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• [예비 건축주를 위한 패널라이징Panelizing의 이해 ④] 실제 사례를 통해 본 패널라이징/트러스 공법 ① - 지진보다 바람에 더 취약한 목구조 건물

  패널라이징과 트러스를 사용한다고 해서 건물 구조 검토 및 구조 부재의 단면 크기를 결정하는 데 있어 기존 공법(Conventional construction)과 그 방법 및 개념이 크게 다른 것은 아니다. 일일이 구조계산 등을 해야 하는 소규모 건축물에 비해 복잡한 절차와 비용을 생략하도록 사용하기 간편한 표 등으로 구조계산을 대체한 것이 패널라이징/트러스 공법이다. 소비자의 입장에서는 단순히 편의와 비용 절감만을 추구하기보다 구조적으로 안전한 건축을 하기 위해 기존 공법의 범위와 한계를 알아야 한다.글 조종승<리플래시기술㈜ 주택사업부 이사> 트러스의 기본개념과 특성에 대해 알아본 지난호에 이어 이번 호는 실제공사에 패널라이징과 트러스를 적용해 엔지니어링을 하는 과정을 살펴보기로 한다. 패널라이징/트러스와 기존 공법(Conventional construction)의 차이패널라이징과 트러스를 사용한다고 해서 건물 구조 검토 및 구조 부재의 단면 크기를 결정하는 데 있어 기존 공법(Conventional construction)과 그 방법 및 개념이 크게 다른 것은 아니다. 일일이 구조계산 등을 해야 하는 소규모 건축물에 비해 복잡한 절차와 비용을 생략하도록 사용하기 간편한 표 등으로 구조계산을 대체한 것이 패널라이징/트러스 공법이다. 더불어 패널라이징/트러스 공법은 기존 공법의 대상 건축물 뿐만 아니라 모든 건축물의 구조검토 및 해결책을 제시한다. 따라서 소비자의 입장에서 단순히 편의와 비용 절감만을 추구하기보다 구조적으로 안전한 건축을 위해 기존 공법의 범위와 한계를 알아야 할 것이다. · 기존 공법(Conventional construction) : IBC(International Building Code) 23장에서는 기존 공법에 대해 "경험적으로 규정된 골조설계 및 수단으로 원칙적으로 주거용 건축에 적용함. 구조설계나 하중계산 없이 사용할 수 있도록 허용됨"이라 했으며, 그 적용 가능한 대상을 다음과 같이 제한했다.- 최대 3층이하.- 내력벽의 높이는 10ft(약 3.05m) 이하.- 지붕 스팬(경간)은 40ft(약 12.19m) 이하.- 약한 바람 및 지진에 한정(풍속: 시간당 110마일 이하).- 하중은 제한적임.따라서 위의 조건을 초과하는 경우 기존 공법의 대상이 아니며 적절한 하중계산 및 구조설계를 해야만 건축물의 안전을 확보할 수 있다. 패널라이징/트러스 공법을 적용한 OOO 씨 주택이제 실제로 패널라이징/트러스를 사용해 엔지니어링하는 과정을 보기로 하자. 적용하는 평면은 당사가 실제 시공한 공사를 단순화해 수정한 것이며, 약 40평 전후 복층 주택으로 우리 주변에서 흔히 접할 수 있는 규모다(상기 평면도 참조).진행 과정은 개략적으로 건축도면 검토→ 트러스(바닥장선) 배치 계획/내력벽 배치 계획→ 하중 계산→ 하중 조건 입력→ 전용 프로그램 구동→ 산출 부재 검토/수정→ 3D 검토/수정→ 도면 출력/검토/승인→ 생산→ 출하/운반→ 시공/설치 순이다. 기존 공법에서 전용 프로그램을 구동하는 과정만 없을 뿐 나머지는 대동소이하다.· 건축도면 검토 : 우선, 협의 및 허가가 완료된 건축도면을 놓고 목구조를 적용하기에 문제는 없는지 검토한다. 시공자의 의무는 건축주와 설계자가 협의해 결정한 내용을 최대한 실제 건축물로 구현하는 데 있지만 구조안전, 공사비 및 공법의 현실성, 하자의 우려 등을 면밀히 검토해 그 내용을 함께 협의하고 조정해야 한다는 점도 잊으면 안 된다. 제대로 된 구조계산과 기후 등 상세 사항 관리 여부, 도면에 맞는 적절한 시공이 건축물 수명을 좌우하기에 건축주, 설계자, 시공자 등 모든 당사자의 협의 및 조정 과정은 매우 중요한 사항이다.이렇게 검토된 도면의 최종 CAD File(평면, 입면, 단면)을 목조 전용프로그램에 입력한다. 가장 많이 쓰이는 Autocad 프로그램은 물론이고 대다수의 CAD 프로그램은 그 도면 내용의 호환에 큰 문제가 없다.여기서 협의 과정이 없을 경우, 건축주의 중요한 역할은 설계 내용의 CAD File을 입수해 시공자에게 제공하는 일이다. CAD File이 없으면 설계 내용을 일일이 다시 그려야만 하는 시간 낭비가 발생한다.목조 전용 프로그램은 설계 내용 입력만으로 건축물 개요뿐만 아니라 물량 산출, 견적 및 계약, 제품 생산 및 출고 등을 일괄로 관리하는 기능을 지녀 전반적인 제품 관리에 편의와 정확성을 제공한다.