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문제 정의
- 이 연구에서는 우리나라에서 생산되는 낙엽송과 소나무를 이용하여 목재의 함수율과 섬유경사각이 초음파의 전달속도에 미치는 영향과 초음파 전달속도와 압축강도의 상관관계를 조사하였다.
- 앞으로 국산재 중에서 구조용재로 활용 가능성이 높은 낙엽송과 소나무를 공시재료로 하여 목재의 함수율과 섬유경사각이 목재 내의 초음파 전달속도에 미치는 영향을 조사하였다. 소나무와 낙엽송에서 초음파 전달속도는 섬유포화점 이하에서 함수율에 반비례하는 관계를 나타내었으며 그 이상의 높은 함수율상태에서는 초음파 전달속도는 함수율에 관계없이 거의 일정한 값을 나타내었다.
제안 방법
- 함수율이 초음파 전달속도에 미치는 영향을 조사하기 위하여 이 중에서 50 개를 20±51의 증류수에 무게 변화가 일어나지 않을때까지 침지하여 포수상태의 시험편을 준비하였다. 시험편을 10개씩 5개의 그룹으로 나눈 후 각각의 그룹을 포수 상태와 함수율 30%, 20% 10% 및 전건상태 시험 그룹으로 나누고 각 그룹에 적당한 함수율 상태로 건조 및 조습을 실시한 후 무게 측정, 초음파비파괴시험 및 압축시험 등을 실시하였다. 시험을 실시하기 위한 시험편의 함수율 상태를 결정하기 위하여 전전무게의 추정치를 기준으로 시험편의 무게를 측정하여 대략적으로 함수율을 계산하였으며 각 그룹에 대한 압축시험 후 즉시 시험편을 채취하여 정확한 함수율 및 비중을 측정하였다.
- 시험편을 10개씩 5개의 그룹으로 나눈 후 각각의 그룹을 포수 상태와 함수율 30%, 20% 10% 및 전건상태 시험 그룹으로 나누고 각 그룹에 적당한 함수율 상태로 건조 및 조습을 실시한 후 무게 측정, 초음파비파괴시험 및 압축시험 등을 실시하였다. 시험을 실시하기 위한 시험편의 함수율 상태를 결정하기 위하여 전전무게의 추정치를 기준으로 시험편의 무게를 측정하여 대략적으로 함수율을 계산하였으며 각 그룹에 대한 압축시험 후 즉시 시험편을 채취하여 정확한 함수율 및 비중을 측정하였다. 전건상태 시험편은 103±2Y의 건조기 내에 시험편을 넣고 항량에 도달할 때까지 건조를 실시하였다.
- 나머지 70개의 시험편은 섬유경사각의 영향 시험용으로 준비하기 위하여 그룹당 10개씩 총 7개의 그룹으로 나누고 각각의 그룹이 섬유방향에서 접선방향으로 0도, 15도, 30도, 45도, 60도, 75도 및 90의 섬유경사각을 나타내도록 시험편을 제작하였다. 섬유경사각의 영향 시험용 시험편들은 모두 실험실의 대기조건에서 기건상태가 될 때까지 조습을 실시하였으며 시험 후 함수율을 측정한 결과 평균 12.
대상 데이터
- 먼저 공시재료를 2cm X 2cm X 6cm 크기의 압축시험편으로 120개를 준비하였다. 함수율이 초음파 전달속도에 미치는 영향을 조사하기 위하여 이 중에서 50 개를 20±51의 증류수에 무게 변화가 일어나지 않을때까지 침지하여 포수상태의 시험편을 준비하였다.
- 120개를 준비하였다. 함수율이 초음파 전달속도에 미치는 영향을 조사하기 위하여 이 중에서 50 개를 20±51의 증류수에 무게 변화가 일어나지 않을때까지 침지하여 포수상태의 시험편을 준비하였다. 시험편을 10개씩 5개의 그룹으로 나눈 후 각각의 그룹을 포수 상태와 함수율 30%, 20% 10% 및 전건상태 시험 그룹으로 나누고 각 그룹에 적당한 함수율 상태로 건조 및 조습을 실시한 후 무게 측정, 초음파비파괴시험 및 압축시험 등을 실시하였다.
