1. 서론

목재 건축물은 시공비용 최소화와 시공 시 탄소발생을 억제하는 것이 가능하다. 주로 거주목적의 십자벽체의 고층건물은 각 구조부재들이 매우 적은 응력을 받게 되어 있다. 벽체와 바닥판은 층간소음이 방지되어 있으며, 온도변화에 효율적으로 부재계획이 되어 있고, 여러 외부하중에 견딜 수 있도록 계획되어 있다. 이 기고문은 런던 동쪽 중심부의 합판으로 시공된 9층 규모의 아파트 건물의 설계 및 시공에 대해 설명하며, 향후 목재건물의 고층화에 따른 풀어야 할 문제점 등을 고찰하고, 30층 규모의 목재건물의 기본계획을 제시한다.

 

                                                   < 그림 1. Stadthaus 의 외부 전경 >

 

2. 합판 목재

Murray Grove시의 Stadthaus 아파트는 KLH UK 회사의 개발품인 목재를 가지고 벽체와 바닥판을 시공하였다. 건축계획은 Waugh Thisleton, 구조설계는 Techniker 사가 담당하였다. 이 제품은 원목 전나무 판을 직교형태로 붙인 후 약 60 ron/m² 의 하중으로 접착시켜 만든 합판이다. 빌딩 건축 재료로서의 이 합판은 습기에 의한 변위를 제거하고, 일반 목재에 비해 강도를 향상시켰다. 운송 가능한 최대크기의 목재 합판은 2.95m x 16.6m x 0.32m 이고 이를 생산하기 위해 전용 제작공장이 가설되었다. 이 합판은 최대 무게가 15 ton에 이르나 이 정도의 무게는 일반적인 시공 크레인으로 운용이 가능하다. 이 합판들은 마치 카드 집이나 접어놓은 종이등과 같이 상호 지지하는 형태로 배열이 된다. 이 합판들의 연결부는 힘을 분산시키기 위해 경량금속을 사용하여 가능한 한 간단한 형태로 제작한다.

 

3. Stadthaus 소개

이 아파트 빌딩은 총 9개의 층으로 되어 있고, 각 층별로 1~3 개의 침실이 있는 주거공간을 제공하고 있다. 모든 수직하중 및 수평하중을 지지하는 부재는 목재로 되어 있는 벽체와 수직벽 으로서 이러한 구조를 통해 목재 빌딩으로서는 최고층을 자랑하고 있다. (그림 1, 2 참조) 기초는 선행 굴착 현장타설 말뚝 기초로서 기초의 직경은 등 단면의 철근콘크리트 구조물의 하중을 지지할 수 있도록 계획되었는데 그 이유는 시공 중 구조형식의 전환이 가능하도록 하기 위함이었다. 지상 1 층 역시 좀 더 개방된 공간을 부여하기 위하여 철근콘크리트 구조로 계획되었다. 지상 2층 부터는 모든 공간의 구조재료가 합판으로 구성되어 있다. 엘리베이터 공간과 계단부는 빌딩 구조에서 별도의 독립된 구조로 계획되어 있어 빌딩의 수평방향 강성을 부담하는 전단벽체와 건물 주변벽과 격리되어 있다. 공사현장은 2 곳에서만 접근 가능하도록 나머지는 외부와 차단되었고 시공 중 타워크레인은 초기에 일시적으로만 사용된다. 일단 기초와 1층 구조물이 시공되면 작업현장은 정리된 후 오스트리아의 공장으로부터 합판이 트럭 운송되어 현장에 반입된다. 합판은 현장에 도착한 후 바로 설치되는 데 일반적으로 3일에 1층 정도의 속도로 시공된다. 시공 팀은 4명의 목수기술자로 편성된다. 이 작업 시 현장은 안전하고 깨끗한 환경이 유지된다. 빗물 차단막과 창문은 외부 비계를 통해 설치되며 외벽과 처마구조는 바로 가설이 가능하도록 간단한 구조로 되어 있다.

