3.3 OSB 덧댐 판 목재트러스의 휨 시험

3.3.1 재료 및 방법

3.3.1.1 공시재료

  본 연구에서는 현장에서 가장 흔하게 사용하고 있는 북미산 구조재 SPF(Sprus-Pine-Fir), 2X4, No#2 & Btr, 캐나다산 11.1mm OSB 그리고 50mm Gun Nail (Screw Type)을 사용한다.

3.3.1.2 시험편 제작

  OSB Gusset의 크기 및 못 박기는 Angleton (1960)의 논문을 참조하여 Figure3-1과 같이 제작하였다. 경사트러스 시험편은 OSB 덧댐판에 못 박기는 간격을 9mm로 하고 못을 직선으로 박을 때와 지그재그로 박을 때의 강도 차이를 비교하기 위해 두 가지 종류로 시험편 각각 6개를 Figure3-5, Figure3-6과 같이 제작하였다. 경사트러스의 길이는 6m이며 경사각은 20°로 하였다. 경사트러스를 먼저 시험한 결과 두 가지 못 박기 종류에서 강도차이가 없었기 때문에 수평트러스 시험편은 못을 직선으로 박는 한 가지 타입으로 제한하여 시험편 6개를 Figure3-7과 같이 제작하였다. 수평트러스의 길이는 6m이며 높이는 0.5m로 하였다.

Fig. 3-4 Shape and nailing OSB gusset

Fig. 3-5 Straight nailing shape of common truss

Fig. 3-6 Zigzag nailing shape of common truss

Fig. 3-7 Straight nailing shape of flat truss

3.3.1.3 실험방법

1) 경사트러스

Fig. 3-8 Bending test of common truss

  경사트러스는 Fig. 3-5와 같이 유압실린더로 압력을 가하는 방식으로 3지점에 동일 분포 하중을 가하여 휨 시험을 진행하였으며 양 끝 면은 시험편 받침에 핀 지점과 롤러 지점으로 하였다. 하중이 가해지는 곳은 하중점이 목재를 파고들 우려가 있으므로 하중 블록을 사용하여 목재 내 파고드는 것을 방지하였다. 처짐 시험의 측정은 트러스 하현재에 LVDT를 장착하여 측정했다. 천장장선의 처침 한계를 L/240으로 규정하고 있기 때문에 이 값에 접근했을 때의 강도치를 트러스의 허용강도로 산정하였다.

2) 수평트러스

  수평트러스의 실험방법은 Fig.3-5와 같이 1/3점 하중 방식을 채택하여 휨 시험을 실시하였다. 이러한 실대재 휨 시험 방법을 적용하면 중앙 2개의 하중 점 사이에서 전단력이 작용하지 않기 때문에 전단력의 영향을 배체한 순수한 휨 모멘트의 영향만을 고려한 휨 강도를 얻을 수 있는 장점이 있다. 처침에 대한 측정은 트러스 하현재에 LVDT를 장착하여 측정하였다. 수평트러스를 바닥장선으로 사용할 경우 L/360, 천장장선으로 사용할 경우 L/240 지점에 처짐 값이 근접할 경우의 강도치를 수평트러스의 허용강도로 각각 산정하였다.

Fig. 3-9 Bending test of flat truss

3.3.2 결과 및 고찰

3.3.2.1 경사트러스

  경사트러스는 하단에 건식천장이 부착되는 형태로 사용하기 때문에 처짐 한계 L/240을 초과할 경우 경사트러스로서의 기능을 발휘하지 못한다. 경사트러스의 휨 시험을 통하여 못을 직선으로 박았을 때와 지그재그로 박았을 때 시험편에 대하여 처짐 한계 L/240에서 얻어진 하중 값은 Table3-1과 같다. 두 조건의 하중 값은 처짐 한계일 때 뿐 아니라 파괴하중일 때도 조건 간의 차이가 없었다. 하중 및 변형 곡선은 두 조건 모두 일반적으로 Figure3-10과 같은 형태를 나타내었다.

Fig. 3-10 Relationship between load and strain of slope truss.

  시험편 12개의 처짐 한계 L/240에서의 허용하중평균은 10.60KN을 나타내었다. 실험실 조건상 첫 번째 파괴가 발생하고 실험을 중단했기 때문에 정확한 파괴강도는 설정하기 어려웠으나, 첫 번째 파괴 시의 파괴하중평균은 15.02KN을 나타내었다.

