A Visualization Method for Wood Cracking Phenomenon based on the Moisture Variations

수분변화량에 따른 목재의 균열 현상 가시화 방안

Abstract

This research is for the visualization of wooden cracking phenomena in the virtual world. Timber supplies has been traditionally used for buildings in the all over the world. Wood has a characteristic that is more prone to be influenced and distorted under the external environments compared with other materials like as stone and concrete. Many related researches say that moisture content change is a largest impact factor for the distortion and crack of timber supplies. This is the reason why we focus on the relationship between the moisture variations and the wood distortion, especially crack. In this research, it is mathematically explained that the diminutions of tensile strength caused by repeated contraction and expansion according to the moisture variations under the changes of weather. Finally, we suggest a way to visualize it for pine timbers.

1. 서 론

목재는 건축 자재로서 많은 장점을 가지고 있어 건축 설계에 많이 사용되고 있다. 특히 과거로부터 목재를 이용한 한국의 건축 특성에서 목재는 콘크리트 건축물이 대부분인 현재에도 건축 자재로 추가되어 외관적으로 아름다움을 부각 시키는 등, 건축에 있어 빠질 수 없는 자재 중, 하나이다[1].

그러나 목재는 콘크리트나 석재에 비해 외부 환경 변화에 큰 영향을 받으며 그 변화 또한 가장 크게 발생한다는 특성이 있다. 그 중에서도 수분은 목재의 변화에 큰 영향을 주는 요인 중 하나이다. 목재는 주변 수분량의 변화에 수축과 팽윤으로 반응하는데 이러한 수축과 팽윤의 수많은 반복으로 목재의 강도는 계속해서 감소하게 되며, 목재의 강도 저하가 지속되면 결국, 목재 표면이 갈라지며 균열이 발생하게 된다. 균열의 크기는 시간 경과에 따라 주변 부위의 목재 강도 저하에 의해 더욱 그 크기가 커지게 되며 이는 목재 외관을 해치며 목재의 내구성에도 영향을 미쳐 건축물의 안정도에도 영향을 주게 된다[2]. 또한 목재는 석재나 콘크리트와 같이 표면에 랜덤하게 균열이 발생하는 것이 아닌 표면의 형태나 나이테의 상태 등에 따라 균열이 더 쉽게 발생되는 곳이 존재하기 때문에 표면상의 균열 발생에 대해 보다 쉽게 접근할 수 있다[3].

따라서 본 논문에서는 수분이 목재에 미치는 영향과 목재의 수축, 팽윤 변화, 강도 저하에 대해 설명하고, 그에 따른 목재의 균열 현상을 가시적으로 보여주는 방안에 대해 설명하여 그 결과에 따른 결론을 보여주는 것으로 논문을 마무리 한다.

 

2. 관련연구

2.1 목재 수축, 팽윤 및 균열

목재는 이방성의 특징을 가져, 각 축의 방향에 따라 각기 다른 물리적 특성을 가진다. 이러한 특성으로 인해 수분에 의한 수축, 팽윤의 크기 또한 각 축의 방향마다 차이가 있어 수축, 팽윤이 발생할 때에 Fig. 1과 같이 그 변화량의 차이가 발생하게 된다.

Fig. 1.The types of drying defects due to twist.

이러한 이방성의 차이로 인한 목재의 수축, 팽윤에 의한 뒤틀림은 시간의 흐름에 따라 목재 세포에 부담을 주게 되고, 그 영향은 목재의 강도 저하를 불러오게 된다. 이런 목재의 불균일한 수축으로 인해 발생한 응력이 목재의 횡인장강도 또는 횡압축강도를 초과할 때 세포가 파괴되거나 찌그러져 결국 목재에 균열이 발생하게 된다[2].

2.2 수분함수율(EMC)

앞서 서론에서 설명한 바와 같이 목재의 수축, 팽윤에 가장 많은 영향을 미치는 요인 중 하나는 수분이다. 목재 세포내의 수분은 주변 수분량에 의해 흡, 방습을 하며 수축, 팽윤을 진행하게 되는데 어느 시점에 이르면 흡습량과 방습량이 같아지므로 목재는 수분평형상태에 이르게 된다. 이때의 함수율을 평형함수율(Equilibrium Moisture content : EMC)이라고 한다. 이 평형함수율은 목재의 수축량 계산에 사용이 되며 목재의 주변 습도에 의해 그 값이 결정이된다. 때문에 EMC 값의 크기에 따라 목재의 수축 팽윤 현상을 시뮬레이션 할 수가 있다. 일반적으로 EMC의 16.9배 값은 습도의 값과 비슷하므로 본 논문에서는 그 차이를 이용하여 연구를 진행 하였다[3].

