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Abstract and Figures

Based on comparative studies on standards and grading procedures of machine graded lumber in Korea and other countries, this study proposed a procedure of determining the grade classification and design strengths of domestic machine graded lumber. Differences between machine stress rated lumber and E-rated laminations were detailed in order to clarify the need for the procedure improvement. To this improvement the use of average MOE requirement for grading was introduced instead of the fixed minimum MOE requirement which is currently used in the Korean standards. It was found that the fixed minimum MOE requirement method was easier for an inspector to grade but, less efficient as a strength predictor than the average MOE requirement method. The advantage of average MOE requirement method is statistically MOR-MOE regression-based MOR prediction and highly efficient in quality control though it requires a computer-aided operation system in an initial setup. A major weakness of the current Korean grading system was found that different strength characteristics depending on wood species were not reflected on the grade classification and the tabulated allowable design stress. The proposed procedures were developed taking advantages of respective merits of both methods and based on MOR-MOE regression analysis. Through this procedure, the grades of machine stress rated lumber should be revised to become interchangeable with E-rated lamination, which would be beneficial to the cost competitiveness of domestic machine graded lumber and glued laminated timber industry.
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446
1)
1Date Received March 25, 2015, Date Accepted May 13, 2015
2서울대학교 농업생명과학연구원. Research Institute for Agriculture and Life Sciences, Seoul National University, Seoul
151-921, Korea
3서울대학교 산림과학부. Department of Forest Sciences, College of Agriculture and Life Sciences, Seoul National University,
Seoul 151-921, Korea
4국립산림과학원 임산공학부. Department of Forest Products, Korea Forest Research Institute, Seoul 130-712, Korea
교신저자(Corresponding author) : 오정권(e-mail: jkoh75@hotmail.com)
목재공학 43(4): 446~455, 2015
J. Korean Wood Sci. Technol. 43(4): 446~455, 2015
p
ISSN: 1017-0715 eISSN: 2233-7180
http://dx.doi.org/DOI : 10.5658/WOOD.2015.43.4.446
국내 기계등급구조재의 등급구분체계 기준설계값
결정방법 연구1
2 3 4 3 3 3 2,
Determination of Grades and Design Strengths of Machine
Graded Lumber in Korea1
Jung-Pyo Hong2Jun-Jae Lee3Moon-Jae Park4Hwanmyeong Yeo3
Sung-Jun Pang3Chul-Ki Kim3Jung-Kwon Oh2,
국내외 기계등급제재목(구조재 층재) 등급기준 설계강도 산출방법을 비교 분석하고 국내 제재산업 실정
고려한 평균 탄성계수(modulus of elasticity, 이하 MOE) 기준방법 적용을 제안하였다. 먼저 올바른 기계등급제재목 기
정착을 위해 기계등급구조재와 기계등급층재의 공통점과 차이점을 설명하였다. 최소 고정 MOE 기준 등급을
하는 국내 기준은 등급구분에는 편리하나 휨강도(modulus of rupture, 이하 MOR) 예측과 자원이용도 측면에서는 효율
성이 낮은 것으로 파악되었다. 해외에서 사용되는 평균 MOE 기준 방법은 초기 컴퓨터 기반 작동을 요구하나
MOR-MOE 직선회귀에 근거한 합리적인 MOR 예측과 품질관리 측면에서 효율성이 높은 것으로 분석되었다. 무엇보
다도 국내 기계등급구조재 등급체계는 수종별 강도 특성을 반영하지 못하고 있다는 것이 가장 문제점으로
되었으며 이러한 결과를 기반으로 MOR-MOE 직선회귀분석에 근거한 기계등급제재목 등급기준 기준설계값 산출
방법 적용을 제안하였다. 이를 통하여 궁극적으로 부가가치가 높은 국산 기계등급구조재 생산 활성화를 이루고, 기계
등급구조재의 층재 전용 가능에 따른 구조용 집성재 가격경쟁력 제고 효과를 얻을 수 있다고 사료되었다.
ABSTRACT
Based on comparative studies on standards and grading
p
rocedures of machine graded lumber in Korea and othe
r
countries, this study proposed a procedure of determining the grade classification and design strengths of domestic
국내 기계등급구조재의 등급구분체계 기준설계값 결정방법 연구
447
1.
구조용 제재목 생산에 있어 강도적 성능을 평가하
이에 따른 등급을 부여하는 작업은 최종적으로
목구조물의 성능 안전성과 직결된다. 따라서,
대한 등급체계와 품질관리 기준은 실제 사용상태
와 가장 근접한 시험방법으로 실시하고, 이로부터 얻
자료에 근거하여 합리적 방법으로 결정되어야
(Madsen 1992). KS F 3020-침엽수 구조용재(2013)
따르면 국내 구조용 제재목 등급구분 방법에는
육안등급구분방법과 기계등급구분방법으로 구분된
. 전문 육안등급사 자격 관리 체계가 미비하고
육안등급 구조용 제재목 수요가 전무 하다시피
국내 시장상황에서, 그나마 기계등급구조용 제재
목은 국내 구조용집성재 제조사들이 자체 보유한
급구분기계를 이용하여 기계등급층재 제품으로 지속
적 생산이 이루어지고 있다. 구조재료 사용이란 측면
에서 기계등급구조재와 기계등급층재는 그 목적이
같으나 엄밀히 구분하면 생산품은 각각 다른
품질기준에 의해 생산되는 서로 다른 제품이다. 기계
등급구조재는 KS F 3020-침엽수 구조재에 규정된
품질 기준을 따르고 기계등급층재는 KS F 3021-
조용 집성재(2013) 기준을 따른다. 가지 기준
공통점은 강도예측기준(strength predictor)으로 휨
탄성계수(Modulus of Elasticity, 이하 MOE)를 이용
한다(Divos et al. 1997; Ayarkwa et al. 2000;
Galligan et al. 2000; FPL 2010)는 점이며, 가장 큰
이는 육안검사에 의한 강도감소 결점 측정 기준이다.