· 트러스(바닥 장선)/내력벽 배치 계획 - 구조 기본계획 : 기본적인 설계 내용 입력 후 건물 하중을 지지할 내력벽의 배치와 크기 등을 정하는 구조 기본계획을 검토해 결정한다. 건축물 설계자나 구조 전문가가 검토해 결정할 사항으로 우리나라 건축 실정상 그냥 지나치기 쉬우나, 건축물 구조 안전에 관한 아주 중요하고 필수 불가결한 사항이라 하겠다.내력벽 위치를 결정할 때 우선 고려할 사항은 바닥재(트러스/장선)의 길이(Span)를 결정하는 내력벽 사이의 거리다. 트러스는 상대적으로 길기 때문에 내력벽 간격 설정이 비교적 자유롭지만, 제재목인 일반 장선은 통상 20ft(약 6.1m)를 넘을 수 없으며, 20ft 이내 길이라 하더라도 장선이 바닥 하중을 견딜 수 있는지 복합적으로 검토해 결정한다.내력벽 배치와 크기(길이)는 건물 상부에서 발생하는 하중을 안정된 경로로 전달하는 기능 검토뿐 아니라, 지진 및 태풍 등의 횡하중에 대한 건축물 전체의 강성에도 큰 영향을 준다. 이는 지난 호의 트러스 원리에서 보듯 같은 나무를 어떻게(삼각형 또는 다각형) 결합하느냐에 따라 구조체 전체 강성에 영향을 주는 것과 같은 원리다. 또한 너무나도 당연한 얘기지만 위층 내력벽을 아래층 내력벽이 잘 받치고 있어야 한다. 간혹 복잡한 건물에서는 위층의 하중을 지지해야 할 아래층 부분에 내력벽이 없는 실수가 종종 발생하기도 한다. · 하중 계산 : 구조 기본 계획 검토 및 결정이 끝나면 세부적인 작업으로 건축물 각 부분에 작용하는 하중을 검토해 계산한다. 목구조 건축물에 작용하는 하중으로는 크게 ①고정하중 ②활하중 ③시공하중 또는 적설하중 ④풍하중 또는 지진하중이 있다.여기서 주목해야 할 것은 일본의 지진 및 쓰나미 사태 이후 관심거리가 된 지진하중이다. 지진하중 산정에는 여러 가지 복잡한 계수와 산식이 사용되나 가장 중요한 요소는 건축물 무게다. 그러나 목구조 건축물은 콘크리트 건축물의 1/7 정도 무게밖에 되지 않아, 목구조 건물에서는 지진으로 인한 영향보다 바람(태풍 등)에 의한 파괴를 더욱 유의해야 한다. 즉 목구조 건물은 건물의 강성에 비해 무게가 가벼우므로 어떤 판 위에 놓고 상하좌우로 마구 흔들어 파괴하기보다 바람을 세게 불어서 파괴하는 것이 더 쉽다는 것이다. 지진하중과 풍하중은 동시에 작용하지 않는다고 가정한다. 따라서 건축구조 기준은 물론이고 대부분의 목구조 프로그램은 풍력에 대한 구조계산을 우선시하며, 최대 풍속을 입력하면 자동으로 계산된다.고정하중은 설계 내용 및 마감 재료에 따라 그 하중 크기가 달라지므로 자체적으로 계산표를 만들어 사용한다. 특히 우리나라는 온돌 사용으로 바닥에 큰 중량이 작용하므로 각별히 주의한다. 온돌구조의 경우 바닥 모르타르를 대개 4~5㎝ 두께로 타설하는데, 모르타르의 단위 무게 23㎏/㎡를 적용하면 ㎡당 92~115㎏의 하중이 작용하고, 여기에 법규에 의한 최소 적재하중 200㎏/㎡와 목재의 자중, 기타 마감 자재 등을 더하면 3.5k㎩ 정도의 하중이 작용한다. 이렇게 큰 하중은 외국에는 예가 거의 없어 IBC는 3k㎩까지만 장선 경간표를 제공하기에 우리나라는 한국건축표준기준(KBC, Korean Building Code)에서 별도의 추가 장선 경간표를 만들어 사용하고 있다. 3.5k㎩하중을 갖는 수종 SPF(비중 0.42, KBC는 SPF를 잣나무류(비중 0.40)로 분류함)를 최대 치수인 2×12를 400㎜(약 16인치) 간격으로 배치할 때 최대 경간은 4.15~4.50m이고, 300㎜(약 12인치) 간격으로 배치해도 4.75~5.15m이다.OOO씨 주택을 기존 공법으로 시공할 경우, 1층 거실/주방 부분은 경간이 5.1m로 위태로운 상황이다. 안전한 구조가 되기 위해서는 중간에 기둥을 세우거나 큰 보를 설치해 장선의 경간을 줄여야 하는데, 이는 큰 보의 춤만큼 천장 높이의 감소를 초래한다. 여기에 전기, 기계류의 설치 공간까지 고려하면 천장 높이는 더욱 낮아진다. 이때 부족한 천장높이를 보완하고자 보나 장선을 훼손하는 경우를 흔히 볼 수 있는데, 이는 구조내력상 아주 주요한 부분를 손상하는 심각한 문제다. 다른 방법으로 경간을 한계 치수인 4.91m 정도로 평면을 축소 수정하는 것이 있으나, 이역시 건물설계 자체의 근간을 흔드는 것이라 하겠다.이러한 경우 바닥에 트러스 공법을 적용하면 아무 문제 없다. 이보다 큰 경간도 지지가 가능하며, 천장 높이 감소 없이 전기, 기계류의 설치가 자유롭다. 참고로 건축물은 기초부터 시작해 1층, 2층 … 지붕 순서로 시공하지만, 하중 계산은 맨 꼭대기부터 시작해 아래로 내려온다. 즉 지붕 하중을 제일 먼저 구하고, 다음에 지붕 하중+최상층 하중, 이런 방법으로 순차적으로 더해 내려온다. * 다음 호에서 이어집니다.

