전통목조 건축물은 목재의 재료적 특성, 결구 부위의 형태 및 치목의 정밀도 등에 따라 결구 부위 성능이 다르게 나타난다. 사례조사를 통해 볼 때 결구 형태에 따라 변형, 이격정도에 차이가 많이 나는 것을 확인할 수 있었다. 이는 단층건축물에서도 확인되지만, 규모가 큰 중층 건축물에서는 더욱 더 확연히 알 수 있다. 실제 전통목조 건축물의 치목기법이나 형태는 장인들의 기문에 의하여 전수되는 경우로 직접 실험을 통한 검증을 하기에는 애로사항이 많이 있었다. 지금까지도 현장에서는 대부분 장인 기문에 따라 장부 및 주먹장의 형태와 크기 등이 결정되고 있다. 관습적으로 전해 내려오는 기술전수에 따라 문화재의 수리나 복원이 이루어지고 있다. 현실은 장인들의 학문적 참여기회가 많지 않아 전해져 내려오는 기술사적 검증을 하고 발전시키기에는 한계가 있었다. 이러한 제약으로 인해 기존의 연구는 문헌 고찰이나 이론적 접근 위주의 연구가 이루어져 왔다. 주로 문헌조사에 의한 결구기법과 구조역학적 성능을 검증하기 위한 실험 및 해석 연구가 이루어졌으나, 연구대상이 한정적이고 실제 현장상황을 반영하지 못하고 있는 실정이다.
따라서 본 연구는 기존 문헌의 고찰과 보물급 이상의 대상 건축물을 답사하여 기둥-창방 결구의 이격?변형 정도를 조사 분석하였고, 이에 따른 결구형태별 실험체를 실물크기로 제작하여 구조실험을 실시하였다. 여기에 장인 기문의 기술을 접목시키기 위해 문화재수리기능자(대목수)의 인터뷰를 통해 실험체의 형태별 특성을 조사하였다. 실험체의 제작은 문화재수리기능자(대목수)가 제작하였으며, 치목 시 제작과정을 상세히 관찰?기록하였고, 치목기법이나 창방의 형태별 특성을 분석하였다. 이를 통해 기둥-창방의 결구 유형과 창방의 어깨 형태에 따른 특성과 구조 성능을 파악하고자 한다. 이는 기존 전통 건축물을 수리, 보수할 때와 전통 건축물이 대형화 또는 다층화 될 때 고려해야 할 기둥머리 결구기법을 도출하는데 활용될 수 있다.

이러한 연구목적을 달성하기 위한 연구내용은 다음과 같다.

첫 번째, 기존문헌(논문, 문화재수리보고서 외)을 통해 전통 목조건축물에 사용된 기둥과 창방 결구형태를 분석하고, 참고건물 중 대표적인 결구유형을 가진 대상건물을 고찰하였다. 이를 토대로 기둥머리 결구 실험을 위한 결구형태를 선정하였다.
두 번째, 대상건축물은 현존하는 보물급 이상의 건축물 중 37개를 선정하여 답사하였고, 창방의 어깨형태별 이격정도를 조사하였다. 또한 소매걷이 형태, 모접은 소매걷이 형태, 도래걷이 형태, 모접은 도래걷이 형태, 통넣기 형태, 혼합형에서 나타나는 특징을 고찰하였다. 이를 통해 구조실험과 연관하여 성능에 미치는 영향을 분석하였다.
세 번째, 실험체 제작 및 설치를 위해 대상건물(율곡사 대웅전)에 대한 3차원 구조해석을 실시하였다. 구조해석 결과를 토대로 실험실의 사용 장비와 반력 프레임, 기타 부속장치들의 조건을 반영하면서, 기둥머리 결구 부분에 작용하는 응력이 실제 구조물과 유사하도록 실험체의 크기를 결정하였다. 또한 실험체 설치방법, 계측기 설치 위치 등에 대한 계획을 수립하였다.
네 번째, 실험을 위한 목재반입 후 재료시험을 위한 시편을 제작하고, 국가공인기관인 한국기계전기전자시험연구원에서 KS F 기준에 의거한 흡수량, 압축시험, 인장시험, 휨시험, 전단시험을 목재의 결 방향별로 수행하였다.
다섯 번째, 기둥머리 결구 형태별 실험체를 각각 1개씩 실물크기로 제작하였다. 소매걷이 주먹장맞춤, 도래걷이 주먹장맞춤, 통넣고 주먹장맞춤, 도래걷이 장부맞춤 등 총 4개의 실험체를 제작하였다. 제작과정 중 부재별, 작업공정별 작업 시간을 기록하고 치목 효율성을 평가하였다.
여섯 번째, 결구형태별 구조성능을 평가하기 위한 T형 실험체에 반복가력 실험을 실시하였다. 실험 전후 균열현황, 파괴양상, 최대하중 및 최대변위, 항복하중 및 항복변위, 강성, 에너지 소산면적 등의 항목을 실험체별로 평가하였다.
일곱 번째, 각 결구형태별 사례조사에서 나타난 변형 현황, 치목 작업의 특성, 구조실험을 통한 성능 등을 종합?분석하였다.