국산 수종에 대한 육안등급구조재는 1980 후반
부터 현재까지 꾸준한 연구가 이어져 오고 있으나
(Jang 1989; Oh et al. 1993; Oh 1996; Park and
Shim 1998; Oh et al. 2000; Lee et al. 2003; Pang et
al. 2011a, 2011b, 2013a, 2013b; Kong et al. 2015)
기계등급제재목과 관련된 연구는 Shim et al. (2005)
2 × 6 소나무와 잣나무 기계등급구조재에 대한
장기하중 수준 결정을 위한 휨파괴 시험과 Oh et al.
(2000) 기계등급장치를 이용한 낙엽송 실대재
MOE 측정 연구 정도만이 수행되었다. 기계등급구조
재의 기준(설계)강도값 산출 대한 시험과 연구는
시도된 적이 없다. 국내에서 제시된 기계등급제재목
(구조재 및 층재)등급별 기준 강도값들은 해외
준자료에 근거한 수치로 파악되며, 등급별 설계값을
산출하는 명확한 국내 기준도 마련되어 있지 않은
것으로 보인다.
현재 건축구조기준(이하 KBC) KS F 3020에 제
시된 허용응력설계값도 동일 등급에 대하여 서로
기준과 수치를 보이고 있어 설계자들에게 사용의
혼란을 가져오고 있다(AIK 2011; KS F 3020 2013).
machine graded lumber. Differences
b
etween machine stress rated lumber and E-rated laminations were detailed in o
r
-
der to clarify the need for the procedure improvement. To this improvement the use of average MOE requirement fo
grading was introduced instead of the fixed minimum MOE requirement which is currently used in the Korean
standards. It was found that the fixed minimum MOE requirement method was easier for an inspector to grade
b
ut,
less efficient as a strength predictor than the average MOE requirement method. The advantage of average MOE re-
quirement method is statistically MOR-MOE regression-based MOR prediction and highly efficient in quality control
though it requires a computer-aided operation system in an initial setup. A major weakness of the current Korean grad-
ing system was found that different strength characteristics depending on wood species were not reflected on the grade
classification and the tabulated allowable design stress. The proposed procedures were developed taking advantages o
f
respective merits of both methods and based on MOR-MOE regression analysis. Through this procedure, the grades o
f
machine stress rated lumber should be revised to become interchangeable with E-rated lamination, which would
b
e
beneficial to the cost competitiveness of domestic machine graded lumber and glued laminated timber industry.
K
eywords : machine grading, machine stress rated, allowable design stress, modulus of rupture, modulus of elas-
ticity, structural lumber
홍정표이전제박문재여환명방성준김철기오정권
448
무엇보다도 가장 문제는 수종별 강도특성에 대한
고려 없이 단순히 측정된 MOE 기준으로 일률적
으로 허용응력설계값이 제시되고 있어 신뢰성에
문을 갖게 한다는 점이다. 예를 들면, 등급시스템
에서는 육안품질기준을 모두 충족한 기계등급 E7
갖는 삼나무와 낙엽송은 동일한 허용응력설계값(,
휨허용응력 7.2 MPa)사용하도록 되어 있다. 동일
탄성계수를 갖더라도 수종에 따라 , 인장, 압축 등
허용설계값이 서로 다르다는 것은 알려진
실이다(FPL 2010).
따라서, 논문의 목적은 기계등급제재목과
련한 국내 기준을 검토하고 국내 여건에 맞는 기계
등급제재목의 기본설계값(구조재) 또는 합격기준값
(층재) 결정 방법을 검토분석하고자 하였다.
, 강도예측기준값으로 사용되는 MOE 관련하
해외에서 사용하는 평균 MOE 방법과 국내에서
적용하고 있는 고정 최소 MOE 방법을 비교 설명
하고 각 방법의 장단점을 분석하여 기계등급제재목
등급구분방법과 기본설계값 산출방법을 제안하
였다.
2. 재료 방법
국내 기계등급제재목 등급구분기준 및 기준설계값
산출방법과 관련한 국내외 문헌들을 조사분석하였
. 기계등급제재목 등급구분 품질기준과 관련하
KS F 3020-침엽수 구조용재, KS F 3021-구조용
집성재를 비교 분석하였고, 등급별 설계허용응력
토를 위하여 건축구조기준(KBC) KS F 3020
토하였다. 연구에서 참고된 국내외 주요 문헌자료
Table 1 같다.
