[전원주택 짓기 A TO Z IV] 주택 건축 공정 관리, 구조 공사-철골구조, 조적구조, 기타구조

기둥, 보, 내력벽, 서까래, 장선 등의 주요 구조부가 철강재(Steel)로 구축되는 가구식 구조를 철골구조라 한다. 이때 적용되는 철강재는 주택 종류에 따라 다르나 스틸하우스는 냉연강판에 아연도금을 한 강재를 주로 사용하며 열연강재에 방청도장 한 강재가 쓰이기도 한다. 냉연강판은 박판(얇은 강판)으로 소형, 경량 부재로, 열연강재는 후판(두꺼운 강판)으로 H-Beam, C-형강, 각관형, 원형 강관류 등의 대형 부재로 사용된다.

철골구조

철골구조의 종류

경량 STUD 철골구조(STUD형 스틸하우스)
아연도금 경량형강을 주로 사용하기 전인 1990년대 중반까지는 열연강판을 소재로 한 C-형강, 경량 H-Beam 공법의 경량 철골구조가 주를 이루었으나 이로부터 지금까지는 주요 구조부가 두께 1mm 내외의 냉간성형 아연도금경량형강(ZSS강) 구조용 부재(SGC400이상)가 애용되고 있다. 경량 STUD 철골구조(STUD형 스틸하우스) 공법은 미국의 전통적인 목조주택 공법에서 유래된 것으로 단지 사용되는 소재만 다를 뿐 경량 목구조 형식과 거의 같다. 각종 스터드, 장선, 서까래 등의 경량 구조재를 공장에서 생산, 가공을 하여 현장에 입고한 다음 현장 조립 및 특정 부재를 절단, 가공, 제작하여 벽체와 지붕 골격을 제작, 조립, 시공하는 방식이다. 이는 한국철강협회 스틸하우스클럽이 권장하는 공법으로 짧은 도입기간에 비해 상당한 보급 확대와 발전을 이뤄내고 있다.

경량 UNIT WALL 철골구조(Panelising 스틸하우스)
스터드형보다 발전된 방법으로 주택의 골조 제작설계를 통해 벽체, 트러스 등 공장에서 생산된 단위 패널을 현장에서 조립하는 공법이다. 단열재 충진, 매입, 전기 배관, 합판과 같은 마감 바탕용 판재가 사전 시공되어 있어 현장 공정을 단축시키고 시공자의 시공능력에 관계없이 균일한 품질을 기대할 수 있다는 것이 장점이다. 또한 제작 및 시공의 편의성을 위해 'ㄷ'자형이 아닌 요철형의 절곡된 스터드가 중첩 적용되므로 구조적인 성능이 우수하다. 시기나 기술 수준에서 스터드형 스틸하우스보다 앞선 것으로 평가받는 패널라이징은 일본에서는 이미 보편화된 공업화 주택으로 각광받고 있으며 1990년대 초반 국내에 소개됐다. 당시 '산내들 전원주택', '동신 훼미리하우스'가 패널라이징 주택으로 소개된 바 있으나 IMF 사태로 업체들이 문을 닫아 더 이상 계승, 발전되지 못하고 참여한 기술진들에 의해 명맥이 유지되고 있을 뿐이다. 이들 업체는 평면 개념의 패널라이징 시스템보다 앞선 큐빅(입체) 개념의 주택의 공장 생산, 시공까지 개발하여 보다 선진화된 공법으로 발전시켰으나 양산에 의한 생산과 보급 단계에는 이르지는 못했다. 초창기 패널라이징 업체들은 열연강판소재를 구조재로 사용하다 물성이 좋은 열연 및 냉연 아연도금강판을 적용하기도 했다. 그러나 현재에 이르러서는 냉연 아연도금강판을 주 소재로 한 패널라이징 스틸하우스가 대다수를 이룬다.

기둥-보(Post & Beam)형 철골구조
가장 널리 알려진 철골구조 공법으로 대형 건축물에 적용되는 H-Beam과 같은 대형 강재를 주택에 적용하는 방법이다. 목조주택의 기둥-보 방식과 유사하다. 경량 형강 방식의 스틸하우스가 보급된 현재 주택에는 거의 사용되지 않고 있지만 넓은 스팬의 공간을 형성해야 할 경우 부분적으로 보를 사용하기도 하는데 갤러리스타일 주택과 같은 넓은 스팬, 높은 천정고의 확보가 필요할 경우 적용한다. 주택보다는 대중이용시설, 학교시설, 식당과 같은 근린생활시설과 주상복합건물에서 많이 사용된다.

철골구조의 특징과 장점

지진에 강하며 안전하다. 스틸은 자체 중량에 비해 우수한 구조 성능을 가진다. 건축물의 하중 부담을 줄임과 동시에 강성을 키울 수 있고 유연하여 진동에 대한 저항력이 우수하다. 이는 목조주택과 유사한 성질, 같은 가구식 구조 방식에서 기인하는데 외부로부터 충격을 흡수하는 능력이 뛰어나다. 따라서 지진과 같은 재해 발생시 피해 억제에 유리하다.

