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순돌이 2006. 10. 19. 00:16

     국산 목조주택 모델 개발-제2장

                        목조주택의 구조설계 및 시공관리...

1. 서론

 경골목조건축 공법은 약 150년 전에 미국에서 개발되어 수많은 시행착오와 연구를 거치면서 발전되어 온 공법이다.  미국의 초기 정착민들은 북미대륙의 풍부한 목재를 활용하여 집과 농장 등 필요한 건물을 건축하였으며 초기에는 주로 양질의 목재를 원목 형태로 이용한 통나무 건축이 주를 이루었다.  그러나 사회가 안정되고 점차 목재가공 기술과 기계가 발전되면서 보다 많은 양의 주택을 보다 경제적인 가격으로 지을 수 있는 대책이 필요하게 되었다.  이러한 목적을 위하여 개발된 것이 경골목조건축 공법으로서 이는 목재의 가공기술 발전과 함께 철못의 대량 생산에 의하여 점차 일반화되어 갔다. 


  그 후에 경골목조건축 공법은 미국이나 캐나다 등의 북미지역을 중심으로 꾸준히 발전하였으며 많은 연구와 시험을 통하여 더욱 경제적이고 효율적인 구조로 개발되어 왔다.  사용되는 자재나 시공방법도 모든 것이 표준화되었으며 이를 간단한 도표나 쉽게 기억할 수 있는 형태의 표준으로 개발하여 누구나 이 공법을 이해하고 적용할 수 있는 수준으로까지 발전되었다.  이러한 공법이 2차 세계대전 이후에 전 세계의 정보통신과 국가 간의 무역이 활성화되면서 다른 국가들에게도 전파되기 시작하였으며 우리나라에도 1980년대 후반부터 보급되기 시작하였다. 


  사실 경골목조건축 공법은 전문가들만이 설계 및 시공을 할 수 있도록 전문화된 건축업계에 일종의 혁명과도 같은 의미를 지닌다고 할 수 있다.  왜냐하면 이 공법은 전문가가 아니더라도 누구나 쉽게 이해할 수 있으며 노력을 통하여 쉽게 전문가가 될 수 있도록 표준화가 가장 높은 수준으로 이루어진 공법이기 때문이다.  누구나 표준 공법만 알면 이를 바로 자신의 건축에 적용할 수 있으며 이를 따름으로써 구조적 안전성까지 자연스럽게 확보할 수 있게 된다.  별도의 구조계산이 없이 표준 공법대로 집을 지어서 안전한 주택의 건축이 가능하고 또 이 표준 공법을 전문가가 아니더라도 쉽게 이해할 수 있는 수준까지 단순화되었다고 하는 사실로 보더라도 그동안 이 공법의 개발을 위하여 기울여온 노력을 짐작할 수 있을 것이다.  


  북미지역의 사람들은 경골목조건축공법에 의하여 건축된 집에서 살고 늘 이 건축물을 보면서 다양한 자료와 정보를 접할 수 있기 때문에 마치 이 공법을 상식화된 생활의 한 부분처럼 인식하고 있다.  그러나 우리나라에서는 아직까지 보급의 초기 단계에 있으며 아직까지 건축업체조차도 이 공법에 익숙하지 않은 실정이다.  따라서 일반인들이 이 공법을 접하고 시공업체의 잘잘못을 따질 수 있는 여건은 전혀 제공되어 있지 않다고 할 수 있다. 


  현재 우리나라에서 이루어지고 있는 목조주택의 설계 및 시공은 주로 몇몇 업체들의 경험에 의존하거나 외국에 설계를 의뢰하고 있는 실정이다.  이는 아직까지 목조주택의 설계에 적용할 수 있는 우리나라의 설계기준이 없기 때문이며 국내의 실정에 맞는 자료가 없기 때문이라고 할 수 있다.  이러한 문제의 해결을 위하여 현재 건설교통부 및 대한건축학회가 공동으로 목구조설계기준 제정 작업을 하고 있으며 이 작업에 본 연구의 책임자를 비롯하여 임산 관련 연구자들과 업체들도 함께 참여하고 있다. 


  목구조설계기준의 제정에 발맞추어 우리나라에서도 앞으로 목조주택의 건축이 점차 활기를 띠게 될 것으로 생각되며 이러한 시기에 한국형 목조주택의 표준 모델을 개발하여 업계에 제시하는 것은 매우 중요한 의미를 지닌다.  대부분의 업체들이 나름대로 한국형 목조주택의 건축을 시도하고는 있지만 아직까지 명확하게 한국형이란 무엇인가에 대한 정의가 없기 때문에 이 연구보고서가 그 논의의 시발점을 제공한다는 의미가 있을 것이다. 


  여기서는 목조주택 구조설계의 기본 원리에 대하여 설명하였고 이를 이 연구에서 개발된 표준 모델에 적용하여 구조계산의 결과를 각각의 모델에 대한 내용에 수록하였다.  현재 목조주택의 시공현장에서 현장 및 시공관리가 이루어지고는 있지만 아직까지 체계적인 시공관리의 기법이 확립되지 않았으며 특히 목재 자재의 특성상 현장에서의 보관 및 관리가 자재의 품질을 좌우할 수 있는 중요한 사안이므로 이에 대한 체계적인 과정을 수록하였다.  목조주택의 시공과정 중에서 일반적인 시공방법은 요약하여 수록하였고 우리나라만의 독특한 생활문화를 반영한 시공방법을 별도의 항목으로 상세히 수록하였다.



2. 목조주택의 구조설계

목조주택은 주요 구조부가 목재로 이루어진 주택을 의미한다.  따라서 목조주택에서는 주택에 작용하는 여러 가지 하중들이 주택의 주요 구조부를 구성하는 목재부재들과 목재 접합부를 통하여 전달, 분산 및 지지된다.  목조주택에서는 하중을 지지하는 목재부재 및 접합부의 강성과 강도가 주택의 변형, 하자 발생 또는 구조적 안전과 밀접히 관련되어 있기 때문에  구조부재 및 접합철물의 선택에 신중을 기하여야 한다.


  목구조는 콘크리트 구조물에 비하여 유연한 구조에 속한다.  다시 말하면 비교적 큰 변형이나 진동을 자체적으로 흡수하는 성질을 가지고 있기 때문에 콘크리트 구조물처럼 어느 순간에 급격하게 무너져 내리는 사태의 발생 가능성이 낮다고 할 수 있다.  이러한 점을 이용하여 최근에 우리나라에 도입되기 시작한 목조건축 분야에서는 국내 제재소에 제재된 미건조목을 등급이나 강도의 고려 없이 사용함으로써 주택전체의 장기적인 구조성능의 불안정을 초래하는 경우가 많이 발생하고 있다.


  비록 목조주택에서는 건축 후 바로 나타나는 변형이 적을지라도 장기적으로 하중이 작용하는 상황 하에서 주변 환경의 온도 및 습도가 변화되면 변형이 서서히 증가하는 크리프 현상을 나타낸다.  따라서 등급과 치수, 함수율 등이 부적절한 목재를 주택의 구조부재로 사용하게 되면 장기하중 하에서의 과도한 변형으로 인하여 건축 후 상당한 시간이 흐른 다음에 하자나 과도한 변형 등이 발생하는 원인이 될 수 있다.


