친환경 건식 공법으로 짓는 “스틸하우스”

스틸하우스? 경량 목조주택? 전문가라 하더라도 그 주택과 관련한 사람이 아니라면 외관만 보고는 스틸하우스인지, 경량 목조주택인지 알 수 없다. 외장재, 지붕재, 창호재 그리고 습기를 배출하는 환기 장치까지 모두 같기 때문이다. 스틸하우스는 벽체를 보면 보통 기둥과 같은 수직 부재(部材)인 스틸 스터드(Stud)와 스터드를 상하로 긴결하는 부재인 트랙(Track), 바닥이나 천장을 받치는 부재인 조이스트(Joist)로 구성한 다음 스터드와 스터드 사이에 단열재(중단열)를 충진하고 구조용 판재(O.S.B., 내부는 석고보드), 방습지, 단열재(외단열), 외장재 순으로 시공한다.

스틸하우스는 공장에서 생산한 완제품을 현장에서 조립하는 건식 공법이기에 균일한 품질의 주택을 짓고 현장 작업을 최소화 함으로써 공기를 단축한다.

스틸하우스와 경량 목구조가 공법이 유사한 이유는 스틸하우스가 북미의 전통 목구조인 투 바이 포(2″×4″) 공법에서 유래했기 때문이다. 스틸하우스는 1930년대 미국에서 만성적인 주택 공급 문제를 해결하고자 등장했으며, 미국식 명칭은 ‘박판 철골 구조 주택(Light Gauge Steel Framed House)’이다. 당시에 스틸하우스는 철강재 가격이 목재에 비해 비쌌고, 경량 목구조에 친숙한 수요자의 인식이 부족했고, 현장 시공 기술력이 미흡했기에 일반화되지 못했다.

그러다 1960년대에 목재 가격 상승과 수급 불안정으로 스틸하우스는 가격 경쟁력을 확보했고, 1980년대에 세계적으로 지구 온난화에 따른 환경 문제가 부상하자 수요자가 자원을 재활용할 수 있는 스틸하우스를 재인식했으며, 1990년대에 관련 기술과 제도를 정비하면서 스틸하우스 보급이 확산되기 시작했다. 여기에는 클린턴 정부에서 단행한 1992년 국유림 벌채 금지령과 2000년 국유림 관리 15년 계획을 갱신할 때마다 환경 영향 평가를 받도록 한 조치도 한몫했다.

포항산업과학 연구원(RIST)은 세계 각국에서 환경친화적인 스틸하우스를 적극 보급하고 있다고 한다.

“미국, 일본, 호주 등을 비롯해 세계 각국에서 서로 비슷한 공법으로 스틸하우스를 짓고 있는데, 이들 국가마다 스틸하우스를 개발한 이유는 다르다. 예를 들어 미국은 나무를 갉아먹는 흰개미가 많아 목조주택의 수명이 단축되므로, 이를 해결하기 위해 스틸하우스를 개발했다. 또한, 일본은 지진이 자주 발생하기에 내진성이 강한 스틸하우스를 개발했다. 무엇보다 세계 각국은 철강재는 100% 재활용하기에 폐자재로 인한 환경 문제를 해결하기 위해 환경친화적인 공법인 스틸하우스를 적극 보급하고 있다.”

우리나라에 스틸하우스가 보급된 것은 1996년 서울, 포항, 광양지역에 7동의 스틸하우스 모델 건물이 들어서면서부터다. 그 후 POSCO, RIST, 한국철강 협회 주도로 스틸하우스에 대한 연구를 수행해 자재를 국산화하고 설계 기준을 법제화했다. 스틸하우스를 도입한 배경은 환경 건축과 공기단축이다. 습식 공법은 대부분의 공정이 현장에서 이뤄지기에 현장 상황에 따라 시공 품질이 제각각일 수밖에 없으며, 현장 작업이 많기에 인건비가 많이 든다. 반면, 스틸하우스는 공장에서 생산한 완제품을 현장에서 조립하는 건식 공법이기에 균일한 품질의 주택을 짓고 현장 작업을 최소화함으로써 공기를 단축한다. 또한, 우리나라는 철강 선진국으로 스틸하우스 부재인 품질이 균일하고 강도가 높은 아연도금 강판을 안정된 가격으로 구할 수 있다.

