KR102596627B1 - 친환경 하이브리드 목재슬라브 - Google Patents

친환경 하이브리드 목재슬라브 Download PDF

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Abstract

본 발명은 친환경 하이브리드 목재슬라브에 관한 것으로, 보다 상세하게는 목재판상재와 콘크리트를 노치형태의 접합부로 결합하여 높은 강성을 가지는 목재슬라브에 관한 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 목재슬라브는, 소정의 두께를 가지는 목재판상재와, 상기 목재판상재와 면접합으로 결합되는 프리패브콘크리트와, 상기 목재판상재와 프리패브콘크리트를 결합하기 위한 고정부를 포함한다.
본 발명의 바람직한 특징에 따르면, 상기 목재판상재의 일면에서 소정깊이만큼 관통 형성되며, 목재판상재의 전체면적에 대해 균일하게 배치되는 복수개의 노치를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

친환경 하이브리드 목재슬라브{Eco hybrid timber slab}
본 발명은 친환경 하이브리드 목재슬라브에 관한 것으로, 보다 상세하게는 목재판상재와 콘크리트를 노치형태의 접합부로 결합하여 높은 강성을 가지는 목재슬라브에 관한 것이다.
본 명세서에서 달리 표시되지 않는 한, 이 섹션에 설명되는 내용들은 이 출원의 청구항들에 대한 종래 기술이 아니며, 이 섹션에 포함된다고 하여 종래 기술이라고 인정되는 것은 아니다.
최근 우리나라의 남해영역을 중심으로 여러 차례의 지진이 발생함에 따라 더 이상 지진안전지대가 아님이 밝혀지면서 내진설계가 되어 있는 건물 또는 전원주택에 대한 관심이 많아지고 있으며, 그 중에서도 특히 목조건물에 대한 관심이 증가하고 있다. 일반적으로 콘크리트건물은, 아파트나 빌딩을 시공함에 있어 대부분 사용되는 공법으로, 견고함이 특징이나, 습식공법으로인해 시공기간이 상당히 오래 걸리고, 탄소배출량이 많으며, 사용후 폐기물 처리가 어렵다는 단점이 있다. 다음으로, 목조건물의 경우, 건식공법으로 콘크리트건물에 비하여 빠른 시공이 가능하고, 목재의 탄소저장효과로 목조주택 1동은 20.2ton의 이산화탄소를 저장하는 효과가 있다. 따라서 목재를 사용함에 따라 친환경적이라는 장점이 있고, 내구성이나 단열성 면에서도 우수함을 보인다.
외장재와 외관의 모양을 만드는데 있어 유연하다는 것에 장점이 있으나, 목조건물에 비하여 시공기간이 상당히 오래 걸리고, 비용이 높다는 단점이 있다. 다음으로, 목조건물의 경우, 콘크리트건물에 비하여 시공비용이 저렴하고 빠른 시공이 가능하며, 목조를 사용함에 따라 친환경적이라는 장점이 있다. 또한, 내구성이나 단열성 면에서도 우수함을 보인다.
최근, 전 세계적으로 코로나19에 영향을 받으면서, 건설현장에서도 현장인력이 감소하고 시공기간이 지연되는 등 어려움을 겪고 있는 실정이다. 그에 따라, 건축, 건설현장에 투입되는 인력을 최소화하면서 시공기간 또한 감소시킬 수 있는 시공방법에 대한 관심이 높아지고 있다. 그에 대하여, 프리패브(pre-fabrication 또는 prepab) 시공방식은, 목조건물 시공에 필요한 자재나 부품을 공장에서 미리 생산하고 현장에 가져와 조립만 하면 되므로 시공기간이나 인력이 최소화될 수 있으며, 그에 따른 비용, 예를 들어 자재비나 운반비, 기타 현장인력에 드는 부대비용 등을 절감시킬 수 있다는 장점이 있다.
