스크랩 목구조에 대한 분류입니다. 교육자료

[박호선]

. 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.


(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.

(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.

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.