스틸하우스? 경량 철골 주택?
스틸하우스는 한국산업규격(KS D 3854)으로 정한 건축 구조용 표면 처리 형강을 사용한다. 스틸하우스는 아연으로 도금한 냉간(冷間) 성형 강재로 스터드, 트랙, 조이스트 이 세 가지 부재를 스크루(Screw)와 각종 접속 철물로 연결해 하나의 구조체를 형성하는 것이다.

스틸하우스는 기둥과 같은 수직 부재인 스터드와 스터드를 상하로 긴결하는 부재인 트랙, 바닥이나 천장을 받치는 장선 부재인 조이스트로 이뤄진다.

아연 도금이란 강재를 생산할 때부터 강재의 부식을 하기 위해 강재 표면에 아연을 도금하는 것을 말한다. 아연도금은 철강재의 수명과 내구성을 향상시키는 효율적이면 서 경제적인 방법으로 스틸하우스뿐만 아니라 자동차, 사무용 가구, 가전제품, 설비용 파이프 등에 널리 쓰인다. 이러한 아연 도금 강판은 표면에 흠집이 생기더라도 흠집 주변의 아연이 철보다 먼저 부식되면서 도막이 형성되기에 부식이 진행되지 않으므로 스틸하우스는 반영구적이다. RIST는 “아연 도금(두께 20㎛) 한 강재를 전원, 해안, 산업 지역에 방치할 때 부식에 의한 수명은 16년이며, 이를 주택에 설치하면 마감재가 붙기에 자연 방치 상태의 수명보다 5∼10배가 더 늘어난 80∼160년의 수명을 유지한다"라고 한다.

냉간 성형이란 열을 가하지 않고 상온에서 성형하는 공정으로, 스틸하우스에 사용하는 부재는 아연 도금 강판을 롤포밍(Roll Forming) 기로 냉간 성형해 만든다. 스틸하우스용 부재는 기둥 역할을 하는 스터드, 기둥을 상하로 긴결하는 트랙, 장선인 조이스트이다. 이들 부재는 철강 생산 현장에서 코일 형태로 제작하며, 코일은 요구하는 폭에 따라 길이 방향으로 가공해 롤 포밍을 거쳐 요구하는 길이로 절단한다. 아연 도금은 강재에 단단히 부착되기에 롤 포밍 과정에서 손상되거나 벗겨지지 않으며, 아연의 음극 보호막에 의해 절단 부위도 부식에 안전하다. 이러한 과정을 거쳐 스틸하우스 시공사에 벽체, 바닥, 지붕용으로 부재를 공급한다. 시공 현장에서 자재를 절단하거나 천공(穿孔) 또는 스크루로 접합할 때도 아연 보호막에 의해 부식에 영향을 미치지 않는다.

스틸하우스, 경량 철골(형강) 조? 이것이 바로 우리나라에서 스틸하우스가 보급 확산되지 않는 이유이다. 스틸하우스가 건축법상 독자적으로 인정을 받지 못한 채 철 골조의 범주로 분류되다 보니 수요자들이 일반 경량 철골 샌드위치 패널 주택과 혼동한다. 요즘도 마찬가지인데 스틸하우스 붐이 한창일 때 몇몇 시공업체에서 경량 철골 샌드위치 패널 주택을 스틸하우스라는 이름으로 공급했다. 이 점에 대해 한국철강 협회 스틸하우스 클럽은 “부재만 보더라도 스틸하우스와 일반 경량 철 골조는 철의 성질 중 하중을 받아 탄성변형이 발생한 재료가 원상태로 복구될 수 있는 한계점을 뜻하는 항복 강도(Yield Strength) 면에서 확연히 다르다”면서, “ 일반 경량 철골의 항복 강도는 2400kgf/㎠이지만, 스틸하우스용은 3000kgf/㎠로 25% 정도 더 강하다"라고 한다.

그리고 “ 부식을 막기 위한 아연 도금도 스틸하우스 부재가 일반 경량 철골 부재보다 더 높다” 면서, “ 아연 도금 형강이면 아무것이나 써도 된다는 발상은 매우 위험한 것으로, 건물의 내구성에 심각한 문제를 초래할 수 있다"라고 한다.

