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논문 기본 정보

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학위논문
저자정보

이인환 (강원대학교, 강원대학교 대학원)

지도교수
홍순일
발행연도
2020
저작권
강원대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.

이용수11

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이 논문의 연구 히스토리 (6)

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간벌재로 생산된 낙엽송 제재목은 원주목이나 칩 등의 저부가가치산업에 활용된다. 국내산 낙엽송 각재의 고부가가치화를 위하여 철근 및 FRP(Fiber Reinforced Polymer)로 보강하여 적층한 복합적층재를 제작하여 건축부재로써의 활용가능성을 검토하였다.
국내산 낙엽송 각재의 휨 강도 성능을 예측을 위해 비파괴적인 지표 검토가 필요하다. 낙엽송 각재를 초음파법과 종진동법 및 소하중법의 비파괴 방법으로 예측탄성계수를 측정하였다. 종진동법으로 측정된 예측탄성계수가 실측 탄성계수와 가장 높은 유의성을 보였다. 휨 파괴계수와 실측 탄성계수의 유의성은 매우 밀접하게 측정되어 종진동법에 의한 비파괴 탄성계수로 각재의 휨 파괴계수를 예측하였다.
각재를 대단면 건축부재로 활용가능한 복합각재적층목은 각재와 각재간 다중접착성능과, 보강재와 각재간 접착성능 평가가 필요하다. 제작된 시험편들은 침지박리시험과 삶음박리시험 및 블록 전단 시험으로 접착성능을 평가하였다. 실험결과, 수 위치에 따른 접착면의 접착강도는 수가 각재의 중앙과 접착면 사이에 존재(접선단면과 방사단면이 혼재된 단면)한 두 단면을 접착한 시험편이 가장 양호하였다. 수가 각재의 접착면에 있는 단면(방사단면)을 접착한 시험편들은 높은 박리율을 보였다. 낙엽송 각재와 GFRP간 접착강도는 PVAc 접착제가 양호하였으며, CFRP는 Epoxy접착제, 강판의 경우 Poly-urethane접착제가 양호한 접착강도를 보였다.
각재를 이용한 복합각재적층목을 기둥-보 목조건축 구조재로 이용하기 위해선 장대재 제작이 가능하여야 한다. 따라서 낙엽송 각재의 종접합 성능을 평가하였다. 시험편들은 종 접합 방법에 따라 6가지로 제작하였으며 인장 및 휨 강도시험으로 종 접합성능을 검토하였다. Rod+Lap 시험편의 평균 휨 파괴계수는 30.5 MPa로 종 접합한 시험편들 중 가장 양호한 성능을 발휘하였다. Rod+Lap 시험편의 평균 휨 강도는 종접합하지 않은 대조군 시험편 평균 휨 파괴계수의 66%에 해당되었다. 낙엽송 각재의 종접합 방법은 봉형 GFRP를 삽입 접착한 방법이 가장 유효한 강도를 보였다.
