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문제 정의
- 따라서 본 연구에서는 경골목조건축에서 많이 적용되고 있는 못 접합부를 모사하여 오에스비와 구조재, 오에스비와 I형장선으로 결합된 접합부에 대하여 인발시험을 실시하고, 못을 비대칭으로 배열한 2면 접합부에 대한 전단시험을 통하여 그 구조성능과 허용내력을 평가하고자 하였다.
제안 방법
- 각 시험편에 대하여 인발시험은 KS F ISO 9087 시험법을 응용하여 시험하였으며 하중속도는 3 mm/min 를 적용하고 구조재는 지지점에 놓고 덮개의 전체면에 대해 아래쪽으로 하중을 가하여 최대하중을 측정하였다. 전단시험에 대해서는 KS F 2153의 규정에 따라 2면 전단시험을 수행하였으며 하중속도는 3 mm/ min를 적용하고 하중과 변위를 측정하여 하중-변형 곡선을 구하였으며 이 곡선으로부터 접합계수와 최대하중을 각각 구하였다.
- 전단시험에 대해서는 KS F 2153의 규정에 따라 2면 전단시험을 수행하였으며 하중속도는 3 mm/ min를 적용하고 하중과 변위를 측정하여 하중-변형 곡선을 구하였으며 이 곡선으로부터 접합계수와 최대하중을 각각 구하였다. 시험이 끝난 시험편에 대하여 전기저항식 수분계로 각 부재의 함수율을 측정하였다. 이들 시험방법에 대한 것은 Fig.
- 일반 경골목조건축에서 많이 적용되고 있는 못 접합부를 모사하여 오에스비와 낙엽송 및 SPF 구조재, 오에스비와 I형장선으로 결합된 접합부에 대하여 인발시험을 실시하고, 기존 접합부시험과는 달리 못을 엇갈려서 박은 2면 접합부에 대한 전단시험을 통하여 그 구조성능과 허용내력을 평가하였다.
대상 데이터
- 이들의 치수 및 형상은 다음 Figs. 1, 2와 같으며 각 조건에 따라 10개씩 시험편을 제조하였다.
- 본 연구에서 사용된 공시재료로, 구조재는 38 × 89 mm 크기의 북미산 SPF재와 국산 낙엽송을 각각 전문업체로 부터 구입하여 사용하였으며, 덮개는 OSB를 분양받아 사용하였으며 인발시험에 사용된 I형장선은 역시 전문업체로 부터 구입하여 사용하였다.
이론/모형
- 각 공시재료에 대해 못 접합부의 인발 및 전단 시험에 적합한 조건으로 부재의 단면 치수를 정하였으며 인발시험에 대해서는 KS F ISO 9087에 따라 제작하고, 전단실험에 대해서는 KS F 2153의 규정에 따라 2면 전단시험편을 제작하여 사용하였다. 이들의 치수 및 형상은 다음 Figs.
- 각 시험편에 대하여 인발시험은 KS F ISO 9087 시험법을 응용하여 시험하였으며 하중속도는 3 mm/min 를 적용하고 구조재는 지지점에 놓고 덮개의 전체면에 대해 아래쪽으로 하중을 가하여 최대하중을 측정하였다. 전단시험에 대해서는 KS F 2153의 규정에 따라 2면 전단시험을 수행하였으며 하중속도는 3 mm/ min를 적용하고 하중과 변위를 측정하여 하중-변형 곡선을 구하였으며 이 곡선으로부터 접합계수와 최대하중을 각각 구하였다. 시험이 끝난 시험편에 대하여 전기저항식 수분계로 각 부재의 함수율을 측정하였다.
성능/효과
- 각 접합부에서 최대 인발력은 모두 설계기준의 최대인발력보다 높게 나타났다. 2면 전단 못 접합부의 전단내력은 낙엽송재와 오에스비로 된 접합부가 SPF와 오 에스비로 구성된 접합부보다 더 높은 성능을 나타내었으며 접합계수에서도 낙엽송과 오에스비로 구성된 접합부가 SPF와 오에스비로 구성된 접합부보다 높게 나타났다. 전단 접합부에서 못의 휨변형과 못머리가 오에스비로 함입되어가는 펀칭전단이 나타났으며 못의 휨변형은 SPF와 오에스비로 구성된 접합부에서 크게 나타났다.