스틸하우스 구조 부재는 전용 설계 프로그램에 의해 공장에서 정확히 재단해 생산하기에 현장 공정이 줄어든다.

스틸하우스 구조 설계와 시공
스틸하우스 공법은‘ 냉간 성형강(ZSS강: 표면 처리 경량 형강)을 이용한 스틸하우스 바닥/벽, 구조 시스템’으로 2001년 건설교통부(현 국토교통부)에서 지정하는 건설 신기술(제258호) 인증을 받았다. 구조물의 내·외벽을 두께 1㎜ 내외 냉간 성형강을 이용해 내력벽으로 설계하는 내력벽식구조 시스템인 스틸하우스 구조시스템, 한국형으로 개량해 표준화한 스틸 스터드를 사용해 수직 하중과 수평 하중에 대한 하중 저항 메커니즘을 갖는 스틸하우스 구조 시스템, 냉간 성형강을 이용한 스틸하우스 벽 시스템 등이다.

스틸하우스 벽 시스템의 경우 건식 칸막이벽(내벽)은 90㎜ 스터드 양측에 7.5㎜ 합판을 부착하고, 각각의 합판 외부면에 12㎜ 석고보드를 부착해 벽체를 형성하거나, 90㎜ 스터드의 양측에 12㎜ 석고보드를 각각 부착해 벽체를 형성하는 것이다. 건식 외벽은 24K 유리면을 포함하는 140㎜ 스터드 한 면에 12㎜ 내수 합판을 부착하고 다른 한 면에 12㎜ 방화 석고보드를 부착해 벽체를 형성하거나, 이 벽체의 12㎜ 내수 합판 외부 면에 5㎜ 스터코 또는 50㎜ 아이소코트를 더 부착해 벽체를 형성하거나, 24K 유리면을 포함한 140㎜ 스터드 한 면에 30㎜ 아이소핑크를 부착하고 다른 한 면에 12㎜ 방화 석고보드를 부착하고 아이소핑크 외부면에 12㎜ 내수 합판을 부착해 벽체를 형성하는 것이다. 건식 세대 간 벽은 24K 유리면을 포함한 140㎜ 스터드 양측에 12㎜ 방화 석고보드를 부착해 벽체를 형성하거나, 이 벽체의 양면에서 스터드와 방화 석고보드 사이에 9㎜ 합판을 각각 삽입하거나, 50㎜ 글라스울 패널을 각각 삽입해 벽체를 형성하거나, 60K 암면을 포함한 140㎜ 스터드 양측에 16㎜ 외산 방화 석고보드 또는 12㎜ 방화 석고보드 2겹을 각각 부착해 벽체를 형성하거나, 60K 암면을 포함하는 140㎜ 스터드 양측에 9㎜ 규산칼슘 보드를 각각 설치하고 규산칼슘 보드 외부 면에 15㎜ 방화 석고 보드를 각각 설치해 벽체를 형성하는 것이다.

스틸하우스 구조 설계에 대해 한국철강 협회 스틸하우스 클럽은 “스틸하우스는 내력벽식 구조로 스터드와 트랙으로 구성한 벽체 자체가 각각 기둥 역할을 하며, 이러한 벽체들을 다시 조이스트나 트랙 그리고 가새(Bracing), 강대, 트러스 등을 사용해 수평적으로도 구조력을 발휘하게 만든다”면서,“ 완벽하게 구조 설계한 스틸하우스는 마치 자동차나 항공기와 같이 전체가 하나로 엮인 구조체로 힘을 발휘함으로써 지진이나 태풍 등의 천재지변에도 강한 특성을 갖는다"라고 한다. 스틸하우스의 구조 설계가 중요한 이유인데, 이러한 구조 설계는 스틸하우스 전용 구조 설계 프로그램이나 RIST에서 대중적으로 보급하는 구조 설계 매뉴얼에 의해 해결할 수 있다.

경량 목조주택과 스틸하우스 골조. 스틸하우스는 경량 목조주택의 골조를 구성하는 목재를 스틸 스터드 등이 대신한다.

