KBC 0802.1.4 기준 허용응력 보정

오랜만에 목구조 글을 이어간다.
0802.1.4를 보면 보정계수들이 나열되어 있으며 각 보정계수는 목재별 기준허용응력에 곱하여져 설계허용응력을 생성하게 된다. 즉 기준허용응력이 형상 및 환경에 따라 보정(증가나 감소)되는 것을 의미한다.

<표 0802.1.4.1>를 보면 여러 종류의 보정계수가 적용됨을 알수 있게 된다. 왜 목재는  이리도 많은 보정계수가 사용되는 것일까? 그 이유를 나열하면 목재는 균등 및 균질하지 않으며, 목재의 섬유방향(grain)과 힘의 작용방향에 따라 상이한 강도를 발휘한다. 또한 목재건축물의 환경과 목재의 처리과정 또한 목재의 강도변화에 영향을 미친다. 이제 한국설계코드와 캐나다 설계코드를 비교하면서 각종 계수를 정리하고자 한다.

0802.1.4.2. 하중계수(CD)
하중이 장기화 될수록 목재 강도가 감소되는 특성에 따라 활하중(LL)의 하중지속기간 10년을 기준(CD =1.0)으로 기타하중계수들이 증가 또는 감소된다.

Canada Wood Code(CSA-O86-01 Engineering Design in Wood)를 보면 KD 라는 하중기간계수(Load Duration Factor)를 첫번째 목재의 강도보정계수로 사용한다. 이 계수는 단기(Short term)하중(풍하중, 지진하중, 충격하중, 가설하중 등)은 1.15, 기본(Standard Term)하중은 1.0 그리고 영구(Permanent)하중
(고정하중 및 영구활하중-물탱크, 고정기계하중, 창고 및 수평토압 등)은 0.65를 적용한다. 또한 기준하중조건(KD = 1.0)에서 고정하중이 적용 활하중보다 크면 다음의 식에 의해 적용될수 있다.
KD = 1.0-0.5log(D/Ps) >= 0.65
여기서 D: 고정하중, Ps: 설하중(S), 활하중(L), 또는 1.0S+0.5L or 0.5S+1.0L

오늘 간단히 하중의 지속기간에 따른 보정계수에 대해서 알아 보았다. 목구조는 설계보정계수의 이해가 상당히 중요하다. 따라서 각별한 주의가 필요하다고 필자는 언급하고 여기서 오늘은 마무리한다.

대한민국 전통건축물이 구조설계코드로 표현되는 그날을 위해... ... .

대한국인 이희용(david.hy.lee@gmail.com)

KBC 0802.1.3 허용응력

오래만에 글을 올린다. 동계 올림픽 기간동안 12일간 Orlando, Florida에 다녀왔다. 그리고 회사생활에 정신없이 지내고 있다. 지난주 화요일(3월 16일)에는 경력관련 면접시험을 APEGBC에서 봤다. 보통 1시간정도라는데 30분을 초과해서 진행되었다. 영어가 모국어가 아니고 한국인의 정서에서 진행자가 '그만'이라면 그만해야 하는 문화적 특성때문에 불만이 가득한 면접이었다. 면접관들은 엔지니어라 기술적인 질문과 답변에 중점을 두면서, 외국 출신 엔지니어의 기술적인 능력과 캐나다 엔지니어로써 갖춰야 할 태도를 함께 봤다. 그러나 협회에서 참석한 진행자가 필자의 말을 끊을 때마다 열이 나서 억지로 참았다. 마지막에는 면접관 중 한 분이 이 면접이 기술사가 되기 위한 마지막 단계냐고 물었다. 면접중 기분이 상해있던 필자는 마지막 단계가 아니라고 하면 되는 답변을 협회의 불만으로 터트렸다. 필자는 기술사를 2007년 7월에 지원했고 영어관련 제도는 2009년 7월에 강화되었다. 이 내용이 필자에게 법률소급에 관한 불만을 갖게 하는 부분이다. 진행자는 협회관련이므로 필자의 답변을 막으려 했으나 그냥 터트렸다. 그렇지만 서로의 기분을 상하게 하거나 몰지각하게 하지는 않았으나, 끝내 진행자에 의해 제지 당했다. 영어를 잘 하고 말을 아주 빨리해서 제지당할 순간조차 없게 한다면, 외국출신의 엔지니어들에게 불합리한 제도를 불평하고 싶다는 생각이 목 끝까지 차 오른다. 영어를 못해도 1년짜리 30학점 수업만 마치면, 즉 우리나라의 일반석사가 아닌 야간대학원 학위 같은 것을 받게 되면 무지막지한 영어 요구조건으로 부터 해방된다. 아뭏든, 승리자는 불평이 없다고 한다. 이제 불평은 그만하고 코드관련으로 넘어가려한다. 이것도 자주 쓰게 될것 같지 않다. 만일 4월에 영어관련 수업을 듣게되면 필자가 원하는 공부는 거의 불가능할것 같다. 틈틈히 최선을 다해 보겠다는 말이 지금할수 있는 전부인것 같다.


