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ISSN : 1598-4095(Print)
ISSN : 2287-7401(Online)
Journal of The korean Association For Spatial Structures Vol.17 No.3 pp.91-98
DOI : https://doi.org/10.9712/KASS.2017.17.3.091

A Study on the Flexural Capacity of Wooden Member According to the Reinforcement Ratio of Synthetic Resin

Ho-Geun Kang*
*Dept. of Architecture & Interior, University of Gyeong-nam Geochang
055-254-2911055-254-2919hk74963@naver.com
August 3, 2017 August 7, 2017 August 7, 2017

Abstract

Most of the cultural assets in Korea are wooden structures. Due to the material characteristics of wood, the preservation of traditional wooden structure is impossible by simple maintenance. Damaged member is replaced with new member or completely dissolve and restore them. But member has a cultural value, so that it is impossible to arbitrarily replace each member. Although the preservation treatment method using synthetic resin is emphasized, there is no exact standard for proper reinforcement ratio. This paper is experimental study for reinforcement ratio of wooden flexural member with synthetic resins, Reinforced ratio on section area of flexural member. As a result, synthetic resin reinforcement are selected as experimental variables by proper ratio enhanced flexural capacity of reinforced wooden member than new wooden member.


합성수지의 보강비율에 따른 목재의 휨 보강 성능에 관한 연구

강호근*
*정회원, 경남도립거창대학교 건축·인테리어과 교수, 공학박사

초록


    1.서론

    우리나라의 건축물 문화재는 대부분이 자연재료 인 목재가 주재료로 사용되었다. 문화재 보존에 있 어서 목재의 특성상 단순한 유지 ․ 관리만으로 거의 불가능하다고 할 수 있다. 전통목조건축물에 대해 보수 및 보강 등의 대책을 수립하여 보수 및 복원공 사를 시행하지만, 정확한 구조적 특성 및 거동, 구 조 내력에 대한 평가가 미흡한 상태에서 재료 및 미 관적인 측면을 고려하여 손상된 부재를 신부재로 교체하거나 완전 해체복원을 시행함으로써 구조적 인 문제점이 심화되고 있고, 또한 각각의 부재 자체 도 문화재적 가치를 가지고 있어 임의적으로 각 부 재를 교체할 수 없다.

    이에 따라, 원형손상을 최소화하고 원부재를 재사 용할 수 있는 합성수지를 이용한 보수 ․ 보강방법이 대두되고 있다. 합성수지 보수 ․ 보강방법은 손상된 부재의 빈 공간을 에폭시 등 합성수지를 이용하여 충전하거나 균열이 발생된 부재를 보강하는 물리적 ․ 화학적 방법이 결합된 시공법이다1-3). 그러나 합 성수지를 보강함에 있어 보강비율에 대한 정확한 규준이 없어 적절치 못한 보강비율을 사용할 시 신 재보다 구조내력이 낮아져 오히려 역효과를 발생 시킨다.

    따라서 본 연구는 목조건축물 주요 구조 부재 중 하나인 휨 부재를 합성수지로 보강할 시 적정 보강 비율을 파악하기 위한 실험적 연구로서 기존 문헌 에서의 여러 변수 중 목재의 전 단면적에 대한 합성 수지의 보강단면적을 변수로 선정하고 합성수지로 보강한 원형 및 사각단면 휨 시험체를 제작하여 실 험을 수행하고자 한다. 이후에 실험결과를 토대로 적정 보강비율의 범위와 보강효과를 연구하여 목조 건조물 문화재의 보존처리 및 보수에 대한 근거자 료를 확보하고자 한다.

    2.휨 보강 성능 실험

    2.1.사용 재료

    보강에 사용된 합성수지는 국내 A사의 제품으로 서 일반적인 목재의 보수 및 보강에 사용되고 있으 며 시험체 제작에 사용된 목재는 구조재로 적합한 함수율 10% 내외의 국내산 적송을 사용하였다. 시 험체 실험에 사용된 목재와 합성수지의 재료적 특 성은 <Table 1~3>과 같다.<Table 2>

    2.2.시험체 제작 및 보강방법

    본 연구의 시험체는 목조건축물 문화재의 주요 구조 부재 중 원형 및 사각단면을 가진 휨 부재의 손상부위에 대하여 합성수지의 적정 보강비율을 알 아보기 위한 시험체로서 합성수지 보강 시 목재의 일부분을 제거 후 접착강화용 수지를 사용하여 목 재에 침투처리한 후 합성수지를 충전하였다. 시험체 의 형상은 <Fig. 1>과 같다.

