[논문]초음파 전파속도법을 이용한 목조 문화유산 흰개미 피해의 정량 평가

안재철

doi:10.7738/jah.2015.24.5.041

문제 정의

따라서 본 연구에서는 근대 목조 문화유산의 지속가능한 유지관리를 위하여 흰개미 식해에 의한 목조 구조물의 구조적 성능 저하를 정량적으로 분석하는 것을 목적으로 내부 공극 증가에 의한 목부재의 단면적 감소율을 내부 결함 및 공극의 발견에 용이한 초음파 전파속도를 통하여 분석하고자 하였다.
그러나 이러한 값은 육안으로 나타난 열화현상을 토대로 내부의 상태를 예측하는 보조적인 도구로 활용이 가능하다. 따라서 본 장에서는초음파 전파속도를 측정한 부재에 대하여 직접 단면 결손율을 측정하여 그 상관관계를 규명하고자 하였다. 특히, 문화재 건축물의 경우 흰개미 피해가 발생할 경우 당해 부재의 전체 교체보다 부분적인 교체가 이루어지는 것이 일반적이기 때문에 부재 전체의 강도 예측보다 흰개미 충해의 진행과정과 피해 범위의 규명이 필수적이다.
본 연구에서는 초음파 전파속도법을 이용하여 목조 구조물의 흰개미에 의한 식해 범위 및 진행과정을 예측하고자 하였다. 이상의 연구결과를 요약하면 다음과 같다.

제안 방법

비파괴 평가는 각 단면을 기본 단위로 하여 수행되며, 단면의 형태 및 크기, 그리고 흰개미의 침투가 발생되는 하부로부터 상부의 방향으로 5회 이상의 시험을 실시하였다. 먼저 부재의 표면에 붙어있는 먼지 및 이물질을 제거하고, 각각의 측정위치에서의 부재 두께(전파길이)를 측정하여 초음파 전파속도를 측정하였다.
본 장에서는 목조 건축물의 흰개미에 의한 충해 부위중 기둥, 보 부재와 같이 비교적 단면이 큰 부재를 중심으로 초음파 전파시간을 이용한 비파괴 평가를 실시하고, 그 결과를 육안 조사의 결과와 비교하였다.
비파괴 평가는 각 단면을 기본 단위로 하여 수행되며, 단면의 형태 및 크기, 그리고 흰개미의 침투가 발생되는 하부로부터 상부의 방향으로 5회 이상의 시험을 실시하였다.
초음파 전파속도의 측정은 Fig.11과 같이 전 장의 조사 기둥을 대상으로 흰개미의 침투가 이루어진 기둥 6개소를 절단하여 기둥 하부로부터 상부 건전부의 방향으로 5cm 간격으로 50여개소를 측정하였다. 초음파 실험 장치(PUNDIT-pulse)와 측정 방법은 전 절과 동일하다.

대상 데이터

본 실험에 사용한 시료는 일제강점기(준공시기 미상)에 건축된 광양 서울대학교 학술림 관사(등록문화재 제223호)의 기둥 및 보 부재를 사용하였다. 목재는 수종에 따른 밀도가 상이하여 초음파 전파속도의 차이가 발생한다.

데이터처리

초음파 전파속도의 측정이 종료된 부재는 측정면을 절단하여 사진 촬영을 하고 화상분석(Fig.12)을 통해 산출한 단면 결손율을 회귀분석을 통해 초음파 전파속도와의 상관관계를 분석하였다.

성능/효과

단면 결손율과 초음파 전파속도는 부의 상관관계를 나타내고 있으며 상관성이 높은 것을 알 수 있었다. 소나무를 이용한 구조부재의 경우 본 연구에서 도출한 회귀식으로 내부 단면 결손율의 예측이 가능하며, 목구조의 구조안전성 평가시 유효 단면적의 입력치로서 활용이 가능하다.
목재는 수종에 따른 밀도가 상이하여 초음파 전파속도의 차이가 발생한다. 따라서 Fig.9와 같이 조직분석을 수행한 결과 대상 건축물에 구조부재로 사용된 재료는 소나무(P inus densiflora Sieb. et Zucc.)로 판명되었다.
13의 a, b)로 인한 셀룰로오스 분해에 의한 밀도 변화가 오차의 원인으로 판단된다. 따라서 소나무를 구조재로 사용한 목조 건축물의 초음파 전파속도의 측정시 1,700m/sec를 건전부재의 표준값으로 활용하는 것이 적절하다.
따라서 초음파 측정 장치로부터 일정한 주파수와 세기를 가지는 초음파를 발생시켜 부재에 전달하고 이러한 초음파가 부재를 통과하는 시간을 측정하여 내부 공극구조의 추정과 이에 따른 강도 추정에 비교적 일정한 결과를 얻을 수 있다. 이는 응력파는 해머로 직접 충격을 가하기 때문에 매번 발생하는 응력파가 상이하여 측정위치 변화에 민감한 것과는 대조되는 특성이다⁷⁾.
먼저 흰개미 충해가 거의 발견되지 않은 건전 부재인 column 1과 column 2 등에서의 초음파 전파속도는 약 1,500m/sec로 비교적 일정한 값을 나타내었다.
본 결과를 통하여 흰개미 충식을 통하여 발생된 내부의 독립 또는 연속된 공극의 초음파 전파속도를 통한 분석 가능성이 확인되었다. 이러한 결과는 현장에서 수행하는 목조 문화유산의 흰개미에 의한 피해 유무의 정성적인 판단은 가능하다.
흰개미에 의한 식해가 발생된 부재의 초음파 전파속도는 500~1500m/sec로 큰 차이를 나타내었다. 이때 5%의 단면 결손이 나타난 경우의 초음파 전파속도는 약1,300m/sec으로 약 25%의 속도가 감소하였으며, 10%의 단면 결손에서 약 35%의 속도 감소가 나타났다.
전 절의 현장 측정 결과와 같이 초음파 전파속도를 이용하여 흰개미 충식 부재의 건전도에 대한 상대적 평가가 가능한 것을 확인하였다. 그러나 이러한 값은 육안으로 나타난 열화현상을 토대로 내부의 상태를 예측하는 보조적인 도구로 활용이 가능하다.