2.2 바람에 의한 수평 빗물 영향도(WDR)

그 밖에 목조건축물의 표면의 함수율을 증가시키는 요인으로는 빗물을 들 수 있다. 빗물은 수직으로 내리지만, 건축물에 영향을 주는 빗물은 바람에 의한 수평 방향으로 영향을 준다. 이를 WDR(Wind Driven Rain)이라 하며, 수식으로 나타내면 식 1과 같다.

식 (1)에서 나타나는 WDR 값 Rv는 바람의 세기 U(m/s)와 강우량 Rh(mm)의 값에 의해 결정 된다[3].

2.3 국내외 관련 연구

목재의 갈라짐 현상의 가시화는 일부 다른 연구를 통해 몇 가지 방법이 이미 제시가 되어 있다. 모델 메쉬 전체를 삼각 폴리곤으로 만들어 그 폴리곤들의 움직임을 이용하여 갈라짐을 표현 하는 방법이 있으며, 모델 메쉬 표면의 포인트들을 일정한 벡터 값의 변환을 통해 이동시켜 갈라짐을 표현하는 방법이 존재한다. 본 논문에서는 목재 표면적의 일정 위치마다 갈라짐 포인트를 추가하여 그 포인트의 위치를 변환하는 방식의 알고리즘을 제안한다[4,5].

 

3. 연구 내용

3.1 제안한 알고리즘의 개요

목재의 갈라짐 노후화 현상을 가시화하기 위해 본 논문에서는 Fig. 2와 같은 순서로 가시화를 진행 한다.

Fig. 2.The process of simulation for wood degradation phenomenon.

먼저, 목재의 표면 형태에 따라 갈라지기 쉬운 위치, 갈라짐 라인과 라인을 따라 갈라짐 포인트를 작성한다. 그 이후, 목재의 시간당 수축률의 변화와, 강도 저하에 따른 목재의 최대 수축률의 감소량을 계산하여 목재의 갈라짐 현상을 판별하고, 그 이후 갈라짐 포인트들의 변화에 따라 목재의 균열 현상을 가시화 하여 시뮬레이션 하게 된다.

3.2 목재 표현에 따른 갈라짐 라인 및 포인트 작성

시뮬레이션은 간단하게 원통형 목재 형태를 대상으로 진행을 하였으며, 목재 표면 형태에 따라 아래 Fig. 3과 같이 이진화, 스켈레톤 정보를 추출하여 갈라짐 라인을 작성 하였다. 이 때, 갈라짐 라인의 위치는 목재 표면 형태에서 밝은 부분(춘재)이 어두운 부분(추재)에 비해 강도 및 밀도가 작기 때문에 균열 현상이 더 발생하기 쉽다는 물리적 현상을 고려하여 춘재 부위에 균열 현상이 일어나도록 갈라짐 라인을 생성 한다.

Fig. 3.Cracking line generating procedures according to the form of a wood surface. (a) Wood surface form, (b) Binary form, (c) Skeleton form.

이렇게 추가된 갈라짐 라인은 3차원의 원통형 모델에 추가되고 추가된 라인을 따라 목재 모형에 갈라짐 포인트를 추가하게 된다. 이때에 갈라짐 포인트는 한 라인당 3점의 포인트를 추가하게 된다.

3.3 시간 흐름에 따른 목재의 수축률 변화량과 최대 수축률 감소량

목재는 앞서 설명한 바와 같이, 시간의 흐름에 따른 수축률의 변화에 따라 강도 저하가 발생하고 그 결과로 균열이 발생하게 된다. 따라서 목재의 균열 현상을 가시화하기 위해선 먼저 목재가 시간에 따라 얼마나 수축하고 또한, 강도 저하에 따른 최대 수축률의 감소량은 어느 정도가 되는지 파악해야 한다.

먼저, 목재가 시간의 흐름에 따라 변화하게 되는 수축률의 변화량은 다음 식 2와 같다.

목재의 시간당 변화량 C(t)의 값은 EMC의 현재값 E(t)와 이전의 EMC의 값 E(t-1)에 WDR 값 Rv와 각 목재의 EMC당 수축률의 변화량 β에 따라 결정이 된다. 또한, 이런 시간당 수축률의 변화량에 따른 최대 수축률의 감소량은 식 3과 같이 표현이 가능하다.

