주택의 구조설계
주택 설계라 함은 평면도, 정면도, 좌우측면도, 단면도 등에 공간배치를 하여 주택의 형태나 구조를 결정하는 것이다. 그러나 구조설계라 함은 설계도면을 기초로 설계하중을 고려하여 각 부재의 등급 또는 치수를 결정하는 것이고, 특히 부재의 계산과 결합부의 설계가 매우 중요하다.
목구조에서는 다양한 설계가 가능하다. 예를들면, 하중의 증가에 따라 구조부재의 치수, 구조부재의 등급, 결합철물의 치수, 결합철물의 수를 증가시키거나, 결합철물의 종류를 변경시키거나 금속판의 사용 또는 치수를 증가하는 등 다양한 방법 중 목적에 적합한 것으로 선택하여 결정한다.
가. 구조설계시 유의사항
(1) 수평보에서 끝면을 직각으로 파면 단면이 급격히 좁아진다. 단면적의 급격한 변화시에는 응력의 집중으로 그 부위의 응력이 재료 강도를 초과하여 파괴를 초래하게 된다. 따라서 수평부재의 인장면(아래쪽)을 파야 할 경우에는 단면적의 감소가 점진적으로 일어나도록 원형으로 한다.
(2) 볼트는 목재의 길이방향으로 고정하면 안된다. 그것은 계절과 수분조건, 연간 함수율 변화 등에 의한 치수변화에 의해 수축과 팽윤을 억제할 수 있으며, 할렬 가능성이 있기 때문이다. 그리고 볼트는 받침면에 가깝게 위치하여야 한다.
(3) 배관 또는 배선을 위해 수평부재를 파야할 때는 가능하면 인장면 파임은 피하는 것이 좋다.
(4) 트러스의 결합부에서는 가능하면 하중이 편심되지 않도록 하여야 한다. 즉 부재의 중심이 일직선에서 만나도록 하여야 한다. 편심하중의 작용은 트러스의 휨모멘트를 발생시켜 사용도중 예측치 못한 파괴를 초래할 수도 있다.
(5) 결합부는 목구조에서 가장 취약한 부분이다. 바람, 지진에 의한 파괴는 대부분 결합부에서 파괴가 시작되어 부재방향으로 진행한다.
나. 결합부
결합부는 목구조에서 가장 약한 부분이므로 결합부의 설계가 가장 중요하다.
결합부는 여러 부재를 통하여 하중 및 응력이 집중되는 것이다.
목재조직의 불연속으로 인한 불연속점에 응력이 집중되기 때문에 예상외의 큰 응력이 작용한다. 결합부를 잘못 설계하면 목리에 수직한 인장응력이 발생할 수 있으며, 목재는 목리에 수직한 인장응력에 가장 취약하다.
도면상에서는 예측못한 부분이 건축현장의 여러 요인에 의해 응력이 증가하여 결합부의 파괴를 초래할 수 있다. 목구조의 구조성능 개선을 위해서는 결합부의 구조강화가 가장 중요하다.
목구조의 구조성능은 구조설계가 잘 되었을 때 강한 구조이며, 목구조에서 강도적으로 가장 취약한 결합부의 보강으로 목조주택의 구조성능을 개선하여야 한다.
목조주택 건축규정에 따르지 않을때는 경험에 의한 시공보다 구조설계에 따라 시공되어야 한다. 우리의 특성에 적합한 목조주택 구조를 만들기 위한 개발과 개선을 위해 끊임없는 노력을 기울여야 한다.
8. 구조설계의 원리
구조설계는 전통적으로 허용응력 설계법(allowable stress design, ASD)에 기초하여 이루어져 왔다.
그러나 근래에 이르러 신뢰성설계(reliability based design)와 극한설계(limit state design)법 등의 개념이 새롭게 대두되면서 이러한 방법들이 하중-저항인자 설계법(load and resistance factor design; LRFD)으로 정립되기에 이르렀다.