철근 및 FRP로 보강한 복합각재의 단기내력성능은 보부재와 기둥부재 및 접합부에 대하여 실시하여야한다. 복합각재 보부재의 휨 성능평가를 위한 시험편들은 종류에 따라 7가지 유형으로 제작하였으며 유형별 5개씩 총 35개의 보강시험편과 보강하지 않은 5개의 대조군 시험편을 제작하였다. 휨 강도 시험 결과, 보강각재들의 휨 강도는 대조군 시험편보다 평균 69% ~ 130% 향상되었다. 각재의 인장부 전체를 CFRP로 보강한 CFRP60 시험편의 휨 성능은 대조군 대비 2.3배 향상되어 강도 증가 폭이 가장 컸다. 대부분의 시험편들의 파괴형상은 보부재의 인장부에서 보강재와 목재가 같이 파괴되었다. 보강재는 파괴되지 않고 인장부위의 목재만 파괴된 시험편들은 각재가 파괴된 후에도 최대하중의 약 80%를 유지하는 경향을 보였다. 최대 휨 모멘트 예측결과 실측 최대 휨 모멘트와 -2 ~ 21%의 편차를 보였다. 목질 기둥재의 내진설계 성능수준을 만족하기 위하여 철근 및 FRP로 보강된 복합적층 기둥재를 제작하여 압축강도 성능을 평가하였다. 복합적층재들은 압축강도 향상을 위한 유형(CFRP bar, GFRP rod, Steel bar)과 섬유경사각에 의한 파단 억제 유형(CFRP plate, GFRP plate) 두 가지로 제작하였다. 실험결과, CFRP bar로 보강한 시험편의 평균 압축강도는 대조군보다 약 7% 증가하였으며, 봉형 GFRP rod와 Steel bar로 보강한 시험편들의 평균 압축강도는 대조군보다 각각 38%, 37% 증가하였다. Steel bar로 보강한 시험편은 옹이 유무에 따른 강도편차가 미비하였다. 보강각재의 실측 압축강도와 예측압축강도를 비교해본 결과, GFRP plate로 보강한 시험편을 제외한 모든 시험편의 강도 차이가 2~10.4%로 양호하였다. 접합내력은 인장형 전단시험편을 제작하여 검토하였다. 강판삽입형으로 제작된 시험편은 비보강 Control시험편과 CFRP를 강판 슬릿부위와 목질부위에 보강한 보강시험편(체적비 6.5%)으로 제작하였다. 실험결과, 최대 접합내력과 항복전단내력은 CFRP보강위치에 따른 차이를 보이지 않았으나, CFRP보강 위치가 강판이 삽입된 부위에 가까운 유형일수록 접합변형은 적었다. 보강된 시험편들이 대조군 시험편들보다 평균접합내력은 65%~95%, 평균항복전단내력은 24%~29%향상되었다. 5D에 CFRP로 보강한 모든 시험편들이 보강하지 않은 7D 시험편보다 평균 70% 향상된 평균접합내력과 평균 26% 향상된 항복전단내력을 보였다. 낙엽송 각재와 CFRP로 보강된 각재의 지압강도를 측정하여 항복전단내력을 예측하였다. 예측항복전단내력 추정식이 본 연구의 실측항복전단내력과 유사하였다.
복합각재적층재의 장기내력성능은 FRP를 보강한 낙엽송 각재 적층목의 온·습도 변동에 따른 크리프 실험을 하였다. 시험편은 낙엽송 각재 2개를 적층한 대조군과 동일 단면적의 집성재 그리고 FRP(CFRP, GFRP)로 인장부위가 보강된 시험편 2종류를 제작하였다. 시험편들은 각각2본씩 총 8본의 시험편을 실내에 설치하여 약 14000시간동안 오전 9시 저녁 6시에 크리프거동을 측정하였고, 온도와 습도는 1시간마다 측정하였다. 연구결과, 평형함수율과 습도는 비례관계이고, 시험편의 함수율과 습도 및 평형함수율은 상관관계를 보이지 않았다. 상대크리프의 평균 값은 Control이 약0.67로 측정되었고 Glulam은 0.4, CFRP로 보강한 시험편은 0.43, GFRP로 보강한 시험편도 0.43으로 측정되었다. 보강재 유형에 따라 상대크리프 값의 차이는 보이지 않았다.
따라서 국내산 낙엽송 각재로 제작된 복합각재적층목은 구조용 건축부재로써 접착성능과 부재의 단개내력성능 및 장기내력성능이 검토되어 대단면 건축부재로 활용 가능성을 보았다.

