A Study on the Moisture Content and Cracking Behavior of out side Exposed columns According to Drying Methods of Hnaok Buildings

(1)

1. 서 론

1.1 연구의 배경 및 목적

목재는 다양한 용도로 사용할 수 있어 건축에 빠질 수 없는 자재이다. 한옥은 목재를 주요부재로 사용하는 목조건축물이 다. 한옥의 주요 구조재인 기둥, 보, 창방, 귀틀 등은 단면이 큰 목재를 사용하는 중목구조로 분류한다. 한옥의 기둥 부재는 보 다음으로 단면이 큰 부재이다. 기둥은 내ꞏ외부에 노출되어 있어 환경의 변화에 직접 영향을 받는다. 그래서 건조수축에 따른 변 형과 갈라짐 및 부후를 육안으로 쉽게 볼 수 있다.

목재의 갈라짐은 계절적인 부분과 내ꞏ외부 기후 차이 등으로 발생한다. 즉 불균일한 수축과 팽윤과정에서 목재 세포벽에 미 세한 갈라짐¹⁾이 발생한다. 목재는 습윤성 자연 재료로 콘크리 트나 석재보다 환경적 영향에 따른 변화가 크다(Kang, 2016)²⁾. 즉, 수분은 목재의 수축, 팽윤에 가장 많은 영향을 미친다. 생재 는 일반적으로 습도가 낮거나 온도가 높으면 탈습하고 건조재

* 전북대학교 한옥사업단 연구원, 공학박사

(Corresponding author : Hanok Center, Chonbuk national University, [email protected])

1) 목재의 갈라짐의 용어는 균열, 크랙, 할렬이라는 표현과 동일한 의미를 가진다.

2) 강재신ꞏ김재원ꞏ안은영, 수분변화량에 따른 목재의 균열 현상 가시화 방안, 한국멀티미디어학회, 19(8), 2016, pp.1275-1280

는 습도가 높거나 온도가 낮으면 흡습한다. 그래서 목재는 구조 재로 사용된 이후에도 함수율이 주변 수분량에 의해서 흡습과 탈습을 반복하며 건조수축 한다. 부후 균이 활동하기 적정한 온 도는 4~38℃로 범위가 넓다(Kim, 2018)³⁾. 부후 균이 목재를 감 염 시키는 함수율이 대략 30% 이상이다. 감염된 이후에는 함수 율 20%까지는 생육활동을 계속한다. 목재의 균을 사멸하기 위 해서는 함수율을 11%이하로 유지해야 한다. 따라서 목재의 부 후 균 생육을 억제하기 위해서는 주변의 습 환경과 목재의 함수 율 관리가 필요하다.

목재는 함수율을 20% 이하로 급속하게 낮추면 섬유질의 직 각 방향으로 인장응력이 생겨 상당히 큰 갈라짐이 발생할 수 있 다. 따라서 섬유포화점 이하의 상태에서 건조를 시킬 때는 갈라 짐 발생에 주의해야 한다.

현대 건축물의 주요구조인 철근 콘크리트는 외부 환경에 영 향을 최소로 받기 위해 노출된 부분을 마감 처리를 하는 것이 일반적이다. 반면 한옥의 주요 구조재인 기둥은 벽체가 있는 곳 을 제외하고 외부에 노출되어 환경에 영향을 받는다.

따라서 본 연구의 목적은 자연 건조한 목재와 인공 건조한 목 재를 사용해서 조성한 한옥의 주요구조부인 기둥이 외부 환경에 노출된 상태에서 함수율과 균열의 양상을 알아보고자 한다.

3) 김영민, 전통한옥과 신한옥의 함수율 모니터링 및 분석, 대한건축학회, 34(3), 2018, pp.29-36

한옥건축물의 건조방법에 따른 외진 노출 기둥의 함수율 및 균열 양상에 관한 연구

A Study on the Moisture Content and Cracking Behavior of out side Exposed columns According to Drying Methods of Hnaok Buildings

김 윤 상^* Kim, Yun-Sang

Abstract¹⁾

Recently, various tourist products using hanok have increased rapidly. In the meantime, there is a steady demand for Hanok architecture. However, there are many negative perceptions about wood deformation and biodeterioration. Wood deformation and biodeterioration are related to moisture content. And the cracks occur in the process of removing water from the wood. Therefore, this study investigates the moisture content and cracks of dried hanok made of wood according to the drying method of wood.

Drying methods include natural seasoning and artificial seasoning. There was a difference in moisture removal depending on drying period and method of natural seasoning. Drying time should be about 3 years for natural seasoning, so the moisture content of the wood is stable. In addition, the moisture absorption rate was low even in a humid environment where the voids were removed.

