[논문]핑거조인트가 국산 낙엽송 소경각재의 휨성능에 미치는 영향

김윤희; 장상식

doi:10.5658/wood.2014.42.3.301

문제 정의

이 연구와 같이 소경각재를 이용하는 경우에는 소경 각재에 포함된 옹이 등의 결점이 비교적 고르게 분포되어 있고 큰 결점이 많지 않으며 부재 단면의 중앙에 수심이 이미 포함되어 있기 때문에 결점 제거라는 측면은 그렇게 중요하지 않은 것으로 판단된다. 따라서 이 연구에서는 결점제거는 무시하고 길이 증 가를 위하여 핑거조인트를 적용하였으며 두꺼운 부재의 핑거조인트에 적용할 수 있는 제조조건을 개발 및 적용하여 핑거조인트가 포함된 소경각재의 휨 성능을 평가하였다. 핑거조인트가 포함된 소경각재의 휨 성능을 핑거조인트가 없는 소경각재의 휨 성능과 비교하였으며 시험된 모든 소경각재 시험편의 시험 결과를 핑거조인트가 있는 것과 없는 것에 대하여 각각 ASTM D2915에 따라서 통계처리를 실시하여 허용응력을 산출하고 상호 비교 평가하였다.
7 m 이상으로 사용하는 경우가 있어 국산 낙엽송 소경각재를 한옥 등의 보부재로 활용하기 위해서는 핑거조인트를 적용하여 길이이음을 하여야 한다. 이 연구에서는 핑거조인트가 소경각재의 휨 성능에 미치는 영향을 평가하기 위하여 핑거조인트가 중앙에 들어간 시험편을 제작하였다.
따라서 소경각재 시험편의 휨 성능을 평가하기 위하여 KS F 2150의 실대재에 대한 1/3점 하 중 휨 시험 방법을 적용하여 휨 시험을 실시하였다. 이러한 실대재 휨 시험 방법을 적용하여 부재의 휨 성능에 미치는 전단응력의 영향을 최소화하고 가능 하면 순수한 휨 응력의 영향 하에서 휨 성능을 평가 하고자 하였다. 소경각재의 휨 시험 결과로부터 KS F 2150에 주어진 식 (1) 및 (2)에 따라서 각각 MOE 및 MOR을 계산하였다.

가설 설정

소경각재의 휨 시험 결과는 평균값을 중심으로 낮은 값과 높은 값이 좌우 대칭을 정확하게 이루지는 않지만 비교적 낮은 값 및 높은 값들이 많이 나타나는 경향을 나타내어 낮은 값이 끊어지는 모양의 로그정규분포나 웨이블 분포보다는 정규분포에 가까운 모양을 나타내는 것 으로 판단되었다. 따라서 이 연구에서는 소경각재의 휨 시험으로부터 산출된 MOR 값에 대하여 정규분 포로 가정하여 통계처리를 실시하였다.

