[논문]국내 기계등급구조재의 등급구분체계 및 기준설계값 결정방법 연구

홍정표; 이전제; 박문재; 여환명; 방성준; 김철기; 오정권

doi:10.5658/wood.2015.43.4.446

국내 기계등급구조재의 등급구분체계 및 기준설계값 결정방법 연구
Determination of Grades and Design Strengths of Machine Graded Lumber in Korea 원문보기

목재공학 = Journal of the Korean wood science and technology, v.43 no.4, 2015년, pp.446 - 455

홍정표 (서울대학교 농업생명과학연구원) , 이전제 (서울대학교 산림과학부) , 박문재 (국립산림과학원 임산공학부) , 여환명 (서울대학교 산림과학부) , 방성준 (서울대학교 산림과학부) , 김철기 (서울대학교 산림과학부) , 오정권 (서울대학교 농업생명과학연구원)

초록
AI-Helper

국내외 기계등급제재목(구조재 및 층재)의 등급기준 및 설계강도 산출방법을 비교 분석하고 국내 제재산업 실정을 고려한 평균 탄성계수(modulus of elasticity, 이하 MOE) 기준방법 적용을 제안하였다. 먼저 올바른 기계등급제재목 기준 정착을 위해 기계등급구조재와 기계등급층재의 공통점과 차이점을 설명하였다. 최소 고정 MOE 기준 등급을 사용하는 국내 기준은 등급구분에는 편리하나 휨강도(modulus of rupture, 이하 MOR) 예측과 자원이용도 측면에서는 효율성이 낮은 것으로 파악되었다. 해외에서 사용되는 평균 MOE 기준 방법은 초기 컴퓨터 기반 작동을 요구하나 MOR-MOE 직선회귀에 근거한 합리적인 MOR 예측과 품질관리 측면에서 효율성이 높은 것으로 분석되었다. 무엇보다도 현 국내 기계등급구조재 등급체계는 수종별 강도 특성을 반영하지 못하고 있다는 것이 가장 큰 문제점으로 분석되었으며 이러한 결과를 기반으로 MOR-MOE 직선회귀분석에 근거한 기계등급제재목 등급기준 및 기준설계값 산출방법 적용을 제안하였다. 이를 통하여 궁극적으로 부가가치가 높은 국산 기계등급구조재 생산 활성화를 이루고, 기계 등급구조재의 층재 전용 가능에 따른 구조용 집성재 가격경쟁력 제고 효과를 얻을 수 있다고 사료되었다.

Abstract ▼ AI-Helper

Based on comparative studies on standards and grading procedures of machine graded lumber in Korea and other countries, this study proposed a procedure of determining the grade classification and design strengths of domestic machine graded lumber. Differences between machine stress rated lumber and E-rated laminations were detailed in order to clarify the need for the procedure improvement. To this improvement the use of average MOE requirement for grading was introduced instead of the fixed minimum MOE requirement which is currently used in the Korean standards. It was found that the fixed minimum MOE requirement method was easier for an inspector to grade but, less efficient as a strength predictor than the average MOE requirement method. The advantage of average MOE requirement method is statistically MOR-MOE regression-based MOR prediction and highly efficient in quality control though it requires a computer-aided operation system in an initial setup. A major weakness of the current Korean grading system was found that different strength characteristics depending on wood species were not reflected on the grade classification and the tabulated allowable design stress. The proposed procedures were developed taking advantages of respective merits of both methods and based on MOR-MOE regression analysis. Through this procedure, the grades of machine stress rated lumber should be revised to become interchangeable with E-rated lamination, which would be beneficial to the cost competitiveness of domestic machine graded lumber and glued laminated timber industry.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

국내 기계등급제재목 생산의 활성화를 위해선 먼저 수종특성을 고려한 등급기준과 기준설계값 개선이 필요하다고 전술하였다. 국내 구조용 제재목 산업이 낙후된 상황에서 해외의 기준을 사용하기에는 다소 무리가 있을 수도 있기 때문에, 현 국내 기준의 장점과 해외 기준 장점을 결합한 최소 MOE 등급기준에 근거한 직선회귀 방법이 적합하다고 판단되었다.
국내외 기계등급제재목의 등급체계기준 및 설계강도 산출방법을 비교 분석하였다. 국내 등급구분 기준과 기준설계값 결정방법은 면밀한 계획을 통하여 개선 및 발전시켜야 될 것으로 판단되었으며 이를 위한 방법을 제안하였다. 본 연구에서 얻은 결론은 아래와 같다.
따라서, 본 논문의 목적은 기계등급제재목과 관련한 국내 기준을 검토하고 국내 여건에 맞는 기계등급제재목의 기본설계값(구조재) 또는 합격기준값(층재) 결정 방법을 검토⋅분석하고자 하였다.