가. 허용응력 설계법(ASD)
허용응력 설계법의 기본은 외력에 의하여 구조부재 또는 결합부에 발생하는 응력이 해당부재나 결합부의 허용응력보다 커지지 않도록 구조를 조정하거나 부재의 선택, 배치 등의 결정을 하는 작업을 의미한다. ASD의 기본적인 과정은 다음과 같다.
① 설계하중의 결정 : 하중의 종류, 임계하중 조합의 결정
② 부재 또는 구조에 작용하는 응력 결정
③ 허용응력 계산
④ 부재의 수종, 등급, 치수, 간격 등의 결정 : 작용응력과 허용응력의 비교
(1) 구조용 제재목 - 구조용 제재목은 그 위에 찍한 등급인에 의하여 품질이 확인되어야 한다. 등급인에는 등급, 치수, 함수율, 등급구분기관, 제재소 등이 명시되어야 하며, 공인된 등급구분기관에 의하여 인정된 것임을 확인하여야 한다.
(2) 설계치 - 여러 가지 목재(수종, 등급, 치수)와 철물의 설계치가 도표화되어 있다.
이 도표의 값들이 허용응력 계산의 기초자료가 되며 이 값들은 일반적으로 해당재료에 대한 시험결과의 5% 하한치에 해당된다.
과거의 목재 설계치들은 주로 무결점 소시편에 대한 시험결과의 5% 하한치에 각각의 등급과 치수에서 허용되는 결점에 의한 강도감소 정도를 추정하여 그 값을 산출하였다.
그러나 점차 목재자원의 효율적 활용과 구조의 안전성 확보라는 두가지 관점이 강조되면서 보다 실제상황에 근접한 설계치를 얻기 위하여 실대재 시험이 광범위하게 실시되었다.
그 결과 오늘날의 설계치들은 각각의 등급에 대한 실제 크기의 시편에 대한 시험결과의 5% 하한치를 적용하여 산출된 값들이다.
(3) 설계치의 조정 - 각 부재나 결합부에 대한 허용응력을 계산하기 위해서는 설계치에 여러 가지 조정인자들을 적용하여야 한다. 목재의 역학적 성질에 대하여 적용되는 조정인자들은 다음 표와 같다.
(가) 하중기간인자, CD - 하중기간인자는 다른 재료들보다는 목재에 가장 현저하게 나타나는 하중기간에 따른 부재의 하중지지능력의 변화를 고려한 인자이다.
목재는 일반적으로 하중의 작용기간이 길어질수록 지지할 수 있는 하중의 크기가 작아진다. 정상하중기간(normal duration)이란 총설계하중이 10년의 누적된 하중 작용 기간 동안 부재에 계속적으로 또는 누적되어 작용하는 하중의 형태를 의미한다.
(나) 습윤사용인자, CM - 도표의 설계치는 함수율 19% 이하의 조건에서 사용되는 제재목과 함수율 16% 이하의 조건에서 사용되는 집성재에 적용되는 값이다. 구조부재의 사용조건이 이와 다를 경우에는 각 도표에서 명시된 습윤사용인자를 적용하여야 한다. 종받침 설계치의 도표값 Fg에는 이미 습윤사용조건이 포함되어 있다.
(다) 온도인자, Ct - 목재는 정상온도 이하로 내려가는 경우에 강도가 증가되고 온도가 올라가면 강도가 감소된다. 일반적으로 65℃ 정도의 온도까지는 짧은 기간동안 노출되더라도 온도가 정상으로 회복되면 목재의 강도는 원상으로 회복된다. 그러나 65℃ 정도의 온도에 장기간 노출되거나 또는 그 이상의 온도에 노출되면 목재의 강도에 영구적인 손실이 초래될 수 있으므로 이와 같은 조건에 목재 구조부재가 노출되지 않도록 주의하여야 한다. 65℃ 이하의 온도에서는 일정기간 동안 노출되더라도 높은 온도로 인하여 목재의 함수율이 감소되며 함수율 감소로 인한 목재의 강도증가가 온도증가로 인한 목재의 강도감소를 상쇄시킬 수 있다. 그러므로 65℃ 정도까지의 온도에 일정기간의 노출이 반복되는 경우에도 영구적인 강도감소는 없는 것으로 간주하며 다음 표의 온도인자를 적용하여 온도에 의한 강도감소를 고려해 준다.