내구성이 우수하다. 스틸하우스는 얇은 강재로 된 부재를 이용하나 물성이 좋은 냉연강판에 아연도금을 하여 사용하므로 부식에 강하고 외기에 노출되지 않으므로 뛰어난 내구성을 지닌다.

스틸하우스는 경제적이다. 스틸하우스는 벽이 얇기 때문에 내부면적을 최대한 넓게 활용할 수 있으며, 규격화된 저렴한 부재가 이용되고, 공사기간도 짧다. 또한 연중 언제나 집을 올릴 수 있어 경제적이다. 건축비는 마감재의 질에 크게 좌우되며 구조체 공사비는 사실상 경미한 차이를 보인다.

변화가 많은 디자인을 잘 표현한다. 냉연 아연도금강재는 가볍고 굴곡이 많아 가공성이 좋다. 따라서 복잡한 평면, 난이도가 높은 건축물 시공에 적합하다. 물론 상대적으로 목구조에 비해서는 떨어지는 것이 사실이지만 철근콘크리트 구조에 비하면 매우 우수한 시공성 및 표현성을 가진다. 예전보다 소비자의 높아진 수준의 형태미를 표현하는데 시공성과 경제성 면에서 매우 우수한 방법이라 하겠다.

유지관리비가 적게 들고 보수가 쉽다. 스틸하우스는 외장재 및 도장재의 종류에 따라 시멘트 사이딩일 경우 5∼7년, 베벨드 사이딩일 경우 3년 정도 간격으로 한번씩 외부에 도장만 잘해주면 새 집 같은 느낌이 유지된다. 결로 방지를 위한 외단열을 추가로 하면 단열성이 보강되고 특별한 수리가 필요치 않아 유지관리비가 적게 든다. 보일러, 배관, 전기시설 등의 수명은 일반주택과 동일하다. 각부에 사용되는 자재는 수명기간 내에 해당부분만 해체하고 교체하면 완전하게 원상으로 복구할 수 있다.

내화성이 우수하다. 스틸하우스는 구조재 자체가 불연성이고 열에 강한 석고보드를 사용하기 때문에 화염을 차단하는 능력이 탁월하다. 더불어 화재발생시 유독 가스 발생 및 연소도, 화재 확산도가 낮아 안전하다. 오히려 화재 위험성은 구조재가 아니라 각종 실내 마감재의 연소로 인한 유독 가스의 발생, 연료 기여, 화염 전파가 위험한 것이다. 그러나 일단 실내에서 화재가 발생하면 높은 열로 인해 강재의 물성이 약화되므로 변형이 발생된다. 이는 철근 콘크리트와 같은 불연성 구조 재료도 마찬가지다.

철골구조의 단점

스틸은 열전도율이 높으므로 결로방지를 위한 단열 보강이 필요하다. 단열재가 충진된 알미늄 사이딩이나 외단열 공법을 추가로 적용할 경우에는 별도의 단열보강이 필요 없지만 시멘트 사이딩, 비닐 사이딩 등 단열성능이 떨어지는 외장재를 적용할 경우에는 외장 마감재 시공 전 외벽 면 바탕에 단열 보강 공사를 하도록 한다.

가구식구조로 변형에 대해 대비해야 한다. 목구조의 기둥, 보, 서까래와 같이 가늘고 긴 부재를 결합하여 구조를 형성하는 가구식 구조는 풍압, 지진 등의 수평력에 대해 약간의 변형이 발생하게 되는데 이는 실내외 마감재의 균열을 발생시킬 수 있으므로 접합부의 강성확보 및 보강과 단위 부재의 적정성 결정이 매우 중요하다.

목조주택보다 상대적으로 가공성이 떨어진다. 철근 콘크리트 공법보다는 가공성이 우수하여 변화 있는 디자인을 소화하기가 용이하지만 목재의 가공성보다는 떨어져 복잡한 평면과 입면, 지붕의 형태를 구축하는데 불편함이 있다. 때문에 목구조에서는 모임지붕을 잘 소화해내는 편이지만 철골조에서는 박공형의 지붕 디자인이 선호된다.

조적구조

조적구조는 건물의 벽체, 기초 등의 주요 구조부를 조적재료인 시멘트 벽돌, 치장벽돌, 석재, 시멘트 블록, ALC블록 등을 모르타르와 같은 접합재료를 사용하여 부착시켜 쌓아올린 구조다. 엄격하게 말하면 콘크리트 및 철근을 보강하는 블록구조와는 구분하여야 하나 여기서는 일상적인 조적구조만을 설명하기로 한다.

조적구조는 매우 오래된 구조공법으로 시공법이 간단하고 건축계획상 다양성을 충족시킬 수 있으며 내화, 내구적이고 압축력에 대해서는 비교적 강한 장점을 지닌다. 외관이 장중 미려하여 건축 의장적 가치는 있으나 건물의 높이와 면적에 따라 벽두께가 두꺼워져 실내 유효면적이 줄어든다는 단점이 있다. 또한 인장력이 약하여 풍압, 지진 등의 횡력에 취약하므로 고층 건물이나 대규모 건물에는 적합하지 않다. 우리나라에서는 7, 80년대 일반주택 건축에 많이 사용되어 왔으나 현재에는 구조적으로 적용하는 빈도는 매우 낮다. 주로 외장 마감을 위한 조적시공이 많이 사용되고 있다.

