건물부문에서의 온실가스 배출량 감축이 현안으로 남아 있는 가운데 목재건축을 통해 새로운 돌파구를 마련하기 위한 연구가 이뤄지고 있어 이목을 집중시키고 있다.
국산재 활용 한국형 목구조물 혁신기술 개발 ‘목표’
연결철물형 접합부 구조설계기준안 개발 병행 추진
최근 국제사회는 글로벌 이슈인 기후위기 문제 해결을 위해 탄소중립과 온실가스 감축 목표 달성을 위해 다각적인 노력을 기울이고 있다.
국내에서도 ‘2050 탄소중립 시나리오 도출’ 및 ‘2030 국가 온실가스 감축목표’를 상향하는 등의 대응책을 마련하며 적극적으로 동참하고 있다.
특히, 전 세계 에너지 공정 부문 중 37%를 차지하고 있는 건물부문의 온실가스 배출량 감축을 위해 건물에너지 효율기준 강화, ZEB 건축물의 보급 확대 등 다양한 정책을 추진하고 있다.
이 같은 환경 속에서 최근 콘크리트 건물 대비 탄소 배출량을 절반 이상으로 감축할 수 있는 목조건축이 대안으로 떠오르고 있다.
실제로 산림과학원에 자료에서는 목조건축 1,000㎡ 조성 시 130톤 탄소저장, 270톤 탄소 대체효과 등으로 총 400톤의 탄소 배출량이 감소하는 것으로 보고하고 있다.
유럽에서는 대형 면재료인 구조용 직교 집성판(CLT, Cross laminated timber) 개발과 재료의 특성 결과를 기반으로 고층 건축물의 건축재료로 적용하기 위해 공통 표준 규격에서 성능기반 설계로 전환했다. 이를 통해 더 크고, 더 높은 목조건축물을 지을 수 있게 되면서 탄소중립 정책에 기여하고 있다.
국내에서는 지난 2020년 마련된 ‘건축물의 구조기준 등에 관한 규칙’에서 목구조 건축에 대한 규모 제한 조항이 삭제되면서 구조안전성과 화재안전성을 승인받으면 규모 제한 없이 건축할 수 있는 길이 열렸다.
하지만, 국내 최초로 CLT를 적용한 영주의 ‘국립산림과학원 한그린목조관’은 5층 규모로 아직은 중고층 목조건축물을 구현할 수 있는 목재 산업기반이 구축되지 못한 실정이다.
이에 한국건설기술연구원을 중심으로 출범한 ‘중고층 목구조 연구단’에서는 목재산업 활성화를 위한 기반구축과 소규모 목조건축물을 중고층 규모의 현대 건축물로 전환할 수 있는 요소기술 개발과 함께 제도 개선을 추진하고 있다.
연구내용
이 연구단은 국산 목재를 활용한 중고층 목구조물 활성화를 실현할 수 있는 구조, 부재, 내화, 에너지 등의 요소기술을 개발, 결합을 통해 중고층 목구조물 디지털화로 혁신한 ‘국산재 활용 한국형 목구조물 혁신기술 개발’을 목표로 하고 있다.
세부과제별로 살펴보면, 1세부과제는 ‘시뮬레이션 기반 중고층 목조건축물 설계기술 개발 및 산업 확대를 위한 제도 개선’ 연구로, 건설연을 중심으로 연구가 이뤄지고 있다.
현재 제로에너지를 구현할 수 있는 중고층 목구조물 설계도면 제작과 함께 중고층 목구조물 BIM 기반 핵심 요소기술 시뮬레이션 검증, 중고층 목구조물 산업 확대를 위한 관련 지침 개정, 중고층 목구조물 실시기술 개발 등에 나서고 있다.
2세부과제는 ‘중고층 목구조물 구조 강화를 위한 연결철물 접합부 구조 기술개발’ 연구로 (사)우디즘목재이용연구소를 중심으로 중고층 목구조물 접합부의 접합 강성 분류체계 개발 및 성능평가와 중고층 목구조물 연결철물형 접합부 구조 안정성 평가 및 설계식 개발 연구를 수행하고 있다.
