목조주택 12> 지붕구조...1510

 

 

 

     6. 지붕구조

 

     이제 지붕구조에 대해 알아본다. 지붕의 형태에 대해서는 지난번에 잠깐 살펴봤고, 주요구조의 명칭에 대해 추가로 살펴본다. 지붕구조는 크게 서까래 rafter와 트러스 trust 공법으로 나눌 수 있고, 이를 지지하는 조름보 collar tie 등을 살펴보면 될 거 같다. 

 

<1. 지붕구조... 기초, 벽, 바닥에 이어 마지막, 지붕구조에 대해 알아본다... 내가 지붕을 만들면서 들였던 고민에 비하면, 구조는 간단하다... 그러나 지붕은 건축물의 미관 뿐만 아니라, 구조의 완성이라는 점에서 가장 핵심적인 요소일 수밖에 없다...>

<1-1. 지붕구조 세부명칭... 북미기준이 통용되는 만큼 명칭도 이중으로 알아야 한다...>

<1-2. 모형-지붕... 서까래와 마루보, 샛기둥, 장선, 조름보, 오버행, birds mouth 등을 생각하며 만들었다...>

 

 

 

     6-1. 서까래공법과 규격

 

     먼저 경량목조주택에서 가장 많이 사용되는 서까래공법은 서까래와 마룻대 nonstructural ridge board 혹은 마루보, 조름보, 그리고 지붕장선 celling joist 혹은 rafter tie을 구별하면 되는데, 마찬가지로 규격재의 최소 두께는 38mm고, 최대간격은 650mm 이하(역시 가장 많이 사용되는 간격은 16인치와 24인치, 즉 407mm와 610mm다. 그리고 바닥과 마찬가지로 경간이 넓을 경우 304mm로 시공하기도 한다)로 규정되어 있다. 가장 많이 사용되는 서까래의 규격은 2x10인데, 중심간격 300mm일 경우 최대 지간거리는 낙엽송류 7.08m, 소나무류는 6.88m, 잣나무류는 5.79m라고 한다.

 

<2. 서까래공법 경간표...>

<2-1. 모형-지붕의 최대지간... 이 표에 의하면 내 모형의 지간은 7.08m를 넘기 때문에 2바이10 낙엽송 규격재를 300mm 간격으로 시공해도 구조한계를 뛰어 넘는다. 해서 마룻대를 마루보로 바꾸었는데, 이때의 서까래 간격과 규격에 대한 기준은 찾아보지 못했다...>

 

 

 

     6-2. 마룻대와 마루보

 

     서까래 등은 지붕의 경사에 따라 사각(斜角)으로 가공되어야 하는데, 이때 사용하는 것이 사각으로 가공하는 만큼 마룻대나 귀서까래 valley rafter 및 hip rafter는 서까래보다 최소 50mm 이상 폭이 넓은 부재를 사용해야 한다.

 

<3. 마룻대 규격... 가공된 서까래 단면이 마룻대보다 넓을 경우, 서까래에 활열이 발생하기 때문에 구조적으로 큰 문제가 될 수 있다. 서까래 규격이 2바이10일때 마룻대를 2바이12를 사용하거나, 지붕경사각이 커질 때는 4인치 이상 큰 부재를 사용하는 이유는, 서까래의 단면결손을 막기 위한 조치다...>

 

 

     또한 서까래 공법에서 표준 지간거리를 초과할 경우를 비롯해 (경사지붕 공간을 다락방 등으로 활용하거나, 내부 층고를 높이기 위해) 지붕장선을 생략할 때, 마룻대가 아닌 마루보를 만들어 안정성도 확보할 수 있는데, 이 경우에는 마루보를 받칠 기둥이 기초까지 전달될 수 있게 벽체나 헤더의 보강이 필요하다. 마루보는 공학목재를 사용할 때가 가장 좋겠지만, 현장에서는 38mm 부재 2겹 이상을 겹쳐 조립한 부재 built-up가 사용되는데 비용이 1/10 이하라고 한다. 바닥의 보나, 마루보 역시 같은 방식으로 제작하여 사용한다.

