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문제 정의
- 따라서, 본 연구에서는 만능재료시험기(Universial Testing Machine)를 이용한 압축재하 시험장치로 벌채부산물의 3회 반복 압축-변형 특성시험을 통해 수종별 벌채부산물의 목표밀도 압축에 필요한 소요압축력을 구하고, 이를 바탕으로 벌채부산물 압축화 장치 설계 시 실린더 선정을 위한 기초 자료로 활용하고자 하였다.
- 본 연구에서는 현장에서 버려지는 가지나 초두부와 같은 벌채부산물의 압축-변형 특성을 규명하여 벌채부산물을 압축화 할 수 있는 장비의 개발을 위한 기초자료로 사용하고자 하였다. 압축 실험에 사용된 벌채부산물의 수종으로는 리기다소나무, 잣나무의 침엽수와 활엽수인 신갈나무 등 3종류로 선정하였으며, 3차 압축이 가능한 시험기를 이용하여 3회 반복 압축-변형 특성실험을 통해 벌채 부산물의 압축에 필요한 소요압축력을 산정하였다.
제안 방법
- 또한, 벌채부산물을 압축하기 위한 별도의 지그(zig)를 Figure 3과 같은 제원으로 설계·제작하여 일정면적(0.6×0.8 m)의 압축판이 수직으로 벌채부산물을 압축재하 하도록 하였으며 실제 고려하고 있는 압축기구와 마찬가지로 압축 재하중에 측면으로 재료가 변형되어 형태를 잃어버리지 않도록 고려하였다.
- 벌채부산물의 압축-변형 특성 시험은 설계할 벌채부산물 압축결속장비의 압축 메커니즘을 상하좌우 롤러에 의한 1차 압축, 5절 링크에 의한 2차 압축, 그립에 의한 3차 압축으로 3회에 걸친 압축이 반복되기 때문에 만능재료시험기의 압축-인장 기능을 이용하여 총 3회의 압축-인장이 반복되도록 하였다.
- 8 m)의 압축판이 수직으로 벌채부산물을 압축재하 하도록 하였으며 실제 고려하고 있는 압축기구와 마찬가지로 압축 재하중에 측면으로 재료가 변형되어 형태를 잃어버리지 않도록 고려하였다. 시험 중의 압축력과 변위는 장착된 로드 셀(5 ton, BONGSHIN, Korea)과 변위센서(1250 mm, ASM.)를 통해 측정하였으며 측정된 신호는 앰프를 통해 증폭된 후 4~20 mA의 전류로 출력되어 자료수집장치(EDS400A, Kyowa, Japan)를 통해 저장되도록 하였다.
- 본 연구에서는 현장에서 버려지는 가지나 초두부와 같은 벌채부산물의 압축-변형 특성을 규명하여 벌채부산물을 압축화 할 수 있는 장비의 개발을 위한 기초자료로 사용하고자 하였다. 압축 실험에 사용된 벌채부산물의 수종으로는 리기다소나무, 잣나무의 침엽수와 활엽수인 신갈나무 등 3종류로 선정하였으며, 3차 압축이 가능한 시험기를 이용하여 3회 반복 압축-변형 특성실험을 통해 벌채 부산물의 압축에 필요한 소요압축력을 산정하였다.
- Figure 2와 같이 벌채부산물의 압축력을 가하기 위하여 50 kN 용량의 로드 셀이 장착된 압축재하 시험장치를 사용하였다. 압축력 및 재하속도를 조절하기 위해 별도의 프로그램을 사용하였으며 압축 및 인장 기능을 이용하여 재료의 압축-이완을 반복하도록 하였다.
- 312 m3에 일정량 47kg의 벌채부산물을 넣어 일반적으로 야적된 벌채부산물의 산물밀도인 150 kg/m3을 초기상태로 유지하도록 하였다. 이후 압축과정에서 목표밀도인 350 kg/m3 및 400 kg/m3이 되는 시점까지의 압축력 및 변위를 각각 수종별로 3회 반복하여 측정 분석 하였다.
- 신갈나무의 경우는 시험을 위해 별도로 작업하여 확보하였다. 현장에서 채취한 3종류의 벌채부산물 시료는 가지의 직경별 함수율과 잎의 함수율, 가지의 크기분포 등을 측정하여 압축전의 초기특성을 파악하도록 하였다.
