건축 구조재로서의 목재의 특성

목조건축에 손을 대면서 그 무엇보다 자주 마주친게 "나무" 입니다.

 
이번에는 초심으로 돌아가 목조주택의 근본...목재의 장점도 되짚어 보고 자재로서 목재의 애로사항 또한 짚어보겠습니다. 목재에 대한 재해석은 아니지만 나름 생각해 보는 계기가 되었으면 합니다.



건축 구조재로서의 목재의 특성

- 목재는 그 외관의 수려함과 구조적 특성, 가공성 때문에 인류발생 초기부터 현대에 이르기까지 중요한 건축 재료  로써 이용되어 왔다. 또한 목재는 자연재라고 하는 재료의 특성상 구조재로서 가질 수 있는 많은 장점과 함께 여  러 취약점을 갖고 있는 것이 사실이다. 따라서 목조건축의 근간이 되는 재료인 목재의 특성에 대해 명확히 인식  하고 있어야 한다.


1. 목재의 변형과 수분과의 관계

   목재라는 건축재료는 역학적으로 불균질 재료로 취급된다. 벽돌, 콘크리트와는 달리 나무는 생물이기 때문에   획일적인 물리적 성질이 존재하지 않기 때문이다. 나무로 만든 목조건물은 하중을 받으면 휘어지거나 줄어   드는 변형이 있게된다. 시간이 지나면서 수분 함유량이 변화하여 뒤틀어지거나 갈라지는 자체 변형도 발생한다.

   특히 소나무를 조종으로 하는 한국의 목재는 그 변형의 도가 더욱 심하다. 그러므로 목구조체의 완성 후에 일어   날 변형까지도 염두에 두고, 여유 있게 부재를 가공해야 한다.

그러나 문제는 변형이 일률적으로 일어나지 않는   다는 점이 있다. 변형에 대한 예측 불확실성은 완성 후에 정확한 수직이나 수평성을 보장하지 못한다.
   따라서 목구조의 기법은 애초부터 불확실한 변형을 인정하는 범주에서 개발되어야 한다.

   나무는 약 50%의 섬유질과 15～30%의 반섬유소, 15～30%의 리그닌, 그리고 5～30%의 기타 잔유물로 구성되는   데 리그닌은 섬유질과 섬유질로 구성된 세포들을 강력하게 접착해줌으로써 목재가 가지는 여러 가지 특성을    가능케 한다. 목재의 특성들 가운데 가장 중요한 것은 함수율이며, 함수율은 나무에 포함된 수분의 무게를 나타   내는 값으로 완전 건조한 목재 중량에 대해서 생목은 약 40～80%의 값을 보여준다. 함수율이 0～25% 정도가    되면 수분은 모두 세포벽 내에 있게 된다.
대개의 경우 25～32% 사이에 있게 되면 세포벽이 포화 상태에 이르게   되는데, 이때를 섬유포화점이라고 하고, 그 이상의 수분은 세포공 내에 자유수로 남게 된다. 목재는 섬유포화점이   될 때까지 주변환경과의 작용에서 수분을 흡수하거나 방출하게 되는데, 수분을 방출할 때 수축으로 인한 변형의   정도가 목재를 구조용재로 사용할 수 있는지 판단하는 기준이 된다.
일반적으로 목재가 건조 수축하게 될 때   섬유질 방향의 변형이 가장 크게 되고, 섬유질 직각방향으로의 변형, 재축방향으로의 변형이 가장 크게 되고,    섬유질 직각방향으로의 변형, 재축방향으로의 변형이 그 다음이 되는데 목재를 구조용재로 사용하기 위하여 평균
   함수율을 낮추기 위한 건조방법이 사용되고 있다. 섬유포화점에서 평균함수율 19%까지 건조되면 목재는 두께   약 2.35%, 폭 약2.80% 정도로 수축하여 사용 전에 수축을 방지할 수 있다.
일반적으로 건축용 목재의 함수율은   두 단계로 나눌 수 있다.

   첫째, 함수율 19%이상의 자연목은 주로 짧은 재단에 대단면을 지나면서 창문 인방같이 하중을 비교적 덜 받는   부위에 사용된다. 이러한 자연목은 제재 시 공칭치수로 제재, 표면 마무리되어 자연 건조 후 표면건조목과 같은   치수를 지니게 된다.
 
