지난 3회에 걸쳐 구조역학의 기초를 알아보았다. 이번 회부터 그 간단한 원리를 바탕으로 공학목재와 접합부의 중요성을 짚어보기로 한다.

 

‘왜 집을 짓는가? 어떤 집을 지을 것인가? 누구를 위한 공간을 만들 것인가?’

설계를 맡은 건축사의 조력에도 불구하고 건축주는 스스로 결정해야 할 많은 것들로 고민이 깊어진다. 건축물은 존재하는 한, 영구적으로 사용해야 할 대상이기에 더욱 그렇다.

<사진 1> 실내에 기둥이 없는 포스트앤빔 방식의 주택 ©Åke E:son Lindman

<사진 1>은 스웨덴 교외지역의 한 주택이다. 그리 화려하지 않은 듯 하지만 글루램(Glulam)과 OSB를 사용하여 공간 활용을 극대화하고 외장은 징크로 마감하였다. 이 단순한 집을 모델로 삼은 이유는 심플해 보이지만, 설계 당시 많은 구조적 검토를 거친 흔적이 보이기 때문이다. 실내를 보면 기둥이 없다. 그러나 이층집이다. 계단을 만들기 위한 비내력벽만 있을 뿐 전체적인 하중은 건축물의 주요 프레임이 담당한다. 글루램이라는 공학목재를 사용한 전형적인 포스트앤빔(Post-Beam, 기둥-보) 구조이다.

만약 경골목구조를 선택하였다면 이런 평면 계획은 불가능했다. 앞서 배웠듯 경골목구조는 내력벽과 전단벽에 의해서 지탱하는 구조이기 때문에, 1층에 몇 개의 내력벽이 세워져야 했다.

공학목재는 영어로 ‘엔지니어드 우드(Engineered Wood)’라고 표기한다. 이는 원목을 접착제로 접합하여 마치 콘크리트를 배합 설계하듯 필요한 강도와 단면의 부재를 공장에서 생산하는 구조재이다. 상당히 오래된 역사를 가지고 지금은 차량이 주행하는 국도의 교량이나 대형 건물을 짓는 토목·건축용뿐만 아니라 가구나 인테리어 재료로도 널리 사용되고 있다.

<사진 2> 공학목재의 종류 

<사진 3> 공학목재를 제작하는 국내 공장 

공학목재 중 대표적인 글루램은 1906년 오토 헤르쩌(Otto Hetzer)에 의해 개발된 것으로, 직선과 곡선, 아치형 등 자유롭게 부재 모양을 구현할 수 있는 자재다. 구조 계산에 의한 단면 또한 다양하게 공장 제작이 가능해, 현재는 우리나라에서도 직접 생산·사용되고 있다.

<그림 1> 글루램의 단면과 강도 비교 다이어그램 

<그림 1>에서 보듯이 글루램은 여러 개의 소프트우드를 엇갈리게 겹쳐 접착제와 프레스를 이용하여 제조한다. 미국은 ANSI의 규정에 의해 생산하고 각 제품의 설계 특성치는 ASTM, 부재와 접합부는 NDS 규정에 의해 구조설계를 수행하도록 규정되어 있다.

제조에 사용하는 소프트우드는 소나무류(Pine), 삼나무류(Cedar), 스프러스(Sprus), 전나무류(Douglas fir)등 다양하다. 또한, 한 층의 두께는 약 35~38mm이며, 곡선아치형의 경우 19mm를 사용하기도 한다.

이렇게 만들어진 글루램은 같은 단면 크기의 원목에 비해서 강도가 강하며, 특히 강도의 변화폭이 적어 구조적으로 안정적이다. 솔리드 목재가 옹이와 목리(결, Grain)의 경사, 하중의 작용 방향에 의해 강도에 심한 편차를 보이는 반면, 글루램은 옹이나 갈라지기 쉬운 부위를 제하고 제조할 수 있어 그만큼 구조 설계에 필요한 강도를 안정적으로 확보 가능하다. 이러한 장점 덕분에 글루램은 아치 지붕, 차량이 다닐 수 있는 아치형교까지 광범위하게 적용되고 있다.

<사진 4> 글루램 아치지붕과 아치형 목교

건축물을 설계할 때 경골목구조와 중목구조로 단순히 구별하기보다는 필요한 용도와 공간에 맞는 다양한 구조 형태를 선정하는 것이 중요하다. 트러스와 아치 형태의 지붕 구조를 노출하면서 동시에 구조적으로 안정된 공학목재를 사용하는 방법은 목구조에서 검토해볼 만한 선진화된 공법이다. 구조기술자가 단순히 집의 구조적 안정성을 판단하는 데 그치지 않고, 건축주나 건축사의 요구에 부합하는 경제적이고 미려한 구조 형식이나 디자인을 역제안하는 방식도 필요한 때다.

<사진 5> 목조 트러스 적용 지붕

공학목재를 사용할 때 가장 중요한 부분은 접합부의 설계이다. 건축물은 하중이 작용할 때 수직과 수평방향으로 건축물 전체가 거동한다. 단순하게 수직하중에 의해 보가 처지는 정도를 검토할 뿐 아니라, 기둥과 보 일체가 어떻게 작용받는지 판단해야 한다. 이를 토대로 접합 부분의 상세 설계가 나와야 할 것이다.

<그림 2> 글루램으로 적용 가능한 구조 형태

아무리 좋은 공학목재를 사용한다고 해도 전체적인 검토 없이 단순하게 적용한다면 단면이 큰 공학목재는 오히려 큰 자중으로 작용하여 건물 전체에 악영향을 줄 수도 있다. 다음 회에는 접합부에 대해 더 자세하게 알아보도록 하겠다. 

 

글_ 김창환



구성_ 이세정

ⓒ 월간 전원속의 내집  Vol.235 www.uujj.co.kr