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문제 정의
- 본 논문에서는 원통형 단판적층재의 작업성능을 향상시키기 위해 단판 테이프의 인강강도 성능을 평가하였으며, 원통형 단판적층재의 휨 부재로써 활용 가능성을 평가하고자 낙엽송 원목과 원통형 단판적층재의 휨 강도 성능을 비교 분석하였다.
- 본 연구에서는 이러한 단판 테이프의 단점을 보안하고자 재봉선 수, 실의 조합, 재봉사의 종류, 그리고 수종에 따라 다양한 단판 테이프를 제작하여 인장강도성능을 평가하였다. 또한, 원통형 단판적층재는 단판 테이프의 종류, 적층 수, 직물형 유리섬유의 보강 유무를 다르게 제작하였으며, 낙엽송 원목과 휨 강도 성능을 비교 분석하였다.
제안 방법
- 직물형 유리섬유 보강 원통형 단판적층재는 체적 비는 11%로 보강하였다. 10층과 20층 원통형 단판 적층재의 직물형 유리섬유 보강위치는 Fig. 3과 같은 위치에 3겹씩 교차적층 하였으며, 접착제는 양면도포 하였다. 완성된 원통형 단판적층재는 고무밴드를 사용하여 0.
- 단판 테이프 시험편은 길이 30 cm로 일정하게 재단하였으며, 고정부의 파괴를 억제하기 위하여 시험편 상⋅하단에 GFRP (Glass Fiber Reinforced Plastics) 시트를 에폭시 수지로 접착시킨 후, 인장시험을 진행하였다.
- Don) 단판을 사용하였다. 단판 테이프는 단판을 섬유수직방향으로 재봉하여 제작하였다(Fig. 1). 재봉기의 실은 윗실과 밑실 두 가지로 구분되어지며, 실의 종류마다 합(실이 꼬인 개수)이 다르다.
- Song 등(2014)은 직물형 유리섬유로 보강하거나, 중공부위에 콘크리트를 타설한 원통형 단판적층기둥재의 압축 성능을 원목과 비교 검토하였다. 또한 원통형 단판적층재를 보부재와 접합하여 접합부의 강도 성능도 검토하였다(Song et al., 2014). 하지만 원통형 단판적층재의 휨 부재 성능에 대한 연구는 미진한 상황이다.
- 실 종류에 따른 단판 테이프는 일반 폴리에스테르사 윗실 9합 밑실 6합으로 제작된 대조군 시험편과 강화 폴리에스테르사로 제작된 Type-A (윗실 6합, 밑실 3합), Type-B (윗실 6합, 밑실 6합), Type-C (윗실 9합, 밑실3합) 시험편을 제작 사용하였다. 또한 재봉선 수도 2줄과 3줄로 다르게 적용하여 시험편을 제작하였다(Table 1). 윗실과 밑실의 조합에 따른 단판 테이프의 인장강도 성능은 재봉선 2줄 시험편으로 측정하였으며, 재봉선 3줄 시험편은 재봉선 2줄 시험편에서 가장 양호한 실 조합으로 제작하였다.
- 본 연구에서는 이러한 단판 테이프의 단점을 보안하고자 재봉선 수, 실의 조합, 재봉사의 종류, 그리고 수종에 따라 다양한 단판 테이프를 제작하여 인장강도성능을 평가하였다. 또한, 원통형 단판적층재는 단판 테이프의 종류, 적층 수, 직물형 유리섬유의 보강 유무를 다르게 제작하였으며, 낙엽송 원목과 휨 강도 성능을 비교 분석하였다.
- 3과 같은 위치에 3겹씩 교차적층 하였으며, 접착제는 양면도포 하였다. 완성된 원통형 단판적층재는 고무밴드를 사용하여 0.3 MPa의 압체압력을 가해주고 3일간 상온경화 하였다. 원통형 단판적층재 시험편의 명명과 제작된 단면의 직경은 Table 2와 같다.
- 원통형 단판적층재의 종류는 재봉선 2줄 단판 테이프로 제작된 10층 원통형 단판적층재를 기준으로 단판 테이프의 종류와 보강 유무 그리고 적층 수를 각기 다르게 제작하였다(Table 2).
