1. 서 론
2. 중･고층 목조 건축물의 사례 선정 및 분석
2.1 목재패널시스템 적용 사례 건축물 선정
2.2 Bridport House의 구조시스템 분석
2.3 Badenerstrasse Building의 구조시스템 분석
3. 사례 건축물의 목재패널시스템 비교 분석
3.1 바닥 목재패널시스템 비교 분석
3.2 벽체 목재패널시스템 비교 분석
3.3 코어 패널시스템 비교 분석
3.4 바닥, 벽체 및 코어 패널시스템의 종합 분석
4. 중･고층 목조 건축물의 최적 목재패널시스템 선정
5. 결 론
1. 서 론
지구온난화에 대해 세계 각국은 다양한 방법으로 대응하고 있다. 서울시내 온실가스의 68.7%가 건축물에서 배출되고, 국제에너지기구에 따르면 세계 이산화탄소 배출량의 약 40%가 철근콘크리트 건축물에서 발생한다고 한다. 이에 비해 단위 무게의 건축재료 생산 시 목재의 탄소배출량은 콘크리트의 1/8, 강재의 1/21에 불과하다(Jim et al., 2008). 목조로 1,000m2의 건축물 조성 시 탄소저장량은 130톤, 탄소대체량은 270톤으로 총 400톤의 탄소저감효과가 있다.
영국은 허용 탄소 배출량 충족을 위해 대부분의 대형 건축물은 에너지 수요의 약 10%를 태양열과 같은 재생 가능한 자원으로 충족하고 있고, 프랑스는 2022년부터 모든 공공건축물의 절반 이상을 목조 등 지속 가능한 재료로 짓도록 규정하고 있다.
국내에서도 2020년에 국가건설기준의 목구조 건축물의 높이, 방화구획 및 연면적 제한이 해제되었다(KDS 41 50 00, 2022). 이전에는 목구조의 경우 높이 18m 이하 및 1,000m2 마다 방화구획을 하고 연면적도 3,000m2를 넘지 못하였으나, 이 제한이 모두 해제되어 고층 및 대공간 목구조도 기술적 한계만 극복된다면 제한없이 가능하게 되었다. 더불어 2024년 주택건설기준 규정이 개정되어 목구조 공동주택은 바닥판에 210mm 이상의 콘크리트 슬래브 의무 적용 대상에서 해제되어 층간소음 성능기준 49dB만 충족하면 된다. 따라서, 해외에서 널리 쓰이는 다양한 목조패널시스템의 적용도 가능하게 되었다.
목재는 친환경적인 여러 장점에도 불구하고 건조에 따른 수축과 응력집중에 의한 변형이 발생하기 쉬워 이의 극복을 위해 다양한 공학목재제품이 개발되었다. 최근에는 대단면 공학목재제품이 GLT(Glued Laminated Timber), PSL(Parallel Strand Lumber), LSL(Laminated Strand Lumber)과 같은 선부재 형태뿐만 아니라 CLT(Cross Laminated Timber), NLT(Nail Laminated Timber), DLT(Dowel Laminated Timber), LVL(Laminated Veneer Lumber), MPP(Mass Plywood Panels)와 같은 다양한 패널 형태로 제작되어 중･고층 목조 건축물에 널리 쓰이고 있다(Simone and Khaled, 2014). Fig. 1은 대표적인 공학목재제품인 CLT와 LVL 모습이다. CLT는 구조용직교집성판으로 불리며 작은 단면의 부재를 서로 직각으로 적층하여 만들어 양방향의 구조성능을 가진다. LVL은 단판적층재로 불리며 여러 개의 단판을 같은 방향으로 적층하여 만들어 한방향으로 강도가 큰 긴 부재를 만들 수 있다.