 

<3-1. 모형-안방쪽 지붕... 내가 만든 모형에서 현관과 침실은 다락방으로 사용되어야 하기 때문에 지붕장선을 만들 수 없는 구조다... 때문에 마루보를 적용하였다...>

<3-2. 모형-거실쪽 지붕... 거실지붕은 지간거리를 초과하고 있다. 해서 이곳은 마루보를 만들고, 조름보와 지붕장선을 모두 적용하였다... 다만, 서까래 간격은 일관성을 이유로 304mm가 아닌 407mm를 고수했는데, 구조적 안정성에 대해서는 판단할 수 없다...>

<3-3. 모형-마루보 기둥... 그리고 앞서 살펴보았지만, 마루보를 적용했기 때문에 하중을 분산할 수 있는 기둥구조를 보강하였다... 마루보는 3개의 규격재를 사용했기 때문에, 기둥 역시 3개의 규격재를 사용하였고, 직선으로 기초까지 전달되지 않는 구간은 4~5개로 보강하였는데, 일률적이지 않고 계산되지 않은 한계가 있다...>

 

 

 

     6-3. bird's mouth와 이중깔도리

 

     또 서까래는 벽체나 바닥체의 이중깔도리와 만나게 되는데, 만나는 면을 일체화하기 위해 따내는 부위를 bird's mouth(이중깔도리와 최소 38mm 이상 접합되어야 한다), 벽체에서 뛰어나온 부위를 오버행 overhang라고 부르는데, 우리식으로는 처마에 해당 된다(앞서 이야기했지만 충분한 깊이의 오버행은 건물의 에너지효율뿐만 아니라 장기간 보존에도 유리하다고 생각한다). 벽체 밖으로 튀어 나온 서까래를 fly rafter, 이 서까래를 잡아주는 것을 look out 이라고 하며, 룩아웃의 간격은 OSB 부착을 고려하면 된다.

 

<4. Bird's Mouth... 새의 입모양? 생김새를 명사화한 경우인데, 처음으로 이 이름을 붙인 사람이 궁금해진다... 이중깔도리와 서까래 일체화에 꼭 필요한 모양이다... 여기에서는 룩아웃을 잠깐 살펴보고, 모형의 이중깔도리에 대해 평가해보려 한다...>

<4-1. 모형-Look Out... 벽체 밖으로 돌출된 서까래를 잡아주는 것이기 때문에, 이 모형사진의 가운데 룩아웃은 무의미하다... 당초 좌측(사랑방)과 우측(거실)을 독립된 지붕구조로 설계하고, 거실 서까래를 먼저 만들었기 때문에 룩아웃을 시공했다... 그러나 좌우측을 같은 높이와 경사로 설계변경 했기 때문에 룩아웃은 유명무실해졌다... 모형의 미관과 공간구분 등을 이유로 고치지 않았다...>

<4-2. 모형-이중깔도리... 모형에서는 벽체나 바닥구조 위에 이중깔도리를 적용하였다... 깔도리 plate는 규격재를 옆으로 눕혀 사용하는데, 벽체내부의 규격재가 각각 구조역할을 하기 때문에 도리의 일종으로 해석하면서 붙인 이름으로 생각된다... stud 상하부는 밑깔도리, 밑깔도리 위 부재를 위깔도리 top plat라 부른다... 이 모형사진에서는 바닥구조가 1개의 깔도리 위에 올려졌다는 점, 끝막이 장선이 보구조가 아니라는 점이 잘못 제작된 지점이며, 바닥구조 위 이중깔도리는 맞는 구조라 생각된다... 가까이서 볼수록 거칠다...ㅠㅠ>

<4-3. 모형... 이중깔도리 이음부위는 두 개의 규격재에 통줄눈이 생기지 않게 시공한다... 문제는 stud 위에 밑깔도리를 시공한 다음, 이중깔도리 double up plate를 시공했기 때문에 1겹이 더 중복된 3중이 되었고, 결국 구조적으로는 횡력에 더 취약할 것으로 생각됐다...>

<4-4. 모형... stud의 길이가 900mm 이하인 벽체를 pony wall이라 부르는데, 기초벽 대신 설치되는 경우에는 특별히 cripple이라고도 부른다... 모형에서도 사랑방과 침실의 고저차이가 있었기 때문에 pony wall을 적용했는데, 당초 설계에서부터 적용했다면 pony wall이 생기지 않도록 stud의 길이를 사전에 조정했을 것이다... 모형 우측은 stud 위에 이중깔도리를 깔고, pony wall 위에 다시 이중깔도리를 깐 것인데, 구조적으로 문제가 없을지 의문스럽다. 바닥덮개가 없는 구조이기 때문이다... 모형 좌측은 바닥장선 위에 이중깔도리를 깔고 헤더식으로 제작한 보 위에 이중깔도리를 깐 모습인데, 이쪽은 무리가 없어 보인다...>