3. 결과 고찰
3.1. 기계등급구조재와 기계등급층재
국내 기계등급제재목은 KS F 3020-침엽수 구조용
재와 KS F 3021-구조용 집성재 표준문서에 각각
계등급구조재와 기계등급층재로 등급구분 방법과
품질기준이 제시되어 있다. 북미 기준(WWPA 2004;
NLGA 2007) 용어로 구분하면 각각 기계응력등급구
조재(일반적으로 국내에서 통용되는 Machine Stress
Rated lumber, 이하 MSR) 탄성계수등급층재
(E-rated lamination, 이하 E-rated 층재)라 할 수 있으
, Table 2KS F 3020기계등급구조재와 KS F
3021 기계등급층재의 등급구분 육안검사 품질
기준을 상호 비교하였다.
기계를 통하여 측정된 MOE를 기준으로 목재를
등급 구분한다는 점에서는 같지만, 사용용도
질기준 측면에서는 다른 제품으로 있다. 기계
등급구조재는 육안등급구조재를 대체하는 구조재로
일반 구조용을 주 목적으로 하며 해외 기준에서는
제품표시에 휨허용응력과 휨탄성계수를 포함시킨다
(, 1650Fb-1.5E). 따라서 생산자들은 기준에 적합
한 기계등급구조재가 생산되는지에 대한 지속적인
MOR-MOE 관계 모니터링과 이를 근거로 품질
관리를 필요로 한다. 기계등급층재는 적층효과로
결점보완(Thelandersson and Larsen 2003)기대할
수 있고 핑거조인트와 같이 길이접합 방법으로 주요
결점이 제거될 있는 반면, 기계등급구조재는
반적으로 재가공없이 구조용재로 사용되기 때문에
기계등급층재보다 육안검사 기준이 까다롭다고
있다.
Korea Foreign countries
Korea forest research institute Notification 2009-1;
Standard for sizes of Korean softwood structural lumber
KS F 3020. Softwood structural lumber
KS F 3021. Structural glued laminated timber
Korean Building Code and Commentary
[USA] Western Lumber Grading Rules
[Canada] Standard Grading Rules for Canadian Lumber
[Europe] EN 14081-2. Timber structures-Strength graded
structural timber with rectangular cross section
[Japan] Wood Frame Building Code and Commentary
Table 1. Essential documents regulating machine graded lumber in Korea and foreign countries
국내 기계등급구조재의 등급구분체계 기준설계값 결정방법 연구
449
기계등급층재의 경우, 구조용집성재 제조를 목적
으로 생산되는 제품이기 때문에 국내외 기준 모두에
서 휨허용응력에 대한 표시를 요구하지 않는다. 표본
추출을 통한 휨강도 시험 결과의 성능 품질기준
합여부와 옹이결점이 주요 등급적합 판단기준이
. 개별 층재들이 접합접착되어 구조용 집성재가
제작된 , 최종 집성재 허용응력이 설계자들의
심사항이기 때문에 개별층재의 성능기준 합격여부
만으로 등급품질관리가 진행되며 개별 층재의 설계
응력은 주요 정보가 아니다. 국내 기준에서 기계등
급구조재의 육안검사 기준이 상대적으로 세밀하게
규정되어 있고 등급구분 단계(9등급) 적은 반면,
기계등급층재의 등급구분은 11단계 등급으로
뉘어져 있다. 기계등급층재가 최외층재로 사용될
옹이지름비(표면 옹이의 지름/층재의 너비 ×
100%)대한 육안검사 기준을 두고 있으나 전반적
육안검사 기준이 기계등급구조재에 비하여 엄격
. 이와 같이 기계등급구조재
기계등급층재는 다른 등급체계와 기준에 의해서
생산되는 서로 다른 제품이지만, 보다 엄격한 기준을
갖는 기계등급구조재는 기계등급층재로 전용이 용이
. 따라서, 국산 구조용 제재목 시장
확대 측면에서, 구조용집성재 생산에 따른 국산 기계
등급층재 수요를 일반 기계등급구조재 생산자들이
생산공급하는 분업체계를 장려함으로써 부가가치
높은 국산 구조용 제재산업 활성화를 이루고
조용 집성재 가격경쟁력을 제고하는 효과를 얻을
있다고 본다. 이것이 본 연구의 궁극적인 목적이라
하겠으며, 이를 위해선 기계등급구조재의 등급체계
기준설계강도에 대한 개선이 선행되어야 것으
판단하였다.
3.2. 허용설계응력 분석
건축구조기준(KBC) 따라 허용응력설계법이
구조에 사용되고 있는 국내 상황에서, 설계에 필요한
침엽수 기계등급구조재의 설계허용응력은 KS F
3020KBC에 제시되어 있다. Table 3KS F
3020KBC 장기하중허용응력을 비교하였다. KS
F 3020에서는 E6등급에서 E14등급까지 9등급에
대한 휨강도(Fb), 섬유방향인장강도(Ft//), 섬유방향압
축강도(Fc//), 섬유직각방향압축강도(Fc), 전단강도
(Fv) 대한 허용응력과 탄성계수(MOE) 제시되어
있다. KBC E7, E9, E11, E13, E15 5단계 등급
에 대한 Fb, Ft//, Fc//, MOE 만을 제시하고 있으며(Fc,
Fv 없음), KS F 3020제시되어 있는 값과 상이하
, 목구조 설계자들에게 혼란을 초래하고 있다. KS
KBC 사이에 차이를 보이는 이유는 명확히 파악
수는 없었으나, MOE 관련 등급구분기준에
이가 있음을 있었다. E11등급을 예로 들어 설
명하면, KSE11등급 부여기준을 11 GPa MOE
< 12 GPa, 구간범위 1 GPa에서 최소값을 기준으
등급판정을 규정하고 있지만, KBC 10 GPa
MOE < 12 GPa로 구간 범위가 2 GPa인 중간 MOE
(11 GPa)을 기준으로 함을 있었다. 과거
정판들을 추적해 보면, KS F 30202013개정되
Machine stress rated lumber
(KS F 3020)
E-rated lamination
(KS F 3021)
Grades* 9 Grades: From E6 to E14 11 Grades: From E5 to E12 and E14, E16, E18
Visual
restrictions
wane: not more than 30%
check and split: not more than 2 times the width
shake: not more than 1/2 the thickness
decay: light
warp: not severe
twist: suitable for use
rot: not allowed
split: very light
stain: light
grain: light
other defects: very light
knot: limited when used for outer lamination
* In grade marks, “E” represents modulus of elasticity and the following number means the minimum requirement for the modulus of elasticit
y
of the grade.
