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문제 정의
- 본 연구에서는 국산 중소경재를 보다 효과적으로 활용하기 위하여 대형 요소의 기계적 접합법을 이용한 공학목재를 개발하였으며, 그 결과를 요약하면 다음과 같다.
- 본 연구에서는 이러한 대형 요소를 이용한 공학 목재 개발의 한 방법으로서 국산 낙엽송 중 소경 원목으로부터 생산된 상대적으로 큰 단면의 Flitch재를 이용하여 세 가지 기계적 접합 방법을 적용한 구조용 대단면 공학목재를 개발하고 성능을 평가하고자 하였다.
제안 방법
- 3.각각의 접합 방식에 따른 파괴 모드를 I, n, m의 세 가지 모드로 분류하고, 각각의 모드에서 층재의 응력 분포를 분석하여 제시하였다. 이 결과는 새로운 공학 목재의 접합방식을 개발하기 위한 이후의 연구에서 효과적으로 활용될 수 있을 것이다.
- 특히 강철 볼트를 적용한 Figure 2의 경우에는 전통 한옥의 보 재료에서 채용하고 있는 포구조를 원용하여 장선조립형이중보를 제조하였고, 보 재료로 사용할 경우 중층의 바닥구조를 고정하기 위한 장선이 조립될 수 있는 구조를 전통 건축으로부터 채용하였다. 또한 휨 하중에 저항하도록 하기 위하여 포구조의 양편으로 짜맞추기 방법을 적용하여 볼트에 의한 전단력에 저항할 수 있는 포를 채용하였다. 볼트결합은 토크렌치를 사용하여 일정한 모멘트로 채울 수 있도록 하였으며, 54 Nm로 체결하였다.
- 본 연구에서는 이와 같은 필요조건을 만족시키도록 Figure 2, Figure 3 그리고 Figure 4와 같은 세 종류의 기계적 접합 방법을 이용한 보 부재를 개발하였다. 상현과 하현의 접합에는 각각 강철 볼트 목재 다우얼 및 철제래그 볼트를 사용하였다.
- 4m로 하중은 1/3 점 하중을 부여하였다. 상현과 하현의 접 합성능평가와 상현과 하현의 휨하중에 대한 거동을 분석하기 위하여 보부재의 각 부위에 스트레인 게이지를 부착하여 스트레인의 변화를 측정하였으며, 시편의 중앙부위에서 LVDT를 사용하여 보의 처짐량을 측정하였다.
- 사용하였다. 열기 건조와 품질검사 및 대패 가공을 거쳐 최종 단면 마감치수 75mmx 100mm 및 75nunx50min의 대형 요소를 제조하였고, 강철 볼트 목재 다우얼 및 철제 래그볼트를 이용하여 이중보 및 사중보 형태의 보용 공학 목재를 개발하고자 하였다. 원목으로부터 Flitch 재의 제재 및 대형 요소로 사용된 최종 제재의 단면 가공은 다음의 Figure 1에 제시되어 있고, 이 과정에서의 최종 수율은 약 42.
- 원목으로부터 제재된 두께 90mm의 Flitch 재는 다음의 Table 1에 제시된 건조 스케줄을 적용하여 열기 건조 하였으며, 열기 건조 후 건조결함을 조사하였고, 개별 부재의 4면에 대한 Static 및 Dynamic MOE를 측정하였다.
- 철제 래그볼트를 적용한 경우는 75mmx50mm 의 요소를 4개 접합한 것과 75mmxl00mm의 요소를 2개 접합한 경우를 각각 제시하였다. Table 2의 결과를 보면, 최대하중은 단면의 춤이 50mm 더 큰 철제 래그볼트를 이용한 보 중 75mmx 100mm의 요소를 2개 접 합한 경우가 가장 큰 것으로 나타났으나, 나머지 MOE와 MOR 모두에서 강철 볼트를 적용한 경우가 가장 우수한 휨 성능을 보였다.
대상 데이터
- 마지 막으로 Figure 4의 철제래그볼트를 사용한 경우에는 제조공정상의 간소화와 상하부재결합력의 보강을 위해 채용하였는데, 래그볼트의 규격으로 인해 Figure 4에 제시된 것과 같은 두 종류의 75mmx200mm 단면을 갖는 보 부재를 제작하여 사용하였다.
- 본 연구에서는 목재 유통센터(여주)에서 구입한 말구직경 21-25cm의 국산 낙엽송 중소 경 원목으로부터 제재한 두께 90mm의 Flitch재를 공시재료로 사용하였다. 열기 건조와 품질검사 및 대패 가공을 거쳐 최종 단면 마감치수 75mmx 100mm 및 75nunx50min의 대형 요소를 제조하였고, 강철 볼트 목재 다우얼 및 철제 래그볼트를 이용하여 이중보 및 사중보 형태의 보용 공학 목재를 개발하고자 하였다.
- 개발하였다. 상현과 하현의 접합에는 각각 강철 볼트 목재 다우얼 및 철제래그 볼트를 사용하였다. 특히 강철 볼트를 적용한 Figure 2의 경우에는 전통 한옥의 보 재료에서 채용하고 있는 포구조를 원용하여 장선조립형이중보를 제조하였고, 보 재료로 사용할 경우 중층의 바닥구조를 고정하기 위한 장선이 조립될 수 있는 구조를 전통 건축으로부터 채용하였다.
- 세 종류의 기계적 접합법을 이용한 보 부재의 휨강도 성능을 평가하기 위하여 Instron 5585(최대하중 20톤)을 사용하였다. 흐} 중속도는 5mm/min.
