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[예비 건축주를 위한 패널라이징Panelizing의 이해 ⑤] 실제 사례를 통해 본 패널라이징/트러스 공법 ② - 안전한 건축물을 가능케 하는 트러스
2011년 10월 12일 (수) 16:26:11 |   지면 발행 ( 2011년 9월호 - 전체 보기 )



지난 호에 이어 이번 호에도 패널라이징/트러스를 이용한 실제 사례를 살펴보기로 한다. 지난호에는 건축 도면 검토 · 트러스(바닥장선)/내력벽 배치 계획 · 구조 기본계획 · 하중 계산에 대해 살펴봤다. 계속해서 하중계산을 좀 더 살펴보기로 한다.

조종승<리플래시기술㈜ 주택사업부 이사>

건축물에 작용하는 하중의 종류에 대해 지난 호에서 이야기했으나 이 하중이 어떤 형태로 작용하느냐에 따라 집중 하중, 등분포 하중, 등변분포 하중 등으로 나눌 수 있다.
지난 호에서 언급한 하중 계산은 주로 등분포 하중의 경우이며 구조 계산의 편리성, 건물의 안전이나 부재의 경제성 등의 이유로 보면 등분포 하중이 유리하기에 실제에서는 가급적 등분포 하중으로 추정해 계산한다. 그러나 집중 하중이 작용하는 경우도 많이 있으며, 집중 하중과 등분포 하중이 복합적으로 작용하는 경우도 많다. 즉 적재 하중 등은 등분포 하중으로 가정하나 기계 설비, 물탱크 등은 집중 하중으로 작용하는 경우가 많으며, 특히 상하부의 내력벽 위치가 일치하지 않을 때는 바닥에 엄청난 집중 하중이 작용한다는 점을 감안해야 한다.
경골 목구조 건축물은 벽체가 하중을 지탱하는 (내력)벽식 구조이므로, 건물 설계 시 가능한 위층과 아래층의 내력벽 위치가 일치해 하중 전달 경로가 명확한 것이 좋다. 그러나 예시 평면의 2층 창고 벽은 하부에 지지하는 벽체가 없으므로 그 벽체의 중량 등을 바닥에서 지지해야 한다.

기존 공법은 등분포 하중과 집중 하중이 동시에 작용할 경우 해당하는 표가 없어 난처한 상황이 발생하며, 다행히 이 경우는 벽체의 긴 부분이 장선의 방향과 일치해 두 겹의 장선(Double joist)으로 어느 정도 해결할 수 있으나 짧은 부분은 장선에 집중 하중이 작용해 블로킹Blocking 등의 미봉책 밖에 없는 상황이다.
하지만 트러스는 집중 하중과 등분포 하중이 동시에 작용하는 것을 고려한 구조 계산을 함으로써 건축물 실정에 맞는 부재 선택과 보강을 통해 안전한 건축물을 가능하게 한다.

하중 조건 입력
하중 계산표 및 법규, 계산식 등에 의해 하중이 산출되면 이를 전용 프로그램의 각 항목에 입력한다. 적용 법규, 적용 하중, 풍속, 적설량, 처짐량, 하중 작용 기간, 온도, 습도 등의 여러 사항을 입력하면 프로그램에서는 법규에 의한 각 하중의 조합 및 계수 중에서 가장 불리한 경우를 채택해 구조 계산을 한다. 즉 가장 악조건에서도 건축물이 안전할 수 있도록 계산하는 것이라 하겠다.

구조 계산을 할 때 정확한 하중 계산과 하중 조건의 입력은 대단히 중요한 사항이다. 아무리 좋고 정확한 구조 계산 전용 프로그램이라 하더라도 그 입력 자료와 프로그램 운용이 정확하지 않으면 오히려 더 위험한 결과를 초래할 수 있다. 따라서 건축에 대한 전문 지식과 프로그램에 대한 운용교육을 제대로 갖춘 기술력이 있는 지를 확인해야 한다.

전용 프로그램 구동
하중 계산이나 하중 조건의 입력이라는 복잡하고 중요한 과정에 비해 전용 프로그램의 구동은 상당히 간단하고 기계적인 과정이다. 여기서는 벽체나 트러스 부품의 접합 방법이나 절단 각도, 제작 및 설치의 편의를 위한 세부적사항을 선택, 입력해 작성한다.
특히 욕실이나 현관 등과 같이 바닥 높이가 낮아지는 부분, 장식을 위해 천장 높이가 변화하는 부분 등을 트러스에서 미리 반영해 제작하므로, 후속 마감 공사의 편의와 경제성을 구조적으로 안전하게 확보할 수 있다.
일부 기존 공법 시공자의 경우, 바닥을 낮추고자 장선 윗부분을 깎아 내는 사례도 있는데 이는 깎아낸 부분에 응력 집중이 발생해 구조적으로 안전하지 않다. 또 기존 공법에서는 장식 천장을 위해 별도의 천장틀을 설치해야 함으로써 추가비용의 발생과 공사기간이 증가하게 된다.

