목조건축물에 있어서의 구조설계 과정과 이해
목조건축물에 있어서의 구조설계 과정과 이해
  • 김오윤 기자
  • 승인 2021.03.18 09:00
  • 댓글 0
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전문가 기고 | (주)위너스BDG 이석 대표이사
이석 대표이사(주)위너스BDG
이석 대표이사(주)
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현재 팬데믹 이후의 시대적인 변화와 기후변화의 대응을 위한 탄소 저감과 탄소 중립 과제라는 세계적인 추세에 놓여있다. 탄소 중립을 위해 국내에서도 국가 차원의 추진전략사업을 세워놓았다. 경제구조의 저탄소화, 저탄소 산업생태계 조성 외에도 장기저탄소발전전략 중 자연·생태의 탄소 흡수 기능 강화 등의 내용이 그 중심에 있다. 부문별 전략 중에서 건축물은 고에너지효율과 재생에너지를 사용 촉진하는 내용이 주목된다. 

사실상 목재가 최대의 탄소저장고이므로 친환경 목조 건축물을 적극적으로 추진하는 것이 가장 효과적인 방안이라는 것에 이견이 없을 것이다. 

최근 목조 건축물에 대한 관심은 고조되고 있고 그 설계과정에서 목구조 설계의 필요성과 여러 가지 의문도 있어 이번 글을 통해 목조주택을 중심으로 설계과정을 간단히 소개한다.

목조 건축물에서의 구조설계과정은 건축설계의 과정에서 건축설계자와 협업을 통해 이루어진다. 타 구조형식에 비해 크게 다르지도 않다. 다만 목조건축물의 경우는 타 구조형식과는 달리 주요 목조의 구조부가 건축물의 디자인 요소로 크게 어필하거나 건축 마감재로서의 특징이 강하다. 즉 타 건축형식과 비교할 때 우리의 한옥이나 전통건축에서 드러나는 목구조의 양식이 그러하듯 구조가 두드러진다. 

구조설계는 건축물의 안전을 최우선 목표로 필요한 것이며 건축설계에 있어 매우 중요한 내용의 하나다. 이러한 점에서 구조설계과정에서 첫 번째로 설계기준을 명확히 이해하고 고려해야 할 이유이다. 

국내외 각 나라마다 건축물의 구조 안전을 위한 법규정이 제정되어 있고, 건축물의 안전성, 사용성과 내구성을 확보할 수 있는 설계기준을 두고 있다. 

국내에서는 건설기술과 건설산업의 진흥을 위해 국가건설기준을 통합해 설계기준(KDS, Korean Design Standard)에서 건축구조설계기준(KDS 41)을 분류 규정하고 있다. 이들 내용에는 설계하중, 기초구조, 콘크리트구조, 강구조 등 구조설계의 원칙과 절차, 구조설계법 등을 규정하고 있다.

그림-1. 국내 및 미국/캐나다 및 유럽 구조설계기준

현재는 구조물의 부재 단면력이나 응력이 설계하중 범위에 들어오도록 하는 사양설계법(Prescriptive Design)을 기본적으로 사용하고 있으나, 세계적인 추세에 따라 성능기반설계법(Performance-Based Design)으로 한 발 더 나아가고 있다. 기존의 설계개념인 사양 설계는 기준에 명시된 규정을 따라 적용이 쉬운 반면 다양한 기술의 변화에 맞추기 어려운 한계점이 있다. 이제는 건축물의 요구되는 성능 목적에 따라 설계가 가능한 성능기반설계법과 BIM환경의 전환이 필요한 시점이다.  

두 번째의 설계과정에서 고려해야 할 내용은 건축물이 전적으로 부담해야 할 중력에 의한 건축마감을 포함한 자중, 사용하중 그리고 바람과 지진하중 등을 계산하고 평가하는 것이다. 이들의 하중은 건축물에 작용할 때 가장 유효한 조건으로 평가될 수 있도록 하중조합을 고려한다. 

그리고 구조 Frame을 결정하는 것이다. 바닥재의 두께, 보나 기둥 등의 부재의 크기, 위치, 방향 등 그리고 부재별 결합에 방식에 의한 전체 건물구조시스템을 결정하는 것이다. 어찌 보면 건축구조설계자 자신 스스로가 가장 창의성이 돋보이는 과정이라 할 수 있다. 

각자의 경험과 전문 기술적 지식수준에 따라 매우 다를 수 있다. 여러 방안들을 고민하고 결정해가는 구조계획수립 과정은 설계의 완성도와 직결된다. 이때 건축설계자와 설비기계 등의 타 부문과의 조정과 협의 과정은 필수적이다. 구조설계자마다 구조시스템과 솔루션을 찾는 것은 오로지 자신에게 달려있다. 

세 번째의 과정은 결정한 구조시스템이 안전하고 합리적으로 계획되어 있는 지 구조해석을 통해 시뮬레이션하고 검증하는 것이다. 일반적으로 구조해석은 건축구조물의 전용해석 프로그램에 의한 구조시스템을 이상화해 모델링 한 후 해석하는 것이다. 