 

< 그림 2, 구조물의 컴퓨터 이미지 >

 

4. 일반적인 설계 고려사항

많은 종류의 빌딩들 ; 주택, 학교, 스포츠센터 및 호텔들이 중량 목재를 이용하여 시공되고 있으며 이때 적용하는 목재의 시공방법은 이 빌딩에서 적용했던 방법을 이용하여 시공되고 있다. 저층 빌딩, 즉 5,6 층 이내의 빌딩은 일반적으로 상부의 슬래브에 직각으로 배치된 교차벽체를 포함한 플랫폼 시공으로 구성된다. 상부 층은 하부의 수평 합판의 측면여분의 부재에 의해 지지된다. 대부분의 연결부는 긴 나사못이나 소형나사못과 앵글 브래킷 또는 연결판 조합으로 시공된다. 5가지의 중요 설계 문제점은 실제 크기의 모형을 통해 해결하였다.

 

 

< 그림 3. 긴급 재난시의지지 계획 >

 

1) 화재

이러한 빌딩의 목재재료의 연소주기는 화재저항성과 연관되어 있다. 목재의 단면은 사고 발생 시 점차적으로 손실되는 것을 감안하여 설계되고, 충분한 추가 재료들이 화재가 진압될 때 까지 시간을 벌어주도록 포함된다. 일반적인 연소 주기는 여러 가지 다양한 경로를 통해 실험되고 규정되었다. 합판면의 조밀한 나뭇결을 가진 합판은 화재저항성을 현저히 강화시켜준다. 주거 빌딩의 화재 저항성은 1시간 아파트구조 기준과 2시간의 아파트 수직순환 기준의 중간인 1시간 30분의 화재 저항성을 갖도록 해야 한다.

 

2) 강건도

합판 빌딩구조는 순차적인 붕괴의 가능성이 상존한다. 즉, 한 부재가 유실되면 하중이 분배되고, 유실된 부재의 하중이 하부로 전달되어 또 다른 파괴를 불러온다. 이 빌딩의 설계 시 중요하게 고려된 사항중 하나는 이러한 목재구조의 강도 확보를 보장할 수 있는 장치의 설계이다. 이 부분에 대한 연구는 현재도 계속 수행되고 있다.

영국에서는 6층 이상의 목조 빌딩에 대한 대규모의 구조물 붕괴를 방지하기 위한 설계지침을 BRE에서 개발하여 규정하고 있다.

현재 EU의 동일사항에 대한 규정은

 

< 그림 4. 지지부에서의 연결체 보강 >

 

없는 상태이며, 다만 TRADA 와 TFA에서 충격하중 7.5KN/m² 및 1개의 바닥패널 또는 벽체의 제거 시에 대한 실제적인 한계상태에 대한 규정을 논의 중이다.

 

이러한 규정들은 다른 방향의 설계접근을 필요로 한다. 요소간의 결합은 예상할 수 있는 사고, 발파하중 및 예기치 못한 충격에 대비한 충분한 저항성을 갖도록 보강되어야 한다.

당사가 선호하는 방법은 평면계획을 분석하여 모든 부재가 여러 가지 가능한 하중경로 발생 시 안전성을 확보하도록 하는 방법이다.

 

따라서 당사는 “효율적 여유구조물” 개념을 적용하는데, 즉 모든 바닥판 슬래브 설계 시 양쪽 방향의 힘에 대한 설계 강성 확보 또는 한 쪽 지지점이 제거되었을 때의 켄틸레버 응력을 지지할 수 있도록 설계하는 것이다. 바닥판과 벽체간의 연결은 단순한 “기성품” 브라켓과 나사를 사용하여 효율적인 연결을 확보한다. 직교형태로 가공되어 내재적인 충분한 강성을 보유한 합판은 벽체의 지지조건이 변경되었을 때도 충분한 안전성의 여유를 갖도록 한다.

