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문제 정의
- 따라서 본 연구에서는 합판을 집성재의 목질 코어로 대체한 ‘한국산림자원환경에 적합한 합판코어 집성재’를 기존의 집성재, 교호 집성재와 비교하여 휨강도 및 탄성계수 등을 측정하고 이를 통해 구조용 자재로서 물리적⋅기계적 성질의 적합성을 평가하여 그 사용가능성을 검토하였다.
제안 방법
- 각각의 공시재료를 이용하여 집성재 및 CLT구조의 대조군, 그리고 합판 코어 집성재(HWLT)를 각각 Table 2와 Table 3과 같이 제작하였다. 비교군으로 사용된 집성재 및 교호 집성재(CLT)구조의 대조군은 본 연구의 합판 코어 집성재와의 강도적 차이를 비교 하고자 시중에서 판매되고 있는 S사의 합판과 W 사의 인테리어용 라디에타파인 집성판을 분양받아 각각 제작에 사용하였다.
- 각각의 접착은 Fig. 1의 접착용 Spreader를 사용하여 접착제 도포 후 적층시킨 시험편들을 상온에서 1.0 N/mm2의 단위 압력으로 30분간 하중을 주어 접착한 후 해압하여 24시간 후 해체하였다.
- 그 다음, 48시간 동안 103 ± 2℃에서 전건을 시켜 합판 코어 집성재의 수축률을 측정하였다.
- A Type은 코어의 3ply 중 중심부를 외층과 동일한 집성판으로 구성하고 바깥층을 합판으로 구성한 3 ply 하이브리드 코어를 제작하여 사용하였다. 또한 각각 합판의 적층 방법에 따라 중심부 양 옆의 합판이 모두 집성판에 평행한 A-1, 합판이 집성판에 수직으로 적층된 A-2로 구분하였다.
- 비교군으로 사용된 집성재 및 교호 집성재(CLT)구조의 대조군은 본 연구의 합판 코어 집성재와의 강도적 차이를 비교 하고자 시중에서 판매되고 있는 S사의 합판과 W 사의 인테리어용 라디에타파인 집성판을 분양받아 각각 제작에 사용하였다. 먼저, 집성재의 경우 집성판을 섬유 방향을 동일하게 하여 5 ply로 적층한 구조이며, CLT의 경우 합판 제작 과정과 동일하게 집성판을 교호적층하여 제작하였다.
- 본 연구에서 제작한 합판 코어 집성재의 MOE 및 MOR 그리고 치수 안정성 실험을 통하여 구조용 자재로서 물리적⋅기계적 성질의 적합성을 평가하여 그 사용가능성을 검토하였으며, 그 결과는 다음과 같다.
- 2의 만능강도시험기(Universal Test Machine ; Housefield社)를 이용하여 KS F 2150 (목구조용실대재의 휨 시험 방법)에 의거하여 MOR 및 MOE를 측정하였다. 이때, 크로스헤드속도(Cross head speed)는 10 mm/min의 속도로 실험하였으며, MOR과 MOE는 4점 하중방식을 통한 휨강도 및 휨탄성계수를 구했으며, 계산 방법은 각각 다음 수식 (1), (2)와 같다.
- 그리고 B Type은 코어를 합판으로만 사용하였고, 이들 B Type의 경우는 다시 적층방법에 따라 Table 2와 같이 4가지로 구분하였다. 코어의 합판이 중심의 집성판에 평행으로 적층된 B-1-Parallel, 코어의 합판이 모두 교차 적층된 B-1-Cross의 경우와 코어층의 합판이 중심부는 집성판에 수직 배열하지만 양 옆이 평행으로 적층된 B-2-Parallel, 중심층이 집성판에 평행하지만 양옆이 수직 적층 된 B-2-Cross의 4가지 경우로 나누어 실험을 실시하였다.
- 합판 코어 집성재(HWLT)의 고온 수축률 및 침지 팽창률에 대한 실험을 위해 시험편을 각각 폭(W) 60mm, 길이(L) 30 mm, 두께(T) 60 mm의 시험편을 각각의 적층 조건별로 제작하여, 시험편을 48시간 동안 상온수에 침지시켜 포수 상태로 만들어 팽창률을 측정하였다. 그 다음, 48시간 동안 103 ± 2℃에서 전건을 시켜 합판 코어 집성재의 수축률을 측정하였다.
- 합판 코어 집성재는 집성재 및 교호집성재와 동일한 합판과 집성판을 사용하여 5 ply 적층을 하였으며, 외층은 집성판을 사용하고 내부 코어 3 ply의 경우 크게 2가지 분류를 하였다. A Type은 코어의 3ply 중 중심부를 외층과 동일한 집성판으로 구성하고 바깥층을 합판으로 구성한 3 ply 하이브리드 코어를 제작하여 사용하였다.
