KR20180064688A - 못 접합 구조용집성판 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 못 접합 구조용집성판 제조 방법에 관한 것으로서, 목표 최대 하중을 결정하고, 층재 조건을 결정하며, 층재 사이의 전단 흐름을 산출하고, 사용할 못들 각각의 전단저항성능 평가을 통해 못들의 간격을 도출하여 구조적 성능이 확보되는 안전한 구조용집성판을 제작할 수 있도록 함으로써, 생산자가 본 발명내용을 활용하여 한국산업표준(KS), 성능인증, 품질인증, 신제품 인증 등 다양한 인증을 취득할 수 있도록 한다. 즉, 본 발명은 국내 구조용집성판을 생산하는데 기여함으로써 구조용집성판의 국내 도입을 촉진하고 보급·확대함으로써 국내 건축, 토목, 가구산업 등이 활성화될 수 있도록 한다.
Description
본 발명은 못 접합 구조용집성판 제조 방법에 관한 것으로서, 좀더 상세하게는 못 접합에 사용될 못들 각각의 전단저항성능 및 간격을 도출하여 구조적 성능을 만족하는 구조용집성판을 설계 및 제조하는 방법에 관한 것입니다.
주지된 바와 같이, 목재는 IPCC(Intergovernmental Panel on Climate Change)에서 지정한 유일한 탄소 흡수원(Sink)이며, 지속 재생 가능한 친환경재료이다. 이러한 장점으로 인해 유럽, 캐나다, 미국, 일본, 호주, 뉴질랜드 등 주요 선진국들은 기후변화 대응 차원에서 목재를 보다 많이 사용하고자 노력하고 있다.
구조용집성판(cross laminated timber, CLT)은 집성 층재(lamina)를 교차시켜 접착 가공한 판상형 공학목재이다. 비균질성 재료이자 이방성을 가지는 목재의 단점을 보완하고자 구조용집성판이 개발되었고, 캐나다 밴쿠버의 Brock Commons(18층, 2016), 호주 멜버른의 FORTE(10층, 2012년), 영국 런던의 Stadthaus(9층, 2009년) 등 전 세계적으로 구조용집성판을 이용한 고층 목조빌딩 건설이 활발히 진행 중이다. 세계 구조용집성판 시장은 연평균(2008-2015) 17% 성장하고 있으며(IMARC 보고서), 구조용집성판과 관련된 국가별 표준 및 국제표준(ISO)이 제정 중에 있다.
구조용집성재의 층재 접합에는 보통 PRF (Phenol-resorcinol formaldehyde), EPI (Emulsion polymer isocyanate), PUR(One-component polyurethane) 등의 접착제가 사용된다. 접착제로 제작된 구조용집성판은 응력분산에 유리하지만, 프레스 등 생산 장비의 제작, 공간 확보 등 초기투자비가 크다. 한편, 목재는 못, 다우얼 등 철물을 사용하여 접합할 수 있는 바, 아직 프레스에 의한 생산 설비가 마련되지 않은 국내 실정을 감안하여 좀더 쉽게 못 접합에 의한 구조용집성판을 제조할 수 있는 기술의 개발이 요구된다.
상기한 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 못 접합에 사용될 못들 각각의 전단저항성능 및 간격을 도출하여 좀더 쉽게 제조할 수 있도록 하여 생산자가 국가표준 및 목표성능에 준하는 구조용집성판을 생산하는데 기여함으로써 구조용집성판의 국내 도입을 촉진하고 보급·확대함으로써 국내 건축, 토목, 가구산업 등이 활성화될 수 있도록 하는 못 접합 구조용집성판 제조 방법을 제공하는 것이다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 구조용집성판 제조 방법은, 제조하고자 하는 구조용집성판에 작용하는 목표 최대 하중을 산정하는 단계; 결정된 목표 최대 하중에 따라 상기 구조용집성판의 수종 및 층재 조건을 선정하는 단계; 선정된 층재 조건의 상기 구조용집성판에 대한 층재 사이의 전단 흐름(단위길이당 못이 분담해야 하는 전단력)을 산출하는 단계; 산출된 상기 층재 사이의 전단 흐름을 통해 상기 구조용집성판에 사용될 못들 각각의 전단 저항 성능을 평가하는 단계; 및 평가된 상기 못들 각각의 전단 저항 성능을 통해 상기 못들의 간격을 도출하는 단계;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 목표 최대 하중 산정 단계에서는 제조하고자 하는 구조용집성판에 작용할 최대 하중 예측을 통해 산출할 수 있다.
