제대로 짓는 목조주택

♣ 중목구조재와 경량목구조의 차이점 및 장단점

◐ 목조주택의 개념

1990년대 초 국내에 도입된 북미식 목조주택은 IMF를 겪으며 한동안 침체되었던 시기가 있었지만 하기 통계표를 참조하여 보면 2015년 13,595건(16.61%), 2021년 14,945건(15.52%)으로 꾸준한 상승세를 보이는 것을 확인할 수 있습니다. (국토부 통계누리) 그러다 다시 2017년 13,928건(14.99%)에 2018년 11,828건(18.27%)으로 착공 수로 확인 했을 때는 하락 추세에 들었습니다. 이는 목조주택의 인기가 식는 것은 아닌가 하는 예측을 하여 볼수도 있었지만 전체 착공 수 기준으로 비율을 따져보면 꾸준히 상승하고 있음을 확인할 수가 있습니다. 지난 2020년 목조주택 착공 현황을 보면 2019년 대비 91건에 상승했고 그 비율도 18.37%로 상승한 것을 볼수 있습니다. 이러한 착공 통계는 2017~18년도와 비교해보면 낮은 수치이지만 비율로 보면 상승세이며 코로나19로 목재의 수입 난항/위축된 경제 상황에 비추어 보면 선방한 것이라 볼 수 있을것입니다.

목조건축은 지구온난화 방지에 긍정적인 역할을 하므로 영국, 미국, 프랑스, 네덜란드 등에서는 건축정책에 적극 이용하고 있으며 선진국들의 건축 동향에 따라 우리나라에서도 원칙 시공 더 안전하고 튼튼하게 시공할 수 있는 건축 공법들을 받아들인다면 목조주택을 찾는 이들이 점차 늘어날 수 있을 것입니다.

목조주택의 가장 큰 장점으로는 건물 외부로부터 내부로 흡입되는 공기를 기능적으로 제어 할수 있다는 경제적 측면을 둘 수 있습니다. 더불어 여름에 시원하고 겨울에 따뜻한 점 사계절 일정한 습도 조절로 실내를 보송보송하게 유지할 수 있다는 점 등의 이유로 목조주택의 수요와 공급은 증가할 수밖에 없습니다.

◐ 국내 목조주택 증가 추세

최근 10년 간 대도시 근교에 자기만의 목구조를 이용해 단독주택을 지으려는 수요가 지속적으로 증가하고 있습니다. 목조주택은 북미식 2″×4″~12″ S.P.F 구조목을 사용한 경량 목구조가 85% 이상 차지할 정도로 많지만, 내진성과 내구성이 뛰어난 중목구조 보급률도 현재는 꾸준히 늘고 있는 현실입니다. 특히 일본의 경우 1995년에 발생한 진도 7.5의 고베 대지진으로 중목구조 보급률이 높아지고 있는 추세이고 프리 컷 공법이 개발된 이후 CAD/CAM을 이용한 기계로 공장 재단을 통해 신속하고 정밀하게 가공된 구조재를 만들어 경량 목구조와 비교했을 때 1.5~2배 이상 공기를 단축할 수 있고 리모델링이 쉽기에 중목구조에 대한 수요 증가를 전망하기도 합니다.

◐ 목구조 건축의 종류

일반적으로 목구조 건축은 우리 전통 한옥의 형태인 기둥-보 건축물과 북미 등에서 주거용 건축물로 가장 널리 사용되고 있는 경량 목조건축물로 나눌 수 있습니다. 기둥-보 건축물은 오래된 건축방식으로 나라별 고유한 방식이 존재합니다.

목구조 건축의 종류를 살펴보기에 앞서 목구조와 목조주택 두 용어의 차이를 먼저 살펴보면 목구조는 하중을 지지하는 구조가 목재로 된 구조물을 뜻하고 목조주택은 주택의 구조체를 목재를 이용해 만든 주택의 총칭한 것을 말합니다.

목구조 건축의 종류는 크게 분류하면 경량 목구조와 중목구조로 분류 할수 있습니다.