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  2011-10-21

• [예비 건축주를 위한 패널라이징Panelizing의 이해 ⑤] 실제 사례를 통해 본 패널라이징/트러스 공법 ② - 안전한 건축물을 가능케 하는 트러스

  지난 호에 이어 이번 호에도 패널라이징/트러스를 이용한 실제 사례를 살펴보기로 한다. 지난호에는 건축 도면 검토 · 트러스(바닥장선)/내력벽 배치 계획 · 구조 기본계획 · 하중 계산에 대해 살펴봤다. 계속해서 하중계산을 좀 더 살펴보기로 한다.글 조종승<리플래시기술㈜ 주택사업부 이사> 건축물에 작용하는 하중의 종류에 대해 지난 호에서 이야기했으나 이 하중이 어떤 형태로 작용하느냐에 따라 집중 하중, 등분포 하중, 등변분포 하중 등으로 나눌 수 있다.지난 호에서 언급한 하중 계산은 주로 등분포 하중의 경우이며 구조 계산의 편리성, 건물의 안전이나 부재의 경제성 등의 이유로 보면 등분포 하중이 유리하기에 실제에서는 가급적 등분포 하중으로 추정해 계산한다. 그러나 집중 하중이 작용하는 경우도 많이 있으며, 집중 하중과 등분포 하중이 복합적으로 작용하는 경우도 많다. 즉 적재 하중 등은 등분포 하중으로 가정하나 기계 설비, 물탱크 등은 집중 하중으로 작용하는 경우가 많으며, 특히 상하부의 내력벽 위치가 일치하지 않을 때는 바닥에 엄청난 집중 하중이 작용한다는 점을 감안해야 한다.경골 목구조 건축물은 벽체가 하중을 지탱하는 (내력)벽식 구조이므로, 건물 설계 시 가능한 위층과 아래층의 내력벽 위치가 일치해 하중 전달 경로가 명확한 것이 좋다. 그러나 예시 평면의 2층 창고 벽은 하부에 지지하는 벽체가 없으므로 그 벽체의 중량 등을 바닥에서 지지해야 한다. 기존 공법은 등분포 하중과 집중 하중이 동시에 작용할 경우 해당하는 표가 없어 난처한 상황이 발생하며, 다행히 이 경우는 벽체의 긴 부분이 장선의 방향과 일치해 두 겹의 장선(Double joist)으로 어느 정도 해결할 수 있으나 짧은 부분은 장선에 집중 하중이 작용해 블로킹Blocking 등의 미봉책 밖에 없는 상황이다.하지만 트러스는 집중 하중과 등분포 하중이 동시에 작용하는 것을 고려한 구조 계산을 함으로써 건축물 실정에 맞는 부재 선택과 보강을 통해 안전한 건축물을 가능하게 한다. 하중 조건 입력하중 계산표 및 법규, 계산식 등에 의해 하중이 산출되면 이를 전용 프로그램의 각 항목에 입력한다. 적용 법규, 적용 하중, 풍속, 적설량, 처짐량, 하중 작용 기간, 온도, 습도 등의 여러 사항을 입력하면 프로그램에서는 법규에 의한 각 하중의 조합 및 계수 중에서 가장 불리한 경우를 채택해 구조 계산을 한다. 즉 가장 악조건에서도 건축물이 안전할 수 있도록 계산하는 것이라 하겠다. 구조 계산을 할 때 정확한 하중 계산과 하중 조건의 입력은 대단히 중요한 사항이다. 아무리 좋고 정확한 구조 계산 전용 프로그램이라 하더라도 그 입력 자료와 프로그램 운용이 정확하지 않으면 오히려 더 위험한 결과를 초래할 수 있다. 따라서 건축에 대한 전문 지식과 프로그램에 대한 운용교육을 제대로 갖춘 기술력이 있는 지를 확인해야 한다. 전용 프로그램 구동하중 계산이나 하중 조건의 입력이라는 복잡하고 중요한 과정에 비해 전용 프로그램의 구동은 상당히 간단하고 기계적인 과정이다. 여기서는 벽체나 트러스 부품의 접합 방법이나 절단 각도, 제작 및 설치의 편의를 위한 세부적사항을 선택, 입력해 작성한다.특히 욕실이나 현관 등과 같이 바닥 높이가 낮아지는 부분, 장식을 위해 천장 높이가 변화하는 부분 등을 트러스에서 미리 반영해 제작하므로, 후속 마감 공사의 편의와 경제성을 구조적으로 안전하게 확보할 수 있다.일부 기존 공법 시공자의 경우, 바닥을 낮추고자 장선 윗부분을 깎아 내는 사례도 있는데 이는 깎아낸 부분에 응력 집중이 발생해 구조적으로 안전하지 않다. 또 기존 공법에서는 장식 천장을 위해 별도의 천장틀을 설치해야 함으로써 추가비용의 발생과 공사기간이 증가하게 된다. 그러나 트러스 공법을 사용하면 단순 골조 비용은 다소 증가하나 마감공사의 바탕 작업, 중복 작업을 감소시킴으로써 전체 공사비를 절감하고, 구조적으로 안전한 건물을 시공할 수 있다. 산출 부재 검토/수정전용 프로그램을 가동해 기본적으로 산출한 부재를 검토, 보완, 수정하는 과정이다. 형태적으로 제작, 시공에서 개선 사항이나 문제점이 없는지, 구조적으로는 허용하중을 초과하는 부재가 없는 지를 검토한다. CSI(Combined Stress Index)라는 지표가중요하다. 어떤 부재가지탱 할 수 있는 하중 이상의 외력이 작용하는 부위는 CSI계수가 1 이상이 되며, 이 부위는 빨간색으로 표시돼 경고를 한다. 빨간색으로 표시된 부위는 이론상으로 설계 하중이 가해질 경우 그 부위가 파괴된다는 것을 의미한다. 따라서 이러한 부위만 보강을 하거나 결구 방법 등을 바꿔 줌으로 부재 허용 강도 이하가 되게 해 안전하고 경제적인 구조 설계가 가능하다. 3D 검토/수정부재의 검토 및 수정 작업이 완료되면 이를 컴퓨터에서 입체 가상 조립(3D Simulation) 해 본다. 이는 산출한 부재를 실제 시공과 마찬가지로 컴퓨터로 조립해 봄으로써 치수나 형태가 어긋남 없이 잘 맞는가를 확인하는 과정이다.패널라이징/트러스의 장점 중 하나는 현장의 빠른 시공 속도인데, 몇 ㎜ 안 되는 부재 간의 사소한 오차일지라도 결합이 안 돼 현장 속도와 공사 비용에 지대한 영향을 주므로 3D 검토/수정 작업은 아주 중요한 과정이다. 또한 이 과정에서는 단순히 부재 간의 결합 사항의 검토뿐 아니라, 건물의 윤곽을 입체적으로 볼 수 있으므로 건물의 기능과 마감 상의 오류나 문제점을 사전에 발견해 보완 할 수 있는 부수적 효과도 있다. 도면 출력/검토/승인이러한 모든 과정을 거친 내용을 실제 도면으로 출력한다. 도면은 크게 두 가지로 나뉜다. 