이러한 프리패브 공법으로 이루어진 목조건물의 경우, 내구성이 중요하며 특히 목조로 이루어진 벽체와 벽체간의 접합방법 또는 벽체와 슬라브 간의 접합이 안정적으로 이루어져 내구성을 확보할 필요가 있다. 일반적인 프리패브 공법으로 이루어진 목조건물을 시공함에 있어, 건물의 벽체를 설치한 후 슬라브를 설치하여 층의 바닥을 형성하게 되는데, 종래 목재 슬라브는 그 강성이 낮아 대경간의 슬라브를 시공할 수 없고 충격음 차단성능이 낮아 층간소음이 크다는 문제점이 있었다. 그에 따라, 목재 슬라브 자체의 강성을 높이기 위한 방법이 필요하게 되었다.
1. 한국 특허등록 제10-1705134호(2017.02.09 공고)
본 발명은 프리패브 시공에 사용되는 슬라브에 대하여, 목재 판상재와 콘크리트를 노치접합으로 결합하여 목재 슬라브의 강성을 높이기 위한 고성능 목재슬라브를 제공하고자 한다. 생태 자재(목재, 에코콘크리트)를 활용하고, 사용 후 자재를 분리하여 배출할 수 있게 하여 폐기시까지 친환경 개념을 유지하며, 프리패브화를 통한 운송 및 설치 용이성을 제공할 수 있도록 하였다.
또한, 상술한 바와 같은 기술적 과제들로 한정되지 않으며, 이하의 설명으로부터 또 다른 기술적 과제가 도출될 수도 있음은 자명하다.
본 발명의 일 실시예에 따른 목재슬라브는, 소정의 두께를 가지는 목재판상재; 상기 목재판상재와 면접합으로 결합되는 프리패브콘크리트; 상기 목재판상재와 프리패브콘크리트를 분리 가능하게 결합하기 위한 고정부; 상기 목재판상재의 일면에서 소정깊이만큼 관통 형성되며, 목재판상재의 전체면적에 대해 균일하게 배치되는 복수개의 노치; 및 상기 프리패브콘크리트의 일면에서 돌출 형성되며, 상기 목재판상재에 형성된 노치에 삽입될 수 있도록 노치에 대응되는 직경을 가지는 돌출부;를 포함하며, 상기 고정부는 상기 프리패브콘크리트의 타면으로부터 돌출부를 관통하여 노치까지 연장하여 결합 고정되는 것을 특징으로 한다.
삭제
본 발명의 바람직한 특징에 따르면, 상기 목재슬라브는 복수개의 목재모듈이 적층된 구조를 가지되, 상기 목재모듈 중 최외측에 설치된 목재모듈에 상기 복수개의 노치가 형성되는 것을 특징으로 한다.
삭제
삭제
본 발명에 따르면, 프리패브 시공에 사용되는 목재판상재에 프리패브콘크리트를 노치접합하여 목재의 강성을 높일 수 있다는 장점이 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 목재판상재와 콘크리트가 고정부에 의해 진동으로 인한 벌어짐 현상을 방지할 수 있으며, 목재와 콘크리트 사이에 발생할 수 있는 전단력은 노치에 의해 저항이 생겨 방지할 수 있다는 장점이 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 브래킷의 크기를 조절하여 목재보다 튼튼한 접합이 가능하고 일반적인 볼트접합 만으로도 설계가 가능하며, 브래킷이 설치된 벽체가 하나의 독립모듈이 되어 다양한 벽체 구성이 가능하다는 장점이 있다.
본 발명의 효과는 상기한 효과로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 상세한 설명 또는 특허청구범위에 기재된 발명의 구성으로부터 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 목재슬라브의 사시도.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 목재슬라브의 분해사시도.
도 3a 내지 도 3d는 본 발명의 일 실시예에 따른 목재슬라브에 있어서, 목재판상재의 상세도.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 목재슬라브에 있어서, 프리패브콘크리트의 상시도.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 목재슬라브가 설치된 상태의 상세도.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 바람직한 실시예에 따른 목재슬라브의 구성, 동작 및 작용효과에 대하여 살펴본다. 참고로, 이하 도면에서, 각 구성요소는 편의 및 명확성을 위하여 생략되거나 개략적으로 도시되었으며, 각 구성요소의 크기는 실제 크기를 반영하는 것은 아니다. 또한, 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성요소를 지칭하며 개별 도면에서 동일 구성에 대한 도면 부호는 생략하기로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 목재슬라브는, 소정의 두께를 가지는 목재판상재(10)와, 상기 목재판상재(10)와 면접합으로 결합되는 프리패브콘크리트(20)와, 상기 목재판상재(10)와 프리패브콘크리트(20)를 결합하기 위한 고정부(30)를 포함한다.