이상과 같은 연구를 통하여 얻은 결론은 다음과 같다.

첫 번째, 국내 보물급 이상의 건축물에서 나타나는 창방 어깨형태를 보면, 창방의 어깨면이 기둥면에 밀착된 도래걷이 형태와 기둥이 도드라지게 한 소매걷이 형태가 주종을 이루고 있으며, 창방이 기둥에 통넣기 된 형태는 최근에 주로 사용되는 형상으로 보인다. 또한 모접은 소매걷이 형태, 모접은 도래걷이 형태, 그리고 2가지 이상의 형태를 한 동의 건출물에 적용한 혼합형태 등이 존재한다.
두 번째 , 결구형태별 시기적 특성은 소매걷이가 가장 빠른 시기에 나타나고, 이후 모접은 소매걷이와 모접은 도래걷이, 도래걷이의 순서로 나타난다. 도래걷이와 통넣기 형태는 임진왜란 이후 나타나 현재까지도 사용되어지고 있다. 혼합형은 도래걷이와 모접은 소매걷이가 혼용된 형태로서 도래걷이와 비슷한 시기에 사용되어졌다.
세 번째, 결구형태별 지역별 분포는 소매걷이와 모접은 소매걷이의 경우 골고루 분포된다. 경상남북도 지역은 소매걷이와 모접은 소매걷이가 더 많이 나타나고, 전라남북도 지역은 도래걷이와 모접은 도래걷이가 더 많은 분포를 보인다. 또한 전라도 지역은 다른 지역에서는 나타나지 않는 통넣기 형태가 쓰였다. 충청도와 경기도지역은 도래걷이가 50%를 차지한다. 혼합형은 중층 구조물이 위치하는 전라북도, 충청남도, 충청북도에 1개씩 분포한다.
네 번째, 층별로 결구형태를 보면 중층 건축물은 혼합형이 60%를 차지하고, 그 외에 통넣기, 모접은 도래걷이가 각각 20%를 차지한다. 단층 건축물은 혼합형을 제외한 나머지 어깨형태가 골고루 분포하며, 도래걷이가 50%로 가장 많이 차지하고, 그 다음은 소매걷이와 모접은 소매걷이의 순으로 나타났다.
다섯 번째, 지붕형태는 맞배지붕과 팔작지붕으로 구분된다. 소매걷이에서는 맞배지붕과 팔작지붕이 각각 50%로 같은 비율을 보인다. 반면 도래걷이에서는 맞배지붕은 18%, 팔작지붕은 82%로 더 많은 분포를 보인다. 맞배지붕은 혼합형을 제외한 나머지 어깨형태가 골고루 쓰이고, 팔작지붕은 도래걷이와 혼합형이 많이 사용되었다.
여섯 번째, 주칸은 1칸～7칸 규모를 보이는데, 그 중 3칸짜리 건축물이 61.5%로 가장 많고, 5칸짜리 건축물은 30.8%로 나타났다. 3칸 건축물은 소매걷이 형태와 도래걷이 형태가 비슷한 분포를 보이고 있으나, 5칸 건축물은 도래걷이가 소매걷이보다 높은 비율임을 알 수 있다. 7칸 건축물은 대부분 중층 건축물에서 나타나기 때문에 통넣기와 혼합형이 사용되었다.
일곱 번째, 사례 건축물과 장인기문 조사를 통해 시대적 특징, 건축물 규모별 결구 형태 그리고 사용공구의 발달 등을 고려할 때 창방 어깨 형태는 도래걷이가 소매걷이에 비해 변형이 적게 나타나며, 맞춤 형태는 장부보다 주먹장 형태가 더 진보된 기술임을 알 수 있었다.
여덟 번째, 치목시간을 기준으로 볼 때, 소매걷이 주먹장맞춤 실험체가 창방 의 작업효율이 가장 좋았다. 그 다음은 도래걷이 주먹장맞춤 실험체로서 창방 등의 작업도 높은 효율을 가지는 것으로 평가되었다. 도래걷이 장부맞춤 실험체는 세 번째로 기둥 작업은 매우 효율적이나 창방 등은 효율성이 많이 떨어졌으며, 마지막으로 통넣고 주먹장맞춤 실험체는 기둥작업이 매우 비효율적이었다.
전체적인 치목 과정으로 보면, 도래걷이 장부맞춤 실험체가 가장 치목이 쉬운 것으로 나타났고 소매걷이 주먹장맞춤 → 도래걷이 주먹장맞춤 → 통넣고 주먹장맞춤의 순으로 평가할 수 있다.
아홉 번째, 구조실험 결과 최대하중과 강성은 도래걷이 주먹장맞춤 실험체가 우수하게 나타났다. 각 결구형태별 구조성능을 종합하면 도래걷이 주먹장맞춤 실험체가 가장 우수하게 나타났고, 도래걷이 장부맞춤 실험체, 통넣고 주먹장맞춤 실험체 순으로 볼 수 있다.

