목재의 설계를 위한 특성

목재의 물리 및 역학적 특성

1) 목재의 함수율

목재의 함수율은 목재 내에 존재하는 수분의 무게를 목재의 전건무게로 나누어서 백분율로 표현되는 값이며 목재 내 수분의 함량을 나타내는 척도로써, 나누어 주는 목재의 전건무게이기 때문에 함수율이 100%를 넘는 경우도 있다. 일반적으로 함수율의 측정은 사용법이 간단하며 비교적 정확한 함수율을 나타낼 수 있는 전기저항식 수분 측정계를 많이 사용하고 있다.

2) 목재의 밀도와 비중

목재의 밀도는 섬유포화점 이하에서는 결합수가 많아지게 됨에 따라 부피보다는 무게가 더 크게 증가되기 때문에 전건상태에서 섬유포화점에 이를 때까지 밀도는 점차 커지게 되지만 섬유포화점 이상부터는 자유수의 증가에 따라 목재는 무거워지며 밀도가 더욱 커지게 된다. 전건재 비중은 목재의 공극률에 따라 달라지는데 실적률만의 비중은 1.50 정도이다. 이 값은 목재의 수종에 따라 좌우되지 않으며 일정하므로 수분이 존재하지 않는 전건재의 비중은 공극률에 의해 다르게 나타난다.

3) 목재의 수축과 팽윤

목재 중의 결합수 증감은 셀룰로오스 결정영역 사이의 간격을 변화시키게 된다. 이것에 의해 세포벽의 부피가 커지거나 작아지게 되며 그 결과로 목재 전체의 팽윤과 수축 현상이 일어나게 된다. 목재의 수축은 건조에 따른 뒤틀림이나 할렬 또는 각종 가공 처리에 있어서 내부응력 발생 등 목재 가공이나 이용상 장애요인이 되고 있다. 수축률은 생재 시 치수에 대한 수축된 치수의 비율이며 팽윤율은 전건 시의 치수에 대한 팽윤된 치수의 비율로 나타낸다.

4) 목재의 인장 및 압축

목재 강도의 종류로는 정적 강도와 충격강도가 있다. 정적 강도에는 압축강도, 인장강도, 전단강도 등이 있으며 이러한 강도는 목재의 비중이 함수율 및 외력에 가해지는 방향 등에 따라 달라진다. 목재의 비중이 증가함에 따라 내강이 좁은 세포가 차지하는 비율이 높아지면 목재의 강도는 증가하게 되며, 방향에 따른 강도를 살펴보면 섬유 방향의 강도가 가장 크게 나타난다.

5) 목재의 내연성 

일반적으로 목재는 화재에 약하다고 인식되고 있다. 부피가 작고 두께가 얇으면 화재에 약한 것이 목재이지만 그 반대일 경우 화재 시 불이 붙는 착화온도가 높아지며 탄화막이 형성되어 불에 필요한 산소공급을 차단함으로써 연소속도는 다른 재료에 비하여 현저히 줄어들게 된다.

1000°C 온도에 500kg의 하중을 주어 강재와 목재의 화재 시 강성시험을 한 결과 일정 온도에서 녹아내리는 강재에 비하여 목재는 일정 강성을 유지하는 것으로 나타나고 있다. 목재의 화재 시 온도별 상태변화는 다음과 같다. • 화재 시 온도별 목재의 상태변화

- 100°C 이상 : 분자 수준에서 분해 

- 100~200°C : 이산화탄소 및 일산화탄소, 수증기가 빠져나감 

- 120°C : 가연성 가스는 휘발되어 이 범위에서 열분해됨. (열에 의해 화학적으로 분해) 

- 200°C 이상 : 빠른 열분해 

- 260~350°C : 열분해 가속화 

- 270°C 이상 : 열 발생률이 커지고 불이 잘 꺼지지 않게 됨.

 

육안적 특성

1) 목부의 나이테와 심재 · 변재

형성층은 세포들의 분열에 의해 나이테를 생성하여 목재의 두께를 증가시키는 중요한 세포이다. 이것의 활동 여부에 따라 다량의 목부세포가 형성되거나 그렇지 않을 수도 있다. 형성층은 봄 · 여름철에 가장 활발한 활동을 하여 목부에 지름이 크고 얇은 세포벽을 생성하는데 이를 춘재라고 하며, 가을이 지나고 겨울에 접어들면 활동을 중지하며 지름이 적고 비교적 두꺼운 세포벽을 형성하게 된다. 이를 추재라고 하며, 춘재와 추재를 나이테라고 부르는데 나이테의 자라나는 속도 및 수종에 따라 강도의 차이가 발생한다.

