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목조건축물에 있어서의 구조설계 과정과 이해 – 나무신문
최근 목조 건축물에 대한 관심은 고조되고 있고 그 설계과정에서 목구조 설계의 필요성과 여러 가지 의문도 있어 이번 글을 통해 목조주택을 중심으로 …
Source: www.imwood.co.kr
Date Published: 5/25/2022
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- Date Published: 최초 공개: 2019. 9. 28.
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목조건축물에 있어서의 구조설계 과정과 이해
전문가 기고 | (주)위너스BDG 이석 대표이사
이석 대표이사(주)
위너스BDG
현재 팬데믹 이후의 시대적인 변화와 기후변화의 대응을 위한 탄소 저감과 탄소 중립 과제라는 세계적인 추세에 놓여있다. 탄소 중립을 위해 국내에서도 국가 차원의 추진전략사업을 세워놓았다. 경제구조의 저탄소화, 저탄소 산업생태계 조성 외에도 장기저탄소발전전략 중 자연·생태의 탄소 흡수 기능 강화 등의 내용이 그 중심에 있다. 부문별 전략 중에서 건축물은 고에너지효율과 재생에너지를 사용 촉진하는 내용이 주목된다.
사실상 목재가 최대의 탄소저장고이므로 친환경 목조 건축물을 적극적으로 추진하는 것이 가장 효과적인 방안이라는 것에 이견이 없을 것이다.
최근 목조 건축물에 대한 관심은 고조되고 있고 그 설계과정에서 목구조 설계의 필요성과 여러 가지 의문도 있어 이번 글을 통해 목조주택을 중심으로 설계과정을 간단히 소개한다.
목조 건축물에서의 구조설계과정은 건축설계의 과정에서 건축설계자와 협업을 통해 이루어진다. 타 구조형식에 비해 크게 다르지도 않다. 다만 목조건축물의 경우는 타 구조형식과는 달리 주요 목조의 구조부가 건축물의 디자인 요소로 크게 어필하거나 건축 마감재로서의 특징이 강하다. 즉 타 건축형식과 비교할 때 우리의 한옥이나 전통건축에서 드러나는 목구조의 양식이 그러하듯 구조가 두드러진다.
구조설계는 건축물의 안전을 최우선 목표로 필요한 것이며 건축설계에 있어 매우 중요한 내용의 하나다. 이러한 점에서 구조설계과정에서 첫 번째로 설계기준을 명확히 이해하고 고려해야 할 이유이다.
국내외 각 나라마다 건축물의 구조 안전을 위한 법규정이 제정되어 있고, 건축물의 안전성, 사용성과 내구성을 확보할 수 있는 설계기준을 두고 있다.
국내에서는 건설기술과 건설산업의 진흥을 위해 국가건설기준을 통합해 설계기준(KDS, Korean Design Standard)에서 건축구조설계기준(KDS 41)을 분류 규정하고 있다. 이들 내용에는 설계하중, 기초구조, 콘크리트구조, 강구조 등 구조설계의 원칙과 절차, 구조설계법 등을 규정하고 있다.
그림-1. 국내 및 미국/캐나다 및 유럽 구조설계기준
현재는 구조물의 부재 단면력이나 응력이 설계하중 범위에 들어오도록 하는 사양설계법(Prescriptive Design)을 기본적으로 사용하고 있으나, 세계적인 추세에 따라 성능기반설계법(Performance-Based Design)으로 한 발 더 나아가고 있다. 기존의 설계개념인 사양 설계는 기준에 명시된 규정을 따라 적용이 쉬운 반면 다양한 기술의 변화에 맞추기 어려운 한계점이 있다. 이제는 건축물의 요구되는 성능 목적에 따라 설계가 가능한 성능기반설계법과 BIM환경의 전환이 필요한 시점이다.
