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ISSN : 1598-4095(Print)
ISSN : 2287-7401(Online)
Journal of The korean Association For Spatial Structures Vol.18 No.1 pp.22-29
DOI :

The State of the Art and Cases of Structure Design for Large Scale Timber Structure

Juna Lee*
*School of Architectural Engineering, University of Seoul.

Abstract


목구조 대공간 구조디자인의 현황과 사례

이 주 나*
*서울시립대학교 건축학부 전공담당 객원교수

초록


    1. 목구조 디자인 재조명의 배경

    최근에 목구조가 다시 주목받고 있다. 목구조는 고대로부터 어느 지역, 어느 나라에서든지 가장 손 쉽게 사용할 수 있는 건축구조 재료였으므로 그 각 자의 구법이 발전되고, 오랜 세월 활용되어 온 친화 적 재료라는 것은 알려진 바와 같다.

    그럼에도 불구하고 국내 구조계에서 목구조에 대 한 인식은 목재의 재료적 한계에 대한 부분이 크게 작용하고 있어서, 과거의 구조 방식으로만 생각하 거나 수입된 주거형 구법으로 치부되어 다양한 활 용성을 모색하는데 인색한 측면이 있다.

    그러한 상황에는 여러 가지 배경이 있겠지만, 건 축의 형태와 공간 구성과 연관된 구조디자인적 측 면에서 보면, 목재는 대단히 가능성이 많고 유용한 구조 재료이다. 일단 인장과 압축능력을 동일 재료 에 가지고 있는 구조 재료이다. 선형의 구조부재를 만드는데 유리하며, 콘크리트와 달리 이산형의 부 재를 조합해 만들어내는 디자인 성능을 가지고 있 어, 철골부재가 가지는 디자인 구성 능력을 목재에 서도 구현할 수 있다.

    뿐만 아니라, 특별히 철골보다 노출시켜 구조디자 인 부재로 활용했을 때 일부 내화능력을 기대할 수 있고, 단열 문제에 있어 철골보다 탁월한 적응성을 가진다. 더욱이, 심미적인 효과로 건축디자인에서 선호되는 효과가 있다는 것은 쉽게 예측할 수 있다.

    최근에는 목조 재료의 개발 및 개선, 구법의 용이 성 등이 뒷받침되면서, 유럽과 일본, 캐나다 등에서 는 건축법규의 개선과 더불어 대단히 비약적으로 목구조 디자인이 전개 발달되어 가고 있다.

    이에, 필자는 다양한 구조디자인을 목표로 연구 와 실무를 진행해 오던 중, 목구조의 디자인 가능성 에 관심을 가지고 최근 집중적으로 목구조 디자인 에 관한 연구를 수행하고 있다. 이 연구의 일환으로 현재 일본에서 이루어지고 있는 목구조 디자인의 세계를 국내에 소개하고 관계자들이 의견을 교류하 는 ‘목구조 디자인 포럼’을 개최하였다.(2017. 11.) 본 지면에서는 그때 발표된 일본 목구조 디자이너 (야마다 노리아끼, 山田憲明)의 목구조 디자인 사례 로 한정하여, 넓은 공간을 형성하는데 아이디어를 제공할 수 있을만한 일부 사례를 소개하기로 하겠다. (Fig. 1)

    국내외 목구조에 대한 새로운 관심이 높아지는 가운데, 목구조의 다양한 활용 가능성에 대해 인지 하고 관심을 가지게 되는 기회가 되기를 기대한다.

    2. 쓰쿠바 테크니칼 센터

    최근에 CLT(Closs Laminated Timber)등 판형의 부재가 활발히 사용되기는 하나, 목구조의 부재는 제재목이나 집성재로 된 각재를 구조부재로 활용하 는 것이 가장 일반적이다. 본 사례는 이러한 각재의 구성을 넘어서, 구조용 합판을 독특한 방식으로 조 합하여 지붕 구조의 개성있는 형태 변화를 꾀하고 비교적 넓은 공간을 만들어낸 사례이다.

    작가는 돔 구조에서 곧잘 사용되는 Reciprocal Dome 구조를 목재합판에 적용하는 아이디어를 제 시하였다. <Fig. 2>에서 보는 바와 같이 구조용 합 판을 조밀한 그리드로 집적하여 횡좌굴에 대한 보 강을 함으로써, 보춤 1.2m, 두께 60㎜의 얇은 합판 으로 약 24m 정방형의 사무실 공간을 만들었다.