0802.1.3 허용응력
0802.1.3.1 육안등급구조재의 허용응력

우리나라는 허용응력을 사용하고 있으나 북미는 한계상태 설계법으로 전이중이다. 거기서도 캐나다는 이를 선도한다고 말해도 과언이 아니다.
다음은 캐나다 코드에 제시된 경골목재에 관한 재료강도이다.

여기까지 언급된 재료강도에 대해서 공통점을 찾기란 쉽지않다. 추후 예제를 통해 비교하고자 한다.

0802.1.3.2 기계등급구조재의 허용응력: 많이 쓰지 않으므로 생략한다.

재료의 강도에 이어 수많은 보정계수는 다음에 다루기로 하면서 오늘은 여기서 줄이고자 한다.
한국인이 최고가 되는 그날을 위해서... ... .
대한국인 이희용(david.hy.lee@gmail.com)

KBC 0802.1.2 치수 및 수종구분

0802.1.2 치수 및 수종구분

0802.1.2.1 표준치수

건조재는 KS에 따른 수분 함량과 대패질 된(dressed) 목재이고 생재는 건조되지 않고 대패질된 목재이다. KBC2009는 위의 표에서 치수에 대해서 구조재별로 구분해 놓았다. 기타사항은 이전글에서 설명하였으므로 생략하고 잠시 목조의 용어와 간격에 대해서 간단히 언급하고자 한다. 현지 북미에서는 38x89(1.5"x3.5":실제치수)를 2x4(공칭치수)로 표기하고 two by four로 읽는다. 따라서 38x140, 38x235는 각각 2x6, 2x10으로 불려지며 각각의 목재는 항상 12", 16", 24"의 간격에 따라 시공된다. 그 이유는 합판(plywood or OSB)의 단위 크기가 4'x8'(48"x96")이므로 48과 96인치는 12인치, 16인치, 그리고 24인치로 나누면 나머지 없이 나누어지기 때문에 이를 선호한다. 나중에 자세히 설명하겠지만, 벽체는 주로 위의 간격을 사용하고, 바닥과 지붕은 위의 간격에 19.2"간격도 자주 사용한다.

0802.1.2.2 수종구분

KBC에서는 침엽수 구조재의 구분을 위의 표와 같이 구분하고 있다. 필자가 한국의 목재의 날인현황을 파악하지 못해 다음의 분류를 더하고자 한다. 이 분류는 NBCC2005 부록A, Table A-9.3.2.1.(1) A Species Designations and Abbrebiations에 따라 작성되었다.
1) D Fir-L(Douglas Fir-Larch): Douglas Fir(미송: 미서부산), Western Larch(북미서부 낙엽송)
2) Hem-Fir(Hemlock-Fir): Western Hemlock(북미 솔송나무), Amabilis Fir
3) S-P-F(Spruce-Pine-Fir): White Spruce(흰가문비나무), Engelmann Spruce(엥겔만 가문비나무), Black Spruce(검은가문비나무), Red Spruce(붉은가문비나무), Lodgepole Pine(북미 서부산 소나무), Jack Pine(북미 북부 뱅크스 소마무), Alpine Fir, Balsam Fir(발삼전나무)
4) North Species(Northern Species): Any Canadian Softwood covered by the NLGA(National Lumber Grades Athority) Standard Grading Rules. ex) Red Cedar(삼목)
KBC의 분류와 거의 비슷함을 알수 있을 것이다. 일부는 우리말로 뭐라 해야 할지 몰라서 뜻을 적지 못했으나 여러분들이 외국서적을 읽다가 보면 이런 수종구분을 쉽게 이해할수 있을 것이다.