하나는 부재에 적용되는 하중 및 적용 조건, 응력, 반력 등의 전문적 기술 사항이 표기된 엔지니어링 도면으로 이는 관공서 제출, 기술 검토, 협의 및 승인 등의 대외적/기술적 업무에 사용되며, 다른 하나는 제작 및 생산에 필요한 도면으로 대내적/실제적 업무에 사용되는 도면이다.제작용 도면에는 각 트러스마다 조립 형태, 부품의 크기, 절단 각도, 연결철물, 부재번호, 개수 등이 표기돼 있다. 생산제작용 도면에 따라 각 부품을 소요 수량에 맞추어 절단하고 가공한다. 하나의 건물에 소요되는 부재의 종류는 벽체의 경우 수십 가지가 되며, 이에 따르는 부품 수는 수백 가지에 달한다. 또한 트러스의 종류도 수십 가지가 되며 그 부품 수는 천 단위를 넘어 이를 구분해 가공, 분류, 보관, 제작하는 작업 또한 쉬운 일이 아니다.따라서 당사는 제작도면을 내부 네트워크로 자동화 생산기기에 직접 입력해 절단/가공함으로써, 수동 입력에 의한 오류와 혼선을 방지하고 생산성을 향상하고 있다. 또한 부재의 절단/가공과 동시에 각 부품에 제품번호를 자동으로 인쇄함으로써 정확한 생산관리를 추구하고 있다.벽체 제작에는 정확한 못 박기 위치와 개수, 간격의 유지가 매우 중요하다. 이는 매우 단순하고 반복적인 일이나 건축물 전체의 구조 내력을 좌우하는 중요한 일이다. 벽 패널 하나에도 수백 개의 못이 사용되며, 그 각각이 제 위치에 정확하게 박혀 있어야 한다. 물론 못 박기 규정은 실제 시공 과정에서의 오류를 감안한 여유치가 있다 하더라도 시공자의 기본은 원칙을 지키는 것이라 하겠다.현장에서 이러한 사항을 일일이 관리하기에는 어려움이 많을 것이며, 그 위치가 높거나 접근하기 힘든 곳은 품질 관리가 더욱 어려울 것이다.공장에서는 상대적으로 못 박기의 품질 관리가 용이하고 그 수정 및 보완이 쉽다. 특히 당사는 건물의 횡력을 크게 지탱하는 OSB판재의 부착에는 자동으로 일정 간격 못 박기를 하는 기계를 사용함으로써 구조 안전 및 품질의 향상을 추구하고 있다. 출하/운반제작이 완료된 패널과 트러스는 시공 순서에 맞춰 출하된다. 패널은 전용 운반용구(Rack)를 이용해 출하 및 상차돼 현장에서 간편하게 하차/설치할 수 있도록 한다. 트러스는 같은 종류별로 함께 묶어 운반 시 발생할 수 있는 횡력과 변형에 견딜 수 있게 한다. 생산된 패널이나 트러스는 고가의 제품이므로 운반 및 취급 시 사전교육 및 주의가 필요하다.제품의 운반에는 적재 높이와 폭, 길이 등이 제반 도로교통법규에 적합하도록 미리 검토해 필요한 조치를 한다. 설치/시공제품의 설치에는 크레인 등 양중 장비와 전용의 양중 도구를 사용한다. 제품 설치 순서와 위치를 사전에 숙지해 시공 능률을 높이도록 한다.또한 장비의 작동 범위, 최대 양중 무게, 작업 동선 등을 확인해야 하며 제품의 임시 보관 장소 등을 확보해야 한다. 모든 건축물의 기본은 수직, 수평, 평활성이다. 기본적으로 목구조 건물의 부재는 평탄성이 보장돼 있으므로 각 부재간의 수직, 수평에 유의하도록 한다.특히 주의할 사항은 접합부 시공이다. 접합부 강도가 건물 전체의 강도를 좌우하므로 못의 개수나 시공 상태 등을 사전에 잘 숙지하고 현장에서 확인에 각별히 유의한다. 못의 힘만으로 부족한 곳은 띠쇠 등의 보강철물을 사용하고 그 접합부위를 보강해 일체화한다.또한 트러스는 집중 하중을 분산하고 건물 전체의 강성을 높이는 스트롱백Strong-back 및 가새의 위치 및 설치에 각별히 유의해 빠짐없도록 한다. 가새 및 스트롱백은 건축물을 일체화해 지진, 태풍 및 바닥 처짐 등에 대해 매우 강하고 효율적인 구조를 형성한다. 지붕과 벽체의 연결부위는 보강철물(Hurricane tie 등)을 사용해 일체화한다.보강 철물은 적은 비용으로 건축물의 구조 내력을 증진하는 효율적 방법으로 누락된 부위가 없도록 주의한다. 다만 잔손이 많이 가므로 정성과 관심을 가지고 시공한다.접합부와 보강 철물의 시공의 완료 후, 전반적인 점검과 손상 부위 보수를 해 골조공사를 마무리한다. > 바로잡습니다지난 호에 기술한 내용 중 오해의 소지가 있어 바로잡습니다.198p.제목에서 '지진보다 바람에 더 취약한 목구조 건물'은 '지진보다는 바람을 더 고려해야 하는 목구조 건물'이 옳습니다. 목구조는 가볍고 횡력에 강하여 내진, 내풍 성능이 좋습니다. 지진이 많은 일본에서도 목구조가 애용되는 이유 중의 하나입니다.198p. '일일이 구조 계산 등을 해야 하는 소규모 건축물에 비해 복잡한 절차와 비용을 생략하도록 사용하기 간편한 표 등으로 구조계산을 대체한 것이 패널라이징/트러스 공법이다'는 '원칙적으로 일일이 구조계산 등을 해야 하는 소규모 건축물에 대해 복잡한 절차와 비용을 생략하도록 사용하기 간편한 표 등으로 구조 계산을 대체한 것이 기존 공법이다'가 옳습니다. > 연재를 마치며이상으로 간략하게나마 패널라이징 및 트러스 공법에 대해 알아봤다. 표현이 부족하거나 복잡한 부분이 많이 있으나, 목구조 건축 전반의 품질 및 인식 개선에 대해 작은 보탬이 될까 하는 정성으로 양해해 주었으면 한다. 간편하고 눈으로 보아 그 내용을 쉽게 이해할 수 있다는 것이 목구조 건축물의 큰 장점이지만, 그러하기에 기본적인 내용 검토도 없이 주먹구구로 지어지는 건축물이 단 한 채도 없기를 바라는 마음이다.건축물 안전이나 내구성 강화에 대해서는 누구도 반대가 없으나 막상 비용의 문제가 나오면 편법을 추구하는 현실이 빨리 종식됐으면 하는 간절한 바람이다.전체 건축비의 대부분은 최종적으로 나타나는 마감재의 비용이다. 누구나 자신의 건축물이 튼튼하게 오래가기를 원하지만, 완성 후 눈에 띄지 않는다는 이유로 전체 건축비의 20% 정도밖에 차지하지 않으면서 건축물 수명과 안전에 매우 중요한 목골조를 비용 문제로 투자하기를 꺼린다면 이는 부질없는 일일 것이며 외화내빈의 우를 범하는 것이라 하겠다.설령 기꺼이 투자할 의지가 있다 하더라도 관련 지식이 있어야 효율적인 투자가 될 것이라는 생각에 두서없이 쓴 내용을 끈기로 읽어 준 독자 여러분에게 감사드리며 친환경적이고 경제적이며 여러 가지 장점이 많은 목구조 건축의 건전한 풍토가 조속히 정착되기를 간절히 바라며 연재를 마친다. 감사합니다.