둘째, 함수율 19%이하의 건조목은 대부분 구조용재로 사용되며 표면자연건조된 목재와 고온다습한 건조로에서   건조시킨 인공건조목으로 나뉜다. 인공 건조목의 경우 제재 후 먼저 공칭치수로 건조하고 표면 마무리를 하여    실제 치수로 만들게 된다. 통상 구조용재는 10～15% 사이로 건조되어 수축에 의한 변형을 예방하게 된다.
 
구조용재와는 달리 수장재, 창호재 같은 용도에 사용하는 목재는 약 8%이하의 함수율을 지니도록 건조되며   가공목재 혹은 공학목재와 방습 및 방부처리 목재는 그 이하의 함수율을 지니게 되어 구조용목재로 사용되고   있다. 함수율은 목재의 강도에도 결정적인 영향을 끼치게 되며 섬유포화점 이하에서는 함수율이 감소하면   강도는 증가하게 된다. 수분이 방출됨에 따라 세포벽의 강성이 증가하고 기밀하게 되어 강도의 증가에 영향을  끼치게 된다.



2. 목재의 취약점


   다른 건축재료와 같이 목재 역시 강도 및 형상유지에 치명적인 파괴 요소가 있다. 부식, 화염, 해충, 풍화에 의한   퇴색, 그리고 화학적인 요소들이다.

   첫 번째로 부식은 목재의 세포질에 배양되는 일종의 균류에 의해 발생한다. 이러한 균류의 생장은 적정습도,  공기, 온도 등 3가지 요소의 결합에 의해 가능하며, 이중 한가지 이상의 요인을 제거 혹은 억제하는 것으로 부식균의 생성을 방지할 수 있다. 이중 습기가 가장 중요한 요소로 작용하는데 함수율이 20%이하에서는
   부식균의  생성이 완전히 중단되기 때문이다. 이것이 건축물에 건조목을 구조재로 사용하는 이유이다.
 또한   시공 시에 목구조 부위의 밀폐공간에 통기구를 설치하는 이유는 바로 이러한 습기의 자연적 조절을 꾀하기 위함  이다. 또한 모든 수종의 세포구조는 세균의 생장을 가능케하는 공기를 함유하고 있는데 공기가 제거된다면 부식은 발생하지 않게 된다. 따라서 상수면 이하에 항상 침수된 기초나 파일 등이 수백년을 지탱하게 되는 것이다.
 
 온도에 의한 작용구조에서는 균류의 활동이 약27℃에서 가장 활발한데 고온 건조로에서의 건조과정을 거칠 때  잔유세균이 모두 죽어버린다. 또한 목재의 구성상 심재가 변재보다 부식에 관한 저항성이 강한데 심재에 함유된 자연 유기물이 균류의 생성에 저항하기 때문이다.

   두 번째로 화염에 의한 목재의 구조기능 상실은 목재가 가연성을 지니고 있다는 일반적인 통념 때문에 구조재로 의 사용을 기피하는 주된 이유이다.   그러나 목구조는 소방의 기본원리를 적용한 방화 시스템의 채용으로 경제적인 구조체를 구성할 수 있다. 소화의 원리는 가연성 물질의 제거, 구조적 안전성 확보, 화염진행의 방지 등으로  구분할 수 있는데 설계단계에서부터 방화처리 목재의 사용에 이르기까지 여러 단계에 걸친 방화에 관한 고려가  있을 수 있다.
 목재가 조적이나 콘크리트보다 가연성 물질인 것은 사실이나 내장 석고보드의 사용, 스프링쿨러의 설비 등에 의한 공사비 증가와 비교해보면 목조주택이 더욱 경제적이라는 것을 알 수 있다.
 또한 구조체의 연소시에도 안전성 확보 면에 있어서 목구조체에 탄소피막을 형성하여 구조적 안전성을 확보함으로써 피난의 가능성 이 높은 것이 사실이다.



3. 목재의 열성능과 음전달 성능


   목재의 열적성능으로 열팽창 효과와 열전도 효과를 고려해야하는데 열팽창효과는 대규모 스팬을 갖는 구조물의   경우를 제외하고 크게 고려할 사항은 아니나 열전도 성능은 곧 목조건물의 단열성능과 직결된다.