  구조물로서 필요한 강도를 확보하기 위하여 정확한 자료에 근거한 구조계산이 필요하다.  구조물에 작용하는 하중의 종류, 크기, 방향, 성질 등을 종합하여 각 부재에 작용하는 인장, 압축, 휨 및 전단 응력의 크기를 계산하고 이를 견딜 수 있는 수종, 치수 및 등급을 결정하게 된다.  이와 같은 구조계산의 적용을 위하여 먼저 구조용 목재의 수종, 등급 및 치수별 강성 및 강도에 대한 정확한 자료가 필요하고 사용되는 목재의 성질을 확인할 수 있는 등급구분 규정과 그 규정의 정확한 적용이 필요하다.  구조용 목재에서 올바른 품질의 확인이 필요한 이유는 바로 이와 같은 구조계산의 적용에 의한 안전의 확보를 위한 것이라고 할 수 있다.


  주택은 그 내부에 사람이 거주하는 공간이며 거주자들의 생명과 재산을 보존하는 가장 가치 있는 자산이라고 볼 수 있기 때문에 안전의 확보 문제는 아무리 강조하여도 지나치지 않다.  따라서 주택의 설계 및 시공자는 주택 거주자의 생명과 재산을 지킨다는 자부심과 함께 책임을 느껴야 하며 자신이 설계하고 시공하는 주택의 안전을 확실히 보장하기 위하여 최선의 노력을 기울여야 할 것이다.


가. 목조주택의 구조 특성


  주택이 하중을 지지하는 원리에 따라서 크게 기둥-보 구조(column- beam system)와 상자형 구조(box system)로 구분할 수 있다.  기둥-보 구조는 큰 치수의 기둥과 보로 구성되어 있으며 이들 수평 및 수직부재들이 하중을 지지하거나 전달시키고 기둥과 보 사이의 접합부가 수평하중에 의하여 발생하는 휨 모멘트에 대한 저항능력을 제공한다.  상자형 구조는 벽식 구조(Wall system)라고도 하며 특별히 굵은 치수의 기둥이나 보가 없이 바닥, 지붕 및 벽 등의 면이 하중을 지지 또는 전달시키는 기능을 갖는다.


  구조물에 작용하는 하중은 크게 수직하중과 수평하중으로 분류할 수 있다.  수직하중은 중력의 작용에 의하여 위에서 아래쪽으로 작용하는 하중으로서 건물, 사람, 가구, 기구 및 기타 물건의 무게와 눈에 의한 하중 등이 여기에 속한다.  수평하중은 지면과 평행하게 옆으로 작용하는 하중으로서 바람과 지진에 의한 하중을 의미한다.

  

  목조주택은 작용하는 수직하중을 지붕으로부터 벽과 바닥을 거쳐 기초구조로 전달하고 최종적으로 지반에 분산하여 전달시킴으로써 효율적인 수직하중 저항구조를 이룰 수 있다.  수평하중에 대하여는 건물전체로 보았을 때 마치 하나의 외팔보와 같이 하중을 지지하며 최종적으로 외팔보의 지점에 해당되는 기초구조에서 모멘트와 수평하중을 지지하고 지반에 분산시키는 수평하중 저항구조를 이루게 된다.


나. 수직하중 저항구조


  수직하중은 위에서 아래로 작용하는 하중이므로 건물에서 가장 위쪽의 부재에 작용하는 하중을 먼저 계산하고 점차 아래로 이동시키면서 하중의 크기를 계산하게 된다.  기둥-보 구조에서는 지붕의 작은 수평보 사이를 덮개재료(sheathing) 또는 갑판(decking)이 덮고 있는데 이들 덮개재료에 작용하는 하중이 수평보에 전달된다.  지붕의 작은 수평보로는 서까래(rafter), 장선(joist), 보강재(stiffner), 보조도리(subpurlin)등을 들 수 있다.  이 작은 수평보들은 양끝에서 중간 크기의 보에 의하여 지지되는데 들보(beam), 장선(joist), 중도리(purlin) 등이 여기에 속한다.  마지막으로 중간 수평보들은 큰보(girder)에 의하여 지지되며 큰보는 기둥(column)에 의하여 지지를 받는다.  기둥의 하중은 기초구조 또는 지정(footing)으로 전달되고 그 아래의 잡석 다짐을 통하여 지반에 분산된다.


  상자형 구조에서는 지붕의 서까래 사이에 걸쳐있는 지붕덮개를 통하여 지붕하중이 서까래에 분산되고 서까래의 하중은 벽체의 위깔도리에 의하여 지지된다.  천장의 하중도 벽체의 위깔도리로 전달되고 이어서 벽체의 스터드를 통하여 하부의 밑깔도리로 전달된다.  밑깔도리로 전달된 하중은 바닥하중과 함께 토대로 전달되고 기초구조를 통하여 지반에 분산된다.

  

  수직하중 저항구조에서는 덮개재료가 충분한 강성을 유지하면서 작용하는 하중을 수평부재에 골고루 분산시키는 역할을 수행하여야 하고 수평부재는 작용하중에 의한 휨 응력과 전단 응력을 견디면서 과도한 변형의 발생 없이 양쪽 끝의 지점에 하중을 전달시켜야 한다.  기둥이나 스터드같은 수직부재는 작용하는 압축 응력을 견뎌야 하며 옆으로 휘는 좌굴의 발생 없이 하부구조로 하중을 전달하여야 한다.  위깔도리나 밑깔도리와 같은 받침구조는 상부에서 작용하는 하중에 대한 횡지압강도(횡압축강도)가 중요한 고려인자이다.  일반적으로 수직하중 저항구조에서 접합부는 부재를 제 위치에 고정시키는 역할을 하며 구조적으로  중요성을 갖지 않지만 그림 2-1(b)와 같은 걸침 구조에서는 접합부의 설계가 중요하다.


  그림 2-1과 같이 수직부재와 수평부재가 만나는 경우에는 (a)와 같은 받침구조가 바람직하며 높이제한과 같은 여러 가지 요인에 의하여 수직부재의 측면에 수평부재를 부착하여야 하는 경우에는 (b)와 같이 접합철물(hangers)을 사용하여야 한다.







        (a) 받침구조           (b) 걸침 구조 - 접합철물의 사용


그림 2-1. 수직부재와 수평부재의 접합구조.



다. 수평하중 저항구조


  건물의 수직하중 저항구조는 장기하중에 의하여 서서히 변형이 증가하는 크리프변형의 경우를 제외하고 일반적으로 건축 중 또는 건축 후 빠른 시간 내에 그 안전성이 나타난다.  그러나 수평하중 저항구조는 건물의 건축 후 태풍, 허리케인, 지진 등의 자연재해가 발생하기 전까지 그 안전성의 평가가 어려운 실정이다.  건물의 수평하중 저항구조가 불안정한 경우에 자연재해가 닥치게 되면 건물의 과도한 변형이나 구조적 붕괴가 급속히 진행되기 때문에 건물 거주자의 생명이나 재산 보호를 위하여도 수평하중 저항구조의 안전성 확보는 매우 중요한 과제라고 할 수 있다.

 

  건물의 수평하중 저항구조는 그 기본 원리에 따라서 그림 2-2와 같이 크게 세 가지로 분류할 수 있다. 

 

    (a) 강성 골조 구조           (b) 수직 트러스 구조                (c) 전단벽 구조


그림 2-2. 수평하중 저항구조의 기본 원리.