창방의 어깨 형태별 특성과 기둥 단면 내에서 맞춤형식에 따라 건축물의 구조성능이 달라진다. 이는 중층 이상의 건축물의 신축이나 복원 시에도 고려되어야 하고, 차후 연구가 계속되어져야 할 부분이다.

In Korean traditional wooden architecture, joint performance varies with the material characteristics of timber, the form of joint, the precision of timber-trimming and the like. Case studies prove that the beam-to-column joint type has large influence on the degrees of deformation and spacing. This is not only true of single-story buildings, but also of large-scale multi-story buildings more apparently. Indeed, however, the timber-trimming techniques or types in traditional wooden architecture have often been inherited by the craftsman’s instruction which makes many challenges to verify by direct testing. Even today, the forms and sizes of mortises, tenons, and dovetails are determined mostly on site by the craftsman’s instruction, and cultural properties are repaired or restored according to the technique inherited customarily. In reality, there has been a limit to testing and developing such skills in terms of inherited technical history, since craftsmen have not had many chances of scholarly participation. This limit has made the existing research focus on literature investigation or theoretical approach. Mainly revolving around literature survey on the joint techniques and the experimental and interpretative studies to test their structural performance as it has been, the existing research has so limited subjects as not to reflect the real site condition.
Therefore, this study followed the process of examining the existing research, visiting the buildings registered as Treasure or the higher grade, surveying and analyzing the degrees of spacing and deformation according to joint types, producing their mock-ups and testing their structural performance. Besides, to draw on the techniques instructed by master craftsmen, it researched the characteristics by forms of the mock-ups through the interviews with Cultural Heritage Repair Technician (Carpenter - Daemoksu). The mock-ups were produced by the skilled repairman, with the researcher observing and recording the process of timber-trimming in detail and analyzing its techniques or the characteristics by types of the penetrating beam (Chang-bang).

To achieve this purpose, the following series of research was conducted:

First, to analyze the joint types used in the traditional wooden architecture through the research of existing literature (including treatises and cultural property repair reports), as well as to select and investigate representative joint types amongst the referenced buildings; on this basis, to select the types of beam-to-column joints as the test targets.
Second, to select and visit thirty-seven referenced buildings registered now as Treasure or the higher grade, and to survey the degrees of spacing by the shouldering types of the penetrating beam, as well as to investigate their characteristics shown in round-off edge (So-mae-geo-ji), corner-trimmed enveloped edge (Mo-Jeob-En So-mae-geo-ji), cover-topped (Do-rae-geo-ji), corner-trimmed enveloped edge (Mo-Jeob-En Do-rae-geo-ji), embedded (Tong-neoh-ki), and mixed forms; on this basis, to analyze their influence on performance regarding the structural test.
Third, to implement the three-dimensional structural analysis of a model building (Daeung-jeon Hall, Yulgoksa Temple); based on the consequence of structural analysis, to reflect the conditions of the equipment used in the laboratory, reaction frame, and other subsidiary devices, as well as to determine the mock-up size by which the stress bearing on the beam-to-column joint is similar with that on the real structure; also, to establish the plan for how to install the mock-up, where to install the gauge, and the like.
Fourth, to produce the sample for a material test after bringing wood and to carry out the tests of water absorption, compression, tension, bending, and shearing for each direction of wood grain as per the Korean Industrial Standards (KS F) at the Korea Testing Certification, the national agency of certification.
Fifth, to produce the beam-to-column joint mock-ups each of which represents a different form; to produce totally four mock-ups including round-off edge dovetail joint, enveloped edge dovetail joint, embedded dovetail joint, and enveloped edge tenon joint; in this process, to record the working hours by members and the working processes, and evaluate the difficulty of timber-trimming.
Sixth, to administer the test of repeated loading to the T-shaped mock-up for evaluating the structural performances of joint types respectively, comparatively evaluating such items before and after the test as crack, failure mode, maximum load and maximum deflection, yield load and yield deflection, rigidity, and energy dissipation capacity.
Seventh, to comprehensively analyze the characteristics of respective joint types by considering the conditions found in case studies, the specifics of timber-trimming work, and the performances displayed via the structural test.