상기 목재판상재(10)는 소정의 두께를 가지는 판상의 목재로 이루어질 수 있으며, 프리패브 공정에 의해 건축물을 제조함에 있어, 슬라브를 형성하기 위한 일 구성이다. 상기 목재판상재(10)는 소정두께의 판상목재를 하나의 모듈로 제작할 수 있으며, 목재판상재(10)를 하나의 판으로 제작하여 후술하는 노치를 제작할 수도 있으며, 판이 아닌 로드(rod)형태를 하나의 모듈로 하여 나란히 배치하여 목재판상재(10)를 제작할 수도 있다.
다음으로, 상기 프리패브콘크리트(20)는 콘크리트로 이루어진 패널로써, 종래 건축시공시 슬라브 등을 전부 설치한 이후 콘크리트를 타설하였으나 본 발명에서는 콘크리트를 사전에 제작하고 난 후, 건설현장에 반입하여 현장에서 바로 시공하는 프리패브 방식으로 이루어질 수 있으며, 이렇게 제작된 프리패브콘크리트(20)는 목재판상재(10)와 면접합으로 결합되어 슬라브를 형성하게 된다. 일반적인 목재슬라브의 경우 그 강성이 약하여 대경간의 슬라브로 사용할 수없고 충격음 차단성능이 낮아 층간소음 등을 유발하게 되는데, 이를 개선하기 위하여, 목재판상재(10)에 프리패브콘크리트(20)를 상호 결합한 슬라브를 통해 목재의 휨강성이 향상됨으로써 진동에 대한 민감도가 낮아질 수 있고, 차음성이 높아지며 내화성능과 수분에 대한 내구성이 향상된다는 장점이 있다.
다음으로, 상기 목재판상재(10)와 프리패브콘크리트(20)를 결합시키기 위한 고정부(30)를 더 포함할 수 있다. 상기 고정부(30)는 스크류와 같이 판상형의 부재를 상호 결합시키기 위하여 일반적으로 사용되는 구성일 수 있으며, 목재판상재(10)와 프리패브콘크리트(20)를 접합시킨 상태에서 일면에서 고정부(30)를 결합시켜 하나의 목재슬라브 모듈로 제작될 수 있다.
본 발명의 바람직한 특징에 따르면, 상기 목재판상재(10)의 일면에서 소정깊이만큼 관통 형성되며, 목재판상재(10)의 전체면적에 대해 균일하게 배치되는 복수개의 노치(11)를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 노치(11)는 판상형의 목재판상재(10) 일면에서 소정깊이만큼 형성된 홀(hole)로써, 전체면적에서 일정한 규칙을 가지고 균일하게 배치되는 복수개의 노치(11)가 형성될 수 있는데, 완전히 관통되어 형성되는 것이 아닌 일정깊이만큼만 형성됨이 바람직하다.
본 발명의 바람직한 특징에 따르면, 상기 목재슬라브(10)는 복수개의 목재모듈이 적층된 구조를 가지되, 상기 목재모듈 중 최외측에 설치된 목재모듈에 상기 복수개의 노치(11)가 형성되는 것을 특징으로 한다.
전술한 바와 같이, 상기 목재슬라브(10)를 제작함에 있어, 단일판으로 만들어질 수도 있고, 복수개의 판이 적층 형성된 구조를 가질 수 있다. 여기서, 복수개의 목재모듈이 적층되어 하나의 목재슬라브(10)를 형성하는 경우, 최외측에 설치된 목재모듈에 전술한 노치(11)가 형성되되, 목재슬라브(10)의 일면에서 하나의 목재모듈 두께에 해당하는 깊이만큼의 노치가 형성되어 이루어진다.