    2.3.실험변수

    본 연구의 실험변수는 목재 전 단면적에 대한 합 성수지의 보강비율로 하였으며, 시험체는 원형 및 사 각단면 시험체로서 총 10개를 제작하여 실험하였다. <Fig. 2 (a)~(d)>는 사각단면에 대한 합성수지의 보강 단면적 비율에 따라 나타내었고, <Fig. 2 (e)~(h)> 또 한 원형단면에 대한 합성수지의 보강단면적 비율에 따라 나타내어 목재가 손상된 정도 및 부위에 따른 합성수지의 적용가능성과 보강효과를 비교 및 분석 하였다. 시험체의 적용된 변수는 <Table 4>와 같다.

    2.4.재하방법 및 측정항목

    가력점은 양 지지점으로부터 각각 350mm의 위치 에서 2점 가력하였다. 단순보 지지조건을 만족시키 기 위해 지지점과 가력지점에 핀 경계조건을 설치 하였으며, 981kN 용량의 유압식 만능재료시험기 (U.T.M)을 가력장치로 사용하여 변위 제어방식 (Stroke control)을 선택해서 1mm/min로 가력하였 다. 측정 항목은 하중, 부재의 변위 및 목재와 합성 수지의 변형률 그리고 하중 증가에 따른 목재와 합 성수지의 상태를 육안으로 관찰하여 전체적인 시험 체의 상태를 파악하여 기록하였다. 시험체의 중앙부 하단과 가력점의 1개소에 변위측정기(LVDT)를 설 치하여 목재의 특성상 지점에서 발생하는 목재의 압입(壓入)현상에 의한 변위를 측정하여 시험체의 실제 변위량을 보정하고자 하였다. 목재 및 합성수 지의 변형률은 시험체 중앙부의 목재 및 합성수지 부분에 3개소의 스트레인 게이지를 부착하여 측정 하였으며, 측정된 변형률 값의 변화율을 가지고 중 립축의 위치 변화를 확인하며, 부재의 항복여부를 평가하고자 하였다. 실험에서의 변위 측정기의 변위 와 목재 및 합성수지의 변형률은 데이터 자료 습득 기(TDS-602)를 통하여 습득하였다.

    3.실험결과 및 분석

    합성수지의 보강비율에 따라 목구조물의 휨에 대 한 보수 및 보강 효과를 알아보기 위한 실험의 결과 는 <Table 5>에 나타내고 있으며, <Fig. 3>에서는 목재의 일반적인 휨 파괴양상의 형태를 나타내고 있다2).

    3.1.파괴양상

    시험체의 대표적인 파괴양상은 <Fig. 3>과 같이 휨에 의한 파괴와 옹이에 의한 파괴형으로 구분할 수 있다4),5). 목재 전 단면적에 대한 합성수지의 단면 보강비율에 따라 RB-A 계열의 시험체는 단순인장 파괴와 국부 역목 인장파괴 되었다. CB-A 계열 시 험체는 단면 하부에 위치한 옹이부근에서 초기 균 열이 발생하기 시작하였으며, 대부분이 옹이에 의한 파괴형인 사주 인장파괴 또는 국부 역목 인장파괴 양상을 나타내었다. 또한 하중이 증가하면서 목재와 합성수지의 접합면에서 합성수지가 부분적으로 박 리 및 탈락이 발생하였으며 이후 전체적으로 파괴 되는 현상이 발생하였다. 이는 시공 과정 상의 문제 에 의한 것으로 충분한 부착강도가 발휘되지 못하 는 것으로 사료되며, 신중하고 정밀한 시공이 필요 할 것으로 판단된다.

    3.2.하중–변위곡선

    3.2.1.RB 계열 시험체

    <Fig. 4>의 하중-변위 곡선을 보면, RB 계열 시험 체의 경우에는 목재 전 단면적에 대한 합성수지 보 강비율이 8.33%, 16.67%인 RB-A1 및 RB-S 시험체 의 최대강도는 원부재의 최대강도보다 각각 44.3%, 13.8% 증가하였으나, 보강비율이 25%, 33.33%인 RB-A2 및 RB-A3 시험체는 각각 2.3%, 30.7% 감소 하는 것으로 나타났다.