목차

Ⅰ. 서 론 1
Ⅱ. 연구사 4
Ⅲ. 낙엽송 각재의 등급선별 7
1. 재료 및 실험방법 7
1) 공시재료 7
2) 낙엽송 각재의 비파괴 탄성계수 측정 7
(1) 초음파를 이용한 비파괴 탄성계수 측정(?MOE?_U) 7
(2) 종진동법을 이용한 비파괴 탄성계수 측정(?MOE?_L) 9
(3) 소하중법을 이용한 비파괴 탄성계수 측정(?MOE?_N) 및 9
3) 휨 강도시험(Static MOE & MOR) 10
2. 결과 및 고찰 11
1) 비파괴 측정 방법에 따른 탄성계수 11
(1) 초음파 측정방법에 의한 탄성계수 11
(2) 비파괴 탄성계수 측정방법간 상관관계 15
2) 휨 강도와 비파괴 탄성계수의 유의성 15
(1) 휨 강도시험 15
(2) 실측 탄성계수와 비파괴 탄성계수의 상관관계 16
(3) 탄성계수 및 비파괴 탄성계수와 휨 파괴계수와의 상관관계 17
3. 결론 19
Ⅳ. 낙엽송 각재의 접착성능 20
Ⅳ-1. 각재와 각재간 접착성능 20
1. 재료 및 실험방법 20
1) 공시재료 20
2) 접착성능 시험편제작 20
3) 침지?삶음박리 시험 21
4) 낙엽송 각재의 접착전단강도 시험 22
5) 도포량 및 압체압력에 따른 접착성능 24
2. 결과 및 고찰 25
1) 접착면 형상에 따른 시험편 25
(1) 침지?삶음 박리시험 결과 25
(2) 블록 전단 시험결과 28
2) 접착제 도포량 및 압체압력에 따른 침지?삶음 박리 시험 결과 31
3. 결론 32
Ⅳ-2. 보강재와 각재간 접착성능 33
1. 재료 및 실험방법 33
1) 공시재료 33
2) 보강재와 각재간 접착성능 시험편제작 및 침지?삶음 박리 시험 34
2. 결과 및 고찰 36
1) 보강재-목재 접착강도성능 평가 결과 36
3. 결론 39
Ⅴ. 낙엽송 복합각재의 단기내력성능 40
Ⅴ-1. 종접합 각재적층목의 휨 성능평가 40
1. 재료 및 실험방법 40
1) 공시재료 40
2) 단일 종접합 각재 시험편 40
(1) 인장시험편 제작 및 시험방법 40
(2) 인장 시험 방법 43
(3) 휨 시험편 제작 44
3) 종접합 각재적층목 시험편 제작 45
4) 휨 강도 시험 방법 46
2. 결과 및 고찰 48
1) 단일 종접합 각재 시험편의 접합성능 48
(1) 인장접합 성능 48
(2) 휨 접합 성능 51
2) 종접합 각재적층목의 휨 강도성능 53
(1) 종접합 각재적층목의 하중-변형곡선 53
(2) 종접합 각재적층목의 파괴형상 55
3. 결론 56
Ⅴ-2. FRP및 철근 복합각재의 휨 성능평가 57
1. 재료 및 실험방법 57
1) 공시재료 57
2) 복합각재 시험편 제작 및 시험방법 58
3) 휨 강도 시험 방법 59
2. 결과 및 고찰 60
1) 복합각재의 휨 파괴계수 60
2) 복합각재 보부재의 파괴형상 65
3) 복합각재의 휨 탄성계수 72
4) 복합각재의 중립축 이동 75
5) 복합각재의 최대 휨 모멘트 예측 77
(1) 복합각재의 휨 강도 및 압축강도 예측 77
(2) 복합각재의 보강계수 적용 78
(3) 복합각재의 중립축 예측 78
3. 결론 81
Ⅴ-3. 복합각재적층목의 압축강도 성능평가 82
1. 재료 및 실험방법 82
1) 공시재료 82
2) 기둥 시험편 제작 및 시험방법 83
3) 압축 강도 시험 방법 86
2. 결과 및 고찰 87
1) FRP 보강재의 압축 및 휨 강도 87
2) 복합각재의 압축성능 89
(1) 복합각재의 압축 최대 압축강도 및 압축탄성계수 89
(2) 복합각재의 압축 파괴형상 94
3) 복합각재 보강 체적비에 따른 강도 추정식 제안 및 강도예측 99
3. 결론 100
Ⅴ-4. CFRP보강 각재의 볼트접합부 전단내력 성능평가 101
1. 재료 및 실험방법 101
1) 공시재료 101
2) 시험편 제작 101
(1) 지압강도 시험편 제작 101
(2) 인장형 전단강도 시험편 제작 101
3) 시험 방법 105
(1) 지압강도 시험 105
(2)인장형 전단내력 시험 105
2. 결과 및 고찰 106
1) 각재 및 CFRP 보강각재의 지압강도 106
2) 강판삽입형 볼트접합부 CFRP 보강각재의 접합내력 108
3) 강판삽입형 볼트접합부 CFRP 보강각재의 항복내력 112
4) 강판삽입형 볼트접합부 CFRP 보강각재의 파괴형상 115
5) 강판삽입형 볼트접합부 CFRP 보강각재의 예측항복전단내력 117
3. 결론 119
Ⅵ. 낙엽송 보강각재의 장기내력성능 120
1. 재료 및 실험방법 120
1) 공시재료 120
2) 보강각재 적층목 제작 121
3) 실험 방법 122
(1) 각재 적층목의 정적 휨 강도 성능 평가 122
(2) FRP 보강 각재 적층목의 크리프 실험 방법 122
2. 결과 및 고찰 123
1) 각재 적층목의 정적 휨 강도 성능 평가 123
(1) 각재 적층목 휨 부재의 하중-변형 123
(2) 각재 적층목의 휨 파괴형상 124
2) FRP 보강 각재 적층목의 크리프 거동 126
(1) 평형함수율과 상대습도의 변형 거동 126
(2) 시험편의 함수율과 상대습도의 변형 거동 128
(3) 시험편의 함수율과 평형함수율의 변형 거동 133
(4) 상대크리프 138
① 상대크리프와 평형함수율 138
② 상대크리프와 각재의 함수율 144
3. 결론 149
Ⅶ. 낙엽송 보강각재의 제작방법 및 강도예측 150
참 고 문 헌 154
Abstract 167

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