중고층 목구조물 연결철물형 접합부의 구조설계기준안 개발 연구도 병행하고 있다.
충남대학교 산학협력단에서는 3세부과제인 ‘한국의 산림환경에 적합한 중고층 목구조물 OSC 부재 생산 기술 확보’에 나서고 있다.
공학목재 및 OSC 부재 생산·품질관리를 위한 인프라 조사를 시작으로 중고층 목구조물 적용 공학목재 및 생산비용 절감기술 개발, 국산목재 이용 및 OSC 부재 생산에 따른 탄소절감 효과 분석 등의 연구를 진행하고 있다.
중고층 목구조물 적용 연결철물 개발 및 성능평가와 OSC 부재 생산 최적화 및 시제품 생산을 통한 사업화 전략 수립 연구도 함께 수행하고 있다.
4세부과제는 ‘중고층 목구조물의 화재 안전 확보를 위한 내화설계 및 요소기술 개발’ 과제로 건설연에서는 구조·구획부재의 내화성능 확보 및 소화시스템 연계 기술을 비롯해 실 화재 기반 목조건축물의 거동특성 분석과 내화구조 시스템, 화학적 내화 처리가 원활한 내화약제 요소기술 등을 개발하고 있다.
연세대학교 산학협력단에서는 5세부과제인 ‘Zero 탄소-에너지 중고층 목조 건축물 설계 가이드라인 및 맞춤형 LCA 프로세스 개발’ 연구에 참여한 가운데 중고층 목구조 건축물 에너지 절감형 설계안을 도출하고 있다.
또한, 에너지 절감형 설계안 기반 중고층 목조 건축물의 탄소중립 기여도 평가 연구와 함께 ZEB 3등급 구현 설계 가이드라인 구축 및 탄소중립 기여도 프로세스 개발 연구도 병행하고 있다.
기대효과
국내 목조건축 산업기술 경쟁력과 안정성 관련 테스트베드 구축은 향후 목조건축의 안전성 기술력 확보에 기여할 것으로 기대를 모으고 있다.
또한, 저에너지, 녹색건축, 제로에너지 건축물 등 탄소저감을 위한 건축물 요소기술, 열·습기·내화·방음 기술 등 건축물 시공기술, 습·열 등의 물성 안정성이 확보된 표준외피구성 적용을 통한 건축물 사용 연한 증가 등의 효과를 거둘 것으로 예상된다.
특히, 국내 산림자원의 고층 목조건축 부재로 활용을 통한 목재의 부가가치 향상, OSC 기반 국산 목조건축 부재 생산기술 표준화로 인한 부재 다양화와 품질 균일화, 연구 데이터 기반 목구조물 내화 설계 요소기술 및 소방시스템 연계 기술 확보도 가능해질 전망이다.
이외에도 구축된 테스트베드를 활용한 중고층 목조건축의 설계기준과 성능 기준에 대한 적합성 인증으로 고층 목조건축 시공능력 확보도 이뤄질 것으로 보인다.
사회경제적으로도 RC와 목구조 건축물 간 이론적·공정별 차이 인지를 통한 건축물 하자발생 저감과 합리적이고 경제적인 중고층 목조건축구조 설계, 현장작업 최소화와 경제성 확보 등이 효과도 거둘 수 있을 것으로 예상된다.
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모든 정보 ‘3차원 모델’ 기반
표준화된 방식으로 상호 연계
한국건설기술연구원 최현중 단장은 “연구단 과제 계획 수립 당시 BIM 기반의 종합성능설계와 요소기술 개발, 제도 개선, 탄소중립 등을 중점 연구내용으로 설정했다”며, “이를 위해 중고층 목구조물 구조 강화를 위한 연결철물 접합부를 비롯해 OSC 부재 생산기술, 내화설계와 요소기술, LCA 프로세스 등을 개발하고 있다”고 소개했다.
