해더 및 창문설치에 대하여
창 설치시에 나중에 해더가 쳐져 창문까지 끼일 수 있는 하자가 발생할 우려가 있으므로
창상부를 골조(해더)에 고정을 하지 않는 것이 좋다는 의견과
골조를 잘만 제대로만 시공하면 절대 해더가 쳐질일이 없으므로 창상부를 해더에 고정해서 창문윗틀자체가 쳐지지 않게 시공하는 것이 좋다는 의견에 대하여
무엇이 옳은가를 말하기 전에 과연 해더가 쳐진다면 얼마만큼까지 쳐지는지 어느 이상은 안되는지에 그리고 특히 해더의 크기에 관하여는 일례를 가정하여 설명하고자 합니다.
우리나라에서 목구조의 구조는 건축법에서 정한 건축구조설계기준 8장(목구조)에 의합니다.
이후 설명하는 부분은 기본적으로 이 기준에 의하여 설명하는 것으로 보시면 됩니다.
구조설계기준상의 정의로는
“헤더 : 목구조에서 평행하게 배치된 구조부재를 가로질러서 개구부(창, 문, 계단 등)가 설치되는 경우에 개구부에 의하여 끊어지는 구조부재에 작용하는 하중을 효과적으로 좌우측의 부재에 전달하기 위하여 개구부의 양 끝에 평행부재를 가로질러 설치되는 구조부재”로 되어있고
흔히, 건축용어로는 인방 또는 인방보라고 말합니다.
정확히 인방은 비 내력벽에서 창 상부 벽체자체의 무게만 받으면 되는 개념이고 인방보는 인방이 상부 슬라브나 지붕의 하중까지 받는 구조부일때 즉, 보(GORDER)의 개념입니다.
모든 구조재는(목재보,콘크리트보,철골보등등) 상부하중 및 자중에 의하여 처짐이 생깁니다.
이 처짐의 계산은 단순히 길이가 얼마이면 얼만큼 처진다라고 정의되어 있는 것이 아니고
상부의 하중(톤) 및 하중의상태(집중하중또는등분포하중), 지점의 상태(단순보,켄틸레버등),
지점의 지간(오픈된길이), 재료의 종류(목재,철골재,콘크리트재..), 재료의 단면상태(사각형,원형,각파이프형..)의 조건에 따라 그때 그때 그 값이 달라집니다.
목조주택에서의 해더는 단순보라는 지점상태로 볼수 있습니다.(양쪽에 얹어져서 지지되어있는 구조)
상부의 하중 및 지간등은 경우에 따라 달라질수 있으므로 임의로 하나의 샘플을 가정하여 보겠습니다.
보통 지간 3M정도면 큰 창호입니다. 물론 상부하중은 그 상부의 구조물의 유,무 또는 지붕재료의 종류, 적재하중의 크기등에 따라 많이 달라지지만 어느 정도 하중이 있는 위치에 개구부를 두었다는 가정을 한 예이고 고정하중+적재하중+기타의 경우를 포함하여 약 6톤 정도의 하중이 고루 분포한다는 개념으로 가정하겠습니다.
1.구조상태
먼저 구조적인 상태로 본다면 단순보의 구조에, 6톤의 하중이 상부에 고루 분포하므로 1m당 2톤의 하중이 작용하는 등분포하중이 되는 경우입니다.
이런 경우처럼 두 지점을 잇는 보의 상부에서 하중이 작용할때는 부재에는 3가지의 힘이 생깁니다.
첯째가 양단부의 지점에서는 그 상부하중에 버틸려는 반력이 생깁니다.
즉 반력은 힘(2) * 반쪽거리(1.5) = 3톤이 됩니다. 쉽게 예기해서 상부 총 6톤하중을 양쪽에서 3톤씩 나누어 받는 거지요.
두 번째로 또 이 보 자체의 단면에서는 부러지려는 힘 전단력이 생기는 데요 전단력 역시 힘* 거리의 개념이기는 한데 전체 등분포 하중 일때와 한군데 집중하중이 있을 때에는 전단력이 생기는 폭이 달라집니다.
집중하중일 때는 전길이에 걸쳐 전단력이 생기지만 등분포 하중일 때는 길이별로 하중이 달라지므로 단부 쪽으로 갈수록 전단력의 크기가 커집니다.