 

Stadthaus 아파트 구조물은 4가지의 다른 손상 시나리오를 대비하여 설계되었다. 이러한 여러 가지 부재들이 제거되었을 경우 대체 하중경로가 그림에 표시되어 있다. (그림 3)

 

3) 강도

벽체의 교차점, 바닥판 및 벽체의 하부는 “약한 연결부” 체계이다. 목재 바닥판 패널의 나뭇결 방향의 강도는 24N/mm² 인데 반해 직교 방향의 강도는 2.7N/mm² 에 불과하다. 이러한 위치에 배치된 나사못 및 못은 하중 집중을 완화 시킨다.

 

4) 변위

변위조절은 목재 고층빌딩 구조개발의 가장 큰 제약조건 이다. 공학적으로 가공된 목재 구조재료는 콘크리트나 강재와 비슷한 규모의 변위특성을 보여준다.

합판부재의 장기 크리프 거동은 합판의 두께 방향으로는 거의 무시할 만한 크기이고, 나뭇결 방향으로는 1% 미만의 수치를 나타낸다. 마찬가지로 습기에 대한 영향 역시 두께 방향으로는 무시될 만큼 작고 나뭇결의 직교방향으로 2% 미만의 수치를 나타낸다. 온도 팽창계수는 34 x 10E-6 으로 강재에 비해 3배 정도로 크며 선형적으로 증가한다.

 

5) 방음

합판으로 제작된 전체 구조물은 무조건 경량구조라고 판단할 수 없지만 적절한 성능수준을 만족시키기 위해서는 어느 정도의 분리 구조계획은 필요하다. 분리 벽을 가로질러서 9mm 두께의 두꺼운 플라스터보드를 양면에 2열씩 추가하는 것으로 건축규정 Part E 요구조건 즉 외측에 1cm의 공기층을 만드는 것을 만족시킬 수 있다. 층간에는 방음 층이 형성되어야 하며, 계단과 엘리베이터 코어에는 4cm의 공기층을 포함하는 이중 벽체의 시공이 필요하다.

 

목재 건축물의 시공비용은 일반적으로 동일규모의 철근 콘크리트 건축물의 공사비 대비 약 10-20% 정도 많은 비용이 소요된다. 그러나 이러한 공사비 차이를 상쇄할 수 있는 시공단계에서의 몇 가지 방법들이 있다. 합판들은 시공 시 트럭으로 현장에 도착한다. 이 재료들은 현장 도착 시 바로 시공되어 적재, 폐기물처리 및 부식 등의 우려가 없다. 따라서 현장은 항상 말끔하고 깨끗하게 유지될 수 있다. 그리고 시공은 반복적이고 안전하게 진행된다. 또한 시공기간은 다른 구조에 대비하여 약 30% 정도 감소되어 인력투입 비용을 줄일 수 있으며, 추가적으로 목재에서 얻을 수 있는 단순함과 안락함을 얻을 수 있는 장점이 있다. 시공 시 발생하는 오류는 현장에서 바로 쉽게 수정이 용이하다. 그리고 노출된 목재의 열 복사능 수치는 0.87 로 매우 우수하다.

 

5. 초고층빌딩 설계 시 고려사항

이론적 또는 실제적으로 이러한 목재 빌딩의 한계는 얼마인가? 추가 연구사항은 무엇인가? 목재의 강도에 대한 추가적인 연구가 필요하다. 동등한 성능을 보장하는 가정 하에서 연결부재의 구조 단순화와 재료 및 물량의 최적화가 필요하다. 또한 목재의 탄성과 상대적인 연성이 향후 초고층 건물의 건설에서 중요한 고려 요소가 된다. 만일 현재 적용하고 있는 단순 플랫폼 형식을 도입할 경우 경제적인 벽체두께를 사용하여 15층 까지 시공이 가능하며, 지지층에 보강을 도입할 경우 2개 내지 3개 층을 더 올릴 수 있다. 다음 (표 5) 에 건물 높이의 증가에 따른 구조물의 중량 수치가 나타나 있다.