또한, 상기 수종 및 층재 조건 결정 단계에서는 사용될 층재의 배치, 층재의 크기 및 층재의 등급을 결정할 수 있다.
또한, 상기 층재 사이의 전단 흐름을 산출하는 단계에서는 상기 층재 사이의 전단 흐름은 아래 수학식을 통해 도출할 수 있다.
여기서, q는 층재 사이의 전단 흐름(단위길이당 못이 분담해야 하는 전단력, N/mm), P는 구조용집성판에 작용하는 최대 수직 하중(N), Q는 단면1차 모멘트(mm3), I는 변형단면법에 의한 단면2차모멘트(mm4) 이다.
또한, 상기 못들의 전단 저항 성능을 평가하는 단계에서는, 상기 못들 각각의 전단저항력은 아래 수학식을 통해 도출할 수 있다.
여기서, R은 못의 각 전단저항력(N), P는 구조용집성판에 작용하는 최대 수직 하중(N), Q는 단면1차 모멘트(mm3), S는 못 사이의 간격, I는 변형단면법에 의한 단면2차모멘트(mm4) 이다.
또한, 상기 못들의 간격을 도출하는 단계에서는 상기 못들의 간격은 아래 수학식을 통해 도출할 수 있다.
여기서, S는 못들의 간격, n은 못의 열수, R은 못들의 각 전단 저항 성능(N), q는 층재 사이의 전단 흐름(Shear Flow)이다.
또한, 열수에 따른 필요한 못의 총 개수는 아래 수학식을 통해 도출할 수 있다.
또한, 상기 못 접합을 통해 완성된 상기 구조용집성판의 휨성능을 평가하여 설계한 목표 최대 하중을 검증하는 단계;를 더 포함하고, 상기 구조용집성판의 휨성능을 평가하는 단계에서는 상기 휨성능은 아래 수학식을 통해 도출할 수 있다.
여기서, 는 휨 응력(MPa), P는 구조용집성판에 작용하는 최대 수직 하중(N), 은 스팬 간격(mm), 는 구조용집성판의 두께(mm), I는 변형단면법에 의한 단면2차모멘트(mm4) 이다.
상기한 본 발명의 못 접합 구조용집성판 제조 방법에 따르면, 목표 최대 하중을 결정하고, 층재 조건을 결정하며, 층재 사이의 전단 흐름을 산출하고, 사용할 못들 각각의 전단저항성능 평가을 통해 못들의 간격을 도출하여 구조적 성능이 확보되는 안전한 구조용집성판을 제작할 수 있도록 함으로써, 국가표준 및 목표성능에 준하는 구조용집성판 생산이 가능하다. 즉, 생산자는 한국산업표준(KS), 성능인증, 품질인증, 신제품 인증 등 다양한 인증을 취득하기 위해 본 발명내용을 활용할 수 있다. 이는 국내 구조용집성판을 조기 도입을 촉진하고 보급·확대함으로써 다양한 건축, 토목, 가구산업 등이 활성화될 수 있도록 하는 효과를 갖는다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 못 접합 구조용집성판의 구조설계 및 제조 과정을 도시한 순서도이다.
도 2은 국산 잣나무의 등급 분포를 나타내는 그래프이다.
도 3은 못 접합 구조용집성판의 휨강도 실험 및 층재 사이의 전단 흐름을 산출하는 과정을 도시한 개략도이다.
도 4는 못 접합부의 전단 성능 실험을 위한 시편을 도시한 사시도이다.
도 5는 도4의 못 접합부에 대한 층재 배열 사례를 도시한 정단면이다.
도 6은 못 접합부의 전단 성능 실험으로 도출된 시편의 하중에 따른 변위량을 도시한 그래프이다.
도 7은 못 접합부의 강도를 도출하는 방법을 도시한 그래프이다.
도 8은 못 접합 구조용집성판에 사용된 못들의 간격과 열수를 도시한 못 접합 구조용집성판의 측단면도이다.
도 9는 2열 배치로 완성된 못 접합 구조용집성판을 도시한 휨성능 시편을 도시한 사시도이다.
도 10은 도 9의 휨성능 시편의 층재 등급과 수종을 나타낸 측단면도이다.
도 11은 도 9의 휨성능 시편의 수직하중과 변위(처짐)를 도시한 그래프이다.
도 12는 도 11의 수직하중으로 시험편의 휨강도를 산출하여 휨강도와 변위(처짐)를 도시한 그래프이다.