그러나 트러스 공법을 사용하면 단순 골조 비용은 다소 증가하나 마감공사의 바탕 작업, 중복 작업을 감소시킴으로써 전체 공사비를 절감하고, 구조적으로 안전한 건물을 시공할 수 있다.

산출 부재 검토/수정
전용 프로그램을 가동해 기본적으로 산출한 부재를 검토, 보완, 수정하는 과정이다. 형태적으로 제작, 시공에서 개선 사항이나 문제점이 없는지, 구조적으로는 허용하중을 초과하는 부재가 없는 지를 검토한다.

CSI(Combined Stress Index)라는 지표가중요하다. 어떤 부재가지탱 할 수 있는 하중 이상의 외력이 작용하는 부위는 CSI계수가 1 이상이 되며, 이 부위는 빨간색으로 표시돼 경고를 한다. 빨간색으로 표시된 부위는 이론상으로 설계 하중이 가해질 경우 그 부위가 파괴된다는 것을 의미한다. 따라서 이러한 부위만 보강을 하거나 결구 방법 등을 바꿔 줌으로 부재 허용 강도 이하가 되게 해 안전하고 경제적인 구조 설계가 가능하다.

3D 검토/수정
부재의 검토 및 수정 작업이 완료되면 이를 컴퓨터에서 입체 가상 조립(3D Simulation) 해 본다. 이는 산출한 부재를 실제 시공과 마찬가지로 컴퓨터로 조립해 봄으로써 치수나 형태가 어긋남 없이 잘 맞는가를 확인하는 과정이다.
패널라이징/트러스의 장점 중 하나는 현장의 빠른 시공 속도인데, 몇 ㎜ 안 되는 부재 간의 사소한 오차일지라도 결합이 안 돼 현장 속도와 공사 비용에 지대한 영향을 주므로 3D 검토/수정 작업은 아주 중요한 과정이다.

또한 이 과정에서는 단순히 부재 간의 결합 사항의 검토뿐 아니라, 건물의 윤곽을 입체적으로 볼 수 있으므로 건물의 기능과 마감 상의 오류나 문제점을 사전에 발견해 보완 할 수 있는 부수적 효과도 있다.

도면 출력/검토/승인
이러한 모든 과정을 거친 내용을 실제 도면으로 출력한다. 도면은 크게 두 가지로 나뉜다. 하나는 부재에 적용되는 하중 및 적용 조건, 응력, 반력 등의 전문적 기술 사항이 표기된 엔지니어링 도면으로 이는 관공서 제출, 기술 검토, 협의 및 승인 등의 대외적/기술적 업무에 사용되며, 다른 하나는 제작 및 생산에 필요한 도면으로 대내적/실제적 업무에 사용되는 도면이다.
제작용 도면에는 각 트러스마다 조립 형태, 부품의 크기, 절단 각도, 연결철물, 부재번호, 개수 등이 표기돼 있다.

생산
제작용 도면에 따라 각 부품을 소요 수량에 맞추어 절단하고 가공한다. 하나의 건물에 소요되는 부재의 종류는 벽체의 경우 수십 가지가 되며, 이에 따르는 부품 수는 수백 가지에 달한다. 또한 트러스의 종류도 수십 가지가 되며 그 부품 수는 천 단위를 넘어 이를 구분해 가공, 분류, 보관, 제작하는 작업 또한 쉬운 일이 아니다.
따라서 당사는 제작도면을 내부 네트워크로 자동화 생산기기에 직접 입력해 절단/가공함으로써, 수동 입력에 의한 오류와 혼선을 방지하고 생산성을 향상하고 있다. 또한 부재의 절단/가공과 동시에 각 부품에 제품번호를 자동으로 인쇄함으로써 정확한 생산관리를 추구하고 있다.
벽체 제작에는 정확한 못 박기 위치와 개수, 간격의 유지가 매우 중요하다. 이는 매우 단순하고 반복적인 일이나 건축물 전체의 구조 내력을 좌우하는 중요한 일이다. 벽 패널 하나에도 수백 개의 못이 사용되며, 그 각각이 제 위치에 정확하게 박혀 있어야 한다. 물론 못 박기 규정은 실제 시공 과정에서의 오류를 감안한 여유치가 있다 하더라도 시공자의 기본은 원칙을 지키는 것이라 하겠다.
현장에서 이러한 사항을 일일이 관리하기에는 어려움이 많을 것이며, 그 위치가 높거나 접근하기 힘든 곳은 품질 관리가 더욱 어려울 것이다.
공장에서는 상대적으로 못 박기의 품질 관리가 용이하고 그 수정 및 보완이 쉽다. 특히 당사는 건물의 횡력을 크게 지탱하는 OSB판재의 부착에는 자동으로 일정 간격 못 박기를 하는 기계를 사용함으로써 구조 안전 및 품질의 향상을 추구하고 있다.