The series of research above led to the following conclusions:

First, The shouldering types of penetrating beams found in the Treasure or the higher-grade buildings in Korea appear mainly as twofold: the enveloped edge form in which the end surface of penetrating beam is hollowed out to fit in with the column top, and the round-off edge form in which the end edge of the penetrating beam is rounded to make the column top look prominent. The form in which the penetrating beam is embedded into the column looks a comparatively recent figure. Other forms existing include the corner-trimmed round-off edge, the corner-trimmed enveloped edge, the mixed forms and the like.
Second, As for the emergence of joint types, the round-off edge form emerged at the earliest time, followed in order by the corner-trimmed round-off edge, the corner-trimmed enveloped edge, and the enveloped edge forms. The enveloped edge and the embedded forms emerged after the Japanese invasions of Korea in 1592, and have been used to date. The mixed form which synthesizes the enveloped edge and the corner-trimmed round-off edge forms has been used around the same time as the enveloped edge form has been.
Third, As for the regional distribution of joint types, the round-off edge and the corner-trimmed round-off edge forms are evenly distributed. In the North and South Gyeongsang Provinces, the round-off edge and the corner-trimmed round-off edge forms prevail; in the North and South Jeolla Provinces, the enveloped edge and the corner-trimmed enveloped edge forms prevail. Also, the embedded form is used only in the Jeolla region. In the Chungcheong and Gyeonggi Provinces, the enveloped edge forms represent 50%. The mixed form is distributed in the North Jeolla, the North and South Chungcheong Provinces, only one existing in each province, where multi-story traditional buildings are located.
Fourth, As for the joint types by floors, 60% of multi-story buildings have the mixed form and the rest includes the embedded and the corner-trimmed enveloped edge forms half and half, each by 20%. For single-story buildings, all the shouldering forms except the mixed one are evenly distributed: the enveloped edge form represents the most part by 50%, followed in order by the round-off edge and the corner-trimmed round-off edge.
Fifth, The roof forms are classified into gable and gambrel roofs. For the round-off edge form, the gable and the gambrel roofs represent half and half, each by 50%. For the enveloped edge form, on the contrary, the gambrel represents 82% surpassing the rest 18% the gable represents.
Sixth, The bays range from one to seven. Amongst them, three-bay buildings prevails by representing 61.5%, followed by five-bay buildings representing 30.8%. For the three-bay buildings, the round-off edge and the enveloped edge forms show similar distributions, while for the five-bay, the enveloped edge represents more than the round-off edge. The seven-bay mostly appears in multi-story buildings, thus utilizing the embedded and the mixed forms.
Seventh, Considering the periodic characteristics, joint types by building scales, and the development of utility tools research through the case studies and the survey of craftsman’s instruction, it was found that for the shouldering forms of penetrating beams, the enveloped edge form shows smaller deformation than the round-off edge shows, and that for the joint type, the more advanced technique is the dovetail rather than the tenon.
Eighth, In light of timber-trimming time, above all, the round-off edge dovetail joint mock-up enabled the highest efficiency of working on penetrating beams and the like. Secondly, the enveloped edge dovetail joint mock-up also enabled the high efficiency of the same working. Thirdly, the enveloped edge tenon joint mock-up enabled the high efficiency of working on columns but did not do so on penetrating beams and so on. Finally, the embedded dovetail joint mock-up enabled the significantly low efficiency of working on columns.
In light of the overall timber-trimming process, the enveloped edge tenon joint mock-up enabled the easiest trimming, followed in order by the round-off edge dovetail joint, the enveloped edge dovetail joint, and the embedded dovetail joint.
Ninth, As a consequence of structural test, the dovetail joint mock-up showed the best outcomes of the maximum load and rigidity. Synthesizing the structural performances by respective forms of joints, the enveloped edge dovetail joint mock-up showed the higher performance, followed in order by the enveloped edge tenon joint mock-up and the embedded dovetail joint mock-up.

The structural performance of a building varies with the characteristics by the shouldering forms of penetrating beams and with the joint types within the columns. This should be considered for the new construction or restoration of multi-story buildings, and be continuously researched henceforth.