    3.2.2.CB 계열 시험체

    <Fig. 5>의 CB 계열의 시험체에서 하중-변위곡선 은 시험체의 대부분은 변위 증가량이 하중 가력 초 기에 하중 증가량보다 높은 것으로 나타났다. 이러 한 현상은 초기 하중 가력 시 가력지점과 지지점에 서 발생하는 압입현상에 의한 압흔이 발생하는 목 재의 일반적인 재료적 특성에 의한 것으로 판단된 다6). CB-A1, CB-S 및 CB-A2 시험체의 최대강도는 원부재보다 31.0%, 32.3%, 39.2% 증가하는 것으로 나타났으며, 보강비율이 40%인 CB-A3 시험체는 28.1% 감소하는 것으로 나타났다.

    3.3.최대강도비

    원부재의 최대강도와 각각 시험체의 최대강도를 비교한 비율을 <Fig. 6>과 같이 최대강도비로 나타 내었다.

    원형단면 휨 부재는 목재 전 단면적에 대한 합성 수지의 단면 보강비율이 30%를 초과하면 원부재의 최대강도보다 낮아지면서 보강효과가 급격히 감소 하는 것으로 나타났다. 사각단면 휨 부재는 목재 전 단면적에 대한 합성수지의 단면 보강비율이 25%를 초과하면 원부재의 최대강도보다 낮아지는 것으로 나타났다.

    3.4.연성비

    연성비 계수는 부재의 항복 시의 변위에 대한 부 재파괴 시의 변위의 비율로 나타내었으며, 원부재 (무보강)를 기준으로 각 시험체의 연성계수를 비교 한 비율을 연성비로 정의하였다. 본 연구의 실험결 과에 대한 시험체별 연성비는 <Fig. 7>과 같다.

    <Fig. 7>에서 원형단면 휨 부재는 목재 전 단면적 에 대한 합성수지의 단면 보강비율이 높을수록 원 부재(무보강)의 연성능력보다 뛰어난 것으로 나타났 으며, 사각단면 휨 부재는 목재 전 단면적에 대한 합성수지의 보강비율이 40% 미만일 경우에는 보강 비율이 높을수록 원부재(무보강)보다 연성능력이 뛰 어난 것으로 나타났다.

    3.5.강성

    3.5.1.RB 계열 시험체

    <Fig. 8>에서 보는 바와 같이, RB 계열 시험체의 초기강성은 RB-A1 시험체가 원부재보다 6% 향상 되는 것으로 나타났으며 RB-A1 시험체를 제외한 모든 시험체는 저하되는 것으로 나타났다. 소성역강 성은 RB-A3 시험체는 원부재보다 16% 향상되는 것 으로 나타났으며, RB-A3 시험체를 제외한 모든 시 험체가 저하되는 것으로 나타났다.

    3.5.2.CB 계열 시험체

    <Fig. 9>에서 보는 바와 같이, CB 계열 시험체의 초기강성은 원부재보다 CB-S 시험체는 15% 향상되 었으나, CB-A1, CB-A2 및 CB-A3 시험체는 각각 9%, 14%, 39% 저하되는 것으로 나타났다. 소성역강 성의 경우 CB-S, CB-A1, CB-A2 및 CB-A3 시험체 는 원부재보다 각각 23%, 74%, 30%, 73% 저하되는 것으로 나타나 소성역강성은 모든 시험체가 저하되 었다.

    3.6.중립축

    스팬의 중앙부에 목재와 합성수지에 부착된 스트 레인 게이지를 통해서 얻은 변형률을 통해 하중 증 가에 따른 중립축의 변화 및 목재와 보강재인 합성 수지의 합성거동 효과를 분석하였다.

    3.6.1.RB 계열 시험체

    <Fig. 10>은 RB 계열 시험체의 중립축 변화를 나 타내고 있다. 원부재 시험체 RB-B의 인장 측 변형 률은 하부에 위치한 옹이에 의해서 다른 시험체와 는 다르게 비선형으로 거동하였고, 중립축이 하부에 위치하였다. RB-A 계열의 시험체는 RB-B 시험체의 중립축보다 상부에 위치하며, 선형으로 나타난 것으 로 보아 합성수지와 목재가 충분히 합성거동을 하 는 것으로 파악된다.