    단순히 지붕 구조가 구조체로서만 만족하는 것이 아니라, 지붕의 이러한 구조 짜임이 공간 내부에 흥 미로운 형태 효과를 주고 있음은 물론이고, 합판을 구조용 부재로 효과적으로 고안하여 경량의 강성을 가진 구조시스템으로 활용 가능함을 보인 흥미로운 사례이다.

    3. 가루이자와 레스토랑 안티초크

    목재로 제법 크고 개방적인 공간을 만들면서도, 지역의 간벌재로 산출된 작은 부재나 저렴한 소구 경 목재를 활용해 디자인 효과를 발휘하는 구조체 를 만들기도 한다. 이러한 사례로, 녹음과 물에 둘 러싸인 가루이자의 고급 레스토랑을 소개한다.

    이 건물은 시작 단계에서부터 지역적 특성을 높 이고 고급 레스토랑으로서의 편안한 분위기를 꾀하 기 위해 이 지역의 목재(나가노현 낙엽송)를 이용하 고, 안에서부터 밖으로 투명성을 높일 수 있는 섬세 한 구조를 목표로 하여 설계를 시작하였다.

    낙엽송은 강도나 내구성은 높지만 건조에 따른 섬유경사의 비틀림이나, 휨 등의 변형이 발생하기 쉽다. 그 때문에 제재목보다는 집성재로 활용되는 것이 일반적이지만, 이 레스토랑에서는 지역 여건 을 고려하여 소단면 낙엽송을 사용했다. 이 때문에 디자인적으로 흥미롭고 구조적으로도 강한 바구니 형태로 짠 구조를 고안하여 소재의 어려움을 해결 해가면서 섬세한 구조를 실현하고 있다.

    따라서 이 레스토랑의 구조는 3가지의 특징적인 래티스 구조로 구성되어 있다. 중앙의 라운지 주변 에는 HP shell 형태의 래티스 구조가, 외주의 RC조 의 독립기둥 위에는 경사진 외주 래티스 구조가 있 다. 그리고 이들 사이를 건너가는 곡면 지붕 래티스 구조가 내부 공간에 디자인 요소로 활약하고 있다 (Fig. 4 참조). 다음에서 이 3가지 래티스 구조의 자세한 구법을 살펴보자.

    3.1 중앙부 기둥 래티스구조

    평면의 중심부는 지붕 레벨이 가장 높아 9m에 도 달하기 때문에, 기둥의 좌굴이 문제가 되었다. 중앙 라운지는 직경 6m 정도의 작은 원형 공간인데, 이 를 둘러싼 무리 기둥의 전체로 원형을 만들어 서로 지지하면 가는 부재로도 좌굴을 억제할 수 있다고 보고 래티스 아이디어를 도출했다고 한다. 즉, 라운 지의 크기만큼의 원형관 형상의 기둥이 서 있는 이 미지이다. 여기에 고점 부분과 주각부에 금속링을 설치하고, 낙엽송 Φ90㎜ 목재를 경사지게 촘촘히 2방향으로 늘어놓은 다음 이들을 연결해, HP형의 래티스 조합기둥을 만들었다.

    3.2 외주 래티스구조

    외벽은 연못을 향한 전망을 위해 전면 개방해야 했기 때문에, 정팔각형의 꼭짓점 위치에만 기둥이 있어야 했다. 따라서 꼭짓점 위치에 RC기둥을 세우 고 그 위에 트러스 보와 브레이스의 역할을 겸하고 있는 래티스 보를 올려놓았다. 상하현재로서 역할 을 하는 두꺼운 상하부 강재링에 중앙 래티스와 똑 같은 낙엽송 90㎜ 각을 래티스 형상으로 연결시킨 것이다(Fig. 3, 4).

    외주 래티스는 원형이기 때문에, 면 전체의 비틀 림 변형이나 상하현재의 좌굴이 생기기 쉽다. 상현 재는 지붕면과 연결하고 하현재는 샷시의 인방 역 할을 하기 위해 설치한 H형강과 촘촘히 연결함으로 써, 이들의 변형을 제어하고 있다. 이 외주 래티스에 의해서 RC조 기둥간 약 9m의 스팬을 확보하여 내진 벽이 없는 투명성 높은 파사드를 실현하고 있다. Fig. 5

    3.3 지붕 래티스구조

    중앙 래티스 기둥 고점부의 직경은 약 4m, 원형 의 외주 래티스의 직경은 약 26m이다. 이 두 지지 구조 사이의 공간 약 11m를 덮어 레스토랑의 무주 공간을 실현하는 것이 지붕 구조계획의 과제였다.

