KR20050090559A - 해머태핑법에 의한 핑거공차를 달리한 핑거접합재의비파괴적 강도성능평가 법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 핑거공차를 달리한 핑거접합재의 역학적 성질을 효율적이고 간편하게 측정하기 위한 측정기술을 모색한 것으로서, 비파괴적 평가 방법중의 하나인 탭핑법에 의한 공진주파수를 이용해 핑거공차를 달리한 핑거접합재의 동역학적 성질을 조사했고, 종래의 목재 및 목질재료의 역학적 성질을 조사하기 위해 가장 많이 사용되어 왔던 정적 휨 시험에 의한 정역학적 성질과 비교분석을 행했다. 그 결과, 본 연구에 의한 동적탄성율과 정적 휨 시험의 결과로부터 도출된 정적 휨 탄성율 및 휨 강도와의 회귀분석의 결과는 아주 높은 상관관계가 있었고, 특히, 동적탄성율과 휨 강도사이의 상관계수는 정적 휨 탄성율과 휨 강도와의 그것과 거의 비슷했다. 따라서, 정적 휨 시험에 의한 휨 탄성율 뿐만 아니라 이 방법에 의한 동적 탄성율도 핑거접합재의 역학적 성질을 규명하는데 아주 유용하다는 것이 확인 되었다.

Description

해머태핑법에 의한 핑거공차를 달리한 핑거접합재의 비파괴적 강도성능평가 법{Nondestructive evaluation of strength performance for finger-jointed timbers with different finger dimensions and distance between tips and roots for a pair of fingers by tapping with a hammer}

본 발명은 핑거공차를 달리한 핑거접합재의 역학적 성질을 비파괴적이고 간편하고 효율적이며 경제적으로 측정하기 위한 측정 방법을 모색한 것이다. 이 기술은 핑거공차를 달리한 핑거접합재의 한쪽끝 상단을 충격 해머로 타격하여 기계적 진동에 의한 응력파를 발생시키고, 반대편쪽 하단에 엑셀로메터를 부착해서 그 응력파를 수신하고 주파수 분석기(FFT)를 사용해서 수신된 핑거접합재의 고유진동수를 이용해 공진주파수를 구하고 그 공진주파수를 분석해 핑거접합재의 역학적 성질을 비파괴적으로 평가하는 방법에 관한 것이다.

핑거접합은 목재의 종 접합법 중의 하나로서 다른 종접합법에 비해 접합면적이 넓고, 접합이 용이하며 접합 유효율이 대단히 높아 집성구조재, 가구재 등에 널리 사용되어지고 있는 중요한 접합법이다. 최근 이 핑거접합법은 그 접합 유효율을 높이기 위하여 핑거공차, 즉 핑거의 팁 과 루트사이의 차를 조절해 각 수종별로 가장 적절한 핑거공차를 찾는 연구가 진행중이고, 현재까지의 연구 축적은 제한된 몇 수종에 대해 밝혀진 바 있다.

일반적으로 목재의 비파괴적 평가는 정적 휨 시험, acoustic emission(AE), acoustic ultrasonic(AU), machine stress rated(MSR) 등 다양한 종류가 있다. 그러나 핑거접합재의 경우, AE는 핑거접합부분의 접착불량이나 결함검출을 주목적으로 사용되고 있고, AU는 음파 전달속도를 이용해서 강도 성능을 예측하나 발전기의 용량에 따라 시험능력이 달라 경제적인 부담이 뒤따르고, 목재 및 목질 재료의 경우, 옹이나, 부후에 따른 밀도분포의 차이 등으로 인해 음파가 산란 및 감쇄되어 전달 속도에 영향을 끼쳐 강도성능에 대한 편차가 생긴다. 그리고MSR의 경우는 규정된 특정한 크기의 재료에 대해서만 시험 가능한 재료 사이즈의 제약 등 제각기 단점들이 있어 그 단점을 최소화 하려는 연구가 많이 진행되어 오고 있다.

