구조용 집성재

구조용 집성재

 

구조용 집성재는 한국산업규격(KS F 3021) 구조용집성재와 건교부 고시(2005-81호) 건축구조설계기준 제8장 목구조 조항을 보면 특별한 강도등급에 기준하여 선정된 목재를 섬유방향이 서로 평형하게 집성 접착하여 공학적으로 특정 응력을 견딜 수 있도록 생산된 제품이라고 정의하고 있다.

 

국제적으로는 GLULAM(GLUED-LAMINATED TIMBER, 글루램)로 통용된다. 구조용집성재는 1800년 초 스위스에서 개발되어 1900년대에 독일에서 발전되었으며 1920년에 미국에서 목구조물의 구조부재로 제조하기 시작하였고 1950년 일본에서도 집성재 건축을 시작했다. 1988년 올림픽 이후 경민산업에서 집성재를 건축용으로 처음 보급하였으며 1996년 국립산림과학원 산림과학관을 국산자재를 사용, 구조용집성재를 제조하여 설치했다. 이후 국산자재를 사용한 집성재 구조물이 국내 확산, 보급되고 있다.

 

 

1. 구조용 집성재의 종류

① KS F 3021에 따르면 층재 구성에 따라 3종류 단면의 크기에 따라 3종류, 사용환경에 따라 2종류가 있다.

 

 

② 층재구성의 예

 

2. 구조용집성재의 재료 특징

① 강도성능이 우수하다.
일반목재가 가지고 있는 자연적 결점인 옹이와 섬유경사, 내부 할열 등에서 구조적으로 영향을 미치는 결점을 선별 절단 제거하고 함수율을 엄격히 통제함으로써 재질의 균일성을 확보할 수 있고 단면구성도 자유로워 강도적으로 균일한 대단면재를 공업적으로 양산할 수 있다. 보통 구조용 집성재는 일반목재의 비해 1.5배 이상의 강도를 가지고 있다(건축구조 설계기준 0802.2 구조용집성재의 허용 응력, 참조).

② 변형이 적어 치수안전성이 크다.
구조용집성재에 사용되는 모든 층재는 건조하여 사용함으로 집성재를 구성했을 때 휨, 비틀림 등의 원인이 되는 건조 수축이 거의 일어나지 않아 치수의 안전성을 현격하게 향상할 수 있다.

 

 

③ 형상, 크기에 제한 없이 제조할 수 있다.
구조용 집성재는 목재를 잇고 적층 접착하여 제조하는 재료임으로 형상과, 크기, 길이를 자유롭게 설계하고 제조할 수 있다. 또한 부재의 길이 방향으로 아치(Arch) 형태로 만곡할 수도 있고 변단면으로 제조할 수도 있으며 부재의 길이도 원하는 대로 길게 만들 수 있어 설계자의 최선단(最先端) 구조설계를 연출할 수 있다. 단일보로 100m 돔(Dome) 형식으로 170m 경간의 건축물도 외국에서는 건축되어져 있다.

④ 내화성능이 대단히 높다.
구조용 집성재는 대단면이므로 화재 시 표면의 일부가 타서 탄화층이 형성되면 산소의 공급이 중단되어 연소되지 않는다.
구조용집성재의 평균탄화속도는 1000℃하에서 분당 대략 0.6~0.7㎜ 연소하며 내부의 재질에는 아무 변화가 일어나지 않는 특성이 있으므로 필요 강도를 유지할 수 있다.
또한 건설기술연구원에서 실시한 구조용집성재의 내화성능 시험 결과 아래와 같이 1시간 내화기준에 적합한 것으로 인정됐다.

내화구조 인정내용(건설기술연구원 인정번호 2005-0228)

 

⑤ 목재의 우수한 장점을 가지고 있다.
목재 본연의 아름다움과 온화한 감을 준다. 조습능력이 뛰어나 쾌적한 공간을 제공하며 결로 작용을 방지한다. 단열성이 우수하다. 인간의 가청 범위 중에서 불쾌감을 주는 고음부와 저음부를 흡수하는 작용이 있어 보다 좋은 음향공간을 만들 수 있다. 염분, 약품 등 공해에 강하다.

 

3. 구조용집성재 목구조물의 특징

 

① 무게가 가벼워 건축물의 경량화가 가능하다.
목재의 역학적 성질 중에 강도비(强度比, 단위중량당 강도를 비교)를 보면 철과 목재는 약 4배, 콘크리트는 약 5배 가볍다. 그러므로 건물의 중량을 대폭적으로 경량화 할 수 있어 건설단가를 절약할 수 있다.

