촉진 열화 목재의 초음파 전달 시간 측정을 통한 탄성 계수의 평가 Evaluation of Modulus of Elasticity of Wood Exposed to Accelerated Weathering Test by Measuring Ultrasonic Transmission Time원문보기
본 연구에서는 전통 목조 건축물의 주재료인 목재를 인공 촉진 열화 시킨 후 초음파 전달 속도 측정을 통하여 탄성계수를 측정하였다. 촉진 열화 시간은 0시간에서 500, 1000, 1500, 2000시간이며, 자외선 조사와 주기적인 인공 강우를 통해 열화를 진행시켰다. 초음파 전달 속도 측정을 통하여 동적 탄성 계수를 평가하고 이를 3점 휨 시험을 통하여 측정한 정적 탄성계수와 비교분석하였다. 초음파 전달 속도, 정적 탄성계수, 동적 탄성계수는 열화 시간이 증가함에 따라 동일한 경향을 나타내었는데, 열화 1000시간까지는 탄성계수가 감소하다가 1500시간 이후 다시 회복되는 경향을 보였다. 이러한 결과는 비파괴 검사법을 통하여 전통 목조 건축물의 구조 부재의 열화 평가는 물론 구조 안전성 평가의 기초 자료로 활용될 수 있음을 알려준다.
본 연구에서는 전통 목조 건축물의 주재료인 목재를 인공 촉진 열화 시킨 후 초음파 전달 속도 측정을 통하여 탄성계수를 측정하였다. 촉진 열화 시간은 0시간에서 500, 1000, 1500, 2000시간이며, 자외선 조사와 주기적인 인공 강우를 통해 열화를 진행시켰다. 초음파 전달 속도 측정을 통하여 동적 탄성 계수를 평가하고 이를 3점 휨 시험을 통하여 측정한 정적 탄성계수와 비교분석하였다. 초음파 전달 속도, 정적 탄성계수, 동적 탄성계수는 열화 시간이 증가함에 따라 동일한 경향을 나타내었는데, 열화 1000시간까지는 탄성계수가 감소하다가 1500시간 이후 다시 회복되는 경향을 보였다. 이러한 결과는 비파괴 검사법을 통하여 전통 목조 건축물의 구조 부재의 열화 평가는 물론 구조 안전성 평가의 기초 자료로 활용될 수 있음을 알려준다.
In this study, accelerated weathering test was performed with wood, a major material for wooden cultural building. In order to evaluate the deterioration of wood, ultrasonic transmission times were measured to evaluate dynamic modulus of elasticity (MOE), which was verified by determining static MOE...
In this study, accelerated weathering test was performed with wood, a major material for wooden cultural building. In order to evaluate the deterioration of wood, ultrasonic transmission times were measured to evaluate dynamic modulus of elasticity (MOE), which was verified by determining static MOE using three-point bending test. Ultrasonic transmission time was decreased with an increase in the weathering time levels (0, 500, 1000 hours) while it increased in 1500 and 2000 hours. Distribution of dynamic and static MOE was similar to that of the ultrasonic transmission time measurements. The results mean that the measurement of ultrasonic transmission time was very effective to evaluate MOE of wooden cultural buildings for their preservation and management. This method could be utilized to assess wooden cultural buildings as a way of preserving them in a scientific manner.
In this study, accelerated weathering test was performed with wood, a major material for wooden cultural building. In order to evaluate the deterioration of wood, ultrasonic transmission times were measured to evaluate dynamic modulus of elasticity (MOE), which was verified by determining static MOE using three-point bending test. Ultrasonic transmission time was decreased with an increase in the weathering time levels (0, 500, 1000 hours) while it increased in 1500 and 2000 hours. Distribution of dynamic and static MOE was similar to that of the ultrasonic transmission time measurements. The results mean that the measurement of ultrasonic transmission time was very effective to evaluate MOE of wooden cultural buildings for their preservation and management. This method could be utilized to assess wooden cultural buildings as a way of preserving them in a scientific manner.
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문제 정의
특히 촉진 열화 시간이 목재의 구조적 성능에 미치는 영향을 평가하는 연구는 전무한 실정이다. 따라서 본 연구에서는 목재 부재를 촉진 열화 시험을 진행하여 실제 온습도 및 기후 조건에서 건축물에서 진행할 수 없는 열화 시험을 진행하였으며, 열화에 의한 재료의 구조적 손상을 평가 하기 위해 초음파 전달 속도를 측정하고 이를 통해 동적 탄성 계수를 평가하고, 실제 휨 실험을 통하여 산출한 정적 탄성 계수와 비교 분석을 진행하여 촉진 열화 시간에 따른 목재의 구조적 성능 변화를 검증하고자 하였다.