그리고 정적 휨 시험은 오래 전부터 가장 많이 사용되어온 강도성능의 평가 방법으로 시험편의 양쪽 스팬위치를 지지하고, 로드셀을 이용해 하중을 가해 하중-처짐곡선을 그리고, 그 곡선의 비례한도내의 기울기, 즉, 함수f(x)를 한번 미분한 값을 이용해 정적 휨 탄성율을 구한다. 이 방법은 핑거접합재 뿐만 아니라 소재에서 목질재료에 이르기까지 그 역학적 성질을 규명하는데 아주 중요한 역할을 하고 있다. 그러나 바이오 매스인 목재는 재질 특성상 다른 금속 또는 합성고분자 재료에 비해 밀도에 따른 강도 성능은 아주 뛰어나지만 섬유의 배열 상태에 따른 현저한 이방성을 나타내고, 특히 적은 하중에서도 시간의 증가에 따른 변형의 증가를 나타낸다.

그리고 시험편에 부하한 하중을 제한다 할지라도 변형이 완전 회복되지 않고 영구변형으로 남는다. 이것은 목재의 2차 결합형태중의 하나인 수소결합의 분리와 재결합에 의한 것으로, 일반적으로 크리프 현상, 즉 점탄성적 성질이라고 한다. 다시 말해서 정적 하중을 받은 목재는 그 하중이 적다할지라도 부하하중 제거후 영구변형이 존재하고, 하중의 이력현상이 나타나기 때문에 완전한 비파괴라고 간주 할 수 없지만 일반적으로 탄성한도내의 영구 변형량은 극히 적으므로 비파괴로 취급되고 비파괴평가로 간주되어지고 있다. 그리고, 이 휨 시험절차는 시험편의 형상과 치수에 따라 하중속도를 달리하고, 전단의 영향을 없애기 위해 스팬의 크기등도 고려해야 하며, 실대재의 휨 시험을 수행하기 위해서는 상당한 중량의 정밀하고도 명확한 데이터를 산출 할 수 있는 장치를 필요로 하는 등 까다로운 문제점들도 있다. 그러나 현재까지의 비파괴적 강도평가 방법 중에서는 가장 신뢰할 만한 방법이기 때문에 이 발명은 정적 휨 시험 결과를 기준으로 그것과 비교 분석해서 이 방법의 유효성을 입증 하고자 한다.

따라서 본 발명의 목적은 상기의 여러 가지의 비파괴 강도 성능 평가의 문제점들을 보완 및 보다 간편하면서 경제적이고, 효율적인 핑거접합재의 역학적 성질을 비파괴적으로 조사하기 위한 강도시험방법을 제공하는데 있다.

본 발명은 핑거공차를 달리한 핑거접합재의 역학적 성질을 비파괴적이고 간편하고 효율적이며 경제적으로 측정하기 위한 측정 방법을 모색한 것이다. 그 방법에 대해 상세히 기술하면 다음과 같다.

도1 은 본 발명의 전체적인 모식도를 나타낸다. 이 기술은 핑거공차를 달리한 핑거접합재 밑에 타월이나 스폰지등을 깔고 핑거접합재의 한쪽끝 상단을 충격 해머(Type 8203, B&K, Co. LTD)로 타격하여 기계적 진동에 의한 응력파를 발생시키고, 반대편쪽 하단에 엑셀로메터를 부착하고 주파수 분석기(FFT, Type 2035, B&K, Co. LTD)를 사용해서 그 진동에 의한 응력파를 수신한다. 수신된 핑거접합재의 고유진동수로부터 식(1)을 이용해 공진주파수를 계산하고 그 공진주파수를 식(2)에 대입해 동적 탄성율을 구하고 핑거접합재의 역학적 성질을 비파괴적으로 평가하는 방법에 관한 것이다. 그리고, 정적 휨 시험 결과로부터 구한 정적 휨 탄성율 및 휨강도와의 상관회귀 직선을 그리고 회귀방정식을 도출한다. 게다가 정적 휨 탄성율과 휨 강도 사이의 회귀직선으로부터 얻은 상관계수와 동적 탄성율과 휨 강도 사이의 상관계수를 비교하고, 그 관계를 명확히 한다.

[1]

여기서, f ₀ 는 고유진동수, α는 진동형태에 따른 값-8.2, h 는 시험편의 두께(mm), l 은 시험편의 길이(mm).

