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ISSN : 2234-6937(Print)
ISSN : 2287-6979(Online)
Journal of Korea institue for Structural Maintenance Inspection Vol.16 No.2 pp.104-112
DOI :

나선형 철물을 사용한 전통 목구조의 장부 보강기법

유혜란1), 권기혁2)*
1) 정회원, 서울시립대학교 건축공학과 박사
2) 정회원, 서울시립학교 건축학부 건축공학과 교수

Tenon Reinforcement Technique on Tradition Wooden Structures Using Spiral Hardware

Ki Hyuk Kwon2)*, Hye Ran Yu1)

Abstract

The failure of tenon in a traditional wood-framed structure may collapse of the entire structure. This study evaluatesthe strength and stiffness of tenon joints between the beams and pillars through experimental study and suggestsreinforcing method of the tenon joint without dismantling the main structures. The main experimental parameters are thenumber, distance, shape, and inserting depth of spiral-shaped reinforcing steels. As the thickness of the tenon in beamsincreases, the strength and the initial shear stiffness of the joint increases and, however, the tenons in pillar becomesweaker, resulting in the safety problem of the structure. It is recommended that three spiral-shaped reinforcing steels beplaced in the central parts of the tenon to effectively improve the strength and the shear stiffness of the joint.

논문13 12-013_유혜란-나선형 철물을.pdf2.31MB

1. 서 론

 건축 재료는 주변 환경에 가장 많은 영향을 받으며, 우리나라 역시 주변에서 구하기 용이한 목재가 주요 재료로 사용되었다. 마름질(治木)한 목재를 이음과 맞춤으로 조립하여 전통 목조 건축물(이하 전통 목구조라 칭함)의 가구를 구성하며 주요 구조부재는 기둥⋅보⋅도리이다. 국내의 전통 목구조는 못⋅듀벨 등과 같은 철물을 사용하지 않고 수직부재인 기둥에 보⋅도리 등과 같은 수평부재의 단부 단면을 줄여 각 부재를 결구시킨다. 전통 목구조는 목재로 가구를 구성하고 이 위에 적심(산자를 엮은 위에 기와잇는 물매를 잡기위하여 서까래에 가로 덧대는 잡목), 보토(지붕 산자 위에 물매를 잡기 위하여 펴까는 흙), 알매흙(한식기와를 이을 때 산자 위에 까는 흙), 강회다짐, 기와 등으로 지붕을 구성하게 된다. ‘건축물 하중기준 및 해설’에 제시된 지붕의 적재하중은 접근이 곤란한 경우가 1 kN/㎡이고 정원 및 집회 용도와 헬리콥터 이착륙장인 경우가 5 kN/㎡이다. 전통 목구조의 지붕 적재하중은 기존 자료와 대목들에 의해 산정한 결과 5.3kN/㎡(방재연구소, 2010)으로 상당히 큰 하중이 적용된다. 이러한 지붕하중은 전통 목구조의 결구부에 압축력, 인장력, 전단력, 휨모멘트, 비틀림모멘트로 작용한다. 전통 목구조의 부재 단면은 상부 하중을 지지하기에 충분하지만 단면이 손실된 결구부인 기둥의 사개부분, 보의 목(숭어턱과 장부) 및 도리의 이음부에서 주로 구조적 문제가 발생하며, 보의 주요 파괴성상은 Fig. 1과 같이 장부에서 파괴된다.

 전통 목구조는 기둥 상부에 수평부재인 보와 도리가 결구되며 각 방향에 따라 도리 하부에는 장여, 인방 또는 흙벽 등이 설치되나 보에는 다른 부재가 결구되지 않는다. 수평부재 중 보가 파괴된다면 건축물의 붕괴로 이어질 수 있으므로 전통 목구조의 안전성을 확보하기 위해서는 보의 강성이 중요하다. 일반적으로 건축물의 구조성능을 향상시키기 위해서는 건물의 강도 즉 내력을 향상(강도저항형)시키거나 건물의 변형능력을 향상(인성저항형)시키는 방법이 있다. 전통 목구조는 연성능력이 우수하므로 내력을 향상시키는 것이 효과적이다. 내력을 향상시키기 위해서는 부재의 단면을 크게 하거나 철물 등을 사용한다. 전통 목구조는 결구부의 단면을 크게 하려면 부재 전체의 단면이 커져야 하므로 이는 재료의 수급의 문제점과 부재의 효율에 대한 문제점이 있다. 게다가 철물 등을 사용한 전통 목구조의 기존 보강방법은 상부 구조체를 해체하여야 가능한 방법이나 이는 공사의 규모가 커질 뿐 아니라 공사비도 증가되므로 비효율적이다. 전통 목구조의 보 장부는 Fig. 1과 같이 파괴되므로 보를 해체하지 않고 기둥-보의 결구부의 강성을 확보할 수 있는 방안이 제시된다면 전통 목구조를 보수하는데 효과적이라 할 수 있다.