본 발명의 바람직한 특징에 따르면, 상기 프리패브콘크리트(20)의 일면에서 돌출 형성되며, 상기 목재판상재(10)에 형성된 노치(11)에 삽입될 수 있도록 노치(11)에 대응되는 직경을 가지는 돌출부(21)를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 목재판상재(10)에 형성된 노치에 삽입되어 프리패브콘크리트(20)가 목재판상재(10)에 블럭결합 방식으로 상호 결합되기 위한 돌출부(21)가 프리패브콘크리트(20)의 일면에 형성될 수 있다. 상기 돌출부(21)는 복수개의 노치(11)가 균일하게 배치된 위치에 대응되도록 형성되어 상호 끼움결합이 이루어지게 된다.
또한, 본 발명의 바람직한 특징에 따르면, 상기 고정부(30)는 상기 프리패브콘크리트(20)의 타면으로부터 돌출부(21)를 관통하여 노치(11)까지 연장하여 결합 고정되는 것을 특징으로 한다. 스크류 형상으로 구성된 고정부(30)가 프리패브콘크리트(20)를 관통하여 목재판상재(10)의 노치(11)까지 연장하여 결합되어 하나의 목재슬라브가 형성되고, 이를 프리패브 시공시 현장에 설치된 벽체 사이에 결합시키게 된다.
본 발명의 일 실시예에 따른 목재슬라브에 대하여, 목재의 휨강도, 콘크리트의 압축강도, 단일노치 접합부의 전단 성능으로 목재판상재(10)와 프리패브콘크리트(20)가 결합된 목재슬라브가 지지할 수 있는 수직하중을 산출하였다.
[제1실시예]
상기 목재판상재(10)에 형성된 노치(11)에 대하여, 두 종류의 노치접합부에 대한 전단성능을 평가하였다. 아래 표 1은 목재판상재(10)에 노치(11)를 가공한 도면의 실시예를 나타낸다.
Ø100mm(지름)×20mm(깊이) Ø200mm(지름)×20mm(깊이)
상기 표 1은 노치를 가공한 목재에 콘크리트를 타설한 후 전단성능을 평가하는 방법을 나타낸다. 전단저항력(R)은 측정된 최대하중()에 기울기(α)를 반영하여 식(1)로 계산할 수 있으며, Slip modulus(k)는 식(2)와 같이 최대하중의 10%와 40%하중과 이때의 변위로 계산할 수 있다.
················(1)
여기서,
R: 전단저항력(N)
: 최대하중(N),
α: 기울기
················(2)
여기서,
k: Slip modulus (N/m),
:최대하중의 40% 하중(N),
:최대하중의 10% 하중(N),
:최대하중의 40% 하중에서의 변위(mm),
:최대하중의 10% 하중에서의 변위(mm),
를 나타낸다.
실험방법 실험사진
Ø100mm(지름)×20mm(깊이) 시편의 파괴형상 Ø100mm(지름)×20mm(깊이) 시편의 하중-변위곡선
Ø200mm(지름)×20mm(깊이) 시편의 파괴형상 Ø200mm(지름)×20mm(깊이) 시편의 하중-변위곡선
상기 표 2에서는 노치접합부의 파괴형상과 하중-변위곡선을 보여준다. Ø100mm(지름)×20mm(깊이) 시편은 콘크리트의 전단파괴가 발생하였고, 최대하중의 경우 16.5kN(5% 하한치), Slip modulus는 50,8kN/m(평균값)이 설계값으로 결정되었다. Ø200mm(지름)×20mm(깊이) 시편은 콘크리트의 전단파괴가 발생하였고, 최대하중의 경우 59.6kN(5% 하한치), Slip modulus는 75.7kN/m(평균값)이 설계값으로 결정된다.
[제2실시예]
상기 목재판상재(10)와 프리패브콘크리트(20)가 결합된 목재슬라브의 설계사항을 나타낸다. 본 발명(하이브리드 목재슬라브)의 휨강성은 식(3)으로 계산할 수 있다.
