木材 및 木質材料의 휨 加工技法을 이용한 産業木工藝品 開發에 관한 硏究

이선옥 三尺大學校 産業大學院 2005 국내석사

다변화, 다양화되어 가는 현대인의 공예문화에 대한 관심은 재료, 형태 적인 측면과 실용적인 측면, 기능적인 면을 적절히 구비한 공예품으로 기울어지고 있다. 특히, 재료의 다양한 활용에 대한 부분은 제작 및 새로 운 기법의 개발로 발전할 수 있으며, 이는 곧 우수한 공예품의 개발로 이어져 저변확대에도 긍정적인 역할을 할 수 있다. 목재를 이용하여 곡선형태를 표현하는 장르는 예부터 가구디자인을 비 롯하여 여러 가지 민속공예품, 토산 공예품 등에 널리 시도되어 왔고, 또 한 제작되기도 하였다. 그러나 과거에는 목재의 제재기술과 방법, 기계의 낙후성 등으로 그 표현에 한계가 있었으나 현대에 와서는 대량생산을 위 한 재료의 무한공급, 발전된 기술, 우수한 기계 등으로 목재의 휨 가공 표현이 수월해 졌다. 본고에서는 목재의 무늬와 고유문양을 최대한 활용하여 산업공예품을 개발, 제작하고자 하며, 목재의 휨 가공기법을 이용함으로서 재료의 절감 효과, 휨 가공기법의 새로운 시도, 목재특유의 색채와 질감표현을 극대화 시키고자 한다. 작품의 소재는 현대인들이 여가생활의 한 축으로 자리 잡은 관광과 레 저, 각종 문화예술축제, 지역적 특성을 살린 이벤트성 행사 등의 성격과 부합되는 관광공예품, 여러 가지 산업공예품 등을 대상으로 선택하였다. 작품에 이용된 문양과 무늬는 한국의 전통문양 중 가장 대중적이고 한 국의 이미지를 직접 전달할 수 있는 자연물의 응용문양, 식물문양, 한국 의 탈 문양 등을 현대적 감각에 맞게 재구성하였으며 형태와의 조화를 위해 목재의 고유색채와 무늬를 최대한 살려 활용하였다. 문양의 제작기법은 목공용 레이저 조각기의 다양한 활용, 목재 상감기 법, 접목기법 등을 이용하였으며, 대량생산을 위하여 수공예에 의존하지 않고 목공용 기계를 최대한 사용하였다. 결구구조는 전통적인 연귀맞춤 Today's interest in craft culture, which is changing and varying rapidly, is mainly for its material, formative aspect and practical aspect, that is to say, the craft product with its functionality. Among other things, various application of material could be led to development of new technique, which would ultimately be led to development of quality craft product so that it would play positive role for its popularization. Common examples of genre that expresses curving shape with wooden materials include furniture design, various customs craft product, and local craft product in the past. However, it had limitation in expression due to its wood material manufacturing techniques and methods and poor machinery condition. Today it's a lot easier to bending processing of wooden materials since now we have abundant materials providing for mass production, developed techniques and advanced machinery. This study is to present ways of creating industrial craft product, making the best use of wood texture and its unique pattern, and to reduce the amount of materials with the help of the bending processing, to try new method of bending processing, and to maximize the expression of the unique color and texture of wood. For subjects of artwork, I've selected tour craft products and other industrial craft products that come with tour and leisure, which many people usually enjoy during their free time, various culture and art festivals, local events and so on. For pattern and shape, I've re-organized in modernized way applied pattern from nature, plant pattern, Korean mask pattern and so on, which could deliver the most popular and Korean image. I've also made the best use of the unique color and pattern of wood

