3.1 사용재료 및 시험

건축재료로 사용되는 목재는 참나무, 느티나무, 전나무 등 다양하게 쓰일 수 있으나 조선시대 이후 대부분 소나무가 건 축용 목재로 쓰이게 된다. 생태적으로는 인구증가로 인해 활 엽수가 빠르게 고갈되어 갔고, 토질이 척박해지면서 생명력 이 강한 소나무가 살아남게 되었다. 또한 소나무가 대체로 연 안과 강가에 다량으로 자라고 있어 운송이 용이하였던 점도 유추할 수 있다.

본 연구에 사용된 목재는 연륜이 53년이며, 직경 37cm 가 량인 강원도산 소나무로써 무게, 비중, 밀도 등의 특성은 Table 2와 같다.

Table 2

Weight and specific gravity of materials

흡수량 시험은 유기적이고 다공질 재료인 목재의 흡수량이 크고, 흡수에 따른 뚜렷한 성질의 변화가 나타나기 때문에 이 에 따른 변화를 추정하기 위해 수행하였으며 흡수면의 총면 적에 대한 침수전후 공시체 중량으로 계산하였다. 또한 본 연 구에 사용된 목재의 물성치는 Table 3과 같다. 각 시험은 KS 규격에 따라 6개씩 실시하였으며, 압축강도와 인장강도는 목 구조물의 구조설계 및 구조성능 평가시 필요한 값으로, 목재 가 이방향성 재료이므로 섬유방향에 평행과 직각방향으로 실 시하였다.

Table 3

Material properties

3.2 결구형태별 치수

실험체 제작 시 주요부재는 기둥, 창방, 평방, 주두로 구성 된다. 기둥 상하부의 지름이 일률적인 경우에는 치목 시에 맞 춤되는 부위에 장부가 삽입될 수 있도록 공구를 사용하여 바 심질 작업으로 완성한다. 본 실험체 제작 시에는 치목의 조건 을 동일하게 하고자 하였다. 기둥머리 결구부 형태 변화에 따 른 정도를 분석하기 위해 기둥에 흘림이 있는 형태는 배제하 였다.

구조적인 특징은 도래걷이 주먹장맞춤은 축력에 보강되는 형태이고, 통넣기 주먹장맞춤된 형태는 전단력에 보강된 형 태로 보이며, 도래걷이 장부맞춤된 형태는 기둥이 할렬파괴 될 것으로 예상된다.

창방 치목은 기둥에 접하는 창방의 어깨면 형태에 따라 소 매걷이, 도래걷이, 통넣기 형태로 분류되는데, 이러한 형태에 따라 치목의 난이도가 다르다. 따라서 결구 형태별 실험체 규 격은 Fig. 1과 같이 분류하여 정리하였다.

Fig. 1

Size of Beam-to-Column Joint

3.3 실험체 설치 및 측정계획

하중은 Fig. 2와 같이 하중가력장치를 이용한 수평하중으 로, 층간변위비 0.5% (10mm)부터 시작하여 10%가 될 때까지 각 단계마다 0.5%씩 증가하였으며, 각 단계마다 3회씩 반복 하여 가력하였다. 기둥의 축력은 지붕하중을 부과하는 것이 아니라, 기둥부재의 모멘트 저항능력을 정확히 평가하기 위 한 것이므로 일반적으로 기둥내력의 10%가량 부과한다. 본 실험에서는 목재 기둥에 대한 사전해석을 실시한 결과, 축력 의 변화에 따라 모멘트 저항성능이 크게 영향을 미치지 않는 것으로 나타났다. 따라서 실험체의 축력은 10∼70kN의 범위 로 부과하였다.

Fig. 2

Setting of specimen

하중가력장치에서 측정되는 하중과 변위를 포함하여, 실험 체에 설치된 변위측정기(LVDT) 15개, 변형률측정계(Strain Gauge) 8개, 로드셀(Load cell)4개를 이용하여 총 29개의 항목 을 측정하였다. 하중가력위치와 기둥의 중심, 창방 및 평방 위 치에 수평변위계를 설치하였다. 창방과 평방의 상대변위를 측정하기 위해 수직변위계를, 접합부의 회전각을 위한 대각 선 방향의 변위계도 설치되었다. 스트레인게이지의 위치는 횡력을 가할 때 기둥머리의 할렬 파괴를 예상하고 파괴진행 방향에 직교하도록 부착하였고, 이 게이지를 부착하려고 표 면을 3mm 파내었다.