도 2은 국산 잣나무의 등급 분포를 나타내는 그래프이다.
도 3은 못 접합 구조용집성판의 휨강도 실험 및 층재 사이의 전단 흐름을 산출하는 과정을 도시한 개략도이다.
도 4는 못 접합부의 전단 성능 실험을 위한 시편을 도시한 사시도이다.
도 5는 도4의 못 접합부에 대한 층재 배열 사례를 도시한 정단면이다.
도 6은 못 접합부의 전단 성능 실험으로 도출된 시편의 하중에 따른 변위량을 도시한 그래프이다.
도 7은 못 접합부의 강도를 도출하는 방법을 도시한 그래프이다.
도 8은 못 접합 구조용집성판에 사용된 못들의 간격과 열수를 도시한 못 접합 구조용집성판의 측단면도이다.
도 9는 2열 배치로 완성된 못 접합 구조용집성판을 도시한 휨성능 시편을 도시한 사시도이다.
도 10은 도 9의 휨성능 시편의 층재 등급과 수종을 나타낸 측단면도이다.
도 11은 도 9의 휨성능 시편의 수직하중과 변위(처짐)를 도시한 그래프이다.
도 12는 도 11의 수직하중으로 시험편의 휨강도를 산출하여 휨강도와 변위(처짐)를 도시한 그래프이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 붙였다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 못 접합 구조용집성판의 구조설계 및 검증 과정을 도시한 순서도이다.
도 1을 참조하여 설명하면, 본 발명의 따른 못 접합 구조용집성판(1) 제조 과정은 목표 최대 하중 산정 단계(ST10), 수종 및 층재 조건 선정 단계(ST20), 층재 사이의 전단 흐름 산출 단계(ST30), 못들 각각의 전단 저항 성능 평가 단계(ST40), 못들의 간격 도출 단계(ST50) 및 구조용집성판 휨성능 평가 단계(ST60)로 이루어질 수 있다.
먼저, 목표 최대 하중 산정 단계(ST10)에서는 제조하고자 하는 못 접합 구조용집성판(1; 도 3 참조)이 지지할 하중을 설정하도록 한다.
그리고, 수종 및 층재 조건 선정 단계(ST20)에서는 산정된 목표 최대 하중에 따라 적절한 탄성계수, 인장강도, 압축강도 및 전단 강도 등을 가질 수 있도록 수종 및 층재 조건을 설정하도록 한다.
먼저, 수종 선정은 아래 표1과 같은 수종군에 따른 구조용집성재의 최외층재 등급(KS F3021)을 활용하여 선정할 수 있다.
본 실시예에서는 수종군에 따른 구조용집성재의 최외층재 등급(KS F3021)을 활용하여 수종을 선정하는 것을 예시하고 있으나, 본 발명이 이에 반드시 한정되는 것은 아니며 이외에 다른 형태의 수종에 대한 자료들을 활용할 수 있음은 당연하다.
도 2는 국산 잣나무 제재목의 등급 분포를 나타내는 그래프이다.
도 2에 도시한 바와 같이, 일례로, 못 접합 구조용집성판(1)의 수종을 A사에서 구입한 국산 잣나무 1400본(단면 30×100㎜2, 길이 3,600㎜)을 대상으로 등급구분을 수행한 결과 E8등급(MOE: 8-9GPa)과 E9등급(MOE: 9-10GPa)이 각각 29%와 26%로 가장 많은 분포(전체의 55%)를 보이고 있다. 따라서, 국산 잣나무의 활용성 재고를 위해서 E8, E9등급의 외층재 활용 가능성을 검토해 볼 수 있다.
다시 도 1을 참조하여 설명하면, 층재 사이의 전단 흐름 산출 단계(ST30)에서는 선정된 층재 조건의 상기 구조용집성판(1)에 대한 층재(10)들 사이의 전단 흐름(단위길이당 못이 분담해야 하는 전단력)을 산출하도록 한다.
도 3은 층재 사이의 전단 흐름을 산출하는 과정을 도시한 개략도이다.
도 3을 참조하여 설명하면, 상기 층재(10; 11, 12)들 사이의 전단 흐름(q)은 아래 수학식 1을 통해 도출할 수 있다.
여기서, q는 층재(10; 11, 12)들 사이의 전단 흐름(단위길이당 못이 분담해야 하는 전단력, N/mm), P는 구조용집성판(1)에 작용하는 수직 하중(N), Q는 단면1차 모멘트(mm3), I는 변형 단면법에 의한 단면2차모멘트(mm4) 이다.
