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1. 서 론
집성재 CLT 등의 구조용 공학목재산업이 발달하 면서 두께 5 cm 이하 판재의 선호도가 높아졌다. 대 한민국 일반 재제업에서는 낙엽송이 전체수종의 73%를 차지하여 중, 소경재가 공급량의 대부분을 차 지하고 있다. 하지만 소경재는 판재 생산 수율이 낮 아 제재, 건조, 취급 및 관리비용이 높은 원주목이나 소경각재로 생산된다(Survey on actual use of timber, 2016). 소경각재는 층재와 달리 하나의 원목으로부 터 단 하나의 각재만이 생산되며 수(Pith)가 중앙부 에 포함되어 있는 형태의 부재를 얻게 된다. 이러한 소경각재들은 수와 그 주변의 미성숙재를 포함하고 있기 때문에 성숙재에 비하여 그 강도 특성이 떨어 지는 경향을 나타낸다(Kim et al., 2014). 소경각재의 구조용재로서의 신뢰성을 향상시키고 고부가 가치화 를 위해서는 비파괴적인 소경각재 선별의 지표가 검 토되어야 한다. 초음파를 이용한 비파괴 탄성계수 측 정법은 목재내부의 부후상태 및 옹이의 유무가 예측 가능(Kodama et al., 1993; 1994)하여 다양한 외부 인자(온·습도, 단면적, 섬유경사각, 주파수 등)에 따 른 추가 연구가 폭넓게 진행되었다(Sakai et al., 1990; Sandoz, 1993; Mishiro, 1995; Jang, 2000; Beall, 2002; Kang et al., 2002; Lee et al., 2003). 일 반적으로 초음파 축정시 송·수신단자의 위치는 횡- 횡 단면에 위치하거나 동일선상에 위치하여 측정을 실시한다. 따라서 동일한 단면적 목재의 단자위치에 따른 초음파 비파괴 탄성계수 예측에 관한 연구가 필요하다.
본 연구에서는 소경각재의 비파괴 방법에 의한 탄 성계수를 초음파법, 종진동법, 소하중법을 이용하여 측정하였으며, 후 파괴 시험에 의해 구해진 실측 탄 성계수와의 유의성을 비교 분석하였다. 일반적으로 목재의 휨 탄성계수와 휨 파괴계수는 양의 상관관계 가 존재한다(Cavalli et al., 2016). 따라서 실측 탄성 계수와 비파괴 탄성계수간 유의성이 양호한 비파괴 탄성계수 측정방법으로 휨 파괴계수 예측 가능성을 검토하였다.
2. 재료 및 방법
평균 기건 함수율 16%, 평균 기건 비중 0.52의 국 내산 낙엽송(Larix kaempferi Carr.) 소경각재(89 (T) × 120 (W) × 3600 (L) mm)를 사용하였다.
초음파시험기 Pundit Plus(CNS Farnell사: 영국)로 주파수 54 kHz의 Transducer를 사용하여 실험하였 다. 초음파로 비파괴 탄성계수를 산출하는 방법은 송 신단자와 수신단자의 위치에 따라 결과 값의 편차가 존재하므로 적절한 초음파 단자의 위치 선정이 필요 하다. 송신단자에서 발생한 초음파가 수신단자로 도 달하는 시간을 측정한 후 식 1을 이용하여 탄성계수 를 측정하였다(Fig. 1). 초음파 시험기의 송신단자와 수신단자의 위치를 Fig. 1과 같이 측정 후 초음파 방 법으로 탄성계수를 산출하였다. 각재의 단면과 송· 수신단자 위치에 따른 유형은 8가지이지만 각재의 상·하 및 좌·우 단면에 따른 차이를 알아보기 위 하여 총 10가지 방법을 실시하였다. 송·수신단자 가 소경각재 횡단면에 위치하는 직접적방법: 1유형 (Fig. 1 -I), Flatwise-Flatwise (Fig. 1 - II, VI, VIII), Edgewise-Edgewise (Fig. 1 - IV, V, IX), Flatwise- Edgewise (Fig. 1 - X)에 위치하는 간접적방법: 7유 형, Cross section-Flatwise (Fig. 1 - VI), Cross section- Edgewise (Fig. 1 - VII)에 위치하는 반직접적방법 2 유형으로 구분하여 측정하였다. 초음파법은 각 측 정방법당 21개의 소경각재 시험편의 비파괴 탄성계 수를 측정하여 타 측정방법과의 유의성을 비교 검 토하였다. 이후 유의성이 양호한 초음파 측정방법 으로 107개의 시험편의 비파괴 탄성계수를 측정하 였다.