Tabl e 2 . Grades and visual quality standard of machine stress rated lumber and E-rated laminations
홍정표이전제박문재여환명방성준김철기오정권
450
전의 2007년도판에는 KS F 3020 KBC같은
중간 MOE 기준 등급부여기준을 가지고 있었다.
2007년도 KS 기계등급구조재에 대한 등급별
기허용응력표가 제시되어 있지 않았으며, 단지 산림
청고시 제1995-27침엽수 구조용재 제재
”(KFS 1995) 근거하여 육안등급장기허용응력이
결정되었으며 기계등급구조재의 강도 성질은 육안등
급구조재 등급과의 연관관계 표 따라 적용한다는
설명만이 존재하였다. 추정하건대 현재 제시된 기계
등급구조재의 장기허용응력표는 강도시험값에 의한
것이 아닌, 앞에서 설명된 육안등급구조재의 허용응
력값을 비교 분석하여 결정된 값이라 사료되며, 이로
인해 개정이 진행되면서 KS KBC 차이가 발생
것으로 생각되었다. 이러한 차이는 차후 기준
정작업을 통해서 일관된 설계값으로 변경하는 작업
필요할 것으로 보인다.
3.3. 등급 기준 분석
KS F 3020에 따르면 기계등급은 수종과 무관하게
전적으로 MOE에 의해서만 결정되도록 규정되고
있다. KS F 3021 (구조용 집성재) 같이 기계등급
층재의 수종별 차이를 MOR 또는 인장강도 합격
기준과 같은 품질기준을 마련함으로써 어느 정도
종에 따른 강도성능 차이를 반영할 있는 조건이
기계등급구조재 품질기준에도 필요한 것으로 사료되
었고, 향후 KS F 3020 (침엽수 구조용재) 기계등급
구조재 등급기준 개정작업 , 이에 대한 논의가
드시 있어야 것으로 판단되었다. 참고로 해외의
경우 유럽(EN 14081 2010)은 휨MOR, 밀도, 평균
MOE 등을 기준으로 강도등급을 구분하며 북미
(WWPA 2004; NLGA 2007)휨강도, 밀도, 인장강
, 평균MOE 수종군 분류에 의해 강도등급을
분함으로써 수종에 따른 강도특성 구분이 가능하다
볼 수 있다. 국내 기준과 유사한 일본 기준(AIJ
2006) 또한 등급별 설계기준강도가 수종군별로 각각
제시되어 있었다. 이와 같이 현 국내 기계등급구조재
강도등급 체계는 구조설계 측면에서 보완
선할 점들이 많다고 있다. 따라서 본 연구에서
는 일반적으로 북미 및 유럽에서 적용하고 있는
MOR-MOE 관계에 근거한 평균 MOE 기준 기계등
급구조재 강도등급 체계를 도입하 국내실정에
합한 등급구분 기준설계값 산출 방법 제안을
절부터 설명하였다.
