목구조 설계: 허용응력을 만드는 열다섯 개의 보정계수와, 하중이 걸린 시간

목재의 허용응력이 하나의 값이 아닌 이유 — 기준허용응력에 하중기간·습윤·온도부터 인사이징까지 열다섯 개의 보정계수를 곱해 설계허용응력을 만드는 구조. 고정하중 0.9에서 충격하중 2.0까지 벌어지는 하중기간계수와 하중조합 적용 규칙, 젖은 상태 50~65℃에서 0.5로 내려가는 온도계수, 항복모드가 정

목구조 설계에서 재료의 허용응력은 하나의 값이 아니다. 기준이 정한 기준허용응력에 그 부재가 놓인 조건을 반영하는 보정계수들을 곱해서, 그 부재만의 설계허용응력을 만든다. 곱해야 할 계수는 표에 열다섯 가지가 올라 있다.

목재의 강도가 함수율·온도·하중이 작용한 시간·부재의 치수와 배치에 따라 달라지기 때문이다. 강재의 항복강도나 콘크리트의 설계기준압축강도처럼 재료 등급만으로 결정되지 않는다.

세 가지 상황에서 쓴다. ① 경골목구조 주택 — 규격재를 반복 배치해 벽과 바닥을 만든다. ② 구조용 집성재를 쓰는 중목구조 — 대공간과 중층 건축물에 쓰인다. ③ 전통목구조와 목조문화재 — 맞춤과 이음으로 접합한다.

이 글은 KDS 41 50 10 목구조 재료 및 허용응력, KDS 41 50 30 목구조 접합부의 설계, KDS 41 50 50 목구조 방화설계의 조문을 인용한다. 수종별 기준허용응력 표와 항복한계공식은 옮기지 않았다.

1. 설계허용응력은 곱셈으로 만들어진다

설계허용응력은 기준허용응력에 적용 가능한 모든 보정계수를 곱하여 결정한다. 〈표 3.1-6〉은 구조재와 집성재에 적용할 보정계수를 나타낸다. — KDS 41 50 10, 3.1.4.1 (1)

표 3.1-6에 올라 있는 계수는 하중기간계수, 습윤계수, 온도계수, 보안정계수, 치수계수, 부피계수, 평면사용계수, 반복부재계수, 곡률계수, 형상계수, 기둥안정계수, 전단응력계수, 좌굴강성계수, 지압면적계수, 인사이징계수다. 허용응력의 종류(휨·인장·압축·전단·섬유직각방향 압축·탄성계수)마다 곱해야 할 계수의 조합이 다르다.

전부 곱하는 것은 아니고, 조문의 주에 걸린 조건이 있다.

휨하중을 받는 집성재에는 보안정계수와 부피계수를 함께 적용하지 않고, 둘 중 작은 값을 적용한다.

치수계수는 휨하중을 받는 육안등급구조재와 원형단면 구조재에만 적용한다.

부피계수는 휨하중을 받는 집성재에만 적용한다.

반복부재계수는 휨하중을 받는 1종구조재(규격재)에만 적용한다.

반복부재계수는 조건이 구체적이다. 두께 38~89 mm 규격재를 장선·트러스 현재·서까래·스터드 등으로 쓸 때 기준허용휨응력에 1.15를 곱하는데, 그러려면 부재가 서로 접하거나 간격이 600 mm 이하이고, 개수가 셋 이상이며, 바닥이나 지붕 같은 하중분산요소로 서로 접합되어야 한다(3.1.4.14). 한 부재가 약해도 옆 부재가 나눠 받는다는 것이 근거이므로, 나눠 받을 경로가 없으면 계수도 없다.

보정의 책임 소재도 조문에 있다. "최종용도에 알맞은 기준허용응력의 보정은 책임구조기술자의 최종책임하에 수행한다"(3.1.4).

2. 하중이 오래 걸릴수록 목재는 약해진다

보정계수 중 목재에만 있는 것이 하중기간계수다.

목재는 장기하중보다 단기하중의 경우 더 큰 최대하중을 지지하는 성질을 가진다. 기준하중기간은 약 10년의 누적된 기간동안 총설계하중이 작용함으로써 부재에 설계허용응력까지의 응력을 최대로 가하는 경우에 해당한다. — KDS 41 50 10, 3.1.4.2 (1)

설계하중하중기간계수하중기간

고정하중0.9영구

활하중1.010년

적설하중1.152개월

시공하중1.257일

풍하중, 지진하중1.610분

충격하중2.0충격

표 3.1-7의 값이다. 고정하중만 걸리는 부재는 기준값의 0.9배까지만 쓰고, 지진하중이 지배하는 부재는 1.6배까지 쓴다. 같은 목재의 같은 단면인데 하중의 성격만으로 사용 가능한 강도가 1.7배 이상 벌어진다.

하중조합에 적용하는 방법도 정해져 있다.