  그림 2-2에서 (a)는 강성 골조 구조(rigid frame)로서 주로 대형 목구조, 기둥-보 구조 등에서 적용되는 개념이다.  강성 골조 구조의 접합부는 회전이 불가능한 강성접합으로 이루어지고 수평하중은 구조의 구성부재인 보와 기둥의 휨에 의하여 지지된다.  (b)는 수직 트러스 또는 버팀 구조라고 하며 수직 트러스 내의 인장 버팀재(tension brace)의 인장강도에 의하여 수평하중이 지지된다.  (c)는 전단벽 구조로서 벽체 전체 또는 일부가 전단력 저항요소로서의 기능을 가지며 벽체의 면전단 강도에 의하여 수평하중이 지지된다.  (b)의 수직 트러스 구조는 초기의 경골목구조에서 경사가새(diagonal brace)가 사용되던 원리이며 오늘날에는 금속 띠쇠를 대각선으로 사용하여 경사가새를 대신하기도 한다.  현대식 경골목구조에서는 거의 대부분 (c)의 전단벽 구조가 적용되고 있으며 목재 골조 위에 합판이나 OSB와 같은 구조용 판재를 덮어서 벽체를 구성한다.


  전단벽과 같이 경골목구조 위에 구조용 덮개재료를 사용하여 수평하중을 지지하는 면구조로 만든 것을 격판(diaphragm)이라고 한다.  현대식 경골목구조는 상자형 구조로서 그림 2-3과 같이 건물의 6면이 모두 격판으로 구성되어 측면에서 작용하는 하중을 효율적으로 지지하게 된다.  격판의 면전단 강도에 의한 하중저항 능력은 하중 방향에 평행한 면을 통하여 발휘된다.  따라서 그림 2-3에서 보면 수평하중에 수직한 벽면의 덮개를 통하여 샛기둥으로 전달된 하중이 상하의 수평격판에 전달되고 수평격판의 하중은 다시 양측면에서 수평하중에 평행한 양면의 전단벽에 전달된다.  이때 전단벽은 수직격판으로서 작용하며 수평하중을 지지하게 된다.


  건물의 수평하중 저항구조에는 그림 2-3의 기본 원리 중 한가지 또는 여러 가지가 복합적으로 적용될 수 있다.  예를 들면 건물의 긴 방향 수평하중에 대하여 전단벽 구조를 적용하고 짧은 방향 수평하중에 대하여는 수평 트러스 구조를 적용할 수 있다.  이는 건물의 한쪽 면에 적용된 수평하중 저항 원리가 반드시 다른 벽면에도 적용될 필요는 없다는 것을 의미한다.  그러나 수평면의 경우에는 종방향이나 횡방향에 관계없이 어느 쪽 수평하중에 대하여도 동일한 수평격판의 원리가 적용된다.

    (a) 수평 골조 및 전단벽

    (b) 수직 골조 및 수평 트러스

    (c) 수직 골조 및 수평 격판


그림 2-3. 경골목구조의 수평하중 저항구조.



  격판은 측면에서 작용하는 하중을 덮개재료의 면전단강도(in- plane shear strength)로 지지한다.  이 경우에 골조부재와 덮개재료 사이의 못접합부가 구조부의 하중 지지능력에 결정적인 영향을 미치게 되는데 대부분의 경우에 덮개재료의 면전단 파괴 이전에 못접합부의 변형이나 파괴가 먼저 발생하게 된다.  따라서 격판구조를 적용하는 경우에는 덮개재료를 뼈대부재에 부착하는 못박기 방법이 명시되어야 하며 이를 준수하여야 올바른 수평하중 저항구조를 만들 수 있다.

라. 접합구조


  구조물은 일반적으로 외부에서 작용하는 하중을 효과적으로 지지할 수 있도록 설계된 물체를 의미한다.  구조물 중에서 특히 주택은 구조부재들이 유기적으로 연결되어 내부 공간을 충분히 확보하면서도 작용하는 하중을 효율적으로 지지할 수 있도록 설계되어야 한다.  철구조물은 용접이나 볼트 등의 사용으로 구조부재 사이를 연결시키고 콘크리트구조에서는 내부의 강화 철근을 서로 연결시켜줌으로써 접합부를 구성한다.

  

  목구조의 경우에는 목재부재 사이에 서로 파거나 자르고 다듬어서 끼워 맞추는 형식의 맞춤 접합구조와 부재끼리 맞대 놓고 외부에서 철물을 사용하는 철물 접합구조가 사용될 수 있다.  과거에 철물이 발달되지 못한 시절에는 맞춤 접합구조가 유일한 대안이었으나 오늘날 여러 가지 철물의 발달로 인하여 일부 특수구조를 제외하고는 철물 접합구조가 일반화되어 있다.  철선못의 개발로 못의 대량생산이 가능해지면서 못은 목구조에서 가장 많이 사용되는 접합철물이 되었다.  그 외에 나사못, 볼트, 래그나사못 등이 사용되며 최근에는 여러 가지 구조와 기능의 접합철물들이 개발되어 용도와 치수, 모양, 강도 등의 요건에 따라서 적당한 것을 골라서 쓸 수 있게 되었다.  목구조에서 수직하중 저항구조와 수평하중 저항구조를 효과적으로 구성하기 위하여 적절한 접합구조의 사용이 필수적이다.  따라서 목구조의 설계자들은 목구조를 구성하는 여러 가지 부재들에 대한 설계와 함께 부재 사이의 접합부에 대한 설계를 반드시 고려하여야 한다.


마. 설계하중


  건물에 대한 구조계산에서 제일 첫 번째 단계는 건물에 작용하는 하중의 종류, 크기, 방향 등을 결정하는 것이다.  이러한 설계하중에 근거하여 구조부재 또는 접합부의 치수, 등급, 구조 등이 결정되기 때문에 설계하중의 계산은 매우 중요한 기초 작업이라고 할 수 있다.


  보통건물의 구조설계에서는 수직하중(vertical loads)과 수평하중( lateral loads)의 두 가지 형태의 하중들이 고려된다.  수직하중은 지구의 중력에 의하여 위에서 아래로 작용하는 하중을 의미하며 수평하중은 지면에 평행하게 옆으로 작용하는 하중을 의미한다.  대부분의 구조물들은 이들 두 가지 형태의 하중들에 의한 복합적인 영향을 받으며 구조물을 구성하는 구조부재들도 그 위치와 기능에 따라서 두가지중의 한가지 하중만을 지지하기도 하지만 수직과 수평하중을 동시에 지지하는 기능을 수행하기도 한다.


  수직하중은 중력에 의하여 작용하는 하중으로서 대부분의 사람들이 쉽게 이해할 수 있으며 건물의 구조설계는 일반적으로 수직하중에 대한 설계로부터 시작된다.  여기에는 두 가지 이유가 있는데 첫 번째 이유로는 중력이 항상 존재하는 하중으로서 자연스럽게 오래 전부터 기본적인 구조설계의 대상이 되어 왔다는 점을 들 수 있다.  두 번째 이유는 수평하중에 대한 설계를 하기 위해서는 수직하중의 크기를 알 필요가 있기 때문에 수직하중에 대한 설계를 먼저 하는 것이 편리하다는 점을 들 수 있다.