    원형의 정형 플랜에 있어서, 가는 부재를 사용하 는 대공간을 만드는 것은 곡면 구조가 유효하다. 그 래서 휘어지기 쉬운 얇은 낙엽송의 판을 겹쳐서 곡 면 구조를 만드는 아이디어가 시작되었다 한다. 얇 은 판을 휘어가며 2방향으로 겹침으로써, 바구니와 같은 투과성이 높으면서도 견고한 구조를 만드는 것이다(Fig. 6). 이 지붕 경사형 격자 구조는 원주 방향으로 배치되어 있는 하부 장선과 일체가 되도 록 하여 강성을 높이고 있다. 그러나, 얇은 판을 단 지 겹치는 것만으로는 중력과 풍하중에 대해 휨과 압축응력을 발휘하기 어렵다. 그래서 필요 부분에 비스고정을 하여 겹쳐진 얇은 판끼리가 적게나마 일체화가 되는 것을 꾀했다.

    4. 후쿠시마 쓰카가와 시립 제3중학교 체육관

    쓰카가와시 시립 제3중학교 실내운동장은 RC조 의 하부 구조 위에 목조 지붕을 덮은, 연면적 약 1300㎡의 1층짜리 건물이다. 외관은 볼록한 지붕 모 양을 하고 있다. 무주공간이 되는 아레나의 크기는 남북 방향으로 29m의 스팬을 가지고 있다(Fig. 7).

    지붕은 초승달 형의 아치와 트러스를 조합한 프 레임이 남북 방향으로 걸쳐져 있고, 동서 방향으로 는 이 프레임이 약 2.5m의 간격으로 배치된 구조로 되어있다. 이 구조의 주요 프레임에 사용되고 있는 것은 곡선 집성재가 아니라 제재목이다. 내화구조 요건은 외벽내화에 의해 충족시켰으므로, 목조 부 분의 내화설계를 필요치 않게 되었고, 부재의 단면 을 작게 할 수 있었다.

    체육관의 지붕을 목구조로 계획할 때에 최대 과 제는 내부에서는 스포츠 종목의 규정에 의해 7m 이 상의 천장고를 확보해야 하지만, 외부에서는 건축 법에 의해 처마 높이가 9m 이하로 제한된다는 것이 다. 이와 더불어 대공간 구조에서 힘의 효율적 측면 에서 지붕 구조의 연력도 형태가 가지는 이점을 생 각했을 때 설계된 구조체와 같이 초승달 같은 볼록 한 지붕은 제법 합리적인 대안이 된다.

    단순 아치 구조는 처마 높이를 낮추기 쉬우면서 천장고를 확보할 수 있기 때문에 목구조 체육관의 공간 조건에 적합하며 역학적으로도 고정하중 등, 등분포 하중에 대해 유리하다. 반면 적설이나 풍압 등의 편분포하중에 대해서는 휨성능이 높은 대단면 부재를 사용하지 않으면 불안정해지기 쉬울뿐 아니 라, 연직하중 때에 발생하는 추력을 지지하는 구조 도 필요하다. 또한 아치 형상을 만들기 위해 곡선 집성재를 이용하면 재료비가 상승한다.

    이에 비해 일반 보트러스 구조는 처마 높이가 높 게 되기 쉬운 반면 천장고는 확보하기 어렵다. 역학 적으로도 등분포하중에 대해선 아치 구조와 비교해 불리하다. 그 반면 편분포하중에 대한 안정성은 양 호하고, 추력도 발생시키지 않는 이점이 있다. 구조 부재가 전부 직선이 되는 것도 장점이다.

    이러한 배경에서 아치와 트러스의 장점을 살려 초승달형 트러스 아치 구조를 적용했다. 주 구조체 인 트러스 아치 구조는 비용 상승의 원인이 되는 곡 선 집성재의 사용은 피하고, 짧은 직선재를 연결하 여 꺾이는 아치 형상을 취하고 있다. 아치가 꺾이는 부분에서 수직재나 경사재가 연결되는 트러스 구조 이기 때문에 각 접합부는 핀접합으로 충분하고 일 반적인 강판삽입 드리프트 핀 접합을 채용하여 연 결되어 있다. 압축응력은 목재의 우드터치로 전달 시킴으로써, 드리프트 핀의 본수를 절감하였다. 이 로써 상하현재(240㎜각), 수직재(180㎜각)인 정방 형 단면의 삼나무를 사용하여, 4m 이하의 직선재로 주요 프레임을 구성하였다. 추력은 하부의 켄틸레 버 형의 RC기둥이 지지하고 있다.