■ 스틸하우스 Q&A
스틸하우스는 부재, 구조 안전성, 내진성, 내풍성, 내식성, 내화성, 환경친화성 등 내구성과 차음성, 진동 저감, 단열성, 방로성, 내충격성 등 거주성이 우수하다. 살림집으로서 스틸하우스를 문답으로 살펴보자.

Q. 디자인이 단조롭지 않은지
A. 실내뿐만 아니라 실외도 다양하게 연출한다. 나무보다 유연한 구조재로 변형이 용이하고, 접합이 가능하기 때문이다. 또한, 인테리어를 위해 무거운 것을 벽에 걸려면 스터드에 직접 나사를 박거나, 부착하고자 하는 높이에 맞춰 공사 중 가로로 목재나 철판을 설치해 나사를 박아 걸 수 있다. 물론 그림, 옷 등 가벼운 물건은 언제든지 못이나 나사못을 사용해 걸 수 있다.

Q. 주거 성능은 어떠한지
A. 벽체의 차음, 바닥의 진동, 단열 등의 주거 성능은 이미 1996∼1997년까지 포항제철, 여성 건축가 협회, 포항산업과학 연구원, 대한건축사협회에서 산·학·연 공동 연구를 실시해 여타 구조에 비해 동등 내지 우수한 것으로 판명됐다. 또한, 부재의 뒤틀림이나 변형이 없어 벽체의 균열이 발생하지 않으며 에너지 보존 효과가 우수하다.

Q. 태풍, 지진 등에 안전한지
A. 기둥이 아닌 외벽 전체가 주택을 지탱한다. 따라서 선이 아닌 면으로 주택을 지지하기에 지진에 강한 구조이다. 또한, 폭풍우에도 강한 구조 성능을 발휘한다. 일본에서 1995년 한신 대지진 이후에, 미국에서 1992년 플로리다 태풍 이후 인기를 모으며 급성장한 이유이다.

Q. 번개에 영향을 안 받는지
A. 골조가 지반에 접지되므로 낙뢰 시 그 어떤 건축 공법보다 안전하다.

Q. 화재에 안전한지
A. 건식 벽체를 구성하는 글라스울, 석고보드 등은 불연 재료이면서 화재 시 유독 가스를 배출하기 않기에 화재 시에도 안전한 대피가 가능하다. 실제로 1996년 10월 미국 서부 대화재 발생 때, 스틸하우스만 피해를 입지 않은 사례가 TV에서 방영돼 미국 내에서 화제를 모았다.

Q. 공사 기간은 얼마나 걸리는지
A. 1㎜ 내외의 얇은 아연 도금 강판을 골조로 사용하므로 시공이 간편해 공기를 크게 줄일 수 있다. 건축 형태와 공사 여건에 따라 다르지만, 연면적 198.0㎡(60.0평) 복층일 경우 착공에서 완공까지 약 2.5개월 걸린다.

Q. 어떤 이점이 있는지
A. 설계가 자유로워 농어촌주택에서부터 고급 빌라까지 다양한 건축물을 지을 수 있다. 건식 공법이므로 품질 관리가 쉬우며 공기 단축으로 인건비를 줄일 수 있다. 또한, 내부 비내력벽, 칸막이벽을 자유롭게 이동하기에 사용자의 용도 변화에 빠르게 대응한다. 특히, 철강재는 100% 재활용이 가능하며, 연면적 184.8㎡(56평. 0평) 주택의 경우 폐차 6대 분량의 고철을 재활용할 수 있다.

Q. 몇 층까지 지을 수 있는지
A. 한국건설기술연구원에서 내화 구조 인정을, 기술표준원에서 내화 KS 인증을 받아 4층까지 건축할 수 있다. 물론 구조적으로 4층 이상 고층도 건축할 수 있다.

Q. 시공업체 선정은
A. 스틸하우스가 인기를 모으면서 부재나 공법에서 차이가 나는 유사 스틸하우스도 나타났다. 한국철강 협회 스틸하우스 클럽 회원사를 추천하는데, 그 이유는 직원 2명 이상이 스틸하우스 교육을 이수하고, 시공 현장 조사를 통해 50가지 이상의 체크리스트를 통과해야 하는 까다로운 과정을 거쳤기 때문이다. 스틸하우스 시공업체 선정 시 이러한 점을 고려해 시공 실적과 인지도 등을 꼼꼼히 조사해야 한다.