제안 방법

125°의 핑거를 가공하였다. 기존에 구조용 집성재 제조를 위하여 사용되던 핑거조인트 가공기계에서 두꺼운 층재를 취급할 수 있도록 칼날과 목재 송재 관련 장비만 교체한 후 1차로 제작한 시험편의 경우에 휨 시험 결과 휨 성능이 핑거조인트가 없는 시험편에 비하여 매우 낮게 나왔기 때문에 압체압력이 부족하다는 판단에 따라서 유압 기를 교체하여 압체압력이 정확하게 170 kgf/cm² 가 되도록 하여 2차 시험편을 제작하였다. 핑거조인트 제조를 위하여 일본에서 수입된 PVAC 계열의 접착제를 사용하였으며 도포량은 250∼300 g/m² 로 조절 하였다.
먼저 소경각재의 MOR 값들을 최소값 20 MPa부 터 최대값 100 MPa까지 5 MPa 단위로 구분하여 각각의 구간에 해당하는 시험결과의 수를 산출하고 이를 도수분포곡선으로 작성한 후 이에 적합한 정규분 포곡선을 구하였다. 이 정규분포곡선으로부터 식 (3) 에 따라서 5% 하한값(5% lower-exclusion limit)을 구하고 ASTM D 2915에서 제시하는 방법에 따라서 이 값에 1/2.
선별된 원목은 2 면 제재 공정을 통하여 95 mm × 95 mm 단면의 정각재로 제재하였으며 이를 건조한 후 단면치수 80 mm × 80 mm로 4면 대패가공을 실시하였다.
소경각재의 등급을 구분하기 위하여 4개의 재면에 나타나는 결점을 육안으로 확인하고 Table 1에 주어진 기준을 적용하여 등급을 구분하였다. Table 1의 등급구분기준은 KS F 3021의 구조용 집성재 제조를 위한 층재의 등급구분기준으로서 소경각재의 경우도 구조용 집성재용 층재와 마찬가지로 구조용 접착제품의 제조에 사용되는 재료이기 때문에 이 기준을 적용하였다.
소경각재의 휨 시험 결과로부터 핑거조인트가 없는 소경각재 및 핑거조인트가 있는 소경각재의 허용 응력을 산출하여 소경각재를 접착하여 제조되는 다중접착접합부재의 설계하중을 계산하는 기초값으로 적용하도록 하였다. 소경각재의 휨 시험 결과로부터 허용응력을 산출하는 방법이 KS 표준으로 제정되어 있지 않기 때문에 ASTM D 2915를 적용하였다.
시험편의 밀도 및 함수율 측정을 위하여 KS F 2198 및 2199를 적용하였으며 휨 시험을 마친 후 즉시 밀도 및 함수율 측정 시험편을 채취하여 치수 및 무게 측정하고 103 ± 2°C로 유지되는 건조기에 넣어서 항량에 도달할 때까지 건조를 실시하였다.
핑거조인트가 없는 소경각재 및 핑거조인트가 있는 소경각재의 MOR에 대하여 5MPa 단위로 구간을 나누고 도수분포를 구하여 도수분포곡선을 그린 후 이를 정규분포곡선으로 구한 후 평균값과 5% 하한값 그리고 허용응력을 계산한 결과는 각각 Figs. 2 및 3과 같다.
핑거조인트가 포함된 시험편을 제작하기 위하여 부재의 중앙을 절단한 후 양 단면에 Fig. 1과 같이 길이 20 mm, 하단 높이 6 mm, 끝 높이 1 mm, 끝 틈 4 mm 및 경사각 7.125°의 핑거를 가공하였다.

대상 데이터

국산 낙엽송 소경 간벌재로부터 생산된 핑거조인트가 없는 소경각재 및 길이 중앙부에 핑거조인트가 포함된 소경각재의 휨 시험을 실시하였다. 소경각재 에 대한 휨 시험을 실시한 결과 핑거조인트가 없는 부재의 MOE 및 MOR은 각각 9.
국산 낙엽송(Larix Kaempferi Carr.) 간벌재 중에서 흉고지름 120 mm∼150 mm의 통직한 원목을 선별하여 공시원목으로 사용하였다.
시험편의 밀도 및 함수율 측정을 위하여 KS F 2198 및 2199를 적용하였으며 휨 시험을 마친 후 즉시 밀도 및 함수율 측정 시험편을 채취하여 치수 및 무게 측정하고 103 ± 2°C로 유지되는 건조기에 넣어서 항량에 도달할 때까지 건조를 실시하였다. 밀도 및 함수율 측정용 시험편은 휨 시험이 끝난 부재에서 양끝으로부터 100 mm 이상 떨어지고 결점이나 파괴가 없는 부위를 선정하여 20 mm의 길이로 채취하였다.
5%를 나타내었다. 시험편의 길이는 2.7 m로 하였으며 미성숙재가 다량 포함되어 있는 관계로 발생할 수 있는 뒤틀림 등의 건조결함을 최소화하기 위하여 가능하면 수심이 단면의 정 중앙에 오도록 하고 상하좌우를 대칭으로 제재하도록 하였다. 건축구조용으로 사용되는 구조부재들 중에서 기둥은 일반적으로 길이가 2.
이 연구에 사용된 소경각재는 소경 간벌재를 제재하여 생산된 길이 2.7 m의 부재로서 실제 부재 생산에 사용되는 그대로 모든 결점들이 포함되어 있는 실대재이다. 따라서 소경각재 시험편의 휨 성능을 평가하기 위하여 KS F 2150의 실대재에 대한 1/3점 하 중 휨 시험 방법을 적용하여 휨 시험을 실시하였다.
핑거조인트 제조를 위하여 일본에서 수입된 PVAC 계열의 접착제를 사용하였으며 도포량은 250∼300 g/m2 로 조절 하였다.
이를 고려하여 가압 시에 핑거 끝틈이 2 mm가 되도록 조절하고 압력 해제 후 2 mm가 밀려나와서 핑거 끝틈이 4 mm가 되도록 하였다. 핑거조인트가 없는 소경각재 시험편은 68개를 제작하였으며 핑거조인트가 들어간 소경각재 시험편은 1차로 58개를 제작하였고 제조 과정을 개선하여 2차로 29개를 제작하였다.