목재패널은 재생 가능한 친환경 자원이자 열전도율이 낮아 단열성능이 좋고, 경량으로 운송과 설치가 용이하며, 빠른 시공에 따른 인건비 절감으로 건축재료로서 선호가 높아지고 있다. 그러나 유기재료로서의 변형과 강재와 같은 고강도 재료에 비해 낮은 강도, 화재 취약성, 낮은 강성에 의한 진동과 소음 등은 목재패널이 극복해야 할 사항이다. 해외의 중･고층 목조 건축물에서 벽체와 바닥판으로 가장 널리 쓰이는 CLT의 시장 규모는 최근 급격히 성장하고 있다. CLT를 비롯한 다양한 목재패널시스템이 전 세계 중･고층 목조 건축물 시장에서 시공성이 우수한 친환경 건축재료로 주목받고 있으며 그 사용도 점차 확대되고 있다. 본 연구에서는 중･고층 목조 건축물에서 목재패널시스템의 적용 부위별 성능을 분석하고 이를 바탕으로 다양한 관점에서 성능향상을 위한 대안을 제안하고자 한다. 이 과정에서 구축된 비교분석 틀은 중･고층 목조 건축물의 최적 구조시스템 도출을 위한 가이드라인 역할을 할 것으로 기대된다. 이를 통해 목재패널시스템의 적용성을 높이고 궁극적으로 중･고층 목조 건축물의 활성화에 기여하고자 한다.
2. 중･고층 목조 건축물의 사례 선정 및 분석
2.1 목재패널시스템 적용 사례 건축물 선정
목조 건축물의 저층, 중층, 고층을 구분하는 명확한 기준은 국내외에서 아직 확립되지 않았다. 각국에서는 층수에 따라 내화성능을 규정하기도 하고(Eom, 2019), 구조적인 관점에서는 높이 증가에 따른 횡력 증대와 이에 대한 구조적 요구성능이 고려되기도 한다. 본 연구에서는 기존 연구(Kim and Kim, 2022; Robert et al., 2022)를 참고하여 4층 이하를 저층, 5층에서 9층까지를 중층, 10층 이상을 고층 목조 건축물로 지칭하고자 한다.
중･고층 목조 건축물의 구조시스템은 크게 패널시스템, 프레임시스템 및 하이브리드시스템으로 분류된다. 패널시스템은 목재패널이 수직 및 수평하중을 저항하는 구조시스템으로서 주로 세대 구성을 위해 구획이 많이 필요하고 공간 변화가 적은 주거용도 건축물에 적용된다. 프레임시스템은 기둥-보 골조가 수직하중을 저항하고 수평하중은 코어나 가새 등이 저항하는 구조시스템으로 주로 유연하고 개방된 공간이 필요한 업무용도나 상업용도 건축물에 적용된다. 하이브리드시스템은 패널시스템 및 프레임시스템 등 다양한 구조시스템과 목재, 콘크리트, 강재와 같은 서로 다른 재료를 조합하여 최적의 구조적 해법을 제시하는 시스템으로 주로 복합용도 건축물에 적용된다.
본 연구에서는 Fig. 2와 같은 두 개의 대표적인 목조 건축물을 사례로 하여 목재패널시스템의 적용 부위별 성능을 분석하였다. 첫째 사례는 영국 런던의 8층 Bridport House로 일련의 목재패널이 수직 및 수평하중을 저항하는 패널시스템의 대표적 건축물이다. 둘째 사례는 스위스 취리히의 7층 Badenerstrasse Building으로 전체적으로 목재패널이 벽체 및 바닥판에 사용되지만 철근콘크리트 코어가 횡력에 크게 저항하고, 1층이 철근콘크리트로 되어 있어 패널시스템 기반 하이브리드시스템으로 분류되는 대표적 건축물이다. 두 사례 모두 중층에 해당하지만 적용된 목재패널시스템은 고층 건축물에도 유사하게 적용되고 있다.