However, natural seasoning is time consuming. Artificial seasoning, on the other hand, can quickly remove moisture from the wood and reduce porosity, but it is costly. Cracks that occur during the drying of wood may become problematic in appearance and stability due to wider spacing over time. As a result, the difference in the moisture content of the timber depending on the drying method and drying period of the wood was maintained even after the formation. These gaps appeared to be differences in moisture absorption in a wet environment.

주 요 어 : 한옥, 자연건조, 인공건조, 함수율, 균열

Keywords : Hanok, Natural seasoning, Artificial seasoning, Moisture content, Crack

http://dx.doi.org/10.14577/kirua.2019.21.1.37

(2)

단, 본 연구는 계측 값을 산출하는데 목적을 가지기 보다는 건조 부재별 함수율과 균열의 계측치 변화 양상을 알아보는데 중점을 둔 연구이다.

1.2 연구의 대상과 방법

본 연구 대상은 OO대학교와 공공건물에 전통 방식으로 조성 된 한옥 유형 중 정자인 고향정(2012), 사모정(2014), 보화정 (2017), 청운정(2018)과 가옥구조인 ㄱ자형 한옥카페(2017)까지 총 5채이다. 한옥에 사용된 부재의 수종을 보면 주요구조 부재 는 더글라스이고 연목은 육송이 사용되었다. 한옥이 조성된 곳 의 주변 환경을 보면 고향정과 보화정, ㄱ자형 한옥카페는 친수 공간인 연지가 인접해 있고 사모정과 청운정은 연지가 없다. 대 상한옥은 자연건조방식과 인공건조방식으로 건조한 목재를 사 용해서 조성되었다.

연구방법은 한옥의 유형 중 벽체가 없는 정자 한옥 4동과 벽 체가 있는 ㄱ자 한옥 1동으로 주요 구조부재인 기둥의 함수율 을 직접 측정하였다. 측정 위치는 기둥의 수직방향에서 상ꞏ중ꞏ 하로 나누었고 상부와 하부는 기둥 중심 방향으로 30cm 이동한 지점을 측정하였다.

실측은 목재 함수율에 영향을 주는 환경을 고려하여 비오는 날과 맑은 날을 구분해서 측정하였다. 측정일은 2018년 6월 26 일~7월 19일까지 이다. 측정 기간 중 비오는 날은 6월 26일, 27 일, 28일, 7월 1일, 2일이다. 맑은 날은 7월 15일~7월 19일까지 측정하였다. 기온에 따른 함수율 편차가 예상되어 측정 간격을 최소화하고 동일한 날짜에 5개소를 각각 측정하였다. 측정한 함수율 데이터를 날씨 조건에 따라 정리하고 목재의 건조 방법 과 건조 기간에 따른 함수율 변화 양상을 분석하였다. 목재의 균열은 현재 발생한 균열을 측정하고 조성 당시의 균열을 조사 하여 사진으로 비교하는 방식으로 진행하였다.

목재의 함수율 조사 장비는 전기 저항식 비파괴검사 측정기 인 Testo 제품을 사용하였다. 이 측정 장비는 목재 함수율 6~30% 범위에서 신뢰성을 가진다. 전기 저항식은 목재에 박힌 두 핀 사이에 전기를 흐르게 해서 수분 정도에 따른 저항을 측 정하는 방식이다. Testo 비파괴 함수율 측정기기를 이용한 선행 연구를 보면 Kim(2018)⁴⁾이 전통한옥과 신한옥에 관한 함수율 모니터링 및 분석 연구에서 신뢰할만한 결과를 도출하였다. 목 재 균열은 디지털 켈리퍼스를 사용하였고 균열이 발생한 곳의 내측 간격의 치수를 직접 측정하였다.

2. 이론적 고찰

2.1 목재의 일반적 특성

목재는 광합성에 의해 생성 되며 미생물에 의해 분해되는 자 연 환원적인 친환경 소재이다. 목재가 미생물에 분해된다는 점 은 친환경적이지만 건축물 부재로 사용 시 재료의 성능저하의 대표적인 단점이 된다. 또한 목재는 다공성 조직으로 흡습성을 가진 재료로 평생 흡습과 탈습을 반복한다. 따라서 목재는 팽윤 하거나 수축하는 성질을 가지고 있다. 그리고 목재는 이방성을

4) 김영민, 전통한옥과 신한옥의 함수율 모니터링 및 분석, 대한건축학회, 34(3), 2018, pp.29-36

가져 축 방향 마다 다른 성질의 변이성을 가진다. 또한 변화량 에서도 차이가 있어 수축과 팽윤하는 과정에서 조직의 뒤틀림 이 증가하여 목재는 높은 응력을 받게 된다. 결과적으로 목재 조직이 파괴되거나 찌그러지며 균열이 발생한다(Park, 2018)⁵⁾.