대상 데이터
- 합판 코어 집성재는 집성재 및 교호집성재와 동일한 합판과 집성판을 사용하여 5 ply 적층을 하였으며, 외층은 집성판을 사용하고 내부 코어 3 ply의 경우 크게 2가지 분류를 하였다. A Type은 코어의 3ply 중 중심부를 외층과 동일한 집성판으로 구성하고 바깥층을 합판으로 구성한 3 ply 하이브리드 코어를 제작하여 사용하였다. 또한 각각 합판의 적층 방법에 따라 중심부 양 옆의 합판이 모두 집성판에 평행한 A-1, 합판이 집성판에 수직으로 적층된 A-2로 구분하였다.
- 각각의 층간 접착을 위해 사용한 상온경화형 접착제로는 이액형 변성 우레탄계 접착제로써 O社의 고형분 함량 50%의 상온경화형 우레탄계접착제를 사용하였으며, 도포량은 단면기준 140 g/m2이었다.
- 본 연구에 공시재료로 사용된 집성판은 W社로부터 분양받은 뉴질랜드산 라디에타 파인(Pinus Radiata)인테리어용 집성판을 사용하였으며, 제품의 규격은 폭(W) 1,220 mm, 길이(L) 2,440 mm, 두께(T) 11.5 mm이었으며, 이때 함수율은 12%이었다.
- 본 연구에 공시재료로 사용된 합판은 S社로부터 분양받은 뉴질랜드산 라디에타 파인을(Pinus Radiata) 중판(Short Grain Core)으로 제조한 침엽수 복합합판을 사용하였다. 제품의 규격은 폭(W) 1,220mm, 길이(L) 2,440 mm, 두께(T) 11.
- 각각의 공시재료를 이용하여 집성재 및 CLT구조의 대조군, 그리고 합판 코어 집성재(HWLT)를 각각 Table 2와 Table 3과 같이 제작하였다. 비교군으로 사용된 집성재 및 교호 집성재(CLT)구조의 대조군은 본 연구의 합판 코어 집성재와의 강도적 차이를 비교 하고자 시중에서 판매되고 있는 S사의 합판과 W 사의 인테리어용 라디에타파인 집성판을 분양받아 각각 제작에 사용하였다. 먼저, 집성재의 경우 집성판을 섬유 방향을 동일하게 하여 5 ply로 적층한 구조이며, CLT의 경우 합판 제작 과정과 동일하게 집성판을 교호적층하여 제작하였다.
- 본 연구에 공시재료로 사용된 합판은 S社로부터 분양받은 뉴질랜드산 라디에타 파인을(Pinus Radiata) 중판(Short Grain Core)으로 제조한 침엽수 복합합판을 사용하였다. 제품의 규격은 폭(W) 1,220mm, 길이(L) 2,440 mm, 두께(T) 11.5 mm의 요소멜라민수지를 사용한 함수율 12%의 7 ply 합판이다.
데이터처리
- 만능강도시험기를 통해 측정된 모든 시험편의 휨탄성계수(MOE)와 휨강도(MOR)은 F검증을 통해 유의차 검정을 실시하였다.
이론/모형
- Fig. 2의 만능강도시험기(Universal Test Machine ; Housefield社)를 이용하여 KS F 2150 (목구조용실대재의 휨 시험 방법)에 의거하여 MOR 및 MOE를 측정하였다. 이때, 크로스헤드속도(Cross head speed)는 10 mm/min의 속도로 실험하였으며, MOR과 MOE는 4점 하중방식을 통한 휨강도 및 휨탄성계수를 구했으며, 계산 방법은 각각 다음 수식 (1), (2)와 같다.
성능/효과
- (a)와 같이 합판의 층간박리유형은 주로 합판만을 코어로 사용한 합판 코어 집성재(B Type)에서 많이 나타났으며, 코어에 사용된 단일 합판 내에서 단판간의 접착 부분이 떨어지는 현상이 나타났다.
- 1. 집성재 및 CLT구조의 대조군과 합판을 코어로 이용한 집성재의 휨강도를 비교한 결과 A Type에서는 처리간의 고도의 유의차가 인정되며 집성재구조 수준의 물성을 나타냈으며, B Type의 경우에는 집성재구조에는 미치지 못하지만 CLT구조보다는 우수한 강도를 나타내었다. 이는, 코어층의 중심부를 집성재로 사용하는 A Type이 코어층을 합판만을 사용하는 B Type에 비해서 비교적 휨강도에서 이점을 갖는 집성재를 더 많이 사용하기 때문인 것으로 판단된다.
- 2. 집성재구조의 합판 코어 집성재의 합판적층 방향에 따른 휨강도와 탄성계수모두 처리간의 유의차가 인정되지 않았다.
- 3. A Type의 합판 코어 집성재의 집성재구조 및 CLT구조 대조군과 비교한 MOE에서는 유의차가 인정 되지 않았으며, B Type의 경우에는 유의차가 인정이 되었으나 그 차이가 크지 않았다.