데이터처리

따라서 이 연구에서는 결점제거는 무시하고 길이 증 가를 위하여 핑거조인트를 적용하였으며 두꺼운 부재의 핑거조인트에 적용할 수 있는 제조조건을 개발 및 적용하여 핑거조인트가 포함된 소경각재의 휨 성능을 평가하였다. 핑거조인트가 포함된 소경각재의 휨 성능을 핑거조인트가 없는 소경각재의 휨 성능과 비교하였으며 시험된 모든 소경각재 시험편의 시험 결과를 핑거조인트가 있는 것과 없는 것에 대하여 각각 ASTM D2915에 따라서 통계처리를 실시하여 허용응력을 산출하고 상호 비교 평가하였다.

이론/모형

소경각재의 등급을 구분하기 위하여 4개의 재면에 나타나는 결점을 육안으로 확인하고 Table 1에 주어진 기준을 적용하여 등급을 구분하였다. Table 1의 등급구분기준은 KS F 3021의 구조용 집성재 제조를 위한 층재의 등급구분기준으로서 소경각재의 경우도 구조용 집성재용 층재와 마찬가지로 구조용 접착제품의 제조에 사용되는 재료이기 때문에 이 기준을 적용하였다.
7 m의 부재로서 실제 부재 생산에 사용되는 그대로 모든 결점들이 포함되어 있는 실대재이다. 따라서 소경각재 시험편의 휨 성능을 평가하기 위하여 KS F 2150의 실대재에 대한 1/3점 하 중 휨 시험 방법을 적용하여 휨 시험을 실시하였다. 이러한 실대재 휨 시험 방법을 적용하여 부재의 휨 성능에 미치는 전단응력의 영향을 최소화하고 가능 하면 순수한 휨 응력의 영향 하에서 휨 성능을 평가 하고자 하였다.
이러한 실대재 휨 시험 방법을 적용하여 부재의 휨 성능에 미치는 전단응력의 영향을 최소화하고 가능 하면 순수한 휨 응력의 영향 하에서 휨 성능을 평가 하고자 하였다. 소경각재의 휨 시험 결과로부터 KS F 2150에 주어진 식 (1) 및 (2)에 따라서 각각 MOE 및 MOR을 계산하였다.
소경각재의 휨 시험 결과로부터 핑거조인트가 없는 소경각재 및 핑거조인트가 있는 소경각재의 허용 응력을 산출하여 소경각재를 접착하여 제조되는 다중접착접합부재의 설계하중을 계산하는 기초값으로 적용하도록 하였다. 소경각재의 휨 시험 결과로부터 허용응력을 산출하는 방법이 KS 표준으로 제정되어 있지 않기 때문에 ASTM D 2915를 적용하였다. ASTM D 2915에 따르면 강도 시험 결과의 도수 분포곡선의 모양에 따라서 평균값을 중심으로 좌우가 대칭을 이루는 경우에는 정규분포로 가정할 수 있으며 매우 높은 강도를 나타내는 시험편들은 있지만 매우 낮은 강도를 나타내는 시험편들의 수가 적거나 없는 경우, 즉 평균값을 중심으로 좌우가 비대칭인 경우에는 그 정도에 따라서 로그정규분포(lognormal distribution) 및 웨이블분포(Weibull distribution)로 가정하여 통계처리를 할 수 있다.