<4-5. 모형... 위 벽구조를 측면에서 바라본 모습... 이번 모형에서는 이중깔도리에 대한 이해가 부족해 3중의 깔도리로 시공된 부위가 많았다...>

 

 

 

     6-4. 스피드 스퀘어/랩터 스퀘어

 

     스피드 스퀘어(랩터 스퀘어 rafter square)이고, 경사에 따라 삼각함수가 동원되는 등 각도의 정밀성이 요구되지만, 현장에서는 스피드 스퀘어로 아주 쉽게 해결할 수 있다. 스피드 스퀘어로 서까래가 마룻대와 만나는 부분, 이중깔도리와 만나는 bird's mouth, 그리고 모임지붕이 45도일 경우 귀서까래의 경사각도 쉽게 구할 수 있으나, 12진법을 기준으로 만들어져 있어 착각하기 쉽다.

 

<5. 스피드 스퀘어/랩터 스퀘어... 7인치, 12인치용이 있는데 모형제작을 위해 7인치용을 하나 구입했다. 이런 것도 수입하나 싶다... 간단하게 살펴보면 ;

ⓐ DEGREES 표시된 숫자는 각도다...

ⓑ COMMON 지붕의 경사를 12진법으로 적용할 경우의 경사도로, 일반 서까래 common rafter에 적용된다.

    12:1~12:30까지 표시되어 있다...

ⓒ HIP-VAL 낙수면이 동일한 경사도를 가진 모임지붕에서는 hip rafter나 valley rafter이 생기고,

    이들이 마룻대와 만나는 경사는 일반 서까래와 다를 수밖에 없다. 이들의 경사도를 구하는데 사용된다...

ⓓ COMMON RAFTER CONVERSION 경사도를 각도로 전환한 표다.

    예를 들면 12:12 = 1:1 = 45도, 12:6 = 10;5 = 26.5도로 이해하면 된다...

ⓔ PIVOT 이 지점이 회전축의 기준이다. 헛갈리기 쉽다...

ⓕ 7인치 자, 제대로 된 스퀘어였다면, 끝이 날카롭게 가공된 게 맞을 듯...>

<5-1. 스피드 스퀘어 사용법 - 서까래 가공... 모형주택의 지붕경사도는 10:7이다. 스퀘어에 맞춰 12진법을 적용하면 12:8.4, 가공할 부재를 회전축에 맞추고, COMMON 눈금 8.4에 맞춰 자르면, 마룻대나 마루보와 서까래가 만나는 면에 맞게 사각으로 가공된다... 한번 정했던 10:7 경사로 만들어진 삼각형은 모든 부재 가공에서 닮은꼴로 응용된다(가공시 잘려나갈 부분인 빨간색 삼각형도 10:7이다)... 참고로 서까래는 벽체끝에서 마루보까지 길이의 1.22배가 되고, 이 배율을 적용하면 birds mouth가 생기는 부분도 굳이 삼각함수에 의지할 필요 없이 쉽게 구할 수 있다...>

<5-2. 스피드 스퀘어 사용법 - 힙랩터 가공... 같은 경사도의 지붕이 90도 각도로 꺽일 경우 생길 수밖에 없는 힙랩터나 밸리랩터의 가공면도 스피드 스퀘어가 있으면 쉽게 구할 수 있다...>

<5-3. 일반 랩터와 힙랩터의 경사각 비교... 힙랩터는 랩터보다 길어질 수밖에 없다. 부재가 긴만큼 잘라지는 면의 사선길이는 짧아진다...>

<5-4. 모형제작에는 삼각자만 있어도 서까래를 쉽게 만들 수 있다. 다만 현장에서는 실제 크기의 삼각형을 그릴 수 없어 스피트 스퀘어를 사용하는 것이다...>

<5-5. 서까래 모형... 마룻대와 만나는 경사각이나 처마끝과 birds mouth는 하나의 견본만 만들어서 재단하면 된다... 그러나 이 모형은, 이중깔도리와 만나는 birds mouth가 서까래 두께의 1/2이상을 파고들어 구조적으로는 잘못된 것이다. 1/20크기로 축소하면서 서까래의 두께를 실제 배율로 조정하지 않은 결과다...>

<5-6. 모형-지붕도... 목조주택을 모형크기로 축소하기 위해, 실제 높이와 각 부재의 길이를 사전에 체크했다...