② 가구미(架構美)를 자유롭게 나타낼 수 있다.
구조용집성재는 특별한 치장을 하지 않아도 목재 본연의 아름다움으로 인해 별도의 내장과 치장공사가 필요 없고 구조재를 직접 노출하여 목구조의 가구미를 나타낼 수 있으며 자유로운 형상의 제조가 가능함으로 설계자의 창조적 설계를 연출할 수 있다.

③ 시공이 정확하고 간편하다.
모든 부재는 공장에서 정밀하게 제조하고 현장에서 조립설치함으로 시공이 정확, 간편하고 용이해 공기를 단축할 수 있고 특수한 기능공이 필요하지 않음으로 경제적이다.

④ 환경친화적인 건축이 가능하다.
시공시 분진, 소음, 폐재 발생이 거의 없다. 또한 선별 해체 및 복원이 가능하며 재활용성이 크다.

⑤ 보수유지가 간단하다.
목재는 직사광선이나 비, 바람 등 자연현상에 대하여 점점 열화하지만 적당한 보호처리만 하면 높은 방부성능, 내화성능 및 내구성을 유지 할 수 있으며 한 번 처리로 수년 내지 십여 년 동안 유지됨으로 관리가 간단하다.

 

4. 구조용 집성재 목구조물의 용도

 

① 다양한 목구조물  

② 극장, 관람장, 집회장 등
③ 학교, 체육관, 박물관, 미술관
④ 병원, 호텔, 공동주택, 기숙사, 복지시설 등
⑤ 백화점, 전시장, 공중목욕탕, 음식점, 대합실 등
⑥ 창고, 차고, 수리공장 등

5. 구조용집성재를 이용한 전통적구법(構法)의 가능성

 

한국의 전통적 목조건축인 고민가(古民家)나 문화재 건축 등에는 큰 단면의 목재가 사용되고 있다. 이러한 목재는 최근에는 점점 획득하기 곤란하다. 새로이 전통적 구법으로 복원할 때 전면적이든 부분적이든 집성재가 사용되고 있다. 부분적으로 사용할 때 기둥은 원목을 사용하고 보와 같은 가구재(架構材)는 집성재를 사용하는 곳이 많이 있다. 한국의 전통적 구법과 같이 기둥-보 식의 가구(架構)에서는 보와 같은 부재에 큰 휨모멘트가 걸리기 때문에 대단면이 필요하다.

 

6. 구조용 집성재로 철골조를 대체할 수 있는 가능성

 

 

 

목구조 건축에 있어서는 필연적으로 접합부가 있다. 이것은 한정된 치수의 부재를 서로 조합하여 골조를 만들기 때문이다. 이런 점으로 볼 때 구법(構法)과 접합방법은 철골조와 닮은 점이 많다. 구조용집성재 건축에 있어서는 철물을 사용하여 접합성능을 향상하는 경우가 많다. 핀 접합으로부터 강성을 높이기 위한 라-멘 접합공법이 사용된다. 그러므로 접합부를 어떻게 만들 것인가 하는 것이 목구조 건축설계의 최대 요점이다.

7. Hybrid (복합)구조의 가능성

 

구조용 재료로 가장 일반적으로 사용되는 재료는 목재와 철, 그리고 콘크리트이다. 목재를 중심으로 생각할 때 목재와 철의 조합, 목재와 콘크리트의 조합이 있다.
구조용집성재와 철재의 복합구조로 제조된 트러스(Truss)는 압축 부재에는 구조용 집성재를 사용하고 인장부재로는 철물을 사용하여 하이브리드(Hybrid)화 하는 것이 대표적이다.

 

8. 구조용집성재 목구조물의 전망

 

지구상에서 구조재로 사용할 수 있는 재료중에서 유일하게 재생산이 가능한 목재자원은 앞으로도 모든 건축물의 필수 재료가 될 것이다. 그러나 옛날 우리나라 문화재 건축물에서 사용했던 양질의 대형 목재는 다시는 찾아보기 힘들 것이며 가격도 비싸 목구조 건축을 어렵게 하는 요인이 되고 있다.

 

지구의 환경문제와 생태건축의 입장에서 볼 때 앞으로 목구조 건축은 증가 할 것이고 이에 소요되는 원재료는 소구경목재와 미성숙재 및 저등급재 등을 유용한 구조재로 변화시키는 기술 즉 구조용 집성재가 반드시 필요하게 될 것이다. 구조용집성재는 목재를 소재로 제조되어 인체에 해를 주지 않으며 인성을 순화시키는 작용을 하므로 많은 사람이 동시에 사용 할 수 있는 공동다중시설 등 생태건축 목구조 건축에 있어 새로운 구조재료가 될 것이다.

 

 

출처 : 한국목재신문사