중공재의 휨거동특성에 관한 연구

Abstract

최근 한옥부재의 수요 증가 및 친환경 옹벽 및 방호울타리, 어린이 놀이시설 등의 설치 확대에 따라 원주 가공한 형태의 목재수요가 꾸준히 증가하고 있다. 또한 방부처리 약제의 주입을 도우며, 건조효율을 높이면서 결함을 감소시켜 우수한 미관을 가지는 부재를 생산할 수 있는 중공처리기법을 적용시킨 중공원주재의 사용 역시 증가하고 있다. 그런데 중공원주재가 구조용재로 이용되기 위해서는 사용자의 안전을 확보하기 위해 부재의 성능 및 영향인자들에 대한 평가가 필수적이다. 본 연구는 원형의 횡단면 외관을 가진 목부재의 횡단면 변화 및 강관보강에 따른 구조적 성능변화를 구명하기 위하여 수행하였다. 소경재를 일정한 형태를 가진 원주재로 가공하여 이용하기 위해 직경, 미성숙재비율, 비중, 옹이 및 연륜폭이 원주재의 휨성능에 미치는 영향을 확인해보았다. 원주재의 휨강도는 직경의 변이보다 재내에 포함된 미성숙재 비율 변화로 야기되는 비중 변이가 미치는 영향이 큰 것으로 나타났다. 또한 일반적으로 제재목의 성능 저하를 야기하는 옹이, 연륜폭 등의 육안적 특성은 원주재의 성능에 큰 영향을 미치지 않는 것으로 나타나 이러한 요인들에 의한 원주재 휨강도 변화를 설명해주기는 어려울 것으로 생각된다. 원주재를 원형 그대로 이용할 수도 있지만, 재내에 포함되어 있는 수와 미성숙재 일부를 제거하여 부재의 건조결함을 감소시키고 함수율을 균일하게 하며 방부처리 약제의 주입 성능을 향상시키는 중공처리를 원주재에 적용할 수 있다. 그러나 이러한 중공처리된 부재를 한옥부재, 옹벽 및 방호울타리, 어린이 놀이시설 등과 같은 용도의 이용할 때 횡단면 형상 변화가 중공재의 성능에 미치는 영향에 대해서는 아직까지 명확히 밝혀진 바가 거의 없다. 미성숙재를 제거한 중공재의 단면손실은 휨응력의 영향이 적은 중립축부분에서 중공을 하기 때문에 휨하중지지능력에 미치는 영향이 미미하여 충분히 휨부재로 이용 가능할 것으로 예상되었으나, 동일한 외경을 가진 원주재과 비교하였을 때 하중지지능력 및 휨성능이 감소되었다. 중공재의 휨성능이 원주재보다 낮게 나타나는 것은 파괴모드의 변화가 발생한 것이 원인으로 보인다. 중공재의 파괴는 휨응력이 섬유직강방향의 압축과 인장으로 변화되어 섬유직각방향 인장력의 영향으로 중공부분에서 섬유직각방향 인장내력을 초과하는 하중이 부가될 때 파단이 시작되기 때문에 중공재의 잔존하는 부분만으로는 충분히 휨에 대해 저항할 수 없는 것으로 판단되었다. 이때 파단부분이 납작하게 눌린 것과 같이 보인다고 해서 이러한 파괴를 flattening mode라고 한다. 이러한 파괴모드의 변화가 중공재의 휨성능이 충분히 발현되지 못하는 원인으로 사료된다. 중공재의 횡단면 변화, 즉 내·외경의 변화가 휨성능에 어떠한 영향을 미치는지 확인하기 위해 입목내 부후에 의해 발생되는 중공을 통한 잔존휨응력 분석 방법을 적용해 보았다. 중공재 형상에 대한 인자 즉, 내경, 외경, 잔존두께 등을 변수로 이용하였고, 그 결과 휨하중지지능력에 이러한 인자들에 의해 영향을 받는 것으로 나타났다. 이를 이용하여 동일한 외경을 지닌 원주재의 휨하중지지능력을 알고 있다면 원주재 내부의 중공크기의 비율에 따른 휨성능의 변화를 확인할 수 있어 추후 휨하중지지능력이 중공재의 휨부재 이용을 위한 중요 인자로 활용될 수 있을 것으로 판단된다. 중공처리로 균일한 함수율 및 밀도를 가진 부재를 얻을 수 있었으나 flattening failure의 영향으로 휨성능이 감소하는 것은 중공재 이용의 또 다른 제한요인으로 작용하고 있다. 이러한 파괴를 방지하기 위해 강관을 삽입하는 새로운 보강방안을 도입하여 구조용재로서의 성능 향상을 도모하였다. 중공재에 강관을 삽입함으로써 휨성능뿐만 아니라 연성이 증가하는 것을 확인할 수 있었으며, 특히 직경이 작고 내부 중공의 크기가 클수록 보강에 의한 효과가 나타났다. 본 연구에서 간벌소경재를 활용하여 제안된 여러 단면들은 건축·토목분야에서 휨부재로서 이용의 확대가 기대되며, 원형단면 부재의 휨성능 평가와 영향인자 분석은 향후 야외시설물들의 설계·제작에 있어서 기초자료로 활용될 것으로 기대된다.