캐나다의 주택설계-5

지난글에서 sheathing에 대한 내용중에 좀더 사견을 언급을 하고자 한다.
Sheathing 종류는 크게 Plywood와 OSB로 구분되며, 코드상에는 wet condition에 대한 언급이 plywood는 있지만 OSB는 없다. 즉 코드만 본다면 우기에는 OSB를 사용하지 말아야 한다. 실제로 현장에 가보면 주택건축업자들은 둘다 구분없이 사용하고 있다. 필자가 알기로는 OSB가 약간 저렴한것으로 알고 있다. 여기에 필자의 사견으로 분석해보면, OSB가 후발주자라는 생각이 많이 든다. 통상적으로 저렴한것은 후발주자가 많다(물론 아닐수도 있지만). 선발주자인 plywood는 그동안 시장과 코드를 점령하였고 OSB등장으로 우기조건을 코드에 삽입하게 되었다. 약간의 정치적인 개념이... ... . 왜 그런 생각을 했냐면 실제로 현장의 얘기를 들어보면 sheathing재가 물과 접촉하게 되면, plywood는 라미네이트 되고 OSB는 부풀어 오른다. 둘다 제강도를 잃게 되므로 저감이 필요하다.

다시 원점으로 와서 캐나다목조주택의 기둥과 보는 단순한 부재일 뿐이다. 특히 내부는 수직하중만으로 설계하면 된다. 외부도 통상 벽체의 스터드 간격이 16"이므로 스터드에 작용하는 풍하중은 매우 작다. 따라서, 최소 2겹이상의 스터드가 built-up post가 되므로 풍하중의 영향을 무시해도 된다. 즉 기둥과 보는 수직하중만 가지고 설계를 하며, 부재에 작용하는 풍하중에 의한 P-Delta해석도 무시해도 무리가 없다. 조금 더 안전측의 설계를 한다면 기둥설계시 최소편심을 이용한 설계를 하면 된다. 주 재료는 보의 경우 2x10, 2x12을 이용한 built-up beam을 많이 사용하고 큰 집중하중을 받거나 하중과 처짐의 문제가 생기면 PSL, LVL, Gluelam등을 사용하고 그래도 해결이 않되면 철골보를 사용한다. 물론 기둥도 built-up, solid, PSL, steel(주로 박스형) post를 사용하게 된다. 접합부는 주로 기성재를 사용하고 필요하면 설계해서 제작하기도 한다. 이로써 목조주택 구조설계에 대해서 개략적으로 정리가 되었다. 최하부 기둥들의 반력을 이용해서 철근콘크리트 설계법에 따라 기초와 지하외벽을 설계하면 된다.

한국의 구조설계사무소 출신의 엔지니어라면 처음에 용어에 대한 정리가 조금 어려울뿐 실무에서 아무런 어려움 없이 진행할수 있을 것이라고 생각한다.

잠시 근래 주택의 문제점을 하나 언급하고자 한다. 캐나다 사람들은 집에서 바라보는 전망을 아주 중요시 생각한다. 그러다 보니 가파른 산을 깍고 올라가고 또 올라가게 된다. 주택들이 급경사지에 건축되므로 많은 주택들이 편토압을 받게되며, 이런 편토압은 또한 수압이 무시되어 있으므로 홍수위는 생각하지도 않는 것이 현지 실정이다. 금번 겨울에 매우 많은 눈과 비가 내렸다. 이로인해 쌓인 눈으로 우수시스템이 작동불가 지역이 많았고 설상가상으로 많은 양의 비까지 내려 표면수들이 거의 다 홍수위와 같은 수위를 형성하게 되었다. 이로인해 주택의 슬라이딩이 많이 일어났다. 필자는 수압증가에 따른 지하외벽의 철근량 증가와 shear key 설치의 필요성을 역설하였지만 현실로 받아들여지기는 힘이 든다. 대부분의 사람들이 변화를 싫어하고 변화에 대처하려는 노력이 없다. 구조엔지니어라면 하나같이 예상할수 있는 문제점들이다. 이 외에도 필자는 2007년 말 주택의 횡하중 저항 시스템의 필요성도 언급했었다. 현재는 기술사회 가이드 라인에 따라 횡하중 저항 설계를 하지만, 많은 엔지니어들이 이를 무시하고 업자들도 불평이 많다.