목재의 강도 저하에 따른 최대 수축률 D(t)는 이전의 최대 수축률 D(t-1)에 현재의 수축률 변화량 C(t)과 상수계수 Γ에 의해 결정이 이루어진다. 이 상수계수는 현재 자연 상태에서의 수분에 의한 목재의 수축, 팽윤 변화량에 대한 연구가 이루어지지 않아 아직 그 근사값이 불명확하다. 이 두 수식을 이용하여, 목재의 균열 현상은 시간당 수축률의 변화량이 목재의 강도 저하에 따른 최대 수축률보다 커질 경우 균열이 발생 한다는 판별 조건을 따라, 목재의 균열 현상을 판별 하였다.

3.4 목재의 균열 현상에 따른 목재의 갈라짐 현상 가시화 방안

목재가 3.3의 내용에 의한 균열 조건을 만족 한다면 목재의 갈라짐 라인을 따라 생성 된 갈라짐 포인트는 Fig. 4와 같이 포인트 변환이 이루어진다.

Fig. 4.Conversion of the three points have been added to cracking line.

 

4. 실험 결과

본 논문에서는 목재의 수종은 소나무 한 종에 대해서만 연구를 진행 하였으며, 간단한 원통형의 모델을 통해 가시화를 진행 하였다. 소나무의 EMC당 수축률의 변화량은 다음 Table 1과 같다[6].

Table 1.The variation of shrinkage changes per one percent of moisture content and maximum shrinkage rate

또한, 습도와 강수량의 데이터는 기상청에서 제공하는 5년간의 대전 지방의 기상 자료를 바탕으로 수치화 하여 연구에 사용 하였다. 이상의 기상 자료를 바탕으로 목재의 갈라짐 라인 및 포인트의 추가에 대한 결과는 다음 Fig. 5와 같다.

Fig. 5.The results of crack line generation in cylinderical wood model. (a) Single cracking line, (b) Several cracking line.

Fig. 5는 이전 3.2에서 설명한 바와 같이 사용된 목재의 형태에 따라 춘재 부위에 따라 갈라짐 라인과 포인트를 적용하여 그 부위에서 균열이 발생하도록 하는 갈라짐 라인을 목재 모델을 따라 생성한 결과이다. 이 후 목재의 균열 현상은 갈라짐 라인과 포인트를 따라 발생하게 되며 그 결과는 다음 Fig. 6과 같다.

Fig. 6.Wood cracking simulation results over time. (a) 4 cycles after , (b) 8 cycles after (c) 20 cycles after, (d) Enlarged view.

Fig. 6은 그 갈라짐 라인을 따라 생성된 갈라짐 포인트가 시간당 목재의 수축률 변화량과 목재의 최대 수축률의 변화에 따라 균열이 발생하게 된 지점의 포인트가 Fig. 4와 같이 변화하여, 목재의 균열 현상을 가시화 하는 결과를 보여준다. 또한 그 결과를 시간 주기의 흐름에 따라 순차적으로 가시화함으로서 목재가 시간의 흐름에 따라 어떠한 형태로 균열이 발생해 나가는지에 대한 결과를 보여주고 있다.

 

5. 결 론

본 논문에서는 목재가 수분에 의해 수축, 팽윤을 반복하여 균열이 발생하게 되는 현상을 3차원으로 가시적으로 보여주는 방안에 대해 제시 하였다. 먼저, 목재의 형태에 따라 밀도와 강도가 약한 춘재 부위에 균열이 발생하기 쉬운 갈라짐 라인과 포인트를 선행 작성하여 균열 위치를 판별 한 뒤, 목재의 주변 수분의 양에 따라 달라지는 수분 함수율(EMC)의 값과 빗물에 의한 목재의 영향도(WDR)의 값에 따라 목재의 시간 변화에 따른 수축률을 계산 하였다. 그렇게 계산된 시간당 수축률 변화량과 목재 자체가 지닌 강도에 따른 최대 수축률과의 상관관계를 파악하여, 균열 현상을 체크 하였다. 그렇게 발생하게 되는 균열 현상은 이전에 작성한 갈라짐 라인의 갈라짐 포인트들의 변화에 의해 목재에 균열이 발생하는 현상을 3차원으로 가시화 하였고, 그 결과를 시간 주기에 따라 지속적으로 변화하여 목재가 수분에 의해 균열이 발생하게 되는 현상을 가시화 하였다. 아직 간단한 형태의 목재 형태로만 연구가 진행이 되었지만, 이 연구를 진행함으로 국내에선 아직 미미한 목재 균열 현상에 대한 연구와 현대 건축에서 목재의 사용 빈도수가 점차적으로 늘어남에 따라 목재의 노후 현상에 대한 유지 보수에도 많은 도움을 줄 수 있을 것으로 보인다.