세 번째가 모멘트력입니다. 모멘트란 쉽게 예기해서 가운데 부분은 휘어지게 되므로 휘어지려는 힘이 생기는 것입니다.
휨 모멘트라고들 흔히 예기합니다.
2.구조검토
첫 번째의 반력은 지점이 받는 힘이므로 보자체의 검토사항과는 관계가 없지만 대략 검토하자면 SPF 구조용목재의 수종평균 압축강도는 350kg/cm2정도이고 안전율을 곱한 실제 구조설계상의 허용압축강도는 평균45kg/cm2정도입니다.
2*6벽체라고 하면 전체 단면적은 53.2cm2이고 더블트리머이니까 한측의 전체 단면적은 106cm2쯤 됩니다. 곱하기 제곱센티미터당 허용압축강도를 하면 4.7톤을 받습니다.
킹스터드와의 접합과 상관없이 더블트리머 자체로도 3톤이 훨씬 넘는 직하중을 받는 것입니다.
두 번째로는 전단력인데요. 목재는 전단력(부러짐에견디는힘)에 매우 약합니다.
SPF 구조용목재의 수종평균 허용전단응력은 5kg/cm2정도입니다.
상부와 같은 경우 보의 단부에서는 반력인 3톤의 전단력이 발생하며 이 전단력과 상관있는 부분이 바로 목재의 단면적입니다.
목재의 전체 단면적611cm² * 목재의 허용전단응력 5kg/cm²= 3,059kg/cm²으로 최대 전단력 3톤보다 크므로 부재는 안전합니다.
또 가장 중요한
휨 모멘트력에 대한 검토시
SPF 구조용목재의 수종평균 허용휨응력은 60kg/cm2정도입니다.
부재에 작용하는 휨모멘트를 부재의 단면계수로 나누면 실재로 부재에 작용하는 휨응력을 구할수 있고
이 실재의 부재휨응력이 목재의 허용휨응력보다 크면 위험하다는 개념입니다.
결과적으로 모멘트 나누기 단면계수가 목재의 허용휨 응력도인 60kg/cm²보다 작아야 한다는 예기인데요
그림과 같이 해더의 단면계수는 4,455cm³이고, 이 보에서 발생하는 휨응력은 2.25톤입니다.
단면계수의 단위는cm³이고 모멘트의 단위는 T/M (톤/미터)이므로
단위 정리해 보면 2.25*1000kg*100cm / 4,455cm³ = 50.5kg/cm²
실재휨응력이 목재의 허용휨응력도60kg/cm²를 넘지 않으므로 이 보는 안전합니다.
이제 3가지 구조적인 사항을 검토 하였습니다.
하지만 남은 한가지가 더 있습니다.
바로 처짐에 관한 부분입니다.
부재가 전단력이나 휨응력에 대하여 충분히 견딘다고 하여 처짐이 일어나지 않는 것이 아니고 어느정도 처짐이 생깁니다.
이 처짐의 정도를 구하는 공식이 (위의 예처럼 단순보의 등분포 하중일경우에)
5wl⁴ / 384EI 입니다
w :하중(2,000kg/m)--20kg/cm
l :지간(3m)---------300cm
E :팽창계수(재료의성질에따라다름,SPF수종의 허용탄성계수=9*10³kg/cm²정도)
I :단면2차모멘트(사각형의 단면의 경우 bh³/12, b=가로cm,h=세로cm)
= (14*43.7³)/12 = 97,362cm⁴
허용처짐값
= 5wl⁴ / 384EI
= 5*20*300⁴ / 384*9*10³*97.362*10³
= 2.4cm 정도의 처짐발생
결국 3m정도의 스판에 6톤의 하중이 얹어지면 부재가 하중에 대하여 안전하지만 처짐에 대하여는 2.4cm정도의 처짐이 발생하는 것입니다.
3. 구조에 대한 일반상식
흔히 많은 빌더분들께서 우리나라에는 제대로 된 목구조 시방서나 구조기준이 없다고들 생각 하십니다.
