중목구조는 기둥과 보를 접합하는 방법에 따라 재래식 공법과 철물 공법으로 구분한다.
재래식 공법
주요 구조재들을 ‘이음’과 ‘맞춤’으로 접합하는 방법이다. 이음이란 구조재들을 같은 방향으로 길게 접합하는 것이고, 맞춤이란 구조재들을 직교直交 방향으로 접합하는 것이다. 하지만, 구조재들에 이음 또는 맞춤에 필요한 홈을 가공하면 단면 결손이 생긴다. 따라서 재래식 방법은 수직하중과 횡하중에 안전하다고 할 수 없다. 왜냐하면 일반적으로 두 방향으로 부재를 접합할 때 단면적의 약 13%의 결손율이 발생하며, 네 방향으로 부재를 접합할 때 단면적의 약 51%의 결손율이 생겨서 좌굴挫屈할 수 있기 때문이다.
재래식 공법※ 좌굴[Buckling]: 기둥의 길이가 그 횡단면의 치수에 비해 클 때, 기둥의 양단에 압축하중이 가해졌을 경우 하중이 어느 크기에 이르면 기둥이 갑자기 휘는 현상
철물 공법
단면 결손을 줄이기 위해 구조재들을 전용 철물을 사용해 접합하는 공법이다. 구조재들을 전용 철물(TEC-10, TEC-18, TEC-24, TEC-33), 볼트, 너트, 드리프트 핀으로 접합하는 방법으로 단면 결손이 거의 발생하지 않는다. 구조재에 미리 철물을 결속해 현장에 반입하므로 작업 능률이 좋으며, 별도로 보강 철물을 사용하지 않기에 구조재들의 연결 부분이 깔끔하다.
철물 공법
내진성 높은 안전 주택
2016년 경주지진(규모 5.8)과 2017년 포항지진(규모 5.4)으로 ‘우리나라는 더 이상 지진 안전 국가가 아니다’라는 인식이 확산됐다. 많은 사람이 지진 재해에 불안해하면서 풍수해 보험에 가입하고 있다. 또한, 내진 구조설계를 통해 지진에 의한 충격을 순간적으로 분산시켜 진도 7에도 견디는 중목구조가 주목을 받고 있다.
어떠한 구조의 건물이라도 강진이 발생하면, 그 구조 내부에 큰 지진 응력應力을 받는다. 이것은 지반의 진동 때문에 건물의 기초에서부터 토대土臺 → 바닥 → 기둥 → 벽 → 보 → 2층 바닥 등의 경로를 거쳐 건물 내부로 전해진다. 이러한 지진 응력을 어떻게 각 구조재에 분담시키는가, 이것이 내진설계의 목표다.
건물 구조의 종류에 따라 내진설계 방법이 다르므로, 구조별 특성을 고려해야 한다. 중목구조의 경우 ▲기둥의 상부와 하부에 대각선으로 지르는 가새[Brace] ▲수직으로 직교하는 토대와 기둥 및 기둥과 보와의 이음 부분이 지진에 의해 어긋나지 않도록 시공하는 홀 다운Hold down 철물 ▲수평으로 직교하는 보와 보 및 토대와 토대의 모서리 가까이 부착하는 귀잡이 토대(또는 보) 등으로 내진성을 높인다. 이처럼 구조재와 부재로 삼각형 구조로 만드는 것이 역학적으로 매우 효과적이다. 사각형 구조는 보통 마름모꼴로 변형되기 쉬운 데 비해 삼각형 구조는 변형시킬 수 없다는 원리에 근거를 둔 것이다.
구조재에 가새와 홀 다운 철물, 귀잡이 토대 또는 보 부재를 시공했다고 지진에 안전한 주택이라고 할 수 없다. 튼튼한 구조 덕분에 건물의 완전 붕괴를 방지할 수 있지만, 건물 내부의 설비들까지 보호하기엔 역부족이다. 기술이 발전하면서 건물 내부에 각종 설비가 많아졌기에 문제가 될 수밖에 없다. 건물 내 전기 및 통신설비가 끊기거나, 가스관과 수도관이 파손된다면 지진이 멈춘 후에도 2차적 피해가 발생할 수 있기 때문이다. 또한, 건물 내부에 매우 값어치 있는 물건이나 충격에 불안정한 물질 등이 있는 경우 건물 자체보다 내용물을 더 중요하게 여기기 때문에 ‘무너지지 않는 건물’만으로 지진에 완벽히 대비할 수 없다. 따라서 내진을 기본으로 면진免振과 제진制震 구조도 고려해야 한다.