조적구조는 횡력이나 인장력이 약한 역학적 한계성 때문에 벽체의 길이와 벽으로 둘러싸인 부분의 바닥면적 제한이 있으므로 사용되는 조적재료의 시공상 주의점을 잘 지켜야 한다. 또한 시공시 벽 높이에 적합한 벽 두께의 확보와 개구부 상하간의 적정 이격거리 확보, 1일간 쌓아 올리는 단 수의 제한도 고려해야 하며 접합재료인 쌓기용 모르타르와 치장줄눈의 적정 배합비 또한 중요하다. 벽돌 조적 줄눈은 형상형태에 따라 막힌 줄눈, 통줄눈으로 구분되고 벽면의 의장효과를 위한 치장줄눈의 형상에 따라 평줄눈, 볼록줄눈, 오목줄눈, 빗줄눈, 민줄눈, 내민줄눈, V줄눈으로 나뉜다.

선정된 조적재료의 색상은 줄눈의 색상 적용에 따라 느낌이 크게 다르므로 조적재와 줄눈의 색상 조합에 주의하여야 한다. 인방은 창호의 폭에 따라 구조적으로 안전하게 시공되도록 하여야 하며 백화현상을 방지할 수 있도록 모르타르의 적정 배합 및 발수 조치를 하도록 한다.

조적구조의 장점

장중 미려한 의장 표현에 강하다 이러한 특성으로 대형 성당이나 교회의 구조 및 외장 재료로 많이 사용되고 있으며 많은 세월이 흐른 뒤에도 유행을 타지 않는 특징이 있다. 압축력에 강한 구조적 특성을 활용하여 반복되는 아치의 형성 등 다양한 기법을 통해 표현되는 유럽의 고건축물들 대부분이 조적구조를 이용하고 있다.

외장의 수명이 반영구적이다. 비, 바람과 같은 영향을 받아도 풍화가 매우 적으며 유지관리가 거의 필요치 않다. 다만 백화현상이나 크랙이 발생한 경우는 보수가 필요하나 관리가 매우 편리한 편이다. 퇴색이 되어도 무게감 있는 표현을 유지할 수 있어 교체, 덧 시공 등을 통한 외장의 리모델링이 필요 없는 구조다.

시공이 단순하다. 단순한 시공으로 실내 요구공간의 형태나 크기를 벽체로 분화, 조합 구성이 가능하고 조적 자체로 공간이 완성 될 수 있다.

조적구조의 단점

횡력에 약하다. 풍압력, 지진력과 같은 횡력에 약하여 대형 건축물에는 적합하지 않다. 지진 발생시 크랙 발생으로 인한 붕괴와 파편효과로 매우 위험한 상황이 발생되므로 일본과 같이 지진이 많은 나라에서는 널리 사용되지 않는다.
넓은 스팬(Span)의 공간 형성에 불리하다. 조적구조의 역학적 한계로 인하여 벽의 길이와 둘레 면적에 제한을 받으므로 넓은 폭과 길이가 요구되는 공간의 형성에는 적합하지 않은 구조이다.

두꺼운 벽 두께로 실내 유효면적이 줄어든다. 건축면적 벽 두께를 중심으로 적용한다. 벽 높이에 적합한 구조의 조적벽 두께는 타 구조에 비해 매우 두꺼워야 하기 때문에 사용 가능한 실내면적은 줄어들게 된다. 실내쪽으로의 벽이 두꺼워지면 소요공간의 확보, 가구의 배치와 통행로의 확보에 영향을 받게 돼 사용자 입장에서 불리하게 되는 것이다.

기타구조

기타의 구조로는 구조일반에서 전술한 주상복합건물과 같은 대형건축물에 많이 적용되는 철골철근콘크리트구조, 스포츠 컴플렉스, 실내체육관 등의 대공간을 형성하는 현수식구조, 스페이스 프레임구조, 막구조 등이 있는데 주택건축에서는 거의 사용되지 않는 공법으로 기술을 생략한다.田

<참고 문헌>
1. 건축구조학 (기문당) : 김정섭, 이수곤, 문연준, 장정수 공저
2. 건축일반구조학 (문운당) : 김정수, 김현산, 김형만, 이광노, 이호진, 이훈 공저
3. 재직 건설사 실무용 자료 (시방서 및 공정관리 지침서)

글쓴이 이재헌은 주식회사 UNI건설(前 유니홈즈) 대표이사이며 일반건축은 물론 '유니홈즈' 브랜드로 전원주택사업에 주력하고 있다. 1991년부터 '산내들전원주택' 실무책임자로 시작하여 '동신 훼미리하우스', '에스엠루빌'에 이르기까지 전원주택 분야에서 설계 및 현장소장, 사업 기획, 건축, 토목 총괄 팀장 등을 담당한 건축공학 전공 엔지니어로서 일반 건축 경력 이외 주택업계에서만 15년 이상 한길로 매진하여 왔다.
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