우리나라도 전통목조의 기초와 주춧돌, 기둥, 들보등의 구조형태를 장부이음과 같은 독특한 방법을 이용해 발전되었으나 기준상의 정리가 미흡해서 마음이 아프다. 서구권부터 시작된 목구조 기준은 이제 우리나라의 목조기준에 반영되고 있으므로 외국에서 사용하는 용어를 정확히 이해해야 쉽게 이해할수 있으며, 이를 바탕으로 우리 전통목조를 외국인들에게 이해하기 쉽게 설명할수 있을수 있다고 생각한다. 필자는 친미주의자가 아니다. 그러나 그들을 알고 우리를 알리기 위해 준비하고자 이글을 준비하는 것이다. 부족한 사항이 있으면 알려주기 바란다.
다음글은 수종별 강도와 보정계수들인데 이부분이 너무 길어서 오늘은 여기까지만 하고 쉬려고한다.
그럼 담에 또... ... .

대한국인 이희용(david.hy.lee@gmail.com)

목재의 수축량을 계산할수 있을까?

지난글에 이어서 목재의 수축관련 내용을 건물내 예상되는 수직 축소량을 검토하고자 한다. 목재는 수종과 재재시 나이테의 방향에 따라 상이함을 지난 내용에서 알게 되었다. 그러면 어느 설계코드에 수축량 산정에 대해서 언급했을까? 불행히도 필자가 찾아본 결과 앞에서 처음글에서언급했던 코드에서는 못찾았고, 앞글에서 Design of Wood Structures와 Introduction to Wood Design (2005 Edition, Canadian Wood Council)에 설명에 되어 있다. 둘다 목조 교재로써 아주 훌륭하다고 필자는 생각한다. 전자는 미국 기준을 설명하고, 후자는 캐나다 기준을 바탕으로 준비되었다. 책에 대한 광고는 여기서 끝내고... ... .
실용적인 방법으로 다음의 식을 제안하고 있다.

S = D x M x c
여기서,
S : 목재의 수축량(shrinkage, mm)
D : 목재의 실제치수(actural dressed dimension, mm)
M: 목재내 함수량 변화(percent of moisture change below the fiber saturation point)
c : 축소계수 (shirinkage coefficient)

위의 공식은 예를 들어 설명하겠다. 먼저 궁금한것이" 축소계수(c)를 어떻게 구하나?"이다. 솔직히 목조건물 공사시 spruce engelmann(S-P-F로 사용되는 수종중의 하나)목재만 가지고 시공을 하는 것은 불가능하다. 그리고 목재의 길이방향은 축소량이 매우적어(보통 c = 0.00005) 무시한다고 하지만, 나이테의 진행방향과 접선방향에 따라 축소량이 다른데 어떻게 목재마다 전부 재재된 상태를 확인해서 축소계수(c)를 적용하는 것은 여간 어려운 일이 아니다. 이런 모든것을 고려해서 두 교재와 Canadian Wood Council(이하 CWC)에서는 축소계수(c)를 0.002로 제안하고 있다. 이제 축소계수를 알았으므로 이제 축소량을 쉽게 구할수 있다.

예) 정사각형 3층(층고 3m) 목구조 건물 각층에 2x10(38x235) 장선(joist)과 2x6(38x140) plate을 벽체상부에 2매, 하부에 1매를 설치하고, 건물 1면의 벽채의 길이는 6m (2x6@400)이라고 가정하자. 목재는 KBC를 고려해 건조재 18(KD18)를 사용하고 준공후 사용중 목재 함수량이 10%라고 가정하자. 실내 실외와 난방여부를 고려하면 10%가 거의 사용중 목재 함수량으로 적당하다고 생각한다.
풀이) 축소될 목재의 실제치수(D)은 각층에 1개의 장선과 3장의 플레이트가 시공(북미 정석임)되므로 D = 3(층) x (235 + 3 x 38) = 1047mm가 된다.
목재의 함수량 변화(M)는 18%에서 10%로 변화될것으로 가정했으므로 M = 18-10 = 8이다.
따라서 목재의 축소량(S) = 1047 x 8 x 0.002 =16.7mm가 된다. 여기에다 벽체의 축소량 산정해 본다면 D = 3 x [3000 - (3 x 38 + 235)] = 7953mm이며 S = 7953 x 8 x 0.00005 = 3.2mm가 된다. 따라서 스터드의 축소량은 매우 작음을 볼수 있다. 굳이 스터드의 축소량까지 더 한다면 예상되는 축소량은 약 20mm가 된다.