대상 데이터
- 3종류의 벌채부산물은 경기도 남양주시와 포천시에 걸쳐있는 국립산림과학원 광릉시험림에서 2월 중에 간벌작업을 통해 수확한 것으로 현장작업을 통해 원목은 사용하지 않고 가지 및 초두부만을 이용하였다. 신갈나무의 경우는 시험을 위해 별도로 작업하여 확보하였다.
- 본 연구에서의 공시재료 벌채부산물의 3종류로 침엽수는 인공림 면적의 약 50%를 차지하고 있으며 간벌수확 및 주벌수확대상 수종 중 비교적 벌채부산물량이 많은 리기다소나무와 잣나무를 선정하였으며, 활엽수는 우리나라의 활엽수 중 분포범위가 가장 넓고 생장도 비교적 빠른 향토수종으로서 최근 들어 가공기술의 발달로 수요가 급속하게 늘어나고 있는 참나무 중에서 신갈나무를 선정하여 시험하였다(Figure 1).
성능/효과
- 1차 압축의 경우 약 50~60%의 변형율 구간이 목표밀도에 접근하는 변형율로 실제 응력은 25,000~30,000 N/m3 이 소요되는 것으로 나타났으며, 지수함수에 의한 예측 모델에서는 반복실험에 대한 예측 응력이 다소 크게 변화하는 것으로 나타났다. 1차 압축 후 만능재료시험기의 크로스헤드를 상승시켜 벌채부산물의 압축력을 이완시킨 후 2차 압축한 결과 약 25%의 변형율 구간부터 응력이 발생하는 것으로 보아 1차 압축 후 소성 변화가 생긴 것으로 판단할 수 있다. 목표밀도 350 kg/m3의 3차 압축 경우는 목표밀도까지 소요되는 응력이 1, 2차 보다 낮아졌으며 2차 압축시보다 변형율의 시작점이 커져 소성변화량도 커진 것을 알 수 있다.
- 각각은 1차에서 3차 압축을 3종류의 시료에 대해서 3회 반복하는 동안 응력-변형율 관계로 표시하였다. 1차 압축의 경우 약 50~60%의 변형율 구간이 목표밀도에 접근하는 변형율로 실제 응력은 25,000~30,000 N/m3 이 소요되는 것으로 나타났으며, 지수함수에 의한 예측 모델에서는 반복실험에 대한 예측 응력이 다소 크게 변화하는 것으로 나타났다. 1차 압축 후 만능재료시험기의 크로스헤드를 상승시켜 벌채부산물의 압축력을 이완시킨 후 2차 압축한 결과 약 25%의 변형율 구간부터 응력이 발생하는 것으로 보아 1차 압축 후 소성 변화가 생긴 것으로 판단할 수 있다.
- 로 설정한 경우 만능재료시험기로 압축했을 때 목표밀도까지의 압축특성을 Figure 7에 나타내었다. 1차 압축의 경우 약 50~60%의 변형율 구간이 목표밀도에 접근하는 변형율로 실제 응력은 35,000~55,000 N/m3이 소요되는 것으로 나타났으며, 지수함수에 의한 예측 모델에서는 리기다소나무와 같은 패턴으로 반복실험에 대한 예측응력이 다소 크게 변화하는 것으로 나타났다. 1차 압축 후 2차 압축한 결과 약 30~40%의 변형율 구간부터 응력이 발생하는 것으로 보아 리기다소나무와 마찬가지로 1차 압축 후 소성 변화가 생긴 것으로 판단할 수 있다.
- 모두 벌채부산물 기계적 성질에 따른 응력계수 a는 압축횟수가 늘어나면서 줄어드는 경향을 나타냈으며 반대로 벌채부산물 기계적 성질에 따른 변형율 계수 b는 늘어나는 경향을 나타내었다. 따라서 잣나무의 경우는 리기다소나무와 마찬가지로 변형율이 증가하면서 응력이 지수 함수적으로 증가하는 특성을 가졌으며, 모델화를 통해 압축횟수가 증가할수록 압축에 요구되는 소요응력은 줄어들고, 변형율 변화에 비해 응력증가가 커지는 특성을 가지고 있어 생물체가 가지는 탄소성 특성을 가지고 있는 것으로 분석되었다.