2)목재의 3단면

목재는 절취하는 방향에 따라 각종 구성 세포의 종류와 배열 형태 등이 달리 나타난다. 수목의 생장 방향과 직각으로 절취할 때 생기는 단면을 횡단면, 평행하게 절취할 때 생기는 단면을 종단면이라 한다. 종단면은 다시 수목의 생장방향에 따라 연륜과 직각으로 절취할 때 생기는 단면을 방사단면, 접선단면을 목재의 3단면이라고 한다. 또한 섬유방향, 방사방향, 접선방향을 목재의 3방향이라고 한다.

 

목재 조직의 구성

세포들 중 조직 내 세포벽의 골격 역할을 하는 셀룰로오스가 절반 이상을 차지하는데 이는 조직의 배열이 일정하여 목재의 강하고 단단한 성질을 부여해 준다. 목재 세포 내에는 1차 세포벽과 세포내강 사이에 2차 벽이 존재하는데 외층(S1)과 내층(S3)에서 세포의 조직들은 매우 치밀하게 결속되어 있어 강하고 단단한 구조를 이루게 되는 것이다. 헤미셀룰로오스는 셀룰로오스의 결속구조를 단단히 묶어주는 역할을 하며 리그닌은 세포벽 사이를 서로 접착시켜 주거나 세포벽의 강도를 높여주는 역할을 한다.

1) 침엽수 조직의 특성

침엽수의 가장 큰 특징은 가도관(tracheid)이라는 세포가 전체의 85~90% 이상을 차지하고 있으며 매우 단순한 조직으로 구성되어 있다는 것이다. 조직이 단순하며 균일하여 가공하기가 쉬워 연재라고 한다. 이러한 조직적 특성에 기인하여 강도 및 역학적 편차가 적은 것이 특징이므로 구조용 목재로 주로 사용되고 있다. 가도관은 수분의 이동통로 역할을 하며 횡단면상에서 4각, 5각, 원형, 타원형 등 다양한 형태로 나타난다. 방사유세포는 양분을 저장하고 배분하는 역할을 하며 수지구는 배열방향에 따라 수직, 수평 수지구로 분류된다.

2) 활엽수 조직의 특성 

활엽수는 침엽수에 비하여 더욱 진화된 수종으로 여겨지고 있다. 그 이유는 침엽수에는 없는 세포가 다수 존재하며 조직의 변화도 다양하기 때문이다. 가장 큰 특징으로는 도관(vessel)과 목섬유(wood fiber)가 존재하는 것이다. 도관은 축 방향으로 연속 배열된 통 모양의 관이며 목섬유는 진정목섬유와 섬유상가도관으로 분류되는데 수체에 강성을 부여하는 기능을 담당한다. 이 둘은 수분의 이동과 수체를 지지하는 역할을 하며 방사유세포는 침엽수와 같은 기능인 양분을 저장하고 기능을 담당한다.

 

한국산업표준규격에 따른 목재의 용어

알아두면 좋을 목재의 주요 용어 정리입니다. 

- 도관(vessel) : 연속된 관과 같은 형태를 갖는 활엽수의 통도 조직 

- 목섬유(wood fiber) : 가늘고 긴 형태의 목재 구성 세포 

- 방사방향(radial direction) : 목재의 횡단면에서 수심과 수피 사이에 나이테에 수직한 방향

- 섬유방향(longitudinal direction) : 나무의 세포가 전반적으로 배열되어 있는 길이 방향 

- 세포(cell) : 세포내강(lumen)과 세포벽(cell wall)을 가지며, 나무를 구성하는 미세한 조직의 단위 

- 형성층(cambium) : 나무의 목재 부분과 내피 사이에서 새로운 목재 세포 및 수피를 만들어내는 조직

- 횡단면(cross section) : 목재의 섬유방향에 수직하게 자른 단면

- 결합수(bound water) : 세포벽 내의 미세 공극 등에 목재조직과 결합된 상태로 존재하는 수분 

- 자유수(free water) : 세포 내의 세포내강이나 세포간극과 같은 빈 공간에 목재조직과 결합되지 않은 상태로 존재하는 수분