목구조의 원리

경량목조주택 -인류문명의 초기부터 목재는 중요한 건축재료의 하나였다. 움막의 뼈대로부터 석조 혹은 조적식 벽체의 바닥이나 지붕을 형성하는 재료로 사용되었으며,19세기 초의 산업혁명은 수력에의한 제재설비를 발전시켜 목재를 보다 싸고 대량으로 공급할 수 있게 하였다.미국에서는지난 수십년 동안, 목구조가 주택건축의 가장 적합한 시스템으로 채용되어 발전되어왔다. 근래에 와서는 공학목재를 사용한 구조 시스템을 발전시켜 공동주택에 있어서도 목구조의 새로운 가능성을 보여주었다. 이러하 공학목재의 대표적인 것들로는,구조적 응력을 지니는 합성보(Engineered Beam),공장조립 트러스(Truss Systems),집성목재(Glue-Laminated Beam),I형 장선(I-Joist,I-Beam),구조용 합판제(Structural Wood Panel)들이 통상 사용되는 것들이다. 이로써 오늘날의 발룬 구조(Balloon Framing), 플랫폼 구조(Platform Framing), 기둥-보 구조(Post&Beam),중목구조(Heavy Timber Framing System)등의 다양한 목구조방식이 개발.발전되었다.

 

 발룬 구조(Balloon Framing)
1830년 경, 기존의 기둥-보 방식(Heavy Timber Constuction)에서의 칸막이 벽체로 사용된 소단면 각재의 프레임이, 구조체에 전달되는 하중을 지지하기에 충분하다는 것을 알게되어 대단면의 기둥을 불필요한 것으로 만든 구조방식이 고안되었다. 그것은 작은 단면의 각재들만 사용하고 그 간격을 좁혀서,벽체에는 스터드(stud)로, 바닥에는 장선(joist)으로, 지붕에는 서까래(rafter)로 구성하는 방식이었다. 이러한 부재들은 목수들이 다루기에도 용이하였고,기계로 양산된 못으로 쉽고 신속하게 조립될 수 있었다.
이러한 구조법은 발룬(Balloon)구조라 이름지워 졌는데, 구조방식의 우수성과 건물을 가볍게 구성하여 풍선처럼 날아갈 듯한 인상에서 비롯되었다.발룬구조의 특징은 벽체 스터드가 기초에서 지붕에 이르기까지 2개층의 길이를 지니고 있다는 점이다. 이층 바닥은 이러한 2개층의 길이를 지니는 스터드의 중간에 끼워진 부재(ribbon)에지지된다. 지붕의 서까래와 천장틀은 벽체 스터드 상부의 두겁대(top plates)위에 지지된다.
이러한 발룬구조의 가장 큰 약점은 벽체와 바닥장선의 결합방식이 화염 진행을 적절하게 차단하지 못하여 화재시 2개층에 달하는 스터드간의 중공이 연도의 역할을 하게되는 것이었다. 또한 이러한 스터드는 그 길이가 길어 시공시 다루기 힘들었던 것이 또 다른 약점이었다.
 

 

 플랫폼 구조(Platform Framing)
화재시 취약한 내화성능과 시공시 열악한 작업성능을 가진 발룬 구조의 약점을 보완하는 하나의 새로운 구조방식이 개발되게 되었는데, 오늘날 플랫폼 방식이라 불리우는 것이 바로 그것이다. 이 플랫폼 구조에서는 벽체가 평탄한 바닥구조 위에 놓이게 되는 것으로, 이것은 연속 벽체 혹은 하부의 벽체 상부에 벽체 구조가 놓이게 되는 발룬 구조와 다른 점이다.
플랫폼 구조는 두 단계의 시공과정을 거치게 된다. 먼저, 통상적으로 콘크리트 줄기초 위에 1층의 평탄한 바닥구조를 설치한다. 그런 후, 평탄면은 내력벽과 비내력 간막이벽의 조립과 설치를 위한 작업장이 된다. 건물이 중층일 경우,다음 층의 플랫폼은 하층부의 벽체 위에 새로운 평탄한 바닥면을 형성하여 설치한는 것이다, 마지막으로 최상층 벽체의 상부에 지붕의 서까래와 천장틀이 지지되게 된다.
발룬 구조와 비교하여 플랫폼 구조의장점은 다음과 같이 3가지를 들 수 있다.
1) 구조 부재의 길이가 짧아지고 가벼워져 작업이 용이하다는 것이다.
2) 평탄한 플랫폼 위에서 조립되는 벽체는 정확하게 직각으로 제작될 수 있고, 세워지기 전에 합판이나 대각선 가새를 설치하여 벽체 프레임의 강성을 높일 수 있다.
3) 플랫폼으로 구성된 바닥골조는 하층부와 상층부의 벽체 구조 사이에서 방화막으로 기능하는 점이다. 이렇듯 플랫폼이 구성하는 방화막은 발룬 구조에서 추가적으로 소요되었던 방화용 깔판의 설치를 위한 인력과 시간을 절감한다.
 