우리는 공부해서 지식을 쌓고 경험을 보태서 계속 경제적이고 친환경적인 설계법을 연구해야 하며, 세상의 변화에 선두에 서야 한다고 필자는 주장한다. 이로써 간단하게 주택구조설계를 마치겠다. 앞으로 필자의 시험이 끝날때까지는 그때 그때 생각나는 데로 게시하겠다. 시험이 끝나면 전문성을 가진 게시물을 생각하고 있다. 삽입도면, 그림, 수식없이 설명은 너무 힘든것 같다. 그럼 담에 또 ... ... .

대한국인 이희용(david.hy.lee@gmail.com)

캐나다의 주택설계-4

지금까지 하중산정과 수평하중에 대한 저항시스템에 설명을 마쳤다. 목조주택의 경우 거의 단순접합이므로 다이아프램과 전단벽 설계에 대해서만 언급을 하였다. 그렇다면 다른 횡력저항시스템은 없을까? 물론 여러 시스템을 만들수 있다. 일부 steel moment frame이나 목조를 이용한 partially monent frame을 만들어서 횡력을 저항시킬수가 있다. 전자는 일반 철골 모멘트 프레임으로 철골조의 모멘트 저항능력으로 횡력을 저항하고, 후자는 목조와 철골접합부를 이용한 부분모멘트저항 시스템으로 이런 시스템이 되기 위해서 연결부 중심에 steel pin을 삽입하고 box형 또는 plate를 이용한 접합부를 이용하여 목제의 최대모멘트 저항력과 steel 접합부를 이용한 부분적인 모멘트 접합골조를 만들어서 횡력을 분담시키는 방법이다. 둘다 경제성 때문에 일반주택설계에서는 기피하는 경향이 있으나, 건축설계자의 평면계획상 구조설계에 합당한 평면변경이 불가하다면 위의 횡령저항시스템이라도 적용해서 구조물의 안정성을 확보해야 한다.

횡력저항시스템 설계가 끝나면 이제부터는 수직저항시스템을 설계하면 된다. 선택된 횡력저항용 sheathing들의 면외 휨 및 전단을 확인하고 조이스트를 설계를 한다. 조이스트는 일반 2x8, 2x10, 2x12를 사용하거나 I-joist를 사용하기도 한다. 여기서 잠시 언급한다면 구조엔지니어는 크게 prime structural engineer & special structural engineer로 나누어지는데, 예를들면 전자는 주택의 횡력저항시스템 및 뼈대와 기초를 담당한다면, 후자는 트러스, 접합부, Engnieered Joist등을 담당한다고 볼수 있다. 따라서 전자는 후자들의 기술사의 날인이된 설계도면을 확보하고 확인하는 것이 중요한 업무중 하나이다. 다시 조이스트 이야기로 돌아가서 조이스트는 하중작용방향에 대한 단면을 보면 폭(width)에 대한 춤(depth)의 비가1:4, 1:5, 1:6(보통 RC보: 1:1.5~2)로 매우 세장함을 알수 있다. 따라서 횡좌굴(lateral buckling)에 대한 고려를 해야 한다. BCBC2006 & NBCC2005에는 횡좌굴방지를 위한 비지지 조건에 대한 최대 조이스트 길이를 언급하고 있다. 그렇다면 목조 바닥에서 비지지 조건에는 무엇이 있을까? 대표적인 것이 조이스트간 x-brace와 같은 bridge(2x2목재)를 설치하거나 또는 조이스트 하부에 1x4정도의 목재를 길게 설치하는 strapping이나 마지막으로 조이스트와 같은 사이즈의 blocking을 설치하는 것이다. 이외에 bridge의 진보된 형식의 IBS2000이 있다. 조이스트 스팬과 하중에 따라서 적절한 방법을 선택하는 것이 구조엔지니어의 몫이라고 할수 있다. 강도면에서 본다면 제일 약한것부터 튼튼한 순서는 strapping < bridging < blocking < IBS2000이다. 필자가 많이 쓰는 것은 bridging과 blocking이며, 때로는 IBS2000을 쓰기도 한다.