경량목구조 골조공사

프리컷 일본식 중목구조 골조공사

01 경량 목구조 --- [Light frame construction]

경량 목구조는 좁은 간격으로 배치한 규격 치수의 구조부재와 덮개부재(구조용 합판)를 함께 사용해 벽식 구조체를 구성하는 건축 방법으로 못을 기계로 대량 생산하면서 구조부재를 저렴하게 접합할 수 있게 되면서 널리 유행하게 되었습니다.

<소규모 건축 구조 기준-목구조>에서 경량 목구조를 “주요 구조부가 공칭 두께 50㎜(실제 두께 38㎜)의 규격재로 건축된 목구조”로 정의합니다.

S.P.F는 가문비나무, 소나무, 전나무의 첫 글자를 딴 것으로 S.P.F 규격재의 크기는 2″×4″, 2″×6″, 2″×8″, 2″×10, 2″×12″, 2″×14″등으로 구분됩니다.

구조부재와 덮개부재로 이루어진 구조체인 경량 목구조는 지진, 바람 등의 횡령에 강하지만 벽이 구조체이기에 중목구조에 비해 설계의 프리함이 덜합니다.

미국에서 150년 이상의 역사를 지니는 경량 목구조는 미국의 전체 건축물의 90% 이상에서 활용되는 구조로 종류는 크게 벌룬구조와 플랫폼 구조로 나눌 수 있습니다.

◐ 경량 목구조의 종류

벌룬 구조[Balloon Framing] : 1830년 경, 시카고 엔지니어이며 건설업자이자 목재상이었던 스노우는 기존의 기둥-보 방식에서 칸막이 벽체의 소단면 각재의 프레임이 구조체에 전달된 하중을 지지하기에 충분하다는 것을 알고 단면의 각재를 양산할 수 있게 되어 저렴한 가격의 구조재로 사용할 수 있게 되었고 이로 인해 두꺼운 기둥이 불필요해지며 더불어 못을 이용해 목재를 겹합하는 방식을 사용하게 되었습니다.

소단면 각재의 양산으로 인해 작은 단면의 각재들만 사용해 그 간격을 좁혀서 벽체에는 스터드, 바닥에는 장선, 지붕에는 서까래로 구성하게 하는 방식으로 새로운 구조 방식이 고안되어 이러한 구조 부재들은 목수들이 다루기에도 용이했고, 기계로 양산된 못으로 용이하고 신속하게 조립할 수 있었습니다.

이러한 구조 방식은 벌룬구조(Balloon Framing)라 이름 지어졌는데 기초에서 지붕에 이르기까지 나누지 않고 (2층일 경우) 두 층의 길이 그대로 세워서 시공하는 방식이며 여기에서 이층 바닥은 이러한 두 층의 길이를 지니는 스터드의 중간이 끼워진 부재에 지지되며, 지붕의 서까래와 천장틀은 벽체 스터드 상부의 더블 탑플레이드(두겹대)위에 지지되게 하는 공법입니다.

이런 벌룬 구조의 가장 큰 단점은 벽체와 장선의 결합 방식이 화염 진행을 적절하게 차단하지 못해 화재 시 두 개 층에 달하는 스터드 간의 중공이 연기의 통로가 될 수 있다는 것인데요.... 또한 이렇게 긴 스터드는 시공 시 다루기 불편하다는 것도 큰 단점이 될 수도 있다는 것입니다.

플랫폼 구조[Platform Framing] : 화재 시 취약한 내화성능과 시공 시 열악한 작업 성능을 지닌 벌룬 구조의 단점을 보완한 구조 방식이며 이 플랫폼 구조는 두 단계의 시공 과정을 겪는데 먼저 통상적으로 콘크리트 줄기초 위에 일층의 평탄한 바닥 구조를 설치한 다음 그 평탄면에 내력벽과 비내력벽을 조립 및 설치는 공법입니다. 건물이 중층일 경우 다음층의 플랫폼은 하부층의 벽체 위에 새로운 평탄한 바닥면을 형성하여 설치되며 마지막으로 최상층 벽체의 상부에 지붕의 서까래와 천장틀이 지지되게 되는 구조입니다.

