기계등급재에 따른 혼합 CLT의 휨성능 예측

송다빈 ( Dabin Song ),김건호 ( Keonho Kim ) 한국목재공학회 2021 한국목재공학회 학술발표논문집 Vol.2021 No.1

최근 도입되기 시작한 새로운 건축공법인 CLT(Cross-Laminated Timber)는 높은 강도와 치수안정성 등 우수한 성능과 다양한 두께 그리고 모양으로 인해 고층 목조 건축의 새로운 시대를 연 공학목재이다. 본 연구에서는 국산 활엽수재의 건축부재 이용가능성을 확인하기 위해 CLT 제조특성을 고려하여 낙엽송을 외층으로 사용하고 백합나무를 내층으로 사용하여 혼합CLT를 제조하였다. 성능기반 구조용 CLT로 사용하기 위해 외층재 기계등급별 혼합CLT의 휨성능을 측정하였다. CLThandbook에서 인용하고 있는 휨 성능 예측식을 적용하여 다양한 등급의 층재 적용가능성을 검토하였다. 외층재로 사용된 낙엽송 층재는 100(b) x 25(h) x 3600(l)mm로 MSR 기계등급 분포를 통해 총 4종류(E9, E10, E9+10, E11)의 등급으로 분류하였으며, 내층재로 사용된 백합나무 층재는 100(b) x 25(h) x 3000(l)mm로 등급은 임의로 사용하였다. CLT 제조를 위한 접착제는 친환경 속경화성 접착제인 폴리우레탄 접착제를 사용하였으며, 도포량 500g/㎡, 압체압력 1MPa로 적용하여 3ply 혼합CLT를 제작하였다. 단면의 크기는 300(b) x 75(h)mm이고 시험편 길이는 BS EN 16351(2015)에 의거하여 22h (지간거리 21h+양쪽 1/2h)으로 하여 휨강도 시험을 진행하였다. CLT의 휨성능은 CLThandbook(캐나다)에 의한 변형단면법(감마법)인 EI 값을 통해 예측하여 실측값과 비교하였다. 실험 결과 E9 외층재로 구성된 CLT의 휨성능을 기준으로 외층재의 등급이 올라갈수록 CLT의 휨성능도 비례하여 증가하는 경향을 보였으며 예측값/실측값의 비는 0.96~1.10 이었다. 따라서 예측가능한 혼합CLT의 휨성능은 외층재의 등급선별을 통해 효율적인 재료설계 이용이 가능할 것으로 사료된다.

소나무와 잣나무 CLT의 압축성능 비교

송다빈 ( Dabin Song ),김건호 ( Keonho Kim ) 한국목재공학회 2022 한국목재공학회 학술발표논문집 Vol.2022 No.1

기후변화에 따라 탄소집약소재에서 친환경재료로 사람들의 관심이 증가하고 있다. 국내적으로 탄소중립에 대한 방안으로 천연재료인 목재를 사용한 건축공법인 CLT(Cross Laminated Timber)를 이용한 목조건축의 높이 제한이 없어짐으로 고층 목조 건축물의 수요가 지속적으로 증가하였다. 이에 따라 건축 부재의 자체중량이 증가하게되고 따라서 건축재료의 압축강도에 대한 데이터가 필수적이다. 본연구에서는 국산 CLT의 압축성능 데이터를 마련하고 설계값 구축을 위한 기초연구로써 기계등급별로 CLT를 제작하여 압축 성능 실험을 진행하였다. KSF3020-침엽수구조용재에 의거하여 MSR (Machine Stress Rated) 기계등급 결과에 따라 외층재로 잣나무(E8, E9, E10)와 소나무(E9, E10, E11)로 각각 3종류 등급으로 사용하였으며 내층재로 잣나무는 등급 E7 층재를 사용하였고 소나무는 등급 E8의 층재를 사용하였다. CLT는 폭 280mm 제작하였으며 3ply와 5ply 두께는 각각 75mm, 125mm로 제작하였다. 길이는 세장비 8.31의 단주인 300mm로 제작하였다. 외층재가 E8로 구성된 잣나무 CLT에서 3ply 압축강도는 32.81MPa이고 5ply 압축강도는 26.94MPa였다. 등급별로 비교하였을 경우 압축강도와 압축탄성계수의 큰 차이는 없었다. E9를 외층재로 구성한 3ply 소나무 CLT의 압축강도 35.11MPa를 기준으로 E10은 5% 증가하였고 E11은 11% 증가를 보였다. 그리고 압축탄성계수는 각각 8%, 12% 증가를 보였다. 5ply 소나무 CLT E9의 압축강도는 31.07MPa로 E10과 E11과 비교하였을경우 각각 3% ,5% 증가를 보였지만 휨탄성계수는 차이가 없었다. 동일 등급 소나무 CLT가 잣나무 CLT보다 압축강도에서는 9~16% 높은 결과 값을 보였으면 압축탄성계수에서는 4~14% 높은 결과값을 보였다. 또 단면이 3ply에서 5ply로 증가 할 경우 압축강도는 13~22% 감소하였고 압축탄성계수는 28~40% 감소하였다.