Grade
Fb
(MPa)
Ft
(MPa)
Fc//
(MPa)
Fc
(MPa)
Fv
(MPa)
MOE
(GPa)
KS** KBC KS KBC KS KBC KS KBC KS KBC KS KBC
E6 6.2 -2.4 -7.2 -2.0 -0.9 -6000 -
E7 7.2 6.0 3.1 2.5 8.5 7.0 2.0 - 0.9 - 7000 7000
E8 8.2 - 4.1 - 9.6 - 2.5 - 1.0 - 8000 -
E9 9.0 8.5 5.5 5.0 10.1 10.0 2.5 - 1.0 - 9000 8000
E10 10.0 - 6.0 - 11.2 - 3.0 - 1.1 - 10000 -
E11 11.3 11.0 7.4 7.0 11.7 12.0 3.0 - 1.1 - 11000 10000
E12 12.4 - 8.2 - 12.0 - 3.5 - 1.2 - 12000 -
E13 14.0 15.0 10.7 10.0 12.8 13.0 3.5 - 1.2 - 13000 13000
E14 16.0 - 13.0 - 13.5 - 3.5 - 1.2 - 14000 -
E15-17.0-12.0-15.0---- - 15000
* Fb: allowable bending strength, Ft: allowable tensile strength parallel to grain, FC// : allowable compression strength parallel to grain,
FC
: allowable compression strength perpendicular to grain, MOE : modulus of elasticity
** KS : KS F 3020:2013, KBC : Korean Building Code
Table 3. Allowable stress design values* of machine stress rated lumber in KS F 3020:2013 and KBC 2009
국내 기계등급구조재의 등급구분체계 기준설계값 결정방법 연구
451
3.4. 국내 기계등급구분
국내 기계등급구조재 층재의 강도등급은 기본
적으로 측정된 MOE 값이 속하는 등급구간에
결정되는 최소 MOE 방법이 사용되었다. 측정
MOE 결정된 강도등급에 따라 휨설계강도값
제시되었다. 반면, 북미나 유럽은 강도등급에
제시된 MOR 만족시키는 평균 MOE 값을
강도등급 기준으로 삼았다. Oh (2009) 수행
산 소나무(Pinus Densiflora) 휨시험 연구자료에 근거
Fig. 1 예로 설명하면, KS국내 등급구분 기준과
설계강도 산출은 E7등급의 경우 7 GPa MOE <
8 GPa 구간(음영부분) 속하는 제재목이 해당되며
허용휨설계응력은 KS기준 7.2 MPa으로 결정하게
. 최소 휨MOE 방법의 기준 MOR 결정은 설계
기준 개발자들이 동일 등급의 제재목을 가지고 시험
하여 5% 하한치를 산출하게 되며 생산자들은 생산
되는 E7등급이 MOE 7 GPa 이상 MOR 7.2 MPa
기준에 충족되도록 품질관리를 하게 된다. 수종별 각
등급단계별로 동일한 작업을 수행하면 강도등급별
설계값을 산출할 있다. 그러나 현재의 기준은
종구분 없이 등급별 단일 설계값을 제시하고 있는데,
보다 신뢰성 있는 설계값을 산출하기 위해서는 대표
수종별 또는 수종군별 MOR-MOE 관계 자료를 통하
등급별 설계값이 산출되어야 한다. 이러한
법의 단점은 상대적으로 적은 생산수율을 갖는 저등
고등급 시편을 얻기 위해 방대한 제재목 자원
소요되며, MOE 의해 주도되는 기준 설정값이
기에, 생산측면에서는 기준 MOR
하는 결과를 자주 발생하게 된다(Fig. 1 별표식
참조). 또한, 생산자 측은 어느 등급의 MOE구간
에서 전체적으로 MOR 값이 낮아 기준을 충족하지
못하게 되는 경우, 동일등급에 대한 일괄 부적합품
처리가 되어 자원의 비효율적 이용과 생산단위 품질
관리의 어려움을 초래하게 된다. 장점으로는 개별 구
조재의 측정된 MOE 따라 어떤 등급구간에 속하
는지에 대한 판단이 용이하여, 수동으로 진행되는 생
산공장에서는 등급구분이 빠르게 진행될 있다.
3.5. 해외기계등급구분기준
북미나 유럽에서 사용되는 평균 MOE 기준 방법
등급별 기준 MOR 충족시키는데 필요한 평균
MOE를 추정하여 사용한다. 생산자의 품질관리 측면
에서 설명하면, Table 4 가상으로 생성된 자료의
예로, 측정된 개별 제재목의 MOE를 내림차순으로
정리하여 내림방향으로 MOE 누적이동평균하면서
평균 MOE 기준을 충족하는지의 여부를 판단함과
동시에 이동한 차수까지의 5% MOR 하한치를 계산
하여 기준 MOR 값을 충족하면 이때의 차수까지를
선순위 등급으로 정하고 MOE 값을 품질관리
급기준의 최소치(near-minimum MOE) 결정하는
것이다. 차순위 등급들은 선순위 등급으로 결정된
재목은 제외하고, 같은 방법을 반복 수행하여 결정하
된다. 설계기준 개발자들은 같은 방법으로 합리적
인 평균 기준 MOE이에 동반되는 기준 MOR 값을
정하여 결정하게 된다. 이러한 순위법(ranking meth-
od)일정규모 이상의 MOR-MOE 시험자료를 요구
하며, 속적으로 특정 제품을 생산하는 제재소와
컴퓨터 프로그램으로 자동 계산되어 생산공정에
반영될 있는 곳에 유용할 것으로 판단된다. 구조
용제재목 생산이 많지 않은 국내 적용에는 아직
방법이라 판단되었다.
일반적으로 이러한 평균 MOE 기준 방법을 보다
쉽게 이용하는 것은 Fig. 1 같이 MOR-MOE 관계
Fig. 1. Relationship between MOR and MOE o
f
machine stress rated lumber (Oh. 2009).
홍정표이전제박문재여환명방성준김철기오정권
452
그래프에서 직선회귀식과 경험식을 이용하는 것이라
생각되었다. 방법을 설명하면, 먼저 MOR-MOE 간의
직선회귀선을 구하고 이를 이용하여 정규분포 가정
하에 1.64 × 표준오차만큼 MOR 값을 낮춰 5% 하한
(5% exclusion limit) 구하게 된다. 선을
기준으로 하여 기준 MOR을 찾고 이에 해당되는
MOE 값을 평균 MOE 값의 최소값(near-minimum
MOE)으로 정한다. Fig. 1에서 기준 E7등급의 경우
7.2 MPa 기준 MOR 강도에 2.1 곱한 15.12 MPa
를 찾고 이에 해당되는 MOE 6.91 GPa평균 MOE
기준의 최소값(또는 5% MOE 하한치) 되며, 평균
MOE 변이계수(coefficient of variation)에 근거하
통계적으로 구하거나(Green et al. 2006), 경험적
으로 6.91 MPa 10% (0.7 MPa)더한 7.61 MPa
을 얻는다(Galligan 2000). E7등급에 대한 평균 MOE
기준을 대략 7.5 MPa 규정하였다면, 예는
MOR MOE 등급기준을 모두 만족하게 된다.