- 원통형 단판적층재의 흼 강도시험은 지점간 거리 1800 mm, 하중점간거리 600 mm의 3등분 4점 하중을 가하여 실시하였다(하중속도 10 mm/min). 휨 시험편의 변형은 중앙부분과 하중이 가해지는 부위의 하단부에 변위계를 설치하여 측정하였다.
- 또한 재봉선 수도 2줄과 3줄로 다르게 적용하여 시험편을 제작하였다(Table 1). 윗실과 밑실의 조합에 따른 단판 테이프의 인장강도 성능은 재봉선 2줄 시험편으로 측정하였으며, 재봉선 3줄 시험편은 재봉선 2줄 시험편에서 가장 양호한 실 조합으로 제작하였다.
- 재봉기의 실은 윗실과 밑실 두 가지로 구분되어지며, 실의 종류마다 합(실이 꼬인 개수)이 다르다. 이 특성을 활용하여 단판 테이프에 박음질되는 윗실과 밑실의 조합을 다양하게 하였다. 실 종류에 따른 단판 테이프는 일반 폴리에스테르사 윗실 9합 밑실 6합으로 제작된 대조군 시험편과 강화 폴리에스테르사로 제작된 Type-A (윗실 6합, 밑실 3합), Type-B (윗실 6합, 밑실 6합), Type-C (윗실 9합, 밑실3합) 시험편을 제작 사용하였다.
- 원통형 단판적층재제작 기계는 직경 140 mm 길이 2400 mm의 실린더를 중심으로 접착제 도포 및 단판 공급 장치와 압제 롤러 그리고 손잡이로 구성되어 있다. 제작 방법은 손잡이를 돌려서 실린더가 회전하면 접착제 도포 장치에서 단판이 공급되어 실린더에 감기는 동시에 압제롤러가 단판을 압제해주는 방식이다(Fig. 2). 원통형 단판적층재의 길이는 최대 2200 mm까지 제작 가능하며 핸들의 방향에 따라 단판이 감기는 방향을 전환할 수 있다.
대상 데이터
- 공시재료로는 평균 기건비중 0.52, 평균함수율 7%, 폭 100 mm, 두께 2.66 mm의 낙엽송(Larix kaempferi (Lamb.) Carriere)과 이와 같은 크기로 제재된 평균 기건비중 0.48, 평균함수율 8%의 라디에타 소나무(Pinus radiata D.Don) 단판을 사용하였다. 단판 테이프는 단판을 섬유수직방향으로 재봉하여 제작하였다(Fig.
- 원통형 단판적층재 제작시 단판 테이프의 이격현상 감소로 원통형 단판적층재 외관의 심미성이 향상되었다. 또한 원통형 단판적층재의 Butt joint간 접착력이 향상되어 일반 단판 테이프로 제작한 원통형 단판적층재와 파괴형상이 상이하였다. 3줄 단판 테이프로 제작한 원통형 단판적층재는 Butt joint에서 파괴형상이 발생하지 않고 단판의 섬유방향으로 파단이 관찰되었다.
- 접착제는 레조시놀수지를 경화제와 100 : 15 비율로 혼합하여 사용하였다. 보강재로는 폭 200 mm 두께 0.5 mm인 직물형 유리섬유를 사용 하였다. 단판 테이프는 적층기의 실린더 축과 경사각± 10°가 되도록 나선상으로 교차적층 하였다 (Yamauchi et al.
- 이 특성을 활용하여 단판 테이프에 박음질되는 윗실과 밑실의 조합을 다양하게 하였다. 실 종류에 따른 단판 테이프는 일반 폴리에스테르사 윗실 9합 밑실 6합으로 제작된 대조군 시험편과 강화 폴리에스테르사로 제작된 Type-A (윗실 6합, 밑실 3합), Type-B (윗실 6합, 밑실 6합), Type-C (윗실 9합, 밑실3합) 시험편을 제작 사용하였다. 또한 재봉선 수도 2줄과 3줄로 다르게 적용하여 시험편을 제작하였다(Table 1).