다시 도 1을 참조하여 설명하면, 못의 전단 저항 성능 평가 단계(ST40)에서는 상기 구조용집성판(1)에 사용될 단일 못의 전단 저항력을 평가하도록 한다.
도 4은 못 접합부의 전단 성능 실험을 위한 시편을 도시한 사시도이고, 도 5는 전단 성능 시편의 배열 상태를 도시한 정단면이며, 도 6은 못 접합부의 전단 성능 실험에서 시편의 하중에 따른 변위량을 도시한 그래프이다. 도 7은 도 6의 그래프에서 전단 저항 성능을 결정하는 방법을 도시한 그래프이다.
도 4 내지 도 7을 참조하여 설명하면, 본 실시예에서는 못 접합부의 전단 성능 실험을 위한 시편은 잣나무 수종으로 중심 층재(11)를 가운데 두고 높이 차를 두고 양측 측면 층재(12)가 포개진 상태로 못(20: φ3.15 x 82 mm (steel))을 박아 접합 시킨 후 수직 방향으로 하중을 가해 못 접합부의 전단 성능을 평가하기 위한 실험을 수행하였다.
이때, 구조용집성판(1)의 층재 배치는 다음과 같이 3가지의 다른 형태가 나올 수 있는 바, 적용 대상에 따라 층재를 배치하여 전단 성능을 평가할 수 있다. 도 5의 a) 시편(Parallel)의 경우 중심 층재(11)와 양측 측면 층재(12) 모두를 섬유방향 판재를 사용하여 서로 평행하게 배치하고 있다. b) 시편(Major Direction)의 경우 섬유 방향의 양쪽 측면 층재(12) 사이에 섬유직각방향의 중심 층재(11)를 배치하고 있다. c) 시편(Minor Direction)의 경우는 섬유직각방향 양측 측면 층재(12) 사이에 섬유방향의 중심 층재(11)를 배치하고 있다. 즉, 구조용집성판(1)에 사용하는 층재(11, 12)와 못(20)으로 구성된 층재 시험편으로 실험을 수행함으로써 보다 정확한 못 접합부의 전단저항 성능을 평가할 수 있다.
못 접합부의 전단 저항 성능 실험을 통해 단일 못(20)이 지지할 수 있는 전단 저항 성능은 도 7과 아래의 방법에 따라 도출할 수 있다. 1) 도 7의 못 접합부의 하중에 따른 변위곡선에서 최대하중의 0.1과 0.4지점을 통과하는 직선 Ⅰ을 긋는다. 2) 최대하중의 0.4지점과 0.9지점을 지나는 직선 Ⅱ를 긋는다. 3) 하중-변위곡선에 직선 Ⅱ와 같은 기울기를 가지는 접선 Ⅲ를 긋는다. 4) 직선 Ⅰ과 직선 Ⅲ이 만나는 점을 통과하면서 변위 축과 평행한 직선 Ⅳ를 긋는다. 직선 Ⅳ의 하중 값이 못 접합부의 전단 저항성능이다.
본 실시예에서는 도 6과 같이 못 접합부의 전단 저항 성능(N)을 결정하고자 시편 3개를 실험하였고 평균값을 해당 못 접합부의 전단 저항력으로 결정하였다. 아래 수학식 2과 같이 못의 개수로 나눈 값은 단일 못이 지지할 수 있는 전단 저항력이다. 상기한 전단 저항력은 아래 수학식 2를 통해 구할 수 있다.
그리고, 다시 도 1을 참조하여 설명하면, 못의 간격을 도출 하는 단계(ST50)에서는 평가된 상기 못(20)들 각각의 전단 저항 성능과 층재 사이의 전단 흐름을 검토하여 상기 못(20)들의 간격을 도출하도록 한다.
도 8은 못 접합 구조용집성판에 사용된 못들의 간격과 열수를 도시한 못 접합 구조용집성판의 측단면도이다.
도 8을 참조하여 설명하면, 못 접합 구조용집성판(1)을 이루는 못(20)들의 열수에 따른 상기 못(20)들의 간격은 아래 수학식 3을 통해 도출할 수 있다.
일례로, 전단 흐름(q)이 61.5N/mm 이고, 못의 전단저항력이 1,650N 이라면, 못들의 간격이 1열 배치시 못들 각각의 간격은 26mm이고, 2열 배치시 53mm이며, 3열 배치시 80mm 이다.