방법의 장점은 설계기준 개발자나 생산품질관리자
모두에게 회귀직선에 근거하여 쉽게 기준값 설정
품질관리가 용이하다고 판단되었다. 또한 MOE
MOR추정하기 위한 강도예측값 역할이라는 기본
적인 기계등급구조재 등급구분 개념에 충실하며
합리적인 MOR 예측으로 자원을 효율적으로
용할 수 있다는 것이다. 단점으로는 생산자의 품질관
리에 사용하는데 있어 다소 복잡하며 많은 경험이
필요할 것으로 생각되었다. , 지속적인 MOR-MOE
자료 추가 갱신에 따른 평균 MOE 최소 설정값이
변화됨에 따라 꾸준한 모니터링으 등급구분에
영되어야 것이다.
3.6.
국내 기계등급구조재 등급체계 개선방안
국내 기계등급제재목 생산의 활성화를 위해선
수종특성을 고려한 등급기준과 기준설계값 개선
이 필요하다고 전술하였다. 국내 구조용 제재목 산업
낙후된 상황에서 해외의 기준을 사용하기에는
무리가 있을 수도 있기 때문에, 국내 기준의
장점과 해외 기준 장점을 결합한 최소 MOE 등급기
준에 근거한 직선회귀 방법이 적합하다고 판단되었
. 이를 위하여 최소 MOE 등급기준 구분을 과거에
적용하던 구간의 중간값을 평균값으로 하고 직선회
귀방법에 따라 기준 MOR 설계값을 산출하는 방법
이다. , 설계기준개발자들은 평균 MOE 기준과
MOR 설계값을 등급별로, Fig. 1 예에서와 같이
별표식의 위치에서 정하는 것이다. 생산자들은 기존
MOE 등급구분 방법을 따르거나, 기존의 방법
대로 평균값의 최소 MOE 값을 찾는 방법으로 결정
된 평균 MOE 기준과 MOR 기준을 충족하는지를
사하여 품질관리를 진행하는 것이다.
이를 위해 선행되어야 작업은 체계적인 실대재
Rank MOE
(GPa)
MOR
(MPa)
Ave. MOE
(GPa)
5% MOR
(MPa)
… … …
102 10.9 40 12.20 25.00
103 10.8 39 12.15 25.00
104* 10.5 47 12.03 25.50
105 10.1 39 11.88 25.00
106 9.8 46 11.72 25.50
107 9.8 51 11.62 26.00
……
*10.5 GPa (rank 104) is determined as the min. MOE of Grade E12 satisfying the requirement of MOR for Grade E12 (i.e. 21 MPa)
Table 4. Example of determining the near-minimum modulus of elasticity for Grade E12 in the average
modulus of elasticity method
국내 기계등급구조재의 등급구분체계 기준설계값 결정방법 연구
453
휨강도 시험이 진행되어야 것으로 본. 대표적
구조용재 수종인 국산 낙엽송, 소나무, 잣나무, 삼나
등에 대한 시험을 실시를 제안하며 기계등급층재
전용을 고려한 기준 시편크기도 결정되어야 한다
판단되었다. Park and Jung (2010) 연구결과와
같이 동일 수종 지역별 기계적물리적 특성
이가 존재하므로 주요 제재소 생산량을 기준으로
생산을 할당하는 것도 고려되어야 것으로
료되었다. Park et al. (2004) 연구에 근거하여
편수는 수종 및 산지별로 각각 최소 500개 이상이
적합할 것으로 판단되며 장기적 연구계획을 통해
시험자료의 축적 모니터링 체계도 마련되어야
것으로 사료되었다.
4.
국내외 기계등급제재목의 등급체계기준 및 설계강
도 산출방법을 비교 분석하였다. 국내 등급구분 기준
기준설계값 결정방법은 면밀한 계획을 통하여
발전시켜야 것으로 판단되었으며 이를
방법을 제안하였다. 본 연구에서 얻은 결론은
래와 같다.
국내 기계등급구조재 등급체계 기준설계
값은 수종별 강도 특성을 고려하고 있지 않기
때문에 설계자 입장에서 제시된 기준설계값
용에 혼란을 가져오는 것으로 파악되었다.
최소 MOE 기준 등급을 사용하는 기준은
기준이 명확하여 등급구분에는 편리하나
MOE 기준 방법과 비교하여 MOR 예측과 자
원이용도 측면에서는 효율성이 낮은 것으로
석되었다.
해외에서 사용되는 평균 MOE 기준 방법은
급별 기준 MOR 충족시키는데 필요한 평균
MOE 기준으로 사용하는 것이며, 적용측면에
서는 다소 복잡할 있으나 합리적인 MOR
측과 자원을 효율적으로 이용할 있다는 장점
있는 것으로 파악되었다.
분석된 국내외 기준의 장점을 찾아, 국내에
가능한 기계등급제재목 등급기준 기준설
계값 산출방법을 제시하였다.