제안 방법

∙ 분석된 국내외 기준의 장점을 찾아, 국내에 적용 가능한 기계등급제재목 등급기준 및 기준설계값 산출방법을 제시하였다.
국내 기계등급제재목 등급구분기준 및 기준설계값 산출방법과 관련한 국내외 문헌들을 조사⋅분석하였다.
국내외 기계등급제재목의 등급체계기준 및 설계강도 산출방법을 비교 분석하였다. 국내 등급구분 기준과 기준설계값 결정방법은 면밀한 계획을 통하여 개선 및 발전시켜야 될 것으로 판단되었으며 이를 위한 방법을 제안하였다.
이와 같이 현 국내 기계등급구조재의 강도등급 체계는 구조설계 측면에서 보완 및 개선할 점들이 많다고 볼 수 있다. 따라서 본 연구에서는 일반적으로 북미 및 유럽에서 적용하고 있는 MOR-MOE 관계에 근거한 평균 MOE 기준 기계등급구조재 강도등급 체계를 도입하여 국내실정에 적합한 등급구분 및 기준설계값 산출 방법 제안을 다음 절부터 설명하였다.
국내 기계등급제재목은 KS F 3020-침엽수 구조용재와 KS F 3021-구조용 집성재 표준문서에 각각 기계등급구조재와 기계등급층재로 그 등급구분 방법과 품질기준이 제시되어 있다. 북미 기준(WWPA 2004; NLGA 2007) 용어로 구분하면 각각 기계응력등급구조재(일반적으로 국내에서 통용되는 Machine Stress Rated lumber, 이하 MSR)와 탄성계수등급층재(E-rated lamination, 이하 E-rated 층재)라 할 수 있으며, Table 2에 KS F 3020의 기계등급구조재와 KS F 3021의 기계등급층재의 등급구분 및 육안검사 품질기준을 상호 비교하였다.
1 예에서와 같이 별표식의 위치에서 정하는 것이다. 생산자들은 기존의 MOE 등급구분 방법을 따르거나, 기존의 방법 그대로 평균값의 최소 MOE 값을 찾는 방법으로 결정된 평균 MOE 기준과 MOR 기준을 충족하는지를 검사하여 품질관리를 진행하는 것이다.
국내 구조용 제재목 산업이 낙후된 상황에서 해외의 기준을 사용하기에는 다소 무리가 있을 수도 있기 때문에, 현 국내 기준의 장점과 해외 기준 장점을 결합한 최소 MOE 등급기준에 근거한 직선회귀 방법이 적합하다고 판단되었다. 이를 위하여 최소 MOE 등급기준 구분을 과거에 적용하던 구간의 중간값을 평균값으로 하고 직선회귀방법에 따라 기준 MOR 설계값을 산출하는 방법이다. 즉, 설계기준개발자들은 평균 MOE 기준과 기준 MOR 설계값을 등급별로, Fig.
따라서, 본 논문의 목적은 기계등급제재목과 관련한 국내 기준을 검토하고 국내 여건에 맞는 기계등급제재목의 기본설계값(구조재) 또는 합격기준값(층재) 결정 방법을 검토⋅분석하고자 하였다. 특히, 강도예측기준값으로 사용되는 MOE와 관련하여 해외에서 사용하는 평균 MOE 방법과 국내에서 적용하고 있는 고정 최소 MOE 방법을 비교 설명하고 각 방법의 장단점을 분석하여 기계등급제재목의 등급구분방법과 기본설계값 산출방법을 제안하였다.

이론/모형

국내 기계등급구조재 및 층재의 강도등급은 기본적으로 측정된 휨MOE 값이 속하는 등급구간에 따라 결정되는 최소 휨MOE 방법이 사용되었다. 측정된 휨MOE로 결정된 강도등급에 따라 휨설계강도값이 제시되었다.
구조재료 사용이란 측면에서 기계등급구조재와 기계등급층재는 그 목적이 같으나 엄밀히 구분하면 이 두 생산품은 각각 다른 품질기준에 의해 생산되는 서로 다른 제품이다. 기계등급구조재는 KS F 3020-침엽수 구조재에 규정된 품질 기준을 따르고 기계등급층재는 KS F 3021-구조용 집성재(2013) 기준을 따른다. 이 두 가지 기준의 공통점은 강도예측기준(strength predictor)으로 휨탄성계수(Modulus of Elasticity, 이하 MOE)를 이용한다(Divos et al.
국내 기계등급제재목 등급구분기준 및 기준설계값 산출방법과 관련한 국내외 문헌들을 조사⋅분석하였다. 기계등급제재목 등급구분 및 품질기준과 관련하여 KS F 3020-침엽수 구조용재, KS F 3021-구조용 집성재를 비교 분석하였고, 등급별 설계허용응력 검토를 위하여 건축구조기준(KBC)과 KS F 3020를 검토하였다. 본 연구에서 참고된 국내외 주요 문헌자료는 Table 1과 같다.