두 번째의 설계과정에서 고려해야 할 내용은 건축물이 전적으로 부담해야 할 중력에 의한 건축마감을 포함한 자중, 사용하중 그리고 바람과 지진하중 등을 계산하고 평가하는 것이다. 이들의 하중은 건축물에 작용할 때 가장 유효한 조건으로 평가될 수 있도록 하중조합을 고려한다.
그리고 구조 Frame을 결정하는 것이다. 바닥재의 두께, 보나 기둥 등의 부재의 크기, 위치, 방향 등 그리고 부재별 결합에 방식에 의한 전체 건물구조시스템을 결정하는 것이다. 어찌 보면 건축구조설계자 자신 스스로가 가장 창의성이 돋보이는 과정이라 할 수 있다.
각자의 경험과 전문 기술적 지식수준에 따라 매우 다를 수 있다. 여러 방안들을 고민하고 결정해가는 구조계획수립 과정은 설계의 완성도와 직결된다. 이때 건축설계자와 설비기계 등의 타 부문과의 조정과 협의 과정은 필수적이다. 구조설계자마다 구조시스템과 솔루션을 찾는 것은 오로지 자신에게 달려있다.
세 번째의 과정은 결정한 구조시스템이 안전하고 합리적으로 계획되어 있는 지 구조해석을 통해 시뮬레이션하고 검증하는 것이다. 일반적으로 구조해석은 건축구조물의 전용해석 프로그램에 의한 구조시스템을 이상화해 모델링 한 후 해석하는 것이다.
매우 간단한 건축구조물의 경우는 2차원적으로 또는 단순화한 수학적 모델 계산방식에 따르기도 하나 대체로 3차원 해석을 하는 것이 정확하고 정밀한 방법이라 할 수 있다.
그러나 아무리 전문적인 구조해석 프로그램이라고 해도 주어진 모델을 매우 빠르게 계산하는 도구에 불과하므로 구조설계의 전 과정으로 이해하는 것은 매우 단편적인 생각이다. 언젠가는 아무리 복잡한 건축물이라 하더라도 매우 빠르게 연산을 하고 최적의 해답을 찾는 AI가 등장할 것이다. 그러나 구조설계과정은 수학적 모델을 해석하고 계산하는 것 이외에도, 다양한 경험과 창의적인 노력을 통해 솔루션을 찾아가는 것이므로 그의 도움을 전적으로 받기에는 아직은 이르다.
그림-2. 구조해석프로그램에 의한 구조 시뮬레이션과 해석 작업
그 다음으로 구조부재인 각 바닥재, 보, 기둥, 기초 등의 응력을 고려해 설계하는 것이다. 설계 부재의 휨모멘트, 전단력, 축력, 좌굴, 펀칭 등을 고려해 재료 강도, 배근, 부재 크기 등을 확정한다. 목구조의 경우는 사용되는 목구조의 설계용 공칭강도를 비교해 단면의 크기, 접합부의 상세 등을 결정하는 것이다.
마지막 네 번째 단계는 구조도면을 작성하는 것이다. 건축평면도, 입면도, 단면도, 상세도 외에 기초평면도, 각층 구조평면도, 구조단면도, 접합상세도 등을 작성한다. 목조 건축물의 경우 구조도면의 표현과 표기 방식은 설계자의 의도에 따라 다르게 작성되는 경우가 대부분이다.
다만 경골목과 중목 주택의 경우는 장선의 방향, 보, 벽체와 기둥, 홀다운 위치 등과 구조 부재의 두께, 크기와 간격 등이 표기된다. 이외에도 못 박기, 부재의 설계 강도, 지내력 등을 표기한다.
대단면 목구조의 경우는 일반적으로 구조평면도 외에도 부재 간 접합부의 상세 등을 작성한다. 일본식 중목구조 형식의 주택설계 시 목부재의 생산과 조립을 위한 shop도면을 건축설계도면으로 이해하는 것은 잘못된 것이다.
