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문제 정의
- 있는 목재의 강도 측정에는 적용될 수 없다. 따라서 비파괴방식으로 목재의 강도를 추정할 수 있는 방식이 필요하여 북미, 유럽지역에서 주로 사용되고 있는 피로딘 목재 테스터기에 의한 강도측정법을 적용하고자 한다.
- 조사 . 분석하고 이 보강법의 실제 적용을 위해 보의 휨응력 산정을 위한 기초적 자료를 제시하는 것을 목적으로 한다.
제안 방법
- 모든 문명국가들은 이러한 역사성과 문화적 가치를 가진 건축물을 국가제도 안에서 보호하기 위해 건축물 보호법을 제정 . 시행하고 있다.
- 본 연구는 현재 보존 현장에서 요구되어지는 시급성을 고려하여 신공법의 제안보다는 기존의 보 보강법 중 부재의 외연적 손상을 최소화하는 방식으로 판단되는 탄소판 삽입공법을 목재보에 적용하여 보강효과와 파괴 성상 등을 실험을 통해 조사 . 분석하고 이 보강법의 실제 적용을 위해 보의 휨응력 산정을 위한 기초적 자료를 제시하는 것을 목적으로 한다.
- 본 연구에서 압축 강도 추정식은 실험에 사용되는 목재와 주가 목재를 사용하여 표준압축시험과 비파괴시험 을 수행하고 이 값을 회귀분석하여 추정식을 설정한다.
- 시험체는 양끝에 힌지를 설치하고 중앙과 그 좌우로 시험체의 1/3지점에 각각 게이지를 설치하여 가력시 변형을 측정한다. 가력은 오일펌프로 사용하고 중앙에 설치하며 치구를이용하여 3등분점 2곳에서 가력하도록 한다.
- 실험에 사용된 목재의 휨강도를 평가하기 위하여 표준 압축강도와 피로딘 목재 테스터기의 관입실험을 행하였다. 표준압축 강도 시험체는 각 시험체별로 섬유평행방향 3개, 섬유 직각 방향 3개씩 제작(구 배재학당 동관 보 부재의 경우는 인접보 부재에서 채취하여 제작)하여 실험하였고, 피로딘 목재 테스터기 관입 실험은 부재 양 끝 단부에서 3곳을 선정하여 관입시험을 행하였다.
- 표준압축 강도 시험체는 각 시험체별로 섬유평행방향 3개, 섬유 직각 방향 3개씩 제작(구 배재학당 동관 보 부재의 경우는 인접보 부재에서 채취하여 제작)하여 실험하였고, 피로딘 목재 테스터기 관입 실험은 부재 양 끝 단부에서 3곳을 선정하여 관입시험을 행하였다. 표준압축강도 실험결과는 그림 7과 같다.
대상 데이터
- 그림 4는 구 배재학당 동관의 지붕 평면도이고 점선으로 표시된 부재가 표준 시험체이다. 따라서 시험체의 크기는 폭 55mm, 높이 150mm, 길이 3, 000mm가" 되고 목재는 국내산 육송으로 한다.
- NR1 시험체는 건전한 상태의 부재로서 쪼개짐 파괴 현상을 보이지 않고 갑작스런 전도현상이 발생되어 실험을 종료했다. 옹이가 중앙부위에 있는 NRW시험체는 옹이를 중심으로 좌우에 쪼개짐이 발생하는 현상을 나타냈다.
- 보강효과를 검증하기 위한 시험체는 1916년 3월에 준공된 우리나라 최초의 서양^ 교육시설 건축물로서 현재 기념관으로 사용하기 위해 보수공사 중인 구 배재학당 동관의 지붕틀 하부 보를 표준 시험체로 산정하여 시험체를 계획하였다. 그림 4는 구 배재학당 동관의 지붕 평면도이고 점선으로 표시된 부재가 표준 시험체이다.
- 시험체는 구 배재학당 동관측의 협조로 구한 동관에 사용된 기본 보 3개와 신목재 5개 총 8개를 제작하였다. 표 2와 그림 5는 시험체의 치수 보강방법 등을 설명한 것이다.