(라) 보안정인자, CL - 보안정인자는 휨하중을 받는 부재(보)의 측방안정성에 관련된 인자이다. 휨부재의 높이 d가 나비 b보다 크지 않을 때(d≤b)에는 CL=1.0을 적용한다. 부재의 압축면에 전체 길이에 걸쳐 덮개재료가 사용되므로 부재의 측방이동을 방지해주고 양 끝면 지점에 회전을 방지하기 위한 측방버팀대가 설치된 경우에도 CL=1.0을 적용한다. 그 외에 규정에서 요구되는 측방버팀대가 보의 중간에 설치되는 경우에도 CL=1.0을 적용한다. 이와 같은 요건에 부적합한 경우에는 구조계산을 통하여 적절한 보안정인자 값을 구한 다음 이를 적용하여야 한다. 집성재 휨부재에 대하여 보안정인자,CL와 부피인자,CV가 동시에 적용되어서는 안되며 두가지 중에서 더 작은 값이 사용되어야 한다.
(마) 치수인자, Cs - 목재는 치수가 커질수록 결점의 포함가능성이 높아지므로 동일등급 내에서도 치수에 따라서 조정이 필요하다. 규격재에 대한 치수인자와 보재 및 기둥재에 대한 치수인자는 서로 틀리며 그 값과 계산공식이 각 도표에 수록되어 있다.
(바) 부피인자, CV - 부피인자, CV는 집성재에만 적용되는 인자로 하중이 집성판(lamination)의 넓은 면에 평행하게 작용하는 경우에 사용한다. 부피인자는 도표에 수록된 별도의 계산공식에 의하여 구할 수 있다.
(사) 평면사용인자, Cfu - 규격재가 눕혀져서 넓은 면에 수직한 하중을 받는 경우에는 각 도표에 수록된 평면사용인자가 적용되어야 한다.
(아) 인사이징인자, Ci - 목재에 방부약제 주입을 위하여 인사이징 처리를 할 경우에는 인사이징 인자를 적용하여야 한다. 이 제한치를 넘는 인사이징 처리에 대해서는 시험에 의하여 인사이징 인자가 결정되어야 한다.
(자) 반복부재인자, Cr - 규격재가 장선, 서까래, 스터드, 트러스 현재, 갑판 등의 용도로 사용되어 부재 사이의 간격이 24" 이하이고 부재의 수가 3개 이상이며 설계하중을 지지하기에 충분한 구조용 덮개재료와 같은 하중분산요소에 의하여 서로 결합되어 있는 경우에는 부재사이에 복합작용에 의한 하중분담이 발생한다. 따라서 개별적으로 하나의 부재만이 사용된 경우보다 하중지지능력이 증가되며 이를 고려하여 반복부재인자를 적용한다. 규격재 휨부재에 대한 반복부재인자의 값은 Cr = 1.15이며 도표의 갑판재에는 이미 Cr = 1.15의 인자가 포함되어 있다.
(차) 곡률인자, Cc - 집성재의 만곡부위에 적용되는 인자로서 공식에 의하여 계산된 값을 휨설계치에 곱하여 준다.
(카) 형태인자, CF - 도표의 휨설계치는 사각형 단면을 가진 부재에 적용되는 값으로 원형단면의 부재 또는 정사각형 단면의 부재가 대각선 방향으로 하중을 지지하는 경우(다이아몬드형)에는 다음 표의 형태인자를 적용하여야 한다. 형태인자를 적용하므로써 원형 또는 다이아몬드형 부재가 같은 단면적의 정사각형 부재와 동일한 모멘트 저항능력을 갖도록 취급해 주는 것이다.
(타) 기둥안정인자, CP - 기둥안정인자를 도표의 종압축 설계치에 곱하여야 한다.