- 각 접합부에 대한 파괴형상을 보면 SPF와 오에스비로 구성된 접합부에서는 못의 변형은 낙엽송과 오에스비로 구성된 접합부보다 못의 휨 변형이 더 큰 것으로 나타났다. Fig.
- 인발성능이 가장 높은 것은 오에스비와 낙엽송으로 구성된 접합부였으며, I형장선은 낮은 비중에도 불구하고 높은 인발저항성을 나타내었으며 부재의 변형상태에서 다른 접합부와는 달리 낙엽송과 오에스로 된 접합부는 최대하중에 도달하기 전에 못이 오 에스비 부재로 함입되어 못머리가 부재의 표면으로 부터 아래로 함입되는 양상이 크게 나타났다. 각 접합부에서 최대 인발력은 모두 설계기준의 최대인발력보다 높게 나타났다. 2면 전단 못 접합부의 전단내력은 낙엽송재와 오에스비로 된 접합부가 SPF와 오 에스비로 구성된 접합부보다 더 높은 성능을 나타내었으며 접합계수에서도 낙엽송과 오에스비로 구성된 접합부가 SPF와 오에스비로 구성된 접합부보다 높게 나타났다.
- I형장선도 높은 인발저항성을 나타내었는데 이는 SPF재보다 높은 비중을 갖고, 또한 못이 박힌 부재가 소재가 아닌 단판적층재이기 때문이며, 일반적으로 소재에 비해 단판적층재로 만든 재료의 인발 저항성능이 높다는 보고(Celebi and Kilic, 2007; Meekum and Mingmongkol, 2011)와도 같은 결과로 해석된다. 각 접합부재에서 위의 실험식을 사용한 예상 인발최대하중과 측정된 하중에 대한 비교에서 SPF와 오에스비로 구성된 경우 실험식에서 예측한 것보다 약 19% 정도 높은 값을, I형장선과 오에스비로 구성된 못 접합부의 경우에는 14% 정도 높은 값을 나타내었으며, 낙엽송과 오에스비로 구성된 경우에는 반대로 24% 정도 낮은 값을 나타내었다. 이런 차이는 목재에서 수종 및 목리방향의 차이, 못의 차이와 소재부재와 가공목재인 단판적층재간의 차이 및 직접적으로 목재에 못을 박아 인발시험하는 경우와는 달리 본 연구에서는 부재가 접합된 상태에서 인발 시험을 시행한 것으로 이들 간에는 차이가 있으며 여러 변수에 대해 향후 이에 대한 추가적인 시험을 통해 부재간의 상호작용에 따른 영향이 평가되어야 할 필요성이 있다.
- 5배 정도 높게 나타난다고 보고한 결과와 같은 경향으로 생각된다. 공식 (2)와 (3)에서 두 경우 모두 공식 (3)에서 산정된 값이 낮게 나타나 SPF와 오에스비로 구성된 2면 접합부의 허용전단내력은 404.8 N, 낙엽송과 오에스비로 구성된 2면 접합부의 허용전단내력은 450.7 N으로 나타났으며, 낙엽송과 오에스비로 구성된 접합부가 11%정도 높은 허용전단내력을 보여주었다. 미국과 일본의 허용내력에 대한 비교에서 이들 양자 간의 비율은 SPF와 오에스비로 구성된 접합부는 0.
- 5와 같다. 낙엽송과 SPF로 구성된 접합부에서는 하중과 변형이 비례한도까지 선형적으로 증가하다가 이후 비선형상태에서 최대하중에 도달된 후 점차 감소하는 경향을 나타내었으며 최대하중에 도달할 때까지 낙엽송재와 SPF로 구성된 접합부에서의 변형은 I 형장선과 오에스비로 구성된 못 접합부의 최대하중에 대한 변형값보다 상대적으로 작은 변위에서 도달하였다. 이는 얇은 다수의 층으로 구성된 단판적층재가 소재와는 달리 한 층에서 섬유의 찢어짐이 일어나 파괴되더라도 다른 층으로 전이되는 양상이 접착층과 다른 한 층의 단판의 구조로 인해 지연되어 이런 결과가 나타난 것으로 생각된다.