- 목재의 강도는 섬유 방향에 대한 가력방향의 각도에 따라 현저한 차를 나타내며, 압축강도는 섬유방향에 평행으로 가력하면 최대값, 수직(90)으로 가력하면 최소값이 된다. 시험편은 섬유 방향과 직각 방향으로, 각각 2cmx2cm의 정사각형 횡단면을 갖는 길이 6cm의 직육면체 형태로 3개 1조로 제작한다. 시험체의 형상은 그림 1과 같다.
- 피로딘 목재 테스터기는 독일 ProceQ사에서 제작된 것을 사용하고, 테스터기의 형태와 사양은 그림2에 나타내었다.13
이론/모형
- 표준압축강도 실험은 KS F 2206을 기준으로 하여 수행한다. 목재의 압축 시험 방법은 시험편의 섬유방향에 압축 하중이 평행하게 작용하는 섬유평행방향 압축, 시험편의 섬유 방향에 압축하중이 수직으로 작용하는 섬유직각방향 압축과 시험편의 섬유방향에 수직으로 시험편 길이의 일부분에만 압축 하중이 작용하는 부분압축으로 나눌 수 있다.
성능/효과
- (1) 목재 슈미트 실험 결과, 목재의 압축강도와 목재 슈미트 타격의 관입 깊이 사이에는 부의 상관관계가 나타났으며, 목재 슈미트 타격시험을 통하여 평균오차율 10% 이하의 오차범위 내에서 국내산 육송의 압축강도를 추정할 수 있다. 하지만 부재의 상태에 따라 표면에 코팅이나 접착제에 의해 경화된 목재에는 적용하기 어렵다.
- (2) 시험체의 파괴성상은 최대응력구간 내에 옹이가 존재하는 경우에는 신 . 구부재, 보강여부에 관계없이 옹이부분에서취성적 파괴를 보였으나, 부재는 1/100 이상의 휨 변형을 일으킨 후 파괴되었다.
- (3) CFRP를 이용해 보강된 보의 보강효과는 보강량의 증가보디는 원부재의 균질성이 더 큰 영향을 미침을 NR1 시험체를 통해 알 수 있었고, 문화재에 적용될 수 있는 가장 효율적 보강방법은 역학적 판단이나, 실험결과에 의하면 NRV에 비해서 NRW의 보강효과가 우수하지만 외관적인 손상을 고려하면 NRV시험체 방식으로 1개 홈에 2 개의 탄소판을 길이로 배열하는 것이 이상적이다.
- (4) 본 연구에서 제안된 식을 적용한 설계허용휨응력값과 실험 결과를 비교하였을 때 보강량이 증가함에 따라 안전율이 줄어듦을 알 수 있다. 따라서 적절한 안전성을 확보한 보강 목재보를 설계하기 위해서는 과다한 보강량 증가를 피하여야 하며, 보강량에 따른 안전율을 보강 응력산정에 적용하여야 할 것이다.
- 보강량에 따른 보강효과 그림 14(b)는 1개 탄소판으로 보강된 NR1 부재가 2개 탄소판으로 보강한 시험체중 최소값인 NRP보다 78.9% 높은 강도가 나타났다. 이는 NR1 부재가 다른 타 부재보다 옹이가 적은 균질한 부재이기 때문인 것으로 판단된다.
- 41 배의 휨 응력을 보였고, 연성능력 또한 유사하게 높은 것으로 나타났다. 신목재를 보강한 경우, 강도증가는 최소 52%(NRP)에서 최대 173%(NR1)까지 증가하고, 구목재의 경우 그림 14(c)는 75~88%의 증가를 보여, 열화된 부재에 대해서도 탄소판 삽입공법이 보강효과를갖는 것을 알 수 있다. 보강량 증가에 따른 보강효과의 증가는 비례하지 않으며, 옹이 존재여부가 보강효과에 더 큰 요인임을 본 실험을 통해 확인했다.
- 값을 보였다. NR1의 경우는 육안상으로도 상당히 양질의 목재로 다른 시험체에 비해 최소 13%에서 최대 80% 이상 높은 값을 나타냈다. 평행방향과 직각 방향의 비는 10% 내외이며 신목재가 구목재보다 높은 비를 나타낸다.