그림-3. 건축설계도면과 구조설계도면의 작성
여전히 목조산업계 일부에서는 건축허가 시 구조안전확인에 대한 요구와 절차, 그리고 목구조 설계 경험이 많지 않은 구조기술사로 인해 원활치 않은 설계의 조달 등의 불만과 이러한 것들이 시장침체 요인이라고 보는 시각이 존재한다. 그러나 구조기술사의 인력 부족으로 이해하는 것은 잘못된 사실이다.
포항지진이 발생된 2017년 11월 이전까지는 목조주택은 경골목 중심으로 설계와 시공이 대부분 이루어졌다. 건축허가 시 정상적인 구조설계가 불필요했고 관습적인 현장 중심의 구조가 고려되고 시공된 것이 사실이다.
따라서 다양한 구조형식의 건축물 중에서 유독 목구조 건축물을 공학적이고 체계적으로 설계할 대상은 매우 적었다. 그러나 주택의 경우에도 내진검토와 설계를 의무화하고 소규모건축물기준의 개정된 목구조 기준안을 따르게 함으로써, 비로소 주택의 경우도 주거안전을 담보로 하는 구조설계기준이 마련된 셈이다.
더욱이 최근 단독주택의 경우는 건축주의 다양한 설계디자인이 요구된다. 따라서 비대칭적인 평면구성과 전이적 요소, 창호의 크기, 외벽의 마감재 등을 고려하면 현행 소규모건축물구조기준에 따라 내진구조안전확인서를 작성할 수 있는 대상은 많지 않다. 목조건축물을 바라보는 목조산업계의 인식전환도 매우 필요하다.
앞으로 목구조설계에 대한 바른 이해와 인식전환, 발주방식과 제도의 개선, 목구조기술의 독창적인 연구개발 그리고 목구조설계 전문가의 양성 등을 통해 더욱 목조산업계의 발전이 이루어질 것으로 기대한다.
이석
(주)위너스BDG 대표이사 건축구조기술사/건축공학석사. ㈜서울건축(SAC)과 ㈜삼성물산 건설부문에서 건축구조설계업무와 Senior Master로서 해외프로젝트 구조 PM 업무 등을 수행했다. 현재 ㈜위너스BDG의 전략사업 분야인 PC 및 Massive Timber기술 분야의 설계와 Smart Prefab System 기술개발에 주력하고 있다. [email protected]
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소규모 목조건축 내진 설계 확인서 적극 활용해야 목조건축시공 활성화 될 수 있어”
목조건축 시장에 종사하는 분들은 2020년이 되면 최소 2만동 이상의 목조주택이 지어질 것으로 전망했다. 하지만 2016년 1만4천9백동을 정점으로 2019년에 1만동으로 집계돼 30%나 감소 역주행하는 예기치 못하는 상황이다. 목조주택 허가동수는 2016년까지 고속 성장하여 이후로도 지속적으로 상승될 것으로 예상했지만 2017년에 빨간불이 켜졌고 2년이 지났지만 회복기미가 보이지 않고 있다. 원인에 대해 대출규제, 법제도, 건축품질 등 다양한 의견이 있다.
포항지진이후 조적식 구조에 비해 비교적 안전하고 튼튼하다는 목구조 건축이 대세로 각광받으리라는 예상과 달리 오히려 감소하는 추세여서 회복여부가 관계자들의 관심사항이다. 본지는 지방도시에서 목조주택을 지으려 해도 구조설계를 할 수 없어 다른 유형의 주택을 짓는 건이 많다는 제보에 따라 구조 설계하는 건축사 인프라가 매우 부족한 현실이 직시하게 됐다. 건축수요가 줄어드는 과정에도 목조나 조적조가 아닌 기타 건축물이 2017년 1,063동, 2019년 3,967동으로 네 배나 늘어나는 통계를 감안하면 목구조 구조설계를 하는 전문인프라 미비가 그 한 원인이 됨을 짐작케 한다.
