Zero30Haus는 전통적인 북미식 2x6 (140mm x 38mm SPF 목재)스터드를 사용하여 구성된 목조주택입니다.
경량 목구조라고 부르며, 이러한 시공방법은 북미에서 비교적 최근인 약 200년 전부터 정립된 시공방법입니다.
규격화된 저렴한 목재를 주 재료로 사용하면서 각종 연결철물과 부분적으로 공학목재를 사용하여 보강함으로서 강성대비 최대 효율을 추구합니다.

목조주택이 "견고함"을 가지려면 다음의 물리력에 대한 강성이 높아야 합니다.
1. 중력(하중)에 대해 무너지거나 처지지 않고 지지하는 힘
2. 지진에 대해 버틸 수 있는 힘
3. 폭풍(태풍)에 대해 버틸 수 있는 힘

[중력(하중)에 대한 강성확보]
기본적으로 집이 중력에 의해 무너지지 않도록 튼튼하게 지어져야 합니다.
더 나아가서 바닥이나 벽체, 보가 처지거나 하중에 의해 휘어지는 것을 최소화 하는 견고함이 요구됩니다.
그리고 집의 모든 하중을 받아주면서 부분침하가 일어나지 않을 견고한 기초 위에 집이 지어져야 합니다.
기초에 대한 부분은 이전 포스팅에서 다루었고요.
국내의 모든 주택은 건축 허가시 전문가(건축사)가 검토한 내진구조설계계산서를 제출하여야만 건축허가가 납니다. Zero30Haus도 당연히 내진구조설계계산을 하여 건축 허가를 받았습니다만, 설계사,빌더,그리고 감리자와의 협의 하에 전반적인 구조강화를 진행하였습니다.

목조주택의 하중의 종류와 형태. 위에서 부터 아래로(중력방향) 끊김없이 하중이 기초까지 전달되게 하는 것이 기본입니다.

이미 전문가가 법규에 따라 구조를 검토하여 승인이 된 것인데 왜 더 강화하려고 하나?
건축허가시 적용된 구조검토는 대략 바닥 하중 300kg/m²에서 수평길이/240 정도의 처짐이나 출령임을 허용하는 것을 기준으로 설계되었습니다. 즉, 내력벽 사이 간격이 6m 일 때 바닥 중앙부가 25mm 까지 처질 수 있다는 것을 의미합니다.
L/240의 처짐기준은 북미식 목조주택의 최소 기준으로서 이를 만족하면 장기적으로 집이 처짐이 진행되거나 무너지지 않습니다만, L/240 수준에서는 바닥이 불쾌/불안감을 줄 만큼 흔들리거나 타일이나 마루마감재의 균열, 문과 벽의 틀어짐이 발생할 수 있습니다.
마루나 타일의 손상이 발생하지 않고 보행시 견고한 느낌을 줄 수 있는 바닥은 L/480 이상의 Deflection Limit 을 만족해야 합니다.

위의 표는 IRC의 바닥 스팬 테이블입니다. 총 하중 60psf(약300kg/m²), 처짐한계 L/360 기준을 만족하는 각 부재별 최대 스팬길이가 표시되어 있는데, 최대치가 16.3'(4.95m)로 5m를 넘지 못합니다.

그런데, Zero30Haus의 1층은 벽체가 거의 없는 대부분 오픈된 구조이고, 내력벽이 없는 가장 짧은 span이 6m, 긴 스팬이 13m에 달하기에 일반적인 목조주택용 자재로는 불가능하다는 결론.
목재 바닥장선이 안되면 훨씬 강성이 높은 스틸 H빔을 사용하는 방법이 있으나, 국내 여건상 목구조와 스틸구조가 섞인 구조계산을 수행하여 주는 구조설계사무소가 극히 제한적이라는 문제가 있습니다.

그래서, 직접 구조계산을 할 수 없는 상황에서 유일한 대안은 정확한 스팬테이블을 제조사에서 제시하는 공학목재를 사용하는 것

5m가 넘는 스팬을 안정적으로 받처줄 수 있는 장선은 플로어트러스와 i-joist 두가지가 있습니다. 그런데, Floor Truss는 현재 국내에 제작공장이 없어 수급이 불가능하고, i-joist 만이 삼익산업에서 수입 공급하여 국내 구입이 가능하였습니다.

Weyerhaeuser사 TJI i-joist의 또 다른 장점은 자사 자재로 바닥 구성시의 흔들림,처짐,진동 등의 사람이 실제 바닥을 걸을때 느끼는 "체감성능"을 객관적 수치로 제시해 준다는 점 입니다.

위 표는 미국 Weyerhaeuser 사의 I-JOIST공학목재 중 국내에서 쉽게 구입 가능한 TJI-210 12" 제품은 최대 스팬 5.87m(19ft 3inch)로 6m 스팬에 살짝 못미치고 TJI-360 14" i-joist가 7.2m 까지의 스팬을 안정적으로 지지해 줄 수 있기에 14inch 높이의 TJI-360 i-joist를 적용하기로 하였습니다.