MOEU : 초음파법에 의한 소경각재의 비파괴 탄 성계수
C : 초음파 통과속도(mm/sec)
ρ : 밀도
종진동법은 각재의 횡단면에 마이크로폰(1/2″ Prepolarized Free Field Microphone Type 40AE)을 설치하고 다른 횡단면에 타격을 주어 산출된 고유진 동수로 탄성계수를 산출하는 방법이다(Fig. 2). 탄성 계수는 식 2로 산출하였다. Fig. 3.
MOEL : 고유진동수에 의한 소경각재의 탄성계수
f : 종진동의 고유진동수(HZ)
L : 길이(mm)
ρ : 밀도(g/cm3)
소하중법과 휨 강도시험은 전단응력을 최소화하기 위하여 경간 2100 mm 하중점간 간격 700 mm의 3 등분 4점하중으로 시험을 실시하였다. 소하중법은 3 kN까지 분당 5 mm로 하중을 가하였다. 소하중법의 비파괴 탄성계수는 식 3으로 산출하였다. 휨 강도 하 중은 분당 15 mm의 속도로 가하였으며 휨 파괴 시 험편 53개로 시험을 실시하였다. 실측 휨 탄성계수 와(Static MOE) 휨 파괴계수(MOR)는 다음 식 4와 5 로 산출하였다. 산출된 결과를 토대로 실측 탄성계수 와 비파괴 탄성계수의 3가지 방법 총 4가지 방법을 휨 파괴계수와 직선회기식으로 유의성을 검토하였다.
MOEN : 소하중법에 의한 탄성계수, P: 하중 = 3 kN, δ: 각재의 변형
Pmax : 최대하중(N), ΔP: 비례 한도 하중(N), ΔV: 비례 한도 변형(mm), L: 경간(mm)
S: 하중 간 거리(mm), b: 시험편의 폭(mm), h: 시 험편의 두께(mm)
a: 시험편 지점과 하중 지점 간 거리(mm), I: 단면 2차 모멘트(mm3)
3. 결과 및 고찰
Fig. 4는 낙엽송 소경각재 21개의 초음파 측정방 법(I~X)에 따른 비파괴 탄성계수의 정규분포곡선 이다. 정규분포곡선은 표준편차 크기에 따라 분포가 다르다. 모든 정규분포 측정방법 III의 변동계수는 29.8로 정규분포 곡선이 가장 넓게 흩어졌으며, 측정 방법 I 의 변동계수는 13.2로 정규분포 곡선이 평균 을 중심으로 밀집되어있다. 정규분포 곡선을 살펴보 면 직접적 I 측정방법 및 반직접적 VI 측정방법의 비파괴 탄성계수가 평균 약 3~4 GPa 높게 측정되 었다. 이는 소경각재의 할렬이 I 측정방법과 평행한 섬유방향으로 존재한 것에 기인한다. 초음파는 방향 성을 가지고 있어 송·수신단자의 직선상으로 파장 이 진행한다고 보고된다. 초음파의 진행 방향에 수직 파단이 존재할 경우 다른 경로로 회절되며 전달되기 때문에 전달시간이 증가하지만, 초음파 진행방향에 수평파단이 존재하면 결점에 영향을 거의 받지 않고 일정한속도로 초음파가 전달되는 경향이 있다(Park and Hong, 2008).