    3.6.2.CB-A 계열 시험체

    <Fig. 11>는 CB 계열 시험체의 중립축 변화를 나 타내고 있다. 원부재 시험체 CB-B의 경우는 압축 측 변형률이 상부에 위치한 옹이에 의해서 다른 시 험체와는 다르게 비선형으로 거동하였으며, 중립축 이 하부에 위치하였다. 이는 목재 재료의 압축강도 보다 인장강도가 더 높기 때문이고, CB-A 계열의 시험체 모두 중립축은 원부재의 중립축보다 상부에 위치하는 것으로 나타났으며, 선형으로 나타난 것으 로 보아 합성수지와 목재가 충분히 합성거동을 하 는 것으로 사료된다.

    4.결론

    본 연구는 원형 및 사각단면을 가진 목조건조물 의 부식 및 손상된 휨 부재를 합성수지의 보강비율 을 변수로 하여 제작한 시험체의 휨 실험을 수행 후 적절한 비율에 대해 분석하고 그에 대한 보강효과 와 적용가능성을 분석하였다. 실험의 결과는 다음과 같다.

    • 1) 전체적으로 하중에 대한 파괴양상과 휨 변위를 고려할 경우에 휨 부재에서 합성수지 보강비율은 목재 전 단면적에 대한 합성수지의 단면 보강비율 을 25% 이하로 보강하는 것이 경제성 및 효율성에 서 충분한 효과가 있는 것으로 사료된다.

    • 2) 원형단면 휨 부재는 목재 전 단면적에 대한 합 성수지의 단면 보강비율이 높을수록 연성능력은 뛰 어난 것으로 나타났으며, 사각단면 휨 부재 역시 목 재 전 단면적에 대한 합성수지의 보강비율이 40% 미만일 경우에는 보강비율이 높을수록 연성능력이 뛰어난 것으로 나타났다. 즉, 합성수지로 보강한 휨 부재의 연성은 원부재보다 대부분이 우수한 것으로 나타났으므로 단면 보강비율이 최대강도에 미치는 범위 내에서 적절하게 이용할 경우에 부재의 연성 파괴를 유도할 수 있을 것으로 사료된다.

    • 3) 원형단면 휨 부재는 단면 보강비율을 30% 이 하로 보강할 경우에 원부재의 초기강성, 소성역강성 과 비슷한 강성을 발휘하는 것으로 나타났으며, 사 각단면 휨 부재 역시 보강비율을 30% 이하로 보강 할 경우 원부재의 초기상성, 소성역상성과 비슷한 강성을 발휘하는 것으로 나타났다.

    • 4) 중립축 변화로 볼 때 전체적으로 모든 원형단 면 및 사각단면 시험체는 합성수지가 보강된 경우 에 선형거동을 하는 것으로 나타났으며, 이는 휨 부 재의 목재부분과 보강재인 합성수지가 하중에 대하 여 충분히 합성거동을 하는 것으로 판단된다.

    본 연구를 통해서 손상된 목조구조물의 원형 및 사각단면 휨 부재를 합성수지의 적정 보강비율을 사용하여 보강 시 충분한 보강효과와 이용가능성을 확인할 수 있었다. 앞으로 더 정확한 규준과 방법을 찾기 위한 연구가 수행되어야 할 것으로 판단된다.

    Figure

    KASS-17-91_F1.gif

    Shape of specimen (mm)

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    Model of specimens

    KASS-17-91_F3.gif

    Flexural failure mode of wood

    KASS-17-91_F4.gif

    Load-deflection curve of RB-A specimen

    KASS-17-91_F5.gif

    Load-deflection curve of CB-A specimen

    KASS-17-91_F6.gif

    Maximum strength ratio of specimen

    KASS-17-91_F7.gif

    Ductility ratio of specimen

    KASS-17-91_F8.gif

    Initial and plastic region rigidity of RB-A specimens

    KASS-17-91_F9.gif

    Initial and plastic region rigidity of CB-A specimens

    KASS-17-91_F10.gif

    Change of neutral axis RB-A specimen

    KASS-17-91_F11.gif

    Change of neutral axis CB-A specimen

    Table

    Material properties of wood

    Material properties of synthetic resins

    Component of synthetic resins

    Model of specimen and variable

    Experiment results of specimens

    Reference

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