이렇게 해서 횡력저항시스템에 대한 보충설명과 수직저항시스템의 가장 기본인 sheathing과 joist 시스템에 대해서 설명을 하였다. 다음에는 보, 기둥 그리고 접합부에 대해서 설명하기로 하겠다. 그럼 다음에 또 ... ... .

대한국인 이희용(david.hy.lee@gmail.com)

캐나다의 주택설계-3

오랜만에 다시 올리게 되었다. 학력인정시험을 보고서 나름대로 그 동안의 스트레스를 푸느라고(?) 게을리 했다.(지송)

지난번까지 개략적으로 목조주택설계과정을 설명했고, 거의 모든 주택들은 NBCC2005 Part 9, BCBC2006 Part 9과 APEGBC에서 제시하는 가이드라인에 의해서 구조설계 되고 있다. 현재 주택설계시 내진, 내풍설계를 강화시킨 새로운 building code가 준비되고 있다. 필자의 설계방법을 제시하면 평면요소 즉, floor & roof sheathing들은 모두 diaphragm 설계를 하고 일부 벽체를 shear wall로 설계를 하고 있다. 이것이 내진, 내풍설계의 기본이다. 지역 및 지형에 따라 수직 및 수평하중을 산정하고, diaphragm & shear wall을 먼저 설계를 한다. Diaphragm & shear wall 설계시 개인적인 엑셀프로그램을 사용하지만 아직 프로그램이 초보 단계라 오픈하기는 좀 힘들고 나중에 필자가 시간의 여유가 생기면, 개발시켜서 오픈하도록 하겠다. shear wall은 보통 주택의 층고가 약 9~11ft인점을 감안하면 상하부 연속된 최소벽체길이(3~3.5ft(1:3.5)) 이상의 벽체들을 선택하여 설계를 한다. 이때 shear wall에 작용되는 수평하중들에 의한 층간 전단력으로 벽체내에 작용하는 면내 휨모멘트 저항(sheathing)과 인장 및 압축력을 구해서 벽체의 층간 상하부에 연결재와 최저층 벽체하부에 보강재(hold down anchor)를 설치하게 된다. 그리고 diaphragm 검토시 벽체 상부의 top plate들의 shear load transfer시 저항강도를 검토해야 한다. 그러나 대부분의 하우스에서 3/8"두께이상의 sheathing과 2-2x4 정도면 diaphragm과 load transfer에 대한 문제가 없지만 구조설계자는 반드시 계산으로 확인하기 바란다. 초기 주택설계에서 이런 부분들이 제일 중요한 것이다. 보통 저층 콘크리트 구조물은 mass가 크므로 지진하중이 우세하지만, 상대적으로 다른 구조재료들에 비해 구조물의 전체 mass가 작은 목조주택은 평면 및 입면형태에 따라 지진하중이 govern하거나 마치 철골공장처럼 풍하중이 govern한다. 따라서 구조설계자는 하중산정과 구조물의 거동에 대한 충분한 지식과 경험이 있어야 주택설계에서 정확한 수직 및 수평하중에 대한 설계가 가능하다.

