숨 쉬는 집 목조주택
경량 목구조& 중목구조 제대로 알기
많은 예비 건축주들이 합리적인 건축비, 공기의 단축, 쾌적한 실내 환경 등의 이유로 목구조에 관심을 갖고, 목조주택을 지으려고 한다. 재생이 가능하고 에너지 소비가 적으며 무독성인 생태 건축재인 나무로 지은 목조주택 짓기 전에 알아두어야 할 것들을 살펴봤다.
목조주택이란?
1990년대 초 국내에 도입된 북미식 목조주택은 IMF를 겪으며 한동안 침체되기도 했다. 하지만 2015년 13,595건(16.61%), 2016년 14,945건(15.52%)으로 꾸준한 상승세를 보이는 것을 확인할 수 있다(국토부 통계누리). 그러다 다시 2017년 13,928건(14.99%)에 2018년 11,828건(18.27%)으로 착공 수로 확인 했을 때는 하락 추세에 들어섰다. 이는 목조주택의 인기가 식는 것은 아닌가 하는 예측을 하지만, 전체 착공 수 기준으로 비율을 따져보면 꾸준히 상승하고 있음을 확인할 수 있다. 지난 2020년 목조주택 착공 현황을 보면 2019년 대비 91건에 상승했고 그 비율도 18.37%로 상승한 것을 확인할 수 있었다. 이러한 착공 통계는 2017~18년도와 비교해보면 낮은 수치이지만, 비율로 보면 상승세이며, 코로나19로 목재의 수입 난항, 위축된 경제 상황에 비추어 보면 선방한 것이라 볼 수 있다.
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 것이다.
목조주택의 가장 큰 장점으로는 공기를 줄일 수 있다는 경제적 측면을 둘 수 있다. 또 여름에 시원하고 겨울에 따뜻한 점, 사계절 일정한 습도 조절로 실내를 보송보송하게 유지할 수 있다는 점 등의 이유로 목조주택의 수요와 공급은 증가할 수밖에 없다.
국내 목조주택 증가 추세
최근 10년 간 대도시 근교에 자기만의 목구조를 이용해 단독주택을 지으려는 수요가 지속적으로 증가하고 있다. 단감건축사무소의 감은희 소장은 목조주택은 북미식 2″×4″~12″ S.P.F 구조목을 사용한 경량 목구조가 85% 이상 차지할 정도로 많지만, 내진성과 내구성이 뛰어난 중목구조 보급률도 꾸준히 늘고 있다고 말한다. 특히 일본의 경우 1995년에 발생한 진도 7.5의 고베 대지진으로 중목구조 보급률이 높아지고 있는 추세며, 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 전망한다.
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 있다. 기둥-보 건축물은 오래된 건축방식으로 나라별 고유한 방식이 존재한다.
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 말한다. 목구조 건축의 종류는 크게 분류하면 경량 목구조와 중목구조로 나눌 수 있다.
01 경량 목구조Light 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 퍼졌다.
<소규모 건축 구조 기준-목구조>에서 경량 목구조를 “주요 구조부가 공칭 두께 50㎜(실제 두께 38㎜)의 규격재로 건축된 목구조”로 정의하고 있다.
S.P.F는 가문비나무, 소나무, 전나무의 첫 글자를 딴 것이다. S.P.F 규격재의 크기는 2″×4″, 2″×6″, 2″×8″, 2″×10, 2″×12″, 2″×14″등이 있다.
구조부재와 덮개부재로 이루어진 구조체인 경량 목구조는 지진, 바람 등의 횡령에 강하지만, 벽이 구조체이기에 중목구조에 비해 설계의 자유도가 떨어진다.
미국에서 150년 이상의 역사를 지니는 경량 목구조는 미국의 전체 건축물의 90% 이상에서 활용되는 구조로, 종류는 크게 벌룬구조와 플랫폼 구조 등으로 나눌 수 있다.
경량 목구조의 종류
벌룬 구조Balloon 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 됐다. 이로 인해 두꺼운 기둥이 불필요해 졌고 더불어 못을 이용해 목재를 겹합하는 방식이 이용되기 시작했다.
소단면 각재의 양산으로 인해 작은 단면의 각재들만 사용해 그 간격을 좁혀서 벽체에는 스터드, 바닥에는 장선, 지붕에는 서까래로 구성하게 하는 방식으로 새로운 구조 방식이 고안됐다. 이러한 구조 부재들은 목수들이 다루기에도 용이했고, 기계로 양산된 못으로 용이하고 신속하게 조립할 수 있었다.