위의 예는 전형적인 목조주택의 경우이며, 목조건물에 조적벽 또는 철골모멘트 라멘 부재가 사용된다면 설계자는 충분히 목재의 처침으로 인한 stiff한 건축재로의 2차 응력의 전달을 고려해야 한다.

오늘 간단히 목조건물에서 예상 축소량 산정법에 대해서 언급했다. 비록 주요 부재설계만 하다보면 이런 것들을 작다고 소홀히 할수 있다. 그러나 엔지니어는 신과 같이 완벽할수는 없지만 최선을 다해 완벽해지려고 노력해야 한다고 생각한다.

그럼 다음에 또... ... .

대한국인 이희용 (david.hy.lee@gmail.com)

KBC 0802 재료 및 허용응력

0802 재료 및 허용응력
0802.1 구조용목재
0802.1.1 재종 및 등급
0802.1.1.1 재종과 0802.1.1.2 등급
구조용 목재의 재종과 치수는 KS F 3020(침엽수구조용재)에 따른다고 명시되어있다.
(1) 육안등급구조재(Visually Stess-Graded Lumber): 1종, 2종 및 3종구조재로 분류되며 또한 각각의 종에서 1등급, 2등급, 3등급으로 구분된다. 캐나다는 Light Framing(경골목구조), Beam & Stringer와 Post & Timber로 구분하며, 주로 SS(Select Structural), No.1, No.2,와 No.3(or Stud)로 구분한다. 북미에서 가장 많이 사용되는 재종이며 등급이다.
(2) 기계등급구조재(Machine Stress-Rated & Machine Evaluated Lumber): E7, E9, E11, E13, E15로 구분된다. BC에서는 기계등급구조재가 일반 주택, 타운하우스, 저층 목조 아파트 시공에서 잘 사용되지 않고 있다.

0802.1.1.3 건조상태구분: KBC에서는 목재의 수분함량에 따라, 건조재는 KD15(15%이하)와 KD18(18%이하) 그리고 생재는 G 18%초과로 구분하고 있다. 캐나다와 미국은 다음의 표와 같다.(출처: Design of Wood Structures 6th edition, Donald E, Beyer, 이하 이 참고서의 출처는 Desing of Wood Structures라고 하겠다.)
MC는 Moist Content, S-GRN는 Surfaced Green, S-DRY는 Surfaced Dry, KD는 Kiln Dried를 의미한다. 목재의 수분함량을 만족하기 위해 생재를 대기에서 말리는 방법은 시간과 장소의 제약이 따르므로 인공적인 건조방법인 KD를 사용하게 된다. KBC에서 북미보다 1%가 적은 18%의 규정까지는 필자가 알수 없으나 기후나 환경에 따라 엔지니어를 포함한 법 제정자들의 역활에 의해 제안되었을 것으로 믿는다. 한국도 자재검수시 또는 현장 반입시 목재의 규격, 등급 및 건조상태를 확인하겠지만, 북미의 모든 목재는 다음과 비슷한 형상의 도장이 날인되어 있다.
여기서, 12는 위의 그림에서 12 아래에 있는 WWP 즉, Western Wood Products Association에 등록된 제조회사의 고유번호라고 생각하면 되고, STAND는 Standard로 북미에서 경골목재의 등급중에 하나이다. 주로 STAND 대신에 No.1, No.2, No.3 또는 STUD라는 등급들을 흔히 볼수 있다. D FIR는 Douglas Fir-L의 줄임말로 북미서부 미송과 낙엽송들을 의미한다. S-DRY는 생략한다. 이상의 요건들이 목재등급관련 인장의 중요 요소라고 할수 있다.

목재에 대한 또다른 구분들을 언급하면 다음과 같다.

