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• (목재바로알기Ⅱ) 목조주택은 약하다?! 정말 그럴까?

  산림청(청장 남성현)과 목재문화진흥회(회장 이남호)는 국립산림과학원(원장 박현)의 도움을 받아 우리 국민이 생활 속에서 잘못 알고 있거나, 오해하고 있는 목재에 관한 사실을 바로 알리기 위해 매월 ‘목재바로알기’코너를 마련하고 배포하고 있다. 그 두 번째는 목조주택의 구조적 안전성에 관한 것이다. 어려서부터 많은 사람들이 읽어온 ‘아기돼지 삼형제’라는 동화에서 짚더미나 목재로 지은 집은 늑대의 입김에 무너지고 벽돌집만이 튼튼하게 남아있다. 동화에서처럼 목조주택은 구조적으로 약할까? 특히 최근의 지진이나 태풍 등의 자연재해 앞에서 목조주택은 안전할까? 사람들의 막연한 인식에 자리잡은 목조주택에 대한 진실은 무엇인지 전문가로부터 정확한 정보를 확인하였다. 이러한 궁금증 해결을 위해 목재 관련 전문연구기관인 국립산림과학원 목재공학연구과 김철기 박사에게 답을 구했다. 김철기 박사는  한국목재공학 회원으로 목구조 분야의 실무 전문가이다.  먼저, 우리나라 목조주택은 ‘목재제품의 규격과 품질기준’ 고시에 맞게 생산되고, 목조건축물은 ‘건축구조기준’에서 요구하는 성능에 따라 설계․시공되므로 타구조에 비해 약하다는 것은 잘못된 말이다. 모든 건축물은 규모나 장소, 형태에 따라 요구되는 구조성능이 다르며, 각각에 맞는 규정에 따라 건축되고 있다.  목재는 빨대다발의 벌집구조 형태를 하고 있어 비강도(무게 대비 강도)가 높다. 콘크리트에 비해 인장성능은 약 225배, 압축성능은 9.5배, 휨성능은 약 400배 강하며, 충격에 견디고 진동을 감소시키는 성질 또한 우수하다. 이에 따라 최근에는 고층 목조건축물 시공이 가능할 정도로 소재나 건축기술이 개발되어 있다. 최근 캐나다나 노르웨이, 스웨덴, 미국 등에서는 80m가 넘는 목조건축물이 들어서고 있다.  목재는 연소성 재료이나 큰 단면의 경우 불이 붙는 착화온도가 성냥 등의 작은 치수에 비해 훨씬 높으며, 열전도율이 낮고, 화재시 목재 표면에 탄화층이 형성되어 연소에 필요한 산소공급을 차단하므로 내부까지 타들어가는데 오랜 시간이 걸린다. 이로 인해 화재시 충분한 인명대피 시간을 확보할 수 있어 화재에 안전한 건축물이라 할 수 있다. 뿐만 아니라 재해에도 강하다. 목조건축은 수많은 짜맞춤 또는 철물 접합부로 구조부가 형성되어 지진 발생시 에너지를 흡수하며, 건물하중이 철근콘크리트의 0.7배에 불과해 적은 지진하중을 받게된다. 또한 다양한 철물 접합부의 개발로 태풍 등으로 인한 풍(바람)하중에 강하다. 그 외에도 주거성능에 있어 높은 단열성능으로 냉난방비를 절감할 수 있으며, 흡습성능이 높아 실내 습도 조절이 가능하다. 그리고 균형있는 흡음으로 잔향이 없이 거주자의 생활 편의성을 높여준다. 그러나, 아직 아파트 등에 적용하기 위해 현행 규정에 맞는 바닥충력음의 차단성능을 확보하기 위한 연구가 더 필요한 실정이다. 김철기 박사는 ‘목조건축의 고층화와 규모화는 탄소중립사회로의 전환을 위해 보다 가속화될 것으로 생각된다’며 ‘인간에게 편하고 안전한 주거환경을 제공할 수 있는 목조건축이 잘못된 사실로 저해되서는 안된다. 연구자들은 보다 많은 사람들이 친환경 목조주택에서 안전하고 행복한 생활을 영위하도록 필요한 연구에 더욱 매진할 것’이라며 포부를 밝혔다.  한편, 산림청과 목재문화진흥회는 다음 호(10월)에서 ‘목재로 집을 지으면 비싸다?’는 주제에 대한 ‘목재바로알기’자료를 제공할 예정이라고 밝혔다.   - 인터뷰 -  Q. 목조주택은 다른 구조에 비해 약한가요? A. 