    지진이나 바람에 의한 수평력은 수평면에 의해 전부 RC부의 구조체까지 전달되도록 계획되어 있 다. 체육관은 지붕 면적이 커서, RC부의 구조체까 지의 응력 전달 거리가 길 뿐만 아니라, 지붕면에 발생하는 전단력도 커진다. 이에 대해 저항할 수 있 도록 지붕면에 24㎜ 두께의 구조용 합판을 적용하 고 이를 900㎜ 간격 이하로 배치한 장선에 100㎜ 핏치로 견고하게 철물정착함으로써, 수평구면의 전 단저항을 기대하고 있다.

    5. 아키타 국제교양대학 도서관

    최근 일본에는 이토 토요 설계의 기후현 도서관 등과 같이 많은 수의 대형 도서관 건물이 목조로 설 계되고 있다. 화재 시 책이 많은 도서관의 특성상 내화구조로 설정하기 어려움이 있지만, 불연재의 서고와 여러 불연마감재를 고안해내는 등, 이처럼 여러 어려움을 극복하면서 목조를 도서관에 도입하 는 이유는 목재가 가진 친화적이고 따뜻한 공간감 때문이라고 한다.

    ‘국제교양대학 나카지마 기념도서관’은 24시간 이 용가능한 대학도서관으로 아키타 공항에서 차로 약 10분 정도에 위치하고 있다. 반경 약 22m의 반원형 평면형에 일본 전통 우산과 같은 목구조 형상은 가 지고 있다. 아키타와 같은 다설 지역의 큰 하중을 받는 대공간의 지붕도 이처럼 목구조로 디자인되고 있다.

    이 도서관에서 고려하는 적설하중 깊이는 1.5m나 된다. 또한 반경 22m의 거의 한 가운데에 위치하는 지붕의 단차 부분과 외주부에는 수평 연속띠창이 있어, 지붕구면이 불연속하게 되고, 연직 및 수평하 중을 전달하기 어려운 구성을 가지고 있다(Fig. 8). 이에 더해 반원형이란 형태 자체가 원형과 같은 닫 힌 연력도 형상에 비해 역학적으로 밸런스를 얻기 어려운 조건도 있었다. 더욱이 발주자로부터 아키 타 지방 삼나무를 사용해 달라는 요구도 있었다고 한다.

    원형과 같은 평면형을 가진 대공간 구조에서는 역학적으로 강한 돔 형태를 살려 지붕의 면내응력 으로 하중을 저항하는 곡면 구조 등을 채용하는 경 우가 많다. 그러나 반원형의 평면에서는 돔 형상의 지붕 구조를 활용하는 것이 이렇다 할 역학적인 이 점이 없었을 것이다. 따라서 중심성을 가진 평면형 과 평평한 지붕형으로 디자인하고 단순보 형식의 보가 방사 방향으로 배치되었다.

    보를 배치할 때 수평 연속창을 내기 위해 설치한 지붕의 단차를 고려할 필요가 있었다. 즉, 단차에 의해 방사 방향의 보에는 응력전달 경로가 불연속 하게 되는 한편, 원주 방향은 단차를 이용해 춤이 큰 보를 넣을 수 있는 공간이 생긴 것이다. 그래서 지붕 단차 위치에 원호형의 철골 비렌딜트러스 구 성을 가진 보를 배치하고 반원의 중심부에 해당하 는 위치에 경사기둥을 배치하여 방사배열 보의 지 지점을 구성하였다. 그리고 방화구획에 관한 조건 과 지진력의 부담은 외곽부를 둘러싼 RC벽에 부담 시키고, 전술한 비렌딜 보와 경사기둥을 연결하는 보, 이 두 지지점 사이에 목조의 2중 조립보를 방사 방향으로 조밀하게 채워 넣음으로써 드라마틱한 목 구조의 구조디자인 효과를 발산하고 있다(Fig. 9).

    방사 방향의 목구조 보는 평면의 반원 스팬의 거 의 절반 위치에서 지붕 단차부의 철골 비렌딜 보로 지지되는 것이지만, 그래도 10m 이상의 스팬을 건 너가는 것이 된다. 다설 지역 평지붕이기 때문에 4.5kN/㎡의 적설하중을 견뎌야 하는 것도 포함해 평지붕의 평균구배(1/100)을 유지하는 것에는 구조 의 강도 뿐만 아니라 높은 강성도 필요하게 된다. 이것을 하나의 단순보로 설계하면 보를 매우 촘촘 히 배치해도 1m 이상의 춤을 요구하는 대단면이 되 어버림과 동시에, 스팬 중간에 이음새를 만들어야 하기 때문에, 목재로 설계하는 일은 쉽지 않은 일이 된다.