TJI-360 14inch i-joist와 14inch 패럴램 시공 모습. 전체길이 7.2m 입니다.

한편, 바닥 하중과 처짐 기준을 어떻게 설정할 것인가?
기존에 국내에서의 목조주택은 통상 2x10 조이스트장선을 사용하며, 최대 스팬 5m를 넘기지 않습니다. 그리고 3/4" T&G OSB 1장을 시공하고 바닥난방시공을 위해 콘크리트 "방통"을 시공합니다.
그리고 일반적으로 바닥 하중은 북미의 사양을 따라 live load 40psf + dead load 20psf 로 계산합니다. (m²당 약 300kg하중) 그런데, 우리나라는 북미와 다르게 99% 바닥 난방을 위한 콘크리트하중이 더해져야 합니다. (최소 15psf)
즉, 우리나라에서 목조주택은 북미식에 비해서 더 높은 75psf 정도의 하중을 감안해야 하고, 이를 감안하면, 국내에서 통상적으로 지어지는 목조주택의 바닥은 L240~L360 정도의 deflection)으로 예상할 수 있습니다. 이정도의 사양이면, 바닥이 장기적으로 내려앉거나 무너지지는 않지만, 타일등의 바닥재의 균열, 바닥난방콘크리트의 움직임, 보행시 바닥의 처짐을 발생하고 느낄 수 있을 것으로 보입니다.

Zero30Hause는 14inch TJI-360 i-joist 위에 18mm Advantech T&G OSB 두장을 본드와 피스시공하기로 하였습니다. 그리고 바닥난방이 없기에 바닥 콘크리트 타설 하중을 감안할 필요가 없습니다. 그래서 최장스팬 구간에서도 L/600 사양을 만족하고 TJ-Rating score 55점 이상으로 최상급의 견고한 바닥을 만들 수 있을 것으로 별도의 구조계산 없이도 시공 전에 예상할 수 있습니다.

1층에 내력벽체가 거의 없어 2층 바닥을 견고하게 구성하기 위해 애를 먹었습니다.

6m의 clear span 구간의 한쪽 끝 부분은 캔틸레버(바닥 보가 돌출된 부분)가 1.2m 가량 돌출되어 있어 구조검토의 복잡함이 발생하였으나 다행히도 TJI design guide 를 벗어나지 않아 TJI guide를 따르고 ChatGPT와 google gemini의 도움과 검토로 가장 난관이었던 바닥 설계스팩을 완성할 수 있었습니다.

TJI Design guide의 캔틸레버 부분 보강 가이드. 이를 충실하게 따라 시공하였습니다. 디자인가이드를 철저하게 지켜 시공된 롱스팬 캔틸레버부분. 웹스티프너, 스쿼시블록, 블로킹등으로 보강14inch 높이의 i-joist가 사용됨에 따라 같은 규격의 14인치 LSL 림보드와 14인치 패럴램 빔이 사용되었습니다. 일반 SPF 목재를 같이 사용시엔 수축팽창률과 압축강도가 달라 1/8inch 가량 더 높게 시공되어야 합니다. 스팬이 길고 복도 등 live load가 많은 장소(왼쪽)은 14inch i-joist 사용, 하중이 적은 방 부분(오른쪽)은 12inch i-joist를 사용하여 자재비용을 절약하였습니다.빨간색 부분은 20년 쯤 후에 엘리베이터 설치를 위해 오픈할 수 있도록 구획하여 박스시공 조이스트위 바닥은 구조용 접착제와 Rothoblaas 사의 60mm 구조용 스크류로 i-joist의 플랜지에 40mm 이상 박히도록 시공합니다.바닥판 한장당 스크류나사가 50~60개씩 박아줘야 하기에 전용 공구가 없으면 많은 노동력이 들어갑니다. 바닥판 시공 완료. 일반 OSB보다 50%정도 강성이 높은 Advantech T&G 합판 사용. 2층은 벽체가 많고 그 위 바닥에 대한 deflection limit 요구치도 낮아 2x10 SPF 구조목을 사용한 일반적인 조이스트와 바닥 시공을 하였습니다.위는 Advantech T&G OSB합판, 아래는 국산 동화 FSB T&G 합판. FSB합판이 가격이 50%가량 저렴하여 경쟁력이 있습니다. 단점은 표면이 미끄럽고 스크류가 잘 들어가지 않는다는 점 정도.

위 사진이 우리집에서 구조하중에대한 견고함을 갖추기 위해 가장 고민을 많이 했던 바닥판 입니다. 6m 스팬에 캔틸레버, 욕실, 벽체 보강 등이 복합적으로 필요하면서도 L/600, TJ rating 55 점 이상의 견고함을 체감할 수 있는 구성으로 시공과 보강을 하였습니다.