성능/효과

E11등급을 예로 들어 설명하면, KS는 E11등급 부여기준을 11 GPa ≤ MOE < 12 GPa로, 구간범위 1 GPa에서 최소값을 기준으로 등급판정을 규정하고 있지만, KBC는 10 GPa ≤ MOE < 12 GPa로 구간 범위가 2 GPa인 중간 MOE값(11 GPa)을 기준으로 함을 알 수 있었다.
KBC는 E7, E9, E11, E13, E15인 5단계 등급에 대한 F_b, F_t//, F_c//, MOE 만을 제시하고 있으며(F_c⊥, F_v 없음), KS F 3020에 제시되어 있는 값과 상이하여, 목구조 설계자들에게 혼란을 초래하고 있다. KS와 KBC 사이에 차이를 보이는 이유는 명확히 파악할 수는 없었으나, MOE 관련 등급구분기준에 큰 차이가 있음을 알 수 있었다. E11등급을 예로 들어 설명하면, KS는 E11등급 부여기준을 11 GPa ≤ MOE < 12 GPa로, 구간범위 1 GPa에서 최소값을 기준으로 등급판정을 규정하고 있지만, KBC는 10 GPa ≤ MOE < 12 GPa로 구간 범위가 2 GPa인 중간 MOE값(11 GPa)을 기준으로 함을 알 수 있었다.
∙ 최소 MOE 기준 등급을 사용하는 현 기준은 판정 기준이 명확하여 등급구분에는 편리하나 평균 MOE 기준 방법과 비교하여 MOR 예측과 자원이용도 측면에서는 효율성이 낮은 것으로 분석되었다.
∙ 해외에서 사용되는 평균 MOE 기준 방법은 등급별 기준 MOR을 충족시키는데 필요한 평균 MOE를 기준으로 사용하는 것이며, 적용측면에서는 다소 복잡할 수 있으나 합리적인 MOR 예측과 자원을 효율적으로 이용할 수 있다는 장점이 있는 것으로 파악되었다.
∙ 현 국내 기계등급구조재 등급체계 및 기준설계값은 수종별 강도 특성을 고려하고 있지 않기 때문에 설계자 입장에서 제시된 기준설계값 사용에 혼란을 가져오는 것으로 파악되었다.
이 방법의 장점은 설계기준 개발자나 생산품질관리자 모두에게 회귀직선에 근거하여 쉽게 기준값 설정 및 품질관리가 용이하다고 판단되었다. 또한 MOE는 MOR을 추정하기 위한 강도예측값 역할이라는 기본적인 기계등급구조재 등급구분 개념에 충실하며 보다 합리적인 MOR 예측으로 자원을 효율적으로 사용할 수 있다는 것이다. 단점으로는 생산자의 품질관리에 사용하는데 있어 다소 복잡하며 많은 경험이 필요할 것으로 생각되었다.