   가) 목재의 단열성능은 세포구조내의 수백만에 달하는 미세한 공극이 자연적인 단열재 역할을 하여 목조건축은  목재이외의 부분에 충진된 단열재와 더불어 훌륭한 단열외피를 구성하게 된다.

   나) 목재의 열전도 성능은 상대밀도에 비례하여 고밀도 목재보다는 상대밀도가 낮은 목재가 더욱더 우수하게  된다. 또한 열전도 성능은 역시 함수율에 의하여 어느 정도 영향을 받게 되며, 잔유물의 구성, 옹이의 배열  그리고 나무결의 구성 등에 의해서도 약간의 변화를 보여준다.

   다) 목재의 음전달성능은 주로 음의 진폭을 감소시키는 경향으로 작용한다. 미세하게 짜여진 세포들의 그물조직은 음에너지를 기공안에서 마찰과 점성저항, 기공주위의 세포벽의 진동을 통해 열에너지로 전환시켜 음의 진폭을 감소시키게 된다. 이러한 기공 내에서의 마찰저항에 의한 목재는 다른 어떤 구조재보다도 더 큰 음저항성을 지니게되어 음향설계가 이루어지는 공간에서 음조절용 리브재로 사용된다.



4. 목재의 강도


   목재의 일반적인 강도는 나무결 방향이 나무결 직각 방향보다 훨씬 높아서 구조용 목재는 이러한 성질을 고려하여 배치한다. 따라서 생목은 풍압같은 외부의 횡압력에 매우 강한 저항성능을 보여주게 된다.

 목재의 실질적인압축강도는 재하시에 수반되는 변형에 의해 정확히 측정되기는 어려우나 압축강도는 변형의 크기와 비례하여 증가되고 최대 하중 시 최대 압축강도를 보여준다.
 나무결의 직각방향의 압축강도는 재하되지 않는 부분의 섬유 질들이 재하부위의 섬유질들의 하중을 분산 부담하며, 국부하중의 지지에 유리하게 된다.
나무결 사각 방향의  압축 강도는 나무결 방향의 강도와 직각방향의 강도 사이에 있게 되는데 나무결 방향의 강도에서 일정한 계수를 곱한 값을 사용한다. 목재의 인장강도는 나무결 방향이 최대로 나타나고, 단면에서 옹이, 갈라짐, 공동 등이 있게 되면 인장강도가 급격히 저하되는 수가 있으므로 응력 집중에 의한 감소효과를 신중히 고려하여야 한다.

   목재가 뛰어난 휨응력을 발휘하는 것은 단위 무게 당 탄성계수의 효율이 높기 때문이다. 재하 시 변형의 정도를  표시하는 탄성계수는 처짐의 산정에 사용되어 고정 하중에 의한 허용처짐 한도내에서 뛰어난 회복력을 보여준다.
   목재는 나무결 직각방향의 전단응력이 매우 높기 때문에 보 단면 산정 시 전단력에 의한 응력 검토는 크게 고려 되지 않는다.
그러나 휨 하중은 중립축에서 나무결 방향으로의 전단을 일으키기 때문에 장축방향의 전단응력은 검토되어야 한다. 이 경우에도 목재의 공동, 옹이, 갈라짐 등에 의한 감소효과를 고려하여야 된다.
목재의 피로   강도는 우수한 탄성계수로 인하여 주기적인 하중에 강한 저항성을 지니게 된다. 이러한 피로 강도가 요구되는  곳에 목재를 구조재로 사용할 경우 적정 인장응력도의 40%를 피로 응력도로 간주하여 산정한다. 온도에 의해서
   영향받는 목재의 온도효과를 볼 때 응결점 이하에서의 휨, 압축과 충격강도는 상온에서보다 높고, 고온에서는 그 반대의 현상이 일어나게 된다. 그러나 목재는 그 온도가 높든, 낮든 정온을 유지한다면 목재의 강도는 변함이  없게되어 혹한지의 기후와 혹서지의 기후에도 동일한 강도로 산정될 수 있다.
목재는 방부와 방염을 위한 화학  처리에 의해 강도의 저하가 발생하게 되는데 이 경우 화학처리에 의한 감소계수를 사용하여 산정하게 된다.