- 또한, 목표밀도 400 kg/m3일 경우 2차, 3차 압축에 요구되는 압력은 약 40,000~60,000 N/m3로 목표밀도 350 kg/m3의 경우보다 높았으며 반복시험별로 2차 압축과 3차 압축에 요구되는 압축응력의 차이는 크지 않았다. 따라서 초기 압축력이 높을수록 목표로 하는 밀도에 도달하기 위해 반복되는 압축횟수는 적어지는 현상이 있는 것으로 판단되며, 본 연구에서는 2수준의 목표밀도 모두 대부분 2차 압축에서 목표밀도의 90%이상은 소성변형과 함께 달성할 수 있을 것으로 판단된다.
- 의 경우에서는 리기다소나무, 잣나무와 마찬가지로 3차 압축에서 볼 수 있는 소성변형이 발생한 것을 알 수 있었으며 2차 압축 후 3차 압축을 시도할 때의 그래프와 같이 소성 변형량은 변형율 25~45%로 약 163~293 mm 정도이나 다른 실험 수종에 비해 반복실험 간의 편차가 크게 나타났다. 또한, 목표밀도 400 kg/m3일 경우 2차, 3차 압축에 요구되는 압력은 약 40,000~60,000 N/m3로 목표밀도 350 kg/m3의 경우보다 높았으며 반복시험별로 2차 압축과 3차 압축에 요구되는 압축응력의 차이는 크지 않았다. 따라서 초기 압축력이 높을수록 목표로 하는 밀도에 도달하기 위해 반복되는 압축횟수는 적어지는 현상이 있는 것으로 판단되며, 본 연구에서는 2수준의 목표밀도 모두 대부분 2차 압축에서 목표밀도의 90%이상은 소성변형과 함께 달성할 수 있을 것으로 판단된다.
- 목표밀도가 400 kg/m3 일 경우 2, 3차 압축에 요구되는 응력은 약 40,000~60,000 N/m3으로 압축응력의 차이는 크지 않았다. 리기다소나무, 잣나무, 신갈나무의 반복압축 시 응력-변형률 자료를 기반으로 지수함수 형태로 모델화한 것의 물리적 특성 값은 목표밀도 350 kg/m3과 400 kg/m3 모두 벌채부산물 기계적 성질에 따른 응력계수는 압축횟수가 늘어나면서 줄어드는 경향을 나타냈으며, 반대로 변형율 계수는 늘어나는 경향을 나타내었다. 모델화를 통해 압축횟수가 증가할수록 압축에 요구되는 소요응력은 줄어들고, 변형율 변화에 비해 응력증가가 커지는 특성이 있으므로, 적절한 초기 압축력이 벌채부산물의 목표밀도 달성에 중요한 변수임을 확인할 수 있었다.
- 리기다소나무, 잣나무, 신갈나무의 반복압축 시 응력-변형률 자료를 기반으로 지수함수 형태로 모델화한 것의 물리적 특성 값은 목표밀도 350 kg/m3과 400 kg/m3 모두 벌채부산물 기계적 성질에 따른 응력계수는 압축횟수가 늘어나면서 줄어드는 경향을 나타냈으며, 반대로 변형율 계수는 늘어나는 경향을 나타내었다. 모델화를 통해 압축횟수가 증가할수록 압축에 요구되는 소요응력은 줄어들고, 변형율 변화에 비해 응력증가가 커지는 특성이 있으므로, 적절한 초기 압축력이 벌채부산물의 목표밀도 달성에 중요한 변수임을 확인할 수 있었다. 벌채부산물의 운재 및 운송비용에서는 압축으로 인하여 운반차량의 적재량을 늘리는 동시에 부정형의 벌채부산물을 원통모양으로 성형 처리함으로써 운재 및 운송 전 상하차가 용이하고 운반차량을 유용하게 이용할 수 있어 벌채부산물의 형태보다 운반비용을 줄일 수 있을 것으로 예상된다.
- 시험 시 만능재료시험기의 시작 표점거리를 고려하면 약 228 mm 의 소성변화가 생겨 리기다소나무에 비해서는 소성변화가 적었다. 목표밀도 400 kg/m3의 경우 목표밀도가 350 kg/m3의 경우보다 초기 1차 압축시의 응력요구도가 컸으며 1차 압축 후 재차 이완 후 2차 압축을 했을 때는 350 kg/m3의 경우에서는 리기다소나무와 마찬가지로 3차 압축에서 볼 수 있는 소성변형이 발생한 것을 알 수 있었으며 2차 압축 후 3차 압축을 시도할 때의 그래프와 같이 소성변형량은 변형율 40~50%로 약 260~325 mm 정도였다.