기계등급구조재의 등급체계에 대한 개선이 선행
되어 부가가치가 높은 국산 기계등급 구조용
재산업 활성화를 이루고 구조용 집성재 가격경
쟁력을 제고하는 효과를 얻을 있다고 사료되
었다.
연구는 산림청 산림과학기술개발사업(과제번호:
S111215L100110) 지원에 의하여 수행되었습니다.
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... The studies containing the test results on compressive strength have no disclosed tensile properties. Accordingly, the tensile strengths were obtained from relevant standards and papers, such as, CSA O86-19 [33] for Canadian Hemlock and Hong et al. [34] for Korean larch and pine. ...
Article
This study investigated whether different granular reaction patterns of starch derivatives alters the extents of reaction of different starch chain types. Maize and wheat starch granules were derivatized with the fluorescent probe 5-(4,6-dichlorotriazinyl)amino-fluorescein under different reaction conditions to obtain starches derivatized to the same level but either characterized with a surface-oriented or a rather uniform granular reaction pattern. Given the same overall extent of reaction, amylose and amylopectin chains reacted to a greater extent for the starch with a uniform granular reaction pattern, while intermediate chains [100 ≤ degree of polymerization (DPw) < 372] reacted to a greater extent for the starch with a surface-oriented granular reaction pattern suggesting that amylose and amylopectin chains are distributed more homogeneously throughout the granule than the intermediate chains. For both reaction patterns, it was shown that the relative reactivities of intermediate chains were 5.0–9.4 fold higher than the overall reactivity calculated across all starch chains. This study thus teaches that starch chain reactions depends on the granular reaction pattern.
Article
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365 pieces of domestic 38 × 140 × 3600 mm Red pine structural lumber were machine graded conforming to a softwood structural lumber standard (KS F 3020). The allowable bending stresses calculated for each grade were compared with the values currently tabulated in the standard. Four calculation methods for lower 5th percentile bending stress were non-parametric estimation with 75% confidence level, 2-parameter and 3-parameter Weibull distribution fit, and bending modulus of rupture (MOR)-modulus of elasticity (MOE) regression based method. Only the data set of Grades E8, E9, and E10 were statistically eligible for the 5th percentile calculation. The MOR-MOE regression based method only was able to estimate the lower 5th percentile values theoretically for the full range of grades. The results showed that all allowable bending stresses calculated were lower than the design values tabulated in the standard. This implies that the current machine grading system has the pitfall of structural safety. Improvement in current machine grading system could be achieved by introducing the bending strength and stiffness combination grade system.
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Machine lumber grading has been applied in commercial operations in North America since 1963, and research has shown that machine grading can improve the efficient use of wood. However, industry has been reluctant to apply research findings without clear evidence that the change from visual to machine grading will be a profitable one. For instance, mill managers need guidelines on machine grading. This report seeks to document such guidelines so that lumber mills can determine the feasibility of machine grading for their products. The first part of this report discusses the principles of using machine grading to assign properties. In the second part, the methods of machine-graded lumber yield assessment are described by an industry specialist. The final part discusses mill mechanical analysis and cost analysis. Published Online as of July 31, 2020 at this link https://www.fpl.fs.fed.us/documnts/fplgtr/fpl_gtr279.pdf
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The goal of this study was to review the visual grading and allowable stress determination methodologies for the domestic softwood. Previous studies used different grading (KFRI 1995-27, KFRI 2000-39, KFRI 2007-3, KFRI 2009-1) and allowable stress determination methodologies (ASTM D 245, KS F 2152, JAS 1990). The results of the visual grading were different by each researcher. Compared to the 1st grade proportion from the previous studies using the previous specification on visual grading (KFRI 1995-2007), a higher 1st grade proportion was found from the studies using the current specification (KFRI 2009). Compared to the allowable stress values from the small clear sample, the higher allowable stress values from the structural size were found. The results indicated that the strength reduction factor used in small clear sample was too conservative for the different grades. To obtain consistent results for the grade, it is required to have experts in visual grading and authorized organizations. An official standard methodology for the allowable stress value determination needs to be defined for the reliable stress value.
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Recently, the visual grading rule of Korea Forest Research Institute (KFRI) was revised and it is necessary to investigate the distribution characteristics of visual graded lumber in accordance with the revised rule. Therefore, in this study, the distribution characteristics of bending strength was investigated with revised visual grading rule and changed prior rule, respectively. The size of specimens was 38{\times}140{\times}3,000 (mm) and the species were Larixkaempferi and Pinuskoraiensis. The moisture content was under 18% and the specimens were tested in accordance with ASTM D-198. The number of No. 1 and 2 grades, suitable for structural lumber, was increased when the revised visual grading rule was applied. Moreover, the revised rule was more effective to distinguish sharply between No. 1 and 2 grades and below No. 3 grade. Meanwhile, the lower 5% exclusion limit and allowable stresses were generally decreased when revised visual grading rule had been applied. However, the announcement of Korea Forest Service, tested with small clear specimen, was much lower than the allowable stresses of this test, tested with structural lumber. Therefore, the revision of allowable design values should be considered for more exact use and effective structural design.