주택의 규모, 장소, 형태 등에 따라 요구하는 구조 성능이 다르나, 일반적인 주택에서 요구하는 구조 성능을 목조주택이 충분히 만족할 수 있습니다. 목조주택에 사용하는 구조용 목재제품은 국립산림과학원 고시 ｢목재제품의 규격과 품질기준｣에 맞게 생산하도록 법제화되어 있으며, 국토교통부 고시 ｢건축구조기준｣ 내 구조용 목재제품의 성능이 제시되어 있어 일반적인 주택에서 요구하는 구조 성능에 맞게 목재제품을 배치하고 구성하여 구조적으로 안전한 주택을 건축할 수 있습니다. 따라서 목조주택이라 할지라도 타 구조에 비하여 약한 것은 잘못된 말입니다. Q. 목재가 갖는 구조적 강점은 무엇입니까? A. 목재의 단면을 현미경으로 살펴보면 빨대 다발이 묶여 있는 것과 같은 벌집 구조로 이루어져 있습니다. 이와 같은 이유로 목재는 비강도(무게 대비 강도)가 높습니다. 목재의 비강도를 다른 재료의 비강도와 비교해보면 인장 성능에서 콘크리트의 약 225배, 철의 44배이고, 압축 성능에서는 콘크리트의 9.5배, 철의 2.1배이며, 휨 성능은 콘크리트의 약 400배, 철의 15.3배에 달합니다. [목재의 현미경적 구조(이, 2012)]   목재는 정하중의 약 2배 높은 충격하중을 견딜 수 있으며, 진동을 감소시키는 성질이 우수한 재료입니다. 이는 목재가 철이 흡수할 수 있는 외부 하중에 의한 에너지 흡수 능력에 비해 9배 높은 에너지를 흡수할 수 있는 탄성과 연성을 가진 재료이기 때문입니다.(엄, 2007).  Q. 목조건축은 화재나 지진 등의 재해에 안전할까?  A. 목재는 연소성 재료이나 목조건축에 사용되는 구조용 목재와 같은 치수가 큰 목재는 표면에 불이 붙는 착화온도가 성냥 등의 작은 치수의 목재의 것보다 훨씬 높습니다. 그리고 목재는 열전도율이 낮으며, 화재에 의해 목재 표면에 형성된 탄화층이 연소에 필요한 산소 공급을 차단하므로 목재 내부까지 타들어 가는 데 오랜 시간이 걸립니다. 또한 온도에 따른 강도 저하가 철보다 낮아 화재 시 철골 건물보다 긴 시간 동안 붕괴하지 않고 견딜 수 있습니다.(Ritter, 1990). 공학목재인 집성재는 2시간 표준내화구조로 인정받아 집성재를 목조건축의 구조재로 사용한다면 12층 이하까지 안전하게 건축할 수 있습니다. 목조건축은 지진에 강합니다. 첫 번째 이유로, 목조건축은 철근콘크리트건축에 비하여 지진이 발생하였을 때 건축물이 받는 지진하중이 작기 때문입니다. 지진하중은 건축물의 자중에 비례하는데 목조건축의 자중은 철근콘크리트건축에 비하여 0.7배에 불과합니다. 둘째로, 목조건축의 부재와 접합부에서 지진에 의해 발생한 에너지흡수량이 크기 때문입니다.  재료 및 하중에 따른 비강도   목조건축은 수많은 구조요소와 짜맞춤 또는 철물접합부로 이루어져 있어, 지진에 의한 하중을 인접 부재와 접합부에서 흡수합니다. 지난 2017년에 발생한 포항 지진으로 인한 해당 지역에서의 현대식 목조주택의 피해는 발생하지 않았습니다. (https://blog.daum.net/kfs4079/17215449).    목조건축은 탄성계수가 높은 부재로 이뤄져 있어, 목조건축에 발생하는 풍(바람)하중을 지표면으로 잘 전달할 수 있습니다. 또한 목조건축에 사용되는 다양한 철물 접합부의 개발 및 발전으로 풍하중에 안전한 건축물이 지어지고 있습니다. 화재 후 철재 I-beam을 목재가 받치고 있는 모습(Ritter, 1990)   Q. 목조주택의 주거성능에서의 장점은 무엇입니까? A. 목조건축은 높은 단열성능으로 냉난방 에너지 절감효과가 큽니다. 일반주택(철근콘크리트) 대비 냉난방비 30% 정도 절감 가능하며 목조건축의 단열성능은 재료와 구조 특성 때문에 높게 나타납니다. 목재의 단열성능은 콘크리트의 7배, 철의 176배, 일반 단열재의 1.5배이며, 목조건축은 구조재 사이에 단열재를 채우는 것이 가능하여 얇은 두께의 벽‧바닥‧지붕으로 고단열 건축이 가능합니다. 