경량 목구조 3D BIM 모델 – 스터드·헤더·트러스의 구성

철근콘크리트나 철골이 아니어도 건물은 선다. 규격화된 목재 각재를 일정한 간격으로 세우고 못과 금속 커넥터로 엮어 벽과 지붕을 만드는 방식을 경량 목구조라 부른다. 저층 단독주택과 소규모 다세대주택에서 널리 쓰이며, 부재 하나하나는 가늘어도 스터드·헤더·트러스가 하중을 나누어 받는 구조로 짜이면 상당한 강성을 낸다. 이 글에서는 벽체의 스터드와 개구부 위 헤더, 지붕을 받치는 트러스가 3D 모델에서 어떻게 조합되는지 살펴본다.

■ 스터드 벽체와 하중의 길

경량 목구조 벽체의 기본 단위는 스터드(stud)다. 보통 2×4 또는 2×6 규격 각재를 수직으로 세우고, 위아래를 상인방(top plate)과 하인방(bottom plate)이 가로로 잡아 준다. 스터드 사이 간격은 구조 설계에 따라 갈리는데, 목구조 기준에서 흔히 16인치(약 400mm) 또는 24인치(약 600mm) 간격을 기준으로 삼는다. 간격이 좁을수록 개별 스터드가 받는 하중은 줄지만 부재 수와 시공비가 늘고, 간격을 넓히면 그 반대가 된다. 지붕에서 내려오는 수직 하중은 스터드를 타고 하인방과 바닥 구조로, 다시 기초로 전달된다. 즉 벽체는 마감재를 붙이는 틀이 아니라 하중이 흐르는 통로다.

■ 헤더와 개구부 프레이밍

창이나 문을 내려면 연속되어야 할 스터드 줄에 구멍을 뚫는 셈이 된다. 이 개구부 위에서 끊긴 스터드가 받던 하중을 가로질러 받아 양옆으로 흘려보내는 부재가 헤더(header)다. 헤더는 개구부 폭이 좁으면 두 장을 겹친 각재로도 충분하지만, 폭이 넓어지거나 상부에 하중이 많이 걸리면 LVL(단판적층재)이나 글루램 같은 공학목재로 단면을 키운다. 헤더 양옆에서 이를 떠받치는 짧은 스터드를 잭 스터드(jack stud), 그 바깥에서 잭 스터드와 헤더 전체를 다시 받치는 온전한 길이의 스터드를 킹 스터드(king stud)라 부른다. 개구부가 클수록 헤더 크기와 잭 스터드 개수가 함께 늘어야 하중이 안전하게 흐른다.

■ 지붕 트러스와 서까래

지붕을 짜는 방법은 크게 둘로 갈린다. 서까래(rafter)는 현장에서 목재를 재단해 하나씩 걸어 만드는 방식으로, 설계 자유도가 높지만 시공 시간이 길다. 트러스(truss)는 상현재·하현재와 그 사이 웨브재를 삼각형으로 엮어 공장에서 미리 제작한 뒤 현장에서 들어 올려 거는 방식이다. 삼각형 구조는 부재에 휨보다 인장·압축이 걸리게 만들어 같은 목재 단면으로 더 긴 스팬을 덮을 수 있게 해 준다. 트러스 형식도 여러 갈래인데, 소규모 부속 구조에 쓰이는 단순한 킹포스트 트러스, 상현재를 낮춰 실내 천장을 높게 확보하는 시저 트러스 등이 대표적이다. 트러스는 설계 시점에 스팬과 하중이 확정되어야 제작이 가능하므로, BIM 모델에서 트러스 배치와 스팬을 먼저 잡아 두는 것이 실무 순서에 가깝다.

■ 구조용 합판과 전단벽

스터드와 헤더가 수직 하중을 감당한다면, 바람과 지진이 만드는 수평 하중은 별도의 장치가 받아야 한다. 벽체 바깥면에 구조용 합판이나 OSB를 못으로 촘촘히 박아 만든 전단벽(shear wall)이 그 역할을 한다. 합판이 스터드 골조를 하나의 판으로 묶어 벽체가 옆으로 밀리려는 힘(래킹, racking)에 저항하게 만든다. 못 간격과 합판 두께, 벽체 길이는 구조계산으로 정해지며, 개구부가 많은 벽일수록 전단벽으로 쓸 수 있는 구간이 줄어 배치 계획이 까다로워진다.

■ 국내 기준에서 본 목구조

국내에서 목구조를 설계할 때는 국가건설기준센터가 관리하는 KDS 41 33 목구조 설계기준을 근거로 부재 크기와 접합부, 허용응력을 검토한다. 건축구조기준(KDS 41 00 00) 총칙 아래 다른 구조 형식과 나란히 자리한 항목으로, 하중조합의 큰 틀은 공유하되 목재 고유의 함수율·등급별 강도 특성을 반영한 세부 규정을 따로 둔다. 해외 스팬표에 익숙한 실무자라도, 국내 프로젝트에서는 결국 KDS 기준의 최신 개정판을 확인하고 그에 맞춰 부재를 검토해야 한다.