  건물의 구조부재에 대한 설계는 일반적으로 건축되는 순서와는 반대로 이루어진다.  다시 말하면 건축은 제일 아래의 큰 부재에서부터 시작하여 위로 진행되어 올라가지만 구조설계는 제일 위쪽의 작은 부재에서부터 시작하여 아래로 내려가면서 이루어진다.  설계하중은 주로 UBC(Uniform Building Code)의 제 23장에서 주로 다루고 있으며 ANSI/ ASCE 7-95, “건물 및 기타 구조물에 대한 최소설계하중(Minimum design loads for buildings and other structures)”에서도 설계하중에 대한 자세한 계산방법을 제시하고 있다.  우리나라에서는 “건축물의 구조기준 등에 관한 규칙”의 제 2장에서 설계하중의 계산을 다루고 있다.


(1) 영역


  설계하중에 대하여 다루기에 앞서서 먼저 구조부재에 대한 영역(tributary area)의 개념에 대하여 알고 있어야 한다.  영역은 해당 구조부재에 하중을 전달하는 것으로 생각되는 면적이라고 정의될 수 있다.  큰보, 장선 등의 수평부재에 대한 영역은 양쪽에 인접한 부재들과의 거리의 절반에 해당하는 영역나비(tributary width)에 부재길이의 곱으로 계산될 수 있다.  따라서 장선이나 서까래처럼 반복적으로 배치된 부재의 경우에는 부재의 배열간격이 바로 영역나비가 된다.


  기둥과 같이 수직한 부재의 경우도 인접한 다른 기둥들과의 거리의 중간점들을 연결한 선으로 영역을 계산할 수 있다.  수평부재에 균일분포하중이 작용하는 경우에는 부재의 단위 길이 당 작용하는 하중의 크기로 설계하중을 계산하는 것이 편리하다.  그러므로 단위면적 당 작용하중의 크기에 영역나비를 곱하면 수평부재의 단위 길이 당 작용하는 하중의 크기를 계산할 수 있다.  수직부재의 경우에는 그 단면의 도심을 통과하여 작용하는 집중하중으로 계산하며 단위면적 당 작용하중의 크기에 해당부재에 대한 영역을 곱하면 설계하중을 구할 수 있다.


(부재에 작용하는 하중 계산의 예)


  그림 2-4와 같은 건물에 200kg/m2의 하중이 작용한다.  J1, J2, G1, G2, C1, C2 및 C3 부재의 영역과 각 부재에 작용하는 하중의 크기를 구하여라.








                                                 장선 @ 600mm o.c.



그림 2-4. 부재에 작용하는 하중 계산의 예.


<계산>

TA = 영역( tributary area),  L = 하중(load)


    장선 J1:    TA = 0.6m×3.6m = 2.16m2

                L = 2.16m2×200kg/m2÷3.6m = 120kg/m

    장선 J2:    TA = 0.6m×7.2m = 4.32m2

                L = 4.32m2×200kg/m2÷7.2m = 120kg/m

    큰보 G1:   TA = 6m×5.4m = 32.4m2

                L = 32.4m2×200kg/m2÷6m = 1080kg/m

    큰보 G2:   TA = 7.2m×5.4m = 38.88m2

                L = 38.88m2×200kg/m2÷7.2m = 1080kg/m

    기둥 C1:    TA = 6.6m×5.4m = 35.64m2

                L = 35.64m2×200kg/m2 = 7128kg

    기둥 C2:    TA = 6.6m×1.8m = 11.88m2

                L = 11.88m2×200kg/m2 = 2376kg

    기둥 C3:    TA = 3.6m×3m = 10.8m2

                L = 10.8m2×200kg/m2 = 2160


(2) 수직하중


  수직하중에는 고정하중(dead load), 활하중 또는 적재하중(live load) 및 눈하중(설하중, snow load) 등이 포함된다.


  고정하중은 구조물 자체의 무게와 함께 구조물에 영구적으로 부착된 모든 시설 및 재료의 무게를 포함한다.  활하중은 짧은 기간 동안 구조물에 작용하는 하중으로 지붕 활하중과 바닥 활하중으로 구분할 수 있다.  눈하중은 적설에 의한 하중으로서 지역에 따라서 크기가 달라진다.


(가) 고정하중


  고정하중은 구조물을 구성하는 모든 재료와 구조물에 영구적으로 부착되는 모든 시설의 무게를 포함한다.  여기에 포함되는 항목으로 서까래, 장선, 기둥 등의 뼈대 부재와, 덮개재료, 단열재, 외장재, 내장재, 파이프, 자동소화시설, 냉방장치, 난방장치, 물탱크 등을 들 수 있다. 


  일반적으로 건물의 고정하중은 단위면적 당 무게로 계산되므로 각종 재료나 시설의 무게도 같은 단위로 변환시키는 것이 편리하다.  예를 들면 뼈대 부재의 단위길이 당 무게를 알고 있는 경우에는 그 값을 부재 사이의 간격 또는 그 부재에 대한 영역 나비로 나누면 쉽게 단위면적 당 하중의 크기로 변환시킬 수 있다.  일반적으로 널리 사용되는 목구조 뼈대부재의 치수와 간격에 대하여 각각의 경우에 상응하는 균일 분포 하중의 크기는 표 2-1과 같다.



표 2-1 목재 구조부재의 치수와 간격에 상응하는 균일 분포하중

구조부재의 호칭 치수

부재의 간격

300mm

400mm

600mm

50×100

50×150

50×200

50×250

50×300

6.4

10.3

13.2

17.1

21.0

4.9

7.8

10.3

12.7

15.6

3.4

4.9

6.8

8.3

10.3

(단위: kg/m2)



  목조주택에서 목재 구조부재의 무게는 전체적인 설계하중에 비하면 매우 적은 값에 해당된다.  따라서 목재 구조부재의 무게를 계산하는 과정에서 생기는 오차는 일반적으로 최종 제품의 선택에 큰 영향을 미치지 않는다.


  건물의 고정하중을 계산하기 위하여 건물의 구조나 사용되는 재료의 종류와 특성에 대하여 알고 있어야 한다.  사용되는 재료 별로 두께와 품질에 따른 단위하중을 모두 더하면 해당 부위에 대한 고정하중의 크기를 계산할 수 있다.  목조건축에 많이 사용되는 재료들의 무게는 표 2-2와 같다.






표 2-2 목조건축 자재의 무게

재료

하중

지붕의 고정하중

 두루마리 루핑 펠트

 유리섬유 단열재(두께 25mm 기준) 

 아스팔트 싱글

 합판 또는 OSB(두께 25mm 기준)

4.9

2.5

9.8

14.7

천장의 고정하중

 석고보드(두께 25mm 기준)

24.4

바닥의 고정하중

 합판 또는 OSB(두께 25mm 기준)

 시멘트 마감(두께 25mm 기준)

 경량 콘크리트(두께 25mm 기준)

 유리섬유 단열재(두께 25mm 기준)

14.7

68.4

29.3~68.4

2.5

벽 및 칸막이의 고정하중

 창문

 합판 또는 OSB(두께 25mm 기준)

 석고보드(두께 25mm 기준)

 유리섬유 단열재(두께 25mm 기준) 

40.0

14.7

24.4

2.5

(단위: kg/m2)



(고정하중 계산의 예)


지붕 고정하중 :           

     아스팔트 싱글                      =  9.8

     루핑 펠트                          =  4.9

     12mm 합판                         =  7.4

     서까래(50×200 @400mm o.c.)       = 10.3

     단열재료 (R-19)                   = 13.75

     12mm 석고보드                     = 12.2

     ------------------------------------------------------

     지붕 고정하중(RDL)                 = 58.35 ≒ 59 kgf/m2


바닥 고정하중 :

     온돌바닥(75mm 경량콘크리트)       = 90.0

     25mm 합판                         = 14.7

     장선(50×300 @400mm o.c.)         = 15.6

     단열재료(R-30)                     = 25.0

     12mm 석고보드                     = 12.2

     -------------------------------------------------

     바닥고정하중(FDL)                 = 157.5 ≒ 158 kgf/m2


  일반적으로 목조주택의 지붕에 대한 고정하중은 서까래의 간격, 사용되는 내외장재의 종류, 반자 천장의 유무 등에 따라서 35~100kg/m2의 범위를 갖는다.  목재 벽체의 경우에는 스터드의 치수와 간격, 덮개의 두께 및 종류, 내외장 마감재의 종류 등에 따라서 20~100kg/m2의 고정하중을 나타낸다.  고정하중의 정확한 값은 사용되는 재료들의 종류, 특성, 치수 등에 따라서 달라진다.