- 목표밀도 400 kg/m3의 경우는 목표밀도가 350 kg/m3의 경우보다 초기 1차 압축시의 응력요구도가 컸으며 1차 압축 후 재차 이완 후 2차 압축을 했을 때는 350 kg/m3의 경우에서는 리기다소나무, 잣나무와 마찬가지로 3차 압축에서 볼 수 있는 소성변형이 발생한 것을 알 수 있었으며 2차 압축 후 3차 압축을 시도할 때의 그래프와 같이 소성 변형량은 변형율 25~45%로 약 163~293 mm 정도이나 다른 실험 수종에 비해 반복실험 간의 편차가 크게 나타났다. 또한, 목표밀도 400 kg/m3일 경우 2차, 3차 압축에 요구되는 압력은 약 40,000~60,000 N/m3로 목표밀도 350 kg/m3의 경우보다 높았으며 반복시험별로 2차 압축과 3차 압축에 요구되는 압축응력의 차이는 크지 않았다.
- 이 소요되는 것으로 나타났으며, 약 35%의 소성변화량을 보였다. 목표밀도 400kg/m3에서 2, 3차 압축에 필요한 응력은 30,000~40,000 N/m3로 3차 압축 후 약 40~50%의 소성변형율을 보였으며, 실험에 사용된 잣나무 벌채부산물의 평균 함수율은 34.8%(wb)이다.
- 벌채부산물의 압축 목표밀도를 350 km/m3로 설정한 경우 1차 압축 시 약 50~60%의 변형율 구간이 목표밀도에 접근하는 변형율로, 실제 응력은 20,000~35,000 N/m3으로 전체적으로는 리기다소나무보다도 낮은 것으로 나타났으며, 지수함수에 의한 예측 모델에서는 리기다소나무, 잣나무와는 달리 반복실험에 대한 예측응력이 같거나 다소 작게 변화하는 것으로 나타났다. 1차 압축 후 2차 압축한 결과 같이 약 35~50%의 변형율 구간부터 응력이 발생하는 것으로 보아 리기다소나무, 잣나무와 마찬가지로 1차 압축 후 소성변화가 생긴 것으로 판단할 수 있다.
- 수종별 벌채부산물의 응력-변형율 특성을 분석한 결과 스트레인 증가에 따라 벌채부산물의 압축력에 대한 응력은 지수 함수적으로 증가하는 것으로 분석되었다. 따라서 본 연구에서의 응력-변형율에 대한 모델은 다음과 같은 형태로 나타낼 수 있다(식 1).
- 목표밀도 350 kg/m3의 3차 압축 경우는 목표밀도까지 소요되는 응력이 1, 2차 보다 낮아졌으며 2차 압축시보다 변형율의 시작점은 리기다소나무와는 달리 큰 소성변화량은 없었다. 시험 시 만능재료시험기의 시작 표점거리를 고려하면 약 228 mm 의 소성변화가 생겨 리기다소나무에 비해서는 소성변화가 적었다. 목표밀도 400 kg/m3의 경우 목표밀도가 350 kg/m3의 경우보다 초기 1차 압축시의 응력요구도가 컸으며 1차 압축 후 재차 이완 후 2차 압축을 했을 때는 350 kg/m3의 경우에서는 리기다소나무와 마찬가지로 3차 압축에서 볼 수 있는 소성변형이 발생한 것을 알 수 있었으며 2차 압축 후 3차 압축을 시도할 때의 그래프와 같이 소성변형량은 변형율 40~50%로 약 260~325 mm 정도였다.
- 목표밀도 350 kg/m3의 3차 압축 경우는 목표밀도까지 소요되는 응력이 1, 2차 보다 낮아졌으며 2차 압축시보다 변형율의 시작점은 잣나무와 유사하게 큰 소성변화량은 없었다. 시험 시 만능재료시험기의 시작 표점거리를 고려하면 약 260~325 mm의 소성변화가 생겨 리기다소나무, 잣나무에 비해서 소성변화가 비교적 큰 것으로 판단된다.
- 전체적으로 리기다소나무에 비해 잣나무 가지의 개수가 많은 것으로 보아 직경이 작을 것으로 판단되며 이는 압축재하 실험 시직경이 큰 재료가 있는 경우보다 공극이 적어 압축에 소요되는 힘이 더 많이 요구될 수 있는 가능성이 있을 것으로 판단된다. 신갈나무의 경우는 리기다소나무와 잣나무의 경우보다 직경 20 mm 이하의 가지 분포가 많은 것을 알 수 있으며 4, 5회의 경우는 직경이 작은 가지가 더 많은 것으로 분석되어 목표밀도 400 kg/m3 시험의 경우 더 많은 소요압축력이 요구될 것으로 예상된다.