2.2 Bridport House의 구조시스템 분석
Bridport House는 벽체와 바닥판 전체가 CLT를 주 구조재로 하는 목재패널로 지어졌고, 횡력에 저항하는 코어도 CLT 패널로 지어졌다. 특히, 복층으로 구성된 하부 2개 층과 단층으로 구성된 상부 6개 층의 구조 그리드가 상이하여 CLT 벽체패널이 전이보 역할을 하고 있다. 연면적은 4,020m2이고 전체 41가구이다. 각 주거 유닛에 사용된 목재량은 30~40m3 정도이고 전체적으로 1,576m3의 목재가 쓰였다. 바닥판은 200mm 두께의 CLT 패널이 수평격막으로 거동하고 있으며 이의 상부에 60mm로 모르타르를 토핑하고 하부에는 2겹의 석고보드를 붙여 내화성능과 차음성능을 얻고 있다. CLT 벽체패널은 하중의 크기를 고려하여 최상층의 100mm에서 최하층의 160mm까지 두께가 단계적으로 증가한다. 이 벽체패널 양쪽에는 50mm 두께의 방음재와 2겹의 석고보드를 붙여 차음성능과 내화성능을 얻고 있다. Fig. 3은 Bridport House의 단면도와 평면도이고, Fig. 4는 바닥판과 벽체패널의 구성과 단면상세이다(Michael and Jim, 2021).
Fig. 5에서 Bridport House를 바닥패널, 벽체패널 및 코어패널과 이들이 결합한 전체 구조시스템으로 나타내었다. 바닥판에는 CLT 패널과 모르타르가 쓰였고, 벽체에는 CLT 패널이 쓰였다. 바닥패널과 벽체패널은 CLT 패널로 된 코어와 결합하여 전체 구조시스템을 완성하고 있다.
2.3 Badenerstrasse Building의 구조시스템 분석
Badenerstrasse Building은 복합용도 건축물로 철근콘크리트 구조의 1층 상업영역과 그 위에 목조로 지어진 6개 층 총 54가구의 주거영역으로 구성되어 있다. 철근콘크리트 코어가 전층에 걸쳐 있어 횡력에 저항하고 있다. 내부벽체는 가문비나무 원목 각재(100mm × 200mm)를 장부촉으로 연결한 현장 시공된 원목조립패널로 되어 있으며 수직하중에 저항하고 있다. 바닥판은 40mm 두께의 LVL 패널을 상하에 두고 그 사이에 160mm × 40mm 단면의 목재장선을 둔 조립목재패널을 기본으로 하고 있다. 여기서 상부 LVL 패널에는 30mm의 차음층을 두고 그 위에 70mm로 콘크리트를 토핑하였으며 하부 LVL 패널 아랫면에는 석고 섬유보드로 마감하여 수평격막의 구조성능뿐만 아니라 내화성능과 차음성능을 얻고 있다. 한편, 목재 장선 사이에는 50mm 두께의 자갈층을 두어 추가적인 차음성능을 얻고 있다. Fig. 6은 Badenerstrasse Building의 단면도와 평면도이고, Fig. 7은 원목조립패널의 구성과 시공모습 및 바닥판과 벽체패널의 단면상세이다(Michael and Jim, 2021). 벽체로 쓰이는 원목조립패널은 모든 층에서 두께가 동일하다.
Fig. 8에서 Badenerstrasse Building을 바닥패널, 벽체패널 및 코어패널과 이들이 결합한 전체 구조시스템으로 나타내었다. 바닥판에는 LVL 기반 조립목재패널과 콘크리트가 쓰였고, 벽체에는 원목조립패널이 쓰였다. 바닥패널과 벽체패널은 콘크리트 코어와 결합하여 전체 구조시스템을 완성하고 있다.
3. 사례 건축물의 목재패널시스템 비교 분석
본 장에서는 두 사례 건축물의 바닥판, 벽체, 코어에 사용된 목재패널시스템의 특징을 구조성능, 경제성, 내화성, 사용성과 같은 기능적 측면과 목재 재활용성 및 목재 사용량과 같은 환경적 측면으로 나누어 비교 분석하였다.