  사용되는 부재의 사양에 따른 정확한 무게는 일반적인 재료인 경우에는 건축관련 참고서적들에서 구할 수 있으며 특별한 재료가 사용되는 경우에는 그 재료의 제조업체로부터 참고자료를 구할 수 있다.  설계자들은 설계과정에서 건물의 각 부위에 사용되는 재료에 대하여 정확히 알고 있어야 하며 이러한 지식으로부터 산출된 고정하중의 값이 적정한지 또는 다른 일반적인 경우와 비교하여 과다하거나 너무 작지는 않은지 항상 확인하여야 한다.



(나) 활하중(적재하중)


  활하중은 건물이나 구조물의 사용 또는 그 내부에 거주함으로써 발생하는 수직하중을 말하며 여기에는 바람, 눈, 지진, 비, 홍수 등의 환경에 의한 하중이나 고정하중은 포함되지 않는다.  활하중은 바닥 활하중과 지붕 활하중으로 구분할 수 있으며 바닥 활하중에는 가구, 사람, 건축 장비, 건축 인력 등의 무게가 포함되고 지붕 활하중에는 건축 또는 수리에 관련된 사람, 장비 및 자재의 무게와 화분이나 사람같이 건물의 수명 중에 위치를 옮기는 하중이 포함된다.

  건축규정에는 일반적으로 건축물의 설계에 반드시 고려되어야 하는 지붕 또는 바닥 활하중의 최소치를 정하여 놓았다.  활하중은 일반적으로 균일 분포 하중의 형태로 고려되지만 특정 건물이나 건물의 일정 부분에는 집중하중이 작용하게 된다.  건물의 용도에 따른 활하중의 최소치가 건축법규 등에 명시되어 있다.  건물의 활하중은 건물의 용도에 맞는 사용 과정 중에 발생할 수 있는 최대하중을 고려하여야 하며 어떠한 경우에도 건축법규에 규정된 값보다 작아서는 아니 된다.  규정에서 요구하는 균일 분포 하중이나 집중하중 중에서 건물에 보다 큰 영향을 미치는 하중이 설계에서 고려되어야 한다. 


  일반적인 주거용 건물의 경우에는 200kg/m2의 바닥 활하중과 100kg/m2의 지붕 활하중을 기본으로 하고 있으며 다음과 같은 원칙에 의하여 이 값의 감소를 허용하고 있다.


1) 활하중의 감소


  어떤 부재에 대한 영역이 넓은 경우에 그 전체 면적에 걸쳐서 단위 활하중이 동시에 작용할 것으로 기대하기는 어렵다.  이러한 경향은 부재의 영역이 넓을수록 더욱 뚜렷하게 나타날 것이다.  이러한 이유로 규정에서는 13.5m2를 초과하는 부재의 영역에 따라서 다음 3개의 식 중에서 가장 작은 R의 값을 바닥 활하중에 대한 % 감소비율로 적용하도록 허용하고 있다.


  R = r(A-13.5)   -----------------------------  (2-1)

  R = 23.1(1+ DL/FLL)   ------------------------        (2-2)

  R =40%


  여기서

  r = 13.5m2를 초과하는 바닥 영역에 대하여 m2 당 0.9%의 감소 비율.

  A = 부재의 바닥 영역(m2)

  DL = 바닥 고정하중

  FLL = 규정에서 요구하는 최소 바닥 활하중


  공공건물이나 500kg/m2 이상의 활하중에 대해서는 위의 감소가 허용되지 않는다. 


2) 지붕 활하중


  단위 지붕 활하중의 값은 지붕 경사 및 지붕의 면적에 따라서 값이 변하게 된다.  이는 지붕의 경사가 클수록 큰 지붕 활하중이 작용할 가능성이 낮으며 넓은 면적에 큰 지붕 활하중이 동시에 작용할 가능성이 낮기 때문에 이러한 경우에 활하중의 감소가 허용되기 때문이다.  지붕 경사각 및 부재의 영역에 따른 지붕 활하중의 크기는 표 2-3과 같다.


표 2-3 지붕의 단위 활하중

지붕 경사

부재의 영역

0 ~ 60m2

61 ~ 180m2

180m2 초과

1. 평지붕, 4/12 이하의 경사, 지간거리의 1/8 이하의 높이응 갖는 아치 또는 돔 지붕

100

80

60

2. 4/12~12/12 사이의 경사, 지간거리의 1/8~3/8 사이의 높이를 갖는 아치 또는 돔 지붕

80

70

60

3. 12/12 이상의 경사, 지간거리의 3/8 이상의 높이를 갖는 아치 또는 돔 지붕

60

60

60

                                                           (단위: kg/m2)



(바닥 활하중 계산의 예)

  

  그림 2-5의 건물에서 장선(J), 큰보(T) 및 기둥(C)에 대한 바닥 활하중의 크기를 계산하라.  이 건물은 주거용 아파트로 사용되며 바닥의 고정하중은 50kg/m2이다.





                                          







                                           장선 @400mm o.c.


그림 2-5. 바닥활하중 계산의 예.



<영역> 

  AJ = 0.4×6 = 2.4m2

  AG = 6×6 = 36m2 > 13.5

  AC = 6×6 = 36m2 > 13.5


<바닥 활하중>

  FLL = 200kg/m2

  DL = 50kg/m2

  바닥 장선: FLLJ = 200kg/m2


  큰보:  R = 0.9(36-13.5) = 20.25%

        R = 23.1(1+(50/250)) = 27.72%

                R = 40%

                ∴ 최소치는 R = 20.25%

                FLLG = 200(1-0.2025) = 159.5 ≒ 160kg/m2


  기둥:         R = 0.9(36-13.5) = 20.25%

                R = 23.1(1+(50/250)) = 27.72%

                R = 40%

                ∴ 최소치는 R = 20.25%

                FLLC = 200(1-0.2025) = 159.5 ≒ 160kg/m2


<총하중>

  TLJ = (50 + 200)(2.4/6) = 100kg/m

  TLG = (50 + 160)(36/6) = 1260kg/m

  TLC = (50 + 160)(36) = 7560kg


(지붕 활하중 계산의 예)

  

  그림 2-6의 지붕구조에서 서까래(R)와 마루보(RB)에 작용하는 균일분포 지붕하중을 계산하라.  지붕의 고정하중은 40kg/m2이며 지붕의 경사각은 6/12이다.







    서까래 @400mm o.c.