Fig. 1 Fail Mode of Tenon

 그러므로 본 연구는 전통 목구조의 기둥-보의 결구부 구조성능을 평가하기 위한 연구의 일부로 결구부의 내력을 향상시키는 보강방법을 제안하고자 한다. 비보강 실험체의 내력과 강성을 평가하고, 보강 실험체는 철물 개수 및 간격, 모양 및 삽입깊이를 요인으로 실험을 행하여 결구부의 내력, 강성을 비교하여 효과적인 보강방법을 제안하는 것을 목적으로 한다.

2. 기존 연구현황

 전통 목구조에 주로 사용된 수종을 기존 논문 및 보고서를 수집하여 조사하였다.(박원규 등, 2007) 조사된 수종은 침엽수 6종과 활엽수 19종으로 총 25종류이며, 시대에 따라 선사시대에는 상수리나무아속(94%), 삼국시대에는 참나무(57%), 고려시대에는 소나무(71%), 조선시대에도 소나무(초기 : 73% → 후기 : 88%)가 사용되었으며 근대에는 소나무, 잣나무, 전나무, 잎갈나무, 가문비나무 등 여러 침엽수종이 사용되었음을 알 수 있었다.

 목조 건축문화재 중 해체수리 및 시공과정에서 나타난 맞춤과 이음방법에 대한 특성 조사를 하였다.(정연상, 2008) 맞춤과 이음에 대한 개념을 설명하고 각 건물에서 사용된 맞춤과 이에 대한 특성을 설명하였다. 결구부에 대한 연구로 목구조의 시공방법과 목조 건축문화재의 수리시공에 기초 자료로 제시하고자 하였다.

 전통 목구조는 해체를 하지 않은 상태에서 부재의 상태를 정확히 파악하기는 쉽지 않으므로 수리를 위해 해체한 문화재 목조 건축물을 25건의 수리보고서를 바탕으로 부재의 파괴성상과 이에 따른 보수⋅보강방법을 Table 1과 같이 정리하였다.(김영아, 2010)

Table 1 Failure Types of Wooden Structures and Retrofit Method

Fig. 2 Retrofits of Traditional Wooden Structures

 주요 구조부재별 파괴형상을 보면 기둥과 보는 파손이 가장 많으며 도리는 비틀림 현상이 주로 나타나며 그 중보의 파괴가 전체 구조부재의 50%를 차지하고 기둥과 도리가 비슷한 비율을 보인다. 이러한 파괴의 보강방법으로는 목재덧댐, 철물보강, 수지처리가 있다(Table 2). 목재덧댐은 과거부터 사용되었으며 보수의 개념이며, 스테인레스봉⋅조임쇠⋅띠쇠⋅스테인레스판 등의 철물은 보수보다는 보강의 개념으로 사용되었다. 철물 보강은 대부분 하중이 많이 집중되는 곳이나 결구가 되는 맞춤부위인 기둥상부, 추녀, 외기도리(충량이나 동자기둥 하나로 받쳐지는 저울대처럼 양쪽으로 내민 중도리) 결구부 등에 사용되었다.