    이러한 문제를 개선시키기 위해 고안한 것이 이 중 조립보이다(Fig. 10). 보 춤을 줄이기 위해서 버 팀대를 넣어 트러스를 만들고, 지붕을 직접 받는 상 현재를 덧댐보 형식으로 함으로써, 중소 단면재를 조합한 것만으로도 성능 높은 조립보를 구성하였다. 미적으로도 흥미롭고 경쾌함을 가질 수 있었다.

    조립재는 역학적인 효율이 좋은 반면에 접합개소 가 많아져, 접합철물의 비용이 올라가고, 금속이 노 출되면 목조 공간의 섬세한 의장을 손상시킬 것이 염려된다. 그래서 일본 전통의 접합 기술을 이용해 비용도 줄이고 아름다운 디테일을 검토하여 적용하 였다 한다.

    이와 같이 배열된 조립부의 끝점은 반원형 평면 의 한가운데로 모이게 되므로, 원 중심부에 1점으로 방사 방향의 보가 모여드는 혼잡이 벌어진다. 여기 서는 중심으로부터 2.5m 떨어진 위치에 철골 반원 보를 배치해 보의 혼잡을 해소시키고 지지스팬을 감소시켰다. 철골 반원형보는 기초 레벨의 반원 중 심으로부터 경사지게 방사형으로 Φ300의 삼나무 기둥을 6개 세워 지붕 조립보를 지지하게 하였다.

    이상의 구조시스템만으로는 구조가 불안정하여, 방사형 경사기둥의 추력에 의한 수평 방향으로의 변형, 지붕 단차부의 철골 비렌딜보의 뒤틀림 변형 은 제어할 수 없다. 그래서 지붕면에 두께 24㎜의 구조용 합판을 붙여 강한 수평구면을 만들고, 외주 부의 RC조 벽에 연결하는 것에 의해 입체적으로 안 정시켰다. Fig. 11

    6. 결언

    2017년 필자가 개최한 ‘목구조 디자인 포럼’ 강연 자로 초대되었던 야먀다 노리아끼씨의 작품의 일부 를 소개하였다. 이외에도 목구조로 구조디자인의 가능성을 열어 보이는 사례는 넘쳐나며, 제한사항 이 많을 것 같이 느껴지는 대공간에서도 목구조의 활약은 매우 눈부시다. 더욱이 얼마 전에는 도쿄 올 림픽을 위해 80m 이상의 대공간 체조경기장이 목 구조 들림형 보구조로 지어지고 있다는 소식을 듣 기도 하였다. 70층 이상의 초고층을 목구조로 만들 고 있다는 세계 여기저기의 뉴스도 만나게 된다. 목 조가 한계를 뛰어넘어 중소 규모의 건축에서는 물 론 대공간에서도 친화적인 대안으로 활용될 날이 머지 않았다고 느껴진다.

    반면, 국내 현장은 너무나 갈 길이 먼 것도 사실 이다. 전문가가 매우 부족하고 기준 정비나 법률상 의 문제, 재료 가공과 시공법, 설계 방법의 정비 등 쉽지 않은 일들이 많이 남아있다. 그러나 국내의 임 업 발달과 자원 활용 측면에서도 건축구조에서 목재 는 반드시 다루어져야 할 자원으로 삼림청에서 건축 구조계에 거는 기대 또한 큰 실정이다.

    앞으로 많은 엔지니어들이 목구조에 관심을 가지 고 적극적으로 영역을 넓혀주길 바라는 마음이다. 목구조 연구과제가 진행되는 동안 앞으로도 여러 번의 목구조 디자인 포럼을 개최할 예정인데, 이와 같은 방식으로 많은 의견과 자료가 공유된다면 목 구조와 구조디자인의 발전에 바람직할 것이라고 생 각한다. 관심 있는 구조전문가들의 참여를 바란다.

    감사의 글

    “목구조 디자인 포럼”은 2017년 한국연구재단의 지원에 의해 수행되었고(NRF-2017R1D1A1B04031 948), 이 기술기사는 포럼 내용을 일부 정리한 것임.

    Figure

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    Poster and images of “Timber Structure Design Forum 2017” in UOS

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    Structure system of Technical center in Tsukuba

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    Images of restaurant Antichoke

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    3 lattice structures in structure system of restaurant Antichoke

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    Connection of column lattice in middle lounge space

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    Roof lattice structure of restaurant Antichoke

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    Image and structure of Tukagawashi 3rd middle school arena

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    Image and structure of Akita Nakajima memorial library

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    Structure system of Akita Nakajima memorial library

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    Composition of double layer beam in Akita Nakajima memorial library

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    Interior images of Akita Nakajima memorial library

    Table

    Reference