그림 2-6.  지붕활하중 계산의 예.



<영역>

  서까래 AR = 0.4×4.8 = 1.92m2 < 60

  마루보 ARB = 12×4.8 = 57.6m2 < 60

  지붕경사 = 6/12 > 4/12 

 

<지붕활하중>

  RLL = 100kg/m2

 

<지붕총하중>

  TLR = (40+100)(1.92/4.8) = 56kg/m(수평투영길이에 대한 값)

  TLRB = (40+100)(57.6/12) = 672kg/m


3) 난간에 작용하는 활하중


  구조물에 설치되는 난간에는 난간(handrail), 안전난간(guardrail), 욕조손잡이(grab bar), 차량옹벽(vehicle barrier) 등이 포함된다.  난간은 안내와 안전을 위하여 손으로 잡을 수 있도록 되어 있는 시설물로서 계단 등에 설치된다.  안전난간은 건물의 높은 층 개방면에서 사람이나 장비 등이 떨어지는 것을 방지하기 위하여 설치되는 안전시설물이다.  욕조손잡이는 변기, 샤워대 및 욕조에서 안전을 위하여 사람의 몸무게를 지지할 수 있도록 설치되는 시설이다.  챠량옹벽은 차고 건물의 개방면이나 경사지역 또는 건물 벽체 근처에 차량이 접근하지 못하도록 설치되는 안전시설을 의미한다.

  

  난간이나 안전난간은 그 윗면에 75kg/m의 하중이 작용하고 이 하중이 난간을 지지하는 구조에 전달될 수 있도록 설계되어야 한다.  1가구 또는 2가구 주거용 건물에 대하여는 최소하중이 30kg/m 가 되어야 한다.  모든 난간은 그 윗면에 작용하는 300kg의 집중하중을 견딜 수 있어야 하며 이 하중을 건물의 구조부위에 전달할 수 있는 철물과 지지구조를 갖추어야 한다.  이 집중하중이 앞의 균일분포하중과 동시에 작용하는 것으로 가정할 필요는 없다.

  

  욕조손잡이는 350kg의 집중하중을 견딜 수 있도록 설계되어야 한다.  승용차용 차량옹벽은 수평방향으로 작용하는 900kg/m의 하중을 견딜 수 있어야 하며 이 하중을 지지구조에 전달할 수 있도록 부착되어야 한다.  이 시설물의 설계를 위하여 하중은 바닥면으로부터 4.5m 이상 떨어진 지점에서 1m2 이하의 면적에 작용하는 것으로 가정한다.  이 하중이 앞에서 언급된 난간이나 안전난간에 대하여 작용하는 하중들과 동시에 작용하는 것으로 가정될 필요는 없다.


4) 기타 하중


  적절하게 계산된 활하중이 구조물의 일부분에 작용하는 경우가 구조물 전체에 걸쳐서 작용하는 경부보다 더 큰 영향을 미치는 것으로 판단될 때에는 구조물의 일부에 작용하는 하중이 고려되어야 한다.  앞에서 계산된 활하중들에 대하여는 일반적인 충격조건이 고려된 것으로 가정할 수 있다.  특별히 진동이나 충격하중의 정도가 심할 것으로 예상되는 구조물에 대하여는 이에 대한 고려가 필요하다.


(다)  눈하중(적설하중)


  설계 눈하중(SL)은 다음 식 (2-3)에 의하여 계산한다.


  SL = P x Zs  x Cs ---------------------------  (2-3)


  여기서

  P = 눈의 평균 단위 중량(적설깊이 1cm 당 kg/m2)

  Zs = 수직 최심 적설 깊이(cm)

  Cs = 지붕의 경사도 및 형상에 따른 계수


  눈의 평균 단위 중량은 표 2-4와 같고 우리나라의 지역별 수직 최심 적설 깊이는 표 2-5와 같다.



표 2-4 눈의 평균 단위 중량


수직 최심 적설 깊이(cm)

평균 단위 중량

(눈의 깊이 1cm 당 kg/m2)

50 이하

1.0

100

1.5

150

2.0

200 이상

3.0

비고)  중간 깊이에 대해서는 직선보간법을 적용한다.



표 2-5 지역별 수직 최심 적설 깊이

지역

구분

     

수직 최심

적설 깊이(cm)

I

여수, 진주, 충무, 부산, 울산, 제주, 서귀포

30

II

인천, 서울 , 수원, 서산, 대전, 이리, 전주, 광주, 울진, 포항

50

III

군산, 목포, 춘천, 청주, 추풍령, 대구

70

IV

속초, 강릉, 대관령

150

V

울릉도

350

  지붕의 경사도 및 형상에 따른 계수는 그림 2-7에 따른다.


   식 I:   Cs = 0.8 -(( α-30)/50)

   식 II:  Cs = 1.25(( α-30)/50)



     식 I 적용 α≤20°: 식 I 적용    h/ℓ≤0.1: 식 I 적용

                         α>20°: 식 I 또는          h/ℓ>0.1: 식 I 또는

                               II 적용                II 적용


그림 2-7. 지붕의 경사도 및 형상에 따른 계수, Cs.



  설계눈하중을 계산하기 위한 기초자료가 되는 지면눈하중은 각 나라마다 지역별로 세부적인 값이 결정되어 건축법규 등에 수록되어 있다.  지면눈하중의 크기를 결정하기 위해서는 오랜 기간동안의 각 지역별 적설량 측정 결과와 눈의 무게 측정결과를 토대로 여러 가지 통계처리 절차를 거쳐야 한다.  단순한 방법은 눈의 적설깊이를 측정하고 눈의 비중을 측정하여 단위면적 당 무게를 계산하는 것이다.  그러나 적설에는 해마다 또는 지역마다 많은 변이가 있으며 눈이 녹거나 비가 오거나 하는 경우에 비중이 다양하게 변화하기 때문에 적은 관측 자료만 가지고 지면눈하중을 결정하면 값에 오차가 생길 가능성이 그만큼 커지게 된다.

  

  미국의 경우에는 미국 전역에 204군데 지점을 선정하여 30년이 넘는 기간 동안 적설량과 눈의 무게를 수시로 측정하여 축적된 자료를 바탕으로 로그정규분포(log normal distribution) 곡선을 작성하고 이 분포곡선으로부터 50년의 기간에 대하여 년중 과부하 가능성이 2%가 되도록 지면눈하중의 크기를 결정하였다.  이와 같이 결정된 204군데 지역의 지면눈하중 값으로부터 9200군데의 다른 지역에 대한 지면눈하중 값을 결정하기 위하여 비선형 최소 자승법을 이용한 수학적 모형을 작성하였다.  이 모형에서 구한 값을 9200군데의 지역에서 측정한 적설 깊이와 비교하여 최종적인 미국 전역의 눈하중 분포곡선을 작성하였다.  이와 같이 작성된 지면눈하중 분포 값의 오류가능성을 확인하기 위하여 매년 적설깊이와 무게의 실제 측정치와 비교 분석을 실시하고 있다.