구조지간표라 하여 미국,케나다등과 같은 외국의 설계기준을 많이 참조하고 있고, 그네들의 시공방법 또는 구조기준이 아무래도 정확하다고 하여 우선시 하는 경우를 봅니다.
하지만 분명히 우리나라에도 목구조 (경량목구조를포함한)에 대한 구조기준이 있고 아주 자세하게 그 한계를 정하고 있습니다.
또 시공법에 대하여도 시방서쯤은 안되도 골조시공에 대한 기본적인 사항에 대하여는 모두 언급하고 있습니다.
또, 구조지간표등을 별도로 제시하고 있습니다.
하지만 구조에 있어 이런 지간표들은 개별주택의 형태에 대한 통계치이므로 어느정도 비슷한 형태의 주택에서 참고할 수는 있어도, 이런 지간표 자체가 정확한 구조기준이라고 볼수는 없습니다.
정확한 구조계산은 구조설계기준 8장 목구조의 구조계산법에 의하여 계산하는 방식인데,
그 계산방식이 바로 앞서 설명한 내용과 같은 방식입니다.
구조설계기준상의 목구조의 구조계산법은 허용응력방식입니다.
허용응력이란 나무자체의 순 구조능력 압축강도,인장강도,전단강도등에 대하여 그 전체를 인정하지 않고 1/8만을 인정하여 그 1/8을 가지고 구조계산을 하는 방식입니다.
안전율이라고 하는데 쉽게 예기해서 원래 100%성능을 가진 부재를 12~13%의 성능만을 인정하여 구조계산을 하는 방식입니다. 그만큼 안전하게 구조계산을 하는 것입니다.
이 말은 곧 구조계산의 기준에 맞지 않거나 좀 못 미치더라도 당장 뭐 어떻게 크게 잘못 되지는 않는다는 말입니다.
또 한가지 사실상 우리나라에서 구조계산을 하여야 하는 건축물의 규모는 3층이상 또는 300평이상 또는 기둥간격10m이상...등의 규모로 일반 주택정도의 규모에 있어서는 구조계산 자체가 필요가 없게 되어 있습니다. 당연히 필요 없는 구조계산을 별도의 비용을 들여 하는 경우 또한 없습니다.
또 막상 구조계산을 하더라도 목조주택 특히 경량목조주택과 같은 벽기둥방식의 건물은 각 각에 위치한 부재 하나하나가 구조부분이 되는 경우가 많으므로 이런 하나하나의 부재에 대하여 정확하게 구조계산하는 것 자체가 쉬운 일이 아닙니다.
어쨌든 구조계산이란 설계사무소의 건축사가 하는 것이 아니고 별도의 자격을 가진 구조기술사가 하지 않는 한은 아무 효력이나 신빙성이 없습니다.
주택의 경우에는 구조기술사가 설계해야 할 규모 이하가 대부분이므로 당연 구조설계도서자체가 없는 상태이고 특히 애당초 구조설계에 대한 안전율자체가 워낙 높은 이유로 해서,
사실 어느 누가 어떻게 해석하고 적용하더라도 크게 문제될 소지가 덜 하다는 점입니다.
이 말은 곧 찍어도 반은 맞는다는 말처럼 구조에 대해 좀 아는 것처럼 말하는 사람은 많지만 그 말을 증빙할 방법도 없고 딱히 크게 틀렸다고 반박한다거나 또는 바로 눈에 띠게 건물에 하자가 오지는 않는다는 말입니다.
결과적으로, 보통 규모의 목조주택의 경우 구조에 대하여는 시공하는 사람의 경험에 의해서 좌,우 되는 경우가 대부분입니다.
그들의 시공경험에 의한 감각이 건물의 안정성을 좌,우하는 가장 중요한 열쇠가 되어 버린것입니다.
4. 창문설치에 대하여
그럼 서두에 예기한 것처럼 해더가 쳐질 우려가 있을때에 창문을 골조(해더)에 고정하지 않는 것이 옳은가에 대하여 예기해 보겠습니다.
앞서의 예에서 계산해본 것처럼 큰 지간에 큰 하중이 걸리는 경우에는 구조적으로는 안정하지만
부재자체로 꽤 큰(2.4cm) 처짐현상이 일어납니다. 최대 처짐이 그렇다는 것이지 꼭 그만큼 처진다는 예기는 아닙니다.
