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문제 정의
- 본 연구는 합성수지를 이용한 사각단면 목재의 휨 보강성능에 대한 보강효과를 알아보고자 보강면적 비율, 보강 길이, 합성수지 재료강도 및 보강 위치를 실험변수로 하여 휨 실험을 수행하였다. 본 연구에서의 결론은 다음과 같다.
- 시험체의 중앙부 하단과 가력점의 1개소에 변위측정 기 (LVDT) 를 설치 하여 목재 의 특성상 지 점 에서 발생할 수 있는 처짐을 측정하여 시험체의 실제 처짐량을 보정하고자 하였다. 목재 및 합성수지의 변형률은 시험체 중앙부의 목재 및 합성수지 부분에 4 개소의 스트레인 게이지를 부착하여 측정하였으며, 측정된 변형률 값의 변화율을 가지고 중립축의 위치변화를 확인하고자 하였다.
- 이에 본 연구는 목조건조물문화재에 합성수지를 이용한 보수 및 보강에서 휨 부재의 부식과 노후화에 따른 여러 변수를 분석하고, 그 변수에 따라 합성수지를 이용하여 보강된 사각형 단면의 목재 휨 실험을 수행하여 보수 및 보강 방법의 범위와 위치에 따른 적용 가능성 및 보강효과를 연구하여 목조건조물 문화재의 보존처리 및 보수에 대한 근거자료를 확보하고자 한다.
제안 방법
- 총 11개를 제작하여 실험하였다. Fig. 2와 같이 단면에 대한 합성수지의 보강 비율, 스팬에 대한 보강 길이, 합성수지의 보강 위치 및 합성수지의 재료 강도를 변수로 하여 목재의 손상 정도 및 부위에 따른 합성수지의 적용 가능성과 보강효과를 비교 및 검토하였다. 시험체 적용 변수는 Table 4와 같다.
- 가력하였다. 단순보 지지조건을 만족시키기 위해 지지점과 가력지점에 핀 경계조건을 설치하였으며, 가력장치로는 981kN 용량의 유압식 U.T.M.을사용하여 Stroke제어방식을 선택하여 1mm/min로가력 하였다. 측정항목은 하중, 부재의 처짐 및 목재와 합성수지의 변형률 그리고 하중 증가에 따른 목재와 합성수지의 상태를 육안으로 관찰하여 전체적인 양상을 기록하였다.
- 보정하고자 하였다. 목재 및 합성수지의 변형률은 시험체 중앙부의 목재 및 합성수지 부분에 4 개소의 스트레인 게이지를 부착하여 측정하였으며, 측정된 변형률 값의 변화율을 가지고 중립축의 위치변화를 확인하고자 하였다. 실험에서의 변위 측정기의 변위와 목재 및 합성수지의 변형률을 데이터 자료 습득기(TDS-603)를 통하여 습득하였다.
- 본 연구에서는 무보강단면 시험체와 목재 신 재의 일부 단면을 실험변수에 따라 제거하고, 자체 접착력을 가지고 있는 합성수지를 제거된 단면에 충진하여 보강한 시험체 10개를 제작하였다. 실험변수는 목조건조물의 휨 부재에 발생된 부식 및 노후화에 대한 기존 연구의 현황조사 결과를 근거로 산정하였다.
- 본 연구의 실험변수는 부재 전 단면적(Ag)에 대한보강재 단면적(Ar)의 비율(이하 보강비율), 보강길이, 합성수지 재료강도 및 보강위치로 하였으며, 시험체는 총 11개를 제작하여 실험하였다. Fig.
- 시험체 10개를 제작하였다. 실험변수는 목조건조물의 휨 부재에 발생된 부식 및 노후화에 대한 기존 연구의 현황조사 결과를 근거로 산정하였다. 시험체의 형상은 Fig.
- 목재 및 합성수지의 변형률은 시험체 중앙부의 목재 및 합성수지 부분에 4 개소의 스트레인 게이지를 부착하여 측정하였으며, 측정된 변형률 값의 변화율을 가지고 중립축의 위치변화를 확인하고자 하였다. 실험에서의 변위 측정기의 변위와 목재 및 합성수지의 변형률을 데이터 자료 습득기(TDS-603)를 통하여 습득하였다.
- 을사용하여 Stroke제어방식을 선택하여 1mm/min로가력 하였다. 측정항목은 하중, 부재의 처짐 및 목재와 합성수지의 변형률 그리고 하중 증가에 따른 목재와 합성수지의 상태를 육안으로 관찰하여 전체적인 양상을 기록하였다.