1) 치수에 따른 호칭: 치수에 대해서 설계코드에 따라 추후 설명하겠지만 일반사항을 설명하면 영어로 된 코드나 책을 읽다가 보면 lumber와 timber의 구분이 명료하지 않다. 그러나 간단히 말하면 lumber는 최소변의 치수가 2"(38mm)~4"(89mm)인 목재이고 timber는 5", 즉 6"(140mm)이상의 목재를 말한다. 필자는 공칭(호칭)치수와 실제치수를 둘다 적어 놓았다.

2) 수종에 따른 호칭: hardwood는 활엽수가 주종이며, softwood는 침엽수가 주종이다. 침엽수중 Douglas Fir와 Southern Pine은 침엽수로 hardwood로 구분이 되나, 밀도나 구조적 특성이 일반 ardwood보다 우수하여 많이 사용하게 된다.

3) 목재내의 호칭: 목재내에는 계절과 나이에 따라 호칭이 다르다. 아래의 그림(Design of Wood Structures)을 보면 1년동안의 나이테사이에 봄에 자란부분(early wood)과 여름에 자란부분(latewood)으로 구분이 되며, 여름에 성장부분이 더 두껍고 밀도와 강도가 봄에 성장한 부분보다 우수하다. 목재 단면상 어두운 부분은 heartwood로 초기부터 나무를 지탱하는 부분이고, sapwood는 나무자체의 지탱과 양분의 저장 및 운반을 담당하는 부분이라고 말할수 있으며 강도의 차는 거의 없으나 heartwood는 양분이 적으므로 부패저항능력이 우수하고 sapwood는 양분저장공간의 존재로 wood-preserving chemical 침투능력이 우수하다.

4) 표면 상태에 따른 호칭: 재재목(sawn lumber)의 표면정도에 따라 dressed(or surfaced, 제련된), rough-sawn과 full-sawn lumber로 나누어진다. 대분분의 구조재로 쓰이는 재재목은 dressed lumber와 rough-sawn lumber이다. 이중에서도 dressed lumber가 거의 다라고 보면 된다.

<목재의 건조수축관련 특성>

오늘 추가적으로 간단히 목재의 건조특성에 알아보겠다. 먼저 좌측의 그림(Design of Wood Structures)을 보면 목재는 나이테의 직각(radial) 및 평행방향(tangential)과 목재의 길이방향(longitudinal)으로 수축하게 된다. 여기서 궁궁증을 유발하는것이 과연 어느방향으로 가장 많이 수축할까? 목재는 tangential방향으로 수축을 가장 많이하게 된다. radial 방향으로의 수축은 tangential방향의 약 절반정도이나 무시할수 없는 수축량이지만, longitudinal방향 축소는 거의 무시할수 있다. 목재의 수축량은 수평부재 즉, 장선(joist)과 덮개(rim board)의 수축량(건조수축 및 수직하중에 의한 축소량을 포함)의 영향이 거의 전부라고 해도 과언이 아니다. 거기에 BC주에서 이끌고 있는 6층 목구조의 경우, 중력방향 축소량은 더이상 무시할수가 없다.

KBC에 내용에 따라 준비를 하다보니 조금 불편한 감이 있다. 그리고 미국 보다는 캐나다 코드에 의해 설명이 더 많아지는데 이해해주기 바란다.

그럼 다음에 또 ... ... .

대한국인 이희용 (david.hy.lee@gmail.com)

KBC 제8장 목구조

이제 목구조에 대해서 이야기를 펼치려 한다. 솔직히 펼친다기 보다는 KBC2009 제8장에 대해서 정리 하고자 하며, 현재 생각으로는 KBC2009를 NBCC2005, IBC2006, CSA-O86-01, NDS2005와 함께 비교검토 하고자 한다. 물론, 실무적인 사항도 포함하려는데 잘 될지 모르겠다.