  경사트러스의 경간은 6m, 트러스 배열 간격은 609mm(24inch), 지붕물매는 12:4.4이며, 트러스의 위쪽 지붕에는 아스팔트 싱글, 시트지, OSB (11.1mm)를 하단에는 단열재(R-30), 석고보드(12.5mm)를 부착하며, 설하중에 영향이 적은 일반지역으로 가정 할 경우 트러스에 작용하는 하중은 다음과 같이 계산될 수 있다.

고정하중 ······································································ 442pa

트러스 자체하중 100pa

아스팔트 싱글 96pa, 경사각 20°를 적용하면 102.16pa

지붕용 시트지 16.3pa, 경사각 20°를 적용하면 17.35pa

OSB(11.1mm) 79pa, 경사각 20°를 적용하면 84.07pa

단열재(R-30) 19.6pa

석고보드(12.5mm) 118pa

시공하중(활하중) ······················································· 1 Kpa

총하중(작용하중) ······················································· 1.44 Kpa

  한 개의 트러스가 부담해야 하는 하중면적은 6m X 0.609m(2')=3.654m2이 되어 하나의 트러스에 작용하는 하중은 1.44KPa X 3.654m2 = 5.26KN이다. 이는 본 실험에 의하여 처짐 한게에서 얻어진 트러스의 허용강도 10.60KN보다 5.34KN이 작은 값임을 확인할 수 있다.

Fig. 3-11 Failure mode of common truss.

  Gang Nail을 사용한 트러스는 대부분 Gang Nail 덧댐판 부분에서 파괴가 발생하는 것에 비해 OSB 덧댐판 트러스의 파괴형태는 Fig3-11과 같이 덧댐판과 덧댐판의 중간부분에서 파괴가 발생했다. 이는 다음과 같이 3가지 이유로 판단된다.

  첫째는 OSB 덧댐판의 부착강도가 높아 각각의 덧댐판 지점에서 상하현재 또는 웨브 부재가 자유롭게 움직이지 못하게 되어 부재 자체에 휨 응력이 작용한 것으로 생각한다. Fig3-11 사진과 같이 하중을 가할 경우 덧댐판 부분에서는 OSB와 상현재의 부착력이 강해 이 부위에서는 부재가 휘어지지 않으나 상현재의 중간부분에서 급격하게 휘어지는 것을 볼 수 있다.

  두 번째는 상하현재 또는 웨브 부재를 일반현장에서 사용하는 No#2 등급을 무작위로 사용했기 때문으로 생각한다. 이 부재들의 강도가 무결점재(No#1) 보다 약하기 때문에 이 부분에서 파괴가 일어났을 것으로 판단된다.

  세 번째는 하중의 형태가 균일분포 하중이 아닌 집중하중 형태로 단 3지점에서만 가압을 했기 때문으로 생각한다. 만일 균일분포하중 형태로 가압을 했을 경우 또는 가압실린더를 여러 개 설치하여 가압할 경우는 파괴양상이 Fig3-11과 같지 않았을 것으로 생각한다.

3.3.2.2 수평트러스

  실험은 파괴가 발생하면 바로 중단했으며 하중-변위 곡선은 일반적으로 Figure3-11과 같은 형태가 되었다. 이때 계산된 하중 값은 1/3점 집중하중을 균일 분포 하중으로 환산하였다.

  수평 트러스는 바닥장선으로 사용할 경우 처짐 한계 1/360을 초과할 경우 바닥장선으로서의 기능을 발휘하지 못한다.(천장장선의 경우 처짐 한계 1/240) 처짐 한계 1/360에서 하중평균은 7.18KN, 1/240에서 하중평균은 9.17KN이 나왔다.

Fig. 3-12 Relationship between load and strain of flat truss

  6m 경간에 트러스를 406mm(16inch) 간격으로 설치하고 바닥장선으로 사용하며, 마감은 트러스의 위에서부터 강화마루(9mm), 난방용 미장몰탈(40mm), OSB(18.3mm), 트러스(100pa), 방음용 인슐레이션(R-19), 석고보드(12.5mm)를 사용할 경우 트러스에 작용하는 하중은 다음과 같이 계산할 수 있다.

고정하중 ······································································ 1.05 Kpa

트러스 자체하중 100pa

강화마루(9mm) 90pa

난방용 미장몰탈(40mm) 600pa

OSB(18.3mm) 128pa

인슐레이션(R-19) 12.4pa

석고보드(12.5mm) 118pa

시공하중(활하중) ······················································· 2 Kpa

총하중(작용하중) ······················································· 3.05 Kpa

  한 개의 트러스가 부담하는 하중면적은 6mX0.406m(16')=2.436m2 이 되어 작용하중은 3.05Kpa X 2.436m2 = 7.43Kpa이 된다. 이 값은 본 실험에 의하여 1/360처짐 한계에서 트러스의 허용강도 7.18KN보다 0.25KN 높은 값이 되어, 지간거리가 6m보다 약간 작거나 트러스에 보강을 할 경우 사용이 가능함을 나타낸다.