 전통 목구조의 공학적 연구는 1995년 일본 고베지진 이후 진행되기 시작(서정문 외 5, 1997)하였으나 대부분 지정 문화재인 포식 건축물이 대상이 되었다. 지정 문화재는 실제 사용되지 않는 관람용이 대부분이며 실제 거주하는 민가에 적용된 민도리식 구조의 전통 목구조에 대한 연구는 거의 진행되지 않고 있다. 해석프로그램을 통한 이론적 연구도 진행되고 있으나 결구부에 대한 해석적 접근이 어려운 상황이며 아직은 미비한 실정이다. 또한 전통 목구조의 보강연구로는 중층의 루에 사용된 멍에와 추녀에 대해서만 진행되었다.(조철희, 2009) 멍에는 탄소 섬유판을 삽입⋅보강하였으며, 추녀는 상하부에 철판을 대고 볼트 및 못으로 보강하여 강성 및 연성에 대한 구조적 특성을 분석하였다. 이러한 보강방법은 상부 구조체을 해체하여야 하며, 미관상 변화를 주게 되므로 문화재의 수리의 원칙인 ‘원형 유지’의 문제가 될 수 있으리라 판단된다.

3. 실험계획

 전통 목구조의 내력은 결구부의 영향을 크게 받으며 보의 파괴는 전통 목구조의 붕괴로 이어질 수 있다. 본 연구는 전통 목구조 결구부의 구조성능 평가를 위한 기초적 연구로 주요 구조부재인 보를 대상으로 한다. 보는 기둥에 결구하기 위해 숭어턱 또는 장부와 같이 단면이 손실되며, 단면이 손실된 부분은 지붕 하중에 의해 전단파괴가 발생된다. 장부의 전단내력을 평가하기 위해 Table 2와 같이 요인을 두고 총 14개의 실험체를 제작하여 실험을 행하여 장부 두께에 따른 내력과 보강방법에 다른 내력을 평가하고자 한다.

Table 2 Text Matrix

중국 ‘영조법식’에서 사개맞춤의 장부 폭은 기둥 직경의 1/4~3/10으로 하고, 기둥과 만나는 보 및 인방재의장부 두께는 기둥 직경(D)의 1/4로 하고 실제 1/4~1/5 범위로 기술되어 있으나 본 연구에서는 기둥의 1/3로 정하여 실험을 행한다. 기본 실험체는 폭 190 mm, 높이 200 mm, 길이 700 mm로 하며, 장부는 두께 60 mm(기둥크기의 1/3), 길이는 90 mm(기둥의 1/2)로 제작한다. 보강철물은 3개의 날을 갖는 ∅8 mm 나선형 모양의 스테인리스강으로 녹에 의한 2차적 피해를 방지할 수 있다. 

 보강방법은 Fig. 4와 같이 우선 철물보다 작은 구멍을 뚫은 후 보강철물을 삽입하는 방식으로 이루어지므로 보강한 후에도 육안상의 변화가 없다. 보강 요인에 따른 보강 실험체는 Fig. 6과 같다.

Fig. 3 Material Properties of Stainless Steel Hardware

Fig. 4 Reinforcing Method

Fig. 6 Arrangement of Hardwares of Reinforced Specimens

실험은 Fig. 5와 같이 장부 하부를 힌지지점으로 하여 장부에 최대한 가깝게 설치하며 상부는 2점 하중을 가하여 휨의 영향을 최소화한다. 실험은 변위제어방식으로 500kN의 UTM을 사용하여 0.5 mm/sec의 속도로 실험을 행한다. 

Fig. 5 Test Setup

 현존하는 전통 목구조는 고려 후기 이후의 건축물로 대부분 소나무가 사용되었으리라 판단되므로 본 연구에서는 목재의 수종에 대한 영향을 제외하며 실험체는 소나무를 사용한다. 목재의 물리적 특성을 확인하고자 KS 기준에 따라 재료실험을 행하였으며, 그 결과를 Table 3에 정리하였다. 재료실험결과 건축구조기준(KBC-2009)에 제시된 구조재의 등급은 1등급에 해당된다.

Table 3 Material Properties of Wood

4. 실험결과 및 분석

4.1 실험결과

 장부의 전단실험체의 실험결과, 각 실험체의 최대 하중과 최대 하중 시의 변위를 Table 4에 나타낸다.