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  2011-10-12

• [예비 건축주를 위한 패널라이징Panelizing의 이해 ③] 구조체 강성 높이는 트러스Truss _ 크기 · 형태 다양해 맞춤형 설계 가능

  일정한 크기의 삼각형을 반복, 조합하여 원하는 형태로 만든 트러스는 아주 가늘고 작은 부재를 이용해 상당히 큰 구조물을 튼튼하고 합리적이며 경제적으로 만들 수 있도록 도와주고 형태도 다양하게 할 수 있어 사용자 요구 조건에 맞는 맞춤형 설계가 가능하다. 대개 전용 구조계산 프로그램을 사용해 트러스를 제작하는데 공사에 맞는 적정 하중과 태풍, 적설 등의 환경조건을 잘 산정, 적용해야 한다.글 조종승<리플래시기술㈜ 주택사업부 이사> 글쓴이 조종승 님은 건축사, 시공기술사, 패널라이징 전문가입니다. 연세대학교 건축공학과를 졸업하고 현대산업개발, 건축사사무소 섬 소장으로 근무하다 현재 시설물 유지관리 및 보수 전문회사인 리플래시기술㈜ 이사로 재직중에 있습니다.031-798-6942 www.refreshsystem.co.kr 패널에 이어서 구조체의 일체화와 강성을 높이는 트러스Truss 공법에 대해 살펴보기로 한다.여러 가지 도형 중 구조적으로 가장 안정적인 것은 삼각형이다. 그림과 같이 연결 부위인 꼭짓점에 힘을 가하면, 사각형이나 오각형은 꼭짓점 부분이 찌그러지기 쉬우나 삼각형은 변형 없이 잘 버틴다. 현재까지 남아 있는 고대 건축물도 삼각형으로 이뤄진 것들은 외력(특히 지진, 태풍 등의 횡력)에 잘 버티며 오랜 세월 그 형태를 유지하고 있는 것을 알 수 있다. 고대 그리스 건축물은 지진으로 사라지거나 일부만 남아 있는 것이 많지만 이보다 훨씬 오래전 사각뿔 형태로 지어진 피라미드는 큰 변형이나 붕괴 없이 오천 년 이상 원형을 그대로 유지하고 있는 것이 좋은 예라 하겠다. 큰 건축물을 튼튼하고 경제적으로 만드는 트러스트러스는 일정한 크기의 삼각형을 반복, 조합해 원하는 형태로 만든 구조물이다. 여기서 일정한 크기는 삼각형의 변을 이루는 부재의 재료강도에 따라 좌우된다. 변을 이루는 부재가 강철 등의 튼튼한 재료라면 삼각형의 크기가 커지고, 강철에 비해 강도가 약한 목재 같은 경우는 반대로 작아진다. 물론 절점(꼭짓점)의 연결 방법과 강도도 크기에 영향을 준다.트러스는 아주 가늘고 작은 부재를 이용해 상당히 큰 구조물을 튼튼하고 합리적이며 경제적으로 만들 수 있도록 도와준다. 더불어 자연 상태의 재료로 만들기 힘든 크기의 구조물을 쉽게 만들 수 있다. 20m가 넘는 목재를 구하기는 쉽지도 않고 그 비용도 만만치 않지만 트러스로 제작하면 24m짜리 목재 스팬Span(지점과 지점 사이의 거리, 경간이라고도 한다)도 어렵지 않게 만들 수 있다. 크기뿐만 아니라 형태도 다양해 사용자 요구 조건에 맞는 맞춤형 설계도 가능하다.이외에 트러스 장점을 보면 ▲높은 구조 성능을 갖는 경제적인 시스템이며 ▲자연 상태의 단일 부재에 비해 품질이 균일해 일관성 및 신뢰성이 있고 ▲긴 스팬이 가능해 건축 계획에 융통성, 가변성을 줄 수 있으며 ▲향후 내부 칸막이벽 변경이 가능해 지속 가능한(Sustainable) 건축이 되고 ▲바닥 트러스의 경우 중간 부분인 웨브 공간을 이용하면 배선, 배관이 자유로워 후속 작업이 편리하며 ▲배선, 배관이 보에 손상을 줘 건물의 안전을 위협하는 것을 방지하며 ▲부재 면이 넓어(4"×2") 바닥 판재 시공이 매우 용이하다. 트러스 제작은 전용 프로그램 사용트러스를 제작하기 위해서는 우선 구조계산을 해야 한다. 구조계산은 계산기를 가지고 사람이 직접 해도 되지만 시간을 단축하고 보다 정밀한 계산을 위해 요즘은 대개 전용 구조계산 프로그램을 사용한다. 전용 프로그램에는 목구조 관련 법규와 하중 조건의 검토 사항을 고려한 수식이 입력돼 있어 해당 공사의 실정에 맞는 구체적 수치 등만 입력하면 된다. 여기서 중요한 것은 공사에 맞는 적용 하중과 태풍, 적설 등의 환경조건을 잘 산정, 적용해 전용 프로그램을 합당하게 운용하는 일이다. 이는 자동차 성능 못지않게 운전자의 운전 실력도 중요한 것에 비유할 수 있겠다.