3.1 바닥 목재패널시스템 비교 분석
Bridport House의 바닥패널시스템은 CLT 패널과 모르타르 토핑 사이에 전단연결재가 없어 합성효과를 기대하기 어렵다. Badenerstrasse Building의 바닥패널시스템은 LVL 패널과 목재장선으로 구성된 조립목재패널 위에 차음재와 콘크리트 토핑이 있으나 조립목재패널과 콘크리트 토핑 사이에 전단연결재가 없어 이 또한 합성효과를 기대하기 어렵다. LVL 패널과 목재장선의 조립목재패널은 공간을 많이 차지하는 단점이 있지만 LVL 패널과 목재장선이 합성효과를 발휘할 수 있어 그 자체로는 휨강성이 커지는 장점이 있다.
Bridport House와 Badenerstrasse Building 바닥패널시스템의 구조성능과 물량을 Table 1에서 비교하였다. 이때 쓰인 재료의 단위중량은 Table 2와 같다. 여기서, 바닥판의 폭은 600 mm, 길이는 1m를 기준으로 하였다. Badenerstrasse Building의 조립목재패널에서 목재장선의 간격은 일반적으로 쓰이는 600 mm를 적용하였다.
Table 1.
Comparison of floor panels of case study buildings
Table 2.
Unit weight of materials used in case study buildings
| Material | Wood | Mortar | Concrete |
| Unit weight (kg/m3) | 480 | 2,100 | 2,300 |
구조성능은 부재의 보유내력과 하중 크기로 평가할 수 있다. CLT와 LVL 및 목재장선은 유사한 강도를 가지며, 두 사례 모두 토핑 모르타르나 토핑 콘크리트가 목재패널과의 합성효과를 기대하기 어려우므로 목재바닥패널의 단면계수로 보유내력을 평가하였다. Badenerstrasse Building이 Bridport House보다 단면계수가 4.2% 정도 크므로 보유 내력면에서는 약간 유리하다고 볼 수 있다. 바닥패널시스템 전체 무게는 Badenerstrasse Building이 Bridport House보다 7.9% 정도 가볍지만 차음을 위해 LVL 패널 사이에 두는 자갈층 50mm를 고려하면 유효중량이 유사하여 비슷한 지진하중을 받는다고 볼 수 있다. 따라서, 전체적으로 두 건축물의 구조성능은 유사하다고 평가할 수 있다.
경제성은 구조물량과 시공비로 평가할 수 있다. 토핑 모르타르나 토핑 콘크리트의 두께는 비슷하고, 목재가 콘크리트보다 단가가 높은 것을 고려하면, Badenerstrasse Building이 Bridport House보다 목재량이 54.7% 적어 조립목재패널 제작에 따른 시공비 증가를 고려하더라도 목재 물량 감소에 의한 경제성에서 더 유리하다고 볼 수 있다.
내화성능에서 Bridport House의 바닥패널은 상부에 60mm 두께의 모르타르 토핑과 하부에 2겹의 석고보드를 붙여 내화성능을 얻고 있다. Badenerstrasse Building의 바닥패널은 상부 LVL 패널 위에 70mm 두께의 콘크리트 토핑과 하부 LVL 패널 아랫면에 석고 섬유보드 마감으로 내화성능을 얻고 있다. 따라서, 두 건축물의 바닥패널시스템은 유사한 내화성능을 보유한다고 평가할 수 있다.
사용성은 처짐 및 진동과 공간을 차지하는 두께 및 차음성능 등으로 평가할 수 있다. 처짐은 단면2차모멘트에 반비례하고 처짐이 적을수록 진동도 감소한다. 두 건축물은 토핑 두께가 비슷하고 Badenerstrasse Building이 Bridport House보다 목재바닥패널의 단면2차모멘트가 25% 정도 크므로 처짐과 진동면에서 유리하다. 다만, Badenerstrasse Building의 조립목재패널은 두께가 240mm로서 Bridport House의 200mm CLT 패널보다 20% 더 두꺼워 공간 활용 면에서는 다소 불리한 편이다. Bridport House는 CLT 바닥패널 아래에 2겹의 석고보드와 50 mm 방음재의 매달린 천장으로 차음성능을 얻고 있다. Badenerstrasse Building은 상부 LVL 패널 위에 30mm 두께의 차음층이 있고 하부 LVL 패널 위에는 50mm 두께의 차음 자갈층이 있으며, 바닥패널 밑면에는 천장용 레질리언트 채널(resilient channel)로 차음성능을 얻고 있다. 상기 사항을 전체적으로 고려하면 두 건축물의 사용성은 유사하다고 평가할 수 있다.