그리고, 각 열수에 따른 필요한 못(20)의 총 개수는 아래 수학식 4를 통해 구할 수 있다.
이처럼, 본 발명의 못 접합 구조용집성판 제조 방법에서는 전술한 과정들을 통해 구조용집성판(1)의 못 접합에 사용된 못(20)들 각각의 전단저항력 및 간격을 좀더 쉽게 도출할 수 있도록 함으로써, 구조적 성능이 확보된 구조용집성판(1)의 생산 및 보급이 가능하게 한다. 이를 통해 국내에도 구조용집성판(1)을 이용한 다양한 건축이 활성화될 수 있다.
다시 도 1를 참조하여 설명하면, 못 접합 구조용집성판의 휨성능 평가 단계(ST60)에서는 상기 못 접합을 통해 완성된 상기 못 접합 구조용집성판(1)의 휨성능 평가를 통해 설계된 하중지지성능을 검증할 수 있다.
상기 구조용집성판(1)의 휨성능을 평가하는 단계에서 상기 휨성능은 아래 수학식5를 통해 구할 수 있다.
여기서, σB 는 휨 응력(MPa)이고, P는 구조용집성판에 작용하는 최대 수직 하중(N), l은 스팬 간격(mm)이며, h는 구조용집성판의 두께(mm), I는 변형 단면법에 의한 단면2차모멘트(mm4) 이다.
도 9는 2열 배치로 완성된 못 접합 구조용집성판을 도시한 휨성능 시편을 도시한 사시도이고, 도 10은 도 9의 휨성능 시편에 사용된 각 층재의 수종과 등급을 나타낸 측단면도이며, 도 11은 도 9에 사용한 층재와 못의 배치 그리고 못의 전단저항력에 해당하는 구조용집성판의 목표 최대 하중, 그리고 완성된 구조용집성판의 실제 수직하중에 따른 변위(처짐)을 나타낸 그래프이고, 도 12는 도 11의 목표 최대 하중으로 해당 구조용집성판의 휨강도를 예측하고, 수중하중으로 휨강도를 계산하여 해당 시편의 휨강도에 따른 변위(처짐)를 나타낸 그래프이다.
도 9 내지 도 12를 참조하여 설명하면, 본 실시예에서는 10kN(약 1t)의 수직하중을 지지할 수 있도록 층재 및 못의 간격을 선정하여 구조용집성판(1)을 설계하였다. 그리고 3개의 구조용집성판을 실제 제작하여 수직하중을 측정하고 휨강도를 도출하였다.
그 결과, 모든 시편의 최대 하중이 목표 최대 하중보다 높게 나타났다. 한편, 각 시편의 휨강도를 도출하여 평균한 평균 휨강도는 목표 최대 하중으로 계산한 예측 휨강도 보다 약 6 MPa 더 높았다.
따라서, 이는 본 발명에 따라 못의 전단저항력으로 구조용집성판(1)을 제작하면 목표 최대 하중을 지지하는 안전한 제품이 생산됨을 의미한다.
이처럼, 못의 전단저항력으로 못 접합 구조용집성판(1)의 최대 수직 하중 및휨강도를 예측하고 실험적으로 검증할 수 있다.
이상을 통해 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형 또는 변경하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.
Claims (8)
- 제조하고자 하는 구조용집성판의 목표 최대 하중을 산정하는 단계;
산정된 목표 최대 하중에 따라 상기 구조용집성판의 수종 및 층재 조건을 선정하는 단계;
선정된 층재 조건의 상기 구조용집성판에 대한 층재 사이의 전단 흐름을 산출하는 단계;
산출된 상기 층재 사이의 전단 흐름을 통해 상기 구조용집성판에 사용될 못들 각각의 전단 저항 성능을 평가하는 단계; 및
평가된 상기 못들 각각의 전단 저항 성능을 통해 상기 못들의 간격을 도출하는 단계;를 포함하는 못 접합 구조용집성판 제조 방법.
- 제1항에서,
상기 목표 최대 하중 산정 단계에서는,
제조하고자 하는 구조용집성판에 작용될 목표 최대 하중을 예측하거나 결정하는 못 접합 구조용집성판 제조 방법.
- 제1항에서,
상기 수종 및 층재 조건 선정 단계에서는,
사용될 층재의 배치, 층재의 크기 및 층재의 등급을 결정하는 못 접합 구조용집성판 제조 방법.
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- 2016-12-06 KR KR1020160164840A patent/KR101887021B1/ko active IP Right Grant
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