거실을 예로 들면 ;

①마루보에서 처마끝까지 거리는 7.35+0.15(벽두께)x2+0.6(처마깊이)x2=8.85/2 = 4.425m,

②여기에서 마루보 두께의 1/2(이때는 38x4개 규격으로 생각했다)과 서까래 끝막이재를 빼면 4.425-0.038x3= 4.311m,

③밑변 4.311m, 높이 4.311x0.7=3.017m 삼각형의 빗변, 즉 서까래 길이를 삼각함수로 구하면 5.262m,

④그러나 위에서 말한 비례를 적용하면, 4.311x1.22=5.259m로 ③번 값과 3cm 차이가 난다. 현장에서는 무시한다.

⑤서까래가 2바이12 규격재라면 5.259+0.3x0.7=5.469m 규격재를 준비해야 잘려나갈 치수 때문에 실수하지 않는다,

⑥birds mouth는 처마 끝 0.6-0.038=0.562m 지점에서 시작하므로, 0.562x1.22=0.686m와 (0.562+벽체두께0.15)x1.22=0.869m 사이에 위치한다.

⑦0.686m와 0.869m 사이를 빗변으로 한 10:7의 직각삼각형을 그리면 버드마우스가 완성된다.

⑧참고로 모형에서는 1/20의 배율과 부재의 두께가 5mm인점을 감안하여, 5.259m의 서까래를 254.9mm로 재단하면 된다는 말이다...>

<5-7. 모형-밸리랩터와 valley jack rafter 길이 산출표... 그리고 잭랩터의 길이도 모형치수에 맞게 사전에 계산했다...>

<5-8. 모형... 본래의 시공순서도 그렇지만, 기둥을 세우고, 마루보를 올린 다음, 밸리랩터를 걸쳐 놓고 시공하는 게 쉬웠다... 모형 만들면서 이 부분에서 제일 많은 시간이 걸렸는데, 사전에 잭랩터의 길이까지 모두 계산했지만, 밸리랩터와 만나는 부분은 두번의 경사가공이 있어야 했기 때문이다... 특히 낙수면의 경사가 달랐던 침실뒤쪽, 공용욕실쪽 잭랩터 가공이 제일 복잡했다...>

<5-9. 지붕모형... 가장 복잡했던 부분이 완성됐다...>

 

 

 

     6-5. 조름보

 

     그리고 경사가 1:3 이상일 경우에는 조름보를 시공해야 하는데, 낙수면 경간의 1/3이내 지점에 설치하는 것이 좋고, 부재의 규격은 2x4 이상, 조름보의 띠장(휨방향가새)는 19x89mm를 사용한다고 한다.

 

<6. 조름보... 조름보는 서까리 높이의 1/3 지점 이내에 설치하는 것이 좋다고 하는데, 구조에서 사용하는 1/4가 아니라는 점이 주목할만 하다. 왜냐하면 인장력이나 전단력 등에 대응하는 구조계산은 1/4를 기준으로 하고, 토압 등 횡력이나 압축에 대응할 때는 1/3이 많다... 이런 구조의 상식을 적용한다면, 조름보는 인장이나 전단력보다, 압축이나 횡력에 대응하는 구조재일 수 있다고 생각된다...>

<6-1. 모형... 조름보와 장선에 각각 띠장을 시공했다... 구조적 기능이 약하다고 생각해 모형에서는 부재의 두께가 아닌 폭을 줄였다...>

 

 

 

     6-6. 트로스 구조

 

     그리고 내부 기둥 없이 지간거리를 넓히거나, 특정하중에 견디도록 설계한 트러스 구조도 유의할 필요가 있는데, 현장공사기간을 단축하면서 자재를 절감할 수 있는 이점도 있다. 전통적으로 벽체가 조적조가 대부분인 영국의 경우 지붕만은 트러스 구조를 사용하고 있다고 하는데, 국내에서도 지붕경사를 높여 건축물의 미관을 살리면서 경사지붕의 시공비를 절약하는 방안으로 트러스 구조를 활용하는 방안도 고려할만 하다고 생각된다.

