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문제 정의
- 따라서 본 연구에서는 인장력과 변형 능력이 우수한 강판을 사용하여 구조용 집성재의 강도를 향상시키고 연성 능력을 극대화시킬 수 있는 강판 매입형 집성재의 복합 단면 형상을 개발하고 실대형 휨 실험을 통해 구조 안전성을 평가하여 강판 매입 집성재 보의 실제 건축물에 적용 가능성을 타진해 보고자 한다.
- 구조 성능 실험의 주요 변수를 찾기 위하여 강판 매입 집성재의 단면 성능을 먼저 확인하고자 하였다. 집성재의 단면 성능은 KS F 3021 5) 및 KBC 2016 목구조 설계기준 3) 과 소규모건축기준 목구조 4) 에 따라 검토하였으며, 선형탄성해석을 가정한 허용응력설계법을 적용한다 6) .
- 본 연구에서는 인장력과 변형 능력이 우수한 강판을 사용하여 구조용 집성재의 강도를 향상시키고 연성 능력을 극대화시킬 수 있는 강판 매입형 보강 집성재의 복합 단면 형상을 개발하고, 실대형 휨성능 평가 실험을 통하여 아래와 같은 결론을 얻었다.
가설 설정
- 강판 매입 집성재 단면에 작용하는 응력과 변형의 산정은 [Fig. 1]과 같이 합성 단면의 최외단부가 항복 응력에 도달하기 전까지 목재와 강재의 완전 합성이 발휘되는 것으로 하며, 핑거조인트에 의한 집성재의 단면의 응력 손실은 없는 것으로 가정한다. 목재와 강판의 완전 합성을 위한 전단 연결재의 설계는 목재와 강판 사이에 작용하는 전단 흐름을 통해 계산된 수평전단력으로 설계에 반영하였다.
- 강판 매입 집성재 단면은 완전 합성으로 거동한다고 가정하였기 때문에 강판 매입 위치에서의 강판과 목재의 변형률은 같다(ε s = ε ω).
제안 방법
- 1]과 같이 합성 단면의 최외단부가 항복 응력에 도달하기 전까지 목재와 강재의 완전 합성이 발휘되는 것으로 하며, 핑거조인트에 의한 집성재의 단면의 응력 손실은 없는 것으로 가정한다. 목재와 강판의 완전 합성을 위한 전단 연결재의 설계는 목재와 강판 사이에 작용하는 전단 흐름을 통해 계산된 수평전단력으로 설계에 반영하였다.
- 단면 설계를 위한 구조용 집성재는 KS F 3021(구조 용집성재)에 따라 정의된 대칭 다른 등급 구성 집성재중 강도 등급 10S-30B로 선정하였으며, 강판과 접합을 위한 직결 나사 및 접착제는 제조사에서 제공하는 재료 성능값을 토대로 재료 강도를 산정하였다. 강판 매입 집성재의 내력 산정을 위한 재료 강도는 [Table 1]과 같다.
- 강판 매입 집성재의 구조 성능 평가를 위하여 총 3개의 실험체를 제작하여 휨성능 실험을 수행하였다. 실험체는 집성재의 강판 매입 효과를 비교하기 위하여 순수 목재로만 구성된 구조용 집성재 실험체 1개와 강판의 부착 성능을 평가하기 위하여 나사 접합 방식 실험체 1개 및 폴리우레탄 접합 방식 실험체 1개를 제작하였다.
- 실험에 사용한 구조용 집성재는 KS F 3021(구조용집 성재)에 따라 정의된 대칭 다른 등급 구성 집성재 중 강도 등급 10S-30B로 수종은 낙엽송을 사용하였다. 집성재를 구성하는 층재 단면은 30(높이)☓150(폭) 크기로 제작하였으며, 총 6개의 층재를 목재용 접착제로 압착하여 180(높이)☓150(폭) 단면의 집성재로 구성한 다음 강판 삽입 후 층재 1개를 추가로 덧대어 최종적으로 210(높이)☓150(폭)☓4,000(길이)의 강판 매입형 집성재 복합 단면을 구성하였다.
- 6mm로 선정하였다. 집성재와 아연도 강판의 부착은 직결 나사 체결 방식과 폴리우레탄 접착제 접합 방식의 2가지로 계획하였다. 직결 나사 체결 방식에서는 강판에 홀 가공을 하지 않았 으며, 접착제 접합 방식의 경우 강판과 목재의 원활한 부착을 위하여 ϕ30 크기의 홀을 전 길이에 걸쳐 2열로 배치하였다.