최근 2월 12일에 정부가 이런 점을 해소하고자 한 장의 확인서류만으로도 건축허가가 가능한 구조안전 및 내진설계 확인서(소규모건축물-목구조)을 개정해 발표했다. 그러나 대부분의 건축설계회사는 전문지식이 없이 이를 반영하기 쉽지 않은 부분이 있어, 목조건축 활성화를 위한 차원에서 이를 목조건축협회 강대경 회장에게 해설 인터뷰를 요청했다.
[한국목재신문=윤형운기자]한국목조건축협회 강대경회장
소규모 건축 구조안전 및 내진설계 확인서는 어떻게 쓰는 건가?
1항부터 6항에 대해
우선 14개 항목이 있다. 구조안전 및 내진설계 확인서(이하 구조확인서)의 1항 공사명, 2항 대지위치, 3항 규모, 4항 용도, 5항 구조형식은 해당 칸에 설계한대로 해당 내용을 적으면 된다. 6항 적용제한은 설계하중을 초과하는지 적어야 하고 한 항목이라도 ‘있다(유)’라고 답하면 구조설계사에게 구조설계를 해야 한다. 또 구조 계획부분도 수직부재 불연속, 1,2층 구조형식 동일성, 캔틸레버보의 유무를 확인해야 한다. 수직부재 불연속은 위층과 아래층 기둥의 수직선상 간격이 장선두께를 벗어나면 안 된다. 1층과 2층 구조형식이 동일하지 않는 경우, 즉 하이브리드 구조는 구조설계를 받아야 하고 같은 목구조의 경우에는 해당하지 않는다는 뜻이다. 원래 캔틸레버보는 60cm까지 허용이 되는데 1.5m(콘크리트에 해당)까지 허용된다고 적시돼있어 개정이 필요한 것으로 보인다. 6의 항목은 특이사항이 없으면 ‘없다(무)’에 표시하면 된다.
소규모 건축물-목구조 구조안전 및 내진설계 확인서
7항에 대해
다음은 항목 7은 평면계획인데 평면의 크기는 사방 18m까지 허용된다. 한쪽 장변의 길이가 10m인 경우 단변의 길이는 3m를 넘어야 한다. 즉 장변에 대한 단변의 허용길이는 30% 이상이어야 구조안전 확인서 대상이 된다. 그렇지 않은 건축물은 구조설계를 받아야 한다. 좁고 긴 집은 구조안전 확인서의 대상이 아니라는 점이다. 수직하중지지 구조간격은 6미터 이하여야 하고 내력벽 사이의 거리는 12m 이하여야 한다. 이 뜻은 6m 이내에 벽체가 있거나 기둥이 있어야 함을 뜻한다. 즉 6m x 6m 이상의 공간이 내력벽 없이 설계된 경우는 구조설계의 대상이 되어야 한다는 뜻이다.
8항에 대해
다음은 8항 구조용 목재인데 소규모건축구조기준 목구조(KDS 41 90 33 2018)의 내용을 참고해 적어야 한다. 예를 들어 순차적으로 “1종 구조재, 북부 SPF, 2등급”이 라고 적으면 된다.
원주누이주택 평면도
9항에 대해
다음은 9항 지붕인데 서까래의 경간은 지붕의 경사면 길이를 의미하는지 지붕 하단면 길이의 반을 의미하는 지 해석에 따라 다르지만 지붕 단면 하단의 길이의 반을 적는 다면 총 길이가 6.4m인 경우 3.2m라 적으면 된다. 단면치수는 38 x 235, 적용 경관표는 표 4.1-14라 적는다. 덮개의 종류는 구조용 OSB, 두께는 11.1mm 못박기 간격은 8d. 150/300mm라 적으면 된다.
