집성재 설계

집성재란

집성재는 섬유 방향이 평행한 판재, 즉 층재를 접착제로 적층한 구조용 목재다.

목재를 한 덩어리로 키우면 옹이 같은 결점이 커지므로, 얇은 판으로 나눠 붙인다.

이렇게 하면 결점이 분산되고 원하는 치수와 강도를 얻기 쉽다.

휨 저항 원리

휨 모멘트가 작용하면 휨응력은 중립축에서 0이고 상·하단에서 최대가 된다.

그래서 상·하단에는 고강도 층재를, 중간부에는 전단 강도가 충분한 층재를 둔다.

휨응력은 휨 모멘트를 단면계수로 나눈 값이다.

접착층은 층재가 한 덩어리로 거동하도록 층 사이의 전단력을 전달한다.

계산 예제

예제다. 100×150mm 판재 세 장을 접착해 폭 100mm, 높이 450mm 보를 만든다.

단면계수는 Z = bh²/6 이며, 계산하면 약 3.375×10⁶mm³이다.

휨 허용응력 15 N/mm²를 곱하면 최대 모멘트는 약 50.6×10⁶ N·mm이다.

단순보 중앙에 집중하중이 걸리므로 P = 4M/L 이고, P는 약 50.6kN이다.

전단 검토와 최대 하중

휨만 검토하고 전단을 빼먹으면 안 된다. 전단은 목재와 접착면을 따로 본다.

목재 허용전단응력은 2 N/mm², 접착면 허용전단응력은 1 N/mm²이다.

두 값은 별개 조건이라 섞어 쓰면 안 된다. 실무에서는 등급별 허용응력을 적용한다.

그래서 세 조건 중 가장 작은 값이 최대 하중을 정한다.

정리

앞서 낸 문제의 정답은 접착면 허용전단응력 1 N/mm²이다.

정리하면 층재 배열, 휨, 전단, 접착면을 함께 검토해야 한다.

세 조건 중 가장 작은 값이 최대 하중이 된다는 점을 기억한다.