[2]

여기서, ρ밀도(Mg/m³), m 은 진동차수에 따른 값-4.73, h는 시험편의 두께(mm), l는 시험편의 길이(mm).

소나무 핑거접합재의 정적 휨 시험에 의해 얻어진 휨 탄성율과 휨 강도와의 상관관계를 도2에 나타낸다.

소나무 핑거접합재에 대한 정적 휨 탄성율과 휨 강도사이에 최소 자승법에 의한 회귀분 석을 실시해 상호간의 상관관계를 분석한 결과, 그 상관계수는 유의수준 1%에서 유의성이 인정되었고, 그 값은 소나무에서 0.708로 상당히 높은 값을 나타내었다.

도3은 본 발명에 의한 소나무 핑거접합재에 임펙트 헴머를 사용해 타격하고, 엑셀로메터를 통해 수신하는 탭핑법에 의한 기계적 진동으로 구한 동적탄성율과 상술한 휨 시험을 통한 휨 탄성율과의 관계를 나타낸다.

본 발명에 의한 동적탄성율과 기존의 정적 휨 탄성율간의 회귀분석의 결과 도 3의 상관 방정식이 개발 되었고, 그들 상호간의 상관계수는 0.920을 나타내어 유의수준 1%에서 아주 높은 상관이 확인 되었다. 이로써 본 발명에 의한 동적 탄성율과 정적 휨 탄성율간에는 도3에 나타낸 회귀방정식에 의해 정적 휨 시험을 실시하지 않고, 동적탄성율로 정적 휨 탄성율을 계산할 수 있다.

도4는 본 발명에 의해 구한 동적 탄성율과 휨 시험에 의한 휨 강도와의 회귀직선을 나타낸다. 그림에서와 같이 동적탄성율과 휨 강도 사이에 1%의 유의수준에서 유의성을 나타냈고, 그 값은 0.685으로 아주 높은 값을 나타내었다. 이것은 정적 휨 탄성율과 휨 강도사이의 상관계수인 0.708보다 약간 낮은 값을 나타냈고, 이 모델을 이용한 회귀방정식을 이용해 정적 휨 파괴시험을 하지 않고 비파괴적으로 정적 휨 강도를 계산할 수 있게 되어, 본 발명의 유효성을 입증한다.

따라서 본 발명은 핑거공차를 달리한 핑거접합재를 직접 파괴하지 않고, 또한 핑거접합재에 무리한 하중도 가하지 않으면서도 비교적 신뢰성이 높은 휨 탄성율과 휨 강도를 예측하는 것이 가능하고, 정적 휨 시험과 달리 큰 장치가 불 필요하고, 시험장비의 운반이 가능해 장소의 제한없이 시험이 가능한 등 휨 시험이 어려운 조건이나 환경에서 휨 시험을 대신해서 역학적 강도성능을 구할 수 있다. 그리고, 시험방식이 간단함과 동시에 단시간에 많은 양의 시험을 소화해낼 수 있어 경제적으로 아주 유용하고, 자동화 라인에 직접 투입 할 수 있어 아주 효율적인 시험을 기대할 수 있다.

도1 : 본 발명에 관한 전체적인 강도 평가기술 모식도

도2 : 기존의 휨 시험에 의한 휨 탄성율과 휨 강도와의 상관관계를 나타낸 그래프

도3 : 본 발명에서 동적탄성율과 휨 탄성율과의 관계를 나타낸 그래프

도4 : 본 발명에서 동적탄성율과 휨 강도와의 관계를 나타낸 그래프

Claims (3)

1. 비파괴적으로 핑거접합재의 역학적 강도성능을 예측하는 방법으로 임펙트 해머의 기계적 진동에 의한 고유진동수로부터 공진주파수를 구하고 그 공진주파수로부터 동적탄성율을 구하는 방법.
2. 제1항에서 구한 동적 탄성율을 이용해 동적 탄성율과 정적 휨 탄성율 및 휨 강도사이의 회귀방정식을 구하는 방법.
3. 제 2항의 회귀방정식으로부터 정적 휨 탄성율과 휨 강도를 구하는 방법.