- 리기다소나무와 마찬가지로 잣나무의 경우는 침엽수로 온도가 낮은 초봄에도 토양이 해동되어 뿌리로부터 일부 수액의 이동이 있는 것으로 판단된다. 신갈나무의 평균 함수율은 36.3%로 잎의 경우는 현장수확 시 거의 떨어져나가서 고려하지 않았으며, 직경이 작을수록 함수율이 낮은 경향이 보이나 전체적으로 큰 차이를 나타내지는 않았다. 같은 시기에 수확하여 측정하였음에도 불구하고 침엽수의 경우보다 활엽수의 함수율이 낮은 것은 목재 자체가 가지고 있는 수분통로의 비율이 활엽수보다는 침엽수가 더 많아 같은 조건에서 목재가 가지는 함수율이 차이가 있는 것으로 판단된다.
- 목표밀도 350 kg/m3의 3차 압축 경우는 목표밀도까지 소요되는 응력이 1, 2차 보다 낮아졌으며 2차 압축시보다 변형율의 시작점이 커져 소성변화량도 커진 것을 알 수 있다. 약 40%의 소성 변화량을 보임으로써 초기 만능재료시험기의 표점거리가 650 mm 임을 감안하면 약 260 mm의 소성변화가 생긴 것을 알 수 있다.
- 잣나무의 경우도 리기다소나무와 마찬가지로 목표밀도 350 kg/m3인 1~3회의 경우 목표밀도 400 kg/m3의 시험인 4~6회의 경우보다 직경 40 mm 이하의 가지가 비교적 많이 분포되어 있다. 전체적으로 리기다소나무에 비해 잣나무 가지의 개수가 많은 것으로 보아 직경이 작을 것으로 판단되며 이는 압축재하 실험 시직경이 큰 재료가 있는 경우보다 공극이 적어 압축에 소요되는 힘이 더 많이 요구될 수 있는 가능성이 있을 것으로 판단된다. 신갈나무의 경우는 리기다소나무와 잣나무의 경우보다 직경 20 mm 이하의 가지 분포가 많은 것을 알 수 있으며 4, 5회의 경우는 직경이 작은 가지가 더 많은 것으로 분석되어 목표밀도 400 kg/m3 시험의 경우 더 많은 소요압축력이 요구될 것으로 예상된다.
- 특히 직경이 40 mm 이상인 것은 함수율 측정부분의 목재가 대부분 심재로 다른 가지에 비해 직경이 굵음에도 불구하고 함수율이 낮게 조사되었다. 전체적인 평균 함수율은 36.8%(wb)로 리기다소나무 보다는 낮았으며 잎의 경우에는 평균 56.2%(wb)로 높은 함수율을 나타냈다. 리기다소나무와 마찬가지로 잣나무의 경우는 침엽수로 온도가 낮은 초봄에도 토양이 해동되어 뿌리로부터 일부 수액의 이동이 있는 것으로 판단된다.
- 평균 함수율이 52.7%(wb)인 리기다소나무의 벌채부산물의 경우 압축 목표밀도가 350 kg/m3 일 때 1차 압축에서 25,000~30,000 N/m3정도로 높은 압축응력을 필요로 하였으며, 3차 압축 후 약 40%의 소성변화량을 보였다. 목표밀도 400 kg/m3에서는 2, 3차 압축에 요구되는 응력이 약 30,000N/m3로 압축 후 약 45%의 소성변형율을 보였다.
후속연구
- 벌채부산물의 운재 및 운송비용에서는 압축으로 인하여 운반차량의 적재량을 늘리는 동시에 부정형의 벌채부산물을 원통모양으로 성형 처리함으로써 운재 및 운송 전 상하차가 용이하고 운반차량을 유용하게 이용할 수 있어 벌채부산물의 형태보다 운반비용을 줄일 수 있을 것으로 예상된다. 특히, 예측된 자료를 통해 압축화장치개발의 조건을 제시 할 수 있으며, 이러한 예측 및 설계 기술을 통해 임업 현장에서의 벌채부산물의 운재 및 운송의 용이 및 비용의 감소에 매우 큰 기여를 할 수 있을 것으로 기대한다.
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