- 신 . 구부재, 보강여부에 관계없이 옹이부분에서취성적 파괴를 보였으나, 부재는 1/100 이상의 휨 변형을 일으킨 후 파괴되었다.
- NRW 시험체와 NRV 시험체의 밀도는 유사한 것으로 볼 수 있으나 NRP 시험체의 밀도는 낮은 것으로 판단되므로 NRP 시험체의 실험결과가 보강방식차 또는 목재 성능차에서 온 것인지는 불분명하다. 문화재 보강에 있어서는 2홈 2개 탄소판 형식 (W)에 비해 1홈 2개 탄소판 형식(V) 25% 정도의 강도저하는 있으나, 1홈 2개 탄소판 형식(V)으로도 요구 강도를 만족한다면 연성능력은 유사하고 외형적 손상을 줄일 수 있는 1홈 2개 탄소판 형식(V)이 바람직할 것이며, 보강할 목재의 상태가 양호하고 결함이 없는 경우는 1개 탄소판으로 보강하여도 충분한 보강효과를 얻을 수 있을 것으로 판단된다.
- 신목재를 보강한 경우, 강도증가는 최소 52%(NRP)에서 최대 173%(NR1)까지 증가하고, 구목재의 경우 그림 14(c)는 75~88%의 증가를 보여, 열화된 부재에 대해서도 탄소판 삽입공법이 보강효과를갖는 것을 알 수 있다. 보강량 증가에 따른 보강효과의 증가는 비례하지 않으며, 옹이 존재여부가 보강효과에 더 큰 요인임을 본 실험을 통해 확인했다. 2개 탄소판을 사용한 경우, 2개 홈에 각 1개씩의 탄소판을 삽입한 NRW시험체가 가장높은 강도 값을 나타내고, 1홈에 2개를 포개 넣은 NRP 시험체가 최대변위, 강도 모두 낮은 값을 나타낸다.
- 실험 결과 구목재보다 신목재가 높은 값을 나타내고 있으며, OS 시험체가 최소 압축강도 값을, NR1 실험체가 최대 압축강도 값을 보였다. NR1의 경우는 육안상으로도 상당히 양질의 목재로 다른 시험체에 비해 최소 13%에서 최대 80% 이상 높은 값을 나타냈다.
- 옹이가 중앙부위에 있는 NRW시험체는 옹이를 중심으로 좌우에 쪼개짐이 발생하는 현상을 나타냈다. 최종적 파괴는 취성적으로 일어났으나 모든 부재는 육안으로 휨을 관찰할 수 있는 상태인 1/100이상의 처짐이 발생된 후 파괴되어 전반적인 파괴양상은 연성적이라 평가할 수 있다. 그림 12는 주요시험체의 파괴형상을 보여준다.
후속연구
- 보강 공사에 적용성이 높은 방법이 될 수 있다. 그러나 이 공법의 적용성을 높이기 위해서는 탄소판의 삽입기법, 휨 변형에 대한 대응방식과 접착방식에 대한 좀더 구체적인 연구가 필요할 뿐 아니라 목재에 대한 기초적 연구들이 활성화되어야 할 것이며, 목재 비파괴 실험에 관한 연구 또한 시작되어야 한다. 또한 본 연구에서 정량적 보강효과를 제시하지 못하였음으로 정량화를 위한 구체적 연구가 필요하다.
- 그러나 이 공법의 적용성을 높이기 위해서는 탄소판의 삽입기법, 휨 변형에 대한 대응방식과 접착방식에 대한 좀더 구체적인 연구가 필요할 뿐 아니라 목재에 대한 기초적 연구들이 활성화되어야 할 것이며, 목재 비파괴 실험에 관한 연구 또한 시작되어야 한다. 또한 본 연구에서 정량적 보강효과를 제시하지 못하였음으로 정량화를 위한 구체적 연구가 필요하다.
- 콘크리트용 슈미트 해머의 오차율이 20% 정도인 것12과 비교하면 비교적 양호한 것으로 판단된다. 향후 높은 강도를 갖는 목재의 실험 결과를 추가하여 높은 강도에 대한 정확성을 향상시킬 필요는 있다.
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