[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 차이
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. 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 주택
이제 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.