Article
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The aim of this study was to investigate the processes for evaluating the allowable bending stress. The confidence levels and the size-adjustment in standards were reviewed with experimental data. The results show that, (1) KS F 2152 was more strict than others overseas standards due to the higher confidence level. The 5% NTL of bending strengths by a method in KS F 2152 were lower than the overseas standards and more specimens were required for evaluating the structural properties according to KS F 2152. (2) Due to the absence of size-adjustment method in domestic standards, the specified size and the exponential parameters on the size-adjustment equation were reviewed by size factors. The specified size (width: 286 mm, length: 6096 mm), and the exponential parameters (w: 0.29, l: 0.14) will be suitable for developing the allowable bending stress in domestic standard. (3) The size adjusted allowable bending stresses of No. 2 grade Korean pine were lower than the allowable stresses tabulated in KBC even though less strict method (75% confidence level) to calculate 5% value was used. The allowable stresses tabulated in KBC are needed to be reviewed by continuous experimental data.
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This study investigated the effect of test zone selection for evaluating bending strength of visually graded lumber. This will contribute to the understanding of two different methods under different standards. In method I, the major defect was randomly placed in the test specimen. In method II, the major defect was randomly placed in the maximum moment zone (MMZ). The results showed that the method II is more accurate for reflecting the effect of defects governing the grade of lumber. Unless the maximum strength-reducing defect (MSRD) is placed in MMZ, the evaluated value would be higher than that of MSRD. For evaluating the modulus of rupture (MOR) of visually graded lumber in test set-up of Method I, the Eq. (5) needs to be considered.
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The goal of this study is to investigate bending properties of domestic timber. Three representative structural timber from Larix kaempferi, Pinus koraiensis, and Pinus densiflora, in the northeastern South Korea were selected. Visual grading for the timber was conducted based on KFRI notification 2009-01 and the bending strength for the timber was evaluated based on ASTM D 198 bending. The high percentage of grade 1 and 2 for Larix kaempferi shows that the KFRI notification was optimized for this species. The bending strength distributions from Pinus koraiensis and Pinus densiflora were very similar. It could be possible to specify the allowable bending properties of these two Specification using a united species group similar to spruce-pine-fir. Lastly, the bending strength of structural members was higher than both existing values in KBC 2009 and design values for timber of imported species described in the NDS. Thus, 120 mm thick domestic softwoods could replace the commercial imported species and the KBC should be modified to provide design values for both timber and dimensional lumber, respectively, like NDS.
Article
The longitudinal vibration technique was examined as a means of evaluating the modulus of elasticity (MOE) and predicting the modulus of rupture (MOR) of solid and finger-jointed lumber from three tropical African hardwoods, Obeche (Triplochiton scleroxylon), Makore (Tieghemella heckelii), and Moabi (Baillonella toxisperma). Dynamic MOE was well correlated to static bending MOE for solid and finger-jointed lumber from the three tropical African hardwoods. Correlation coefficients of 0.94 and 0.90 obtained for the regression of dynamic MOE on MOR for solid and finger-jointed lumber, respectively, were comparable to those of 0.95 and 0.91 between static MOE and MOR for solid and finger-jointed lumber, respectively. Regression models developed for the regression of dynamic MOE on MOR for both solid and finger-jointed lumber were statistically highly significant (α = 0.05). The lower 5 percent exclusion limit lines derived seemed useful for predicting the MOR of solid and finger-jointed lumber from the three hardwoods. Although the static bending test is generally recognized as a more desirable method of determining MOR, the results indicated that the longitudinal vibration technique may also be useful as a nondestructive technique for predicting MOR of solid and finger-jointed tropical African hardwoods. The technique seems more applicable in situations where static bending testing is not feasible to undertake.
Article
The purpose of this paper is to present a summary of assignment design values according to domestic softwood structural lumber grading rules. Allowable stresses for visually graded lumber were determined from basic data on small. clear specimens. The data corrected for variability such as natural defects and other factors. The procedure adopted by Japan was used for assigning allowable design values. Strength ratios in relation to each defect were taken from ASTM D 245-81. Korean pine(Pinus koraiensis S. et Z.), Korean red pine(Pinus densiflora S. et Z.), Japanese larch(Larix leptolepis Gordon) and Needle fir(Abies holophylla Max) were applied to this study. The calculated allowable stresses were same in Korean pine and Korean red pine. These values were highest in Japanese larch lowest in Needle fir. So, it is desirable for these species to be classified into different catagories Species Group. However, accurate comparison in design values on lumber grading rules among U.S., Japan and Korea was somewhat difficult. And full scale testing will be necessary for accurate determination of the correction factors to setting up design values.
Article
In reliability based design(RBD) method, the distribution characteristics of mechanical properties of material are basic input variable. Therefore, distribution type and parameters of mechanical properties should be determined accurately. Until now, the properties were derived from tests with small, clear specimens. However, the test conditions should emulate as nearly as possible the way in which the timber would be used in practice and the test results should, as closely as possible, reflect the structural end use conditions to which the timber products would be subjected. In this study, structural timbers (38mm by 140mm, 3.0m long) were graded by visual assessment of growth characteristics and defects. And then bending tests were conducted on 498 structural size timbers. For each grade, the distribution type and the parameters of mechanical properties were determined for each grade. For the determination of best-fit distribution type, comparing of square error between distribution types and KS test were conducted. Best-fit distribution type of bending strength(MOR) is weibull distribution for all grade. In case of MOE, normal distribution is best-fit.