문화재로써의 목재는 더 이상 경험적, 주관적 판단에 의해 보존하기에는 문제가 있으며 과학적 접근이 필요하다. 본 연구는 문화재의 보존 과학 측면에서 기초 연구를 수행한 것이다. 촉진 열화 시험과 실제 목재 열화 기간과의 상관 관계, 열화 진행에 따른 다양한 손상도 평가법과 열화가 구조물의 안정성에 미치는 영향을 평가할, 수종에 따른 촉진 열화 경향과 구조 성능 등 추가적인 연구가 뒷받침되면 목조 문화재의 객관적이고 과학적인 유지 관리가 가능할 것이다.
과거 촉진 열화 실험은 얇은 판에 대해 국한되어 색도 평가 이외에는 열화 평가가 거의 이루어지지 않았고, 구조적인 부분에는 한계가 있었다. 본 연구를 통해 일반적인 촉진 열화 실험을 통한 평가법을 구조적 관점으로 확대한 것에 그 의의가 있다. 또한 목재의 열화를 평가하기 위한 인공 열화는 많은 시간과 비용이 소요되지만 모의된 촉진 열화 시험을 통해 재현성 있게 가능하다는 것이다.
그러나 기존 연구는 실제 고건축물에 사용된 부재가 이미 열화된 상태에서 이를 평가하는데 초점이 맞추어져 있다. 본 연구에서는 촉진 열화 단계에 따른 목재에 대하여 비파괴적인 방법인 초음파 전달 속도 측정을 통하여 강성을 평가하였다.
제안 방법
35 w/m2)를 사용하였고, 챔버 내 온도 42°C, 상대 습도 70%로 유지하도록 하였다. 120분간 자외선 조사(Light segment) 와 18분간 인공 강우(증류수 사용, Spray segment) 를 1 cycle로 하는 촉진 열화 시험을 실시하였다. 열화 시간은 정 등(2002)의 연구 결과를 바탕으로 하여 0, 500, 1000, 1500, 2000시간으로 설정하였다(Son et al.
목재에서 촉진 열화 시험은 일반적으로 판재의 표면 색도 변화 중심으로 평가가 이루어진다. 그러나 본 실험에서는 구조적 성능을 평가하기 위하여 별도의 촉진열화시험 장치를 구성하여 사용하였다(Fig. 1). 기존의 문헌 자료를 기초로 일반적인 Xenon weather- O-meter 방식(Model : Model LCE-6101T, Labtech) 을 기본 모델로 하여 동일한 조건을 조절할 수 있도록 구축하였다.
1). 기존의 문헌 자료를 기초로 일반적인 Xenon weather- O-meter 방식(Model : Model LCE-6101T, Labtech) 을 기본 모델로 하여 동일한 조건을 조절할 수 있도록 구축하였다. 자외선 램프로는 BL lamp (Black Light lamp 조사량 : 340 nm파장에서 0.
목재의 동적 탄성 계수를 측정하기 위하여 시편의 길이 방향으로 초음파 전달 속도를 측정하였으며, 그 결과는 Table 1에 나타내었다.
목재의 초음파 전달 속도의 측정은 중심 주파수 80 KHz의 센서를 사용하는 KCT 2000 장비를 사용하여 재료의 횡단면에 동일 압력으로 센서를 부착(동일한 탄성계수를 갖는 스프링을 부착하여 조절함)하여 길이 방향의 초음파를 송수신하였으며, 3회 측정하여 평균값을 해당 시편의 대푯값으로 사용하였다. 촉진열화시험을 마친 모든 시편에 대하여 20°C, 65%의 항온 항습실에서 48시간 조습과정을 거친 후 길이 방향 500 mm에 대하여 초음파 전달 속도를 측정하여 일정한 함수율을 유지하도록 하였다(Park and Hong 2008).
본 연구에서는 목재를 인공적으로 촉진 열화시키고, 열화 정도를 초음파 전달 속도로 평가하였으며, 초음파 전달 속도를 통해 구조적 성능을 평가할 수 있는지를 탄성 계수 측정을 통해 분석하였다. 특히 목조 문화재의 경우 잘 보존하기 위해서는 현재 상태를 제대로 평가할 수 있어야 하지만 목재의 열화는 육안으로 판단하기에는 한계가 있다.