목질 건축재료의 열적 특성과 열전도율 데이터베이스 구축에 대한 연구

서정기 숭실대학교 대학원 2015 국내박사

전 세계적으로 에너지 절약의 중요성이 커지고 있으며 특히 그 중에서도 건축물에서 사용하는 에너지의 절감이 중요한 부분을 차지하고 있다. 국내 건축물의 에너지 사용량은 전체 에너지의 25%에 해당하며, 선진국의 건물부문 에너지 사용량이 40% 정도인 것을 감안할 때 우리나라도 향후 건물에서 사용되는 에너지의 비중은 증가할 것으로 생각된다. 따라서 건물에서 사용되는 에너지를 줄이기 위하여 다양한 연구 및 정책이 진행되고 있으나 건축물에서 구조재 및 실내·외 마감재로 폭넓게 사용되는 목재의 열적 특성에 관한 연구는 미비한 실정이다. 따라서 본 논문에서는 목재의 열적 특성에 대하여 초점을 맞추어 연구를 진행하였다. 연구의 범위로 건축물에 적용되는 목질 건축재료 중 목질 마루바닥재, 목질 실내마감재, 구조재의 순서로 연구를 진행하였으며 그 결과는 다음과 같다. 1) 목질 마루바닥재와 실내마감재는 많은 건축물에서 사용되고 있지만 열적 성능의 개선과 관련된 연구는 미비한 실정이다. 따라서 두 재료의 열적 특성 개선을 위한 연구를 진행하였으며 목질 마루바닥재의 경우에는 바닥난방시스템을 사용하는 우리나라의 특성상 낮은 열전도율이 오히려 단점으로 작용하게 된다. 따라서 이를 개선하기 위하여 개질흑연을 통해 시공용 접착제와 합판(합판마루의 주재료)의 열전도율을 향상시키고자 하였으며, 실험결과 기존 제품 대비 열전도율의 향상을 확인할 수 있었다. 또한 개질흑연을 사용함에 따라 접착제와 합판의 접착강도, 오염물질 방출량이 개선된 것을 확인하였으며 목업 실험 결과 기존 제품 대비 실내 표면 온도 및 실내 온도의 상승을 확인할 수 있었다. 실내마감재는 단열성능을 강화하기 위하여 진공단열재 등에 사용되는 fumed silica를 적용하였으며 실내마감재로 쓰이는 합판과 파티클 보드를 실험한 결과 두 재료 모두 목재 질량대비 10%의 fumed silica를 투입하였을 때 약 30%의 단열성능 향상을 보이는 것을 확인할 수 있었다. 2) 건축물의 에너지 성능을 파악하기 위하여 다양한 건축물 에너지 시뮬레이션 프로그램이 사용되고 있다. 하지만 시뮬레이션 프로그램의 목재 열전도율 입력값이 실제 시험보다는 각각의 연구에서 인용된 값을 이용하고 있기 때문에 프로그램별로 차이가 나며 실제 에너지 부하에서도 차이를 보이는 것을 확인하였다. 따라서 목재의 열전도율 데이터베이스 구축 연구를 진행하였으며 그 결과 구축된 목재의 수종별 데이터베이스를 통하여 기존 프로그램에 없거나 프로그램별로 열전도율이 차이나는 수종에 적용할 경우 시뮬레이션 값의 오차를 줄일 수 있었다. 국내의 목조주택이 증가하고 있는 실정에서 목질 건축자재를 적용하는 건축물의 에너지성능을 파악하는데 도움이 될 것으로 생각된다. 3) 위의 연구를 토대로 목재를 건축물에 사용했을 때의 에너지 절약성능을 건물 에너지 시뮬레이션 프로그램을 통하여 평가하고자 하였으며 시뮬레이션의 결과 실내마감재로 석고보드를 사용하였을 때와 비교하여 목질 마감재를 사용했을 때의 에너지 성능이 향상된 것을 확인하였다. 연구 결과 실내마감재를 단열성능이 높은 목질자재로 변경하는 것으로도 건물의 에너지 절약이 가능함을 확인할 수 있었다. 4) 목재의 적용범위 중 가장 높은 에너지 절약성능을 보이는 구조재의 열교에 대한 분석을 실시하였다. 분석 결과 콘크리트구조에서는 단열재의 불연속 부위에서 구조적인 열교가 발생하고 목구조에서는 구조적인 열교와 이질재료의 적용 부위에서 재료적 원인에 의한 열교가 발생하는 것을 확인할 수 있었다. 또한 콘크리트 구조에 목질 실내마감재를 적용하였을 경우에는 벽체의 선형 열관류율 값이 감소하는 것을 확인할 수 있었다. 따라서 향후 건축물의 열교와 관련된 연구에서 구조적인 열교와 더불어 재료에 대한 고려가 필요한 것을 확인할 수 있었다. 본 논문을 통해 목질 건축재료의 열적특성에 대해 분석하고 기존 재료의 열성능을 향상시키기 위한 연구를 진행하였으며, 또한 건축물 에너지 시뮬레이션 및 다양한 연구에 적용하기 위한 목재의 열전도율 데이터베이스를 구축하였다. 현재 국내 목조주택의 수는 증가하고 있으며 목질 건축재료의 적용 또한 증가할 것으로 생각된다. 따라서 현재 목질 건축재료 선택의 중요한 부분을 차지하는 미적인 부분과 더불어 에너지 절감 측면에 대한 고려가 필요하며 본 연구의 내용을 통해 향후 목질 건축재료의 적용을 통한 열적 특성에 대한 연구의 확대와 건축재료를 통한 건축물의 에너지 절감에 대한 관심이 확대되기를 바란다. While the importance of energy saving is gradually increasing around the globe, energy reduction in building especially takes a significant part among the total energy saving. The amount of domestic energy consumption takes 25% of total, considering the fact that the amount of advanced counties energy consumption is up to 40%, energy consumption weight in our country will seem to be increasing. For saving energy in building, variety research or policies have been proceeding. Research, however, of thermal characteristics of wood at finishing materials have achieved little. Therefore, this paper takes a focus on the thermal characteristics of wood. The