위의 코드명들을 풀어쓰면 다음과 같다.
1) KBC2009: Korean Building Code 2009
2) NBCC2005: National Building Code of Canada 2005
3) IBC2006: International Building Code 2006
4) CSA-O86-01: Engineering Design in Wood
5) NDS 2005: National Design Specification for Wood Construction 2005

건축구조기준 2009 (KBC2009)
제8장 목구조
0801.1 적용범위
이 장은 구조용 목재 또는 구조용 목질 재료를 사용한 아래의 건축물 및 공작물에 적용한다.
(1) 일반 목조건축물의 구조부분 및 다른 구조와 병용한 건축물의 목조부분으로서 지면으로부터 순목조 부분의 지붕높이가 18m이하 또는 처마 높이가 15m 이하이며 연면적 3,000m^2 이하(1,000m^2마다 방화구획을 함)인 경우, 다만 스프링클러를 설치한 경우에는 연면적 6,000m^2(2,000m^2마다 방확구획을 함)까지 적용할수 있다.
(2) 탑 및 마스트
(3) 거푸집, 비계, 지주 등의 가설구조물
다만, 전통목구조인 경우에는 0806절을 적용하고 경골목구조인 경우에는 0807절을 적용하여 설계할수 있으며, 특별한 조사나 연구에 의하여 설계할 때에는 이 기준을 적용하지 않을 수 있다.

IBC2006 SECTION 503~504 & Table 503을 보다가 보면, KBC2006가 IBC 코드를 근거로 제정된 느낌을 받게 된다. 다만, 미국에서는 건물의 용도와 건설형태에 따라 층별면적과 층수가 결정이 되지만 우리나라는 매우 간소화 하였다. 이를 NBCC에서 찾아 보면, 미국과 흡사하다. 방화계획에 따른 목구조 층수 및 면적은 Canadian Wood Council에서 출판한 Wood Design Manual 2005 Table 10.1(p.500~501)에 잘 나와 있다.


위의 표는 NBCC2005의 방화계획에 따른, 목구조 부분만 발췌하여 만들어진 것이다. 사실 British Columbia Building Code는 목구조를 6층까지 허용하는 법안이 2009년 말부터 시행중이나, 아직 6층 목구조 건물을 보지는 못했다. 그리고 NBCC2010에서 BC주의 법안이 채택될것이다.
캐나다는 NBCC의 Part3(방화관련기준), Part4(구조관련기준)과 Part9(소규모건축물관련기준)에 따라 구조설계 적용이 제한을 받게 되는데, KBC의 목구조에서 적용범위는 NBCC의 Part3과 Part4와 비슷하게 느껴진다. 여기서 NBCC Part9의 적용범위가 궁금해질것이다. 소규모 건축물 관련 기준의 적용범위는 3층이하의 건물로 건축면적이 600m^2이하이며, 수평부재의 순간격이 12.2m이하로 규정하고 있다. 아울러 지붕의 경사각도는 45도이하, 바닥 적재하중은 최대 2.4kPa로 제한하고 있다. 이 제한규정 이상의 건축물 또는 Part3를 적용해야 하는 건축물은 규모가 작거나 크거나 모두 Part4로 설계되어야 한다. 필자의 얘기가 생소하겠지만, 간단히 말하면 Part9에 의해 설계되는 구조물은 횡하중의 고려없이 경험적인 결과에 따라 설계된다고 생각하면 이해가 빠를것이다. 이것이 Part4와 Part9의 큰 차이점이었으나, 2008년 9월부터 BC주의 경우 Engineering Guide for Wood Frame Construction (2004 Edition, CWC)에 따라 Part9건축물 설계를 장려하고 있다. 목조주택의 경우, 비구조재와 구조재간의 잉여력으로 횡하중 설계를 무시했었으나, 개구부 크기와 수평부재 경간의 증가로 지역별 풍하중의 크기와 0.2초 단주기 지반가속도에 따라 수평하중 적용법을 제시하고 있다. 자세한 사항은 추후 설명하기로 하겠다.

0801.2 용어의 정의: 생략

0801.3 주요 기호: 생략

이번에는 여기까지만 정리하고자 한다. 처음이라 어떻게 써야 할지 조금은 막막하다. 그리고 왜 KBC에서 허용응력도 설계법을 적용했는지가 이해가 되지 않는다. 모든 코드는 한계상태 또는 극한강도 설계법으로 가고 있으며, 캐나다는 한계상태설계법이고 미국은 허용응력도와 한계상태 설계법을 제시하고 있다. 제정자의 의도까지 이해 할수 없으나 한계상태설계법 쪽으로 비중을 두고 설명하고자 한다.
그럼 다음에 또... ... .

대한국인 이희용 (david.hy.lee@gmail.com)