- 원통형 단판적층재 시험편의 명명과 제작된 단면의 직경은 Table 2와 같다. 원통형 단판 적층재의 휨 강도 성능을 비교하기 위하여 직경 200 mm의 낙엽송(Larix kaempferi Carr.) 원주목을 대조 시험편으로 사용하였다. 모든 시험편의 길이는 2000 mm로 동일하게 제작하였다.
- 원통형 단판적층재에 사용된 단판테이프는 인장강도 시험에서 가장 우수한 성능의 조합과 일반 단판 테이프(Table 1)를 사용하였다. 원통형 단판적층재제작 기계는 직경 140 mm 길이 2400 mm의 실린더를 중심으로 접착제 도포 및 단판 공급 장치와 압제 롤러 그리고 손잡이로 구성되어 있다.
성능/효과
- 20층 무보강 원통형 단판적층재 시험편의 최대하 중은 95.0 kN으로 10층 무보강 시험편의 최대하중 40.8 kN보다 2.3배 증가되었으며, 직물형 유리섬유로 보강한 20층 시험편도 보강한 10층 시험편보다 최대하중이 2.3배 증가되는 경향을 보였다. 원통형 단판적층재는 단판 적층 수 증가에 따라 최대하중은 비례하여 증가하는 경향을 보였다.
- 강화 재봉사를 사용한 시험편의 경우 Type-A와 Type-C의 강도 차이는 미비하였으나 Type-B 시험편은 25∼30% 우수한 인장성능이 확인되었다.
- 단판 테이프의 인장강도성능 시험결과 라디에타소나무, 재봉선 3줄, 강화 재봉사로 제작된 단판 테이프가 가장 우수한 인장강도 값을 나타냈으며, 이격 및 끊어짐 현상이 현격히 저하되었다. 인장강도 성능이 우수한 3줄 단판 테이프로 원통형 단판적층재를 제작할 경우 단판 테이프의 끊어짐 현상이 저하되어 제작과정의 작업능률이 향상되었다.
- 이는 단판 테이프의 윗실만 보강하였을 경우 대부분 밑실에서 파단이 관찰되었기 때문에 윗실과 밑실 중 합이 낮은 실에서 파단이 발생하는 것으로 분석된다 (Table 3). 따라서 한쪽 실만 보강하는 것보다는 Type-B처럼 양측을 동일하게 보강하는 것이 효율적이라고 판단된다. 이후 재봉선 3줄로 이루어진 단판 테이프 시험편은 Type-B조합으로 제작하였다.
- Berard 등(2011)은 원통형 단판적층재의 휨 강도 값과 유한요소법으로 예측한 값을 비교 검토하여 유한 요소법의 신뢰성을 확인하였다. 또한 원통형 단판적층제의 MOE와 MOR은 섬유경사각과 관련이 없으며, Butt joint 간격이 0.5 mm 이하에서 향상됨을 유한요소법으로 확인하였다. Suh 등(2012)은 원통형 단판적층재의 내수접착성능이 양호하며, 오일 도장 처리할 경우 내마모성이 향상된다고 보고하였다.
- 라디에타 단판 테이프 시험편이 낙엽송 단판 테이프 시험편보다 10∼20% 향상된 인장강도 값이 관찰되었다.
- 이는 원통형 단판적층재 제작과정에서 단판 테이프의 이격현상이 감소하여 원통형 단판적층재의 공극이 적어진 현상에 기인한 것으로 분석된다. 원통형 단판적층재 제작 시 끊김 현상도 현격히 감소하여 외관의 심미성이 향상되었다 (Fig. 7).
- 인장강도 성능이 우수한 3줄 단판 테이프로 원통형 단판적층재를 제작할 경우 단판 테이프의 끊어짐 현상이 저하되어 제작과정의 작업능률이 향상되었다. 원통형 단판적층재 제작시 단판 테이프의 이격현상 감소로 원통형 단판적층재 외관의 심미성이 향상되었다. 또한 원통형 단판적층재의 Butt joint간 접착력이 향상되어 일반 단판 테이프로 제작한 원통형 단판적층재와 파괴형상이 상이하였다.