목재 재활용성은 CLT 패널 위에 모르타르를 바로 토핑하는 Bridport House 보다 조립목재패널 위에 차음층을 두고 그 위에 콘크리트를 토핑하는 Badenerstrasse Building이 목재 분리가 용이하여 재활용성이 높을 것으로 평가된다.
목재 사용량은 유사한 구조성능 발휘에 목재 소요량이 2배 정도 많은 Bridport House가 더 유리하다고 평가된다. 이는 목재 사용량을 줄이면서 구조성능을 높이는 것도 의미 있지만, 국가별 탄소배출 저감량 산정 시에는 목재 사용량을 늘리는 것이 유리하게 작용하기 때문이다.
종합적 관점에서 두 건축물의 바닥 목재패널시스템은 구조안전성, 내화성, 사용성은 성능이 비슷하고, 목재 사용량은 Bridport House가 더 우수하며, 경제성과 목재 재활용성은 Badenerstrasse Building이 더 우수하다고 평가된다.
3.2 벽체 목재패널시스템 비교 분석
벽체패널시스템은 Bridport House는 최상층 100mm에서 최하층 160mm까지 점차 증가하는 CLT 패널이 사용되었고, Badenerstrasse Building은 100mm × 200mm 단면의 원목 부재를 장부촉으로 연결하는 원목조립패널이 사용되었다.
구조성능에서 CLT 패널은 수직하중뿐만 아니라 횡력 저항성능도 우수하다. 반면, 원목조립패널은 수직하중 저항성능은 확보할 수 있지만 횡력 저항성능은 기대하기 어렵다. 따라서, 원목조립패널로 세대 간 벽체를 구성한 Badenerstrasse Building은 콘크리트 코어를 여러 군데 두어 횡력 저항성능을 별도로 확보하고 있다. 반면, Bridport House는 CLT 패널로 된 코어가 별도로 있지만 2군데에 불과하고 크기도 적어 벽체패널이 횡력저항에 크게 기여하고 있어 구조성능이 더 우수하다고 평가할 수 있다. 또한, 전층에 걸쳐 동일 벽체의 두께가 동일한 Badenerstrasse Building보다는 높이에 따른 수직하중과 횡하중의 크기 변화를 고려하여 저층으로 갈수록 벽체단면 크기를 증가시키는 Bridport House가 구조적 효율성 면에서도 더 유리하다고 평가할 수 있다.
경제성은 구조물량과 시공비로 평가하였다. Bridport House의 벽체 CLT의 평균 두께는 130mm, Badenerstrasse Building의 원목두께는 100mm로서, 벽체패널의 목재물량은 Bridport House가 30% 정도 더 많다. CLT와 같은 공학목재제품의 단가가 원목에 비해 1.5~2배인 것을 고려하면 Badenerstrasse Building에서 원목조립패널의 조립비용과 이에 따른 공사기간 증가를 고려하더라도 Bridport House보다 경제성에서 더 유리하다고 평가할 수 있다.
내화성에서 Bridport House는 CLT 패널 양쪽에 50mm 두께 방음재와 2겹의 석고보드를 붙여 차음 및 내화성능을 얻고 있다. Badenerstrasse Building은 내벽 원목조립패널 양쪽에는 2겹의 석고보드를 붙였고, 외벽 원목조립패널에는 내부에 80 mm 미네랄 섬유 단열재와 2겹의 석고보드를 붙이고, 외부에 160mm 미네랄 섬유 단열재와 70mm 섬유 시멘트 레인스크린 패널로 마감하여 내화성능을 얻고 있다. 따라서, 두 건축물의 벽체패널시스템은 유사한 내화성능을 보인다고 평가할 수 있다.