- 에서 제조한 PUNDIT 초음파 측정기 및 37KHz의 초음파 센서가 사용되었으며 그림 1과 같은 방법이 적용되었다. 그림 1에서 센서와 목재 사이에 음의 전달을 원활하게 하기 위하여 점성이 높은 반고체의 석유계통 윤활유를 사용하였다.
이론/모형
- 시험편의 함수율 및 비중은 KS F 2202 (목재의 평균 나이테 간격, 함수율 및 비중 측정 방법)을 적용하여 측정하였으며 압축 시험에는 KS F 2206 (목재의 압축 시험 방법)이 적용되었다.
성능/효과
- 평가가 반드시 이루어져야 한다. 이 연구에서는 국내에서 가장 많은 양이 식목되어 있고 또 현재 가장 많은 양이 생산되고 있는 낙엽송과 소나무를 공시재료로 선택하였으며 공시재료로 사용된 낙엽송 및소나무의 비중은 각각 0.53 및 0.42를 나타내었다.
- 섬유경사각의 영향 시험용 시험편들은 모두 실험실의 대기조건에서 기건상태가 될 때까지 조습을 실시하였으며 시험 후 함수율을 측정한 결과 평균 12.3%로 나타났다.
- 그림 2와 같이 나타났다. 그림 2에서 보는 바와 같이 목재 내에서 초음파의 전달속도는 대략적인 섬유포화점으로 생각되는 30% 이상의 높은 함수율에서는 목재 내 수분의 영향을 받지 않고 거의 변화가 없으며 그 이하의 함수율에서는 함수율이 감소할수록 속도가 빨라지는 경향을 나타내었다. 섬유포화점 이상의 함수율에서 초음파 전달속도가 거의 변하지 않는 이유는 초음파가 세포벽의 목질부를 타고 전달되기 때문에 세포내강이나 빈 공간에 있는 수분은 초음파의 전달에 큰 영향을 미치지 않기 때문인 것으로 생각된다.
- 이 결과를 적용하면 초음파를 이용하여 목재의 대략적인 섬유포화점을 찾을 수 있을 것으로 생각된다. 동일한 함수율이라면 초음파의 전달속도가 소나무보다 낙엽송에서 더 빠른 것으로 나타났으며 이러한 경향은 소나무보다 낙엽송의 강도가 더 높다는 사실을 의미한다. 함수율에 따른 초음파 전달속도의 변화 경향은 낙엽송과 소나무가 비숫한 것으로 나타났다.
- 동일한 함수율이라면 초음파의 전달속도가 소나무보다 낙엽송에서 더 빠른 것으로 나타났으며 이러한 경향은 소나무보다 낙엽송의 강도가 더 높다는 사실을 의미한다. 함수율에 따른 초음파 전달속도의 변화 경향은 낙엽송과 소나무가 비숫한 것으로 나타났다.
- 낙엽송과 소나무에 대한 함수율과 압축탄성계수의 관계는 그림 3과 같으며 섬유포화점 이하의 함수율에서는 함수율이 증가할수록 탄성계수가 감소하였고 섬유포화점 이상의 함수율에서는 함수율 변화에 따른 탄성계수의 변화가 거의 나타나지 않았다. 이는 일반적으로 널리 알려져 있는 함수율에 따른 목재 강도의 변화 경향과 일치하는 것으로서 압축강도와 함수율의 관계도 그림 3과 비슷한 경향을 나타내었다.
- 알 수 있다. 낙엽송과 소나무는 거의 비슷한 값을 나타내었으며 두 수종을 대표하는 직선의 기울기도 거의 비슷한 값을 나타내었다.
