건축물을 설계할 때 '안전'은 가장 우선적으로 고려해야 할 사항 중 하나이다. 건축법규의 제정 목적은 '건축물의 안전 ·기능·환경 및 미관 을 향상시킴으로써 공공복리의 증진에 이바지하는 것'이다.
건축물의 안전은 거주자의 안전과도 직결된다. 사람들은 하루 중 대부분의 시간을 건물 내부에서 보내기 때문에 건물의 안전에 문제가 발생하면, 그 안에 거주하는 사람들의 생명에도 위협을 줄 수 있기 때문이다. 최근 우리나라도 여러 지역에서 지진이 발생하면서 내진설계에 대한 법규가 상당히 강화되었다. 이에 따라, 목구조 건물의 내진구조 설계 보강에 대한 요구도 높아지고 있다.
목조건물이 지속적으로 안정성을 유지하기 위해서는 구조용 목재 외에 다양한 구조 요소가 필요하다. 그 중에서도 "홀드다운(holdown)"은 구조물의 수평하중(지진, 강풍 등)에 대한 구조적 안정성을 부여하는 데에 있어 중요한 역할을 한다. 이번 포스팅에서는 홀드다운(holdown)이 무엇인지? 또한 그것의 역할과 중요성에 대해 살펴보려고 한다.
1) 홀드다운(Holdown)이란?
홀드다운(Holdown)은 목조건축물 설계에서 사용되는 구조보강용 연결철물 제품이다. 주로 나선형의 형태를 가지며, 목재 기둥과 벽면을 콘크리트 기초와 구조적으로 연결시켜 고정된다. 홀드다운은 목구조물의 수직 하중과 수평 하중을 안정적으로 전달하고 분산시키는 역할을 수행한다. 아래 이미지는 미국의 세계적인 철물제조회사인 심슨 스트롱타이(Simpson Strong-Tie)사의 홀드다운의 종류와 설치 방법-기초와 벽스터드의 연결, 층과 층의 스터드 연결, 수평연결을 보여준다.
2) 홀드다운(Holdown)의 역할과 기능
홀드다운은 수직하중을 분산시키며 수평하중에 저항하고 부재 간의 연결을 강화시키도록 설계되어있다.
1) 수직 하중 분산: 홀드다운은 구조물의 상부와 하부 사이에서 발생하는 수직 하중을 분산시킨다. 이를 통해 지반으로 전달되는 하중을 균등하게 분배하여 기초의 안정성을 높이고 목구조물의 변형 및 손상을 방지한다.
2) 수평 하중 저항: 지진, 바람 및 기타 외부 하중에 의해 발생하는 수평 하중은 목구조물의 구조적인 안전에 큰 영향을 미칠 수 있다. 홀드다운은 이러한 수평 하중에 효과적으로 저항하여 구조물이 변형되고 파괴되는 것을 최소화시켜준다. 특히 지진 발생 시, 홀드다운은 목구조물을 콘크리트 구조에 안전하게 고정시켜 목조건물이 부분적 또는 전체적으로 붕괴되지 않도록 방지하는 역할을 수행한다. 쉽게 말해, 지진 발생 시 목구조가 콘크리트 구조물로부터 이탈(Overturning, 전복)되어 붕괴될 수 있는 확률을 최소화 시켜준다. 목조건물이 전복(Overturning)되지 않도록 연결철물로 보강하는 방법은 아래 이미지의 3가지 방법이 대표적이다.
- Embedded Holdown: 띠철물 하부를 콘크리트 기초 타설 시 묻어놓고, 상부는 스터드에 못으로 고정.
- Holdown with Threaded Anchor: 국내에서 가장 많이 사용하는 방법. 앵커볼트를 콘크리트 기초에 고정시키고 상부의 U자형 홀드다운 철물을 스터드에 못으로 고정.
- Threaded Rod with Bearing Plate: 앵커볼트를 콘크리트 기초에 고정시키고 목조벽체 이중깔도리 위에서 구조용 플레이트를 사용해서 고정.
3) 연결 강화: 홀드다운은 기둥과 벽면 또는 기초 사이에 설치되며, 각 부재들 사이에서 강력한 연결성능을 제공한다. 목구조물의 구성 요소들 사이의 강한 결합은 안전한 건축물을 유지하는 데 매우 중요하다. 홀드다운은 이러한 부재별 연결 강화에 큰 기여를 한다. 이처럼 홀드다운은 주로 지진 발생 시 건축물의 안정성을 유지하기 위해 사용된다. 지진 발생 시 건축물은 매우 큰 압력과 충격을 받게 되는데, 이 때 홀드다운은 건축물의 지반과의 결합력을 강화시켜 지진으로 인한 손상을 최소화할 수 있다.
지난 4월 말 미국 Simpson Strong-Tie 사의 초청으로 미국 LA 근교에 위치한 공장 및 연구시설을 둘러볼 기회를 가졌다. 이곳에서 두 가지의 전단벽(Shearwall)의 수평하중 저항성능 테스트를 직접 눈으로 보며 그 결과를 확인할 수 있었다. 동일한 조건의 2개의 전단벽에 홀드다운을 설치 한 벽과 설치하지 않은 벽의 수평 하중 저항 테스트였다. 그 결과를 보면 홀드다운 철물이 지진이나 바람에 의한 수평 하중에 얼마자 잘 견디는지 알 수 있다.
위 테스트의 결과에서도 알 수 있듯이, 목조건물에서 홀드다운의 설치 유무에 따라 수평 하중에 대한 벽체의 저항값이 상당한 차이를 보이고 있음을 알 수 있다.
홀드다운의 설치는 구조물의 설계와 시공 단계에서 반드시 고려되어야 한다. 특히 올바른 홀드다운을 사용하고 적절한 방법으로 설치하지 않으면 목조건축물의 안전성과 견고성에 영향을 미칠 수 있다. 지진, 바람, 태풍 등의 자연재해가 많이 발생하는 곳에서 목구조 건물을 지으려면 설계와 시공 단계에서 홀드다운과 같은 철물이 올바르게 계획되고 설치되는지 반드시 확인할 필요가 있다.
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