벽체패널의 사용성은 공간을 차지하는 두께와 차음성능으로 평가할 수 있다. Bridport House는 평균두께 130mm의 밀실한 CLT 패널이 쓰이고 여기에 CLT 패널 양쪽으로 50mm 두께의 방음재가 있어 벽체의 평균 두께는 230mm 정도이다. 여기서 내화성능을 위한 석고보드 두께는 포함하지 않았다. Badenerstrasse Building의 원목조립패널은 원목 부재 간 수축과 팽창을 위해 10mm의 틈을 두어 이것이 열교가 되어 소음과 단열면에서 상당히 불리하다. 이에 대한 보완으로 원목조립패널 양쪽에 80mm 두께의 미네랄 섬유 단열재와 10mm 두께의 음향 간극재를 두었다. 결과적으로 Badenerstrasse Building의 벽체패널 두께는 280mm로 Bridport House보다 50mm(약 21.7%) 두꺼워 공간활용성이 낮고 근본적으로 차음성능도 낮다고 평가된다.
목재 재활용성은 Badenerstrasse Building의 원목조립패널은 특별한 가공이나 접착이 없어 사용 수명 이후 쉽게 재사용 가능하여 CLT 패널을 사용하는 Bridport House보다 유리하다고 평가할 수 있다.
목재 사용량은 Bridport House의 CLT 패널 두께는 평균 130 mm이고, Badenerstrasse Building의 원목조립패널 두께는 100 mm이므로 목재 소요량이 1.3배 정도 많은 Bridport House가 더 유리하다고 평가할 수 있다.
종합적 관점에서 두 건축물의 벽체 목재패널시스템은 내화성능은 비슷하고, 구조성능, 사용성, 목재 사용량은 Bridport House가 더 우수하며, 경제성, 목재 재활용성은 Badenerstrasse Building이 더 우수하다고 평가된다.
3.3 코어 패널시스템 비교 분석
중･고층 목조 건축물에서 횡력 저항에 가장 중요한 구조요소는 주로 계단실과 승강기실이 있는 코어이다. Fig. 9에서 두 건축물의 기준층 평면도에서 코어 위치를 나타내었다. Bridport House는 코어가 편심으로 2개 있고, Badenerstrasse Building은 코어가 균등하게 6개 있다.
코어의 구조성능은 횡강성과 하중 크기로 평가할 수 있다. Bridport House는 코어가 CLT 패널로 구축된 반면, Badenerstrasse Building은 코어가 콘크리트로 되어 있다. CLT 패널은 콘크리트와 강도가 유사하고 콘크리트와 마찬가지로 수직하중뿐만 아니라 횡저항성능도 우수하다. Bridport House는 세대 간 벽체도 CLT 패널이어서 CLT 코어와 협력하여 횡력에 저항하고 있으며, 특히, 세대 간 벽체가 균등히 배치되어 있어 코어의 역할이 크지 않아 2개의 코어가 후면으로 편심되어 배치되어도 구조적으로 별 문제가 되지 않는다. 반면, Badenerstrasse Building의 세대 간 벽체는 횡저항성능을 기대하기 어려운 원목조립패널로 되어 있어 콘크리트 코어 6개가 균등하게 배치되어 횡력을 전담하고 있다. 구조성능 측면에서 두 건축물의 코어는 각각의 벽체 목재패널시스템과 연관이 있고 최적으로 횡력을 저항하도록 위치 및 개수가 계획되었으므로 건물 전체의 횡강성은 유사하다고 볼 수 있다. 코어만 본다면 비슷한 규모일 때 CLT 코어도 콘크리트 코어와 유사한 강도와 횡강성을 가지는 것으로 알려져 있다. 이러한 사항과 콘크리트의 단위체적중량이 CLT에 비해 5배 정도로 무겁고 지진하중은 건축물의 유효중량에 비례한다는 것을 고려하면 적은 개수와 가벼운 코어로 된 Bridport House가 지진하중이 적어 Badenerstrasse Building보다 구조성능 면에서 유리하다고 평가할 수 있다.