매우 간단한 건축구조물의 경우는 2차원적으로 또는 단순화한 수학적 모델 계산방식에 따르기도 하나 대체로 3차원 해석을 하는 것이 정확하고 정밀한 방법이라 할 수 있다. 

그러나 아무리 전문적인 구조해석 프로그램이라고 해도 주어진 모델을 매우 빠르게 계산하는 도구에 불과하므로 구조설계의 전 과정으로 이해하는 것은 매우 단편적인 생각이다. 언젠가는 아무리 복잡한 건축물이라 하더라도 매우 빠르게 연산을 하고 최적의 해답을 찾는 AI가 등장할 것이다. 그러나 구조설계과정은 수학적 모델을 해석하고 계산하는 것 이외에도, 다양한 경험과 창의적인 노력을 통해 솔루션을 찾아가는 것이므로 그의 도움을 전적으로 받기에는 아직은 이르다.

그림-2. 구조해석프로그램에 의한 구조 시뮬레이션과 해석 작업

그 다음으로 구조부재인 각 바닥재, 보, 기둥, 기초 등의 응력을 고려해 설계하는 것이다. 설계 부재의 휨모멘트, 전단력, 축력, 좌굴, 펀칭 등을 고려해 재료 강도, 배근, 부재 크기 등을 확정한다. 목구조의 경우는 사용되는 목구조의 설계용 공칭강도를 비교해 단면의 크기, 접합부의 상세 등을 결정하는 것이다. 

마지막 네 번째 단계는 구조도면을 작성하는 것이다. 건축평면도, 입면도, 단면도, 상세도 외에 기초평면도, 각층 구조평면도, 구조단면도, 접합상세도 등을 작성한다. 목조 건축물의 경우 구조도면의 표현과 표기 방식은 설계자의 의도에 따라 다르게 작성되는 경우가 대부분이다. 

다만 경골목과 중목 주택의 경우는 장선의 방향, 보, 벽체와 기둥, 홀다운 위치 등과 구조 부재의 두께, 크기와 간격 등이 표기된다. 이외에도 못 박기, 부재의 설계 강도, 지내력 등을 표기한다. 

대단면 목구조의 경우는 일반적으로 구조평면도 외에도 부재 간 접합부의 상세 등을 작성한다. 일본식 중목구조 형식의 주택설계 시 목부재의 생산과 조립을 위한 shop도면을 건축설계도면으로 이해하는 것은 잘못된 것이다. 

그림-3. 건축설계도면과 구조설계도면의 작성

여전히 목조산업계 일부에서는 건축허가 시 구조안전확인에 대한 요구와 절차, 그리고 목구조 설계 경험이 많지 않은 구조기술사로 인해 원활치 않은 설계의 조달 등의 불만과 이러한 것들이 시장침체 요인이라고 보는 시각이 존재한다. 그러나 구조기술사의 인력 부족으로 이해하는 것은 잘못된 사실이다.

포항지진이 발생된 2017년 11월 이전까지는 목조주택은 경골목 중심으로 설계와 시공이 대부분 이루어졌다. 건축허가 시 정상적인 구조설계가 불필요했고 관습적인 현장 중심의 구조가 고려되고 시공된 것이 사실이다. 

따라서 다양한 구조형식의 건축물 중에서 유독 목구조 건축물을 공학적이고 체계적으로 설계할 대상은 매우 적었다. 그러나 주택의 경우에도 내진검토와 설계를 의무화하고 소규모건축물기준의 개정된 목구조 기준안을 따르게 함으로써, 비로소 주택의 경우도 주거안전을 담보로 하는 구조설계기준이 마련된 셈이다. 

더욱이 최근 단독주택의 경우는 건축주의 다양한 설계디자인이 요구된다. 따라서 비대칭적인 평면구성과 전이적 요소, 창호의 크기, 외벽의 마감재 등을 고려하면 현행 소규모건축물구조기준에 따라 내진구조안전확인서를 작성할 수 있는 대상은 많지 않다. 목조건축물을 바라보는 목조산업계의 인식전환도 매우 필요하다.

앞으로 목구조설계에 대한 바른 이해와 인식전환, 발주방식과 제도의 개선, 목구조기술의 독창적인 연구개발 그리고 목구조설계 전문가의 양성 등을 통해 더욱 목조산업계의 발전이 이루어질 것으로 기대한다. 


이석
(주)위너스BDG 대표이사 건축구조기술사/건축공학석사. ㈜서울건축(SAC)과 ㈜삼성물산 건설부문에서 건축구조설계업무와 Senior Master로서 해외프로젝트 구조 PM 업무 등을 수행했다. 현재 ㈜위너스BDG의 전략사업 분야인 PC 및  Massive Timber기술 분야의 설계와 Smart Prefab System 기술개발에 주력하고 있다. yyess@naver.com


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