[논문]국내산 목재의 연륜경사에 따른 전단강도 및 나사못 유지력 영향

차재경

doi:10.5658/wood.2012.40.6.363

국내산 목재의 연륜경사에 따른 전단강도 및 나사못 유지력 영향
Effect of the Withdrawal Strength of Wood Screws in Domestic Wood by Shear Strength with Different Growth Ring Orientation 원문보기

목재공학 = Journal of the Korean wood science and technology, v.40 no.6, 2012년, pp.363 - 369

초록
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연륜경사에 따른 전단강도 실험이 국내에서 생산되는 목재에 대해 실시됐다. 연륜경사는 전단강도에 영향했고, 경사진 연륜에서 최대였다. 전단강도는 나사못 유지력을 예측하기 위한 식에 포함됐다. 나사못 유지력의 예측식은 No. 8 나사못의 실험결과와 비교하여 25 mm와 30 mm 길이에서 8% 이내로 작게 예측되었으나 18 mm와 38 mm에서는 큰 값을 보였다. 전단강도를 사용한 나사못 유지력의 예측값과 실험값 사이에는 연륜경사에 따라 큰 차이를 보이지 않았다.

Abstract ▼ AI-Helper

Shear tests parallel to the grain were conducted on domestic wood samples with different growth ring orientations. Shear strength was dependent on the angles between the direction of growth ring orientation and the applied force. The maximum shear strength showed at the intermediate growth ring orientations. Results of shear tests were also used to modify the formula which had previously been developed to predict the withdrawal strength of screw on the face of lumber. Predicted equations were fitted to the results of previous study with different length of No. 8 screw. Predicted equation was under-predicted the withdrawal strength of 25 and 30 mm length of screw within 8% and over-predicted withdrawal strength of 18 and 38 mm length of screw. A little differences between the predicted by shear strength with different growth ring orientation and observed values was existed.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

연륜경사에 따른 전단강도의 영향에 대한 자료가 부족하여 접선면과 방사면에 대한 강도의 평균이 일반적으로 보고되고 있지만 대부분의 목재는 완전한 연륜경사로 사용되지 않으며 두 방향 사이에는 차이가 있어 연륜경사를 명시할 필요가 있다. 따라서 본 연구는 연륜경사에 따른 전단강도의 거동에 대해 알아보았다. 또한 본 연구는 나사못의 직경, 유효 관입길이 및 목재 전단강도의 함수로 나사못 유지력에 대한 예측 식을 유도하여 평가하고자 했다.
따라서 본 연구는 연륜경사에 따른 전단강도의 거동에 대해 알아보았다. 또한 본 연구는 나사못의 직경, 유효 관입길이 및 목재 전단강도의 함수로 나사못 유지력에 대한 예측 식을 유도하여 평가하고자 했다.
본 연구에서는 식 (1) 및 (2)와 같이 나사못 유지력 예측을 위한 식을 비중의 함수로 나타내는 대신에 전단강도의 함수로 나타내고자 하였다. 이를 위해 유효 관입길이는 예전의 연구(2011)에서 구하였던 위의 식들 사이에 비 #로부터 α에 대한 식은 #로, 전체 시편에 대한 No 6, No 8, No 10의 α는 0.