4.1 균열 및 손상현황

Table 4는 각 실험체의 기둥, 평방, 창방 그리고 결구부분의 탁본을 나타낸 것이다. 도래걷이 주먹장맞춤 실험체에서는 우측 주먹장 결구부의 하단부에 주먹장 목부분과 머리 부분 에 2개소의 균열이 존재하였다. 실험 후 기둥 마구리면에서 균열발생현황은 실험 시 반복가력에 의해 균열이 진전되어 완전하게 파괴된 현상을 보인다. 이는 치목 중에 생성된 목재 부위의 균열, 특히 접합부 위치에서는 영향이 있음을 나타내 는 결과이다. 균열에 의한 피해정도를 저감시키기 위해서는 결구부 면에서 균열이 발생할 수 있는 부위에는 재료의 수축 균열이 없는 곳에 결구부를 바심질하는 것이 접합부 강성 확 보에 유리하다고 판단된다. 도래걷이 주먹장맞춤 실험체 기 둥 표면의 균열은 접합부 주변 균열이 실험과는 연관관계의 현상을 보였다. 실험 중 균열 폭이 2mm 증대되었으며, 균열 길이는 육안으로 확인이 불가한 정도이다.

Table 4

Crack of specimen

좌측 창방의 마구리면은 목재의 나이테가 원형이 아닌 C형 의 나이테 모양이 나타나고, 이를 세로방향으로 치목하여 결 구하였다. 우측창방 마구리의 나이테 형태는 원형으로서 목 재의 핵부분, 심재, 변재부분이 모두 조합된 부재로 치목되었 다. 실험 후 창방 양쪽의 균열 진행정도를 분석한 결과, C형의 나이테 형상을 가진 좌측 창방에 비해 원형 형태의 나이테를 가진 우측 창방에 균열이 더 많이 진행되었다. 이로 볼 때 나이 테의 형상도 부재 강성에 영향이 있는 것으로 판단된다.

통넣고 주먹장맞춤 실험체의 기둥 상부의 마구리면은 횡력 이 가해지는 실험 중 균열이 1mm 증대되었고, 해체 후는 기둥 상면의 균열이 호상갈램파괴가 나타났으며, 전면 좌측은 호 상갈램 길이가 45mm 방사방향은 30mm 우측은 호상갈램 길 이가 30mm 방사 방향의 균열 길이는 65mm가 발생되었다. 후 면 좌측은 호상갈램길이가 25mm 발생되었고, 방사방향 균열 은 길이 30mm가 발생되었다. 타 실험체에 비하여 균열의 발 생 정도가 많음을 알 수 있다. 통넣고 주먹장맞춤 실험체의 창 방 및 평방의 표면균열은 실험 전, 후와 크게 달라진 것이 없었 다. 다만 주먹장 머리 마구리 부분의 균열이 우측 창방에서 호 상갈램 파괴 현상이 확실하게 보이고 있으며, 창방 하부의 지 압파괴 현상은 좌측 창방은 1.5mm, 우측 창방이 2.6mm로 나 타났다. 호상갈램파괴 정도의 차이는 좌측 창방의 경우 나이 테의 촘촘한 정도가 3mm 미만으로 밀실하고 우측 창방의 경 우 5mm 미만으로 나타났다.

통넣고 주먹장맞춤 실험체의 좌측 창방은 기둥원형마구리 상부의 접합부면과의 차이가 1.5mm의 지압파괴현상을 보이 고 있다. 상대적으로 이 값이 적은 이유는 창방의 기둥 내측에 통넣기로 조립되어 그 저면의 접합 면적이 넓은 이유에서이 다. 또한 우측 창방 하부는 기둥면 접촉부위에서 2.6mm의 지 압파괴 현상을 보이고 있다. 이 또한 다른 실험체에 비하여 파 괴의 깊이가 적다.

도래걷이 장부맞춤 실험체 기둥 상부의 균열정도는 우측 아 래 장부면까지 균열이 진행되었음을 볼 수 있다. 그러나, 실험 중의 기둥 겉면에 부착된 균열게이지에는 변화가 없었고, 실험 후 해체를 하여 위와 같은 내부의 균열을 관찰할 수 있었다.

기둥 표면의 균열은 실험 시의 가력 정도에 따른 균열 변화는 일어나지 않았으나, 하단부 양갈 우측부분 기둥의 균열이 실험 전에 비하여 양갈 내면까지 진전되었음을 알 수 있다. 이는 창 방의 어깨부분이 기둥과 감싸지게 된 도래걷이 형상이다. 그로 인해, 창방 어깨 하단부와 기둥 접촉면에서 목꺾임현상이 발생 하여 양갈의 단부에 균열이 확산되는 모습을 보인다.

