전통목구조: 부재 이름마다 구조 모델이 있고, 지붕이 가벼워지면 접합부를 따로 잡아야 한다

전통목구조 설계기준은 전통 부재의 이름마다 구조 모델을 지정한다. 우미량은 가새로, 추녀는 내민보로, 충량은 집중하중을 받는 경사진 보로 설계한다. 목수의 어휘를 구조해석의 어휘로 옮겨 놓은 것이 이 기준의 4장이다.

그리고 마지막 절에 이 구조의 핵심이 있다 — 지붕이 가벼워지면 접합부의 강성을 따로 확보해야 한다. 무거운 기와지붕이 결구부를 눌러 회전강성을 만들어 왔기 때문이다.

세 가지 상황에서 쓴다. ① 문화재 보수와 복원 — 기존 가구를 구조적으로 평가해야 한다. ② 신축 한옥 — 전통 가구형식에 현대적 기초와 철물이 섞인다. ③ 경량 지붕을 적용한 한옥 — 전통 상세가 전제한 조건이 사라진 경우다.

이 글은 KDS 41 50 60 목구조 전통목구조의 조문을 인용한다. 부재의 허용응력 산정은 목구조 설계기준을 따른다.

1. 부재 이름마다 구조 모델이 지정된다

4.1은 부재별로 어떻게 거동하는 것으로 보고 설계할지를 규정한다.

부재지정된 구조 모델

기둥축력뿐 아니라 보·도리에서 전달되는 일방향 또는 이방향 휨모멘트도 고려

공포전체적인 힘의 전달과정을 고려해 몇 개의 부재로 단순화하여 적용 가능

대들보 · 중보 · 종보기둥과의 접합부 모멘트 저항능력에 따라 단순보 또는 반강접합된 보

툇보위에 수직부재가 없으면 축력으로 수평하중을 전달, 있으면 축력과 휨을 함께

충량외기도리를 통해 지붕하중을 받는 집중하중을 받는 경사진 보

우미량측벽에서 가새 역할을 하여 종방향 횡강성을 확보 — 주로 축력을 받는 가새

귓보추녀를 받치고 외기도리를 지지하는 집중하중을 받는 보

귀접이보평면적 뒤틀림을 막는 수평가새 — 창방 등과 분리되지 않도록 긴결

도리서까래에서 오는 지붕하중을 받는 분산된 집중하중 또는 분포하중을 받는 보

장여도리로부터 수직하중을 전달받는 분포하중을 받는 보

추녀분포하중을 받는 내민보 — 주심도리 부근에서 최대 부모멘트

서까래 (단연 · 중연)단순보로 거동하여 전체적으로 정모멘트

서까래 (연목 · 장연)내민보로 거동하여 전체적으로 부모멘트

우미량을 가새로 규정한 것이 특히 눈에 띈다. 우미량은 소꼬리처럼 휘어 오른 부재로 보통 조형 요소로 이해되지만, 기준은 이것이 "건물의 측벽에서 일종의 가새 역할을 하여 전체 가구의 종방향 횡강성을 확보하는 역할"을 한다고 보고 축력을 받는 가새로 설계하게 한다(4.1.10).

귀접이보도 수평가새다 — "건축물이 평면적으로 뒤틀리는 것을 막아주는 수평가새 역할을 하기 위해서는 걸쳐 놓여진 창방 등의 부재와 분리되지 않도록 충분히 긴결시켜야 한다"(4.1.11 (2)). 모서리를 가로지르는 짧은 부재 하나가 비틀림을 막는 요소로 지정된 것이다.

2. 겹쳐 놓인 두 부재는 붙었는지로 갈린다

창방과 평방, 도리와 장여는 위아래로 겹쳐 놓인 두 부재다. 기준은 이 둘을 두 가지 경우로 나눈다.