- 초기 접합계수에서도 낙엽송과 오에스비로 구성된 접합부가 SPF와 오에스비로 구성된 접합부보다 40% 정도 높게 나타났으며, 2면 접합부재이지만 못을 엇갈려 배치한 것이 아니라 같은 위치에 놓고 접합한 연구(황과 박, 2008)의 연구에서 측정된 접합계수의 값보다 약간 낮은 것으로 나타났는데 이는 사용된 측면부재의 차이, 못 종류의 차이, 못의 배열에 따른 차이 등에 기인하는 것으로 판단되며 향후 이에 대한 추가적인 실험을 통해 목재와 구조용 덮개의 2면 전단 접합부에서 비대칭으로 배열한 접합부의 허용기준내력의 산정에 대한 추가연구의 필요성이 있다고 생각된다. 두 번째 직선구간에서 측정된 접합계수에 있어서도 낙엽송과 오에스비로 구성된 접합부가 SPF와 오에스비로 구성된 접합부보다 거의 2배 정도 높게 나타났으며, 이는 Fig. 8에서 보듯이 낙엽송과 오에스비로 구성된 접합부가 작은 소성변형에서도 높은 성능을 갖는 것으로, 목조건축용 기본 구조부재로서 낙엽송재의 우수함을 보여주는 것이라고 생각된다.
- 인발성능이 가장 높은 것은 오에스비와 낙엽송으로 구성된 접합부였으며, I형장선은 낮은 비중에도 불구하고 높은 인발저항성을 나타내었으며 부재의 변형상태에서 다른 접합부와는 달리 낙엽송과 오에스로 된 접합부는 최대하중에 도달하기 전에 못이 오 에스비 부재로 함입되어 못머리가 부재의 표면으로 부터 아래로 함입되는 양상이 크게 나타났다. 각 접합부에서 최대 인발력은 모두 설계기준의 최대인발력보다 높게 나타났다.
- 최대 전단내력은 낙엽송과 오에스비로 구성된 접합부가 SPF와 오에스비로 구성된 접합부보다 대략 20% 정도 높게 나타났으며 항복하중의 경우에는 약 70% 정도로 높게 나타났다. 이는 낙엽송과 오에스비로 구성된 접합부에서 주 부재인 낙엽송재의 비중이 SPF보다 높아 더 큰 전단내력을 나타내고, 항복의 경우에도 낙엽송재의 탄성계수가 더 높은 관계로 탄성변형이 지속되는 구간에서의 하중이 더 높게 나타난 결과로 생각된다.
- SPF와 낙엽송으로 구성된 못 접합부의 전단성능을 Table 3에 나타내었다. 최대하중은 낙엽송재로 된 접합부가 SPF로 구성된 접합부보다 더 높은 성능을 나타내었으며 낙엽송 접합부의 경우 SPF 접합부보다 약 25% 정도 높은 최대 하중값을 나타내었는데 이는 낙엽송재의 비중이 SPF 재의 비중보다 크기 때문에 더 높은 최대하중 값이 나타난 것으로 생각된다. 목재와 구조용 판넬재로 이루어진 2면 전단 접합부에서 못을 비대칭으로 배열한 접합부의 허용전단내력에 관해서는 국내 건축규정인 KBCs에서는 아직 제시되어 있지 않아 두 가지 방법을 통하여 산정하면 다음과 같다.
- 이들에 대한 특성은 다음 Table 1과 같다. 평균함수율과 기건비중은 국산낙엽송재의 경우 10.3%, 0.56, SPF재는 9.8%, 0.43 으로 각각 측정되었다. OSB재의 기건 비중은 0.
- 이 두 공식 (2)와 (3)중 작은 값을 단기허용 전단내력으로 구하는 바 이 결과들을 Table 3에 나타내었다. 표에서 보듯이 평균 최대전단내력은 공식 (1)에 의한 허용 최대전단내력보다 낙엽송과 오에스비로 구성된 접합부에서는 3.2배, SPF와 오에스비로 구성된 접합부에서는 3.1배 정도로 높게 나타났으며 이는 Forest Products Lab (2010)에서 침엽수재에 대해서는 대략 3.5배 정도 높게 나타난다고 보고한 결과와 같은 경향으로 생각된다. 공식 (2)와 (3)에서 두 경우 모두 공식 (3)에서 산정된 값이 낮게 나타나 SPF와 오에스비로 구성된 2면 접합부의 허용전단내력은 404.