특히 우리나라는 온돌이라는 고유 난방 방식을 위해 바닥 미장이 필수적인데 시멘트 미장의 무게는 두께 1㎝당 약 23㎏/㎡로 계산한다. 두께를 5㎝로 가정하면 제곱미터당 115㎏의 하중이 작용하는 것이다.여기에 기타 바닥 마감 재료와 구조재의 하중 및 법규에 정해진 적재 하중 등을 더하면 구조계산용 하중은 제곱미터당 약 350㎏ 정도가 된다. 경량 목구조의 원조 격인 북미 지역은 바닥에 카펫 등의 건식 경량마감을 주로 하기에 하중이 제곱미터당 약 220㎏인 것에 비하면 이는 상당한 수치라 하겠다.이와 같이 구조적으로 안전한 집을 만들기 위해서는 각각의 조건을 고려한 하중 산정과 적용이 매우 중요하다.현재 우리나라는 자체 개발한 목구조 계산 프로그램이 없어 관련 법규가 유사한 미국 등의 외국 프로그램을 사용한다.전용 프로그램을 사용하면 트러스의 구조계산 뿐 아니라 트러스를 형성하는 각 부재의 치수, 연결 철판의 크기 및 부재의 절단 경사각이 표시된 제작 도면도 함께 만들어지기에 제품을 빠르고 정확하게 제작할 수 있다.제작 도면에 따라 절단한 부재의 접합 방법은 이전에는 연결 부위에 합판 등을 덧대고 못으로 고정했으나 연결 강도가 약하고 제작이 번거로워 요즘은 전용 연결 철판을 프레스로 눌러 긴결하는 빠르고 튼튼하고 경제적인 방법을 사용한다.목재 트러스에 사용하는 연결 철판(Connecting Metal Plate)은 제조 회사마다 규격, 강도, 명칭과 인증 내용이 다르고 구조계산 프로그램과 밀접하게 연계돼 있으므로 프로그램과 연결 철판은 동일회사제품을 사용하는 것이 일반적이다.트러스의 정확한 제작을 위해서는 부재 절단 전용장비와 연결 철판을 목재에 대고 누르기 위한 프레스를 갖춰야 한다. 또 트러스는 큰 하중을 지탱하는 구조 안전상 중요한 부재이므로 미국은 전용 프로그램으로 계산한 후에도 도면에 전문 기술자의 서명 확인을 의무화 함으로써 안전성에 책임을 지우고 있다. 횡력 받지 않도록 트러스 취급, 설치해야트러스는 크기(면적)에 비해 두께가 매우 얇은 구조 부재이므로 직각으로 작용하는 힘(횡력)에는 매우 취약하다. 이는 트러스를 일종의 종이판으로 생각하면 쉽게 이해할 수 있다.따라서 트러스의 취급, 운반, 설치 등의 전 과정에 있어 트러스 면에 횡력이 작용하지 않도록 하는 것이 중요하다. 트러스 면에 직각으로 힘이 가해지면 트러스가 지지하도록 계산된 하중을 충분히 버티지 못할 뿐 아니라 트러스 부재 자체가 변형되거나 파괴될 수도 있어 구조물의 안전에 심각한 영향을 준다. 따라서 미국은 트러스의 제작뿐 아니라 취급, 운반, 설치 등의 과정에도 여러 가지 주의 사항을 규정해 전문 인력의 시공을 유도하고 있다.트러스를 설치할 때 횡력에 대한 대비를 충분히 하지 않으면 외부의 작은 충격에도 도미노Domino 현상과 같은 연쇄 도괴(Sequencial Collapse) 현상이 자주 발생하므로 각별히 주의해야 한다. 그러므로 일정 크기 이상의 트러스를 설치하는 경우, 트러스와 구조물 전체의 일체성과 강도를 높이기 위해 가새(Bracing)와 밑둥잡이, 버팀대 등의 여러 보강 방법을 적용한다. 이는 트러스가 낱개로 있을 때는 횡력에 매우 취약하지만 일정 개수(5개 정도)의 트러스를 횡 방향 가새와 버팀대 등으로 묶어 지지하면 트러스 집단 자체가 모든 방향의 외력에 대해 효율적이고 경제적으로 대항할 수 있기 때문이다.또한 이러한 결합 부재가 설치되기 전까지는 트러스가 구조계산 된 하중을 충분히 지탱할 수 없으므로 공사 기간 중 자재의 적치나 하중재하 등에 각별히 유의한다.경량 목조 건축물은 트러스 윗면에 OSB 판재를 고정하고, 밑면에 석고보드 등의 천장재를 부착함으로써 별도의 추가 부재 없이 트러스를 아래, 윗면에서 고정할 수 있기에 횡력에 효율적으로 저항할 수 있는 구조체를 형성 할 수 있다. * 트러스에 관한 보다 자세한 사항은 WTCA(Wood Truss Council of America)홈페이지(www.sbcindustry.com 혹은 www.wtcatko.com)를 참조하기 바란다. ** 다음 호에서는 바닥 트러스와 지붕 트러스에 대해 알아보기로 한다.

