건축 힘의 평형 - geonchug him-ui pyeonghyeong

얼마 전, 서울 용산의 오래된 상가가 하루 만에 폭삭 주저앉았다. 노후한 건축물의 내력이 하중을 견디지 못했기 때문이다.

달이나 화성에 집을 지을 수 있을까? 물론 가능하겠지만 지구상의 집과는 전혀 다른 차원의, 새로운 이론을 바탕으로 만들어질 것이다. 영화 ‘인터스텔라(Interstellar, 2014)’나 ‘그래비티(Gravity, 2013)’를 보면 중력이 얼마나 대단한 힘을 가지고 있는지 새삼 깨닫게 된다. 단지, 우리는 평상시 이를 느끼지 못하며 살아갈 뿐이다.

구조역학이란 학창시절 배운 뉴턴의 제1, 2, 3법칙을 기반으로 중력과 그것을 견디는 구조물간 힘의 평형점을 찾는 것을 원리로 한다. 콘크리트든 스틸이든 목구조든 재료만 다를 뿐 구조역학의 기본은 같다.

하중과 내력

모든 물체는 중력에 의해 무게를 갖고 움직이는 힘이 생긴다. 구조역학에서는 이를 ‘하중’이라고 하며 힘과 압력의 형태로 수치화, 이론화했다. 건축에서 사용하는 하중은 5가지 정도다. 먼저 중력 방향으로 작용하는 수직하중과 횡방향으로 작용하는 수평하중으로 나눠볼 수 있다.

그림에서 나타나는 힘들은 우리가 이미 다 알고 있는 자연적인 현상일 뿐이다. 중요한 것은 모든 구조체는 땅에 가까울수록 하중이 증가하며 결국 종착점인 기초와 지반이 만나는 데 집중된다는 점이다. 모든 일이 그렇듯 기초가 가장 중요한 이유이다.

그렇다면 구조물은 어떻게 중력에 저항하여 힘의 평형점을 찾을까? 역학에서는 구조물이 저항하는 힘을 내력(응력)이라고 한다. 뉴턴의 법칙에는 관성의 법칙, 가속도의 법칙, 작용·반작용의 법칙이 있다. 건축물에 이를 적용한다면 바람이 불 때 건축물은 그 자리에 있어야 하며(관성의 법칙), 바람의 속도가 빨라지면 힘(압력)이 세지고(가속도의 법칙), 바람의 힘이 벽 전체에 작용하면 벽도 그 힘에 저항하는 반작용이 생긴다(작용·반작용의 법칙).

좀 더 세밀하게 보면 하중이 작용하면 건축물 전체와 구조물을 구성하고 있는 각각의 부재는 외력에 저항하는 내력이 발생하며 이 내력이 외력보다 커야 구조물은 안전하게 지탱된다. 내력은 대표적으로 압축응력, 인장응력, 전단응력, 휨응력, 비틀림응력 등으로 각각 세분화하여 검토하며 이를 통칭하여 ‘강도’라고 한다.

< 중목구조 Post-Beam의 하중과 내력 >

내력은 부재가 하중에 저항하는 힘이다. 구조를 설계할 때는 바람부터 지진까지, 구조체에 복합적으로 작용할 수 있는 여러 하중을 조합하여 검토한다. 공학자(또는 구조설계자)는 필요한 내력을 계산하고 각각의 재료의 강도와 특성에 따라 적합한 재료를 선정하여 안전성을 검토하며, 주요 구조재로 사용되는 건축재료를 생산하는 제조사나 이를 판매하는 공급자는 반드시 건축재료의 강도와 특성을 인증받아 판매하여야 한다. 여기서는 목조주택에 대해 논해보자. 목재는 인공적인 재료와 달리 성장 세포로 구성되는 고유의 특징이 있다.

나무는 위로 성장한다. 즉, 중력의 반대 방향이므로 성장 방향(섬유 방향)의 압축응력과 인장응력은 강도가 크고 나이테 방향은 강도가 많이 약하다. 구조재로 가공하고 사용할 때 항상 이를 고려해야 한다. 또한, 중심부인 심재가 주변부인 변재보다 강하고 옹이 주변은 나이테와 섬유 방향이 변하며 강도가 약해진다.

목재는 습기와 온도에 따라 세포질 내로 물을 흡수하거나 뱉기 때문에 수축·팽창이 생기고, 뒤틀림이 발생한다. 수축·팽창률은 성장 방향(축 방향), 방사 방향(나이테의 방향), 접선 방향(방사 방향과 반대되는 방향) 순으로 커진다. 함수율이 높을수록 목재의 강도는 약해지며 썩는 특성이 나타난다.

* 부재에 구멍을 뚫게 되면 옹이와 같이 응력이 왜곡되어 응력 집중 현상이 나타나 부위가 약해진다. 때문에 전기나 배관 공사로 구멍을 뚫기 전에는 신중해야 한다.

여기서 중요한 점이 있다. 모든 목재는 수종과 생장 지역의 자연 환경에 따라 강도와 건조 수축률이 다르다. 즉 유럽산 스프러스와 북미산 스프러스는 같은 수종이지만, 역학적 관점에서 강도가 같다고 볼 수 없는 것이다. 이제 일반적인 목재의 성질을 알았으니 다음 시간에는 목구조의 응력과 좀더 튼튼한 건축물을 만들기 위한 전제를 살펴보겠다.< 다음 호에 계속…>

글_ 김창환

구성_ 이세정  |  일러스트_ 라윤희

ⓒ 월간 전원속의 내집 2018년 7월호 / Vol.233 www.uujj.co.kr