목재는 흡습성이 있는 물질입니다. 흡습성이 있는 물체는 놓인 환경의 상대 습도에 따라 습기를 흡‧방습합니다. 이(2012)에 따르면 아크릴 상자에서 뚜껑을 목재로 하였을 때 상대습도 90%의 습한 공기를 상자 내부에 채우더라도 30분 후에는 상대습도가 60∼70%에 도달한다고 하였습니다. 반대로 상자 내부에 습기가 없는 공기를 채웠을 경우 90분 후에는 상대습도가 60%로 맞춰진다고 합니다. 이와 같은 이유로 목조주택에서 생활하면 쾌적한 기분을 느낄 수 있습니다. [목조건축의 벽체와 지붕의 구조재 사이의 단열재 모습(김과 박, 2015)]   목재는 소리를 저음에서 고음까지 균형 있게 흡음하고 잔향이 없으므로 목조주택에서 생활하면 편안함을 느끼게 됩니다. 그러나 우리나라의 대표적인 공동주택인 아파트에 목조주택을 적용하기에는 바닥충격음(경량 및 중량충격음) 차단성능과 사양구조 기준 때문에 어려움이 있습니다. 우리나라는 ｢건축법｣과 ｢주택법｣에 의거 다가구주택, 30세대 미만의 공동주택 등은 바닥충격음 차단성능(경량충격음 58dB, 중량충격음 50dB)을 만족하는 동시에 바닥구조에 두께 210mm 콘크리트를 적용하도록 의무화하고 있습니다.  콘크리트 바닥과 비교하여 일반 목재 바닥으로는 목재가 갖는 재료적 한계로 공동주택 기준을 만족할 수 없는 상황입니다. 이러한 문제점을 해결하기 위하여 구조용 직교 집성판(CLT)을 포함한 목구조 바닥구조 개발을 진행하고 있으며, 경량충격음을 만족하고 중량충격음 기준에 만족하는 결과를 내기도 하였습니다. (김 등 2022).  Q. 목조주택의 최근 트렌드는 무엇입니까? A. 2000년대 초반 고성능 공학목재와 시공 기술 개발로 2017년 브룩 코먼스 UBC 기숙사(높이: 58m, 캐나다 밴쿠버) 완공을 시작으로 미에스트르네(높이: 85.4m, 노르웨이 브루먼달, 2019년), 호호빈(높이: 84m, 오스트리아 빈, 2019년), 사라문화센터(높이: 75m, 스웨덴 셸레프테오, 2021년), 어센트 타워(높이: 86.6m, 미국 밀워키, 2022년) 등 목조주택을 포함한 목조건축물의 고층화가 가속화되고 있습니다. 이처럼 최신의 공학목재와 건축기술의 발달은 고층화와 규모화된 목조건축시장의 활성화를 가능하게 하였으며, 탄소중립과 기후변화 이슈로 그 속도는 더 빨라지고 있습니다. A. 우리나라에서도 국립산림과학원을 중심으로 고층목조건축물의 축조 실현과 다양한 공학목재 개발을 위한 다양한 연구가 진행중에 있습니다. Q. 목조주택에 대한 전문가 견해는 무엇입니까?  A. 19세기 중반 이후 철근콘크리트 구조에 밀려 소규모 주택 중심의 시장에서만 점유율을 차지했던 목조주택은 앞으로 중고층 시장으로 확대될 것이라 예상됩니다. 이는 목재 관련 과학 및 기술의 발달로 고성능 공학목재를 개발하였고, 건설업계에서도 기후변화 대응에 대한 관심이 높아졌기 때문입니다. 일반적인 콘크리트건축에 비해 목조건축은 시공속도가 25% 빠르고, 자재 이동 등 건축현장에서 필요한 교통량을 90% 이상 줄일 수 있으며, 최소한 15% 이상 이산화탄소 배출량을 줄일 수 있기 때문에(심, 2022) 기후변화 시대에 목조건축은 더욱 각광받을 것입니다. 캐나다 건축가 마이클 그린이 “철근콘크리트로 20층 건축물을 지으면 1200톤의 이산화탄소가 배출되는 반면, 나무로 같은 건축물을 지으면 이산화탄소 3100톤을 저장할 수 있다”고 발표한 것처럼 목조건축이 활성화되면 친환경적 건축이 가능해질 것으로 판단됩니다. 우리나라도 이와 같은 이유로 2020년 ｢건축물의 구조기준 등에 관한 규칙｣에서 목구조건축물의 규모제한이 폐지되어 목조주택의 중고층화가 가속화될 것으로 기대됩니다.  