진동 주기를 길게 변화시키는 면진구조
내진 이외에도 지진 피해를 더욱 효과적으로 줄일 수 있는 구조들이 있다. 그 가운데 하나가 진동 주기를 길게 변화시켜 건물이 받는 에너지를 줄이는 ‘면진구조’다. 주기가 짧을수록 큰 지진파 에너지를 변화시켜 충격을 완화시키는 것이다. 건물은 구조와 구조재에 따라 지진 발생 시 받는 고유 주기가 있는데, 보통 고층 건물일수록 길어진다. 예상 외로 지진 발생 시 고층 건물이 저층 건물에 비해 피해를 덜 보는 이유이다. 건물과 지반을 격리하면 고유 주기를 변화시킬 수 있다. 즉, 지진 피해를 줄일 수 있는 장치 혹은 구조물 위에 건물을 올리는 것이다. 여기에는 주로 고무와 같은 부드러운 물질이나 구슬 형태의 구조물 등을 사용한다. 지반에 고정된 건물의 경우 지진 발생 시 진동과 함께 흔들릴 수밖에 없지만, 면진구조 건물은 진동이 완화돼 전달되기에 비교적 안전하다.
면진구조
진동을 제어하는 제진구조
면진구조를 적용하면 건물 자체는 진동으로부터 비교적 안전할지 몰라도 거대한 건물이 크게 움직인다면 주변 환경에 따라 얼마든지 위험해질 수도 있다. 이를 극복하기 위한 방법이 댐퍼Dampe라는 감쇄減殺 장치를 통해 진동 에너지를 소비함으로써 구조물의 흔들림을 점차적으로 완화시키는 제진구조다.
제진구조
내력벽 중목구조제진구조는 급정차 또는 급출발하는 버스를 생각하면 이해하기 쉽다. 버스가 갑자기 급정거할 때 서 있는 사람은 관성에 의해 몸이 앞쪽으로 기울고, 이때 넘어지지 않으려고 뒤쪽으로 힘을 가하게 된다. 이로써 관성과 자신의 근육에 의한 힘이 균형을 이뤄 넘어지지 않고 서 있게 된다. 제진구조는 이와 같은 원리를 이용한 것이다. 지진으로 인해 전달되는 진동을 감지하고, 그에 따라 대응하는 힘 또는 진동을 발생시켜 구조물로 전달되는 진동을 낮추거나 구조물의 강성, 감쇠減衰 등을 제어해 피해를 줄이는 방법이다.
중목구조의 내력벽 기능
중목구조는 기둥과 보를 접합해 구조체를 만들기에 기둥과 보가 수직하중을 받는다. 대개 기둥과 보를 볼트 및 드리프트 핀으로 고정시키는 핀 접합 방식인데, 이것만으로는 기둥과 보가 일체화되지 않는다. 하지만, 강 접합 방식인 콘크리트조의 경우 기둥과 보가 철근과 콘크리트로 완전히 일체화된다. 핀 접합과 강 접합은 지진 등의 횡력을 받았을 때 견뎌내는 저항력이 다르다. 핀 접합의 경우 횡력을 받으면 접합부가 회전하므로 기둥과 보와 철물만으로 구조를 지탱할 수 없다. 따라서 횡력을 받을 때 견딜 수 있는 별도의 요소가 필요하다. 바로 횡력에 저항하는 내력벽이다. 내력벽은 가새, 석고보드(두께 12.5㎜ 이상), 구조용 합판 등 다양한 종류로 이뤄진다.
내력벽의 강도도 각기 다른데, 그 강도를 수치로 나타낸 것이 벽 배율이다. 구조체가 지진에 견디려면 일정 부분 이상의 내력벽이 필요한데, 주로 가새와 판재 내력벽으로 이뤄진다. 가새는 프레임 대각선에 들어가는 부재로 한 개 또는 두 개가 교차해 들어간다. 물론, 한 개보다 두 개가 들어가는 경우 벽 배율이 두 배라고 보면 된다.
판재 내력벽은 구조용 합판에 못을 박아 고정한다. 구조용 합판이 횡력을 받으면 못의 힘으로 저항하게 된다. 내력벽의 크기와 양은 중목구조의 경우 구조계산에 따르며, 그렇지 않으면 벽량을 계산한다. 내력벽 일부만 하는 경우, 지진 발생 시 구조물이 뒤틀려 붕괴될 수 있으므로, 반드시 구조 검토 통해 균형 있게 배치해야 한다.
용인 중목구조 주택 구조 계산서 일부
1. 구조 개요
- 위치: 경기 용인시 수지구 고기동
- 규모: 지상 3층
- 건물용도: 단독주택
- 구조종별: 목구조
2. 구조설계 기준
건축구조기준: KBC2009(국토해양부, 2016)
3. 재료 강도 및 규격
목재: KS F 3020(침엽수 및 육안등급 구조재: 소나무 2등급 이상의 구조용 목재)
4. 사용 프로그램
- MIDAS/GEN
5. 지반 사항
- 지반의 허용 지내력: 20KN/㎡ 이상 확보할 것(가정치)
6. 확인 사항
1) 시공자는 상기 사항을 확인하고, 만약 현장 상황이 상기 사항이나 설계조건과 다를 경우 설계자의 승인을 득한 후 시공하여야 한다. 또한, 이 구조 계산은 최소 규정에 의한 설계이므로 필요에 따라 단면을 증가시켜야 한다.
2) 본 구조설계서의 안전 확인에 대한 범위는 지상층의 목구조 부분으로 한정한다.
3) 전단벽의 코너 연결 부분은 앵커 접속 철물로 고정하여야 한다. 경사재는 “3.3.5 Shear Wall”도표에서 제시한 목재를 적용한다.
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