대상 데이터
- 본 실험에서 보강재로 사용된 합성수지는 국내A 사의 제품으로서 일반적으로 목재의 보수 및 보강에 사용되고 있다. 합성수지의 성분 및 재료적 특성은 Table 2와 Table 3에서 나타내고 있다.
- 시험체 제작에 사용된 목재는 구조재에 적합한 함수율 10% 내외의 국내산 적송을 사용하였으며, 재료적 특성은 Table 1과 같다.
성능/효과
- 1) 보강면적의 비율이 8.33%일 경우에 강도 비가 1.44로 가장 보강효과가 좋은 것으로 나타났으며, 보강면적의 비율이 25%이내는 보강효과가 있는 것으로 나타났으며, 33.3%이상의 경우에는 보강 효과가 없는 것으로 나타났다. 따라서 합성수지로 목재 단면에 보강을 할 경우에 보강비율에 대한 한계를 제한할 수 있을 것으로 사료된다.
- 2) 보강길이가 600mm인 경우에 강도 비가 1.24 로 가장 보강효과가 우수한 것으로 나타났으며, 400 mm인 경우에 강도 비가 0.77로 현저하게 감소하는 것으로 타났다. 이는 보강재 단부의 조기 박리 및 탈락으로 인한 것으로 판단되며, 이를 억제하기 위하여 응력이 집중되는 부분에서 보강길이에 여분 길이(목재 단면의 높이)만큼 연장하여 산정하는 것이 단부의 조기 박리 및 탈락을 억제하며 보강효과가 향상될 것으로 사료된다.
- 3) 보강위치는 목재 단면의 인장측 및 압축 측에 보강한 모두에서 효과가 있는 것으로 나타났다. 압축 측에 보강한 경우의 강도 비가 1.
- 4) 합성수지의 재료강도는 일반강도로 보강한 경우 에 강도 비가 1.14로 가장 효과적인 것으로 나타났으며, 전체적인 파괴 양상 및 거동으로 평가할 경우에 합성수지 재료강도는 목재에 대한 보강 효과는 없는 것으로 사료된다.
- 24로 가장 보강 효과가 우수한 것으로 나타났다. 400mm로 보강한 RB-L2 는 강도 비가 0.77로 현저하게 낮게 나타나는데, 이는 보강길이의 단부가 가력점내에 존재하여 합성수지의 단부 조기 박리 및 탈락으로 인하여 보강 효과를 나타내지 못하는 것으로 나타났다. 따라서 보강길이는 조기 박리 및 탈락을 방지하기 위해서 보강길이에 여분길이 만큼 더하여 산정하는 것이 좋을 것으로 사료된다.
- 5) 전체적으로 시험체의 변형도 분포가 선형적이고, 목재와 합성수지 사이의 변형도의 전이도 비교적 연속적인 것으로 나타났다. 이는 목재와 합성수지가 충분히 합성거동을 하는 것으로 사료된다.
- 12 에서 보는 바와 같이 나타났다. RB-A2, RB-A3, RB-R1, RB-R2 시험체를 제외한 시험체에서는 원 부재(무보강단면) 시험체의 초기강성보다 높은 것으로 나타났다. 즉, 합성수지에 의해서 보강을 할 경우에는 목재 전단면적에 대한 보강비율이 25% 이내로 하는 것이 효과적이며, 합성수지의 강도는 일반강도를 사용하는 것이 효과적인 것으로 나타났다.
- 8에 나타내고 있다. 결과에서 보면 알 수 있듯이 보강면적의 비율이 8.33%일 경우에 강도 비가 1.44로 가장 효과적인 것으로 나타났으며, 보강면적의 비율이 25%이내의 경우에는 보강의 효과가 있는 것으로 나타났으나, 33.3%이상의 경우에는 보강효과가 없는 것으로 나타났다. 따라서 합성수지로 목재 단면에 대한 보강비율의 한계를 제한할 수 있을 것으로 사료된다.
- 7에 보듯이 거의 같은 거동을 하는 것으로 나타났다. 그러나 합성수지의 강도가 너무 높은 RB-R2의 경우에는 휨에 대한 보강 효과가 거의 없으며 연성을 좀 더 확보하는 것으로 나타났다. 또한 하중 가력 초기에 하중의 증가량보다는 변위의 증가량이 다른 시험체보다 큰 것으로 나타났다
- 따라서 합성수지에 의한 휨 보강효과는 단면에 대한 일정 비율 내에서 보강이 이루어져야하며, 하중이 집중되는 부위 및 보강위치에 대한 검토를 한 후에 보강하는 것이 파괴 양상, 최대 내력 및 연성 등에 효과적인 것으로 나타났다.