- 4. 합판을 코어로 사용한 집성재는 합판적층 Type에 상관없이 치수 안정성이 좋은 목질 재료인 합판을 코어로 사용함으로서 라미나를 이용한 집성재구조 및 CLT구조의 대조군보다 우수한 치수 안정성을 나타냈다.
- Fig. 5의 결과에서 나타난 바와 같이 모든 층이 섬유직각방향으로 적층된 합판 코어 집성재(A-2)가 가장 높은 3.33 GPa의 값을 나타내었고, CLT구조의 대조군은 2.79 GPa로 가장 낮은 값을 나타내었다. 모든 층이 섬유방향으로 적층된 합판 코어 집성재(A-1)는 3.
- 11-a, b에서는 각각 코어층의 중심부를 집성판으로 사용한 합판 코어 집성재(A Type)와 코어층을 모두 합판으로만 구성한 합판 코어 집성재(B Type)의 수축률을 나타내고 있다. 결과를 통하여 집성재 구조의 대조군은 높은 수축률을 보이며, 각각의 층에서 발생하는 수축률의 편차가 심한데 비해, CLT 구조 대조군은 교호적층을 통하여 중심부의 수축률을 억제시켜주는 효과가 있음을 알 수 있다. 코어층의 중심부를 집성재를 사용한 합판 코어 집성재(A Type)의 경우, 코어층에 합판을 사용함으로써 집성재 대조군에 비해 수축률은 감소하였으며, 그 수준은 CLT 구조의 대조군과 유사한 것으로 나타났고, 편차도 작아지는 것을 알 수 있다.
- 6는 코어를 모두 합판으로 설계한 합판코어 집성재 4가지 종류의 B Type 내에서의 MOE의 차이를 분석한 결과이다. 결과에 나타난 바와 같이 B-2-Parallel type이 가장 높은 3.08 GPa의 값을 나타내었으며 제작된 집성재와 동등수준의 결과를 나타내었고 다른 3가지 구성과는 달리 우수한 물성값을 나타내었다. 비교구로 사용된 중심층이 집성판에 평행하나 양옆이 수직 적층된 합판 코어 집성재(B-2-Cross)의 경우가 2.
- 4는 코어를 합판으로만 구성한 합판 코어 집성재(B Type)의 MOR을 비교분석한 결과이다. 결과에서 나타난 바와 같이 A Type의 합판 코어 집성재에 비해서 강도가 23.2% 낮게 나타나는 것을 알 수 있었으며, 이러한 이유는 표층라미나의 휨강도가 합판보다 우수하기 때문에 집성판 사용이 적은 B Type이 낮은 강도를 나타낸 것으로 사료된다. 또한, 집성재 구조 대조군에 비해서도 최대 30.
- 2% 낮게 나타나는 것을 알 수 있었으며, 이러한 이유는 표층라미나의 휨강도가 합판보다 우수하기 때문에 집성판 사용이 적은 B Type이 낮은 강도를 나타낸 것으로 사료된다. 또한, 집성재 구조 대조군에 비해서도 최대 30.1% 낮은 17.9MPa의 강도를 나타내었으며, 이는 CLT구조의 대조군은 14.6 MPa를 갖는 것과 비교할 경우 동등수준의 MOR 값을 나타내었다.
- 코어층의 중심부를 집성재를 사용한 합판 코어 집성재(A Type)의 경우, 코어층에 합판을 사용함으로써 집성재 대조군에 비해 수축률은 감소하였으며, 그 수준은 CLT 구조의 대조군과 유사한 것으로 나타났고, 편차도 작아지는 것을 알 수 있다. 또한, 코어층을 합판으로만 제작한 합판 코어 집성재(B Type)의 경우에는 합판을 사용한 코어층은 현저하게 낮은 수축률을 나타냈으며, 최외층의 집성판에서는 집성재 대조군은 물론 CLT 대조군 보다 낮은 수축률을 나타내며, 편차는 현저하게 줄어 든 것을 알 수 있다.
- 라미나를 이용한 집성재 및 CLT구조의 대조군과 B Type의 합판 코어 집성재 간에는 고도의 유의차가 인정되었으나, 합판코어의 적층방향 변화에 따른 B Type의 합판 코어 집성재 간에는 유의차가 인정되지 않은 것으로 미루어보아 방향성에 의한 강도적차이는 없는 것으로 나타났다.
- 라미나집성재 및 CLT구조의 대조군과 합판코어 집성재의 휨강도의 결과가 전체적으로 기존 상용 되고 있는 구조용 집성재에 비해 낮은 물성을 나타내었다.
- 79 GPa로 가장 낮은 값을 나타내었다. 모든 층이 섬유방향으로 적층된 합판 코어 집성재(A-1)는 3.09 GPa로 2종류의 합판 코어 집성재는 모두 집성재구조 대조군의 MOE 3.30 GPa에 준하는 수준으로 나타났으나 그 처리간의 유의차는 인정되지 않았다.
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