 

 

< 그림 5. 구조물 중량/바닥 면적 >

 

Techniker사는 건물의 연속적인 수직하중 전달 경로를 생성하기 위한 벽체와 바닥판을 서로 교차 연결하는 통합 구조연결방안을 제안하였다. (그림 6)

 

 

< 그림 6. 개선된 연결부 >

 

인장연결부 및 지지부 상세는 몇 가지 방법으로 개선될 수 있다.

강성목재가 도입될 수 있으며 이 경우 건물의 설계는 (그림 5) 에 나타나 있는 부재의 P/Delta 효과가 벽체의 두께를 지배하는 영역으로 진입하게 되며 따라서 공사비도 영향을 받게 된다. 받침부의 연결 못에 대한 보강 역시 건물의 내력을 증가시킬 수 있다. 건물의 강도를 증가시키고 추가 적인 하중을 전달할 수 있도록 측면 판을 배치할 수 있다. 그러나 이러한 사항들은 매우 비용이 많이 소요된다.

 

현재 사용되는 재료를 이용하면 경제적인 벽체 두께를 이용하여 25층 높이의 건물을 설계할 수 있다. 이 경우에는 P/Delta 효과가 매우 중요한 사항으로 부각된다. 고층건물의 수평방향 축 이동시 건물의 복원시키려 하는 힘에 대해서는 추가적인 강성이 필요하다. 영계수가 12,000 N/mm² 근방의 합판부재는 철근 콘크리트 부재 보다 약 3배 정도 유연성을 가진다. 따라서 단순 외벽과 중심 코어를 가진 아파트 건물의 추가적인 벽체 강성은 (그림 7) 에 나타나 있는 바와 같다.

 

 

< 그림 7. 고층건물의 P/Delta 효과 >

 

특별한 외형과 상세설계를 통해 목재 건물을 재료의 사용을 경제적으로 하면서 더 높은 층수와 가치를 갖도록 할 수 있다. 1970년대 초반 이후로 북미의 기술자들 특히, Fazlur Khan, Leslie Robertson 그리고 William Lemessurier 등이 일반적인 설계개념 하에서 초고층 빌딩의 설계를 계속 발전시켜 왔다. Mega-frame 및 다발 튜브 구조 등의 개념들이 이러한 경향으로 이해 수립되었다.

 

원형 벽체를 포함한 격실 시공에 대해서는 튜브와 묶음 튜브에 대한 개념이 적용된다. 이 개념은 구조물을 방사형으로 확장시킨 후에 수평강성 및 비틀림 강성을 최대화 시키는 마감을 계획하는 방식이다. 이 때 수직 환기에 대한 규정을 적용하면 외측면의 개방공간에 대한 일반 구조단위의 선택에 대한 어느 정도의 여유를 가질 수 있다.

 

25층 이상에서는 철근 콘크리트 코어를 도입하면 평면계획상 확장을 하지 않고도 일반적인 보강재 도입으로 가능하다. 건물의 외곽 면은 간단한 수직하중 전달부재를 이용하여 개방 시킬 수 있다.(그림 9) 상세설계를 통해 합판부재의 각 층에서 발생하는 수축문제를 해결할 수 있다.(그림 10) 중심코어와 외측 부재와의 거동 차이는 시간이력해석과 하중 전달체계로 모사하여 해결이 가능하다. 수직 구조계획은 각 층에서 지지하는 하중을 감안하여 계획이 가능하다. (그림 11) 요약하면 재료선택의 기본개념은 가능한 기존의 있는 그대로의 시공방법 및 단순한 상세를 적용하는 것이며 그 저면의 설계개념은 대중적이고, 단순하며 고귀한 풍미의 건물을 시공하는 것이다. 이러한 접근방법에는 아직 많은 개발 분야가 상존하고 있다.

 

 

<그림 8. A 30층 목재 빌딩의 전경 >

 

 

< 그림 9 A 30층 목재 빌딩의 평면 >

 

 

< 그림 10. A 30층 빌딩의 시공 상세도 >

 

 

< 그림 11. A30 층 빌딩의 수직 구조계획 >

 

< 그림 12 목재 골조 빌딩 >

 

▣ 원문제목 : Tall Timber Buildings