성능/효과

MOE에 비하여 MOR은 핑거조인트가 포함된 부재에서 감소하는 경향을 나타내었으며 기존의 구조용 집성재에서 사용되던 두께 50 mm 미만의 층재를 생산하던 핑거조인트 생산라인에서 두께만 증가 시킨 방법으로 제조된 1차 부재에 비하여 피스톤을 교체하여 충분한 압력을 가할 수 있도록 개선된 생산 라인에서 제조된 2차 부재의 MOR이 많이 향상되는 결과를 나타내었다. 1차 제조 핑거조인트 부재의 MOR은 핑거조인트가 없는 부재의 48.3% 정도에 불 과하였으나 1차 제조된 핑거조인트 부재의 MOR은 79.4%를 나타내어 일반적으로 알려진 핑거조인트 부재의 강도비율인 80%에 근접하는 결과를 나타내었다. 따라서 두꺼운 부재에서도 핑거조인트 제조에 적합한 조건만 갖추어주면 충분한 강도를 갖는 부재를 생산 할 수 있다는 사실을 확인할 수 있었다.
ASTM D 2915에 따라서 핑거조인트가 없는 소경 각재 및 핑거조인트가 포함된 소경각재의 허용 휨응력을 산출하였으며 그 결과는 각각 12 MPa 및 11.4 MPa로 나타났다. 핑거조인트가 있는 소경각재의 경우에 핑거조인트가 없는 부재보다 강도의 편차가 적었으며 이로 인하여 MOR은 약 80% 수준을 나타내었으나 허용 휨응력은 약 95% 수준을 나타내었다.
Table 2에서 보면 MOE는 핑거조인트가 포함된 시험편에서 오히려 증가하는 경향을 나타내는데 이러한 경향은 핑거조인트의 영향이라기보다는 탄성계수가 목재에 따라서 편차가 크게 나타나기 때문인 것으로 생각된다. MOE에 비하여 MOR은 핑거조인트가 포함된 부재에서 감소하는 경향을 나타내었으며 기존의 구조용 집성재에서 사용되던 두께 50 mm 미만의 층재를 생산하던 핑거조인트 생산라인에서 두께만 증가 시킨 방법으로 제조된 1차 부재에 비하여 피스톤을 교체하여 충분한 압력을 가할 수 있도록 개선된 생산 라인에서 제조된 2차 부재의 MOR이 많이 향상되는 결과를 나타내었다. 1차 제조 핑거조인트 부재의 MOR은 핑거조인트가 없는 부재의 48.
3 MPa을 나타내었다. 기존의 구조용 집성재 생산라인에서 50 mm 이하의 층재에 대하여 사용하였던 핑거조인트 기계를 사용하여 제조된 핑거조인트 소경각재 제품은 핑거 조인트가 없는 부재에 비하여 절반 이하의 휨강도를 나타내었으나 두꺼운 부재에 적절한 압력을 가할 수 있도록 개선한 기계로부터 제조된 핑거조인트 부재는 약 80% 정도의 휨강도를 나타내었다. 따라서 두꺼운 부재의 경우에도 적절한 장비 개선을 통하여 충분한 강도성능을 지닌 핑거조인트 부재의 생산이 가능할 것으로 생각된다.
4%를 나타내어 일반적으로 알려진 핑거조인트 부재의 강도비율인 80%에 근접하는 결과를 나타내었다. 따라서 두꺼운 부재에서도 핑거조인트 제조에 적합한 조건만 갖추어주면 충분한 강도를 갖는 부재를 생산 할 수 있다는 사실을 확인할 수 있었다.
국산 낙엽송 소경 간벌재로부터 생산된 핑거조인트가 없는 소경각재 및 길이 중앙부에 핑거조인트가 포함된 소경각재의 휨 시험을 실시하였다. 소경각재 에 대한 휨 시험을 실시한 결과 핑거조인트가 없는 부재의 MOE 및 MOR은 각각 9.6 GPa 및 47 MPa을 나타내었다. 핑거조인트가 포함된 소경각재의 MOE 및 MOR은 각각 15.
ASTM D 2915에 따르면 강도 시험 결과의 도수 분포곡선의 모양에 따라서 평균값을 중심으로 좌우가 대칭을 이루는 경우에는 정규분포로 가정할 수 있으며 매우 높은 강도를 나타내는 시험편들은 있지만 매우 낮은 강도를 나타내는 시험편들의 수가 적거나 없는 경우, 즉 평균값을 중심으로 좌우가 비대칭인 경우에는 그 정도에 따라서 로그정규분포(lognormal distribution) 및 웨이블분포(Weibull distribution)로 가정하여 통계처리를 할 수 있다. 소경각재의 휨 시험 결과는 평균값을 중심으로 낮은 값과 높은 값이 좌우 대칭을 정확하게 이루지는 않지만 비교적 낮은 값 및 높은 값들이 많이 나타나는 경향을 나타내어 낮은 값이 끊어지는 모양의 로그정규분포나 웨이블 분포보다는 정규분포에 가까운 모양을 나타내는 것 으로 판단되었다. 따라서 이 연구에서는 소경각재의 휨 시험으로부터 산출된 MOR 값에 대하여 정규분 포로 가정하여 통계처리를 실시하였다.
선별된 원목은 2 면 제재 공정을 통하여 95 mm × 95 mm 단면의 정각재로 제재하였으며 이를 건조한 후 단면치수 80 mm × 80 mm로 4면 대패가공을 실시하였다. 시험편의 평균 밀도는 508 kg/m² (0.508 g/cm³ )이었으며 평균 함수율은 12.5%를 나타내었다. 시험편의 길이는 2.
4 MPa로 나타났다. 핑거조인트가 있는 소경각재의 경우에 핑거조인트가 없는 부재보다 강도의 편차가 적었으며 이로 인하여 MOR은 약 80% 수준을 나타내었으나 허용 휨응력은 약 95% 수준을 나타내었다. 따라서 소경각재의 이용에 있어서 핑거조인트로 길이이음을 한 부재들도 핑거조인트의 품질만 적절하게 제조할 수 있다면 그렇게 큰 허용응력의 손실 없이 구조부재의 제조 및 설계에 활용할 수 있을 것으로 생각된다.