제안 방법

1과 같이 파내 30 × 30 mm 면이 파괴되도록 했다. 경사진 연륜에 대한 전단실험을 위해서도 횡단면에서 연륜이 측면과 경사진 목재를 선별하여 방사면과 접선면의 전단실험 시편과 같은 방법으로 제작하였다. 실험 전에 모든 시편들은 전단면의 실질 치수를 측정했다.
목재로 된 보 등의 설계에 중요한 전단강도의 거동을 알아보기 위해 연륜경사에 따른 전단강도실험을 실시했다. 전단강도실험은 나사못의 직경, 유효 관입길이 및 목재 전단강도의 함수로 나사못 유지력에 대한 예측식을 위해서도 필요했다.
목재의 함수율이 전단강도의 크기에 영향하므로 모든 시편들을 온도 21℃와 상대습도 65%인 항온항 습기에서 조습 처리하였다. 조습 처리한 목재는 함수율 측정을 위해 무게를 측정했다.
선별된 목재는 횡단면을 30 × 30 mm로 연마한 다음 방사면과 접선면의 전단실험을 위해 연륜과 직각 및 평행이 되도록 30 × 30 × 40 mm 로 절단한 다음 높이가 30 mm가 되도록 Fig. 1과 같이 파내 30 × 30 mm 면이 파괴되도록 했다.
경사진 연륜에 대한 전단실험을 위해서도 횡단면에서 연륜이 측면과 경사진 목재를 선별하여 방사면과 접선면의 전단실험 시편과 같은 방법으로 제작하였다. 실험 전에 모든 시편들은 전단면의 실질 치수를 측정했다. 모든 실험은 Hounsfield 만능시험기를 이용했다.
전단실험을 모두 마친 다음 함수율과 실험에 사용된 시편의 비중을 계산하기 위해 모든 시편의 전건무게를 측정하였다. 전건무게는 온도가 103℃인 전기오븐에서 일정한 무게로 전건됐을 때 측정하여 함수율과 비중 계산에 사용 했다.
73 (L - αD), D와 L의 단위는 mm이다. 전단강도를 이용한 예측식을 구하기 위해 차(2011)의 나사못 길이에 따른 tip효과의 평가를 위한 실험은 나사못이 No 8로 길이가 18, 25, 30 및 38 mm로 실험한 결과를 사용하였다. 실험결과들은 예측식에 의한 정확도를 평가하기 위해 예측식에 의한 값(y')과 실험에 의한 값(y) 사이에 차이는 #로 계산하였다.
조습 처리한 목재는 함수율 측정을 위해 무게를 측정했다. 전단실험을 모두 마친 다음 함수율과 실험에 사용된 시편의 비중을 계산하기 위해 모든 시편의 전건무게를 측정하였다. 전건무게는 온도가 103℃인 전기오븐에서 일정한 무게로 전건됐을 때 측정하여 함수율과 비중 계산에 사용 했다.
목재의 함수율이 전단강도의 크기에 영향하므로 모든 시편들을 온도 21℃와 상대습도 65%인 항온항 습기에서 조습 처리하였다. 조습 처리한 목재는 함수율 측정을 위해 무게를 측정했다. 전단실험을 모두 마친 다음 함수율과 실험에 사용된 시편의 비중을 계산하기 위해 모든 시편의 전건무게를 측정하였다.

대상 데이터

나사못 유지력은 표준 실험방법(ASTM D1761)에 의해 실험했던 차(2011)의 자료를 사용했다. 차는 길이가 25 mm와 30 mm인 No.
전단강도실험은 표준 실험방법(KS F 2209)에 의해 실험했다. 전단강도시편은 나사못 유지력실험에 사용됐던 소나무, 잣나무, 낙엽송의 목재와 같은 시 기에 제작된 제재목들로부터 선별하였다. 모든 시편들은 35 × 35 mm로 옹이 등 결점이 없는 제재목으로 부터 선별하였다.
나사못 유지력은 표준 실험방법(ASTM D1761)에 의해 실험했던 차(2011)의 자료를 사용했다. 차는 길이가 25 mm와 30 mm인 No. 8의 나사못을 같은 목재 시편에 사용하였다. 30 mm 나사못은 나삿니가 시편 두께를 완전히 관통하여 끝 부분이 튀어나오게 했고, 25 mm 나사못은 끝이 다른 표면에는 튀어나오지 않았지만 두께에 완전히 관입했다.

데이터처리

마지막으로 상수 a를 구하기 위해 Fe = aSγDβ(L - αD)의 식에 α와 β 및 γ를 대입하여 구한 SγDβ (L - αD)에 대해 Fe와 회귀분석을 통해 a를 구하였다.

이론/모형

실험 전에 모든 시편들은 전단면의 실질 치수를 측정했다. 모든 실험은 Hounsfield 만능시험기를 이용했다. 하중은 횡단면에 분당 0.
전단강도는 접선단면과 방사단면보다 하중방향과 경사를 이루는 면에서 가장 큰 값을 보였다. 비중 대신에 전단강도의 실험 결과는 차의 연구(2011)에서 유도했던 나사못 유지력의 예측식에 비중 대신에 사용하였다. 그 결과로 나사못의 직경, 관입길이 및 전단강도의 함수로 나타낸 나사못 유지력의 예측식은 실험결과와 사이에 나사못 길이가 25 mm와 30 mm에서는 약간 작은 값을 보여주었고, 18 mm와 38 mm에서 큰 값을 보였다.
전단강도실험은 표준 실험방법(KS F 2209)에 의해 실험했다. 전단강도시편은 나사못 유지력실험에 사용됐던 소나무, 잣나무, 낙엽송의 목재와 같은 시 기에 제작된 제재목들로부터 선별하였다.