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  2011-08-05

• [예비 건축주를 위한 패널라이징Panelizing의 이해 ①] 경제적이고 편리한 공업화 조립공법, 프리패브

  제2차 세계대전 이후 동유럽 공산권에서 전후 복구 작업의 일환으로 기후에 상관없이 단기간에 획일적으로 대량의 주택을 공급하기 위한 방법으로 공업화 조립공법, 프리패브(Pre-Fabrication)가 등장했다. ▲구조 안전성을 확보하고 ▲시공 품질을 향상하며 ▲차질 없는 예산 계획을 수립함과 아울러 ▲적은 현장인원으로 ▲외부 기후의 영향 없이 예측 가능한 공사 기간을 확보하는 건축 기법이 바로 프리패브다.글 조종승<리플래시기술㈜ 주택사업부 이사> 현업에서 경험한 바에 의하면 개성 있는 집을 원하는 사람이 건축 과정에서 부딪히는 가장 현실적인 문제는 시공 과정에서 불거진다. 부지 마련이나 설계 등은 나름의 인연이나 본인의 노력, 전문가 도움을 받아 주관과 능력에 맞춰 천천히 시간을 가지고 진행할 수 있으나 시공은 기후 여건, 인력 및 장비 동원 등 예기치 못한 상황으로 처음 계획과 틀어지는 경우가 허다하다. 착공 후 공사를 중간에 중단할 경우 이미 진행된 부분에 대한 보양 문제 등으로 품질이나 금전적인 면에서 어려움에 직면할 수도 있다.그래서 건축 전문가들은 일단 공사를 시작한 후에는 공정의 매듭이 지어지기 전까지 중간 휴지기간을 갖지 말 것을 강조한다. 더욱이 습기에 취약한 목조 건물은 외부강수나 강설에 대한 공사 마무리 없이 건축 과정을 중단한다는 것은 아주 특별한 상황이 아니고서는 있을 수 없는 일이다.대다수 전원주택은 도심에서 떨어져 있어 집을 짓는 과정에서 자재 수급, 인력 수급 등의 문제로 원활한 공사 진행이 어려운 형편이다. 물론 경제력이 뒷받침한다면 상비용을 들여서라도 공사를 진행할 수 있겠으나, 때로는 이를 지급을 통해서도 품질이 해결 안 되는 경우가 종종 발생하고, 특히 전원주택을 계획하는 사람 대부분은 예산이 빠듯해 금전적 호기를 부릴 수도 없다.두 가지 경우를 보자.여타 건축주와 마찬가지로 건축에 대해 전문 지식이 없던 A씨는 한 시공 업체를 선정한 후 건축을 맡겼다. 다행히 성실한 시공사를 만나 꼼꼼히 챙긴다고 했지만 설계 도면에 상세가 없어 구조적 의문점은 시공사도 확실한 답변을 줄 수 없었다. 구조 관련 기술자에게 일일이 해결책을 확인하느라 시간과 경비가 적잖이 소요됐다. 공사 중간 중간 질의응답을 하다 보니 공사가 지연돼 장마 전에 골조와 지붕 방수를 마무리하느라 고생한 기억이 있다. 만약 이러한 사항을 사전에 검토하고 적용했다면 공사가 지체 없이 진행됐을 것이다.한편 무턱대고 저렴한 곳을 찾아 낭패를 본 B씨의 경우다.몇 곳의 시공사를 찾아 견적을 받은 B씨는 그 중 가장 싸게 지어준다는 업체 말만 믿고 건축을 맡겼다. 공사가 진행되어 가면서 업체는 추가 및 변경을 이유로 여러 비용을 요구했고 이는 큰 다툼으로까지 번졌다. 이제와서 다른 업체를 섭외하는 것도 만만치 않았고 선뜻 나서는 곳도 없었다. 결국 당초보다 훨씬 비싼 금액으로 완공을 한 B씨는 덤으로 화병까지 얻었다.물론 두 사례는 일부의 얘기다. 그러나 이 일부가'나'일수도있다는생각을 잊어서는 안 된다.집을 짓는 데 제일 중요한 것은 그 터를 잘 정하는 것이 으뜸이요, 그 다음 설계를 잘하는 것이 버금이라 했는데 언제까지 우리는 그 다음 단계인 시공 상의 문제점에 휘둘려야 하는가? 행복과 평화의 터전이 돼야 할 집이 더 이상 울화와 갈등의 대상이 되지 않게 할 방법은 없는가? 어릴 적 놀던 장난감 집이나 레고같이 순간에 뚝딱 지어 보랏빛 꿈이 현실에서 훼손되지 않는 방법은 없는가?이러한 문제점의 한 가지 해결책으로 구조 안전, 품질, 예산, 공사 기간 등의 주요 사항을 거의 모두 해결할 수 있는 공업화 조립공법을 소개하고 그 내용을 검토해 보기로 한다. 공업화 조립공법, 프리패브란최종적인 집의 형태 및 마감에 관해서는 각자 취향과 요구 조건, 예산 등에 따라 수많은 경우의 조합이 있어 일률적으로 해결 방법이나 비용을 제시할 수는 없지만, 상대적으로 구조체는 어느 정도 공통분모 제시가 용이하며 비용 예측도 가능하다. 또한 도면에 따라 골조가 완성돼있다면 시간을 두고 계획에 따라 개성 있는 공간과 디자인을 실현할 수도 있다. 주어진 형편에 따라 나만이 간직해 온 꿈을 차근차근 이룰 수 있는 것이다.공업화 조립공법, 프리패브(Pre-Fabrication)가 등장한 것은 이러한 이유 때문이다. ▲구조 안전성을 확보하고 ▲시공 품질을 향상하며 ▲차질 없는 예산 계획을 수립함과 아울러 ▲예측 가능한 공사 기간을 확보하는 건축 기법이 바로 프리패브다. 사전적 의미로 Pre-Fabricate(부품 등을 미리 제조하다, 가옥을 조립식으로 만들다)는 미리, 앞을 뜻하는 라틴어에서 유래한 접두어Pre와 섬유나 조직, 구성을 뜻하는 Fabric의 동사형인 Fabricate(제조하다, 부품을 규격대로 만들다, 원료를 가공품으로 만들어내다)가 결합한 것으로, 줄여서 흔히 프리패브라 부른다. 공법적인 유래에서 보면 제2차 세계대전 이후 동유럽 공산권에서 전후 복구 작업의 일환으로 기후에 상관없이 단기간에 획일적으로 대량의 주택을 공급하려는 방편으로 탄생했다는 것이 정설이다. 잠깐, 공업화와 조립공법 요소에 대해공장에서 만드는 것을 모두 공업화라 한다면 벽돌 공장에서 만드는 벽돌이나 제재소에서 가공한 각재도 공업화 제품이라고 할 수 있다. 우리가 흔히 접하는 레미콘(Ready Mixed Concrete)도 공장에서 만들었으니 공업화 제품이나, 현장에서 작업자가 타설하는 순간 현장 제품이 된다. 이는 벽돌이나 각재의 경우도 마찬가지다. 또한 공장 제품인 각재와 합판을 이용해 공장에서 만드는 벽체 판은 공업화의 공업화이므로 복합 공업화라고 부르기도 한다. 