이러한 구조 방식은 벌룬 구조라 이름 지어졌는데 기초에서 지붕에 이르기까지 나누지 않고 (2층일 경우) 두 층의 길이 그대로 세워진다. 여기에서 이층 바닥은 이러한 두 층의 길이를 지니는 스터드의 중간이 끼워진 부재에 지지되며, 지붕의 서까래와 천장틀은 벽체 스터드 상부의 두겁대위에 지지된다.
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 것이다. 또한 이렇게 긴 스터드는 시공 시 다루기 불편하다는 것도 큰 단점이었다.
플랫폼 구조Platform Framing 화재 시 취약한 내화성능과 시공 시 열악한 작업 성능을 지닌 벌룬 구조의 단점을 보완한 구조 방식이다. 이 플랫폼 구조는 두 단계의 시공 과정을 겪는데, 먼저 통상적으로 콘크리트 줄기초 위에 일층의 평탄한 바닥 구조를 설치한다. 그런 다음, 그 평탄면에 내력벽과 비내력벽을 조립 및 설치하게 된다. 건물이 중층일 경우 다음층의 플랫폼은 하부층의 벽체 위에 새로운 평탄한 바닥면을 형성하며 설치된다. 마지막으로 최상층 벽체의 상부에 지붕의 서까래와 천장틀이 지지된다.
벌룬 구조와 비교해 플랫폼 구조의 장점은 구조 부재의 길이가 짧고 가벼워져 작업이 용이하다는 것, 평탄한 플랫폼 위에 조립되는 벽체는 정확하게 직각으로 제작될 수 있고, 합판 등을 추가해 벽체 프레임을 더 튼튼하게 만들 수 있다는 점, 플랫폼으로 구성된 바닥 구조는 하층부와 상층부의 벽체 구조 사이에서 방화막의 기능을 한다. 이런 방화막은 벌룬구조에서 추가적으로 소요됐던 방화용 깔판의 설치를 위한 인력 시간을 절감시켜 줄 수 있다.
기둥 보 구조Post & Beam 목구조 방식의 가장 오래된 구조 가운데, 많이 사용되는 목구조 방식 중 하나가 바로 기둥-보 구조다.
현대적인 기둥 보 구조의 장점은 적은 수의 대단면 부재를 사용함으로써 기둥과 기둥 사이의 거리를 늘릴 수있고 자재와 인력을 절감할 수 있다는 점, 통상 목재를 노출해 목재의 수려한 질감을 자연스레 표현할 수 있다는 점, 지붕 구조를 바닥이나 벽체보다 먼저 구축할 수 있어 작업 과정이 용이하게 도움을 줄 수 있다는 점 등이 있다. 이는 비나 눈 그리고 바람 등의 자연 재해로부터 내부를 보호하고 지속적인 시공을 할 수 있다는 장점이 된다.
기둥-보 구조는 보와 보, 보와 기둥과 같은 연결 부위의 설계외 시공에 있어 신중한 주의가 요구된다. 건물의 모든 하중이 결합부위로 전달되므로 건물의 구조적 안정성에 가장 중요한 요소가 된다. 기둥 사이에 걸쳐지는 보는 대규모의 개구부를 형성할 수 있게 하며, 이러한 개구부는 비내력 경량 칸막이 벽이나 외부로의 조망을 위한 대형 유리창으로 구성될 수 있다.
플랫폼의 구조에서는 설비들이 스터드와 장선을 관통해서 설치되며 별도의 핏트가 필요하지 않지만, 기둥-보 방식은 전기나 기계설비를 감출 수 있는 공간이 없다는 단점이 있다. 따라서 상부 덕트와 같은 설비 라인이 그대로 노출되거나 천장을 단을 지어 마감해야 하며, 수직 설비를 위한 별도의 핏트가 필요하다.
01 기초공사를 한다.
본 시공을 위한 콘크리트 타설 등 기초를 다지는 작업을 한다.
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 있다.
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 뜻한다. 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 있다.
공사비 절감 공사비 절감이 뛰어난 것도 특징이다. 경량 목구조는 다른 구조보다 신속하게 시공되는데, 이것은 인건비가 많이 소요되는 콘크리트조나 조적 건축과 비교할 때 쉽게 확인할 수 있다.