  

  캐나다의 지면눈하중은 30년의 기간에 대하여 최대치 I형(Gumbel) 분포를 사용하여 매년 설계치를 초과할 확율 3.3%에 기초하여 결정된 값이다.  캐나다의 눈하중치는 한달에 4회 이하로 측정한 각 지역별 적설깊이와  눈의 밀도에 근거하여 계산되었다.  이와 같이 밀도측정이 자주 이루어지지 못했기 때문에 추가적인 강우에 의한 하중이 더하여 진다.  미국의 경우에는 미국 전역에 분포된 204곳에서 수십년 동안 매우 자주 측정된 눈의 무게에 근거하였기 때문에 이 측정치들에는 적설 후 강우의 경우도 많이 포함되어 있으므로 지붕경사가 ½in/ft(2.38°) 미만인 경우를 제외하고는 적설 후 강우에 대한 추가적인 하중을 고려해 줄 필요가 없다.


  우리나라의 경우에는 적설깊이와 눈의 무게에 대한 측정자료가 충분하지 않기 때문에 눈하중 값에 정확성을 기하기는 어렵지만 우선적으로 “건축물의 구조기준 등에 관한 규칙”에 수록된 눈하중을 적용하고 건물이 건축되는 지역의 눈하중에 관한 보다 믿을 만한 자료가 있다면 이를 적용할 수 있다.

  

(라) 비하중(강우하중)


  지붕의 배수시설은 해당 지역의 강우량을 충분히 감당할 수 있도록 설계되어야 한다.  경사각이 1.2°미만인 평지붕의 경우에는 지붕 위에 물고임에 의한 변형의 증가와 이로 인한 불안정에 대한 분석이 필요하다.  이러한 경우에 지붕은 물고임으로 인한 처짐을 방지하기에 충분한 강성을 유지할 수 있는 구조로 건축되어야 한다.


(3) 수평하중


  수평하중에는 바람과 지진에 의한 하중이 포함된다.  수평하중은 건물의 측면에서 지면과 평행하게 힘을 작용시키며 건물은 마치 기초 부분이 고정지점인 외팔보와 같은 형태로 수평하중의 영향을 받는다.  여기서 만약에 건물의 각 구조부들이 수평하중을 지지하기에 충분한 강성과 강도를 지니고 있지 못하다면 건물은 과도한 찌그러짐 변형(racking)을 나타내거나 붕괴될 것이다.  건물 자체가 충분한 강도를 가지고 있는 경우라도 기초구조가 부실하여 작용하는 모멘트를 저항하기에 부족하다면 건물 전체가 기울어지거나 넘어지는 결과가 초래될 수 있다.  바람에 의하여 지붕구조에 국부적 상향력이 발생하면 지붕과 하부 벽체 사이의 결합부가 부실한 경우에는 지붕이 날라가거나 붕괴되는 피해가 발생할 수도 있다.


(가) 바람하중(풍하중)


  설계풍압 또는 설계 바람하중은 건물의 주된 바람하중 저항구조나 건물의 각부 구조 또는 외장재료의 설계에 적용되며 식 (2-4)에 의하여 계산한다.

   P = pA, p = Cq   --------------------------     (2-4)


  여기서

  P = 바람하중(kg)

  p = 풍압(kg/m2)

  A = 건축물의 유효 수압 면적(m2)

  C = 풍력계수

  q = 설계속도압(kg/m2)


  식 2-4에서 풍압(p)는 50kg/m2 이상이 되어야 하며 특히 내력부분에 있어서는 80kg/m2 이상이 되어야 한다.  식 2-4에서 풍력계수는 그림 2-8 및 표 2-6에 의하여 결정한다.









그림 2-8. 주택에 대한 풍력계수.



  식 2-4의 설계속도압은 표 2-7에 따르며 해안, 절벽, 산꼭대기 등과 같이 바람의 영향을 특히 심하게 받는 지형에서는 표 2-7의 값에서 20% 증가된 값을 적용한다.



표 2-6 바람방향 지붕면의 풍력계수(그림 2-8의 C).

   θ

h/w

10~

15도

20도

25도

30도

35도

40도

45도

50도

60도 

이상

≤0.3

-1.0

-0.2

0.25

0.3

0.35

0.4

0.45

0.5

0.01θ

0.5

-1.0

-0.75

-0.5

-0.2

0.05

0.3

0.45

0.5

0.01θ

1.0

-1.0

-1.0

-0.8

-0.55

-0.3

-0.05

0.2

0.45

0.01θ

≥1.5

-1.0

-1.0

-1.0

-0.9

-0.6

-0.35

-0.1

0.2

0.01θ


표 2-7 설계속도압

건물의 높이(m)

기본 풍속(m/sec) 및 노풍도

35(A)

35(B)

35(C)

40(C)

45(C)

50(C)

0

10

20

30

40

50

30

40

50

60

70

80

60

70

80

90

100

110

100

110

120

130

140

150

140

150

160

170

180

190

190

200

210

220

230

240

240

250

260

270

280

290

                                                           (단위: kg/m2)



  그 외에 바람하중에 대한 세부적인 사항은 부록의 “건축물의 구조기준 등에 관한 규칙”을 참고한다.


(바람하중 계산의 예)


  그림 2-9의 건물에 대한 바람하중의 크기를 계산하라.  건축 지역의 기본 풍속은 35m/sec 그리고 노풍도는 B로 가정하고 건물의 길이는 6m로 가정한다.

그림 2-9. 바람하중 계산의 예.


풍력계수:







설계속도압: q = 70kg/m2

풍압: 




(단위:kg/m2)




한 쪽 벽면의 면적: Aw = 3.6×6 = 21.6m2

한 쪽 지붕면의 면적: Ar = 6.6×6 = 39.6m2

(나)  지진하중


  지진은 수평하중의 원인 중에서 바람과 함께 가장 중요한 요인으로 꼽히고 있다.  그러나 우리나라에는 지진이 거의 없고 소규모 건물에서는 지진의 위험도가 높지 않으며 목조주택은 지진에 대한 저항능력 및 진동을 흡수, 분산 및 감쇠시키는 능력이 뛰어나므로 크게 문제가 되지 않는다.  따라서 지진하중에 관한 부분은 자세히 다루지 않고자 한다.


(4) 토양 및 정수압


  지하실이나 벽 또는 이와 유사한 지하층의 수직구조를 설계할 경우에는 인접한 토양에 의한 수평하중이 고려되어야 한다.  여기서 추가로 다른 고정되거나 움직이는 물체에 의한 하중의 추가가능성도 고려되어야 할 것이다.  인접한 토양의 일부 또는 전체가 자유수면 아래에 있는 경우에는 부력에 의하여 감소되는 토양의 무게와 총정수압을 함께 고려한 계산이 이루어져야 한다.


  지하실 벽은 측방 토양하중을 견딜 수 있도록 설계되어야 한다.  표 2-8에 명시된 토양하중은 별도로 공신력 있는 기관에 의한 토양조사가 이루어지지 않는 한 최소설계토양하중 값으로 사용되어야 한다.  추가하중에 의한 측방압력은 측방토양압력에 더해져야 한다.  지질학적 조사에 의하여 현장의 토양이 팽창가능성이 있는 것으로 나타났다면 측방압력이 증가되어야 한다.


  지하실 바닥이나 이와 유사한 지하의 수평구조를 설계할 때 필요한 경우에는 전체바닥면적에 작용하는 총 정수압을 고려하여야 한다.  그 외에 다른 상향압력들도 함께 설계에 고려되어야 한다.