현재 연구진은 각 세부 요소기술을 모두 망라한 실시 수준의 종합설계안 마련에 집중하는 한편, 모든 정보를 3차원 모델 기반의 건설정보와 절차를 표준화된 방식으로 상호 연계하고 디지털 협업이 가능한 디지털 전환 체계 구축에 나서고 있다.
이어 “특히, 4세부 과제에서 조만간 선보일 목조건축물 맞춤형 LCA 프로세스를 통해 탄소저감 효과를 분석하고, 목조건축물에 대한 시대적 방향성 등을 구체적으로 제시할 예정”이라고 밝혔다.
총괄과제를 맡고 있는 건설연에서는 ZEB 3등급 수준의 BIM 기반 중고층 목조건축물을 구현하기 위한 실시설계안을 도출하고, 현재 실증단계에서 활용 가능한 수준의 성과물 도출에 집중하고 있다.
최 단장은 “또한, 목재 건축물에서 대표적 하자 요인인 습기와 기밀, 소음 등에 대한 실시기술 개발과 함께 중고층 목구조물 산업 확대를 위한 관련 지침 및 제도 개선안 마련에도 나설 예정”이라고 말했다.
이어 “현재 1세부 과제에서는 중고층 목조건축물의 구조 강화를 위한 연결철물 접합부 개발을 목표로 Glued-in rod 접합부 적용 모멘트접합부 설계기술과 기둥-보-바닥·벽 모멘트접합 설계기술 도출 연구와 이 같은 기술들을 평가할 수 있는 연결철물 접합부 구조안정성 평가를 위한 설계식과 강성확보를 위한 주요 변수 설계식을 개발하고 있다”고 말했다.
2세부에서는 목조건축물 산업 활성화를 위한 중고층 목구조물 적용 수직·수평용 공학목재 및 생산비용 절감기술 개발과 함께 OSC 부재 생산 최적화와 시제품 생산을 통한 사업화 전략 수립에 매진하고 있다.
최 박사는 “3세부에서는 3시간 내화성능 당성을 위한 구조·구획부재의 내화성능 확보 기술과 화재 시 중고층 목조건축물의 거동특성 분석과 내화설계 기술, 화학적 내화 처리를 위한 내화용 약제 기술 등을 대표성과로 도출할 예정”이라고 소개했다.
이어 “4세부의 경우 목조건축물의 탄소저감 효과 입증을 위해 건물에너지와 ZEB 3등급을 달성할 수 있는 중고층 목조건축물 맞춤형 저탄소·에너지설계기술을 개발하고 있다”며, “또한, LCA 평가기술 수립을 위한 건축자재별 탄소배출량 기반 국내 맞춤형 LCA 인벤토리구축, ISO 14040 및 14044 기반 정적·동적 평가 프로세스 개발 연구도 진행하고 있다”고 밝혔다.
탄소저감 효과 분석 등 목조건축물 시대적 방향성 제시
한편, 연구를 통해 선보일 디지털 설계기술과 세부 요소기술, 시공 프로세스는 국내 중고층 목조건축물의 산업기술 경쟁력 확보에 도움을 줄 것으로 예상되고 있는 가운데 향후 목재 활용을 통한 건물부문 국가 온실가스 절감 목표에 크게 기여할 것으로 기대를 모으고 있다.
최 박사는 “또한, 다양한 공학목재 제품군의 다양화와 목재 부재 생산기술 향상을 통한 국내 목조산업의 활성화도 기대할 수 있다”며, “특히, 국내 산림자원의 고층 목조건축 부재 활용을 통해 산림자원의 육성과 계획 조림 현실화에도 기여할 수 있을 것”이라고 전망했다.
이어 “구축 예정인 테스트베드를 통해 개발 기술들의 성능을 검증하는 한편, 향후 추진될 13층 이상의 중고층 목조건축물 실증을 통해 목조건축 산업의 활성화와 건물부문 국가 탄소중립 목표 달성에 기여해 나갈 계획”이라고 말했다.