 

<7. 트러스... 지붕구조는 크게 서까래공법과 트러스공법으로 나뉜다. 서까래공법에서는 마룻대나 마루보의 역할이 중요하다면, 각각의 트러스가 구조체인 트러스공법에서는 기둥과 마루보가 필요 없고, 용마루나 도리방향의 부재는 보조적인 역할을 한다....>

<7-1. 지붕의 종류... 다리나 실내체육관 등에서 사용되는 트러스구조를 목조주택에서 적극 활용하는 방안에 찬성하는 입장이다... 물론 구조계산과 공장제작이 가능해야 한다는 국내의 여건이 선행되어야겠지만, 만약 트러스가 가격경쟁력만 갖출 수 있다면 단독주택은 경사도 높은 지붕을 비롯해 훨씬 다양한 입면과 복잡한 구조에도 적용이 가능하다고 생각되기 때문이다...>

 

 

 

     6-7. 지붕의 환기

 

     마지막 지붕구조에서 신경쓸 부분은 지붕의 환기인데, 이는 실내의 에너지 관리뿐만 아니라 열과 습기로부터 목재의 변형을 방지하는데 꼭 필요한 장치라고 한다.

 

<8. 지붕환기의 중요성...>

 

 

     지붕환기에 가장 좋은 방법은 자연환기가 가능하기 위한 공기통로를 구조적으로 보장하는 것으로, 지붕에 설치되는 단열재와 지붕판재 사이에 최소 63mm 이격(밀폐된 구조가 아니어야 한다)을 두는 등, 총 천장면적의 1/150 정도에 공기가 흐를 수 있는 통로를 형성해 주는 것이 중요하다고 한다.

 

<9. 지붕환기 상세도...>

<9-1. 목조주택 벤트의 종류/스크랩... 구획된 공간의 공기흐름을 제어해야 하는 건축적 기능과, 숨을 쉬어야 하는 목재의 특성을 동시에 고려하려면, 목조주택만큼 에어벤트의 중요성이 부각되는 건축도 없지 않을까 생각된다...>

<9-2. 모형... 처마와 오버행 하부에서 유입된 공기가 서까래를 거쳐 용마루로 빠져나가기 위해서는, 소피트 soffit 벤트와 용마루벤트가 동시에 시공되어야 한다... 소핏벤트는 일반건축에서 처마하부에 사용하는 스팬드럴 spandrel을 벤트역할에 적합하도록 기능을 부여한 것으로, 공기는 유입되지만 벌레나 이물질 유입이 차단할 수 있는 부재를 사용한다고 한다...>

 

 

     가장 일반적인 방법은 소핏벤트로 유입된 공기가, 자연스럽게 지붕의 용마루벤트나 에어벤트로 빠져 나가는 구조를 만드는 것인데, 이를 보완하기 위해 무동력흡출기 등이 시공되기도 한다. 뿌리와 잎이 없어도 죽지 않은 목재의 특성을 이해하고, 열과 수분으로부터 목재의 변형을 방지하기 위해서는 첫째 숨을 쉴 수 있는 구조적 장치가 필요하고, 콘크리트나 철골 등 이질재와 만나는 곳이나 각재에 비해 수축팽창이 큰 판재에는 시공시 이격을 두는 것... 구조의 일체화만큼 중요한 요소인 거 같다.

 

<10. 지붕환기 흐름...>

<10-1. 모형... 실습시간에 10:3 경사도에 비하면 10:7은 낮지 않은 경사도다. 지붕 자체의 높이만 구하면 3.1m 이지만, 생각보다 급한 경사도 아니다...>

<10-2. 모형... 지붕구조가 올라가면서 목조주택의 구조가 완성되었는데, 1/20 축소비를 풀어보다면, 이중깔도리까지 3.42m가 되고, 안방쪽 용마루까지는 5.8m, 거실쪽은 6.3m쯤 된다... 앞서 말했듯이 이중깔도리를 잘못 계산하면서 벽체가 10cm 커졌고, 지붕까지는 30cm 정도 높아졌다...>

<10-3. 모형... 그렇게 지붕을 완성했다...>