내화성 내화성도 뛰어나다. 단, 경량 목구조의 내화성증은 내장 석고 보드에 의존한다. 벽과 천장에 시공된 석고보드는 20분~2시간의 내화 성능을 지닐 수 있다. 또, 합판 바닥 위에 경량 콘크리트로 타설하여 방화막을 형성하거나, 화학적으로 처리된 방염 목재를 사용하는 방법이 있다. 그리고 에너지효율도 꼽을 수 있다. 스터드, 장선, 서까래 사이의 중공을 유리섬유나 암면 등과 같은 단열재로 충진 함으로써 돈은 단열성능이 발휘될 수 있다.
내구성과 안전성 경량 목구조는 양질의 자재로 주의 깊게 시공하면 대를 이어 유지할 수 있다. 그러기 위해서는 기초는 견고하게 설치해 부동 침하를 방지할 것, 구조체는 방습 구조로 석계하고 시공할 것, 방습을 위해서는 건축물의 외피를 경사지게 마감할 것(이러한 마감의 경사면 처리는 우설이 중력의 효과로 자연스레 건축물의 외측면으로 흐르게 하는 방수효과를 노린 것이다.), 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 지켜야 한다.
02 중목구조Heavy Timber Framing System
중목구조의 중목은 무거운 하중의 목재를 뜻하며, 주요 구조부가 125㎜×125㎜(실제 114㎜) 이상의 부재로 건축된 목구조를 말한다. 경량 목구조와 달리 중목구조는 실내에 드러나는 기둥과 보 목재와 내지진성 등을 내세우며 목조주택시장에서 자리를 잡았다.
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 다르다. 중목구조의 규정에 요구되는 부재의 최소 규격은 화재 시 구조체의 안전을 보장하기 위해서다. 목재가 화염에 휩싸였을 때 검게 그을린 탄소 피막은 하나의 방화막을 형성하여 목부재가 일정한 시간동안 구조적 성능을 유지할 수 있게 한다. 이러한 중목구조는 목재를 구조재와 동시에 수장재로써 사용하고자 할 때 많이 사용된다. 중목구조의 종류는 크게 재래식 공법과 철물공법으로 나눌 수 있다.
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 흡수하고, 습도가 낮은 겨울에는 수분을 발산하기에 실내를 보송보송하게 유지시키는 등 다양한 장점을 가지고 있다.
설계 편의 자유도기둥-보 구조부재를 어떻게 배치하느냐에 따라 다양한 공간을 연출할 수 있다.
아름다운 구조 주택 내부에서 나무를 보고 만지고 느낄 수 있어 목재의 장점과 아름다움을 최대한 살린 공법이다.
리모델링 용이 기둥과 보의 길이 조절로 비교적 쉽게 리모델링이나 증축, 개축 등을 할 수 있다. 이 부분이 북미식 경량 목구조와 차별되는 부분이다.
쾌적성 목재의 열전도율은 철의 200배, 콘크리트의 4배이므로 여름에는 시원하고 겨울에는 따듯하다. 또한, 습도가 높은 여름이나 장마철에는 대기 중의 수분을 흡수하며, 반대로 습도가 낮은 겨울에는 수분을 발산하기에 실내를 쾌적하게 유지하기 좋다.
내구성 중목구조에 사용하는 구조부재는 천연 목재의 결점을 제거하고 좋은 부분만으로 제작한 집성재다. 따라서 구조부재가 전체적으로 균일하고 안정된 품질을 유지한다.
중목구조 접합 종류
중목구조에서 기둥과 보를 접합하는 방식은 두 가지다. 한옥 방식인 ‘재래식 공법(장부맞춤)’과 기둥과 보를 접합하는 부분에 철물을 사용하는 ‘철물 공법’이다. 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 사용한다. 반면 철물공법은 구조재와 구조재 사이에 철물로 연결한다.
재래식 공법 프리 컷으로 가공한 토대, 보 등의 주요 구조재들을 이음과 맞춤으로 접합하는 방법이다. 이음이란 구조재들을 같은 방향으로 길게 접합하는 것이고, 맞춤이란 구조재들을 직교 방향으로 접합하는 것이다. 하지만 구조재들에 이음 또는 맞춤에 필요한 홈을 가공하다보면 단면 결손이 생길 수 있기 때문에 수직하중과 횡하중에 안전하다고 할 수 없다.