후속연구

그러나, 본 회귀식은 소나무 수종에서의 적용 또는 건전부재와 상대적인 평가에 활용시 그 신뢰도가 높다는 점에서 한계점을 가진다. 따라서 국내에서 사용된 다양한 구조용 수종과 각종 마감재료의 초음파 전파속도에 관한 데이터베이스가 구축된다면 문화유산의 유지관리를 위한 비파괴 시험법으로 활용도가 넓어질 것으로 생각된다.
단, 본 회귀식은 소나무를 구조부재로 사용한 경우에 활용 가능하며 추후 다양한 구조용 목재를 대상으로 초음파 전파속도와 단면 결손율의 관계에 대한 데이터 베이스 구축이 필요하다.
그러나, 본 회귀식은 소나무 수종에서의 적용 또는 건전부재와 상대적인 평가에 활용시 그 신뢰도가 높다는 점에서 한계점을 가진다. 따라서 국내에서 사용된 다양한 구조용 수종과 각종 마감재료의 초음파 전파속도에 관한 데이터베이스가 구축된다면 문화유산의 유지관리를 위한 비파괴 시험법으로 활용도가 넓어질 것으로 생각된다.
특히 목재는 부후 및 흰개미에 의한 충해 등의 생물학적 열화가 건축물의 내구수명에 큰 영향을 미치고 있으며, 이는 지속적인 유지관리와 원형 보존, 그리고 경제성 측면에서 많은 문제의 원인이 된다. 따라서 유기재료인 목재가 생물학적 열화요인으로 인하여 강도 및 강성이 저하하거나 단면이 결손되는 재료적 특성에 대한 체계적인 연구와 함께 피해 원인 및 과정을 과학적으로 분석하는 다양한 기술 개발이 요구된다.
목재의 흰개미 충해는 목재의 세포벽 성분을 분해시켜 조직의 구조를 파괴하는 부후와 달리 내부 공동화가 이루어지는 충해 이외의 조직은 건전한 상태를 나타내는 것이 특징이다. 따라서, 기존 연구에서와 같이 부재의 잔존 강도를 예측하는 것보다 내부 단면 결손율을 이용하여 구조부재의 잔존 유효 단면의 예측이 가능하다면 보다 정확한 구조안전성의 시뮬레이션 및 예측이 가능하다.
본 연구에서 도출한 회귀식은 현재 콘크리트 구조물의 안전성 검토시 활용하는 초음파 전파속도와 강도와의 관계식에 비하여 상관관계가 높게 나타나 목조 문화재의 안전성 검토 및 부재의 교체여부의 판단 등에 널리 활용이 가능할 것으로 판단된다.
단면 결손율과 초음파 전파속도는 부의 상관관계를 나타내고 있으며 상관성이 높은 것을 알 수 있었다. 소나무를 이용한 구조부재의 경우 본 연구에서 도출한 회귀식으로 내부 단면 결손율의 예측이 가능하며, 목구조의 구조안전성 평가시 유효 단면적의 입력치로서 활용이 가능하다.
전절에서의 측정 결과를 토대로 본 연구에서 도출한 회귀식을 활용한다면, 초음파 전파속도를 이용하여 목조부재 내부의 흰개미 충식과 이로 인한 공동화 및 단면결손의 진행상황의 정도 높은 예측이 가능하다.
향후, 문화유산의 보존에 있어서 손상 범위의 확인 및 부재의 교체과정의 다양한 의사결정 프로세스에서 유용하게 활용이 가능할 것으로 생각된다.

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