그럼 이런 diaphragm과 shear wall에서 무었이 중요할까? sheathing용 판재와 못질(nailing pattern)이다. 판재는 코드에 의한 면외 및 면내 휨강도를 고려해서 설계를 한다. 그리고 판재의 네방향 단부의 지지조건을 이해해야 한다. 판재와 판재가 맞나는 부분에 코드에서 제시하는 지지조건은 3가지가 있다. 판재의 길이방향 접합은 트러스의 상현재에 못질을 하므로 해결이 되지만 diaphragm이 되기 위해서는 폭방향 접합부에는 tungue & groove, H-clip, & blocking이 적용되어야 한다. 대부분의 현장에서는 지붕 판재 폭방향 접한은 H-clip을 사용하고 층바닥은 tungue & groove를 적용한다. 그리고 shear wall에는 blocking을 사용한다. 또하나 설계시 중요하다고 할수 있는 것이 바로 못(nail)에 대한 이해다. 주택 목구조 구조설계자는 못의 특성과 뽑힘 및 전단 강도를 이해하고 계산할수 있어야 한다. 그리고 때로는 철골접합부 볼트 설계와 마찮가지인 볼트군의 모멘트 저항을 이해해서 nailing형태에 따른 저항강도를 알아야 한다. 그러면 목구조의 어떤문제도 거침없이 풀어갈수 있다(필자가 겁없이 얘기를 했다. 2010초 현재 이해해야 할것이 부지기수다.). 필자가 일년동안의 캐나다 경험을 보면 nailing의 이해가 된 순간부터 빌더들이 원하는 어떤 형태의 접합부라도 설계해 주는데 전혀 문제가 없었다. 또한 핀접합으로 이루어져 있는 목조주택은 내부 보와 기둥들은 수직하중에 대해서만 설계를 해주면 되므로 콘크리트와 철골처럼 복잡한 거동을 고려한 설계가 아니라 단순히 휨, 전단, 압축에 대해서만 설계코드를 이해하면 구조설계나 현장의 문제 해결시 아무런 어려움이 없다고 단언할수 있다. 그 만큼 코드만 어느정도 이해하면 목조주택설계는 해결이 된다는 것이다.

어느정도 구조설계에 대해서 이해가 되신분들은 캐나다 목조코드에서 built-up member(beam & column)과 Shear wall & Diaphragm, & Nail를 먼저 이해해 놓으면 좋다. 선행되는 하중들은 예전에 설명을 했고 오늘은 diaphragm & shear wall을 설명했다. 부족한 부분은 나중에 생각나는데로 채우기로 하고 다음에 다시 ... ... .

대한국인 이희용(david.hy.lee@gmail.com)

캐나다의 주택설계-2

지난주에는 주택설계에서 간단하게 인허가 관련 구조엔지니어의 역활과 위상에 대해서 이야기를 하였다. 이번주와 다음주는 필자의 개인사정으로 조금 간단하게 진행하도록 하겠다.

