의 품질향상 및 경제성을 확보할 수 있게 되기를 기대한다.

 지붕트러스를 설치한 목조 공동주택(캐나다)

 목조트러스의 제조공정

 목조트러스 제조설비(유압식)

 전형적인 트러스 연결판

 목조트러스 제품

 목조 공동주택에 트러스 설치하기

[하늘수]

배우고갑니다...

[청출목수]

자료 감사합니다..