후속연구

KS F 3020에 따르면 기계등급은 수종과 무관하게 전적으로 휨MOE에 의해서만 결정되도록 규정되고 있다. KS F 3021 (구조용 집성재)과 같이 기계등급층재의 수종별 차이를 휨MOR 또는 인장강도 합격 기준과 같은 품질기준을 마련함으로써 어느 정도 수종에 따른 강도성능 차이를 반영할 수 있는 조건이 기계등급구조재 품질기준에도 필요한 것으로 사료되었고, 향후 KS F 3020 (침엽수 구조용재) 기계등급구조재 등급기준 개정작업 시, 이에 대한 논의가 반드시 있어야 될 것으로 판단되었다. 참고로 해외의 경우 유럽(EN 14081 2010)은 휨MOR, 밀도, 평균 MOE 등을 기준으로 강도등급을 구분하며 북미(WWPA 2004; NLGA 2007)는 휨강도, 밀도, 인장강도, 평균MOE 및 수종군 분류에 의해 강도등급을 구분함으로써 수종에 따른 강도특성 구분이 가능하다볼 수 있다.
Park and Jung (2010)의 연구결과와 같이 동일 수종 내 지역별 기계적⋅물리적 특성 차이가 존재하므로 주요 제재소 생산량을 기준으로 시편 생산을 할당하는 것도 고려되어야 할 것으로 사료되었다. Park et al. (2004)의 연구에 근거하여 시편수는 수종 및 산지별로 각각 최소 500개 이상이 적합할 것으로 판단되며 장기적인 연구계획을 통해 시험자료의 축적 및 모니터링 체계도 마련되어야 할 것으로 사료되었다.
따라서, 국산 구조용 제재목 시장확대 측면에서, 구조용집성재 생산에 따른 국산 기계등급층재 수요를 일반 기계등급구조재 생산자들이 생산⋅공급하는 분업체계를 장려함으로써 부가가치가 높은 국산 구조용 제재산업 활성화를 이루고 구조용 집성재 가격경쟁력을 제고하는 효과를 얻을 수 있다고 본다.
추정하건대 현재 제시된 기계등급구조재의 장기허용응력표는 강도시험값에 의한 것이 아닌, 앞에서 설명된 육안등급구조재의 허용응력값을 비교 분석하여 결정된 값이라 사료되며, 이로 인해 개정이 진행되면서 KS와 KBC가 차이가 발생된 것으로 생각되었다. 이러한 차이는 차후 기준 개정작업을 통해서 일관된 설계값으로 변경하는 작업이 필요할 것으로 보인다.
단점으로는 생산자의 품질관리에 사용하는데 있어 다소 복잡하며 많은 경험이 필요할 것으로 생각되었다. 즉, 지속적인 MOR-MOE 자료 추가 갱신에 따른 평균 MOE의 최소 설정값이 변화됨에 따라 꾸준한 모니터링으로 등급구분에 반영되어야 할 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	어떤 측면에서 기계등급구조재와 기계등급층재의 목적이 같은가?	전문 육안등급사 자격 관리 체계가 미비하고 국산 육안등급 구조용 제재목 수요가 전무 하다시피한 국내 시장상황에서, 그나마 기계등급구조용 제재목은 국내 구조용집성재 제조사들이 자체 보유한 등급구분기계를 이용하여 기계등급층재 제품으로 지속적 생산이 이루어지고 있다. 구조재료 사용이란 측면에서 기계등급구조재와 기계등급층재는 그 목적이 같으나 엄밀히 구분하면 이 두 생산품은 각각 다른 품질기준에 의해 생산되는 서로 다른 제품이다. 기계등급구조재는 KS F 3020-침엽수 구조재에 규정된 품질 기준을 따르고 기계등급층재는 KS F 3021-구조용 집성재(2013) 기준을 따른다.
	기계등급층재의 경우 어떤 목적으로 생산되는 제품인가?	기계등급층재의 경우, 구조용집성재 제조를 목적으로 생산되는 제품이기 때문에 국내외 기준 모두에서 휨허용응력에 대한 표시를 요구하지 않는다. 표본추출을 통한 휨강도 시험 결과의 성능 품질기준 적합여부와 옹이결점이 주요 등급적합 판단기준이 된다.
	기계등급구조재와 기계등급층재의 기준 차이는?	구조재료 사용이란 측면에서 기계등급구조재와 기계등급층재는 그 목적이 같으나 엄밀히 구분하면 이 두 생산품은 각각 다른 품질기준에 의해 생산되는 서로 다른 제품이다. 기계등급구조재는 KS F 3020-침엽수 구조재에 규정된 품질 기준을 따르고 기계등급층재는 KS F 3021-구조용 집성재(2013) 기준을 따른다. 이 두 가지 기준의 공통점은 강도예측기준(strength predictor)으로 휨탄성계수(Modulus of Elasticity, 이하 MOE)를 이용한다(Divos et al.

참고문헌 (30)

Ayarkwa, J., Hirashima, Y., Sasaki, Y. 2000. Predicting modulus of rupture of solid and finger-jointed tropical African hardwoods using longitudinal vibration. Forest products journal 51(1): 85-92.
Architectural Institute of Japan (AIJ). 2006. Wood Frame Building Code and Commentary. Architectural Institute of Japan, Tokyo, Japan.
Architectural Institute of Korea (AIK). 2011. Korean Building Code and Commentary. Kimoondang, Seoul, Korea.
Divos, F., Tanaka, T. 1997. Lumber strength estimation by multiple regression. Hozforschung 51: 467-471.

