국산재활용 한국형 목구조물혁신기술 연구의 1세부는 중고층목구조물 구조강화를 위한 연결철물 접합부개발을 목표로 한다. 이번 연구는 중고층목조건축에서 발생하는 수평하중(지진 및 바람)과 수직하중으로 인한 구조적 문제를 해결하기 위해 국산목재를 활용한 모멘트접합기술을 개발하며 이를 국내설계기준에 부합하도록 성능을 검증하는 것을 주요과제로 삼고 있다. 특히 접합부 강성확보를 위한 설계식개발과 구조설계기준안 마련을 통해 국내목조건축의 안전성과 효율성을 향상시키고자 한다.

 

1세부 연구에는 △우디즘목재이용연구소 △한국건설기술연구원 △티아이구조기술사사무소가 협력해 연구를 진행하고 있다. 1세부 연구를 총괄하는 심국보 우디즘목재이용연구소 연구위원을 만나 중고층목구조물 구조강화를 위한 연결철물 접합부개발의 필요성 및 연구진행 상황과 전망에 대해 물어봤다.

 

■ 1세부에서 담당한 연구과제 개념과 필요성은

 

목조건축에서 골조식 및 이중골조식 구조를 채택할 경우 보‧기둥 접합부는 횡하중의 25% 이상을 부담하게 된다. 따라서 중목구조에서 모멘트접합기술의 정밀한 개발이 필수적이다.

 

특히 국산목재간 모멘트접합을 구현하기 위해서는 연결철물을 활용한 접합방식이 요구되며 이것이 국내설계기준에 부합하는지에 대한 성능검증이 필요하다.

 

목구조 접합부는 강성이 부족해 일반적으로 핀접합(자유회전)으로 해석되며 이 경우 실제 모멘트저항능력을 실증하고 정량화해 접합부의 하중지지성능을 평가해야 한다. 이러한 평가결과를 기반으로 목구조설계기준에 반영함으로써 모멘트저항 접합부를 적용한 구조해석 및 시공이 가능하도록 해야한다.

 

또한 수평하중(지진 및 바람)에 대한 고층 목조건축 구조성능을 향상시키며 수직하중에 따른 보의 처짐량을 정량적으로 분석해 보의 단면치수를 최적화할 필요가 있다.

 

현재 건축구조기준에서는 목재접합부를 강성접합부로 간주해 설계하고 있으나 실제 목구조 접합부는 반강접합 특성을 가지므로 이를 반영한 보다 안전하며 현실적인 구조설계기법의 개발과 적용이 요구된다.

 

■ 1세부의 구체적 연구목표와 내용은

 

중고층 목구조물의 구조성능을 강화하기 위해 연결철물 접합부의 구조기술 및 구조설계기준안을 개발하는 것을 목표로 한다. 이를 위해 중고층 목구조물 접합부의 접합강성 분류체계를 구축하고 성능을 평가하며 중목구조 기둥-보 접합부 및 Glued-in rod모멘트 접합에 대한 연구를 수행하고 있다. 또한 다양한 접합사례를 분석해 기둥, 보, 바닥, 벽 등 접합유형을 분류하고 각각의 파괴모드 및 구조적거동을 분석함으로써 연결철물형 접합부 구조안정성을 평가하는 구조설계 기준안을 마련할 계획이다. 연구는 총 3단계로 진행된다.

 

1차연도에는 중목구조 접합부 회전능력에 따른 강성분류체계를 개발하고 모멘트저항 접합부 관련자료를 수집하며 해외 고층 목조건축 접합부사례를 조사할 예정이다. 아울러 연결철물형 접합부 구조성능에 영향을 미치는 주요요인을 도출하고 이에 따른 주요변수별 설계식을 개발할 계획이다.

 

2차연도에는 보-기둥 접합부에 대한 비선형 해석모델을 개발하고 접합부의 구조성능 평가와 실대형 내진성능실험을 진행할 예정이다. 또한 RC전단벽과 공학목재간 접합상세를 정립하고 공학목재 간 삽입철물 및 다우얼을 활용한 모멘트 접합부를 개발할 계획이다. 이를 위해 다우얼규격, 분포위치, 목재 목리방향과 관계, 회전력 저항모델 등을 분석하며 연결철물형 접합부의 구조성능평가를 반영한 주요변수별 설계식을 도출할 예정이다. 더불어 △목재 보-기둥 접합부 △CLT 바닥판과 연결상세 △목조바닥판과 RC 코어 간 연결상세 등에 대한 프로토타입 적용성을 검토할 계획이다.

 

3차연도에는 고층 목조건축에 모멘트저항 접합부를 적용한 구조해석을 수행하고 그 결과를 바탕으로 KDS에 반강성목구조 접합부 설계기준을 포함시킬 예정이다. 또한 기준허용 내력식의 주요변수 산정식을 제안하고 연결철물형 접합부 설계매뉴얼 및 시방서를 마련해 실무적용성을 강화할 계획이다.