Table 4 Results of Experiment

 비보강 실험체는 장부의 두께가 클수록 하중이 크나 장부의 두께는 기둥에 영향을 받으며 기둥 사개의 안전성에 영향을 준다. 보강 실험체는 G-R60-H2가 가장 큰 하중을 받으며, 이는 기본형 실험체(G-U60)의 1.6배의 하중이다. 철물을 1개 삽입한 V1 실험체는 기본형 실험체인 G-U60보다 하중이 작으며, 철물 4개 이상인 경우에는 기본형 실험체와 유사한 하중을 받는다. 철물 개수가 동일하나 간격을 크게 한 경우가 하중이 크게 나타나 철물의 간격에 영향을 받음을 알 수 있다. 열배치에 따라 영향을 받으나 철물이 4개 이상이 되면 영향성이 감소하는 것으로 나타나며, 철물의 삽입깊이에 따른 영향은 작은 것으로 판단된다.

 장부의 파괴모드는 Fig. 7과 같다. 비보강 실험체는 장부에서 나뭇결을 따라 파괴되는 반면 보강 실험체는 보강열을 따라 부재가 벌어지는 현상이 나타난다. 전통 목구조에는 기둥의 사개에서 파괴에 의해 벌어지는 장부를 제어하기 때문에 더 많은 하중을 받으리라 판단된다.

Fig. 7 Typical Failures of Selected Specimens

4.2 분석 및 고찰

4.2.1 전단응력

 장부의 전단실험 결과를 실험요인별로 정리하면 Fig. 8과 같다. 비보강 실험체는 장부두께에 상관없이 변위 38mm 정도에서 내력이 급격하게 변화되며, 그 이후부터는 장부두께 45 mm인 실험체를 제외하고는 내력이 계속적으로 증가하므로 장부두께와 내력은 비례관계를 나타낸다. 보강 실험체는 비보강 실험체에 비해 내력이 크며 철물의 개수가 증가할수록 내력도 증가한다. 철물을 2개를 수직배치(V2)한 경우와 수평배치(H2)한 경우를 비교하면 중앙부에 배치되는 H2 실험체가 약 1.23배 크다. 보강간격이 커질수록 내력도 증가한다. 동일하게 철물을 4개 삽입한 경우를 비교하면, 중앙부에 철물이 배치되는 D4 실험체가 R4 실험체보다 내력이 크며, 배치간격이 클수록 내력도 증가한다. 삽입깊이에 따른 실험체의 내력은 유사하게 나타나나 삽입깊이가 짧은 경우에는 항복 후 내력이 급격하게 감소하여 취성적 파괴로 이어질 수 있다.

Fig. 8 Load-Displacement Relations

 장부의 평균 전단응력과 최대 전단응력을 계산하면 Table 5와 같다. 전단응력은 비보강된 실험체 중에서는 G-U60 실험체가 가장 크게 나타나며, 보강 실험체 중에서는 G-U60-V2실험체가 가장 크며 H2′, R4′-D, R4′, H2순으로 나타난다. 배치간격을 비교하면 철물개수가 증가함에 따라 25 mm에서 50 mm로 증가하면 내력도 증가한다. 철물의 개수가 4개로 증가시킬 경우 오히려 내력이 감소하나 이는 장부의 두께가 60 mm로 제한된 실험으로 이에 대한 연구가 추가적으로 진행되어야 할 것이다. 장부의 전단응력을 향상시키기 위해서는 중앙부에 철물을 삽입하여 보강하여야 하며, 장부 60 mm에서는 철물 4개 이상을 보강하는 것은 비보강 시험체보다 내력은 증가하나 재료 및 공사비 측면에서 비효율적이다.

Table 5 Shear Stiffness & Shear Stress

 장부의 전단응력은 장부두께와의 상관성을 나타내지 않으며, 철물을 삽입하여 보강한 경우 G-U60-V1을 제외하고는 모두 전단응력은 증가한다. 전단응력 역시 내력과 동일하게 G-U60-H2 실험체가 가장 크다. 배치간격을 보면 철물을 4개 삽입한 경우에는 배근간격과 내력이 비례관계를 보이나 2개를 삽입한 경우 오히려 감소하므로 이에 대한 연구가 더 진행되어야 할 것이다. 삽입깊이에 따른 전단응력의 변화는 없다.