2.2 목재 함수율

함수율은 목재의 무게에 포함된 수분의 비율로 나타낸 것이 다. 일반적으로 자연 건조한 제재목의 함수율은 16~20%의 범위 이며 인공건조는 10~13% 정도의 범위를 가진다. 섬유포화점⁶⁾ (Fiber saturation point) 함수율은 상온에서 25~35% 범위이고 일 반적으로 28%, 30%이며 생재(Green wood)는 섬유포화점 이상의 함수율을 가진다(Jim, 2003)⁷⁾. 목재의 함수율은 수종에 따라 차이 가 있으나 벌목된 생목재의 함수율은 45~160% 정도이다. 그리고 주변 환경에 영향을 받는 변재가 심재보다 다소 높다.

섬유포화점에 이른 목재는 생재에 비해 무게는 감소하고 치 수변화는 거의 없다. 그러나 섬유포화점 이하로 낮추는 경우 세 포벽 내 수분을 제거해야 하며 이러한 과정에 세포벽의 물리적 성질의 변화와 수축으로 치수안전성이 달라지며 건조속도와 에 너지가 증가한다.

2.3 목재의 균열

목재는 수분을 탈습하고 흡습하면서 수축과 팽윤이 반복되 어 균열이 발생하고 건축 이후에도 지속적으로 함수율이 낮아 지므로 건조 수축한다. 그래서 발생된 균열은 시간이 지나면서 간격이 더 커질 수 있다(Kim 2007)⁸⁾.

Tauchert & Hsu(1977)⁹⁾는 원목의 수축응력은 함수율 변화에 크게 영향을 받아 표면층에서 최대 인장응력이 발생하고 변재 부분의 갈라짐이 쉽게 발생된다고 하였다.

자연 건조 목재는 심재보다는 변재 부분에 균열이 발생하고 벌목된 목재가 위치한 외기 환경조건에 따라 다르다. 반면 인공 건조는 균열 발생을 줄일 수 있지만 건조 속도에 따라 심재까지 도 균열이 발생할 수 있어 주의가 필요하다.

2.4 목재 건조 방법

건조의 목적은 목재의 수축이나 변형을 최소화하고 중량을 감소시켜 가공, 운반, 취급을 용이하게 하려는 것이다. 또한 생 재보다 압축강도가 2~3배 증가되며 충해 및 부후로부터 내구성 이 강해진다.

목재의 건조는 세포내부의 수분을 외부로 빼는 것이다. 목재 5) 박용건, 과열증기를 이용한 목재 건조-열처리 복합 공정 최적화에 관한 연구,

서울대학교 박사학위논문, 2018

6) 섬유포화점은 상온에서 자연건조가 이루어지는 단계이다. 즉 세포내강의 액상 수분(자유수)은 모세관을 통해 쉽게 빠져나가 없고 세포벽에는 수분이 완전 포화되어 있는 상태이다.

7) Jim, L. B., Rubin s. & John G. H., Forest Products and Wood Science An

Introduction, Lowa State Press, 2003

8) 김광백, ART2 기반 RBF 네트워크를 이용한 콘크리트 슬래브 표면의 균열 추출 및 인식, 한국멀티미디어학회, 10(8), 2007, pp.1068-1077 9) Tauchert. T. R., Hsu. N. N., Shrinkage Stresses in Wood Logs Considered

as Layered, Cylindrically Orthotropic Materials, Wood Science and Technology, 11(1), 1977, pp.51-58

(3)

를 건조하기 위해서는 목재내의 수액을 제거하는 것이 우선되 어야 한다. 수액제거는 생재를 1년간 현지에 두거나, 목재를 물 에 담가놓는 수침법, 열로 목재를 찌는 자비법, 그리고 포화수 증기로 목재의 수액의 농도를 낮추는 방법이 있다. 목재는 벌목 이후 처음 1개월 정도는 빠르게 함수율이 낮아지며 포화함수율 에 도달하게 된다. 그러나 포화함수율 30% 이하에서의 건조 속 도는 매우 느려 장시간이 필요하다. 현재 목재를 포화함수율 이 후 건조하는 방법은 자연건조와 인공건조가 있다. 자연 건조는 목재를 외기에 방치해 세포내의 수분을 자연적으로 제거하는 방식이다. 자연건조는 주변 환경이나 기후 조건에 영향을 받으 며 목재를 잔적하기 위해서는 넓고 배수가 잘되며 빛과 통풍이 양호한 부지가 필요하다. 자연건조는 수종에 따라 차이가 있지 만 통상 1~3년 정도 건조시간이 소요된다. 이 방식은 건조 비용 과 목재의 손상은 적으나 많은 시간이 소요된다. 또한 함수율 20%대 까지는 낮출 수 있지만 기건 함수율까지는 도달하는데 한계가 있다.