이렇게 우리는 알게 모르게 공장 제품과 현장 제품이 섞이는 현실에 접해 있어 공업화에 대한 명확한 사전적 정의를 묻기 어려운 실정이다. 그래서 여기에서는 인력이나 간단한 운반 수단으로 다룰 수 있는 부품 요소는 제외하고 크레인 등 중장비로 다룰 수 있는 부품 요소만을 편의상 공업화 조립공법으로 부르기로 한다. 날씨, 기온의 영향을 적게 받고 공사 기간 단축, 현장 인력 감소로 현장비용을 절감할 수 있으며 일정한 품질과 안전을 보장한다는 장점이 있는 반면, 획일적인 평면과 외형은 단점으로 지적된다.우리나라에서도 경제 개발과 권위주의 정권이 한창이던 70년대 초 대한주택공사(현 LH공사)에서 콘크리트로 된 조립공법(Pre-Cast Concrete) 아파트를 많이 시공했으며 심각한 주택난이 사회적 문제로 대두되던 80년대 후반에도 200만 호 건설 정책과 맞물려 사용한 바 있다. 빠르고 경제적인 프리패브…선진국에서는 주류로우리나라에서는 흔히 샌드위치 패널Sandwich Panel이라 일컫는 경량 복합 철판 패널이 프리패브의 대명사처럼 불리며 저급, 저가의 이미지를 갖고 있으나 사실 프리패브는 공학적, 구조적으로 상당히 고도의 정밀기술을 요구하는 공법이다. 크게 이동식(Manufactured(Mobile) Homes), 모듈식(Modular Homes/Buildings), 패널식(Panelizing Homes/Buildings)의 3가지로 나눈다.모바일Mobile(움직이기 쉬운, 기동성이 있는)이라는 명칭과 같이 모바일 홈은 이동성이 주가 되며 공장 완성도가 매우 높은 방식이다.캠핑카나 컨테이너 하우스가 대표적인 예다. 이에 비해 모듈Module(단위, 규격 부품) 건물은 이송, 운반이 가능한 크기의 부품(모듈)을 현장에서 조립해 보다 영구적인 건물을 이룬다.캐나다 공업화 주택산업 협회(Trade Association to the Manufactured Housing Industry, www.mhicanada.ca) 자료를 토대로 이동식과 모듈식에 대해 자세히 설명하면 다음과 같다.· 이동식 주택(Manufactured Homes) : 공장 출하 시 95% 정도까지 완성하는 공장 제작형 주택이다. 보통 통합된 보조 틀(Integrated Sub-Frame)에 지어지는데, 이 틀은 바퀴나 수레 등으로 현장으로 이동한 후 기초 위에 놓일 수 있도록 돼 있다. 보통 폭 6m, 길이 23m의 크기까지 1개에서 3개의 큰 부품(Section)으로 지어지며 현장에 운반된 지 하루 이내에 입주가 가능하다. 비용대비 효율이 높으며 캐나다에서 가장 합리적인 독립 단독주택 유형으로 꼽힌다. · 모듈식 주택(Modular Homes/Buildings) : 집이 위치할 지역의 건축 관련 법 규정에 맞도록 공장에서 제작된 집이다. 보통 하나 또는 그 이상의 큰 부품으로 만들어져서 건축 현장으로 운반한다. 공장에서 85% 정도까지 완성되며 일반적으로 현장에서 2~3주의 마감 작업을 거치면 입주가 가능하다.둘의 공통점은 부품이 직육면체 모양을 하고 있다는 것이다. 즉 집전체 혹은 방 하나 등을 하나의 직육면체로 구성해 벽, 바닥, 천장 등의 마감을 공장에서 완성한 후 현장에서는 배관 및 부품 연결 작업만을 통해 건축물을 완공하는 방식이다.부품 연관성과 입체 이동을 고려함으로써 평면 제약이 많아 변화에 쉽게 대응하지 못하고 결과물이 획일적일 수밖에 없으며, 부품과 부품의 연결로 인해 불필요한 벽체 등이 중복돼 마감 수준에 비해 공사비가 높은 경향이 있다. 또한 평면이 아닌 입체를 운반하다 보니 부피에 따른 운반비가 과도하게 상승하는 경우가 있으며 운반 및 취급 시 부품 손상에 대비해 입체의 임시 강도 보강을 위한 추가 비용이 발생하기도 한다.그럼에도 캐나다 공업화 주택산업 협회에서 이동식 주택이 경제적이라 한 것은 공장 대량 생산으로 능률이 향상되고 설치 현장에서의 편리성이 높아진다는 점을 강조한 것으로 보인다. 무엇보다 이동식과 모듈식의 큰 장점은 빠른 시공 속도와 공장 제작에서 오는 품질의 균일성과 높은 신뢰성에 있다. 우리 주변에서 볼 수 있는 컨테이너를 이용한 시설물들이 이동식이나 모듈식의 대표적인 실례라 할 수 있다. * 다음 호에서는 프리패브의 핵심이라 할 수 있는 패널라이징Panelizing공법에 대해 자세히 다루기로 한다. 목조 건축과 프리패브소득 증가에 따라 소비자의 요구는 점차 다양화, 개성화되고 있는 반면, 콘크리트 공법은 제품이 다양화되면 필연적으로 발생하는 거푸집 비용 상승 등의 문제로 이에 대응하지 못하고 쇠퇴하는 형국이다. 한편 목조 건축에 있어 조립공법은 이러한 문제로부터 자유로워 날로 실적이 느는 추세다. 목조 조립공법은 소품종 대량생산뿐만 아니라 다품종 소량생산도 가능해 소비자의 다양한 욕구를 충족하기에 그만이어서 선진국에서는 기존 현장 시공공법보다 빠르고 편리하며 품질이 우수한 목조 조립공법이 주를 이룬다.프리패브 공법으로 건축물을 짓는다고 할 때 가장 중요한 것은 연결부위(Joint)의 정확한 시공이다. 정확한 구조 계산으로 각 부재가 잘 만들어졌다 하더라도 현장 조립 시 연결부위 결합 시공이 적절하지 않다면 건축물 안전에 심각한 문제를 끼친다. 연결부위는 구조안전뿐만 아니라 효과적인 방수재와 단열재 시공을 위해서도 각별히 신경을 기울여야 한다. 이러한 연결부위 체결에 있어서 다른 재료와 달리 목조 건물은 기후 제약이 없고 복잡한 공구의 필요 없이 간편하게 시공할 수 있으며, 설령 그 부위의 부족함이 나중에 밝혀지더라도 보강철물 등으로 공기나 후속 마감 공정의 지장 없이 간단히 보완할 수 있다는 장점이 있다. 반면 콘크리트 조립식 공법(PC공법)은 연결부위 역시 콘크리트인 경우가 많아 작업이 까다롭고 복잡하다.

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  2011-06-14