국산 낙엽송 CLT의 층수별 면내 휨성능 평가

송다빈 ( Dabin Song ),유상현 ( Sanghyun Yu ),김철기 ( Chulki Kim ) 한국목재공학회 2023 한국목재공학회 학술발표논문집 Vol.2023 No.1

소나무와 잣나무CLT의 면외 휨성능 예측

송다빈 ( Dabin Song ),김건호 ( Keonho Kim ) 한국목재공학회 2022 한국목재공학회 학술발표논문집 Vol.2022 No.1

친환경 재료이자 탄소저장소로 각광받고 있는 건축 재료인 CLT(Cross-Laminated Timber)는 구조설계가 가능하며 고층목조건축물에 전단벽과 바닥재로서 필요 요구 성능에 맞게 사용이 가능해서 최근 몇 년간 CLT 사용이 꾸준히 증가하고 있다. 본 연구에서는 국산 침엽수 구조용재를 층재로 구성한 CLT의 건축부재로서 이용가능성을 확인하고자 소나무와 잣나무를 사용한 CLT의 등급별 면외 휨성능을 평가하였다. 구성된 층재의 등급에 따른 강도값을 기반으로 CLT handbook과 KSF2081-구조용직교집성판에서 인용하고 있는 층재 휨모멘트를 이용한 휨강도 예측값과 Gamma법과 Shear analogy법을 통한 강성값을 이용한 휨탄성계수 예측값을 산출하여 실측값과 비교 검증하였다. 잣나무(E8, E9, E10)와 소나무(E9, E10, E11) 층재는 MSR(Machine Stress Rated) 기계등급 분포 결과를 통해 각각 3종류 등급으로 분류하였다. 3ply 단면의 크기는 280(w) x 75(h)mm이고 5ply는 280(w) x 125(h)mm이며 KSF2081에 의거하여 휨강도 시험을 진행하였다. 소나무 CLT와 잣나무 CLT 모두 외층재의 등급이 올라갈수록 휨강도와 휨탄성계수도 증가하는 경향을 보였다. E9로 외층재로 구성된 소나무 CLT의 휨강도는 3ply는 46.65MPa이고 5ply는 34.12MPa 이며 잣나무 CLT보다 E9에서는 10% 높은 차이를 보였고 E10에서는 4~11% 낮은 결과값을 보였다. 그리고 동일등급으로 구성된 소나무 CLT의 휨탄성계수가 잣나무 CLT보다 E9에서는 10~12% 더 높은 결과를 보였으며 E10에서는 6~13%의 차이를 보였다. 그리고 3ply CLT에서 5ply CLT로 단면적의 증가시 낮아지는 휨성능을 보였다. 휨강도의 실측값/예측값의 비는 1.17~1.74이며 휨탄성계수의 실측값/예측값 비는 Shear법의 경우 1.01~1.27이고 Gamma법은 1.24~1.72 였다.

