낙엽송 구조용 직교 집성판(CLT) 바닥재 개발 및 성능 평가

국문 초록 (Abstract)

오늘날 전세계에서는 탄소 배출로 인해 기후 변화라는 문제에 직면하고 있으며, 건축 분야에서 콘크리트는 총 탄소 배출량의 30%을 차지한다고 보고된다. 해외 에서는 콘크리트 대신에 목재의 사용을 권장하고 있다. 국내에서 시공되고 있는 건축물들은 대부분 철근 콘크리트 구조(RC조)이며, 국내 건축에서 주를 이루는 RC조 바닥(슬라브)을 콘크리트 대신에 국내산 낙엽송으로 제작된 Cross-laminated Timber(CLT)로 사용하면 탄소 배출 절감에 도움이 될 것으로 보인다. RC조 건물의 바닥재를 콘크리트 대신에 CLT로 대체하기 위해서는 CLT가 바 닥재로서의 요구되는 신뢰성과 성능을 만족하지는 지에 대한 검토가 필요하다. 본 연구에서는 CLT 바닥재의 제작 조건과 강도 성능에 대한 신뢰성 확보를 위해 낙엽송 구조용 직교 집성판(CLT) 바닥재 개발 및 성능 평가를 실시하였다. 바닥 재로서의 성능 검토에서는 부재에 작용하는 하중에 대한 휨, 전단, 그리고 처짐 등에 대한 구조 설계 검토가 필요하다. CLT는 직교 적층된 Minor direction 층재에 서의 롤링 전단 파괴가 발생하며, 낮은 전단 하중 지지 능력을 야기한다. 국내산 낙엽송 층재들의 조합 방식에 따라 CLT를 제작하여 전단 강도 성능을 평가하였 다. 너비가 넓은 층재로 CLT를 제작하는 것이 전단 하중 지지 능력이 높았으며, 또한 최 외각 인장 층의 탄성계수가 높을수록 전단 강도 성능이 높았음을 확인하 였다. CLT 바닥재의 휨 강도 성능 향상과 경량화를 통한 경제성을 확보를 위해 낙엽송 CLT와 FRP와의 복합화를 진행하였다. 5ply CLT의 CFRP 보강은 7-ply CLT 대비 목재 사용 절감에 따라 27% 경량화, 비용이 18% 감소, 최대 휨 모멘트 (193∙ 106 N∙mm/m)가 12% 증가되는 것을 확인하였으며, 콘크리트 바닥재의 설계 휨 모멘트(127∙106N∙mm/m)를 만족하는 것을 확인하였다. 국내 바닥재 두께 기준에서는 충격음 절감을 위해 210 mm 이상, 바닥재 위에 마감을 위한 콘크리트 두께는 60 mm로 명시되어 있다. 이에 건식 콘크리트와 CLT의 복합화가 필요하다. 건식 콘크리트와 CLT의 복합화 과정에서 레그 스크류와 에폭시 접착제로 충진하는 방법에서는 흘러 나온 접착제가 접착층을 형성하여 하중-슬립 거동에서 접착 거동을 보였다. 에폭시 접착제가 세어나오지 않도록 설계된 시험편은 기계적 거동을 보였으며, 특히 연성 능력이 가장 크게 향상되었다. OSB grout를 사용한 복합화 방법은 상대적으로 낮은 전단 특성을 나타내었으나, 시공성이 우수하다는 장점이 있다. CLT의 내화 설계에서는 CLT 제작에 사용된 Solid wood의 수종에 대한 탄화 속 도가 필요하다. 국내산 주요 수종들의 탄화 속도를 검토하기 위해 백합, 소나무, 낙엽송, 그리고 잣나무를 사용하여 ISO 기준에 의거하여 1시간 동안 화목형 수평 간이 가열로에서 내화 시험을 진행하였다. 국내에서는 낙엽송 CLT의 내화 성능 평가 연구가 미비한 상황이며, 이에 낙엽송 CLT의 2시간 내화 성능 평가에서는 PRF, PUR, PVAC 접착제로 낙엽송 CLT를 제작하여 탄화 속도를 검토하였다. PRF 로 제작된 CLT의 탄화 속도(0.55 mm/min)는 PVAC로 제작된 CLT(0.80 mm/min)와 PUR로 제작된 CLT(0.79 mm/min)보다 상대적으로 낮은 경향을 나타내었으며, 이러 한 이유로 PUR과 PVAC 접착층이 박리되었기 때문이다. 이에 CLT 제작에 사용 된 접착제의 종류에 따라 CLT의 탄화 두께를 설계할 필요성을 확인하였다. 