표 2-8 설계측방토양하중

                                           설계측방토양하중a)

 되메우기 토양                       구분   [1m 깊이 당 kgf/m2]

 배수양호, 자갈 ; 자갈-모래 혼합     GW            560c)

 배수불량, 자갈 ; 자갈-모래 혼합     GP             560c)

 침니자갈, 배수불량;, 자갈-모래 혼합 GM           560c)

 점토자갈, 배수불량, 자갈-점토 혼합   GC           720c)

 배수양호, 모래, 자갈 많은 모래 혼합  SW            560c)

 배수불량, 모래, 모래-자갈 혼합       SP            560c)

 침니모래, 배수불량, 모래-침니 혼합  SM           720c)

 모래-침니-점토혼합, 미세분         SM-SC       1,360d)

 점토모래, 배수불량, 모래-점토 혼합  SC            1,360d)

 무기질 침니와 점토침니              ML            1,360d)

 무기질 침니와 점토 혼합             ML-CL        1,360d)

 낮거나 중간 점성의 무기질 점토      CL            1,600

 유기질침니와 침니점토, 낮은 점성    OL            ___b)

 무기질 점토침니, 탄성침니           MH           ___b)

 높은 점성의 무기질 점토            CH            ___b)

 유기질 점토 와 침니점토            OH            ___b)

  a) 각각의 명시된 토양의 적합한 밀도에 대하여 습윤한 조건에서 설계측방 토양하중이 수록되어 있다.  실제 현장조건이 우선 고려되어야 하며 물에 잠기거나 물에 포화된 토양의 압력에는 부력에 의한 토양의 무게와 정수압하중이 함께 포함되어야 한다.

  b) 되메우기 재료로 부적함

  c) 상대적인 강성벽에 바닥이 걸쳐질 경우에 모래와 자갈형 토양에 대한 설계측방토양하중은 깊이 1m 당 300kg/m2로 증가되어야 한다.  지하로 2.4m 이상 들어가지 않고 위에 경골바닥을 지지하는 지하실 벽은 상대적인 강성벽으로 취급되지 않는다.

  d) 상대적인 강성벽에 바닥이 걸쳐질 경우에 침니와 점토형 토양에 대한 설계측방 토양하중은 깊이 1m 당 500kg/m2로 증가되어야 하다.  지하로 2.4m 이상 들어가지 않고 위에 경골바닥을 지지하는 지하실 벽은 상대적인 강성벽으로 취급되지 않는다.

  팽창성 토양이 기초 또는 지면슬라브 아래 존재하는 경우에는 기초, 슬라브 또는 다른 구조들이 팽창성 토양에 의한 상향 압력에 저항하거나 또는 그 움직임을 견딜 수 있도록 설계되거나 또는 건물의 주변과 아래에서 팽창성 토양을 제거하거나 안정시켜야 한다.


(5)  하중조합


  건물에 작용하는 설계하중들은 각각 단독으로 작용하는 것이 아니고 몇 가지 하중들이 동시에 작용할 수 있으며 그러한 경우에 건물은 안전성에 위협을 받게 된다.  그러므로 구조설계에서 고려되는 외력은 각각의  설계하중을 단독으로 취급하기보다는 동시에 발생할 가능성이 많은 하중조합들을 평가하여 그 중에서 가장 위험도가 높은 하중조합을 결정하여야 한다.  허용응력설계법에서는 표 2-9의 4가지 기본적인 하중조합에 대하여 평가하고 그 중에서 가장 심한 영향을 주는 조합을 결정하여야 한다.



표 2-9. 허용응력설계법의 하중조합

구분

하중조합

 D

 D + L + F + H + T + (Lr 또는 S 또는 R)

 D + (W 또는 E)

 D + L + (Lr 또는 S 또는 R) + (W 또는 E)

  

  바람과 지진 중에서 더 심한 영향을 주는 조건이 결정되어야 하며 두 가지가 동시에 작용하는 것으로 가정될 필요는 없다.

  건물이 모멘트에 저항할 수 있도록 기초구조에 고정되어 있지 않는 한 수평하중에 의한 전위모멘트가 건물의사하중에 의한 안정모멘트의 2/3를 초과하지 않아야 한다.  또한 건물이 고정되어 있지 않는 한 수평하중에 의한 기초전단하중이 마찰과 결합에 의한 총저항력의 2/3를 초과하지 않도록 하여야 한다.


바. 구조설계의 원리


  목조주택은 그 내부에 사람이 거주하는 공간을 지지하는 구조물로서 안전성의 확보가 다른 어떠한 면들보다 우선되어야 한다.  따라서 목조주택에서도 구조설계의 필요성이 대두되고 있지만 서구에서는 일반적으로 널리 사용되어온 공법으로 주거용의 범위 내에 들어가는 규모의 건축을 실시할 경우에는 관례적인 방법으로 간주하여 별도의 구조계산 없이 건축이 가능하다.  그러나 서구식 경골목조건축 공법이 우리나라에 전해진지는 이제 10년 정도에  불과하기 때문에 아직까지 이 공법이 제대로 정착되어 있지 않으며 관례적인 공법으로 인정받기에는 미흡한 실정이다.  더 나아가서 경골목조건축에 대하여 경험이 별로 없는 설계자와 시공자가 무분별하게 건축을 시도함으로써 하자 발생이나 심지어는 거주자의 안전과 재산상의 피해까지 줄 가능성이 있다.

  

  경골목조건축 공법이 우리나라에 정착되기 위해서는 설계자, 시공자 그리고 수요자가 모두 이 공법의 안전성에 대한 확신을 가져야 하며 그러한 의미에서 구조설계의 필요성이 대두되고 있다.


  구조설계는 전통적으로 허용응력설계법(allowable stress design; ASD) 에 기초하여 이루어져 왔다.  그러나 근래에 이르러 신뢰성설계(reliability-based design)와 극한설계(limit state design) 등의 개념이 새롭게 대두되면서 이러한 방법들이 하중-저항계수설계법(load and resistance factor design; LRFD)으로 정립되기에 이르렀다.  그러나 아직까지 목조건축은 허용응력설계법에 의하여 구조설계가 이루어지고 있다.


(1) 허용응력설계법(ASD)


  허용응력설계법의 기본은 외력에 의하여 구조부재 또는 결합부에 발생하는 응력이 해당부재나 결합부의 허용응력보다 커지지 않도록 구조를 조정하거나 부재의 선택, 배치 등의 결정을 하는 작업을 의미한다.  ASD의 기본적인 과정은 다음과 같다:


  ① 설계하중의 결정: 하중의 종류, 임계하중 조합의 결정

  ② 부재 또는 구조에 작용하는 응력 결정

  ③ 허용응력 계산

  ④ 부재의 수종, 등급, 치수, 간격 등의 결정 : 작용응력과 허용응력의 비교

 

(2) 목구조설계기준


  현재 대한건축학회에서는 목구조설계기준을 작성하고 있으며 올해 말경에 건설교통부에 최종안을 제출할 예정이다.  이 기준도 허용응력설계법에 근거하여 작성되었으며 앞으로 모든 목구조에 대한 설계는 이에 근거하여 이루어져야 한다.  이 기준에는 경골목조건축 공법에 의하여 건축된 목구조물에 대해서는 일정 규모 이하인 경우에 구조설계를 하지 않아도 되도록 하고 있다.  이는 관례적으로 이러한 공법에 의하여 건축된 건물이 별도의 구조계산 없이 건축되어도 안전하다는 것이 입증되었기 때문이다.  목구조설계기준이 건설교통부에서 확정 및 고시된 후에는 목조주택의 구조설계가 필요한 경우에는 이를 참고하면 될 것이다.