Flitch Beam 의 구조설계와 현장적용
“플리치빔이란” 목재와 구조용 철판을 결합하여 제작하는 하나의 보요소(Beam element)이다.
주로 장경간 헤더(header)나 인방(lintel), 그리고 다락방의 장선 등 큰 하중이 작용하는 경우나 Timber만으로는 강도와 강성이 충분하지 않을 때 사용하는 오래된 공법이다.그러나 우리나라에서는 아직 이러한 공법에 대해 소개된 것이 거의 없고 또한 사용하는 경우도 매우 드문 것으로 알려져 있다.
일반적으로 또는 맹목적으로 목조건축물이나 목조구조물을 축조할 때 큰 하중을 저항하는 부재에글루램이나 PSL 등 공학목재를 주로 사용하며 어떤 경우에는 H-Beam이나 I-Beam을 사용한다.
그러나 공학목재는 목재로 만들어져 있어 수분에 민감하고 장기 처짐 즉, 목재만의 Creep 처짐이 다른 재료에 비해
크게 발생하는 특성이 있으며 강구조는 목재와의 접합이나 기계장비를 이용한 가설공법 등이 복잡해질 수 있는 한계점이 있다. 이럴 때에는 현장에서 제작하여 적용할 수 있는 플리치빔을 검토해 볼 필요가 있다.
그림1의 좌측은 플리치빔의 단면도이며 우측은 Steel plate의 기계적 강성을 목재로 등가 환산하여 해석하는 방법이다.
현재 NDS나 IBC, IRC, Eurocode 5에는 플리치빔의 설계나 해석방법에 대한 구체적인 규정은 수록되어 있지 않다.
본 칼럼에서는 Steel의 강도와 강성을 목재의 강도와 강성으로 등가환산하는 개념과 TRADA Technology 사 Eurocode 0, Eurocode 3를 적용한 구조설계와 적용 원리를 소개하고자 한다. 플리치빔을 설계하기 위해서는 우선 기본적인 가정을 해야 한다.
첫 번째, Timber와 Steel plate로 구성된 Composite beam은 하나의 보로 일체화된 거동을 한다.
두 번째, Steel과 Timber의 탄성한계 내에서의 역학적 변형률 ε은 같다.
세 번째, 두 재료는 탄성한계 내에서 후크의 법칙과 중첩의 원리를 적용받는다.
네 번째, 하나의 보의 어느 지점에서든지 Timber와 Steel plate의 하중의 분담은 기하구조에 의한다.
먼저 등가의 원리를 보면 휨을 계산할 때 목재와 Steel의 탄성계수의 차이를 등가의 목재탄성계수로 환산하는 방법이다.
따라서 아래와 같은 탄성계수비(Modular ratio)로 정의할 수 있다.
즉 
으로 정의할 수 있으며 이 식은 재료역학 또는 정역학의 기초에서 이미 배운 자료일 것이다.
이때 플리치빔의 해석적 방법은 이 비율식에 따라 자중과 활하중 등에 대한 보나 장선 등의 휨모멘트와 전단력 등 내력을 구한 후 응력과 변형을 구하면 된다. 또한, Bolt의 규격이나 간격 등은 NDS의 규정에 따라 해당 레이어 수대로 전단의 Bolting 규정을 적용하여 해석한다.
또 하나의 방법으로는 유로코드를 기반으로 하는 TRADA사의 기술 자료로서 본 칼럼에서는 간단히 개념만 소개하고자 한다. 유로코드에서의 플리치빔의 개념은 하중의 분배( Load distribution) 개념으로 해석할 수 있다. 즉, 모든 하중은 목재가 직접적으로 전달받으며 이 하중은 Bolt를 통해 Steel Plate로 전달하여 플리치빔이 하나의 합성보(Composite beam)로 거동한다는 개념으로 해석한다.
따라서 합성빔에서 각각의 탄성계수는 아래의 식으로 정의할 수 있다.
이때 목재의 탄성계수는 유로코드의 규정에 따라 
을 적용하거나 탄성계수의 하한 5% 평균값인 
를 적용하여 해석한다. 그러나 주로 팀버의 응력이나 처짐을 계산할 경우에는 
값을 적용한다.
플리치빔의 설계에서 유의해야 할 점은 목재의 Creep과 볼트의 Slip 현상 그리고 steel plate의 전단 파괴와 전단 처짐(Shear deflection) 등이다. 목재의 Creep 현상은 장기적인 처짐 현상으로 북미의 규정이나 유럽의 규정에서 준용할 수 있다. 그러나 Steel plate의 Bolting을 위한 Hole의 응력집중으로 인한 전단파괴와 Slip 현상은 반드시 보의 안전성 해석을 위해 국내의 강구조 설계기준에 따라 검토할 필요가 있어 보인다.
특히, Steel plate의 전단응력과 변형은 재료의 특성에 따라 소성해석을 검토할 필요가 있을 것이며 Bolt의 재료와 강도, 강성에 대한 해석도 필수적이다. 만약 부재가 휨과 전단, 휨과 축력 등을 동시에 받는다면 구조설계 기준에 따라 두 개 이상의 내력을 받는 부재에 대한 안전성 검토도 필요하다.
그림3은 주택의 부속 작업장의 전면 커튼창을 설치하기 위해 산형트러스 형식의 플리치 부재를 적용한 사례이다. 모든 부재는 축력과 모멘트를 받으며 전단력도 발생한다. 해당 건축물은 그림4와 같이 각 조인트마다 볼트를 이용한 모멘트 접합설계를 수행하여 부재에 발생하는 모멘트와 전단의 작용에 대해 필요한 Bolt의 수와 간격 등을 북미의 기준에 따라 적용하였다.
이번 호에서는 Flitch beam에 대한 원리와 설치 사례를 소개해 보았다. 목조주택에서 주로 사용하는 투바이 구조재(보통 2등급 구조재)는 건설재료로서의 강도가 약하며 특히 전단강도가 매우 작은 단점을 가지고 있다.
그렇기 때문에 좀 더 다양한 공간을 건축하기 위해서는 공학목재나 Flitch beam 같은 단순부재와 탄소섬유나 유리섬유를 적용한 라미네이트 공법, 다양한 단면을 합성한 합성단면 등을 필요에 따라 적용하는 기술이 필요하다. 특히 우리의 현실에 맞는 합판이나 OSB를 거셋판으로 사용한 트러스의 적용은 높이 제한이 사라진 목조건축과 목구조 해석의 기술발전을 앞당길 것이다.
l 글 김창환 소장
약 25여년간 설계, 감리, 시공을 한 엔지니어이다.
현재 건축공방나무에서 설계사무소 및 구조사무소 등과 Co-work 을 통한 신축 및 리모델링 프로젝트 시공을 담당하고 있다. 서울시립대 대학원을 졸업하였고 구조공학을 전공하였다.
건축공방나무 | 김창환 소장