성능/효과
- 1.먼저 중소 경재를 대형 요소로 제재하는데 있어서 최종 가공 수율은 42.3%로 기존 집성재 제조 수율에 비해 크게 향상되었으며, 두께 90mm의 대형 요소를 건조하는 데 있어서 최고온도 77P의 온건한 건조조건을 적용함으로써 건조결함의 발생을 억제할 수 있었다.
- 2.대형요소의 접합 방식에 따른 휨 성능 평가 결과, 강철 볼트를 적용한 경우에 MOR과 MOE는 각각 514kgf7cm2와 129, OOOkg0cm2로동일 수종집성재에 비해 조금 낮거나 유사하게 나타났다. 반면에 목재 다우얼과 철제 래그볼트를 적용한 경우에는 MOR과 MOE 모두 절반 정도로 감소되었다.
- 넓은 재면(2, 4) 방향의 MOE보다 상대적으로 컸다. 단면의 크기에 따른 MOE 차이는 Dynamic의 경우에만 나타났다.
- 9cm flitch 재의 초기 함수율은 42.7%, 최종함수율은 12.8%이었으며, 이때까지의 건조속도는 0.127%㎛이었다. 온건한 건조조건을 채택한 결과 건조 속도는 늦었으나 건조 결함의 발생은 많지 않았다.
- 제시하였다. Table 2의 결과를 보면, 최대하중은 단면의 춤이 50mm 더 큰 철제 래그볼트를 이용한 보 중 75mmx 100mm의 요소를 2개 접 합한 경우가 가장 큰 것으로 나타났으나, 나머지 MOE와 MOR 모두에서 강철 볼트를 적용한 경우가 가장 우수한 휨 성능을 보였다. 이 경우, 평균 MORe 514 kgf/cn?이었으며, MOE는 평균 129, 000kgecm2S.
- 이 경우, 평균 MORe 514 kgf/cn?이었으며, MOE는 평균 129, 000kgecm2S. 구조용 집성재의 평균 MOR인 600kgf/cm2 보다는 작은 값을 나타내었으나, 구조용 집성재 평균 MOE와는 비슷한 탄성계수를 나타내었다. 이와 비교하여 목재 다우얼과 철제 래그볼트를적용한 보에서는 상하부재의 접합이 개별 목재다우얼과 래그볼트에 의존하는 구조의 취약성으로 인해 상대적으로 낮은 휨 성능을 보인 것으로 판단된다.
- 그러나 파괴 모드 Ⅱ의 경우에는 상현재 하부와 하현재 상부의 변형율 차이가 나타나 기 시작했고, 비례한계 하중에 다다른 처짐량 30mm의 경우에서부터 상현재의 하부에 압축 변형이 급격하게 증가하는 경향을 나타내고 있었다. 또한 중립축의 변형율도 비례한계 하중을 지난 부분에서부터 인장 변형율을 나타내고 있어 볼트에 작용하는 전단 응력에 의해 볼트주 위 목재 부위의 압축 변형이 발생했을 것으로 판단되며, 이에 따라 파괴 시간이 지연되었을 것으로 판단할 수 있었다.
- 만약 볼트의 체결력이 적절하지 못했다면 상현의 아랫부분과 하현의 윗부분의 변형율의 차이가 크게 나타났겠지만, 충분한 체결력을 유지하여 상-하현을 단일재료와 같이 휨 하중에 저항하도록 작용했을 것으로 판단되었다. 또한 상현과 하현의 충분한 결합력으로 인해 중립축이 인장 또는 압축 변형되지 않고 유지되는 중에 파괴된 것도 특징으로 판단할 수 있었다.
- 또한 중립축의 변형율도 비례한계 하중을 지난 부분에서부터 인장 변형율을 나타내고 있어 볼트에 작용하는 전단 응력에 의해 볼트주 위 목재 부위의 압축 변형이 발생했을 것으로 판단되며, 이에 따라 파괴 시간이 지연되었을 것으로 판단할 수 있었다.
- 열기 건조와 품질검사 및 대패 가공을 거쳐 최종 단면 마감치수 75mmx 100mm 및 75nunx50min의 대형 요소를 제조하였고, 강철 볼트 목재 다우얼 및 철제 래그볼트를 이용하여 이중보 및 사중보 형태의 보용 공학 목재를 개발하고자 하였다. 원목으로부터 Flitch 재의 제재 및 대형 요소로 사용된 최종 제재의 단면 가공은 다음의 Figure 1에 제시되어 있고, 이 과정에서의 최종 수율은 약 42.3%였으며, 최종함수율은 평균 12.8%로 측정되었다.
후속연구
- 이와 비교하여 목재 다우얼과 철제 래그볼트를적용한 보에서는 상하부재의 접합이 개별 목재다우얼과 래그볼트에 의존하는 구조의 취약성으로 인해 상대적으로 낮은 휨 성능을 보인 것으로 판단된다. 따라서 이러한 형태의 대형요소접합 보에서는 상하부재의 접합 성능이 가장 큰 영향 인자인 것으로 생각되며, 접합된 부재가 하나의 요소처럼 거동하도록 하면서도 제작의 용이성 등이 반영된 새로운 접합방법의 개발이 요구된다.
- 각각의 접합 방식에 따른 파괴 모드를 I, n, m의 세 가지 모드로 분류하고, 각각의 모드에서 층재의 응력 분포를 분석하여 제시하였다. 이 결과는 새로운 공학 목재의 접합방식을 개발하기 위한 이후의 연구에서 효과적으로 활용될 수 있을 것이다.
- 한편, 목재 건조기술의 발달과 사용 가능한 원목으로부터 최종 제품에 이르는 공정상에서 제기되는 수율의 문제 및 공학 목재 제조에 따른 비용의 상승을 고려할 때, 상대적으로 큰 단면의 요소를 이용한 새로운 공학 목재의 개발에 대한 연구가 필요한 시점으로 사료된다.
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