중고층 건축물에서는 일반적으로 내화 피복재를 피복하여 2시간 내화 성능을 확보하기 때문에, CLT와 내화 피복재를 일체화 하는 것이 중요하다. 본 연구에서 는 낙엽송 CLT와 내화 피복재인 내화 석고보드의 일체화 공법(접착제, 기계적 연 결)에 따른 내화 성능을 검토하였다. 내화 석고보드와 CLT간 접착 방법으로 일체 화 시키는 공법에서는 PRF를 사용할 경우 내화 성능이 가장 양호하였다. 내화 석 고보드와 CLT간 기계적 연결 방법으로 일체화 시키는 공법에서는 기계적 연결재 종류와 상관 없이 석고보드 1장마다 CLT와 일체화 시켜야 함을 확인하였다. 온∙습도 변동에 따른 CLT의 휨 크리프 변동 검토에서는 접착제 종류(PRF, PUR), 그리고 CFRP의 보강 유무에 따라 휨 크리프 실대재 시험편를 제작하였다. 대조 군 시험편의 Stress Level(SL)(0.1, 0.3)에 따라 모든 시험편에 동일한 하중을 부하하 였으며, 약 2400시간동안 휨 크리프 변형 거동을 검토하였다. 크리프 시험편들은 약 800시간까지 하중에 의해 크리프 변형이 지속적으로 증가하였으며, 800시간 이 후부터 크리프 변형은 온∙습도에 영향을 받아 지속적으로 증가하고 감소하는 경 향을 보였다. PRF로 제작된 CLT는 PUR로 제작된 CLT 대비 상대 크리프가 낮은 경향을 나타내었으며, CFRP로 보강된 CLT의 상대 크리프(1.12~1.13)는 비 보강 CLT대비 낮은 경향을 보였다. □ 핵심주제어(한글, 5개 이상) 국내산 낙엽송, 구조용 직교 집성판(CLT), FRP 보강 CLT, 건식 콘크리트-CLT 복합 바닥재, 탄화 속도, PRF, PUR, PVAC, 석고보드, Stress-level, 상대 크리프

목차 (Table of Contents)

• 요 약 I
• 목차 IV
• 그림 목차 VIII
• 표 목차 XIII
• Ⅰ. 서 론 1
• 1. 연구 배경 1
• 2. 바닥재의 구조 설계 인자 6
• 3. 연구 동향 14
• 4. 연구 범위 및 목적 21
• Ⅱ. 낙엽송 CLT의 단기 하중에 의한 강도 성능 검토 23
• Ⅱ-1. CLT의 층재 조합 방식에 따른 전단 강도 성능 평가 23
• 1. 서론 23
• 2. 재료 및 방법 24
• 2. 1. 전단 강도 시험편 24
• 2. 2. 전단 강도 시험 26
• 3. 결과 및 고찰 27
• 3. 1. Load-deformation curve 27
• 3. 2. Failure mode 30
• 3. 3. Shear performance of CLT 34
• 3. 4. Simplified method를 통한 이론적 해석 37
• 3. 5. 유한요소 해석(FEA) 39
• 4. 결론 43
• Ⅲ-2. FRP로 보강된 CLT의 휨 강도 성능 평가 44
• 1. 서론 44
• 2. 재료 및 방법 45
• 2. 1. 공시재료 45
• 2. 2. 휨 강도 시험편 46
• 2. 3. 휨 강도 시험 48
• 3. 결과 및 고찰 49
• 3. 1. Load-deformation curve and bending performance 49
• 3. 2. Bending performance and cost comparison of 5-ply CLT reinforced with FRP 54
• 3. 3. 파괴 형상 55
• 3. 4. Neutral axis movement 58
• 3. 5. Theoretical analysis을 통한 휨 성능 예측 60
• 4. 결론 63
• Ⅲ. 건식 콘크리트-CLT 단일 접합부의 전단 내력 성능 평가 64
• 1. 서론 64
• 2. 재료 및 방법 65
• 2. 1. CLT 65
• 2. 2. 콘크리트 65
• 2. 3. 건식 콘크리트-CLT 단일 접합부 시험편 67