경제성은 구조물량과 시공비로 평가하였다. 중･고층 목조 건축물의 일반적인 코어 벽체 두께는 CLT 패널이나 콘크리트 모두 200mm 정도로 유사한 점을 고려하면 코어의 구조물량은 비슷하다고 볼 수 있다. CLT 패널 코어는 사전 제작되어 조립식으로 시공되고 가벼우므로 공사기간이 단축되고 인건비도 절감된다. 반면, CLT 패널이 콘크리트에 비해 부피당 가격이 약 10배 이상이고 내화성능 확보를 위한 별도의 시공이 필요한 것을 고려하면 콘크리트 시공에 따른 공사기간 및 인건비 증가를 고려하더라도 Badenerstrasse Building이 Bridport House보다 경제성 면에서 유리하다고 평가할 수 있다.
내화성에서 Bridport House의 CLT 패널은 양쪽에 석고보드를 붙여 내화성능을 얻지만, Badenerstrasse Building의 콘크리트 코어는 불연재료로서 특별한 처리없이 내화성능을 얻을 수 있다. 따라서, 내화성은 Badenerstrasse Building이 Bridport House보다 훨씬 유리하다고 평가할 수 있다.
사용성은 공간을 차지하는 두께와 차음성능으로 평가할 수 있다. 두 건축물의 코어벽체 두께는 모두 200mm 정도로 유사하지만 Bridport House는 CLT 패널 양쪽에 석고보드 시공이 필요하여 벽체가 더 두꺼워지므로 콘크리트로 되어 특별한 내화처리가 필요 없는 Badenerstrasse Building이 공간활용면에서 유리하다고 볼 수 있다. 또한 일체로 시공되는 콘크리트는 부재를 조립 시공하는 CLT 패널보다 차음성능이 더 유리하다. 결과적으로 Badenerstrasse Building이 Bridport House보다 사용성이 유리하다고 평가할 수 있다.
목재 재활용성과 목재 사용량은 CLT 패널 코어로 된 Bridport House가 콘크리트 코어로 된 Badenerstrasse Building보다 훨씬 유리하다고 평가할 수 있다.
종합적 관점에서 두 건축물의 코어 패널시스템은 구조성능, 목재 재활용성, 목재 사용량은 Bridport House가 더 우수하고, 경제성, 내화성, 사용성은 Badenerstrasse Building이 더 우수하다고 평가된다.
3.4 바닥, 벽체 및 코어 패널시스템의 종합 분석
Bridport House와 Badenerstrasse Building의 바닥, 벽체 및 코어 패널시스템을 구조성능, 경제성, 내화성, 사용성, 목재 재활용성, 목재 사용량 면에서 비교 분석한 결과는 Table 3과 같다. Bridport House는 목재 사용량은 바닥, 벽체 및 코어 패널시스템이 모두 유리하고, 구조성능은 전반적으로 유리하나, 내화성은 다소 불리하고 목재 재활용성은 전반적으로 불리하며 경제성은 모두 불리하게 나타났다. 반면, Badenerstrasse Building은 경제성은 바닥, 벽체 및 코어 패널시스템이 모두 유리하고, 목재 재활용성은 전반적으로 유리하며 내화성은 다소 유리하나, 구조성능은 전반적으로 불리하고 목재 사용량은 모두 불리하게 나타났다. 사용성은 두 건축물이 유사하게 나타났다.
Table 3.
Comparison of panel systems in case study buildings
두 건축물의 바닥, 벽체 및 코어 패널시스템은 각각의 건축 배경과 제한조건, 개별 패널시스템의 특성 및 이들 간의 최적 조합을 고려하여 선정되었으므로 우열을 가리는 것은 큰 의미가 없다. 중･고층 목조 건축물이라는 전반적인 상황을 고려하고 각 평가항목의 가중치가 동일한 조건에서 본다면 두 건축물은 유사한 성능을 보인다고 평가할 수 있다.