Table 1은 초음파 측정방법별 탄성계수 평균 값 및 초음파 측정방법의 탄성계수와 타 측정방법의 탄 성계수를 직선회기식으로 산출한 결정계수이다. 초 음파법과 종진동법의 결정계수는 송·수신단자를 횡 단면에 위치한 직접적 측정방법이 0.92로 가장 양호 한 유의성이 검토되었다. 초음파법과 소하중법의 결 정계수는 직접적 I 측정방법과 간접적 III 측정방법 그리고 반직접적 VII 측정방법의 유의성이 양호하였 다. 따라서 유의성이 양호한 직접적 측정방법 I 이 낙엽송 소경각재의 비파괴 탄성계수 산출 방법으로 적절한 것으로 사료된다. 이후 소경각재 107에 시험 편의 초음파법 탄성계수는 I 측정방법을 사용하여 낙엽송 소경각재의 비파괴 탄성계수를 측정하였다. 소경각재의 동일 선상에 단자를 위치한 상·하 및 좌·우면에 따른 평균 휨 탄성계수는 8~11%의 편 차가 존재하였으나, 변동계수가 21.6~29.8%인 것을 감안하면 큰 차이가 없는 것으로 사료된다. 각 면의 할렬 및 옹이 등의 결점에 기인하여 편차가 크게 나 타난 것으로 판단된다.
비파괴 탄성계수 측정방법에 따라 산출된 탄성계 수의 상관관계를 분석하였다(Fig. 5). 종진동법과 소 하중법은 0.69, 종진동법과 초음파법은 0.7, 소하중법 과 초음파법은 0.5로 종진동법이 타 측정방법과 유 의성이 높았으며 종진동법과 소하중법의 유의성이 양호하였다.
Fig. 6는 비파괴 측정방법의 탄성계수와 실측 탄성 계수를 회기분석한 결과다. 초음파법과 실측 탄성계 수의 결정계수는 0.47으로 낮은 유의성을 보였으며, 소하중법과 실측 탄성계수의 결정계수는 0.63이었다. 실측 탄성계수와 종진동법으로 측정한 탄성계수가 가장 양호한 유의성을 나타냈다. Fig. 7.
낙엽송 소경각재를 휨 강도 시험을 한 결과 휨 파 괴계수는 40 MPa~78 MPa, 실측 탄성계수는 5.6 GPa~13.5 GPa로 분포하였다.
산출결과 4가지 휨 탄성계수 모두 휨 파괴계수와 양의 상관관계를 보였다. 실측 탄성계수와 휨 파괴 계수의 결정계수는 0.46으로 측정되었다. 종진동법 으로 산출한 비파괴 탄성계수와 휨 파괴계수의 결정 계수도 유사한 경향을 보였다. 본 연구에서 적용한 MOR-MOEs 및 MOR-MOEL의 직선회기 방법으로 산출된 실험식은 다음과 같다(식 6, 7).
낙엽송 소경각재(89 × 120)의 휨 강도 성능을 예 측하기 위한 비파괴적인 지표로서 비파괴 종진동 측 정방법으로 측정된 탄성계수의 적용이 가능함을 확 인하였다.
4. 결 론
낙엽송 소경각재(89 × 120)의 휨 강도 예측을 위 한 비파괴 측정 방법의 지표를 검토하기 위해 비파 괴 탄성계수와 실측 탄성계수 및 휨 파괴계수와의 관계를 비교 분석하였다.
초음파로 측정한 비파괴 탄성계수는 송·수신 단 자를 횡단면에 위치하는 직접적 측정방법이 타 측정 방법과 유의성이 양호하였다. 비파괴 탄성계수 측정 결과 3가지 방법 모두 실측 탄성계수와 양의 상관관 계가 존재하였으며, 종진동법의 결정계수가 가장 양 호한 유의성을 보였다.
실측 휨 탄성계수와 휨 파괴계수의 결정계수와 휨 파괴계수와 비파괴 탄성계수 측정 방법 중 종진동법 의 결정계수가 거의 유사하게 산출되었다. 비파괴 측 정방법인 종진동법으로 소경각재의 탄성계수를 적용 하여 소경각재의 휨 파괴계수 예측 가능할 것으로 사료된다. 낙엽송 소경각재의 기계적 비파괴 탄성계 수 측정방법인 종진동법은 소경각재 휨 강도 예측에 유효한 지표로 활용이 가능할 것을 확인하였다.
