김순철, 양일승 교수 / 동신대학교 건축학부
삶의 질 향상과 주택에 대한 다양성이 요구되면서 우리나라의 목구조 건축은 최근 급속한 대중화의 바람을 겪고 있다. 그러나 건축 재료로써 순수한 목재의 이용가치는 아직 미약하다. 이번에 소개할 연구논문 ‘H형강과 구조용집성재로 구성된 휨재의 접합형식에 관한 실험적 연구’는 특히 대형 건축 재료로써 목재가 갖는 한계를 극복하기 위해 하이브리드(Hybrid) 시스템의 필요성을 제기하고 있다. 저자인 동신대학교 건축학부 김순철, 양일승 교수 모두 건축학부에서 건축구조 또는 건축재료 분야를 담당하고 있으며, 주택용 목조건축에 대응하기 위한 시스템 연구를 목적으로 올해 4월 대한건축학회논문집에 게재한 논문을 요약 정리한 것이다.
다층공동목조주택의 꿈 하이브리드로 연다
급속한 산업화로 인한 환경오염과 천연자원의 고갈로 환경과 자원의 보전에 관한 관심이 대두되고 있다. 또 건축의 다양성과 개성을 추구하는 건축계의 요청과 조립식 또는 공업화 주택건축을 통한 공기단축으로 건축비 절감이 가능한 목조주택에 대한 관심이 집중되고 있다.
한편, 지구온난화 방지를 위한 기후변화협약(교토의정서, 1997)에 의해 각국의 CO2배출량의 삭감목표 설정 및 실천기한 준수 등의 압력이 가중되고 있으며, 특히 21세기에는 산업전반에 걸쳐 친환경적 생산기술의 확립을 필요로 하게 될 것이다.
목재는 그림 1에 나타낸 것과 같이 공기 중의 이산화탄소를 흡수하여 성장에 필요한 동화작용을 하며 CO2를 제거하는 기능을 갖는다. 즉, 목조건축은 이산화탄소 저장창고를 만드는 것과 같으며 산에는 다시 나무를 심어 새롭게 이산화탄소 흡수능력을 키워서 항상 공기정화기능을 높은 수준으로 유지할 수 있다.
최근 수년간 새로운 주택형태인 목조주택의 시공이 대도시 근교의 전원도시를 중심으로 증가되고 있는 추세이다. 미국이나 캐나다의 경우에는 이미 오래 전부터 목구조는 3층까지 또는 지역에 따라선 5층까지의 다층 다세대 공동주택을 설계·시공할 수 있도록 제도적인 건축법규가 마련돼 있다. 일본에서도 이미 공동주택에 관한 법이 통과되면서 지하층을 제외한 3층까지의 공동주택을 목구조로 지을 수 있도록 돼 있다.
인간에게 가장 자연친화적이고 웰빙(well being)시대에서 요구되는 건강주택의 대명사로 되어 있는 목조건축의 장점들을 단독주택뿐만 아니라 공동주택에서도 폭넓게 누릴 수 있게 된 것이다. 그러나 종래의 목재는 대형부재의 제조가 곤란하고 신뢰성이 낮은 재료라는 한계가 있기 때문에 이러한 결점을 극복하기 위한 하이브리드 시스템이 필요하다.
1. H형강과 결합된 하이브리드 구조시스템
하이브리드 구조시스템으로는 건축물의 하부층은 RC조로 하고, 상부층은 목조(입면적 하이브리드)로 하는 구조형식과 RC코어와 목구조 골조(평면적 하이브리드)의 구조형식이 보급돼 있다. 또한, 목재를 구조부재로 적극 활용하기 위해서는 내화구조의 성능을 갖는 목질부재나 S조 및 RC조와 하이브리드 구조시스템을 이용함으로써 내화성, 내진성, 차음성 등의 현재 요구되어지는 설계수준, 거주수준 등을 만족시킬 필요가 있다. 기존의 목구조에서 사용되는 볼트나 드리프트 핀을 이용한 기계적 접합은 그림 2와 같이 목재 중에 접합구를 삽입하여, 준 내화성능의 확보나 외관상의 이점이 있지만, 하중을 전달하는 지압면적이 작기 때문에 접합장치가 목재 안으로 파고들어 목재에 균열을 발생시키는 약점이 있다.
본 연구는 4층 정도의 사무소건축이나 교외 형태의 호텔, 학교 등 중층목조 건축물을 실현하기 위해 목재의 내력을 충분히 발휘할 수 있는 구조형식 개발의 일환으로 부재의 상·하면에 강재를 노출시키는 하이브리드 접합법을 제안하고 검토하기로 한다.
여기서는 H형강을 이용한 이음접합 단순보의 휨 실험을 행하여, 응력성상의 파악이나 보강방법의 효과를 검토하였다. 새로운 접합법은 그림 3에 나타낸 것과 같이 H형강을 이용하여 H형강의 웨브양쪽에 목질부재를 삽입하여 구성한다. 본 접합법은 대단면 구조용집성재 등의 목질재료의 접합이나 강재나 섬유재로 보강한 목질 하이브리드 부재의 접합에 사용될 수 있다. 또 그림 4에 나타낸 것과 같이 직각으로 접합되는 보-기둥 접합부에도 이용될 수 있다.