scope and the conclusion of the paper are as following; wood flooring, wood interior finishing and wooden structure. Firstly, the case of wood flooring, low thermal conductivity becomes to be a weakness because under heating system is commonly used in domestic. Therefore, thermal conductivity of adhesives for installation and plywood are improved using exfoliated graphite. As a result, thermal conductivity is increased in comparison with existing product. Bond strength of adhesives for installation and plywood were improved by using exfoliated graphite also. The result of mock-up test, the temperature of floor surface and indoor air were increased. The case of interior finishing, fumed silica was used in order to enforce heat insulation property. The result of experiment both plywood and particle board, 30% of heat insulation property was advanced by using 10% of fumed silica. Secondly, various building energy simulation program has been used for understanding building energy capacity. Not only an input value of wood thermal conductivity, but also thermal performance value in a program is different from each other. Constructing database by species of wood, which were extracted from test result, of wood thermal conductivity had been performed. It seems to the error of simulation from program are able to be decreased. Thirdly, based on database previous research, evaluation of energy saving efficiency which used wood-based building materials was performed using building energy simulating program. Based on simulating result, energy performance was increased in case of using wood by interior finishing materials, compared to plaster board. The result shows that changing internal finisher by wood-based materials can saving building energy. Finally, thermal bridge were evaluated in accordance with concrete and wood structure. The result shows that structural thermal bridge was occurred in both concrete and wood structure. Additional material related thermal bridge was occurred because of joint between different materials. Also, linear thermal bridge at wall was decreased that application of wood finisher at concrete structure. For this purpose, in the present study, thermal characteristics of wood-based building materials was analyzed and researches were performed for increasing thermal performance of existing materials. In addition, thermal conductivity database of wood material was constructed for energy simulation and application to various research. Recently, number of timber house is growing trend. Also, application of wood-based building materials is expected to increasing. Therefore, considerations of aesthetic aspect and energy saving are necessary for selection of wood-based materials. Hopefully, this study will be used for extension of research that thermal characteristics of wood-based building materials and of expanding interest of energy saving.