벌룬 구조와 비교해 플랫폼 구조의 장점은 구조 부재의 길이가 짧고 가벼워져 작업이 용이하다는 것과 평탄한 플랫폼 위에 조립되는 벽체는 정확하게 직각으로 제작될 수 있으며 합판 등을 추가해 벽체 프레임을 더 튼튼하게 만들 수 있다는 점, 플랫폼으로 구성된 바닥 구조는 하층부와 상층부의 벽체 구조 사이에서 방화막의 기능을 한다는 점입니다. 이런 방화막은 벌룬구조에서 추가적으로 소요됐던 방화용 깔판의 설치를 위한 인력 시간을 절감시켜 줄 수 있는 구조이기도 합니다.

기둥/보구조[Post & Beam] : 목구조 방식의 가장 오래된 구조이고 많이 사용되는 목구조 방식 중 하나가 바로 기둥-보 구조입니다.

현대적인 기둥 보 구조의 장점은 적은 수의 대단면 부재를 사용함으로써 기둥과 기둥 사이의 거리를 늘릴 수있고 자재와 인력을 절감할 수 있다는 점이며 통상 목재를 노출해 목재의 수려한 질감을 자연스레 표현할 수 있다는 장점과 지붕 구조를 바닥이나 벽체보다 먼저 구축할 수 있어 작업 과정이 용이하게 도움을 줄 수 있다는 이점이 있습니다. 이는 비나 눈 그리고 바람 등의 자연 재해로부터 내부를 보호하고 지속적인 시공을 할 수 있다는 장점으로 작용합니다.

기둥-보 구조는 보와 보, 보와 기둥과 같은 연결 부위의 설계외 시공에 있어 신중한 주의가 요구되는데요,,,

건물의 모든 하중이 결합부위로 전달되므로 건물의 구조적 안정성에 가장 중요한 요소가 되는 것입니다. 기둥 사이에 걸쳐지는 보는 대규모의 개구부를 형성할 수 있게 하며, 이러한 개구부는 비내력 경량 칸막이 벽이나 외부로의 조망을 위한 대형 유리창설치를 가능하게 하는 것입니다.

플랫폼의 구조에서는 설비들이 스터드와 장선을 관통해서 설치되며 별도의 핏트가 필요하지 않지만, 기둥-보 방식은 전기나 기계설비를 감출 수 있는 공간이 없다는 단점이 있습니다.

따라서 상부 덕트와 같은 설비 라인이 그대로 노출되거나 천장에 단을 지어 마감해야 하며 수직 설비를 위한 별도의 핏트가 필요합니다.

01 기초공사를 한다.
본 시공을 위한 콘크리트 타설 등 기초를 다지는 작업진행 필수.
02 골조공사로 주택의 뼈대를 세운다.
골조는 함수율이 18% 이하인 S.P.F 구조목을 사용한다.(토대:2”×6”, 스터드 2”×6”~12”, 지붕 2”×10”)
03 주거에 필요한 기반 시설을 연결한다.
전기, 통신, 상하수도 등 주거에 필요한 기반 시설 등을 연결한다.
04 외부, 지붕을 마무리한다.
외부 마감과 지붕을 마무리한다.

창호는 외부 마감 시에 함께 작업한다.
05 방수 작업을 한다.
난방을 위한 방통작업과 습식 공간에 방수 작업을 한다.
06 단열 작업을 한다.
일정한 간격으로 세운 스터드 사이에 단열재를 채운다.

경량 목구조 내진 성능 높이는 연결 부위.

◐ 경량 목구조의 특징

경량 목구조의 기본적인 특성은 가변성과 응용성, 내화성, 내구성과 안전성, 공사비 절감, 에너지 효율 등을 들 수 있습니다.

가변성과 응용성 : 구조체의 경량성과 디자인의 유연성을 대표적인 특징으로 들 수 있는데, 이는 현장에서 목수가 용이하게 부재를 취급할 수 있고, 많은 부재들이 제재소에서 절단되어져 현장에서 신속하게 조립 설치될 수 있다는 것을 뜻합니다. 장선, 스터드, 서까래 등은 기본적으로 가변성을 지니고 있어서 어떤 형태의 건물에서도 쉽게 조립되어 구조체를 형성할 수 있으며 구조 변경이나 추후 증축 등에도 어려움 없이 대응할 수 있습니다.

공사비 절감 : 공사비 절감이 뛰어난 것도 특징이며 경량 목구조는 다른 구조보다 신속하게 시공되는데 이것은 인건비가 많이 소요되는 콘크리트조나 조적 건축과 비교할 때 쉽게 확인할 수 있을것입니다.