접착 환경 조건에 따른 폴리우레탄 접착제 적용 혼합 CLT의 박리변화

송다빈 ( Dabin Song ),김건호 ( Keonho Kim ) 한국목재공학회 2021 한국목재공학회 학술발표논문집 Vol.2021 No.1

본 연구는 활엽수인 백합나무를 낙엽송 층재와 접착하여 CLT 층재로 이용하기 위해 폴리우레탄 접착제의 이용 가능성을 확인하고 최종적으로 구조용재로써의 활용성을 높이기 위해 접착 성능 실험인 삶은 박리 실험을 진행하였다. CLT는 1990년대 초 개발되어 기존의 목조 건축이었던 경량목구조보다 시공의 용이성, 저렴한 시공비용 및 인건비 등 많은 장점을 가지고 있으며 콘크리트나 철근의 대체재로 내진, 내화, 차음, 단열도 우수하여 CLT는 미래 목조 건축재료로 각광받고 있다. CLT의 휨 성능은 약축보다는 강축 층재의 영향을 많이 받으며 그러므로 약축 층재로 저밀도 수종인 백합나무를 사용하였다. 그리고 기존 구조용 집성재에 사용되는 페놀레조시놀 접착제보다 경화시간이 빠르고 친환경 접착제로 유럽에서 CLT 제작에 적용하고 있는 폴리우레탄 접착제를 사용하였고 폴리우레탄 경화 매케니즘 상 상대습도나 온도가 중요하기 때문에 최적의 접착환경을 탐색하는 것이 필요하다. 그리고 다양한 조합을 시도하여 구조용 CLT의 이용가능성을 확인하여야 한다. 그러므로 본 연구에서는 경화시간, 상대습도, 계절 등 다양한 조건으로 낙엽송-백합나무 혼합 CLT를 제작하여 접착성능을 분석하고 연구하였다. 공시재료로는 크기가 100(b) x 500(l) x 25(h)mm 인 층재를 교차 적층하여 낙엽송을 강축에 사용하고 백합나무를 약축에 사용하여 5ply로 조합하였다. 최종적으로 100(b) x 100(l) x 125(h)mm인 24개의 삶은 박리 시험편을 제작하여 JAS 3079에 의거한 삶은 박리 시험을 진행하였다. 전체적으로 겨울(12월 평균 온도 -0.4℃, 상대습도 57.8%)에 제작한 혼합 CLT의 박리율(25.8%)이 여름(6월 평균 온도 24.0℃, 상대습도 67.4%)에 제작한 혼합 CLT(6.5%)보다 높은 박리율을 보였으며 과도한 습도 노출은 박리율에 Open time 30 minute G10(40.5%), Open time 4 hour G10(26.3%) 악영향을 끼친다는 것을 알 수 있었다. 이를 통해 폴리우레탄 접착제를 CLT 제조에 적용할 경우 작업환경에서 특히 최적 상대습도를 고려해야 할 것이다.

< 구두-A-02 > CFRP로 보강된 복합 CLT의 박리 및 휨 성능 평가

송요진 ( Yojin Song ),이인환 ( Inhwan Lee ),송다빈 ( Dabin Song ),홍순일 ( Soonil Hong ) 한국목재공학회 2019 한국목재공학회 학술발표논문집 Vol.2019 No.1

본 연구에서는 모듈러 건축에 적용될 고성능-경량 cross-laminated timber (이하, CLT) 바닥체 제작을 위하여 carbon fiber reinforced plastic (이하, CFRP)과 CLT 간의 박리 성능 평가 및 CFRP의 형상에 따라 다르게 보강된 복합 CLT의 강축 방향에 대한 휨 성능 평가를 수행하였다. 박리 시험에 사용된 접착제의 종류는 초산비닐, 페놀-레조시놀, 에폭시, 폴리우레탄 접착제 등이었으며, 도포량은 200, 300, 400 g/㎡ 로 구분하여 제작하였다. 압체 압렵은 1.0 MPa로 동일하게 적용하였다. 휨 시험을 위한 복합 CLT들은 CLT-CFRP 간 박리 성능이 가장 우수했던 접착제를 사용하여 제작되었다. Type-A는 보강되지 않은 CLT이며, Type-B는 CLT의 인장 쪽 최외층재의 표면 전체에 CFRP로 보강한 타입이다(보강재 체적비: 0.011). Type-C는 CLT의 인장 쪽 최외층재의 표면에 일정간격을 두고 길이방향으로 홈을 가공 후 CFRP bar를 삽입·접착한 시험편이다(보강재 체적비: 0.008). CLT들은 3층으로 제작되었다. 시험 결과, 폴리우레탄 접착제를 300g/㎡로 도포하는 조건만이 CLT-CFRP 간 침지 및 삶음 박리율은 모두 5% 이하로 측정되어 ‘KS F 3021 구조용 집성재’의 기준을 만족하였다. 복합 CLT인 Type-B는 평균 탄성계수와 파괴계수가 보강되지 않은 Type-A와 비교하여 각각 27%와 48%로 보강효과가 크게 나타났으며, 휨 모멘트는 PRG-320에 고시 되어있는 한계상태 설계법에 의한 5ply (두께:175 mm) CLT 보다 14% 높게 측정됨으로써 목재의 사용량을 40% 줄이고도 5층 CLT의 휨 설계 기준을 만족 하는 결과를 얻었다. 한편, 복합 CLT인 Type-C는 평균 탄성계수와 파괴계수가 Type-A와 비교하여 9%와 8%로 보강효과가 크지 않았다.