가장 좋은 방법은 이렇게 큰 처짐이 생기지 않게 개구부의 지간을 줄이거나 큰 지간의 개구부는 상부에 큰 하중이 걸리지 않게 배치하는 것입니다.
하지만 평면 배치 및 주택의 전체적인 성격상 어쩔수 없이 큰 개구부가 필요한 경우도 많습니다.
이렇게 큰 개구부를 내고 계산해보니 아무래도 큰 처짐이 생길 때에는 당연히 창문상부를 해더에 고정하지 않는 것이
좋겠지요.
하지만 또 생각해야 할것이 창문틀 자체의 처짐입니다.
2m이상쯤 되는 창문은 상부틀 자체로 어느정도 처집니다.
육안으로 보일정도로 처진 창문을 고정하지 않고 그냥시공한다는 것 자체도 말이 안됩니다.
방법은 창 자체의 처짐이 육안으로 보이지 않을 정도면 상부 창틀을 골조에 고정하지 않는 것이 좋고,
창 자체의 처짐이 어느정도 육안으로 보이거나 또는 2m이상되는 창문들은 상부를 골조에 고정하는 것이 좋습니다.
넓은 창문에서 위쪽을 고정하지 않을 경우에는 개폐시의 충격 및 강한 바람등에 의하여 가운데가 유동할 수 있는 가능성이
매우 크기 때문입니다.
그럴때에는 처짐에 의한 창문끼임은 어떻게 방지할까요.
1. 첫 번째 방법은 창문 넣기전 미리 다 처지게 하는 것입니다.
이 처짐이라는 것이 고정하중 및 적재하중의 모든 하중을 다 받아야 그 처짐을 마치는 것인데 골조시공 및 창문시공 시점 때에는 적어도 50%~60%k의 하중만을 받기 때문에 그 쳐짐이 진행중입니다. 이 진행중인 처짐을 도울수 있게 그 부재위에 별도로 하중을 재하시켜 (자재를 적치한다거나.....)그 처짐이 완성되게 하는 것이지요.
그 상태에서 창문을 고정한다면 나중에 처짐을 걱정할 필요는 없어집니다.
2. 그 두 번째 방법은 가운데를 들어주는 방법인데
나무 자체로 휘어진 경우라면 휜 쪽을 위로 하여 앉히면 설혹 나중에 쳐지더라도 직선이하로는 쳐지지 않는다거나,
나무자체로 휨이 없다면 가운데 부재를 쳐질 높이만큼 대패질 해낸다거나 하여 나중에 쳐짐이 끝났을 때 직선라인 이하로는 더 내려 오지 않게 배려하는 방법입니다.
이방법의 단점은 처음 창을 고정할때는 부재가 위로 휘어있는 상태이므로 나중에 부재가 쳐져서 직선까지 되면 그때는 창문의 가운데가 밑으로 휘어져 버린다는 건데요.
그러므로 이방법을 쓸때는 창문 고정을 피스로 하여 해더에 고정시키고 (날개있는 창은 절대 날개와 해더를 접합하지 말고 꼭 창틀자체와 해더와 접합시켜야함)
창주위의 몰딩은 실리콘 처리합니다.
그럼 나중에 혹 골조가 더 처져 창문이 휘더라도 실리콘을 잘라내고 창상부의 피스를 추가로 덧 죄면 휜 창문을 잡을 수가 있게 됩니다.
보통 아주 큰 개구부를 빼고는 이렇게 해더가 처져서 창문까지 쳐지는 경우는 거의 없습니다. 창문상부는 어느 정도 골이 있어서 창문짝을 넣고 뺄수 있게 되어 있습니다.
약 3mm~5mm까지인데 이런 유격이 있으므로 경미한 처짐으로 인해서는
창문이 골조에 끼여 개,패가 안된다거나 하는 경우는 없습니다.
그러므로 누가 보더라도 이정도면 분명 처짐이 발생할 것 같다고 의심되는 부위가 아니라면
시공시 해더를 큰 부재로 하여 튼튼히 골조를 시공한다면 구지 창 상부를 고정시키느것이 맞느냐 아니냐의 문제를 따질 필요는 없다고 봅니다.
-끝-