후속연구

기존의 구조용 집성재 생산라인에서 50 mm 이하의 층재에 대하여 사용하였던 핑거조인트 기계를 사용하여 제조된 핑거조인트 소경각재 제품은 핑거 조인트가 없는 부재에 비하여 절반 이하의 휨강도를 나타내었으나 두꺼운 부재에 적절한 압력을 가할 수 있도록 개선한 기계로부터 제조된 핑거조인트 부재는 약 80% 정도의 휨강도를 나타내었다. 따라서 두꺼운 부재의 경우에도 적절한 장비 개선을 통하여 충분한 강도성능을 지닌 핑거조인트 부재의 생산이 가능할 것으로 생각된다.
핑거조인트가 있는 소경각재의 경우에 핑거조인트가 없는 부재보다 강도의 편차가 적었으며 이로 인하여 MOR은 약 80% 수준을 나타내었으나 허용 휨응력은 약 95% 수준을 나타내었다. 따라서 소경각재의 이용에 있어서 핑거조인트로 길이이음을 한 부재들도 핑거조인트의 품질만 적절하게 제조할 수 있다면 그렇게 큰 허용응력의 손실 없이 구조부재의 제조 및 설계에 활용할 수 있을 것으로 생각된다.
소경 간벌재로부터 생산된 소경각재는 그 자체로는 단면적이 작고 미성숙재의 함유비율이 높아서 구조성능 및 품질이 떨어지기 때문에 구조용재로 사용하기 어렵지만 가로 및 세로 방향으로 접착을 통하여 단면적을 키우면 기둥과 보등의 다양한 구조부재로 사용이 가능하며 특히 한옥 건축용 부재로 충분히 활용될 수 있을 것으로 기대된다. 기존의 구조용 집성재는 층재의 두께가 50 mm 미만인 경우에 적용되는 방법으로서 구조용 집성재 제조를 위하여 적용되는 핑거조인트는 두께 50 mm 미만의 제재목에 적용할 수 있으며 이 연구에서 사용된 소경각재처럼 두께 80 mm 이상인 부재에 적용하는 경우에도 구조성능을 제대로 발휘할 수 있는지가 평가되어야 한다.
국산 목재의 공급 관리를 통해 안정적으로 목재 수급량을 유지하고 목재 산업의 원자재 부족난을 해소하고자 정부에서도 정책적인 노력을 펼치고 있다. 정책의 활성화와 더불어 지름 150 mm 이하의 수령 20년 이하 간벌재에 대한 효율적 활용 연구 및 개발이 필요하다.

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