성능/효과

비중 대신에 전단강도의 실험 결과는 차의 연구(2011)에서 유도했던 나사못 유지력의 예측식에 비중 대신에 사용하였다. 그 결과로 나사못의 직경, 관입길이 및 전단강도의 함수로 나타낸 나사못 유지력의 예측식은 실험결과와 사이에 나사못 길이가 25 mm와 30 mm에서는 약간 작은 값을 보여주었고, 18 mm와 38 mm에서 큰 값을 보였다. 또한 연륜경사에 따른 전단강도는 나사못 유지력 예측에 큰 차이를 보이지 않았다.
또한 모든 수종에 대한 예측 값을 구하기 위해 γ = 1.0을 중간각도와 모든 방향에서의 전단강도에 각각 사용했을 때 그 차이는 각도에 따라 약간의 차이가 있었지만 중간 각도에서 25 mm와 30 mm에서는 –3.7%와 -6.4% 및 전체 시편에 대해 –4.5%와 -7.3%로 작은 값을 보였지만 18 mm 와 38 mm에서는 21.0과 20.2% 및 9.0과 8.5%로 큰 차이를 보였다.
2). 모든 수종에서 전단응력은 접선단면과 방사단면이 아닌 연륜과 각을 이루는 단면에서 가장 크게 나타났다. 이론적으로 가장 큰 전단응력은 약 45°에서 일어나지만 여러 세포 유형, 방사조직, 춘재와 추재 등 목재의 구조가 응력이 가해지는 부재 축과 60~70°면에 발생한다.
Table 3은 예측식에 의해 구한 나사못 유지력과 실험결과 사이에 차이를 보여주고 있다. 수종에 따른 실험식과 예측식 사이에 차이는 비중이 작은 잣나무 목재는 모든 길이 및 각도에서 큰 값이 예측되었다. 하지만 비중이 큰 소나무와 낙엽송 목재는 25 mm 와 30 mm에서 작은 값을 보였으나 18 mm와 38 mm 에서는 큰 값이 예측되었다.
위의 분석결과를 종합하면 나사못 유지력 F = a SγD0.73 (L - αD), D와 L의 단위는 mm이다.
국산재에 대한 전단강도는 하중방향과 연륜이 이루는 각에 따라 영향을 받았다. 전단강도는 접선단면과 방사단면보다 하중방향과 경사를 이루는 면에서 가장 큰 값을 보였다. 비중 대신에 전단강도의 실험 결과는 차의 연구(2011)에서 유도했던 나사못 유지력의 예측식에 비중 대신에 사용하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	우리나라의 대표적 조림수종은 어떤것이 있는가?	우리나라는 대표적 조림수종인 잣나무, 낙엽송 및 소나무로부터 간벌에 의해 주로 목재를 생산하고 있다. 이들 목재는 예전에 천연림으로부터 생산되던 성숙재와 다르게 상대적으로 어린 나무로부터 생산되어 품질을 저하시키는 미숙재를 많이 포함하고 있다.
	목재부재들을 연결하는데 사용되고 있는 것은 무엇인가?	목재는 물리적ㆍ기계적 성질과 함께 결합부에 대한 특성들이 가구 뼈대 등과 같은 부재의 하중을 결정하는데 매우 중요하다. 목재부재들을 연결하는 데는 볼트, 못, 나사못 등이 사용되고 있다. 특히 나사못은 대부분의 지역에서 가구제작자들이 목재를 결합하고자 했을 때 고대 그리스시대부터 널리 사용되어 왔다.
	국내에서 생산되는 목재에 대해 연륜경사에 따른 전단강도 실험을 실시한 결과는 어떻게 되는가?	연륜경사에 따른 전단강도 실험이 국내에서 생산되는 목재에 대해 실시됐다. 연륜경사는 전단강도에 영향했고, 경사진 연륜에서 최대였다. 전단강도는 나사못 유지력을 예측하기 위한 식에 포함됐다. 나사못 유지력의 예측식은 No. 8 나사못의 실험결과와 비교하여 25 mm와 30 mm 길이에서 8% 이내로 작게 예측되었으나 18 mm와 38 mm에서는 큰 값을 보였다. 전단강도를 사용한 나사못 유지력의 예측값과 실험값 사이에는 연륜경사에 따라 큰 차이를 보이지 않았다.

참고문헌 (9)

American Society for Testing and Materials. 1986. Standard test method of testing mechanical fasteners in wood. ASTM D 1761. ASTM, Philadelphia, PA.
Eckelman, C. A. 1975. Screwholding performance in hardwoods and particleboard. Forest Prod. J. 25(6): 30-36.
Eckelman, C. A. 1978. Predicting withdrawal strength of sheet metal-type screws in selected hardwoods. Forest Prod. J. 28(8): 25-28.
U. S. Dept. of Agri. 1985. Wood handbook 72. Govt. print. off. Washington, D. C.
차재경. 2000. 연륜방향에 따른 횡방향의 강도 거동. 산림과학 12: 109-117.
차재경. 2002. 국산소경재의 나사못뽑기 강도. 한국임학회지 91(5): 637-641.
차재경. 2003. 국산소경재에 대한 못과 나사못 뽑기 거동 비교 연구. 산림과학 15: 85-91.
차재경. 2011. 국내산 목재에 대한 나사못 직경, 관입길이 및 목재비중에 따른 나사못 예측. 목재공학 39(3): 252-257.

원문보기 상세보기
한국표준협회 2004. KS F 2209 목재의 전단 시험 방법.

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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