구조재료들은 크게 4가지(철근콘크리트, 철골, 목재, 조적)로 나누어지며 굳이 하나를 더한다면 합성재(철근철골콘크르트)를 언급할수 있다. 한국에서 주택은 주로 콘크리트재료를 사용하고 가끔 목조와 목조와 비슷한 구조형식으로 설계된 경량철골을 이용한 철골식 주택등이 있다. 여기 캐나다에서는 아니 북미가 거의 그럴것이라고 생각하는데 목조가 주며, 약간의 콘크리트, 조적 그리고 경량철골식 주택이 있다. 그렇다면 어느주택을 설명할 것인가? 다 아시겠지만 캐나다의 목조를 설명하려고 한다. 캐나다의 목조와 목조 코드들을 보면 코드가 코드제정 이전부터 사용된 시공방법에 대한 검증을 바탕으로 발전되었다고 볼수 있다. 즉, 코드제정이전 사람들은 여러 시행착오를 거치면서 주택을 건설하였을 것이고, 나름대로 span table 같은 자료들을 만들었을 것이다. 코드제정시 오랜동안 건축된 주택의 시공방법과 시공형식을 고려하고, 검증과 실험을 바탕으로 발전시켜 오늘날의 목구조 코드로 되었을 것이라는게 필자의 사견이다. 이 부분은 조금 이해가 되지 않을 수도 있으나 목구조 코드를 공부하다보면 자연스럽게 느껴지는 부분이다.
한국의 목구조와는 달리 캐나다는 주로 톱질된 sawn lumber를 사용하는데 목재의 종류를 보면 timber, rough lumber, sawn lumber, PSL(Parallel Strand Lumber), LVL(Laminated Veneer Lumber), glulam등을 사용한다. 여기서도 많이 사용되는 것이 sawn lumber이다. 그렇다면 나무의 종류는 주로 Douglas-Fir(D.Fir-L), Spruce Pine Fir(S-P-F), Hem Fir(Hem-F)를 사용하며 여기서도 대새는 S-P-F다. 목재마다 재료별 작용하중별 강도가 틀리며 강도에 따라 S.S(Selected Structure)> No.1> No.2> No.3(stud)로 나누어 진다. 강도구별은 목재에 찍혀 있는 도장을 보고 확인할수 있다. 모든부재는 통재를 잘라서 사용하지만 Stud는 여러목재를 finger joint를 만들어 접착시켜서 사용하므로 육안으로도 구분이 쉽게 된다. 그럼 어떤 목재와 강도를 주택건설에 많이 사용할까? S-P-F No.2와 stud를 주로 사용하게 된다. 스팬에 따라 D.Fir-L No.1, No2와 Engineered I joist를 사용하고, 보와 기둥이 큰하중을 필요로 하면 PSL(2.0E: 기둥, 1.8E: 보), LVL을 사용하고 때로는 glulam과 철골을 사용하기도 한다. 여기에 sheathing용 부재(판재)로 plywood와 OSB(Oriented Strand Board)가 있으며, 때로는 plank decking용 부재 또는 일반 sawn lumber를 판재의 역활 대용으로 사용하기도 한다. 간단하게 목재에 대해서 소개를 하였다. 다음주부터는 트러스부터 기초까지 구조적인 측면에 대해서 설명을 하겠다.

대한국인 이희용(david.hy.lee@gmail.com)

캐나다의 주택설계-1

지난주까지 이야기를 늘어 놓으면서 횡력저항시스템까지 언급하였다. 기타 초고층에서 많이 사용하는 횡력저항은 벨트 트러스와 아웃리거를 이용한 방법이 있고 튜브구조, 메가시스템등 여러 종류가 있지만 자세히 살펴보기에는 현재로서는 필자가 정한 한계 때문에 좀 어렵다. 처음에 언급했듯이 필자의 주관적인 의견을 수식없이 펼치려고 하니까 나름대로 깊이가 조금 떨어지는 것 같다. 나중에 학력인정시험이 끝나면 한국, 미국, 캐나다의 코드비교와 좀 더 기술적인 내용을 그림과 수식등을 이용해서 설명하기로 하겠다.