출하/운반
제작이 완료된 패널과 트러스는 시공 순서에 맞춰 출하된다. 패널은 전용 운반용구(Rack)를 이용해 출하 및 상차돼 현장에서 간편하게 하차/설치할 수 있도록 한다. 트러스는 같은 종류별로 함께 묶어 운반 시 발생할 수 있는 횡력과 변형에 견딜 수 있게 한다. 생산된 패널이나 트러스는 고가의 제품이므로 운반 및 취급 시 사전교육 및 주의가 필요하다.
제품의 운반에는 적재 높이와 폭, 길이 등이 제반 도로교통법규에 적합하도록 미리 검토해 필요한 조치를 한다.

설치/시공
제품의 설치에는 크레인 등 양중 장비와 전용의 양중 도구를 사용한다. 제품 설치 순서와 위치를 사전에 숙지해 시공 능률을 높이도록 한다.
또한 장비의 작동 범위, 최대 양중 무게, 작업 동선 등을 확인해야 하며 제품의 임시 보관 장소 등을 확보해야 한다. 모든 건축물의 기본은 수직, 수평, 평활성이다. 기본적으로 목구조 건물의 부재는 평탄성이 보장돼 있으므로 각 부재간의 수직, 수평에 유의하도록 한다.
특히 주의할 사항은 접합부 시공이다. 접합부 강도가 건물 전체의 강도를 좌우하므로 못의 개수나 시공 상태 등을 사전에 잘 숙지하고 현장에서 확인에 각별히 유의한다. 못의 힘만으로 부족한 곳은 띠쇠 등의 보강철물을 사용하고 그 접합부위를 보강해 일체화한다.
또한 트러스는 집중 하중을 분산하고 건물 전체의 강성을 높이는 스트롱백Strong-back 및 가새의 위치 및 설치에 각별히 유의해 빠짐없도록 한다. 가새 및 스트롱백은 건축물을 일체화해 지진, 태풍 및 바닥 처짐 등에 대해 매우 강하고 효율적인 구조를 형성한다. 지붕과 벽체의 연결부위는 보강철물(Hurricane tie 등)을 사용해 일체화한다.
보강 철물은 적은 비용으로 건축물의 구조 내력을 증진하는 효율적 방법으로 누락된 부위가 없도록 주의한다. 다만 잔손이 많이 가므로 정성과 관심을 가지고 시공한다.
접합부와 보강 철물의 시공의 완료 후, 전반적인 점검과 손상 부위 보수를 해 골조공사를 마무리한다.

> 바로잡습니다
지난 호에 기술한 내용 중 오해의 소지가 있어 바로잡습니다.
198p.제목에서 '지진보다 바람에 더 취약한 목구조 건물'은 '지진보다는 바람을 더 고려해야 하는 목구조 건물'이 옳습니다. 목구조는 가볍고 횡력에 강하여 내진, 내풍 성능이 좋습니다. 지진이 많은 일본에서도 목구조가 애용되는 이유 중의 하나입니다.
198p. '일일이 구조 계산 등을 해야 하는 소규모 건축물에 비해 복잡한 절차와 비용을 생략하도록 사용하기 간편한 표 등으로 구조계산을 대체한 것이 패널라이징/트러스 공법이다'는 '원칙적으로 일일이 구조계산 등을 해야 하는 소규모 건축물에 대해 복잡한 절차와 비용을 생략하도록 사용하기 간편한 표 등으로 구조 계산을 대체한 것이 기존 공법이다'가 옳습니다.

> 연재를 마치며
이상으로 간략하게나마 패널라이징 및 트러스 공법에 대해 알아봤다. 표현이 부족하거나 복잡한 부분이 많이 있으나, 목구조 건축 전반의 품질 및 인식 개선에 대해 작은 보탬이 될까 하는 정성으로 양해해 주었으면 한다. 간편하고 눈으로 보아 그 내용을 쉽게 이해할 수 있다는 것이 목구조 건축물의 큰 장점이지만, 그러하기에 기본적인 내용 검토도 없이 주먹구구로 지어지는 건축물이 단 한 채도 없기를 바라는 마음이다.
건축물 안전이나 내구성 강화에 대해서는 누구도 반대가 없으나 막상 비용의 문제가 나오면 편법을 추구하는 현실이 빨리 종식됐으면 하는 간절한 바람이다.
전체 건축비의 대부분은 최종적으로 나타나는 마감재의 비용이다. 누구나 자신의 건축물이 튼튼하게 오래가기를 원하지만, 완성 후 눈에 띄지 않는다는 이유로 전체 건축비의 20% 정도밖에 차지하지 않으면서 건축물 수명과 안전에 매우 중요한 목골조를 비용 문제로 투자하기를 꺼린다면 이는 부질없는 일일 것이며 외화내빈의 우를 범하는 것이라 하겠다.
설령 기꺼이 투자할 의지가 있다 하더라도 관련 지식이 있어야 효율적인 투자가 될 것이라는 생각에 두서없이 쓴 내용을 끈기로 읽어 준 독자 여러분에게 감사드리며 친환경적이고 경제적이며 여러 가지 장점이 많은 목구조 건축의 건전한 풍토가 조속히 정착되기를 간절히 바라며 연재를 마친다. 감사합니다.

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