10항과 11항에 대해
10항과 11항은 천장과 바닥인데 9항의 항목을 참고하여 적으면 된다. 10항은 차례대로 3.5m, 38 x 140, 4.1-13, 석고보드, 12.5, 300이라 적으면 되고, 11항은 4.15, 38 x 286, 4.1-1, 구조용 OSB, 18.3, 8d. 150/300 이라 적으면 된다. 적힌 부분은 예시이며 설계도를 참조하여야 한다.
원주누이주택 입체도
12항에 대해
다음은 12항 수직 하중 저항구조이다. 경골목구조는 경골만 중목구조는 중목구조 항만 적는다. 경골목구조인 경우 1층과 2층 스터드 단면치수와 간격을 적는다. 통상 38 x 138, 406을 적는다.
13항에 대해
다음 13항은 내력벽 또는 전단벽을 기재하는 항목인데 이 부분이 좀 복잡하다. 1층과 2층의 전단벽 인정구간을 적는 란이다. 내력벽 인정구간을 구할 때는 1층과 2층은 독립적으로 본다. 네 방향에서 전단벽 인정구간을 적어야 하는 데 1층은 각각의 벽 방향마다 전단벽이 각방향 전장의 40%를 대략 넘어야 하고 2층의 경우 20%를 대략 넘어야 구조확인서의 대상이 된다. 이를 넘게 되면 구조설계를 받아야 한다. 주로 주택의 대문 방향 쪽의 벽이 일직선이 아닌 경우가 문제다. 이쪽은 창과 문이 많아서 확인서로 가능한지 계산이 필요하다. 돌출되었거나 들어간 부분의 창이 놓인 경우 창을 빼고 남은 벽이 89cm 이하인 경우는 내력벽으로 인정받지 못할 수도 있다. 이 항목은 동서남북의 전단벽 길이와 최소인정길이를 적으면 된다. 한 쪽벽면이 통유리 구조의 건축물은 전단벽 인정구간이 미비해 구조확인서 대상이 아닐 수 있다.
원주누이주택 완성
14항에 대해
마지막으로 14항은 기초에 관한 사항이다. 줄기초인지 온통기초인지 표시하고 줄기초의 경우 기초벽 두께는 300mm 이상이고, 기초두께도 300mm 이상이어야 한다. 기초너비는 900mm이상 이어야 한다. 온통기초인 경우 보강부분 너비는 600, 보강부분 깊이는 300이상 이어야한다. 온통 기초 시 동결선이 문제가 되면 보온 덮개를 깔아주어야 한다.
구조안전 확인서의 대상이 아닌 목구조는
바람영향이 큰 제주와 부산 눈이 많이 오는 울릉도, 강릉, 속초, 대관령 지역은 제외다. 2층에 다락이 있으면 안 된다. 외장에 벽돌을 사용해도 안 된다. 하이브리드 구조도 해당하지 않는다. 내력벽이 없이 6 X 6 m 이상의 공간을 가진 설계는 안 된다. 크기는 사방 18미터를 넘지 않을 것과 한쪽 변이 장변의 삼분지일 이상이어야 한다. 3층도 해당사항이 아니다.
마지막으로 하시고 싶은 말씀은
친환경 저에너지 시대에 맞게 목조주택이 더욱 많이 지어져야 하는 데 최근 그렇지 못했다. 국내에는 목구조 구조설계를 하는 분이 많지 않다. 목조주택의 구조설계가 가능한 설계사분들이 부족하기 때문에 수요를 늘리는 데 한계가 있다. 제도화된 소규모건축구조기준에 따라 구조확인서로 해당관청에 허가를 쉽게 할 수 있는 도움방안을 협회에서 찾아보려한다. 건축설계회사가 협회에 설계도를 보내오면 구조확인서 작성을 자문 해주어 허가를 돕는 방향으로 일을 도모해보려 한다. 협회 내에서 논의해 보겠다. 목조건축이 다시 활성화되도록 협회가 할 수 있는 모든 노력을 해보겠다.
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윤형운 기자 [email protected]
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