철근과 용접을 이용한 콘크리트구조와 달리, 목구조는 부재들을 연결해 하중을 지반에 전달한다. 결국 연결 부위의 접합 강도가 집의 내구성을 좌우한다.



하중을 받는 부재는 동일한 하중을 다른 부재로 전달한다. 지상의 모든 목조 건축물의 하중은 최종적으로 지반에 전달된다. 하중은 힘의 형태로 전달되며, 힘이 가해지면 부재는 처지거나 휘어지거나 미끄러진다. 목재는 수종에 따라 약간의 차이가 있지만, 어느 한계까지는 탄성체이다. 이를 ‘탄성한계’라 한다. 즉 고무줄같이 휘어졌다가 다시 원상회복된다. 그러나 그 힘의 크기가 계속 증가되거나 지속되면, 목재의 변형은 고착화되어 영구변형 된다. 이를 ‘소성변형’이라 하며, 이 한계를 넘으면 부재가 저항할 수 있는 한계를 넘어서며 파괴된다. 이를 ‘취성파괴(물체가 외력을 받았을 때 소성 변형을 거의 보이지 않고 파괴되는 성질)’라 하는데, 이는 건축물의 갑작스런 붕괴로 이어질 수 있다. 부러진 나무젓가락이 원래 모양으로 완전히 회복되지 않는 것과 동일한 이치이다. 따라서 구조 설계 시에는 하중은 물론, 하중 기간에 대한 검토가 반드시 필요하다.

목구조의 부재 간 
결합을 위한 방식

구조재로 쓰이는 목재는 대부분 직선으로 제재되어 건조 후 사용된다. 건축물에는 수직 방향의 부재, 수평 방향 또는 경사진 방향의 부재끼리 연결이 필요하다. 이 연결부, 즉 조이스트(Joists)를 어떻게 시공하느냐에 따라 구조물의 강도가 결정된다. 철근콘크리트나 강구조는 철근이나 용접을 이용한 일체화한 강결 구조이나 목재는 그렇지 않다. 전통 방식의 짜맞춤이나 못(Nails), 스크류(Screw), 볼트(Bolts), 리벳(Rivet) 등의 체결철물(Fastners)을 사용하여 결합함으로써 하중을 전달한다.

같은 목재로 동일한 사이즈의 테이블을 만들었을 때 [그림 2] 방법 중에 어떤 것이 가장 튼튼할까? 구조역학DMF 잘 모르는 사람이라도 일반 못보다는 철물이나 짜맞춤 방식이 견고하다고 생각할 것이다. 이것은 접합부의 중요성을 보여주는 단적인 예다. 실제로 목구조 설계 시 접합부의 강도를 확보하기 위하여 부재 치수를 크게 하는 경우도 있을 만큼, 접합부의 강도는 건축물 전체의 강도와 직결된다. 경골목구조에서 일부 부재를 글루램(공학목재)으로 시공하는 경우 특히 주의를 요하는 이유다. 즉 글루램의 하중을 검토하는 것보다 양 끝단 접합부의 강성을 검토하는 과정이 반드시 선행되어야 한다.

접합부 강도에 
큰 영향을 미치는 
못의 종류와 품질

경골목구조와 중목구조는 서로 다른 형태의 접합 형식을 가지고 있다. 이번 회에는 경골목구조의 접합부에 대하여 알아보기로 하자. 경골목구조는 구조재와 못을 이용한 접합구조형식이다. 물론 홀다운 철물과 앵커 등은 볼트로 체결하기도 하지만 주요 부재 간의 접합부는 못으로 연결한다. 따라서 못의 품질은 접합부 강도에 중요한 영향을 미친다. 반드시 시방서에 규정된 못을 사용해야 하는데, 현실에서는 그렇지 않은 현장도 많다. 접합부 강도는 못의 강도 외에도 못과 목재의 매립 강도(Embedded Strength)에 의해서 결정된다. 이는 못의 표면과 목재간 마찰력, 목재의 강도 등이 서로 작용하여 뽑힘에 저항하는 힘을 말한다.