후속연구
- 이런 차이는 목재에서 수종 및 목리방향의 차이, 못의 차이와 소재부재와 가공목재인 단판적층재간의 차이 및 직접적으로 목재에 못을 박아 인발시험하는 경우와는 달리 본 연구에서는 부재가 접합된 상태에서 인발 시험을 시행한 것으로 이들 간에는 차이가 있으며 여러 변수에 대해 향후 이에 대한 추가적인 시험을 통해 부재간의 상호작용에 따른 영향이 평가되어야 할 필요성이 있다. KBC (2009)에서 제시된 허용인발내력에 못의 침투깊이를 곱한 허용최대내력은 Fig. 4에서 보듯이 낙엽송재의 경우 325 N, SPF재는 174N, I형 장선은 250 N으로 산정되었으며 이는 해당부재의 접합부에 대해 각각 최대 하중값의 23%, 15%, 20%에 해당되어 낙엽송과 SPF 구조재 및 I형장선과 오에스비로 구성된 각 못 접합부에서 허용최대하중은 모두 KBC에서 규정된 값을 초과하는 것으로 나타났으며 향후 접합된 부재에서의 허용인발내력의 산정방법에 대한 연구가 필요하다고 생각된다.
- 각 접합부재에서 위의 실험식을 사용한 예상 인발최대하중과 측정된 하중에 대한 비교에서 SPF와 오에스비로 구성된 경우 실험식에서 예측한 것보다 약 19% 정도 높은 값을, I형장선과 오에스비로 구성된 못 접합부의 경우에는 14% 정도 높은 값을 나타내었으며, 낙엽송과 오에스비로 구성된 경우에는 반대로 24% 정도 낮은 값을 나타내었다. 이런 차이는 목재에서 수종 및 목리방향의 차이, 못의 차이와 소재부재와 가공목재인 단판적층재간의 차이 및 직접적으로 목재에 못을 박아 인발시험하는 경우와는 달리 본 연구에서는 부재가 접합된 상태에서 인발 시험을 시행한 것으로 이들 간에는 차이가 있으며 여러 변수에 대해 향후 이에 대한 추가적인 시험을 통해 부재간의 상호작용에 따른 영향이 평가되어야 할 필요성이 있다. KBC (2009)에서 제시된 허용인발내력에 못의 침투깊이를 곱한 허용최대내력은 Fig.
- 비교치로 못을 대칭으로 배열한 황과 박의 연구(2008)에서 SPF와 오에스비로 구성된 2면 전단 접합부의 최대전단내력은 1,600 N으로 보고한 바, 본 연구의 결과보다 다소 높은 값을 나타내었으며, 항복하중의 경우 800 N으로 본 연구결과와 같음을 보여주었다. 초기 접합계수에서도 낙엽송과 오에스비로 구성된 접합부가 SPF와 오에스비로 구성된 접합부보다 40% 정도 높게 나타났으며, 2면 접합부재이지만 못을 엇갈려 배치한 것이 아니라 같은 위치에 놓고 접합한 연구(황과 박, 2008)의 연구에서 측정된 접합계수의 값보다 약간 낮은 것으로 나타났는데 이는 사용된 측면부재의 차이, 못 종류의 차이, 못의 배열에 따른 차이 등에 기인하는 것으로 판단되며 향후 이에 대한 추가적인 실험을 통해 목재와 구조용 덮개의 2면 전단 접합부에서 비대칭으로 배열한 접합부의 허용기준내력의 산정에 대한 추가연구의 필요성이 있다고 생각된다. 두 번째 직선구간에서 측정된 접합계수에 있어서도 낙엽송과 오에스비로 구성된 접합부가 SPF와 오에스비로 구성된 접합부보다 거의 2배 정도 높게 나타났으며, 이는 Fig.
- 전단 접합부에서 못의 휨변형과 못머리가 오에스비로 함입되어가는 펀칭전단이 나타났으며 못의 휨변형은 SPF와 오에스비로 구성된 접합부에서 크게 나타났다. 추가적인 연구를 통하여 실제 상황을 모사한 목재와 구조용 덮개재의 접합부에 대한 허용기준내력의 산정에 대한 기준을 제시하여야 할 필요성이 제시되었다.
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