평방과 창방 사이에 전단연결재가 없어 수평 미끄러짐이 생기는 경우, 두 개의 부재는 수직하중에 대해 각각의 휨강성에 따라 수직하중을 분담하는 수평 겹침부재로 설계한다.평방과 창방이 연정이나 장부 등과 같은 전단연결재로 긴결되어 수평 미끄러짐이 없거나, 처음부터 하나의 부재로 제작된 경우, 두 개의 부재는 전체 휨강성으로 수직하중을 저항하는 하나의 부재로 설계한다. — KDS 41 50 60, 4.1.12

평방과 창방 사이에 전단연결재가 없어 수평 미끄러짐이 생기는 경우, 두 개의 부재는 수직하중에 대해 각각의 휨강성에 따라 수직하중을 분담하는 수평 겹침부재로 설계한다.평방과 창방이 연정이나 장부 등과 같은 전단연결재로 긴결되어 수평 미끄러짐이 없거나, 처음부터 하나의 부재로 제작된 경우, 두 개의 부재는 전체 휨강성으로 수직하중을 저항하는 하나의 부재로 설계한다. — KDS 41 50 60, 4.1.12

같은 규정이 도리와 장여에도 그대로 적용된다(4.1.13). 전단연결재가 있느냐 없느냐가 강성을 크게 바꾼다 — 두 부재가 따로 휘면 각각의 휨강성을 더한 값이지만, 하나로 붙으면 전체 춤에 대한 휨강성이 되어 훨씬 커진다.

이것은 강-콘크리트 합성보에서 전단스터드가 있느냐 없느냐가 합성작용을 가르는 것과 정확히 같은 문제다. 재료와 시대가 다를 뿐, 연정과 장부가 전단연결재의 역할을 한다.

3. 걸침길이가 깊이보다 길어야 한다

추녀와 장연에는 같은 형태의 조건이 붙는다.

추녀 — "일반적으로 추녀 걸침길이는 추녀깊이보다 길게 해야 한다. 만약 걸침길이가 깊이보다 짧은 경우에는 추녀 뒤 뿌리 들림이 발생할 수 있으므로 이에 저항할 수 있도록 해야 한다"(4.1.14 (2)).

장연 — "일반적으로 장연은 처마 걸침길이를 처마깊이보다 길게 해야 한다. 만약 짧은 경우에는 장연 뒤 뿌리 들림이 발생할 수 있으므로 이에 저항할 수 있도록 해야 한다"(4.1.15 (3)).

내민보의 뒤뿌리가 들린다는 것은 지지점 반대쪽에 누르는 무게가 부족하다는 뜻이다. 처마가 깊을수록 안쪽으로 더 길게 걸쳐 놓아야 균형이 맞는다. 전통 건축의 깊은 처마가 가능했던 이유가 이 균형이고, 처마를 더 내밀면 지붕 안쪽의 하중으로 눌러야 한다.

추녀에는 손상 위치까지 명시된다 — "주심도리 부근에서 가장 큰 부모멘트를 받고 대부분의 구조적 손상도 이곳에서 발생하므로 구조설계 시 이를 충분히 고려해야 한다"(4.1.14 (1)). 조문이 어디가 먼저 상하는지를 알려 주는 셈이다.

4. 초석 위에 얹힌 기둥을 미끄러지지 않게 한다

전통목구조의 기둥은 초석에 얹혀 있을 뿐인 경우가 많다. 4.1.4는 이 접점을 다섯 항으로 규정한다.

기둥은 초석에 단순히 얹히는 방식 또는 철물 등으로 고정하는 방식을 적용할 수 있다.

수평하중 작용 시 초석 위에서 기둥이 수평으로 미끄러지지 않도록 해야 한다.

특히 다층 건축물에서는 수평하중에 따른 건축물의 전체적인 전도를 막기 위한 방안을 강구해야 한다.

초석 하부는 바닥슬래브, 기단 또는 기초와 연결하여 초석이 수평으로 미끄러지지 않도록 해야 한다.

설계 시 초석과 기둥 간의 마찰력 또는 고정장치를 고려할 수 있다.

미끄러짐을 두 층위에서 막는다는 점이 핵심이다. 기둥이 초석 위에서 미끄러지는 것과, 초석 자체가 기단 위에서 미끄러지는 것을 각각 규정한다. 그리고 저항 방법으로 마찰력을 인정한다 — 무거운 지붕이 기둥을 눌러 만드는 마찰이 실제 저항 요소라는 뜻이다.

기초는 현대 기준을 따른다 — "기초는 지반을 평평하고 단단하게 다지는 지정을 한 후 그 위에 설치"하고, "건설 지역의 동결심도를 고려하여 안전하게 설치"하며, "전통적인 방식이나 현대적인 방식 모두 적용할 수 있다"(4.1.2). 기단과 초석에도 같은 문장이 반복된다.

5. 지붕이 가벼워지면 접합부를 따로 잡아야 한다

4.4는 내진성능 확보를 위한 구조계획을 두 항으로 정리한다.