이제 캐나다의 주택설계를 들여다 보기로 하겠다. 캐나다 National Building Code 2005(이하 NBC)와 BC지방의 British Columbia Building Code 2006(이하 BCBC)를 근거로 BC지방의 주택설계가 이루워 진다. 이 코드들은 실상 차이점이 거의 없다고 봐도 과언이 아니다. 3층이하, 건축면적이 600m^2(약 6,458ft^2)이하인 건축물은 주로 BCBC의 Part 9와 일부 Part 4를 적용하며, 3층이상, 600m^2이상의 구조물은 Part4에 의해서 설계를 해야 한다. BC에서 건축도면은 건축 테크니션들이 디자인을 하고, 계획된 건축도면을 근거로 구조분야 P.Eng.가 설계를 수행하며, 기술사 도장으로 날인된 도면과 기타 서류로 행정지역 인허가가 정리된다. 건축도면은 Part 9 건축물 도면은 건축사의 개입없이 건축설계가 가능하므로 건축설계 기능자가 가능하며 이 도면은 구조분야 P.Eng.의 설계와 날인 및 기타 서류로 인허가를 득할수 있으나, 그 외의 건축물은 건축사의 도면에 P.Eng.날인된 구조도면과 기타 서류를 첨부하여 건축사에게 제출한다.) 메트로 밴쿠버내의 밴쿠버시를 제외한 모든 시들은 P.Eng.가 건축물의 규모에 제한 없이 설계가 가능하지만 밴쿠버시는 3층이상, 600m^2이상인 건축물은 Struct. Eng.(Designated Strcutrual Engineer)만 설계할수 있는 것으로 알고 있다. 여기서 한국의 제도를 잠깐 보면 한국은 3층, 연면적 1000m^2, 건물높이 13m, 처마높이 9m, 기둥간 간격(내력벽간 간격)이 10m이상인 건축물은 건축구조기술사가 설계를 수행하고 그 이하의 건축물은 건축사와 인정기술사와 같은 사람들이 설계를 할수 있다. 가뜩이나 건축사의 하청업체로 구조업무를 수행하는 건축구조분야 기술자들은 현재 이 법규를 개정해서 모든 건축물의 설계를 구조기술사에게 전임시키려고 노력중이다. 필자의 생각으로는 이런 개정도 좋지만 건축사의 하청업체로 밖에 될수 없는 사회구조를 변화시켜야만 구조분야의 밝은 앞날이 보장될것이라고 짧게나마 말하고 싶다. 즉 밴쿠버시와 기타 미국의 구조분야를 보면 P.Eng.는 한국의 인정기술사 정도이고, Struct. Eng.(또는 SE(미국))가 되어야 한국의 건축구조기술사와 같은 역량을 가지게 된다는 것이다. 필자는 밴쿠버시의 건축물의 구조설계자격제한에 적극 찬성의 한표를 보내는 바이다. 거기에다 조금 더 보태면 모든 구조물에 대해서 Struct. Eng.만 설계를 해야 한다고 생각한다. 물론 Struct. Eng.라고 완벽한 구조설계자라고 얘기 할수 없지만(경력은 대충 집어넣고 공부만 절라 해서 딸수 있으므로) 제도의 강화가 필요하다고 생각한다. 캐나다는 P.Eng. 도장에 전문분야가 나타나지 않으므로 문제가 심각하고, 거기에다 시스템이나 구조계획, 모델링, 단면설계조차 제대로 하지 못하면서 구조분야 P.Eng.가 되어서 Liability를 걸고 과다설계를 일삼게 된다. 물론 모든 엔지니어가 그렇다는 것이다. 항상 어느 사회에서든 일부가 전체를 흐리게 한다. 그러나 그 일부를 막아야 하는 것이 엔지니어의 또 다른 책임이라고 생각한다. 필자가 P.Eng.가 되면 협회, 각 시와 BC지방정부에 건의하려고 한다. 자격제도의 강화와 Liability에 대한 모호성 극복등... ... . 잡생각이 참 많다.

다시 간단히 정리하면, BC에서 (Part 9건축물은) 구조엔지니어가 건축 테크니션들이 작성한 건축도면을 검토하고 엔지니어링을 적용하여 구조도면을 작성하고 날인하여 관할지역 허가를 받을 수 있다. 즉, (주택건설을 위한) 고객들이 건축도면을 입수하게 되면 직접 구조설계사무소를 찾아와 엔지니어의 설계와 날인 부탁하고 엔지니어로부터 승인된 도면을 입수해서 허가를 신정하게 된다. 공사가 개설되면 기초부터 전체구조물까지 공사단계별로 엔지니어가 현장검측후 이상이 없으면 검측보고서가 건축주에게 전달된다. 관할행정구역에서도 검측을 하는데, 이때 시청인스펙터도 현장검측후 엔지니어의 검측보고서를 건축주에게 요구하므로 사회적, 제도적으로 구조엔지니어의 중요성을 인식은 하고 있지만 더욱 강화시켜야 한다는 것이 필자의 생각이다. 책임과 권한이 한국에 비해 상당히 크므로 더욱 자격자들이 필요하다는 것이다. 약간 전반적인 이야기로 끝나지만 다음주에는 좀더 세부적으로 이야기를 해보기로 하겠다.

대한국인 이희용(david.hy.lee@gmail.com)