(파) 전단응력인자, CH - 도표의 종전단응력 값들은 해당등급의 부재에 허용되는 분할, 할렬 및 윤할에 대하여 감소된 값들이다. 각각의 부재에 발생한 분할의 길이와 할렬 및 윤할의 크기가 알려져있고, 그 크기의 증가가 예상되지 않는 경우에는 도표의 종전단응력에 각 도표에 수축된 전단응력인자를 곱할 수 있도록 허용되어야 한다.
(하) 좌굴강성인자 - 트러스의 압축현재로 사용되어 휨과 축압축응력을 받으면 좌굴강성인자를 곱할 수 있도록 허용되어야 한다.
(거) 받침면적인자 - 부재의 끝부분에 임의의 길이를 갖는 받침이나 길이 6" 이상인 받침에 적용된다.
>> 구조설계
위의 항에서 결정된 허용응력과 부재에 작용하는 응력을 비교하여 작용응력의 크기가 허용응력을 초과하지 않도록 부재의 수종, 등급, 치수, 간격 등을 결정하는 교정을 구조설계라 한다.
나. 하중-저항인자 설계법(Load and Resistance Factor Design;LRFD)
건축물에 대한 구조설계법의 표준은 전통적인 허용응력 설계법에서 하중-저항인자 설계법으로 옮겨지고 있는 추세이다. 아직까지는 두가지 방법이 모두 사용되고 있지만 후자에 대한 이론이 점차 정립되고 새로운 표준이 설정되면서 후자의 중요성이 강조되고 있다. 기본적으로 허용응력 설계법과 하중-저항인자 설계법 사이에는 큰 차이는 없다.
허용응력 설계법에서는 허용응력의 크기가 매우 낮게 설정되며 작용하중도 재료의 수명기간 전체에 걸쳐 작용하는 것으로 가정된다. 이와 같이 함으로써 건물의 안전성을 확보하고 경제성도 함께 추구하였다. LRFD에서도 기본적인 방법은 비슷하지만 여기서는 재료의 저항력과 인자의 곱이 작용하중과 인자의 곱보다 커야 한다.
설계과정은 LRFD와 ASD가 비슷하지만 가장 큰 차이는 LRFD에서 적용되는 저항과 하중값이 수치적으로 ASD보다 매우 크다는 사실이다. 저항값은 안전계수에 의하여 감소되기보다는 실제 시험값에 근사한 크기를 가지며 하중효과에도 1.2～1.6 범위의 하중인자를 곱하기 때문에 그 크기가 증가된다. LRFD에서 저항은 어떤 부재의 하중지지성능을 나타내며 강도는 재료의 성질을 나타낸다.
(1) 하중조합과 하중인자 - 구조물의 설계에서는 하중인자와 하중조합들이 고려되어야 한다.
(2) 저항인자 - 다양한 재료의 사용에 신뢰성과 융통성을 부여하기 위하여 각 재료들의 저항값에는 적당한 저항인자가 사용된다. 저항인자는 언제나 1보다 작으며 그 값은 신뢰성 확보를 위하여 감소되어야 하는 저항의 크기를 나타낸다. 목질재료와 목재 결합부에 대한 저항계수는 각각의 하중 종류에 따라 다르며 저항인자들을 곱하여 줌으로써 해당 제품에 있어서 서로 다른 응력 형태에 대하여 비슷한 신뢰도를 얻을 수 있다.
(3) 시간효과인자 - LRFD에서 시간효과인자는 ASD에서의 하중기간인자와 비슷한 의미를 지니며 각각의 하중조합에 대한 값이 달리 적용된다. 이 인자들은 재료 강도의 변이, 단계적 하중모형, 피해의 누적효과 등이 고려된 신뢰성 분석에 근거하여 결정되었다. 표준강도값은 단기하중 시험에 근거한 것이므로 피해의 누적이 발생하지 않은 하중조합에 대한 값은 1.0이 된다. 시간효과인자는 충격하중이 주된 하중조합에 대하여 적용되는 1.25부터 영구적인 사하중이 주로 작용하는 하중조합에 대한 0.6까지의 값을 갖는다.