앞 장의 그림은 경골목구조의 전단벽에 OSB합판과 스터드(Stud)간 못을 박은 모습이다. 전단벽은 횡방향 하중과 수직하중을 받기 때문에 이로 인해 목재와 합판 사이는 전단력이 작용하게 된다. 이때 못에는 이 힘에 저항하는 전단응력과 인장응력, 휨응력이 복합적으로 발생한다. 즉 못 자체의 강도와 목재와의 뽑힘 강도로 하중에 저항하는 것이다.

미국 NDS 규정에는 못 하나 하나의 저항능력에 대하여 실험식을 규정해 놓았다. 구조설계자들은 전단벽 전체의 하중과 못의 응력을 수치화하여 필요한 못의 개수와 못끼리의 간격을 설계한다. 못의 개수와 시공 간격 외에도 못 표면이 어떠한가도 중요한 변수로 작용한다.

인장력을 받는 못이나 스크류 등 체결장치 표면이 나사산(Threading)으로 되어 있거나 원형링 형식으로 홈이 파인 경우에는 목재 간 전단응력이 높아지기 때문에 더욱 견고한 벽을 만들 수 있다. [표 1]의 공식으로 체결철물의 종류에 따른 전단응력을 가늠해 볼 수 있다.

규정에 의해 인증된 
접합 철물의 종류

스크류를 이용하여 합판과 구조재를 체결했을 때, 일반 못을 쓸 때보다 전단응력이 2배 향상되는 것을 알 수 있다. 또한, 와셔를 사용하면 전단응력이 향상되어 더 강도 높은 구조물을 만들 수 있다. 이는 ‘로프 효과(Rope effect)’라 불리며, 유럽에서는 이를 설계에 적용하도록 규정하고 있다(Eurocode 5).

북미 목조주택에서도 미국 ICC(International Code Council) 국가 규정에 의해 인증된 심슨스트롱타이(Simpson strong tie)社의 체결철물을 주로 사용한다.

[그림 4]는 보와 장선이 만나는 부분의 장선걸이와 스터드(Stud) 등에 각종 배선을 위해 구조재를 천공하는 경우, 접합철물을 어떻게 사용하는지 보여 준다. 연결철물을 자세히 보면 못을 박을 곳에 미리 구멍이 뚫려 있다. 목조건축 규정에 보면 각 부위별로 필요한 못의 직경과 개수 그리고 못박기 방법 등이 있다. 천공된 부분에 규정된 깊이의 못을 박으면 적합한 시공이 되는 것이다. 또한, 제조사에서는 제품별로 하중기간을 적용한 허용하중 값을 제공하고 있어 건축물 각 부재에 작용하는 하중량에 따라서 제품을 선택하면 된다. 이 하중 값들은 수많은 실험과 경험으로 도출해낸 결과물이다.

최근 경골목구조에 홀다운 등 
연결철물 사용 의무화 돼

지면의 한계로 다양한 연결부를 소개하지는 못했지만, 우리가 이미 이해했듯이 역학의 원리는 하나다. 지붕, 벽체, 기초부 등 필요한 연결철물은 모두 같은 개념으로 접근하면 된다. 최근 정부에서는 법 개정을 통하여 경골목구조에서 홀다운 등 연결철물 사용을 의무화하였다. 이 규정들은 최소한의 의무 규정으로 이것만 지키면 된다는 의미는 아니다. 필요한 부위에 연결철물을 사용하는 것은 구조물의 성능 향상을 위해 매우 중요한 것임을 건축주는 기억해야 한다. <다음 호에 계속…>



글쓴이_ 김창환

토목직 공무원을 시작으로 건설업체에서 25년 동안 구조물의 설계와 시공을 맡아 왔다. 서울시립대 대학원에서 토목 공학을 연구하고 구조진동과 파괴역학을 주제로 공부해 왔다. 현재 글루램을 활용한 장경간 네트워크 아치교의 설계와 시공 논문을 집필 중이며, 일산에서 건축공방 나무를 운영 중이다. http://blog.naver.com/kline352001