실험 기기는 만능강도시험기(Zwick, 10 ton)를 사용하였다. 시험편은 각 그룹(0시간, 500시간, 1,000시간, 1,500시간, 2,000시간)에서 10개를 무작위 추출하여 진행하였으며, 실험 종료 후 함수율 시편은 2곳에서 채취하여 측정하였다.
자외선 램프로는 BL lamp (Black Light lamp 조사량 : 340 nm파장에서 0.35 w/m2)를 사용하였고, 챔버 내 온도 42°C, 상대 습도 70%로 유지하도록 하였다.
초음파 전달 속도로 평가된 동적 탄성계수를 검증하고 비교 분석하기 위하여 정적 휨 하중 시험을 수행하여 정적 탄성계수를 산출하였다. 지간 거리는 300 mm, 하중 속도 1.
초음판 전달 속도를 기초로 동적 탄성 계수 (Dynamic MOE)를 평가하였으며, 정적 휨 하중 실험을 통해 정적 탄성 계수(Static MOE)를 측정하였다. 각각의 평가 결과는 Table 2에 나타내었다.
촉진열화시험을 마친 모든 시편에 대하여 20°C, 65%의 항온 항습실에서 48시간 조습과정을 거친 후 길이 방향 500 mm에 대하여 초음파 전달 속도를 측정하여 일정한 함수율을 유지하도록 하였다(Park and Hong 2008).
대상 데이터
본 연구에서 사용한 목재의 수종은 목조 문화재의 건축부재로 주로 사용되는 수종 중에 하나인 느티나무(Zelkova Serrata Makino)이며, 치수는 30 mm ×30 mm × 500 mm이다.
5 mm/min로 KS F 2,208에 따라 진행하였다. 실험 기기는 만능강도시험기(Zwick, 10 ton)를 사용하였다. 시험편은 각 그룹(0시간, 500시간, 1,000시간, 1,500시간, 2,000시간)에서 10개를 무작위 추출하여 진행하였으며, 실험 종료 후 함수율 시편은 2곳에서 채취하여 측정하였다.
본 연구에서 사용한 목재의 수종은 목조 문화재의 건축부재로 주로 사용되는 수종 중에 하나인 느티나무(Zelkova Serrata Makino)이며, 치수는 30 mm ×30 mm × 500 mm이다. 촉진 열화 시험을 위해 각 열화 단계별(0시간, 500시간, 1000시간, 1500시간, 2000시간)로 40개 총 200개의 시편을 사용하였다.
이론/모형
초음파 전달 속도를 통해 동적 탄성 계수를 평가하기 위하여, Bucur(1995)에 의해 제안된 아래 식 (식-2)을 적용하여 평가하였다.
성능/효과
또한, 동적 탄성 계수를 기준으로 보았을 때 정적 탄성 계수가 약 65∼78% 정도의 값을 나타내는 것을 알 수 있다.
본 실험을 통해 얻어진 결과는 두 가지 결론으로 요약할 수 있다. 먼저 초음파 전달 속도의 측정을 통해 촉진 열화된 목재의 탄성 계수를 예측하고 검증함으로써 비파괴 검사 기법으로 활용하여 부재 손상 없이 구조재 또는 구조물의 안정성 평가가 가능하다는 것을 확인한 것이다. 과거 촉진 열화 실험은 얇은 판에 대해 국한되어 색도 평가 이외에는 열화 평가가 거의 이루어지지 않았고, 구조적인 부분에는 한계가 있었다.
열화 시간이 2,000시간의 경우 실험 과정의 오류 (측정 데이터의 컴퓨터 미저장으로 인한 데이터 손실)로 데이터를 습득하지 못하였다. 측정 결과를 보면 정적 탄성 계수의 경우 초음파 전달 속도와 동적 탄성 계수와 마찬가지로 1,000시간까지는 값이 낮아지다가 다시 1,500시간부터 회복되는 것을 알 수 있다. 또한, 동적 탄성 계수를 기준으로 보았을 때 정적 탄성 계수가 약 65∼78% 정도의 값을 나타내는 것을 알 수 있다.