하중조합에 대한 하중기간계수는 해당조합에서 가장 짧은 하중기간의 하중기간계수로 한다. 위험하중조합은 적용 가능한 모든 하중조합을 평가하여 결정하며, 구조부재와 접합부는 위험하중조합에 근거하여 설계한다. — KDS 41 50 10, 3.1.4.2 (2)

고정하중과 지진하중이 함께 걸리는 조합이라면 계수는 1.6이다. 다만 계수가 커진 만큼 그 조합의 하중도 크므로, 어느 조합이 지배하는지는 조합마다 계산해 봐야 알 수 있다. 한계상태설계법에서 하중조합을 모두 검토하는 것과 같은 이유이고, 목구조에서는 저항 쪽 계수까지 조합마다 달라진다는 점이 다르다.

적용하지 않는 자리도 조문에 못 박혀 있다. 탄성계수와 섬유직각방향 기준허용압축응력에는 하중기간계수를 적용하지 않는다. 변형 한계에 근거한 값이기 때문이다. 그리고 수용성 방부제나 내화제로 가압처리된 부재는 1.6 이하로만 적용하고, 접합부에는 충격에 대한 계수를 적용하지 않는다. 가설구조물은 3개월 이내인 경우 1.20을 쓸 수 있다.

3. 젖으면 깎이고, 더워도 깎인다

기준허용응력은 건조사용조건을 전제로 한 값이다. 사용함수율이 그보다 높으면 습윤계수로 깎는다(3.1.4.3). 표 3.1-8의 값은 응력의 종류와 부재 두께에 따라 0.67에서 1.0 사이에 분포한다. 같은 재료가 젖은 조건에서는 3분의 1 넘게 깎이는 항목이 있다는 뜻이다.

온도계수는 고온에 장시간 노출되는 부재에 적용한다(3.1.4.4).

사용함수율 조건35℃ 이하35~50℃50~65℃

습윤 또는 건조1.00.90.9

건조1.00.80.7

습윤1.00.70.5

표 3.1-9의 값이다. 함수율과 온도는 따로 곱해지지만 서로 얽혀 있다 — 젖은 상태로 50~65℃에 오래 놓이면 계수가 0.5까지 내려간다. 두 계수를 곱하면 설계에서 쓸 수 있는 강도는 기준값의 절반 아래가 된다.

여기서 나오는 설계 지침은 계산이 아니라 구성이다. 목재를 젖지 않게 하고 열원에서 떼어 놓으면 계수는 1.0으로 남는다. 환기와 제습, 방부·방충 처리를 규정한 KDS 41 50 40의 내구공법은 계수를 되돌려 받는 수단이기도 하다.

4. 설계의 어려움은 부재가 아니라 접합부에 있다

목재 부재는 단면과 등급으로 정리되지만, 접합부는 그렇지 않다. 기준이 접합부에만 별도의 코드(KDS 41 50 30)를 두고 못·볼트·스프리트링·전단플레이트·래그나사못·트러스플레이트를 각 절로 나눈 이유다.

단일파스너 접합부에 대한 기준허용전단내력은 접합부의 항복모드를 모형화한 항복한계공식에 근거한 것으로서 해당 수종의 모든 등급에 적용된다. — KDS 41 50 30, 4.1.2 (1)

파스너접합부의 내력은 파스너의 지압내력에 좌우되고, 그 지압내력은 항복모드에 따라 결정된다(4.2). 못이 휘면서 파괴되는지, 목재가 못 자리에서 뭉개지는지가 내력을 가른다. 강접합을 전제하고 부재만 푸는 방식이 통하지 않는 지점이다.

못접합부의 조문은 시공 규칙의 형태로 쓰여 있다.

못을 목재의 끝면에 설치하면 못뽑기하중을 받을 수 없다(4.4.2 (1)). 섬유 방향으로 박힌 못은 뽑힘에 저항하지 못하므로, 내력이 0이다.

접합 부위에 못으로 인한 현저한 할렬이 발생해서는 안 되며, 가능성이 있으면 못지름의 80%를 초과하지 않는 지름으로 미리 구멍을 뚫는다(4.4.1 (4)).

경사못박기는 부재와 약 30°의 경사각을 갖도록 하고, 부재의 끝면으로부터 못길이의 약 1/3되는 지점에서 박기 시작한다(4.4.1 (5)).

경사못접합부는 기준허용내력에 0.67의 경사못계수를 곱하며, 이 경우 습윤계수를 적용할 수 없다(4.4.2 (3)).

맞춤과 이음에는 다른 종류의 규칙이 붙는다. 맞춤 부위의 목재에는 결점이 없어야 하고 부재는 빈틈없이 밀착되어야 한다. 하중의 작용선은 접합부의 중심 또는 도심을 통과해야 하며, 그렇지 않으면 편심의 영향을 설계에 반영한다. 인장부재에 덧댐판을 대고 길이이음을 하면 덧댐판의 면적은 요구되는 접합면적의 1.5배 이상이어야 한다(4.3.1).

편심에 대한 조문은 더 강하다.