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  2022-08-25

• 산림청 국립산림과학원, 한국의 목조건축 안전성 평가기술, 세계 표준이 되다!

  지난 12일 경북 경주에서 발생한 지진으로 건축물 안전에 대한 우려가 높아진 가운데 국립산림과학원이 지진 등 재난에 대비할 수 있는 목조건축 평가 기술을 개발해 주목을 받고 있다. 산림청 국립산림과학원(원장 남성현)이 지난 22일 호주 멜버른대학교에서 개최된 ‘제30회 국제표준화기구 목구조기술위원회(ISO TC 165) 총회’에서「국제표준화기구 우수상(ISO Excellence Award)」을 수상했다고 밝혔다.   국제표준화기구에서는 표준 분야 연구에서 탁월한 성과를 도출하여 국제표준을 제정하는데 기여한 연구자를 선정, 시상하고 있다. 이번 수상은 국립산림과학원이 충남대학교와 공동으로 개발한 목조건축의 지진 등 재난대비에 필수적인 ‘목조 수평격막 시험방법’이 2016년 5월 국제표준(International Standard)으로 제정된 공로를 인정받은 것으로 평가된다.   ‘목조 수평격막 시험방법’은 국립산림과학원 재료공학과 박문재 과장과 충남대학교 환경소재공학과 장상식 교수가 연구책임자로 참여하여 공동개발한 것으로, 목조건축의 지진과 풍하중(바람으로 인하여 구조물의 외면에 작용하는 하중)에 저항하는 성능을 평가한다.   특히 목조건축의 안전성을 평가하고, 법제화에 필요한 성능 확보에 필수적인 국제표준을 세계 최초로 제정하는데 기여했다는 점에서 그 의미가 크다.      ※ ‘목조 수평격막 시험방법’의 국제표준 제정(2016. 5.) ISO 19049 : 2016 Timber structures–Test method–Static load tests for horizontal diaphragms including floors and roofs 국립산림과학원에서는 목재제품의 규격과 품질기준을 고시하며, 목재․제지산업 한국산업표준(KS)의 제․개정을 위한 전문위원회를 운영, 국제표준(ISO)의 제․개정 대응 연구를 추진하고 있다.   국립산림과학원은 신(新)기후체제 탄소저장고인 목재의 장기적인 이용을 위하여 대형 목조건축 기술을 개발, 실제 공공건축(산림유전자원부 종합연구동)에 적용함으로써 기후변화 대응을 위한 목조건축 산업의 활성화에도 기여하였다. 국립산림과학원 박문재 과장은 “기존에 수행해오던 연구방법이나 결과에 만족하지 않고 건축과 목재 분야의 기술을 융합시켜 새로운 성과를 만들어내기 위한 끊임없는 노력이 이번 수상으로 이어졌다”면서, “대한민국을 넘어 세계를 이끌어가는 목조건축 분야의 연구센터로서 과학적 연구와 표준화를 통해 우리 목조건축 산업의 활성화와 기술의 선진화에 최선을 다하겠다”고 다짐했다.

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  2016-10-05