- 그러나 합성수지의 강도가 너무 높은 RB-R2의 경우에는 휨에 대한 보강 효과가 거의 없으며 연성을 좀 더 확보하는 것으로 나타났다. 또한 하중 가력 초기에 하중의 증가량보다는 변위의 증가량이 다른 시험체보다 큰 것으로 나타났다
- 6과 같다. 먼저 보강비율에 따른 결과를 살펴보면, 보강 비율이 약 20% 정도에서 최대 휨 내력 및 연성이 현저하게 다르게 나타났으며, 전체적으로 중앙부에서 발생한 휨 균열에 의한 단순 인장파괴 양상을 나타내었다.
- 보강 위치 및 재료강도를 다르게 한 경우는 전체적인 파괴양상에서 별다른 차이점이 없는 것으로 나타났으며, 보강위치가 단면 상부인 경우에 목재 부분에 많은 변형이 발생하는 것으로 나타났다.
- 9는 합성수지의 보강길이에 따른 강도 비를 나타내고 있다. 보강길이에 따른 결과는 600mm로 보강한 경우의 강도 비가 1.24로 가장 보강 효과가 우수한 것으로 나타났다. 400mm로 보강한 RB-L2 는 강도 비가 0.
- 67% 이하에서는 휨 내력 및 연성에 효과가 있는 것으로 나타났으나, 25%를 상회하는 경우에는 휨에 대한 보강효과가 없는 것으로 나타났다. 보강길이에 따른 시험체 하중-처짐은 Fig. 5에 보듯이 전체적으로 유사한 거동을 하는 것으로 나타났으나, 보강길이가 가력점 근처에 있는 RB-L2 경우는 보강재의 탈락현상으로 급격한 하중 감소 현상을 나타내었다.
- 7에서 보는 바와 같이 나타났다. 보강비율에 따른 시험체 하중-처짐은 Fig. 4에서 보듯이 보강 비율이 16.67% 이하에서는 휨 내력 및 연성에 효과가 있는 것으로 나타났으나, 25%를 상회하는 경우에는 휨에 대한 보강효과가 없는 것으로 나타났다. 보강길이에 따른 시험체 하중-처짐은 Fig.
- 10은 합성수지의 보강위치에 따른 강도 비를 나타내고 있다. 보강위치가 단면의 상부 및 하부인 경우 모두 효과가 있는 것으로 나타났다. 특히 압축측에 보강한 경우의 강도 비가 1.
- 이러한 변형 도의 분포로부터 실험시의 중립축의 위치 및 보강재의 합성 효과에 알 수 있다. 전체적으로 시험체의 변형도 분포가 선형적이고, 목재와 합성수지 사이의 변형 도의 전이도 비교적 연속적인 것으로 나타났다. 이는 목재와 합성수지가 충분히 합성거동을 하는 것으로 사료된다.
- RB-A2, RB-A3, RB-R1, RB-R2 시험체를 제외한 시험체에서는 원 부재(무보강단면) 시험체의 초기강성보다 높은 것으로 나타났다. 즉, 합성수지에 의해서 보강을 할 경우에는 목재 전단면적에 대한 보강비율이 25% 이내로 하는 것이 효과적이며, 합성수지의 강도는 일반강도를 사용하는 것이 효과적인 것으로 나타났다. 보강길이의 경우에는 전체적으로 원부재 시험체보다 높은 것으로 나타났으며, 이는 길이에 대한 영향은 미비한 것으로 사료된다.
- 11은 합성수지의 재료강도에 따른 강도 비를 나타내고 있다. 합성수지의 재료강도는 일반강도로 보강한 경우의 강도 비가 1.14로 가장 효과적인 것으로 나타났다. 시험체의 전체적인 파괴양상으로 평가할 경우에는 합성수지의 재료강도는 목재에 대한 보강 효과가 없는 것으로 사료된다.
후속연구
- 3%이상의 경우에는 보강 효과가 없는 것으로 나타났다. 따라서 합성수지로 목재 단면에 보강을 할 경우에 보강비율에 대한 한계를 제한할 수 있을 것으로 사료된다.
- 본 연구를 통해, 목재에 보수 및 보강재로서 합성수지를 사용하는 것에 대한 가능성을 확인한 것으로 판단되며, 이후에 목조건조물의 고목에 대한 적용성과 방법에 대한 연구가 필요할 것으로 사료된다.
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