낙엽송 구조용 목질 재료의 휨 강도 예측 및 FEM 해석

백승엽 강원대학교 대학원 2021 국내석사

최근 해외에서는 구조용 목질 재료의 유한요소 해석 모델을 통해 휨 강도를 예측한다. 하지만 국내는 구조용 목질 재료의 유한요소 해석에 관한 연구가 미비한 상황이다. 국내에서도 구조용 목질 재료에 대한 유한요소 해석 연구를 통해 휨 강도 예측이 가능한 모델화가 필요할 것으로 보인다. 본 논문에서는 낙엽송 구조용 목질 재료의 휨 강도를 유한요소법(Finite Element Method)을 사용하여 예측하였다. 유한요소법이란 물체를 작은 유한(Finite)개의 요소(Element)로 나누고, 그 요소들을 두 개 이상의 요소들이 공유하는 절점(Node)이나, 결계선, 또는 경계면 등으로 만드는 모델화 과정을 진행한다. 분할된 각기의 영역에 관해 구하고자 하는 방정식을 세우고 근사해법에 기하여 계산하는 수치계산 방법이다. 구조 해석에서는 재료의 응력과 변형률의 관계식을 사용하여 해석한다. 이렇게 구조 해석에서는 재료의 방향별 탄성계수, 포아송비, 그리고 전단 탄성계수를 요구한다. 기존 콘크리트 재료는 등방성 재료이기 때문에 한 방향에 대한 탄성계수, 포아송비, 그리고 전단 탄성 계수로 3가지의 재료 상수가 필요하다. 하지만, 목재는 직교이방성 재료로, 3 방향에 대한 역학적 물성이 서로 다르기 때문에 유한요소 해석 시 최소 9가지 이상의 재료 상수가 필요하다. 유한요소해석에 필요한 국내산 낙엽송의 재료 상수 데이터는 미비한 상태이다. 이에 낙엽송에 대한 압축강도 시험과 전단강도 시험을 통해 유한요소 해석에 필요한 방향별 탄성계수, 포아송비, 그리고 전단탄성계수를 산출하였다. 산출된 낙엽송 재료 상수를 사용하여 구조용 목질 재료의 유한요소 해석을 진행하였다. 유한요소법을 통한 구조용 목질 재료의 휨 강도 예측은 Bilinear Plastic Model을 사용하였다. 목재는 압축에서 소성 변형이 발생하는 연성 파괴, 인장과 전단에서는 취성파괴가 발생한다. 이에 압축 시험을 통해 얻은 응력-변형률 그래프를 통해 Bilinear Plastic Model을 정의하였다. Bilinear Plastic Model에 필요한 항복 응력은 압축 응력을 사용하였다. 구조용 목질 재료는 휨 강도 시험 시 최대 휨 모멘트 내에 옹이 및 섬유 주행 경사와 같은 결점이 존재하면 낮은 하중-변형 구간에서 파괴된다. 휨 성능을 예측할 수 있는 기존 설계 이론과 유한요소 해석에서 휨 강성은 실측 값에 유사하게 예측 가능하나, 옹이 및 섬유 주행 경사 비와 같은 결점을 고려하지 않아 휨 강도 예측 시 실측 값과 오차가 발생한다. 이에 본 연구에서는 유한요소 해석 시 낙엽송 구조용 목질 재료의 최대 휨 모멘트 부분의 옹이 및 섬유 주행 경사와 같은 결점에 따른 재료 상수 보정 후 유한요소해석을 통해 휨 강도를 예측하였다. 낙엽송 소경 각재는 KS 기준에 따라 최대 휨 모멘트 부분의 결점을 측정하여 육안적 등급 구분하였다. 휨 강도 시험 결과 육안적 등급에 따라 휨 강도가 감소하였으며 KS 기준에 명시된 침엽수 구조용재의 육안적 등급에 대한 휨 강도 감소 비와 유사함을 확인하였다. 이에 유한요소 해석에서 휨 강도 감소 계수는 KS 기준에 명시된 육안적 등급에 대한 휨 강도 감소 비를 대표 값으로 사용하였으며, 낙엽송 소경 각재의 최대 휨 모멘트 내의 항복 응력에 보정하였다. 강도 감소 계수 보정 전휨 강도 예측은 육안적 등급이 낮아짐에 따라 실측 값과 오차가 크게 발생함을 확인하였으나, 강도 보정 후 예측된 낙엽송 소경 각재의 휨 강도는 실측 휨 강도와 유사함을 확인하였다. 낙엽송 각재 적층목, 집성재, 그리고 CLT는 최대 휨 모멘트 내의 최 외각 인장 층재를 육안적 등급에 따라 구분하여 제작하였다. 각재 적층목, 집성재, 그리고 CLT의 휨 강도 시험 결과 육안적 등급이 낮아짐에 따라 휨 강도도 감소하였으며, KS 기준에 명시된 육안적 등급에 따른 강도 감소비와 유사함을 확인하였다. 이에 유한요소 해석에서 휨 강도 감소 계수는 KS 기준에 명시된 육안적 등급에 대한 휨 강도 감소 비를 대표 값으로 적용하였다. 강도 감소 계수 보정 전휨 강도 예측은 육안적 등급이 낮아짐에 따라 실측 값과 오차가 크게 발생함을 확인하였으나, 강도 보정 후 예측된 낙엽송 소경 각재의 휨 강도는 실측 휨 강도와 유사함을 확인하였다.