목재 내에 횡인장응력을 유발시키는 편심접합부는 적절한 시험이나 분석에 따라 작용하중을 지지하기에 충분하다는 사실이 증명된 경우에만 사용할 수 있다. — KDS 41 50 30, 4.1.1 (1)

목재는 섬유에 직각인 인장에 특히 약하다. 편심이 그 응력을 만들면 계산으로 넘어가지 못하고 시험이나 분석의 증명을 요구한다. 강구조 접합부에서 편심을 계산으로 흡수하는 것과 다른 처리다.

보정계수가 통하지 않는 경계도 정해져 있다. 접합부의 내력이 목재가 아니라 파스너의 내력에 좌우되면, 또는 목구조가 콘크리트·벽돌과 접합되어 그쪽 내력이 지배하면, 이 기준의 보정계수를 적용할 수 없다(4.1.2 (4)(5)). 목재의 성질을 반영하는 계수이므로 목재가 파괴를 지배하지 않으면 근거가 사라진다.

5. 방화설계는 피복과 화염막이로 쓴다

목구조의 방화설계는 부재를 태우지 않는 것이 아니라 정해진 시간 동안 견디게 하는 것이다. KDS 41 50 50은 「건축물의 피난·방화구조 등의 기준에 관한 규칙」 별표 1을 받아 내화시간을 정한다.

구분내화시간

외벽 내력벽1시간 ~ 3시간

외벽 비내력벽 · 연소 우려가 있는 부분1시간 ~ 1.5시간

외벽 비내력벽 · 연소 우려가 없는 부분0.5시간

내벽1시간 ~ 3시간

보 · 기둥1시간 ~ 3시간

바닥1시간 ~ 2시간

지붕틀0.5시간 ~ 1시간

표 4.1-1의 값이다. 이 시간을 확보하는 방법은 조문에서 치수와 피복으로 제시된다. 목조계단은 주요목재(디딤판, 계단옆판)가 두께 60 mm 이상이거나, 38 mm 이상 60 mm 미만이면 계단 이면과 계단옆판 외측에 두께 12.5 mm 이상의 방화석고보드를 붙여야 한다(4.1.1 (3)).

목구조 특유의 조문은 화염막이다.

내화구조 이외의 주요구조부인 벽에 있어서는 피복방화재료 내부에서의 화염전파를 방지할 수 있는 화염막이가 높이 3 m 이내마다 설치된 구조로 하여야 한다. — KDS 41 50 50, 4.1.1 (4) ②

경골목구조의 벽은 스터드 사이가 비어 있어 피복 안쪽이 굴뚝이 된다. 화염막이는 그 통로를 3 m마다 끊는 장치다. 같은 이유로 벽과 바닥·지붕의 접합부, 계단과 바닥의 접합부에도 화염막이를 설치하고(③), 피복재료의 이음은 덧댐 구조로 하며(①), 조명기구·환기구·콘센트박스가 피복을 뚫는 자리는 보강한다(④). 접합철물은 방화피복을 하거나 목재 내부에 삽입한다(⑤).

6. 정리

설계허용응력 = 기준허용응력 × 보정계수 — 표 3.1-6에 열다섯 가지가 있고, 응력의 종류마다 곱할 조합이 다르다.

하중기간계수는 목재에만 있다 — 고정하중 0.9, 활하중 1.0, 적설 1.15, 시공 1.25, 풍·지진 1.6, 충격 2.0. 하중조합에는 그 조합에서 가장 짧은 하중기간의 값을 쓴다.

탄성계수와 섬유직각방향 허용압축응력에는 하중기간계수를 적용하지 않는다. 가압처리재는 1.6 이하, 접합부에는 충격 계수를 적용하지 않는다.

습윤·온도는 곱해서 절반 아래로 내려갈 수 있다 — 습윤계수 0.67~1.0, 온도계수는 젖은 상태 50~65℃에서 0.5.

접합부 내력은 파스너의 항복모드가 정한다 — 끝면에 박은 못은 못뽑기 내력이 없고, 할렬 방지 예비구멍은 못지름의 80% 이하, 경사못은 30°·못길이 1/3 지점, 경사못계수 0.67.

횡인장응력을 만드는 편심접합부는 시험이나 분석으로 증명해야 쓴다. 파스너나 콘크리트가 내력을 지배하면 목재의 보정계수는 적용하지 않는다.

방화는 피복과 화염막이 — 목조계단 60 mm 또는 38 mm + 방화석고보드 12.5 mm, 화염막이는 높이 3 m 이내마다.

목구조 설계기준을 관통하는 것은 목재의 강도가 조건에 따라 변한다는 사실을 계수로 옮겨 놓았다는 점이다. 하중이 걸린 시간, 함수율, 온도, 부재의 치수와 배치가 각각 하나의 곱셈으로 들어온다. 그래서 목구조에서는 단면을 키우는 것보다 계수를 1.0으로 되돌리는 구성 — 물을 닿지 않게 하고, 하중분산 경로를 만들고, 접합부를 편심 없이 짜는 것 — 이 먼저 검토할 대상이다.