‘목재가 언제부터 건축물의 구조재로 사용되었을까?’라는 질문에 대해서, 대부분 역사 교육을 받은 관계로 답하기 어려워하는 분은 그리 많지 않을 것으로 생각된다. “선사시대에 인간이 정착생활을 시작하고 생활과 은신의 필요에 의해 집을 짓기 시작할 때 부터 사용되기 시작했다”라고 아마도 대부분 답할 것이며(저자만의 생각인지 모르지만) 이것은 인간·건축과 목재와의 관련성이 매우 밀접하다는 것을 이해하고 있다는 이 이상의 또는 이 이하의 말이 필요하지 않은 답인 듯하다. 이 말이 사실이라는 것은 한반도·중국·유럽 등 여러 문명권의 발굴지에서 목재를 사용해 집을 지은 흔적이 발견되고 있다는 점을 통해서 확인할 수 있다.
건축과 목재의 관련성에 관한 부분에 대해서는 분명하게 이해하고 있고 건축의 주요 재료로 목재를 사용하는 것에 대한 친밀감도 매우 높은 상황이지만 ‘목재라는 재료의 특성을 정확히 이해하고 있는가’라는 질문을 던진다면 현재 상황에서는 건축에 종사하고 있는 많은 사람들에게서 처음 질문에 대한 답처럼 의미가 잘 전달되는 답이 나오지 않을 가능성이 높다는 생각이 든다. 이러한 이유에서 기본적인 것 같지만 목재의 조직, 함수율과 재료 강도 등 목재의 기본 특징에 대해서 언급하고자 한다.
2. 목재의 조직
| ▲그림1. 춘재와 추재 ▲그림2. Poplar ▲그림3. Cherry ▲그림4. Black walnut ▲그림5. Red oak |
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목재는 장점이 많은 재료인데 가볍고 가공이 용이하다는 점, 비중에 비해서 강도와 탄성이 크다는 점, 열전도율이 작아 보온 효과가 크다는 점, 색채와 감촉이 좋아 사람에게 친근감을 준다는 점, 온도변화에 의한 신축이 적다는 점, 내구성이 좋다는 점 등의 장점을 가진다. 반면에 단점도 있다. 가연성이므로 내화재로 사용이 곤란하다는 점, 흡수성이 강해 신축이나 변형이 크다는 점, 부패하기 쉽고, 충해의 영향을 받는다는 점, 인공재(강재, 콘크리트)와 비교해 큰 부재를 얻기가 어렵다는 점, 결의 방향에 따라 강도의 변화가 커서 사용시 주의를 요한다는 점 등이 단점으로 작용한다.
목재는 온난한 지방에서 성장한 수목의 경우 <그림 1>과 같이 봄철 이후에 성장한 세포는 비교적 크고 얇은 막이며 무르지만(춘재; earlywood, springwood) 여름철 이후에 자란 것은 작고 두터운 막을 형성해 단단하고(추재; latewood, summerwood) 이 두 부분의 차이에 의해 동심원형의 나이테를 형성한다. 세포가 성장하면서 형성되는 공극의 형식은 수종에 따라 다르게 형성되는데, 일부 수종의 공극 형태를 보면 <그림 2~5>와 같다.
목재의 수평단면은 변재와 심재로 구분할 수 있다. 변재는 수피 부분의 목질부를 말하는데, 세포 활동이 활발하기 때문에 탄력이 크지만 수액을 많이 함유하고 있기 때문에 함수율이 높고 건조수축에 의한 변형이 심하다는 단점이 있다. 심재는 중심부의 목질부를 말하는데, 함수율이 낮고 단단하지만 탄력이 떨어지는 단점이 있다.
3. 함수율과 역학적 성질 변화
목재는 함수율의 변화에 따라 수축과 팽창 현상을 나타내고 재료의 강도 또한 변화하는 특성을 보이기 때문에 함수율과 관련한 사항을 정확히 이해하는 것이 목재의 사용에 있어서 가장 기본이 된다고 볼 수 있다. 함수율은 목재중에 함유돼 있는 수분의 목재 자신에 대한 중량비를 말하며 다음 식으로 표현된다.
함수율과 재료강도 사이에 관련이 있다는 것 외에 또 하나 중요한 사항은 목재가 대기중의 습도와 균형을 맞추려고 한다는 점이다. 목재의 함수율이 대기중의 습도보다 높은 경우에는 수분을 방출하면서 수분을 대기 중으로 방출하면서 건조·수축의 과정이 진행되고, 대기 중 습도보다 낮은 경우에는 수분을 흡수하면서 팽창의 과정이 진행된다는 점이다. 대기중 습도와 균형을 이루는 상태를 기건상태라 한다. 온도와 대기 상대습도를 변수로 평형을 이루는 함수율은 <표 1>과 같다.
우리나라의 경우 건축관련 기준에서 목재의 재료강도를 정의하고 있지는 않기 때문에, KS F 3020에서 제시하고 있는 침엽수 구조용재의 강도와 탄성계수를 기준으로 할 수 밖에 없는 상황인데, 여기에서 모든 등급에 대해서 함수율 18% 이하를 기본으로 하고 있다는 점을 인지해야만 한다. 함수율 18%에 대한 근거는 명확하지는 않지만 표 1에서 온도 21.1과 상대습도 85%의 값을 갖는 것으로 미루어 여름철 평균 온도와 평균 상대습도를 적용한 것으로 추정된다.
목재의 수축과 팽창 또한 함수율과 관련해 이해해야만 하는 요소다. 역학적 특성 변화와 마찬가지로 함수율이 섬유포화점 부근에 도달할 때부터 수축 현상이 발생하며 함수율이 낮아질수록 큰 변화를 나타낸다. 변재 부분이 심재부분보다 신축성이 크게 나타나고 수종에 따라 다르지만 나이테 접선방향으로의 수축이 반경방향으로의 수축보다 큰 값을 보인다<그림 7>.
5. 맺음말
목재 사용과 유지관리의 기본 방향은 장점을 살리고 단점을 보완 것이라고 말할 수있겠다. 사실, 수장재로 많이 사용하는 각재의 경우에는 기계적 건조법으로 기건상태 이하로 건조시키고 내화능력을 향상시킨 후 사용하는 것이 아주 어렵지는 않지만, 우리나라의 전통건축에서처럼 통재로 사용하고자 하는 경우, 이러한 기본 방향을 준수하는 것이 쉬운 일은 아니지만 목재의 특성 변화를 일으키는 중요한 변수가 함수율이라는 점을 이해하고, 건축 재료로 사용하고자 하는 부재의 함수율이 18% 이하가 될 수 있도록 노력한다면, 광화문에서와 같은 조금은 당황스러운 실수들은 방지할 수 있을 것으로 본다.
○ 김경택, 황종국, 2010, 송국리 54지구 고상건물의 형식 추론 (I) - 목재, 호서고고학, Vol. 23
○ 河姆渡遺址考古隊, 1980, 浙江河姆渡遺址第2期發掘的主要收?, 文物, 第5期
○ B. A. Meylan, B. G. Butterfield, Three-dimensional structure of wood, 1972, Syracuse University Press
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○ United States Department Agriculture, 1999, Wood Handbook
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