 

■ 현재까지 연구개발 성과는

 

중고층 목조건축 접합부의 강성분류체계를 개발했다. 현행 강구조 설계기준을 검토한 결과 대부분의 목조접합부는 핀접합으로 분류되고 있으며 중고층 목구조에서 요구되는 접합부강성을 확보하기 위해서는 보강성 대비 약 20~25배의 강성이 필요함을 확인했다. 이를 바탕으로 Glued-in rod접합부의 강성을 보강성 대비 약 10배 수준(10EI/L)으로 확보해 강접합(rigid) 역할을 수행할 수 있도록 설계기준을 마련했다.

 

먼저 Glued-in rod모멘트 접합부의 성능평가를 수행했다. 철근의 매입깊이, 매입방향, 접착제종류 등을 고려한 인발성능 실험을 통해 철근항복형 Glued-in rod 접합부에 대한 설계식을 제안했으며 이 설계식의 타당성을 검증하기 위해 유한요소 해석모델을 개발하고 변수분석을 수행했다.

 

또한 기둥-보-바닥 및 벽체모멘트 접합부에 대한 설계 및 성능분석을 진행했다. 국외 중고층 목구조물의 접합사례를 분석해 접합부유형을 분류하고 구조용 목재에 작용하는 하중방향, 목재의 목리방향, 다우얼 등 철물연결방식에 대한 설계방안을 마련했다. 또한 목구조 접합부의 강성확보를 위해 STS(Self-Tapping Screw)를 활용한 압입강도 보강 및 목리수직 방향의 할렬저항 보강방안을 검토했으며 Eurocode 5에 제시된 반강성목구조 접합부 설계기준의 국내 도입가능성도 함께 분석했다.

 

마지막으로 연결철물형 접합부의 구조해석 및 예비설계를 수행했다. 이를 위해 지상 13층, 1층 전이층, 지하 3층 규모의 주차장을 포함한 오피스건물을 대상으로 GLT골조와 RC코어를 적용한 프로토타입을 선정했다. GLT는 대칭·비대칭등급 10S-30B, CLT는 C-E12-E10 사양을 적용했으며 콘크리트는 압축강도 27MPa, 철근은 항복강도 500MPa를 기준으로 설계했다.

 

CLT 바닥판은 150mm두께 CLT 위에 60mm두께 Topping Concrete가 시공되는 형태로 구성했으며 축휨조합 검토를 통해 예비설계를 완료했다.

 

■ 이번 연구의 성과를 적용한다면

 

우선 기둥-보-바닥-벽 모멘트 접합부의 개발 및 설계식을 확보해 이를 중고층 목구조물 구조설계에 적용할 계획이다. 이를 통해 국산재 및 공학목재의 재료특성을 반영한 접합부구조 설계자료를 축적함으로써 향후 목구조설계기준 개정 시 근거자료로 활용할 수 있을 것으로 기대된다.

 

또한 설계매뉴얼을 개발해 중고층 목구조물, 특히 연결철물형 접합부강성을 고려한 설계 가이드라인을 제시함으로써 국내 건축구조엔지니어 목구조 설계역량을 강화하며 실무접근성을 높일 계획이다.

 

나아가 개발된 연결철물형 모멘트접합 설계매뉴얼과 시방서를 기반으로 중고층 골조 또는 이중골조식 하이브리드 목조건축물에 해당 접합부를 현장에 적용하기 위한 구체적인 절차와 실행방안을 마련할 예정이다. 이를 통해 △공동주택 △주상복합 △상업시설 △교육시설 등 다양한 용도와 규모‧경간‧층수를 갖는 목구조물로의 확대적용이 가능하도록 기반자료를 제공할 것이다.

 

■ 마지막으로 하고 싶은 말이 있다면

 

이번 연구를 통해 실증이 가능한 13층 목조건축물이 설계되며 실제 건축으로 이어질 수 있도록 최선의 노력을 기울이고 있다. 이러한 성과를 바탕으로 중고층 목구조물 접합부기술은 향후 실증연계사업에서 고층 목조건축기술의 핵심역할을 수행할 것으로 기대된다.

 

해외에서는 이미 중고층 및 고층 목조건축이 활발히 실현되고 있으며 본 연구는 국내 목조건축 설계기술을 선진국 수준으로 끌어올리며 기술격차를 해소하는 데 기여할 것으로 보인다.

 

또한 이번 연구가 13층을 넘어 그 이상의 고층 목구조물 설계로 확장·연계될 수 있도록 지속적인 연구가 이어지기를 바란다. 이를 통해 국산목재 사용량 증가, 목재를 통한 탄소저장량 증대, 중고층 목조건축 구조설계분야 전문인력 양성, 목재건축산업 내 일자리 창출 등 다양한 경제적·환경적 파급효과를 창출할 수 있을 것으로 기대한다.