인공건조는 목재의 세포내 수분을 강제적으로 제거하는 방 식이다. 수분 제거가 어려운 세포벽 내 수분을 건조기의 온습도 를 조절하여 제거하며 용도에 따라 요구하는 목재의 함수율을 단시간에 낮출 수 있다. 단, 급속한 건조는 목재 마구리면에 할 렬이 발생하거나 표면에 균열과 목재 틀어짐 등의 변형이 발생 할 수 있어 주의가 필요하다. 또한 많은 비용이 소요되는 단점 은 있다. 그럼에도 불구하고 인공건조는 목재를 건조 치목한 이 후 변형이 거의 없고 부후 균 사멸과 충의 생육환경을 제거하는 효과에 신뢰성을 얻어 건조 비율이 증가하고 있다.

2.5 국내외 관련 연구

목재는 습윤성 재료로 주변의 환경 및 물리적인 조건에 따라 다른 특성을 가지는 건축 부재이다. 주변의 수분환경에 따라 함 수율이 변하고 부후 균과 충해 등이 발생하면 점차적으로 목재의 내구성이 저하될 수 있다. 이처럼 목재의 함수율은 목조건물을 관리하는데 중요한 인자이다. 그래서 연구사례를 보면 Luis(201 5)¹⁰⁾는 포르투칼에서는 높은 습도를 가진 실내 수영장의 지붕재 인 CLT(Cross Laminated Timber) 집성목의 함수율을 측정 분석하 였고 독일에서는 Philipp(2015)¹¹⁾가 장경간 목조구조물의 함수율 변화와 기후 관계를 분석하는 연구가 수행되었다. 국내에서는 Park(2013)¹²⁾이 남원 운봉향교 대성전의 함수율 모니터링을 통해 그 결과를 분석하였다. Lee(2013)¹³⁾는 주요 구조부재로 사용되는 침엽수종인 소나무와 잣나무의 고온저습건조를 통해 함수율을 낮추고 할렬을 최소화하는 연구를 하였다. 이처럼 목재의 함수율 과 할렬 등과 관련된 의미 있는 연구가 진행되고 있다.

10) Luis, J., Alfredo, D., & Ricardo C., Performance of X-Lam Panels in a Sports Center with an Indoor Swimming-pool. Journal of Civil Structural

Health Monitoring, 5(2), 2015, pp.129-139

11) Philipp, D., Andreas, G., Michael, M., & Stefan, W. (2015). Monitoring of Building Climate and Timber Gradient in Large-span Timber Structures.

Journal of Civil Structural Health Monitoring, 5(2), 2015, pp.153-165

12) 박천영ꞏ김광철, 운봉향교 정밀 모니터링을 통한 목재 기둥 부재의 함수율

분포특성, 한국가구학회지, 24(1), 2013, pp.104-112

13) 이창진, 국산소나무와 잣나무 중목구조부재의 고온저습건조 특성, 전북대학 교 석사학위논문, 2013

3. 현장조사 및 측정

3.1 대상 및 측정 위치

본 연구에서는 실측 대상 한옥의 일반적인 현황을 <Table 1>

과 같이 정리하였다. <Table 2>는 고향정(2012), 사모정(2014), 보 화정(2017), 청운정(2018), ㄱ자형 한옥카페(2017)의 전경사진과 도면을 정리하였다.

구분 유형 완공 건조 면적

(㎡)

기둥 (mm)

방식 기간

고향정

정자

2012 자연 건조

1년 10.89 ∅330

사모정 2014 1년 10.89 ∅330

보화정 2017 3년 12.96 ∅360

한옥카페 ㄱtype 2017 인공

건조

3개월 110.25 각주270

청운정 정자 2018 1개월 8.42 ∅300

Table 1. Basic information on the Hanoks

함수율 측정 위치는 기둥을 상ꞏ중ꞏ하로 구분하고 상부와 하 부는 절단면에서 중심 방향으로 30cm 이상 이동하여 측정하였 다. 목재는 동일한 부재여도 놓여 있는 환경에 따라 함수율에 차이가 있다. 그래서 내부와 외부로 나누어 함수율을 측정하였 다. 균열은 현재 기둥 및 귀틀 부재에 균열이 발생한 부위의 치 수를 측정하였다. 한옥별 기둥의 측정 위치 및 방향은 <Table 2>과 같다.