- 우레탄 접합 방식인 강판 매입 집성재의 제작 과정은 6개의 층재로 구성된 집성재 표면에 폴리우레탄 접착제를 얇게 도포하고 아연도 강판을 부착하였다. 그 다음 강판 표면에 우레탄 접착제를 다시 도포하고 그 위에 층재를 덧댄 후 접착제의 완전한 압착을 위하여 24시간 경화시켰다 7) .
- 휨파괴를 위하여 실험체 지점 간 거리는 단면 높이 210mm의 18배인 3,800mm로 하였다. 하중 가력은 UTM(Universal Testing Machine, 만능재료시험기)을 사용하여 변위 제어로 가력하였으며, 길이의 1/3 지점에서 2점 집중 가력 방식으로 중앙부 변위 기준 100mm까지 0.05mm/sec, 100mm 이후에는 0.1mm/sec의 속도로 가력하였다.
- 처짐량을 측정하기 위해 총 3개의 선형변위 측정기 (LVDT)를 실험체 중앙과 가력 지점에 각각 설치하여 각단계별 하중과 변위를 측정하였다. 집성재에 발생하는 변형률을 측정하기 위하여 변형률 측정 게이지를 설치하였다.
- 처짐량을 측정하기 위해 총 3개의 선형변위 측정기 (LVDT)를 실험체 중앙과 가력 지점에 각각 설치하여 각단계별 하중과 변위를 측정하였다. 집성재에 발생하는 변형률을 측정하기 위하여 변형률 측정 게이지를 설치하였다. 변형률 게이지는 구조용 집성재에 5개, 강판 면에 2개의 게이지를 부착하여 합성 단면의 중립축 위치를 파악하고 강재와 목재 간 상대 슬립을 측정할 수 있도록 계획하였다.
- 집성재에 발생하는 변형률을 측정하기 위하여 변형률 측정 게이지를 설치하였다. 변형률 게이지는 구조용 집성재에 5개, 강판 면에 2개의 게이지를 부착하여 합성 단면의 중립축 위치를 파악하고 강재와 목재 간 상대 슬립을 측정할 수 있도록 계획하였다.
- 강도 등급 10S-30B의 휨강도 30N/mm 2 을 적용한 GL-N 실험체의 예상 최대 하중은 52kN으로 계산되었 지만 실제 실험을 통한 최대 하중은 38kN으로 이론값의 73% 수준의 강도를 나타내었다. 이론상 접착제의 부착 강도는 집성재의 휨강도를 훨씬 상회하므로 접착면의 분리는 집성재 보의 파괴모드로 발생할 수 없기 때문에 GL-N 실험체는 층재 접착제의 시공 불량으로 판단되어 재실험을 수행하였다.
- 1) 개발된 강판 매입 집성재는 1.6mm의 강판을 구조용 집성재의 최외층재 상단에 삽입한 것으로 직결 나사를 이용한 접합(GL-SF-S)과 폴리우레탄 접착제 (GL-SF-P)를 이용한 접합의 2가지 접합 방식으로 강판과 집성재의 합성력을 확보하였다.
대상 데이터
- 접착제의 부착 강도는 단위면적당 부착 강도와 부착 면적의 곱으로 산정한다. 본 실험에서 사용한 폴리우레탄 접착제의 단위면적당 부착 강도는 금속과 목재의 부착 강도값으로 제조사에서 제공하는 값인 2.16MPa을 사용하였다.
- 강판 매입 집성재의 구조 성능 평가를 위하여 총 3개의 실험체를 제작하여 휨성능 실험을 수행하였다. 실험체는 집성재의 강판 매입 효과를 비교하기 위하여 순수 목재로만 구성된 구조용 집성재 실험체 1개와 강판의 부착 성능을 평가하기 위하여 나사 접합 방식 실험체 1개 및 폴리우레탄 접합 방식 실험체 1개를 제작하였다. 변수별 실험체는 [Table 2]에 정리하였다.
- 실험에 사용한 구조용 집성재는 KS F 3021(구조용집 성재)에 따라 정의된 대칭 다른 등급 구성 집성재 중 강도 등급 10S-30B로 수종은 낙엽송을 사용하였다. 집성재를 구성하는 층재 단면은 30(높이)☓150(폭) 크기로 제작하였으며, 총 6개의 층재를 목재용 접착제로 압착하여 180(높이)☓150(폭) 단면의 집성재로 구성한 다음 강판 삽입 후 층재 1개를 추가로 덧대어 최종적으로 210(높이)☓150(폭)☓4,000(길이)의 강판 매입형 집성재 복합 단면을 구성하였다.