내화성 : 내화성이 뛰어납니다. 단, 경량 목구조의 내화성은 내장 석고 보드에 의존하며 벽과 천장에 시공된 석고보드는 20분~2시간의 내화 성능을 지닐 수 있습니다. 또, 합판 바닥 위에 경량 콘크리트로 타설하여 방화막을 형성하거나 화학적으로 처리된 방염 목재를 사용하는 방법도 있습니다. 그리고 에너지효율도 꼽을 수 있는데 스터드, 장선, 서까래 사이의 공산을 유리섬유나 암면 등과 같은 단열재로 충진 함으로써 우수한 단열 성능을 발휘 할수 있다는 것입니다.

내구성과 안전성 : 경량 목구조는 양질의 자재로 주의 깊게 시공하면 대를 이어 유지할 수 있는데요...

그러기 위해서는 기초는 견고하게 설치해 부동 침하를 방지해야 하며 구조체는 방습 구조로 설계하고 시공하고 방습을 위해서는 건축물의 외피를 경사지게 마감할 것(이러한 마감의 경사면 처리는 비와 눈이 중력의 효과로 자연스레 건축물의 외측면으로 흐르게 하는 방수효과를 노리는 것입니다)

건물 구조체를 해충으로부터 보호하고 좀이 슬지 않게 할 것, 풍압이나 지진력에 대응할 수 있도록 기초에서부터 지붕 구조에 이르기 까지 횡응력에 저항하는 구조와 연속적인 보강 철물로 구조체의 안전성을 확보할 것 등을 숙지해야 합니다.

02 중목구조 --- [Heavy Timber Framing System]

중목구조의 중목은 무거운 하중의 목재를 뜻하며 주요 구조부가 125㎜×125㎜(실제 114㎜) 이상의 부재로 건축된 목구조를 말합니다. 경량 목구조와 달리 중목구조는 실내에 드러나는 기둥과 보 목재와 내지진성 등을 내세우며 목조주택시장에서 자리를 잡고 있습니다.

무거운 목재를 기둥과 보로 접합해 건물의 하중이 전달되는 구조 원리는 경량 목구조의 기둥-보 방식과 동일하지만, 구조용 목재가 대단면재로 분류되는 최소한의 규격을 지닌 목재들로 구성된다는 점이 다르고 중목구조의 규정에 요구되는 부재의 최소 규격은 화재 시 구조체의 안전을 보장하기 위해서입니다. 목재가 화염에 휩싸였을 때 검게 그을린 탄소 피막은 하나의 방화막을 형성하여 목부재가 일정한 시간동안 구조적 성능을 유지할 수 있게 하느데요... 이러한 중목구조는 목재를 구조재와 동시에 수장재로써 사용하고자 할 때 많이 사용됩니다. 중목구조의 종류는 크게 재래식 공법과 철물공법으로 나눌 수 있다.

재래식공법

철물구조 공법

◐ 중목구조의 특징

중목구조는 내부구조 설계가 자유로운 편으로 큰 창문과 현관을 비교적 제한 없이 만들 수 있고 지붕 모양도 원하는 대로 선택할 수 있으며 습도가 높은 여름이나 장마철엔 대기 중의 수분을 흡수하며 습도가 낮은 겨울에는 수분을 발산하기에 실내를 보송보송하게 유지시키는 등에 장점을 가지고 있습니다.

설계 편의 : 자유도기둥-보 구조부재를 어떻게 배치하느냐에 따라 다양한 공간을 연출할 수 있다는 장점.

아름다운구조 : 주택 내부에서 나무를 보고 만지고 느낄 수 있어 목재의 장점과 아름다움을 최대한 살린 공법.

리모델링 용이 : 기둥과 보의 길이 조절로 비교적 쉽게 리모델링이나 증축, 개축 등을 할 수 있고 이 부분이 북미식 경량 목구조와 차별되는 부분.

쾌적성 : 목재의 열전도율은 철의 200배, 콘크리트의 4배이므로 여름에는 시원하고 겨울에는 따듯하며 습도가 높은 여름이나 장마철에는 대기 중의 수분을 흡수하고 반대로 습도가 낮은 겨울에는 수분을 발산하기에 실내를 쾌적하게 유지하기 좋습니다.