상세보기
EN 14081-2: 2010. 2010. Timber structures-Strength graded structural timber with rectangular cross section. Part 2: Machine grading; additional requirements for initial type testing. British Standard Institute. London, UK.
Forest Products Laboratory (FPL). 2010. Wood handbook: wood as an engineering material. General Technical Report. FPL-GTR-190, USDA, Forest Service.
Galligan, W.L., McDonald, K.A. 2000. Machine grading of lumber: practical concerns for lumber producers. General Technical Report FPL-GTR-7, USDA, Forest Service.
Green, D.W., Gorman, T.M., Evans, J.W., Murphy, J.F. 2006. Mechanical grading of round timber beams. Journal of materials in civil engineering 18(10): 1-10.

상세보기
Jang, S.S. 1989. Measurement and modification of allowable properties of wood. Journal of Korean Wood Science & Technology 17(2): 74-83.
Kong, J.H., Jeong, G.Y. 2015. Review of visual grading and allowable stress determination methodologies for domestic softwood. Journal of the Korean Wood Science & Technology 43(1): 25-35.

원문보기 상세보기
Korea Forest Service (KFS). 1995. Notification 1995-27; Standard for sizes of Korean softwood structural lumber. Korea.
KS F 3020:2013. 2013. Softwood structural lumber. Korean Standards Association. Seoul, Korea.
KS F 3021:2013. 2013. Structural glued laminated timber. Korean Standards Association. Seoul, Korea.
Lee, J.J., Kim, G.C., Kim, G.M., Oh, J.K. 2003. Distribution characteristics of bending properties for visual graded lumber of Japanese larch. Journal of Korean Wood Science & Technology 31(5): 72-79.
Madsen, B. 1992. Structural behavior of timber. Timber Engineering Ltd., North Vancouver, BC, Canada.
National Lumber Grades Authority (NLGA). 2007. Standard Grading Rules for Canadian Lumber. NLGA, New Westminster, BC. Canada.
Oh, J.K. 2009. Development of bending strength prediction model for structural lumber using x-ray radiation. Doctoral dissertation, department of forest sciences graduate school, Seoul National University, Seoul, South Korea.
Oh, J.K., Kim, G.C., Lee, J.J. 2000. Knot distribution and machine grades of Japanese larch lumber. Proceedings of the Korean society of wood and technology 2000(1): 41-47.
Oh, S.C. 1996. Assignment of the allowable design values for domestic softwood structural lumber-structural I-grade. Journal of the Korean Wood Science & Technology 24(1): 11-16.
Oh, S.C., Park, M.J., Shim, K. 1993. Stress grading of domestic softwood 2 ${\time}$ 4 lumber. Journal of the Korea furniture Society 4(1): 8-13.
Pang, S.J., Oh, J.K., Park, C.Y., Park, J.S., Park, M.J., Lee, J.J. 2011a. Characteristic evaluation of bending strength distributions on revised Korean visual grading rule. Journal of Korean Wood Science & Technology 39(1): 1-7.

원문보기 상세보기
Pang, S.J., Park, J.S., Hwang, K.H., Jeong, G.Y., Park, M.J., Lee, J.J. 2011b. Bending strength of Korean softwood species for 120 ${\time}$ 180 mm structural members. Journal of Korean Wood Science & Technology 39(5): 444-450.

원문보기 상세보기
Pang, S.J., Lee, J.J., Oh, J.K. 2013a. Effect of test zone selection for evaluating bending strength of lumber. Journal of Korean Wood Science & Technology 41(5): 392-398.

원문보기 상세보기
Pang, S.J., Lee, J.J., Oh, J.K. 2013b. Evaluation of allowable bending stress of dimension lumber: confidence levels and size-adjustment. Journal of the Korean Wood Science & Technology 41(5): 432-439.

원문보기 상세보기
Park, B.S., Jung, S.H. 2010. Physical properties of domestic major wood species. Research report 10-29, Korea Forest Research Institute, Korea Forest Service, Seoul, Korea.
Park, C.Y., Kim, H.K., Lee, J.J. 2004. Study on soft conversion from ASD to RBD code in Larch. Journal of the Korean Wood Science & Technology 32(5): 45-50.
Park, M.J., Shim, K.B. 1998. Establishing allowable design stress of domestic structural lumber. Proceedings of the Korean society of wood science and technology 1998: 127-133.
Shim, K.B., Park, J.H., Lee, D.S., Park, M.J., Yeo, H.M., Lee, J.H. 2005. Long-term loading structural behavior of domestic softwood structural lumber. Research report 05-13, Korea Forest Research Institute, Korea Forest Service, Seoul, Korea.
Thelandersson, S., Larsen, H.J. 2003. Timber engineering. John Wiley & Sons Ltd. West Sussex, England.
Western Wood Products Association (WWPA). 2004. Western Lumber Grading Rules. WWPA, Portland, OR. USA.

저자의 다른 논문 :

LOADING...

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].

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증