목재의 수축량을 계산할수 있을까?

지난글에 이어서 목재의 수축관련 내용을 건물내 예상되는 수직 축소량을 검토하고자 한다. 목재는 수종과 재재시 나이테의 방향에 따라 상이함을 지난 내용에서 알게 되었다. 그러면 어느 설계코드에 수축량 산정에 대해서 언급했을까? 불행히도 필자가 찾아본 결과 앞에서 처음글에서언급했던 코드에서는 못찾았고, 앞글에서 Design of Wood Structures와 Introduction to Wood Design (2005 Edition, Canadian Wood Council)에 설명에 되어 있다. 둘다 목조 교재로써 아주 훌륭하다고 필자는 생각한다. 전자는 미국 기준을 설명하고, 후자는 캐나다 기준을 바탕으로 준비되었다. 책에 대한 광고는 여기서 끝내고... ... .
실용적인 방법으로 다음의 식을 제안하고 있다.

S = D x M x c
여기서,
S : 목재의 수축량(shrinkage, mm)
D : 목재의 실제치수(actural dressed dimension, mm)
M: 목재내 함수량 변화(percent of moisture change below the fiber saturation point)
c : 축소계수 (shirinkage coefficient)

위의 공식은 예를 들어 설명하겠다. 먼저 궁금한것이" 축소계수(c)를 어떻게 구하나?"이다. 솔직히 목조건물 공사시 spruce engelmann(S-P-F로 사용되는 수종중의 하나)목재만 가지고 시공을 하는 것은 불가능하다. 그리고 목재의 길이방향은 축소량이 매우적어(보통 c = 0.00005) 무시한다고 하지만, 나이테의 진행방향과 접선방향에 따라 축소량이 다른데 어떻게 목재마다 전부 재재된 상태를 확인해서 축소계수(c)를 적용하는 것은 여간 어려운 일이 아니다. 이런 모든것을 고려해서 두 교재와 Canadian Wood Council(이하 CWC)에서는 축소계수(c)를 0.002로 제안하고 있다. 이제 축소계수를 알았으므로 이제 축소량을 쉽게 구할수 있다.

예) 정사각형 3층(층고 3m) 목구조 건물 각층에 2x10(38x235) 장선(joist)과 2x6(38x140) plate을 벽체상부에 2매, 하부에 1매를 설치하고, 건물 1면의 벽채의 길이는 6m (2x6@400)이라고 가정하자. 목재는 KBC를 고려해 건조재 18(KD18)를 사용하고 준공후 사용중 목재 함수량이 10%라고 가정하자. 실내 실외와 난방여부를 고려하면 10%가 거의 사용중 목재 함수량으로 적당하다고 생각한다.
풀이) 축소될 목재의 실제치수(D)은 각층에 1개의 장선과 3장의 플레이트가 시공(북미 정석임)되므로 D = 3(층) x (235 + 3 x 38) = 1047mm가 된다.
목재의 함수량 변화(M)는 18%에서 10%로 변화될것으로 가정했으므로 M = 18-10 = 8이다.
따라서 목재의 축소량(S) = 1047 x 8 x 0.002 =16.7mm가 된다. 여기에다 벽체의 축소량 산정해 본다면 D = 3 x [3000 - (3 x 38 + 235)] = 7953mm이며 S = 7953 x 8 x 0.00005 = 3.2mm가 된다. 따라서 스터드의 축소량은 매우 작음을 볼수 있다. 굳이 스터드의 축소량까지 더 한다면 예상되는 축소량은 약 20mm가 된다.

위의 예는 전형적인 목조주택의 경우이며, 목조건물에 조적벽 또는 철골모멘트 라멘 부재가 사용된다면 설계자는 충분히 목재의 처침으로 인한 stiff한 건축재로의 2차 응력의 전달을 고려해야 한다.

오늘 간단히 목조건물에서 예상 축소량 산정법에 대해서 언급했다. 비록 주요 부재설계만 하다보면 이런 것들을 작다고 소홀히 할수 있다. 그러나 엔지니어는 신과 같이 완벽할수는 없지만 최선을 다해 완벽해지려고 노력해야 한다고 생각한다.

그럼 다음에 또... ... .

대한국인 이희용 (david.hy.lee@gmail.com)