 기둥-보 구조(Post & Beam)
오늘날 두번째로 많이 사용되고 있는 목구조 방식으로 이것은 가장 오래된 방식 가운데 하나이다. 현대에 이르러서는 전형적인 플랫폼 구조와 혼용되어 사용되며, 그러한 경우 그 골조 구조를 이루게 된다.현대적인 기둥-보 구조의 잠재적인 장점은 다음의 세가지로 이야기할 수 있다.
1) 적은 수의 대단면 부재를 사용함으로써, 지간(span)을 늘릴 수 있고 자재와 인력을 절감할 수 있다.
2) 통상 목재를 노출하게 되어 목재의 수려한 질감을 자연스럽게 표현할 수 있다.
3) 지붕구조를 바닥이나 벽체보다 먼저 구축할 수 있어 작업에 많은 도움을 줄 수 있다. 즉 기초가 타설된 후 기둥과 보 부재로 지붕구조를 지지하게 되어 가설의 내부 작업 공간, 자재 창고 등의 기능을 제공할 수 있게 된다.

기둥-보 구조는 플랫폼 구조에 비해 다소 어려운 구조로 여겨지는데. 보와 보, 보와 기둥과 같은 연결 부위의 설계와 시공에 신중한 주의가 요구된다. 또한 건물의 모든 하중이 이러한 결합 부위로 전달되므로 연결 부위의 디테일(상세)은 건물의 구조적 안정성에 치명적인 것이 된다. 따라서 하중을 부담하게 될 기둥을 배열할 때,내력벽이나 대각 가새의 적정한 사용을 고려해야 한다. 기둥 사이에 걸쳐지는 보는 대규모의 비내력 간막이벽이나 외부로의 조망을 위한 대형 유리창으로 구성될 수 있다.
기둥-보 방식의 단점으로 플랫폼 구조에 비해 전기나 기계설비의 매설을 위한 감추어진 공간이 없다는 것이다, (플랫폼 구조에서는 설비들이 스터드와 장선을 관통해서 설치되므로 별도의 핏트(pit:설비용 공동구)가 필요치 않다,) 따라서 상부 덕트와 같은 설비 라인이 그대로 노출되거난 천장을 단지게 하여 마감해야 하는 난점이 있다. 또한 수직 설비를 위한 별도의 핏트가 요구된다.
 

 중목구조(Heavy Timber Framing system)

이 구조방식은 기본적으로 기둥-보 방식의 원리와 동일하다. 가장 큰 차이점은 구조용 목재가 통재(Heavy Timber)로 분류되는 최소한의 규격을 지니는 목재들로 구성된다는 점이다. 중목구조의 규정에 요구되는 부재의 최소규격은 화재시 구조체의 안전을 보장하기 위한 것이다. 목재가 화염에 휩싸였을 때 검게 그을린 탄소피막은 일종의 방화막을 형성하여 목부재가 일정한 시간 동안 구조적 성능을 유지할 수 있게 하는 것이 이 구조의 기본개념이다.
이러한 특징의 중목구조는 목재를 구조재와 동시에 수장재로써 사용하고자 할 때 많이 사용되고 있다. 예를 들어, 부드러운 목재의 재질감을 표현하고자 하는 레스토랑, 호텔 혹은 스키 산장과 같은 전원풍의 건축물들에서 사용되고 있다. 이러한 건축물이 지녀야 할 분위기가 중목구조를 가장 적정한 것으로 여기게 한다. 중목구조의 적용원칙 가운데 또다른 중요한 기준은 높은 내화성능을 요구하는 집회 시설등에 적용되는 건축법 규정이다, 내화구조로 건축되어야 하는 실내 체육관 같은 것이 규정된 범위와 설비 등을 갖추게 되면 지붕구조에 중목구조를 사용할 수 있게 한다.(예를 들어, 단층이고 스프링쿨러 설비를 갖추어야 하는 규정).실례로 워싱턴주의 타코마시의 타코마돔은 직경약 160m에 달하는 무주공간(기둥이 없는 공간)을 중목구조의 집성목재를 삼각형으로 기성화하여 지오데식 돔으로 구성한 골조 위에 합판으로 마감한 최대의 목조 건축물이다.
 
출처 http://sigool.org/?document_srl=4042