내구성 : 중목구조에 사용하는 구조부재는 천연 목재의 결점을 제거하고 장점만 살려 제작한 집성재이며 따라서 구조부재가 전체적으로 균일하고 안정된 품질을 유지합니다.

◐ 중목구조 접합 종류

중목구조에서 기둥과 보를 접합하는 두가지의 공법이 있습니다. 한옥 방식인 ‘재래식 공법(장부맞춤)’과 기둥과 보를 접합하는 부분에 철물을 사용하는 ‘철물 공법’이고 재래식 공법은 접합 부분에 못을 사용하는 것이 아니라 구조 설계도면에 맞게 재단해 목재를 끼워 맞추거나 목재 사이에 철물을 접합하는 방식으로 구조재를 연결하는 프리컷 공법을 주로 사용합니다. 반면 철물공법은 구조재와 구조재 사이에 철물로 연결하는 것입니다.

재래식 공법 : 프리 컷으로 가공한 토대, 보 등의 주요 구조재들을 이음과 맞춤으로 접합하는 방법이며 이음이란 구조재들을 같은 방향으로 길게 접합하는 것이고, 맞춤이란 구조재들을 직교 방향으로 접합하는 것입니다.

하지만 구조재들에 이음 또는 맞춤에 필요한 홈을 가공하다보면 단면 결손이 생길 수 있기 때문에 수직하중과 횡하중에 안전하다고 할 수 없을 것입니다.

철물 공법 : 단면 결손을 줄이기 위해 구조재들을 전용 철물을 사용해 접합하는 공법으로 구조재들을 전용 철물, 볼트, 너트, 드리프트 핀으로 접합하는 방법이므로 단면 결손이 거의 발생하지 않습니다. 따라서 재래식 공법보다 통기둥뿐만 아니라 다른 접합부에서도 결손이 적으므로 구조적으로 안전합니다. 특히 철물을 미리 프리 컷 공장에서 부착하므로 오차가 적고 정밀해 현장 작업 능률이 높으며 연결 철물이 구조부재 내부로 숨겨져 골조를 깔끔하게 드러내 인테리어 효과를 높일 수 있습니다. 여기에 재래식 공법에 비해 철물 비용이 발생하지만 통기둥 등 단면 결손이 커질 부분에만 철물 공법을 적용하는 등 재래식 공법과 혼용해 사용할 수도 있습니다.

◐ 중목 구조에 사용하는 구조재 종류

LVL(Laminated Veneer Lumber) 주 재료는 뉴질랜드의 라디에이터 파인(radiant pine)이며 절삭된 단판을 적층해 만든 단단한구조용 공학목재(합판형구조재)입니다. 1995년 일본에서 발생한 진도 7 이상의 대지진에 견질 수 있는 구조목으로 만들어진 목재로 중목구조의 주재료로 쓰면 구조적 안정성을 크게 높일 수 있으며 특히 8~10%의 낮은 함수율로 목재 자체의 갈라짐과 수축 팽창에 따른 변형을 최소화할 수 있지만 단, 가격이 비쌉니다.

합판형구조목 LVL

원목 : 일반 건조목으로 1차 자연 건조를 거친 원목 형태의 나무들은 구조재 형태로 2차례의 가공을 하며 이 과정에서 인조 건조를 통해 목재 내부 수분 함수율을 18% 이하로 낮춘다. 이때 건조 가공하면서 목재 내부보다 외부가 빨리지면서 특유의 갈라짐이 생길 수 있으므로 철물 공법이 아닌 앵커와 볼트를 사용한 재래식 목조 축조 공법에 사용합니다. 대표 수종으로는 편백(히노끼), 적삼목(스기) 등을 들 수 있습니다.

라미네이트 : 빔같은 수종의 원목을 일정 두께로 접착해 가공한 목재로 공학용목재라고 불리는 목재가 해당되며 원목의 단점인 틀어짐을 보완한 목재로 일반경량구조목 설치공법 혹은 철물 공법에 주로 사용되며. 대표적인 수종은 북미나 유럽 등에서 생산된 spruce(가문비나무)가 주종입니다.