Fig. 3-13 Failure mode of flat truss.

  Figure3-13과 같이 수평 트러스의 파괴는 대부분 하중 전달지점에서 발생했다. 수평 트러스도 경사트러스와 마찬가지로 OSB 덧댐판에서는 파괴가 일어나지 않았다. 만약 실험을 균일 분포하중으로 하거나, 하중전달지점을 여러 개 사용할 경우 허용 강도는 더 높게 나올 것으로 생각한다.

  바닥장선으로 사용하는 평 트러스의 경우 위층에 벽이 있거나 무거운 하중이 부과되는 집중하중이 작용할 경우 그 부분의 상현재에는 구조보강을 해야 위의 실험처럼 집중하중 지점에서 파괴가 일어나는 것을 막을 수 있을 것으로 생각된다. 반대로 트러스 하단의 양 끝단부분 외에 중간지점에 트러스를 밭쳐 주는 내력벽이 있을 경우 하현재를 구조보강 해야 평 트러스의 강도를 유지하는 데 좋을 것으로 판단된다. 구조보강은 덧댐판 과 덧댐판을 연결하는 형태가 좋을 것이다.

3.4 결론

  OSB 덧댐판을 이용한 경사트러스와 수평트러스를 제작하여 휨 시험을 실시하였다. 경사트러스는 6m 경간에서 작용하중에 대해 충분한 허용강도를 나타내었지만, 수평트러스를 바닥장선으로 사용할 경우 6m의 경간에서 작용하중에 약간 못 미치는 허용강도를 나타내었다. 그러나 집중하중의 형태로 실험을 한 것과 허용하중 인자를 적용하지 않은 점 등을 고려할 때 추가적인 구조보강이나 상하현재의 치수를 한 치수 크게 하는 등의 개선을 통하여 충분한 강도성능을 지닌 OSB 덧댐판 목재 트러스가 가능할 것으로 생각된다.

  OSB 부착력은 본드를 사용하지 않았음에도 충분하였으며, OSB 덧댐판에는 파괴가 일어나지 않았다. OSB 덧댐판을 너무 크게 할 경우 상현재 자체에 휨 하중이 가해져 강도에 좋지 않은 영향을 주는 것으로 판단된다. 이는 이전에 발표된 Plywood gusset 트러스 논문과는 다른 양상을 보이는 데 최근 사용하는 못총용 못은 예전에 사용하던 일반 못과는 달리 나선형(screw type)이며 못에 약품처리를 하여 인발력이 매우 좋기 때문으로 생각된다.

  OSB 덧댐판 목재 트러스를 현장에서 목수들이 간단하게 제작 및 조립하기 위해서는 덧댐판의 크기, 웨브재의 간격 및 개수, 웨브재의 형태, 지붕 물매 및 수평 트러스의 높이 등에 따른 많은 조건별로 각각의 시험을 통하여 이에 적절한 테이블을 만들어야 할 것으로 생각된다. 그리하여 현장 목수들이 해당 현장에서 작업하면서 테이블을 보고 적정한 형태의 트러스를 찾아내어 그대로 시공하도록 하여야 할 것이다.

  지붕용 OSB 덧댐판 목재트러스를 공장제작공법에 적용하기 위해서는 트러스를 현장에서 조립하기 위한 작업 틀이 있어야 하며, 트러스와 같은 크기의 박공벽은 작업 틀로서의 활용하기에 매우 적당하였다. 그러므로 공장제작공법에서 OSB 덧댐판 목재트러스를 활용하기 위해서는 박공벽이 있는 건축물에 적용하는 것이 타당하며, 단순한 박공지붕 형태 또는 외쪽지붕형태의 건축물에 공장제작공법을 적용하여 공장에서 트러스 부재를 재단하고 현장에서 조립 및 설치하는 방법을 사용하였다. 그 결과 지붕용 OSB 덧댐판 목재트러스를 공장제작공법으로 활용하는 것은 매우 유용한 방법임을 알 수 있었다.

  바닥용 OSB 덧댐판 목재트러스는 공장제작공법을 적용하기에는 지붕용 경사트러스에 비해 인건비가 많이 소요되며, 제작된 트러스는 오로지 바닥장선으로만 그 기능을 하기 때문에 경제적이지 못하였다.