················(3)
여기서,
: 하이브리드 목재슬라브의 유효 휨강성 (N·mm2)
: i번째 층의 휨탄성계수 (MPa)
: i번째 층의 단면2차모멘트 (mm4)
: i번째 층의
: i번째 층의 단면적 (mm2)
: 중립축과 i번째 층 도심 사이 간격 (mm)
본 발명(하이브리드 목재슬라브)의 휨모멘트저항성능은 파괴모드에 따라 식(4), 식(5), 식(6)으로 계산할 수 있다. 식(4)는 목재의 휨파괴, 식(5)는 압축측 콘크리트의 압축파괴, 식(6)은 노치접합부에서 콘크리트의 전단파괴로 결정되는 휨모멘트저항성능이다. 즉, 식(4), 식(5), 식(6)으로 계산된 휨모멘트저항성능 중 가장 작은 값이 설계값으로 결정된다.
···············(4)
·············(5)
·········(6)
여기서,
: 목재의 휨강도로 예측한 하이브리드 목재슬라브의 모멘트성능 (N·mm)
: 목재의 휨강도 (MPa)
: 하이브리드 목재슬라브의 유효단면계수 (mm3)
: 콘크리트 압축강도로 예측한 하이브리드 목재슬라브의 모멘트성능 (N·mm)
: 콘크리트의 압축강도 (MPa)
: 노치접합부의 콘크리트 전단파괴(전단강도)로 예측한 하이브리드 목재슬라브의 모멘트성능 (N·mm)
: 콘크리트의 전단강도 (MPa)
: 하이브리드 목재슬라브의 유효전단 상수
: 집중하중에서 시험편 지지점과 하중지점 사이의 거리(mm)
노치 가공 (Ψ100mmХ20mm) 휨성능평가 방법
노치접합부의 콘크리트 전단파괴 목재 휨파괴
휨강성 실험값과 예측치 휨모멘트저항성능 실험값과 예측치
상기 표 3에서는 Ø100mm(지름)×20mm(깊이) 노치로 제작한 하이브리드 목재슬라브의 휨성능(휨강성, 휨모멘트)실험, 파괴형상, 실험값과 예측치의 비교를 보여준다. 휨강성의 경우 실험 평균값은 0.34×1012 N·mm2이고, 식(3)으로 예측한 휨강성은 0.339×1012 N·mm2 로 실험값과 예측치가 유사하였다. 휨모멘트저항성능의 실험 평균값은 9.04 kN·m, 5% 하한치는 4.59 kN·m이였고, 노치접합부의 콘크리트 전단파괴로 결정된 설계값(16.5kN, 5% 하한치)으로 예측한 예측치는 4.48 kN·m 이였다. 즉, 노치접합부의 설계값으로 예측한 예측치보다 실제 실험값(5% 하한치)가 더 높았고, 이는 하이브리드 목재슬라브를 안전하게 설계할 수 있음을 의미한다.
이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하였지만, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해되어야 하고, 본 발명의 범위는 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
10 : 목재판상재
11 : 노치
20 : 프리패브콘크리트
21 : 돌출부
30 : 고정부

Claims (5)

  1. 소정의 두께를 가지는 목재판상재;
    상기 목재판상재와 면접합으로 결합되는 프리패브콘크리트;
    상기 목재판상재와 프리패브콘크리트를 분리 가능하게 결합하기 위한 고정부;
    상기 목재판상재의 일면에서 소정깊이만큼 관통 형성되며, 목재판상재의 전체면적에 대해 균일하게 배치되는 복수개의 노치; 및
    상기 프리패브콘크리트의 일면에서 돌출 형성되며, 상기 목재판상재에 형성된 노치에 삽입될 수 있도록 노치에 대응되는 직경을 가지는 돌출부;를 포함하며,
    상기 고정부는 상기 프리패브콘크리트의 타면으로부터 돌출부를 관통하여 노치까지 연장하여 결합 고정되는 것을 특징으로 하는 목재슬라브.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 목재슬라브는 복수개의 목재모듈이 적층된 구조를 가지되,
    상기 목재모듈 중 최외측에 설치된 목재모듈에 상기 복수개의 노치가 형성되는 것을 특징으로 하는 목재슬라브.

  4. 삭제
  5. 삭제
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