전단응력은 중앙부에 보강될수록 보강효과가 크며 철물은 3개를 보강하는 것이 가장 효과적이다. 

4.2.2 강성

 부재의 강성은 일반적으로 하중-처짐 곡선의 기울기로 정의되며 부재에 대한 강성은 초기강성(Ke)와 소성역강성(Kp)으로 나눌 수 있다.

 
  
Pmax : 최대 하중(kN)
δmax : 최대 하중 시 변위(mm)
Py : 항복 하중(kN)
δy : 항복 하중 시 변위(mm)

목재의 탄성한도는 전체 변형의 0.001 ~ 0.01% 범위로 본 연구에서는 0.01%를 탄성의 범위로 본다. 항복하중(Py)은 최대 하중에 따른 강성의 1/3 기울기를 옵셋하여 곡선과 접하는 점으로 산정한다. 

 장부 두께 60 mm(평균 2.13)와 비교하면 장부 두께가 45 mm(기둥 크기의 1/4)로 감소한 경우 초기전단강성은 25% 감소하고, 90 mm(기둥 크기의 1/2)로 증가한 경우는 초기 전단강성은 30% 증가한다. 소성역전단강성은 장부 두께에 따라 경향성을 나타나지는 않는다. 보강 실험체는 V1실험체가 초기전단강성이 가장 크며 2개를 배치한 V2, H2 실험체의 초기전단강성은 V1보다 감소한다. 이는 장부 내부에서의 전단강도가 중앙부에 가장 크므로 이를 보강한 경우 초기전단강성이 크게 나타난다. 반면 철물의 간격 및 모양에 따른 영향은 작은 것으로 나타난다. 장부의 보강 실험체의 초기전단강성은 철물의 개수보다는 중앙부의 철물배치 여부에 따른 영향이 크다. 중앙부에 철물이 배치된 V1의 실험체는 초기전단강성은 크나 최대하중 이후 급격히 하중이 감소하므로 취성적 파괴가 발생할 수 있으므로 유의하여야 한다. 장부의 내력 및 초기 전단강성을 향상시키기 위해서는 보강철물을 3개 삽입하는 것이 가장 효과가 크다.

4.2.3 내력과 강성과의 관계

 내력과 초기전단강성이 어떠한 상관성을 갖는지를 확인하기 위해 Fig. 9와 같이 비교하고자 한다.

Fig. 9 Relations of Load-Shear Stiffness

 보강된 실험체의 기본형인 장부 두께 60 mm를 기준으로 비교한다. 장부의 내력은 철물은 2~3개를 삽입한 경우가 크며, 철물 개수 4개 이상을 삽입하여 철물의 양을 증가하여도 내력이 증가되지 않으므로 비경제적이다. 철물의 보강위치는 중앙에 배치할수록 내력을 향상시키는데 효과적이다. 철물의 개수가 4개 이상인 경우에는 보강간격은 25 mm보다는 50 mm가 내력이 크므로 장부의 크기에 따라서는 간격을 크게 하는 것이 효과적이다. 초기전단강성(Ke)은 G-U60-H 1이 상대적으로 크나 다른 실험체에 비해 변위량이 극히 작다. 장부 두께에 따른 초기전단강성(Ke)은 장부두께를 45 mm로 감소한 경우 약 20%가 감소하며, 90 mm로 증가시킨 경우는 약 40%가 증가한다. 장부의 두께에 비례하여 초기전단강성이 증가하나 장부 두께가 커지면 기둥의 사괘부분이 약해지므로 장부는 기둥 크기의 1/3 정도로 한다. 보강 실험체 중 철물의 개수에 따른 효과는 초기전단강성은 V1은 약 2배, V2는 1.37배, V3는 1.85배 커진다.