(4) 기본조건 - 기본조건은 대부분의 목제품이 사용되는 보호된 건물 내에서의 사용조건을 의미하며 이러한 조건에 합당한 경우에는 함수율, 온도 및 기타 처리에 대한 설계치의 조정이 요구되지 않는다. 함수율에 대한 기본조건은 ASD의 경우와 동일하며 제재목은 19% 이하 그리고 집성재, I형 장선, 목질판상재료 및 기타 구조용 복합재료 등과 같이 접착 및 집성 제품들은 16% 이하로 정의된다. 온도에 대한 기본 조건도 ASD와 동일하다.
(5) 기타 설계의 고려사항 - 설계자들은 구조설계를 통한 안전성의 확보뿐만 아니라 사용편의성, 내구성 및 화재 안전성 등의 측면에 대하여도 관심을 가져야 한다.
>> 구조물로서의 목조주택
목조주택은 주요 구조부재가 목재로 이루어진 주택을 의미한다. 따라서 목조주택에서는 주택에 작용하는 여러 가지 하중들이 주택의 구조부를 구성하는 목재부재들과 목재결합부를 통하여 전달, 분산 및 지지된다. 목조주택에서는 하중을 지지하는 목재부재 및 결합부의 강성과 강도가 주택의 변형, 하자발생 또는 구조적 안전과 밀접히 관련되어 있기 때문에 구조부재 및 결합철물의 선택에 신중을 기하여야 한다.
목구조는 콘크리트 구조물에 비하여 유연한 구조에 속한다.
다시 말하면 비교적 큰 변형이나 진동을 자체적으로 흡수하는 성질을 가지고 있기 때문에 콘크리트 구조물처럼 어느 순간에 급격하게 무너져 내리는 사태의 발생 가능성이 낮다고 할 수 있다. 이러한 점을 이용하여 최근에 우리 나라에 도입되기 시작한 목조건축 분야에서는 국내 제재소에서 제재된 미건조목을 등급이나 강도의 고려없이 사용하므로 주택 전체의 장기적인 구조성능의 불안정을 초래하는 경우가 많이 발생하고 있다.
비록 목조주택에서는 건축 후 바로 나타나는 변형이 적을지라도 장기적으로 하중이 작용하는 상황하에서 주변 환경의 온도 및 습도가 변화되면 변형이 서서히 증가하는 크리이프 현상을 나타낸다.
따라서 등급과 치수, 함수율 등이 부적절한 목재를 주택의 구조부재로 사용하게 되면 장기하중 하에서의 과도한 변형으로 인하여 건축 후 상당한 시간이 흐른 다음에 하자나 과도한 변형 등이 발생하는 원인이 될 수 있다.
구조물로서 필요한 강도를 확보하기 위하여 정확한 자료에 근거한 구조계산이 필요하다.
구조물에 작용하는 하중의 종류, 크기, 방향, 성질 등을 종합하여 각 부재에 작용하는 인장, 압축, 휨 및 전단응력의 크기를 계산하고 이를 견딜 수 있는 수종, 치수 및 등급을 결정하게 된다. 이와 같은 구조계산의 적용을 위하여 먼저 구조용 목재의 성질을 확인할 수 있는 등급구분 규정과 그 규정의 정확한 적용이 필요하다.
구조용 목재에서 올바른 품질의 확인이 필요한 이유는 바로 이와 같은 구조계산의 적용에 의한 안전의 확보를 위한 것이라고 할 수 있다.
주택은 그 내부에 사람이 거주하는 공간이며 거주자들의 생명과 재산을 보존하는 가장 가치 있는 자산이라고 볼 수 있기 때문에 안전의 확보 문제는 아무리 강조하여도 지나치지 않다.
따라서 주택의 설계 및 시공자는 주택 거주자의 생명과 재산을 지킨다는 자부심과 함께 책임을 느껴야 하며 자신이 설계하고 시공하는 주택의 안전을 확실히 보장하기 위하여 최선의 노력을 기울여야 할 것이다. | |