- 그림 6 및 7에서 보는 바와 같이 섬유경사각과 초음파 전달속도 사이에는 매우 높은 상관관계가 있으며 섬유경사각이 증가함에 따라서 거의 직선적이거나 또는 약간의 지수함수적인 관계로 초음파 전달속도가 감소함을 알 수 있다. 1차함수(직선) 또는 지수함수의 두 가지 모두 매우 높은 상관계수를 나타내었으나 섬유경사각에 따른 초음파 전달속도의 변화는 직선보다는 지수함수로 표현하는 것이 적당할 것으로 생각된다. 초음파는 목재 내에서 세포벽의 셀룰로즈 배열방향에 직각보다는 평행한 방향으로 더 빨리 전달되기때문에 시험편의 섬유경사각이 증가할수록 시험편 내에서 초음파의 전달거리가 증가하기 때문에 속도가 감소하는 것으로 생각된다.
- 영향을 조사하였다. 소나무와 낙엽송에서 초음파 전달속도는 섬유포화점 이하에서 함수율에 반비례하는 관계를 나타내었으며 그 이상의 높은 함수율상태에서는 초음파 전달속도는 함수율에 관계없이 거의 일정한 값을 나타내었다. 이러한 관계를 이용하면 여러 가지 함수율 상태에서 초음파 전달속도를 측정함으로써 목재의 섬유포화점을 추정할 수 있을 것으로 생각된다.
- 이러한 관계를 이용하면 여러 가지 함수율 상태에서 초음파 전달속도를 측정함으로써 목재의 섬유포화점을 추정할 수 있을 것으로 생각된다. 두 가지 수종 모두에서 초음파 전달속도는 섬유경사각에 대해서도 반비례하는 경향을 나타내었다. 섬유경사각과 초음파 전달속도 사이의 관계는 직선이나 또는 지수함수의 형태로 표현될 수 있었다.
후속연구
- 낙엽 송(Larix leotoleDis)과 소나무(Pinus densi- flora)는 현재 국내에서 생산되는 목재 중에서 앞으로 구조용재로 활용될 가능성이 가장 높은 수종으로써 구조용재로 사용되기 위해서는 그 구조성능 및 품질의 평가가 반드시 이루어져야 한다. 이 연구에서는 국내에서 가장 많은 양이 식목되어 있고 또 현재 가장 많은 양이 생산되고 있는 낙엽송과 소나무를 공시재료로 선택하였으며 공시재료로 사용된 낙엽송 및소나무의 비중은 각각 0.
- 섬유포화점 이하의 함수율에서는 셀룰로즈와 결합된 수분인 결합수 때문에 초음파의 전달 과정에서 에너지의 손실이 생기고 이로 인하여 초음파 전달속도가 지연되는 것으로 생각된다. 이 결과를 적용하면 초음파를 이용하여 목재의 대략적인 섬유포화점을 찾을 수 있을 것으로 생각된다. 동일한 함수율이라면 초음파의 전달속도가 소나무보다 낙엽송에서 더 빠른 것으로 나타났으며 이러한 경향은 소나무보다 낙엽송의 강도가 더 높다는 사실을 의미한다.
- 그림 4에서 보면 목재의 압축강도와 초음파 전달속도 사이에는 높은 상관관계가 있음을 알 수 있다. 목재의 압축강도가 증가할수록 목재 내부에서의 초음파 전달속도도 직선적으로 증가하였으며 이 관계를 초음파를 이용한 목재의 비파괴시험에 활용할 수 있을 것으로 생각된다. 낙엽송과 소나무 사이에는 큰 차이가 없었으나 낙엽송이 소나무보다 약간 높은 값을 나타내었고 이들은 거의 비슷한 직선의 기울기를 나타내었다.
- 소나무와 낙엽송에서 초음파 전달속도는 섬유포화점 이하에서 함수율에 반비례하는 관계를 나타내었으며 그 이상의 높은 함수율상태에서는 초음파 전달속도는 함수율에 관계없이 거의 일정한 값을 나타내었다. 이러한 관계를 이용하면 여러 가지 함수율 상태에서 초음파 전달속도를 측정함으로써 목재의 섬유포화점을 추정할 수 있을 것으로 생각된다. 두 가지 수종 모두에서 초음파 전달속도는 섬유경사각에 대해서도 반비례하는 경향을 나타내었다.
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