창방의 표면 균열은 실험 시 가력정도에 따른 영향은 없었 고 다만 창방 하부면과 기둥 가장자리면의 접합되는 부위에 서 지압파괴현상을 보이고, 숫창방은 5.1mm의 지압파괴현상 이 발생되었고, 암창방은 4.8mm의 지압파괴 현상이 발생되 었다. Fig. 3

Fig. 3

Cycle of specimen (3 times repetition)

4.2 최대강도

도래걷이 주먹장맞춤 실험체의 최대하중은 Fig. 4와 같이 층 간변위각 5%(100mm변위)를 기준으로 +24.18kN, -24.31kN으 로 나타났다. 최대변위는 실험체의 최상단에서 발생하지만, 주 두는 구조부재로서의 역할이 미미하므로, 창방 하단의 기둥점 에서의 변위와 평방 좌측점에서의 변위를 측정하였다.

Fig. 4

Load-displacement curve of Doraegeoji dovetail joint

도래걷이 주먹장맞춤 실험체는 하중가력점 위치에서 ±100mm 일 때 창방하단의 위치에서는 최대 +133mm, -135mm, 평방 위치 에서는 +208mm, -193mm까지 변위가 발생하였다. 이는 평방의 미끄러짐 현상으로 정(+)방향으로의 변위가 상대적으로 커졌 음을 알 수 있다.

통넣고 주먹장맞춤 실험체의 최대하중은 Fig. 5와 같이 +21.4kN, -24.1kN로써 도래걷이 주먹장맞춤 실험체에 비해 약 11.5%(정가력), 0.9%(부가력)로 평균 6.2%가량 작게 나타 났다. 최대변위는 실험체의 최상단에서 발생하지만, 주두는 구조부재로서의 역할이 미미하므로, 창방하단의 기둥점에서 의 변위와 평방 좌측점에서의 변위를 측정하였다. 하중가력 점 위치에서 ±100mm일 때 창방하단의 위치에서는 최대 +134mm, -138mm, 평방 위치에서는 +207mm, -202mm까지 변위가 발생하였다.

Fig. 5

Load-displacement curve of Tongneoko dovetail joint

도래걷이 장부맞춤 실험체는 23.2kN, -21.9kN으로 도래걷 이 주먹장맞춤 실험체에 비해 약 4%(정가력), 10%(부가력)로 평균 7%가량 작게 나타났다. Fig. 6

Fig. 6

Load-displacement curve of Doraegeoji mortise joint

또한 하중가력점 위치에서 ±100mm일 때 창방하단의 위치 에서는 최대 +137mm, -138mm, 평방 위치에서는 +209mm, -202mm까지 변위가 발생하였다. 이는 도래걷이 주먹장맞춤 과 비교할 때 거의 유사한 값으로 장부맞춤은 주먹장맞춤은 강도는 약간 작은 값을 가지고, 변위는 크게 영향을 미치지 않 음을 알 수 있다. Fig. 7

Fig. 7

displacement-stiffiness curve

4.3 강성변화율

강성은 하중(kN)/변위(mm)로 계산하여 전체 구조물의 변 형에 대한 저항성능을 평가하였다. 도래걷이 주먹장맟춤의 경우 초기 첫 번째 사이클에서의 강성은 약 0.7가량으로 나타 났으나, 두 번째 사이클에서는 약 0.5 이후 마지막 사이클에서 는 약 0.25로 초기에 비해 약 36%의 강성을 보유함을 알 수 있 다. 부가력에서는 첫 번째 사이클에서 약 0.5, 마지막 사이클 에서 약 0.2로 초기에 비해 약 40%의 강성을 보유하는 것으로 나타났다.

통넣고 주먹장맞춤의 경우 초기 첫 번째 사이클에서의 강 성은 약 0.5가량으로 나타났으나, 두 번째 사이클에서는 약 0.4, 이후 마지막 사이클에서는 약 0.19로 초기에 비해 약 38% 의 강성을 보유함을 알 수 있다. 전체 강성은 도래걷이 주먹장 맞춤에 비해 작은 값을 가지지만, 마지막 사이클에서의 강성 보유비율은 거의 같은 값을 가진다. 이는 목재의 뛰어난 강성 감소 저항능력을 나타낸다고 볼 수 있다. 부가력에 대해서도 첫 번째 사이클에서 약 0.5, 마지막 사이클에서 약 0.19로 초기 에 비해 약 38%의 강성을 보유하는 것으로 나타났다.

도래걷이 장부맞춤 실험체의 경우 초기 첫 번째 사이클에 서의 강성(정가력과 부가력의 평균값)은 약 0.4가량으로 나타 났으나, 두 번째 사이클에서는 약 0.39, 이후 마지막 사이클에 서는 약 0.19로 초기에 비해 약 48%의 강성을 보유함을 알 수 있다. 전체 강성은 도래걷이 주먹장맞춤에 비해 작은 값을 가 지지만, 마지막 사이클에서의 강성 보유비율은 더 큰 값을 가 진다. 이는 장부맞춤이 주먹장맞춤에 비해 강성감소가 적게 일어나 파괴 시 안전성을 확보하기에 유리하다는 의미로 사 료된다.