장부의 내력과 비교하면 V1은 내력은 가장 작으나 초기강성을 크게 나타나며, V2와 V3은 철물개수가 증가할수록 내력과 초기전단강성이 증가하므로 비례관계를 나타낸다. 철물의 간격을 비교하면, 50 mm인 V2′가 가장 큰 초기전단강성을 나타내며, 보강간격을 동일하게 하여 철물의 개수를 증가시키면 초기전단강성은 작아진다. 내력과 비교하면 보강간격을 증가시킨 경우 내력은 증가하나 초기전단강성은 경향성이 없으며, 초기전단강성은 철물의 개수에는 영향을 크게 받지 않는다. 철물의 보강모양을 비교하면 초기전단강성은 큰 차이를 보이지 않으며 내력은 장부의 중앙부에 철물이 삽입되는 다이아몬드형이 크게 나타난다. 이는 철물이 장부의 중앙에 배치됨에 따라 전단응력이 커짐에 따라 나타나는 현상으로 볼 수 있다. 철물의 양을 증가시켜 2열 배치한 경우를 비교하면 G-U60-V1은 가장 큰 초기전단강성을 나타내며, 철물을 3개를 초과한 경우 G-U60-V2와 유사한 초기전단강성을 나타낸다. 내력 역시 철물을 3개 이상 삽입하면 비보강된 실험체와 유사하게 나타나며, 철물을 4개 이상 삽입하는 것은 내력 및 초기전단강성을 비교한 결과 보강효과가 작게 나타나므로 비경제적이다. 철물의 삽입깊이에 따른 내력 및 초기전단강성은 유사하게 나타나지만 삽입 깊이를 확보하지 않은 경우에는 취성적 파괴가 발생할 수 있으므로 유의하여야 한다.

5. 결 론

 전통 목구조의 지붕하중은 도리가 받아 기둥에 전달하거나 대공 등을 통해 전달된 하중을 보가 받아 기둥에 전달한다. 전통 목구조는 주요 구조부재인 보⋅도리가 기둥 상부에 결구되므로 보가 아무리 큰 단면을 갖더라도 결구부의 단면은 기둥 크기에 영향을 받는다. 현존하는 전통 목구조에서 보의 파손성상을 보면 대부분 단면이 손실된 장부에서 파손되었다. 그러므로 상부하중에 의한 장부의 성능을 평가하기 위해 장부의 두께에 따른 비보강 전단실험과 철물의 개수⋅보강 간격 및 모양⋅삽입깊이 등의 요인을 둔 보강 전단실험을 행하여 다음과 같은 결론을 도출하였다.

(1) 장부의 내력과 초기전단강성은 장부 두께가 두꺼워질수록 증가하지만, 장부 두께를 크게 하면 기둥의 사개부분이 약해져 구조적 안전성에 영향을 미친다. 

(2) 장부의 전단응력은 장부의 두께와 비례관계를 나타나지 않으며, 철물 2개를 중앙부에 배치한 G-U60-V2가 가장 큰 응력을 나타난다. 전단응력을 증가시키기 위해서는 장부의 중앙부를 보강하여야 효과가 크다. 

(3) 초기전단강성은 G-U60-V1(철물 1개 삽입)에서 가장 크나 취성적 파괴가 발생할 수 있으며 취성적 파괴를 방지하기 위해서는 삽입깊이를 고려하여야한다. 

(4) 장부(단면 60×150 mm)의 내력, 전단응력, 전단강성을 효과적으로 향상시키기 위해서는 철물 3개를 장부의 중앙부에 보강하여야 한다.

(5) 파괴양상을 보면, 비보강된 실험체는 목재의 결을따라 균열이 발생되나 보강된 실험체는 철물의 열을 따라 쪼개지거나 터짐이 발생된다. 장부의 쪼개짐이나 터짐에 의한 성능저하는 기둥의 사괘 또는 장부구멍에 의해 제어되므로 건축물에서의 내력이 더 크리라 판단된다.

본 연구는 장부 두께를 60 mm로 제한한 실험으로 장부 두께를 달리하여 실험이 추가적으로 진행되어야 할 것이다. 전통 목구조의 장부를 해체하지 않고 보강하는 방법을 제안하였으며, 이를 토대로 기둥-보-도리가 결구되는 화통맞춤 등에 대한 보강방법에 대해서도 연구가 진행되어야 할 것이다. 

감사의 글

 본 연구는 “스테인레스 나선형 철물을 사용한 전통 목구조 및 현대 한옥 결구부 보강기법 개발”에 관한 연구의 일환으로 연구를 지원해준 재단법인 산학협동재단에 감사드립니다.

Reference

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