- 삽입된 아연도 강판은 KS D 3506 규격의 SGH41 등급이며, 나사 구멍을 미리 가공하지 않고도 목재용 직결 나사로 집성재 단면 구성 후 바로 체결할 수 있도록 두께 1.6mm로 선정하였다. 집성재와 아연도 강판의 부착은 직결 나사 체결 방식과 폴리우레탄 접착제 접합 방식의 2가지로 계획하였다.
- 직결 나사는 M사의 접시 머리 직결 나사를 사용하였다. 규격은 4.
- 강판 매입 집성재 실험체는 KS F 3021의 A형 휨시 험편 시험 방법을 기준으로 제작하였다. 휨파괴를 위하여 실험체 지점 간 거리는 단면 높이 210mm의 18배인 3,800mm로 하였다. 하중 가력은 UTM(Universal Testing Machine, 만능재료시험기)을 사용하여 변위 제어로 가력하였으며, 길이의 1/3 지점에서 2점 집중 가력 방식으로 중앙부 변위 기준 100mm까지 0.
데이터처리
- 이때 실험 결과로 도출한 휨강도는 GL-N-R의 결과를 토대로 계산하였고, 휨탄성계수는 GL-N의 실험 결과로부터 계산하였다. GL-N은 접착 불량으로 강도 발현이 제대로 이루어지지 않았지만 초기 강성은 영향을 받지 않았기 때문이다.
이론/모형
- 4) 에 따라 검토하였으며, 선형탄성해석을 가정한 허용응력설계법을 적용한다 6) .
- 강판의 부착을 위한 접착제는 H社의 폴리우레탄계열 접착제를 사용하였다., 제조사의 자체 시험에 의한 금속과 목재 간 부착 강도는 313 psi(2.
- 강판 매입 집성재 실험체는 KS F 3021의 A형 휨시 험편 시험 방법을 기준으로 제작하였다. 휨파괴를 위하여 실험체 지점 간 거리는 단면 높이 210mm의 18배인 3,800mm로 하였다.
성능/효과
- 산정한 결과, 총 24개의 나사와 2열 배치 시 106mm 의 간격이 필요한 것으로 나타났으며, 안전 측의 설계를 위하여 실험체 전 길이에 걸쳐 100mm 간격으로 배치하는 것으로 한다.
- 산정 결과, 본 실험에서 사용한 폴리우레탄 접착제의 부착 강도는 648kN으로 작용하는 수평전단력인 94.1kN 을 훨씬 상회하였다. 이는 강판 매입 집성재의 휨파괴 거동을 보장할 수 있는 충분한 안전측인 것으로 나타났다.
- 최종 파괴는 인장측 최외층재의 접착면을 따라 발생한 균열이 2열 층재의 핑거조인트로 확대되면서 인장측 2열 층재와 3열 층재의 접착면의 분리로 파괴되었다.
- 3kN까지 하중이 증가하 였다. 52.3kN에서 핑거조인트에서 발생하였던 초기 균열이 층재의 사선 방향으로 확대되면서 하중이 다소 저감된 이후 재차 상승하였고, 53.7kN에서 최대 하중에 도달한 이후 사선 방향 휨균열이 지속적으로 확대되면서 46kN까지 하중이 저감되었다. 이후 51kN까지 하중이 증가하였지만 가력점에서 층재의 쪼개짐으로 인하여 가력이 종료되었으며, GL-N 실험체와는 다르게 층재간 접착면의 분리가 아닌 층재 사선 방향으로의 균열이 직접적인 파괴모드로 작용하여 원활한 휨거동을 나타낸 것으로 판단된다.
- 7kN에서 최대 하중에 도달한 이후 사선 방향 휨균열이 지속적으로 확대되면서 46kN까지 하중이 저감되었다. 이후 51kN까지 하중이 증가하였지만 가력점에서 층재의 쪼개짐으로 인하여 가력이 종료되었으며, GL-N 실험체와는 다르게 층재간 접착면의 분리가 아닌 층재 사선 방향으로의 균열이 직접적인 파괴모드로 작용하여 원활한 휨거동을 나타낸 것으로 판단된다.
- GL-SF-S 실험체의 예상 최대 하중은 완전 합성을 가정하고 강판의 항복 강도를 기준으로 할 경우 58kN, 목재의 휨강도를 기준으로 할 경우 69kN으로 계산되었다. 그러나 실험에서는 상대 슬립이 발생하여 완전 합성 거동을 보이지 않았기 때문에 이론값에 도달하지 못하였다.