4. 중･고층 목조 건축물의 최적 목재패널시스템 선정
앞의 3장에서 패널시스템을 기반으로 하는 대표적인 중･고층 목조 건축물인 Bridport House와 Badenerstrasse Building을 대상으로 각 건축물에 적용된 바닥, 벽체 및 코어 패널시스템을 구조성능, 경제성, 내화성, 사용성, 목재 재활용성, 목재 사용량을 기준으로 비교 분석하였다. 이와 같은 비교분석은 중･고층 목조 건축물 설계 시 최적 구조시스템 선정을 위한 가이드라인으로 역할 할 수 있다.
지반이 약한 곳에 짓는 경우 건축물 무게를 최소로 할 필요가 있으며, 이때는 콘크리트 보다는 목재를 최대한 활용하는 것이 유리하고, 이 경우 가벼운 무게로 인해 풍하중에 의한 상향력에 저항할 수 있는 정착장치가 필요하다. 또는, 바닥판 경간이 긴 경우 CLT 패널만으로는 목재량이 과도하게 소요되므로 장선바닥판이나 콘크리트와 목재패널이 협력하는 합성바닥판이 유리할 수 있다. 한편, 탄소배출량 저감 등을 위한 정책적인 목적에서 목재 사용량을 극대화할 필요가 있는 경우에는 합성부재보다는 순수 목재패널을 우선 적용할 수 있다.
Fig. 10에서는 일례로 두 사례 건축물에 대해 전체적인 또는 특정 영역의 성능향상을 위한 대안을 제안하였다. Bridport House의 CLT 패널 바닥판은 Badenerstrasse Building의 조립목재패널보다 대체적으로 불리하게 평가되었으므로 이를 조립목재패널로 변경하면 전반적인 성능향상을 기대할 수 있다. 한편, Badenerstrasse Building의 콘크리트 코어는 Bridport House의 CLT 패널 코어와 전체적으로 성능은 유사하지만 환경적 측면인 목재 재활용성과 목재 사용량이 크게 불리하므로 이를 CLT 패널 코어로 변경하면 환경적 측면의 성능향상을 크게 기대할 수 있다.
5. 결 론
본 연구에서는 패널시스템을 기반으로 하는 대표적인 2개의 중･고층 목조 건축물을 대상으로 각 건축물에 적용된 바닥, 벽체 및 코어 패널시스템을 구조성능, 경제성, 내화성, 사용성, 목재 재활용성, 목재 사용량 관점에서 비교분석하고 이를 바탕으로 각 건축물의 전체적인 또는 특정 영역 성능향상을 위한 대안을 제시하였다. Bridport House의 CLT 바닥패널은 조립목재패널로 변경하면 전반적인 성능향상을 기대할 수 있고, Badenerstrasse Building의 콘크리트 코어는 CLT 패널 코어로 변경하면 환경적 측면의 성능향상을 높일 수 있는 것으로 평가되었다. 이와 같은 비교분석 틀은 중･고층 목조 건축물 설계 시 최적 구조시스템 도출을 위한 가이드라인 역할을 할 것이라 기대된다.
본 연구의 사례 건축물은 다양한 목재패널시스템이 적용되어 체계적인 분석이 가능하였다는 장점이 있으나, 사례 건축물 수가 2개로 제한적이어서 보다 광범위한 목재패널시스템 유형을 포함하지 못하였다는 한계가 있다. 추후 연구에서는 보다 다양한 사례를 대상으로 하고, 특히, 목조 건축물에서는 극대화된 구조성능이 요구되는 20층 이상의 건축물까지 분석 범위를 넓히고자 한다. 이와 더불어 건축목적 및 다양한 제한조건에 맞추어 평가항목의 보완 및 재조정과 가중치를 고려하고, 정성적 평가를 넘어 정량적 평가까지 다루는 방향으로 연구범위를 확대하고자 한다.