철물 공법 단면 결손을 줄이기 위해 구조재들을 전용 철물을 사용해 접합하는 공법이다. 구조재들을 전용 철물, 볼트, 너트, 드리프트 핀으로 접합하는 방법으로 단면 결손이 거의 발생하지 않는다. 따라서 재래식 공법보다 통기둥뿐만 아니라 다른 접합부에서도 결손이 적으므로 구조적으로 안전하다. 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 있다. 여기에 재래식 공법에 비해 철물 비용이 발생하지만, 통기둥 등 단면 결손이 커질 부분에만 철물 공법을 적용하는 등 재래식 공법과 혼용해 사용할 수 있다.
중목 구조에 사용하는 구조재 종류
원목 일반 건조목으로 1차 자연 건조를 거친 원목 형태의 나무들은 구조재 형태로 2차 가공한다. 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 사용한다. 대표 수종으로는 편백(히노끼), 적삼목(스기) 등을 들 수 있다.
라미네이트 빔같은 수종의 원목을 일정 두께로 접착해 가공한 목재로 집성재라고 불리는 목재가 해당된다. 원목의 단점인 틀어짐을 보완한 목재로 철물 공법에 주로 사용한다. 대표적인 수종은 북미나 유럽 등에서 생산된 스프러스다.
LVL(Laminated Veneer Lumber) 주 재료는 뉴질랜드의 라디에이터 파인이며 절삭된 단판을 적층해 만든 구조용 공학 목재다. 1995년 일본에서 발생한 진도 7 이상의 대지진에 견질 수 있는 구조목으로 만들어진 목재다. 중목구조의 주재료로 쓰면 구조적 안정성을 크게 높일 수 있으며 8~10%의 낮은 함수율로 목재 자체의 갈라짐과 수축 팽창에 따른 변형을 최소화할 수 있다. 단, 가격이 비싸다.
중목구조 연결 부위.
중목구조 시공 과정
01 자재 하역 및 분류한다_ 중목구조는 토대부터 서까래까지 모든 자재가 현장에 반입되기 때문에 시공 순서에 맞게 분류하는 작업이 중요하다.
02 토대 작업을 한다_ 주택의 균형을 좌우하는 작업이므로 많은 시간이 소요되며, LVL 목재 또는 편백(히노끼)을 토대로 사용한다.
03 철물 결속을 한다_ 토대 작업을 진행하는 일부 인원을 제외하고 시공할 자재에 철물을 미리 결속한다.
04 1층 기둥을 시공한다_ 1층 기둥은 인력들이 직접 자재를 이동하여 빠르게 결속한다.
05 1층 보를 시공한다_ 1층 보를 결속할 때 프리 컷 구조재를 옮기는 집게를 장착한 크레인을 동원하여 시공한다. 나무 망치를 사용해 목재 손상을 방지한다.
06 2층 바닥을 시공한다_ 층간 소음 방지재를 설치한 뒤 재단해 둔 바닥 합판을 시공한다.
07~09 2층과 서까래를 시공한다_ 2층 기둥과 보를 결속하고 서까래를 시공한다.
단감건축사무소 감은희 대표에게 물었다
중목구조 왜 추천하는가?
중목구조는 기둥과 보가 모두 장부로 연결되어 꽉 물려 있는 특성을 가지고 있으며, 연결 부위는 철물공법을 도입하여 구조적으로 매우 튼튼하면서도 자체 유연성을 가지고 있어 지진에 매우 강한 내구적인 특성을 가지게 되었다.
중목구조의 가장 큰 장점은 ‘내구성이 뛰어나고, 화재에 안전하며, 지진에 강하고 친환경이라는 것이다. 일반주택의 내구성은 보통 30년 전후인데 반해, 중목구조로 지은 목조주택은 보통 70년 정도로서 보수와 관리를 통해 100년까지도 유지가 가능하다. 또한 두께가 있는 목재는 불에 타더라도 표면이 탄화해버려 오히려 내부에 불이 번지는 것을 막아주므로 화재에 대한 위험 또한 감소한다.
중목구조로 이루어진 건축현장은 깔끔하고 쾌적하다. 콘크리트로 이루어진 대부분의 건축현장에서는 먼지가 많이 날려 기침이 나곤 하지만 친환경 소재인 나무를 사용하는 중목구조 현장은 이러한 염려가 없다.
글 이수민 기자 | 도움말 감은희(주식회사 단감 대표)
사진 전원주택라이프DB | 자료 전원주택라이프DB, 최현기의 목조건축학교 blog.naver.com/masterbuilde, <목조주택 설계 가이드>(2016, 김광철·심재광, 전북대학교출판문화원), <소규모건축구조기준>
출처 : 전원주택라이프