- 실험 종료 후 집성재와 강판, 최외층재를 분리한 결과, 우측 가력점에서 실험체 지점까지 다수의 직결 나사가 절단된 것을 확인하였다. 나사의 절단 위치는 2열 층재와 강판 사이에서 발생하였으며, 강판 변형 없이 2열 층재의 나사 홀이 심하게 변형된 것으로 확인되었다.
- 실험 종료 후 집성재와 강판, 최외층재를 분리한 결과, 우측 가력점에서 실험체 지점까지 다수의 직결 나사가 절단된 것을 확인하였다. 나사의 절단 위치는 2열 층재와 강판 사이에서 발생하였으며, 강판 변형 없이 2열 층재의 나사 홀이 심하게 변형된 것으로 확인되었다.
- 최외층재 핑거조인트의 미세 균열 이후 하중 73.8kN 까지 상대 슬립 없이 지속적으로 증가하였으며, 최대 하중인 73.8kN에서 가력점에 위치한 강판 상부 2열 층재에서 스팬 중앙 위치까지 사선 균열이 발생하면서 하중이 38,6kN까지 감소되어 가력을 종료하였다.
- 집성재 휨실험을 토대로 계산된 휨강도와 휨탄성계수는 각각 30.84MPa, 10,515MPa로 집성재의 강도 등급 10S-30B의 휨강도와 휨탄성계수인 30MPa 및 10,000MPa을 만족시키는 것으로 나타났다.
- 강판 매입 집성재의 휨실험 결과, 직결 나사 접합 방식(GL-SF-S)은 순수 집성재와 비교하여 최대 하중과 초기 강성이 각각 0.84, 0.82로 휨성능이 오히려 감소되는 결과를 나타내었다. 이는 강판과 집성재가 완전 합성으로 거동하지 못하고 상대 슬립으로 인하여 부분 합성 작용하였기 때문이다.
- 폴리우레탄 접합 방식(GL-SF-P)은 이론 최대 하중 58kN을 크게 상회하는 결과를 나타냈다. 순수 집성재와 비교하여 최대 하중 및 초기 강성이 각각 1.
- 폴리우레탄 접합 방식(GL-SF-P)은 이론 최대 하중 58kN을 크게 상회하는 결과를 나타냈다. 순수 집성재와 비교하여 최대 하중 및 초기 강성이 각각 1.37, 1.22로 나타나 강판보강량 대비 강도 및 강성 증가 효과가 매우 우수하였으며, 최종 파괴 시까지 강판과 집성재가 완전 합성에 가까운 거동을 한 것으로 파악되었다.
- 2) 집성재 보와 강판 매입 집성재 보의 휨실험 결과, 모든 실험체는 가력점 근처에 위치한 핑거조인트에서 초기 균열이 발생하였으며, 균열 확산 및 강도 저하의 원인이 되는 것으로 나타나 최대 모멘트 구간에서 핑거 조인트의 사용은 집성재 보의 강도 및 연성 능력에 영향을 미치는 것으로 판단된다.
- 3) 실대형 휨실험 결과, 구조용 집성재의 강도와 강성은 KS F 3021 구조용 집성재의 휨강도와 휨탄성계수 기준을 만족하는 것으로 나타났다.
- 4) GL-SF-S 강판 매입 집성재는 직결 나사의 전단 변형과 집성재 내부 나사 홀의 지압 변형으로 가력 초기 부터 강판과 집성재의 수평 분리가 발생하여 GL-N-R 보의 휨 내력에도 미치지 못하였으며 보유 휨성능을 충분히 발휘하지 못하였다.
- 5) GL-SF-P의 강판 매입 집성재는 최대 하중에 도달할 때까지 강판과 집성재의 수평 분리가 거의 없이 완전 합성에 가까운 거동을 보였으며, 보유 휨성능을 충분히 발휘하는 것으로 나타났다. GL-N-R 실험체 대비 휨강도와 휨강성에서 각각 1.
- 5) GL-SF-P의 강판 매입 집성재는 최대 하중에 도달할 때까지 강판과 집성재의 수평 분리가 거의 없이 완전 합성에 가까운 거동을 보였으며, 보유 휨성능을 충분히 발휘하는 것으로 나타났다. GL-N-R 실험체 대비 휨강도와 휨강성에서 각각 1.37, 1.22배 크게 나타나 강판 보강량 대비 강도 및 강성 증가 효과가 우수한 것으로 나타났다.
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