구조용 PB를 활용한 SIP 벽체의 수평전단내력 성능

김철기 ( Chul-ki Kim ),송다빈 ( Dabin Song ),윤나영 ( Nayoung Yoon ) 한국목재공학회 2023 한국목재공학회 학술발표논문집 Vol.2023 No.1

< 전시-P-26 > 온·습도 변동에 따른 FRP보강적층재의 크리프 변형 거동(Ⅰ)

이인환 ( Inhwan Lee ),송다빈 ( Yojin Song ),송요진 ( Dabin Song ),홍순일 ( Soonil Hong ) 한국목재공학회 2019 한국목재공학회 학술발표논문집 Vol.2019 No.1

온·습도 변동에 따른 낙엽송 FRP보강적층재의 크리프 변형 거동을 검토하였다. 소경각재 적층재의 크리프 시험편은 89 x 120 mm의 소경각재 2개를 적층한 형상(89 x 240 mm)이며 동일 단면적의 8ply 집성재를 제작하여 크리프 거동을 비교하였다. FRP보강 적층재는 인장부에 이방성 GFRP를 접착한 시험편(TypeⅠ)과, 일방성 CFRP를 접착한 시험편(TypeⅡ)을 제작하였다. 크리프 하중은 대조군의 휨 강도시험을 실시하여 대조군 Stress Level 0.25인 15 kN을 적용하였다. 크리프 시험편들은 중앙 하단에 설치한 다이얼게이지로 변형을 측정하였으며 고주파 측정기로 하루 2회 함수율 측정하였다. 또한 시험편들이 설치된 실험실의 상대습도와 온도를 측정하여 Wood Hand book(2010)의 수식으로 평형함수율을 산출한 후 크리프 변형 거동을 검토하였다. 변형과 함수율 및 상대습도와 온도는 누적 7100시간이상 측정하였다. 산출된 평형함수율은 상대습도와 비례관계이며 상대 크리프와 함수율은 반비례적인 거동을 보였다. 상대크리프는 대조군 시험편 0.43, 0.49, Glulam 0.34, 0.33, TypeⅠ 0.36, 0.3 및 TypeⅡ시험편이 0.35, 0.32로 측정되어 대조군의 평균상대크리프가 FRP보강적층재의 평균상대크리프보다 약 12.5% 더 변형된 것을 확인 하였다.

수고별 참나무 시들음병 고사목의 생재 함수율 분포

김건호 ( Keonho Kim ),송다빈 ( Dabin Song ),이현미 ( Hyunmi Lee ),전우석 ( Wooseok Jeon ) 한국목재공학회 2020 한국목재공학회 학술발표논문집 Vol.2020 No.1