① 기둥과 보 등의 기본적인 골조뿐만 아니라 인방으로 보강된 벽체가 수평하중에 저항하는 역할을 하므로 횡강성 평가 시 이를 반영할 수 있다.② 경량화된 지붕구조 적용 시에는 접합부의 강성을 확보하기 위한 별도의 조치가 필요하다. — KDS 41 50 60, 4.4 (1)

① 기둥과 보 등의 기본적인 골조뿐만 아니라 인방으로 보강된 벽체가 수평하중에 저항하는 역할을 하므로 횡강성 평가 시 이를 반영할 수 있다.② 경량화된 지붕구조 적용 시에는 접합부의 강성을 확보하기 위한 별도의 조치가 필요하다. — KDS 41 50 60, 4.4 (1)

두 번째 항이 이 기준에서 가장 중요한 문장이다. 전통목구조의 결구부는 못이나 볼트가 아니라 끼워 맞춘 맞춤이고, 그 접합부의 회전강성은 위에서 누르는 무게에 크게 의존한다. 4.1.18도 같은 말을 한다 — "전통목구조의 구조설계 시에는 지붕 무게에 따른 결구부위의 회전강성을 평가하여 반영할 수 있다".

즉 무거운 기와지붕은 하중이면서 동시에 강성의 원천이었다. 단열과 시공성을 위해 지붕을 경량화하면 하중은 줄지만 접합부를 잡아 주던 압력이 함께 사라진다. 그래서 기준은 경량 지붕을 쓸 때 별도의 조치를 요구한다.

접합부 설계는 목구조 접합부 기준을 따르되 여지를 남긴다 — "맞춤접합부의 허용내력은 책임구조기술사의 기술적 판단, 경험, 연구결과에 따라 설계할 수 있다"(4.3 (1)). 그리고 경계가 그어져 있다 — "그 외의 접합부 및 접합방법에 대해서는 시험을 통하여 성능이 인정된 경우에만 사용할 수 있다"(4.3 (1) ③). 기둥-보 접합에는 "전통목구조의 관례에 따른 이음과 맞춤 등의 접합형식 또는 현대식 철물로 보완한 접합형식"을 모두 쓸 수 있다.

인방에 대한 조문도 같은 논리다 — "인방과 벽선이 벽체 가구틀의 면내강성 증진에 기여하기 위해서는 벽체 가구틀과 분리되지 않도록 해야 한다"(4.1.16). 붙어 있어야 세는 것이다.

6. 정리

부재 이름마다 구조 모델이 지정된다 — 우미량은 가새, 귀접이보는 수평가새, 추녀와 장연은 내민보, 충량은 경사진 보.

대들보는 접합부의 모멘트 저항능력에 따라 단순보 또는 반강접합보로 보며, 수직·수평하중에 대해 각각 안전측이 되도록 접합부 강성을 달리 적용할 수 있다.

창방·평방과 도리·장여는 전단연결재의 유무로 갈린다 — 없으면 각각의 휨강성으로 분담, 있으면 전체 휨강성의 한 부재.

걸침길이는 내민 깊이보다 길어야 한다. 짧으면 추녀·장연의 뒤뿌리가 들린다.

추녀의 최대 부모멘트와 대부분의 손상은 주심도리 부근에서 발생한다.

미끄러짐은 두 층위에서 막는다 — 기둥이 초석 위에서, 초석이 기단 위에서. 마찰력 또는 고정장치를 고려할 수 있다.

인방으로 보강된 벽체의 횡강성을 평가에 반영할 수 있으며, 그러려면 벽체 가구틀과 분리되지 않아야 한다.

경량 지붕을 쓰면 접합부 강성 확보를 위한 별도 조치가 필요하다. 결구부의 회전강성이 지붕 무게에 의존하기 때문이다.

이 기준이 하는 일은 전통 가구를 해석 가능한 골조로 번역하는 것이다. 그런데 번역 과정에서 드러나는 것이 하나 있다 — 전통 상세의 상당 부분이 지붕이 무겁다는 조건 위에 서 있었다는 사실이다. 결구부의 회전강성도, 초석 위 기둥의 마찰도, 내민보의 균형도 모두 위에서 누르는 무게를 전제한다. 그래서 지붕을 가볍게 만드는 현대적 선택은 하중을 줄이는 동시에 저항 메커니즘을 없애는 선택이 되고, 기준은 그때 무엇을 대신 확보해야 하는지를 조문으로 남겨 두었다.