- 원통형 단판적층재는 체적비 11%의 직물형 유리섬유로 보강할 경우, 모든 원통형 단판적층재 시험편의 휨 파괴계수가 보강하지 않은 원통형 단판적층재보다 64% 향상되었다. 직물형 유리섬유로 보강하지 않은 원통형 단판적층재 시험편들은 최대하중 이후 급격한 하중감소로 연성이 적게 관찰 되었으나, 직물형 유리섬유로 보강한 원통형 단판적층재는 최대하중 이후에도 완만한 곡선 형태로 하중이 유지되어 연성이 증가한 것을 확인할 수 있었다(Fig.
- 67로 측정되어서 단면 이차모멘트 비 휨 파괴계수 값은 동일한 경향을 보였다. 원통형 단판적층재의 탄성계수 값은 낙엽송 원목보다 낮게 측정되었지만, 직물형 유리섬유로 보강한 원통형 단판적층재의 탄성계수 값은 12% 증가하였다.
- 일반 폴리에스테르사 윗실 9합 밑실 6합으로 제작된 대조군 시험편 단판 테이프를 사용한 원통형 단판적층재보다 인장성능이 향상된 단판 테이프로 제작된 원통형 단판적층재의 휨 강도 성능이 소폭 향상되었다. 이는 원통형 단판적층재 제작과정에서 단판 테이프의 이격현상이 감소하여 원통형 단판적층재의 공극이 적어진 현상에 기인한 것으로 분석된다.
- 재봉선 3줄 시험편은 Table 4와 같이 강화 재봉사를 사용한 시험편의 인장강도 성능이 향상되었으며 2줄 시험편보다 40∼60% 인장강도 향상이 관찰되었다.
- 원통형 단판적층재는 체적비 11%의 직물형 유리섬유로 보강할 경우, 모든 원통형 단판적층재 시험편의 휨 파괴계수가 보강하지 않은 원통형 단판적층재보다 64% 향상되었다. 직물형 유리섬유로 보강하지 않은 원통형 단판적층재 시험편들은 최대하중 이후 급격한 하중감소로 연성이 적게 관찰 되었으나, 직물형 유리섬유로 보강한 원통형 단판적층재는 최대하중 이후에도 완만한 곡선 형태로 하중이 유지되어 연성이 증가한 것을 확인할 수 있었다(Fig. 6). 이러한 현상은 직물형 유리섬유가 취성파단을 억제하였기 때문이라고 판단된다.
- 직물형 유리섬유로 보강한 10층 시험편과 3줄 단판 테이프를 사용하고 직물형 유리섬유로 보강한 10층 시험편의 휨 파괴계수 값은 유사직경의 원목 보다 0.66, 0.68배 낮게 측정되었지만, 단면 이차모멘트의 비율이 0.67로 측정되어서 단면 이차모멘트 비 휨 파괴계수 값은 동일한 경향을 보였다. 원통형 단판적층재의 탄성계수 값은 낙엽송 원목보다 낮게 측정되었지만, 직물형 유리섬유로 보강한 원통형 단판적층재의 탄성계수 값은 12% 증가하였다.
- 3줄 단판 테이프로 제작한 원통형 단판적층재는 Butt joint에서 파괴형상이 발생하지 않고 단판의 섬유방향으로 파단이 관찰되었다. 직물형 유리섬유로 보강한 원통형 단판적층재(10층, 20층)는 보강하지 않은 시험편보다 휨 파괴계수가 60% 향상되었으며 탄성계수도 64%로 보강 비율에 따라 균일하게 향상된 경향을 보였다.
- , 2014). 최대하중은 직경 193 mm 의 3줄 단판 테이프로 제작된 10층 원통형 단판적층재 시험편과 비슷하였으나 라디에타 소나무로 제작된 원통형 단판적층재의 파괴형상이 간벌재로 제작된 원통형 단판적층재 보다 안정적인 것으로 관찰되었다. 파괴모드는 인장부위 하단 중앙에서 할렬이 시작되어 섬유방향으로 파단이 진행된 원목의 파괴모드와 흡사하였다.
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