후속연구
이는 목재의 열화 정도는 비파괴 검사법인 초음파 전달 속도 측정을 통해 평가하고, 이를 통해 동적 탄성 계수는 물론 정적 탄성계수의 측정이 가능함을 나타낸다. 다만, 1,500시간 이후 다시 초음파 전달 속도가 증가하는 것에 대한 해부학적인 고찰과 원인 규명을 위한 추가 연구가 진행되어야 할 것으로 판단된다. 또한 촉진 열화 시간과 실제 열화 시간과의 상관관계에 대한 연구가 함께 진행되면, 보다 효율적이고 과학적인 건축물의 목재 구조 부재의 구조적 안정성 평가가 비파괴적인 방법으로 평가되고, 열화 단계별 유지 관리가 가능할 것으로 사료된다.
다만, 1,500시간 이후 다시 초음파 전달 속도가 증가하는 것에 대한 해부학적인 고찰과 원인 규명을 위한 추가 연구가 진행되어야 할 것으로 판단된다. 또한 촉진 열화 시간과 실제 열화 시간과의 상관관계에 대한 연구가 함께 진행되면, 보다 효율적이고 과학적인 건축물의 목재 구조 부재의 구조적 안정성 평가가 비파괴적인 방법으로 평가되고, 열화 단계별 유지 관리가 가능할 것으로 사료된다.
본 연구에서 수행하고자 하는 목재의 촉진 열화 시간에 따른 탄성 계수의 평가는 목조 문화재의 주요 부재인 목재에 대하여 대기 노출 조건 하에서 열화가 발생할 경우 이를 열화 시간에 따라 객관적, 과학적으로 분석하고 구조물의 안정성에 미치는 영향을 평가하는 기초 데이터로 활용하여 문화재의 적절한 유지 관리에 도움을 줄 수 있을 것으로 판단된다.
Table 1에서 열화 0시간의 무처리 시편에 대한 비율을 보면 촉진 열화 시간이 1,000시간까지는 초음파 전달 속도가 느려지다가 그 이후에는 처음 상태로 회복되는 것을 알 수 있다. 이전 연구 결과의 기상 열화 초기에 초음파 전달 속도가 빨라지는 것을 확인할 수 없었으나, 일정 기간까지는 주기적인 인공강우로 내부 함수율이 높아져 목재 조직이 연화된것에 기인한 것으로 판단되며, 초음파 전달 속도가 빨라지는 원인에 대한 규명은 추가적인 연구가 진행되어야 할 것이다.
본 연구는 문화재의 보존 과학 측면에서 기초 연구를 수행한 것이다. 촉진 열화 시험과 실제 목재 열화 기간과의 상관 관계, 열화 진행에 따른 다양한 손상도 평가법과 열화가 구조물의 안정성에 미치는 영향을 평가할, 수종에 따른 촉진 열화 경향과 구조 성능 등 추가적인 연구가 뒷받침되면 목조 문화재의 객관적이고 과학적인 유지 관리가 가능할 것이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
목재는 무엇에 의해 내 외부 열화가 발생할 수 있는가?
목재는 외부 온습도 조건 변화에 의한 함수율 증가나 자외선 노출에 의해 내 외부 열화가 발생할 수 있다. 목재의 열화 특히 구조재로 사용되는 목재의 열화는 재료의 밀도 감소나 조직 손상, 단면 손실 등을 초래하여 구조 성능을 떨어뜨리며, 이는 구조적 문제를 야기 시킬 수 있다.
자연 열화는 무엇에 기인하여 발생하는가?
자연에서 생장하는 나무를 가공하여 생산된 재료로 주변의 온습도 변화나 생물 등에 의해 자연 열화가 발생할 수 있다. 자연 열화는 주로 햇빛에 의한 자외선과 외기의 습기나 우천에 의한 함수율에 기인하여 발생한다. 고건축물의 목재 부재 특히 외부에 노출되어 있는 기둥이나 보, 서까래 등은 설치 위치에 따라 이러한 원인들에 쉽게 노출되어 있다.
정적 휨 하중 시험에서 지간 거리와 하중 속도는 얼마인가?
초음파 전달 속도로 평가된 동적 탄성계수를 검증하고 비교 분석하기 위하여 정적 휨 하중 시험을 수행하여 정적 탄성계수를 산출하였다. 지간 거리는 300 mm, 하중 속도 1.5 mm/min로 KS F 2,208에 따라 진행하였다. 실험 기기는 만능강도시험기(Zwick, 10 ton)를 사용하였다.
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