• 2. 4. 시험편 설치 및 전단 시험 71
• 3. 결과 및 고찰 73
• 3. 1. 콘크리트 압축 강도 73
• 3. 2. Load-slip behavior of shear test specimens 73
• 3. 3. Shear properties of TCC shear test specimens 76
• 4. 결론 80
• Ⅳ. 낙엽송 CLT 바닥재의 내화 성능 검토 81
• Ⅳ-1. 국내산 주요 4 수종의 탄화 속도 측정 81
• 1. 서론 81
• 2. 재료 및 방법 82
• 2. 1. 공시재료 82
• 2. 2. 화목형 수평 간이 가열로 83
• 2. 3. 내화 시험편 및 온도계 설치 84
• 2. 4. 내화 시험 및 탄화 두께 측정 방법 86
• 3. 결과 및 고찰 88
• 3. 1. 시간에 따른 화재 노출 표면의 온도 그래프 88
• 3. 2. 내화 시험 후 시험편들의 탄화 사진 89
• 3. 3. 국산 수종들의 탄화 두께 및 탄화 속도 91
• 4. 결론 93
• Ⅳ-2. CLT의 접착제 종류에 따른 2시간 내화 성능 평가 94
• 1. 서론 94
• 2. 재료 및 방법 96
• 2. 1. 공시재료 96
• 2. 2. 내화 시험편(CLT) 제작 96
• 2. 3. 화목형 수평 간이 가열로 97
• 2. 4. 내화 시험편 및 온도계 설치 98
• 2. 5. 내화 시험 및 CLT의 탄화 두께 측정 99
• 3. 결과 및 고찰 100
• 3. 1. Visual observation 100
• 3. 2. Charring behaviour 101
• 3. 3. Comparison to theoretical Calculation Model 105
• 3. 4. Proposal of Char depth prediction Calculation Model 107
• 4. 결론 109
• Ⅳ-3. FRP로 보강된 CLT의 2시간 내화 성능 평가 110
• 1. 서론 110
• 2. 재료 및 방법 110
• 2. 1. CLT 제작 110
• 2. 2. FRP로 보강된 CLT 제작 111
• 2. 3. 화목형 수평 간이 가열로 113
• 2. 4. 내화 시험편 및 온도계 설치 114
• 2. 5. 내화 시험 및 CLT의 탄화 두께 측정 115
• 3. 결과 및 고찰 116
• 3. 1. 시간에 따른 화재 노출 표면의 온도 그래프 116
• 3. 2. Visual observation 117
• 3. 3. FRP로 보강된 CLT의 탄화 두께 및 탄화 속도 119
• 4. 결론 120
• Ⅳ-4. CLT와 내화 석고보드의 일체화 공법에 따른 내화 성능 평가 121
• 1. 서론 121
• 2. 재료 및 방법 122
• 2. 1. CLT 제작 122
• 2. 2. 내화 석고 보드와 복합화된 CLT 제작 123
• 2. 3. 화목형 수평 간이 가열로 126
• 2. 4. 내화 시험편 및 온도계 설치 127
• 2. 5. 내화 시험 및 CLT의 탄화 두께 측정 128
• 3. 결과 및 고찰 130
• 3. 1. Visual observation 130
• 3. 2. Charring behaviour 135
• 3. 3. 탄화 두께 및 탄화 속도 139
• 4. 결론 141
• Ⅴ. 온∙습도 변동에 따른 낙엽송 CLT의 휨 크리프 변형 거동 142
• 1. 서론 142
• 2. 재료 및 방법 142
• 2. 1. 크리프 시험편 142
• 2. 2. 크리프 시험 143
• 3. 결과 및 고찰 145
• 3. 1. 온·습도 변동과 평형 함수율 145
• 3. 2. 상대 크리프(RC) 147
• 3. 3. 시간에 따른 변형률 거동 151
• 3. 4. 상대 크리프 예측 155
• 4. 결론 159
• Ⅵ. 결론 160
• 참고문헌 163
• Abstract 174