본연구는 참나무시들음병으로 고사한 참나무의 이용가능성을 확인하기 위하여 참나무의 함수율 분포를 측정하여 건전재와 비교하였다. 참나무류는 우리나라 대표적인 활엽수종으로 갈참, 굴참, 떡갈, 상수리, 신갈, 졸참으로 나뉜다. 전국 산림 중 참나무류가 차지하는 비율은 24.2%로 가장 높으며 참나무류는 가구, 건축, 기구, 목탄, 버섯재배, 펄프, 화장단판 등 다양한 분야에서 사용되어져 왔다. 하지만 2004년 이후 참나무 시들음병 피해가 발병했고 2020년까지 참나무 시들음병의 지속적인 피해로 인해 고사목의 누적 본수는 증가하였다. 증가한 고사목은 현재 처리방법이 훈증처리나 소각으로 제한되어져 있어 고사목의 이용확대를 위해서 기본적인 연구가 필요하다. 그러므로 본 연구에서는 참나무 시들음병 피해목 신갈나무의 수고별 함수율 분포를 분석하여 연구하였다. 경기도 화성시에서 참나무시들음병 피해의 고사목 3본과 건전목 1본의 선정하여 지제부 부터 0.5m를 기준으로 1m 간격으로 디스크 시험편을 채취하여 생재상태의 원목으로 KS F 2199에 의거하여 함수율 측정을 진행하였다. 전체적으로 수고가 높아 질수록 평균 함수율은 낮아지는 경향을 보였으며 소경재 건전목은 고사목보다는 고른 함수율 분포의 경향을 보이며 변재부보다는 심재부가 함수율이 높게 측정되었다. 그리고 소경재 고사목의 평균함수율(66.2%)은 건전목(58.8%)보다 높게 나타났다. 중경재 고사목의 함수율 분포는 소경재와는 달리 다른 경향을 보였으며 동일 수고에서 소경재 건전목보다 심·변재의 함수율 차이가 크고 지접부에서 멀어질수록 함수율이 감소하는 경향을 보였다. 이를통해 수고별 고사목의 함수율 분포 특성을 고려한 강도성능평가 연구가 필요하며, 추후 고사목의 이용가능성 확대를 위한 친인체적, 친환경적 연구가 추가적으로 필요할 것으로 사료된다.

< 구두-A-12 > FRP 보강 복합소경각재의 압축강도 성능평가

이인환 ( Inhwan Lee ),송다빈 ( Yojin Song ),송요진 ( Dabin Song ),홍순일 ( Soonil Hong ) 한국목재공학회 2019 한국목재공학회 학술발표논문집 Vol.2019 No.1

목구조 건축물이 점차 대규모화 되면서 기둥-보 구조의 내진성능 향상을 위한 연구가 필요한 실정이다. 소경각재를 보강 및 적층한 복합소경각재는 집성재보다 접착제 사용량이 적고 심미성이 우수할 것으로 기대된다. 본 연구에서는 소경각재로 제작된 기둥재의 내진성능 향상을 위하여 강재 및 FRP를 보강한 복합소경각재 기둥재를 제작하여 압축강도 성능평가를 하였다. 보강된 복합소경각재들은 단일 소경각재(60 mm x 60 mm)의 한 단면에 CFRP plate, GFRP plate를 접착하거나 단일 소경각재에 프리컷 가공을 하여 CFRP bar, GFRP rod, Steel bar보강재를 삽입 접착하였다. 기둥재는 단일소경각재 4개의 보강된 부분이 내부에 존재하도록 다음과 같이 접착한 형상이다. 인접한 두 면이 접선단면이 되도록 선별하여 단일 소경각재를 접합한 후 2번의 추가 접착으로 제작하였다(120 mm x 120 mm). 접착단면 및 보강재에 따른 접착제들은 선행연구의 결과를 따랐다. 파괴형상은 옹이나 할렬등의 결점에서 주로 발생하였다. 대조군 기둥재 시험편들은 섬유경사각에 의하여 사선으로 파괴되는 경향을 보였으며, 보강된 시험편들의 목질부는 사선파단이 억제된 파괴형상을 보였다. CFRP plate로 보강한 기둥재는 평균 강도가 약 6% 증가하였다. 반면 GFRP plate로 보강한 기둥재의 경우 평균 강도가 약 5% 감소하였는데, 이러한 강도 저하는 GFRP plate 자체의 응집파괴에 의한 것으로 보여진다. CFRP square로 보강한 시험편의 평균 압축강도는 대조군보다 약 7% 증가하였으며, 봉형 GFRP rod로 보강하였을 때 평균 강도가 약 38% 증가하여 강도 증가폭이 가장 컸다.