측정 대상은 모두 전통 결구 방식으로 만들어진 전통한옥이 다. 목재 수종은 주요구조 부재인 기둥 등은 더글라스이고 연목 은 육송이다. <Fig.1>는 목재의 수분을 제거하는 건조 방법에 따 른 목재의 표면 상태를 보여준다. 건조 방법으로 구분하면 자연 건조한 목재를 사용한 한옥은 고향정, 사모정, 보화정이고, 인공 건조한 목재를 사용한 한옥은 ㄱ자형 한옥카페와 청운정이다.

함수율 측정 방법은 <Fig.2>의 a)와 같이 함수율은 비파괴 검 사 장비인 휴대용 전기 저항식 계측기(Testo)로 사용해 측정하 였다. 균열은 b)와 같이 디지털 캘리퍼스를 이용해서 균열 내측 을 측정하였다.

대상 측정 위치

a)

고향정 전경 평면 입면

b)

사모정 전경 평면 입면

Table 2. Target Hanoks and measurement locations

(4)

a) type : 자연건조 b) type : 인공건조 Fig. 1. Image of the surfaces after drying with each method

a) 함수율 측정기 (TESTO) b) Digital 캘리퍼스 Fig. 2. Content meter

3.2 측정 기간의 날씨

<Table 3>은 측정 기간의 국가기상 종합정보 자료를 정리하 였다. 비오는 날 최고 기온은 26~29.8℃ 범위이고 평균 27.9℃이 다. 최저기온은 20~22.7℃ 범위이고 평균 21.5℃로 최고기온과 편차가 6.4℃이다.

강수량은 107.4mm가 가장 많고 평균 53.3mm 내렸다. b)는 맑 은 날 최고 기온은 33.3~33.9℃이고 최저 기온은 23~24.8℃로 평 균 9℃정도 차이를 보였다. 비오는 날과 맑은 날 평균 온도 차 이는 4.4℃로 나타났다.

구분 기온℃) 강수량

최대 최소 평균 (mm)

6월 26일 28.6 22.7 25.7 19.2

6월 27일 29.8 22.4 25.2 75.6

6월 28일 26.3 22.1 23.9 25.1

7월 1일 28.2 20.1 22.2 107.4

7월 2일 26.7 20.6 23.7 39.2

평균 27.9 21.5 24.1 53.3

Table 3. Weather in Jeonju

a) 비오는 날

구분 기온℃) 강수량

(mm)

최대 최소 평균

7월 15일 33.9 24.4 28.9 -

7월 16일 33.3 23.0 28.2 -

7월 17일 33.6 24.5 28.6 -

7월 18일 33.4 24.6 28.7 -

7월 19일 33.3 24.8 28.5 -

Average 33.5 24.2 28.5 -

b) 맑은 날

4. 함수율과 균열 분석

4.1 함수율 측정 데이터 분석

실측 대상 한옥의 함수율은 비오는 날과 맑은 날로 나누어 각각 측정하였다. 맑은 날은 기둥을 내부와 외부로 구분해서 측 정하였고 비오는 날은 함수율이 높게 나타나 내ꞏ외부의 값에 의 미가 없다고 판단되어 외부를 측정 하였다.

Fig. 3. Moisture content with respect to column locations on rainy day

<Fig.3>의 비오는 날 기둥 외부의 함수율을 보면 고향정은 17.8~20.4%, 사모정은 15.9~18.6%로 1년 이내 건조한 목재의 평균 함수율은 18.3%로 높게 나타났다. 반면 동일한 자연건조 방식인 보화정은 14.5~15.9%로 평균 15.2%로 나타났다. 이는 보화정의 기둥이 3년 동안 자연 건조한 목재로 충분한 건조가 이루어져 습 윤한 환경에서도 흡습율이 낮아진 것으로 보인다. 인공 건조한 목 재를 사용한 ㄱ자형 한옥카페는 10.1~13.1%, 청운정은 12~16.6%

로 청운정이 다소 높게 나타났다. 두 한옥은 평균 12.5%로 비오 는 날의 습윤한 환경의 영향을 가장 적게 받고 있었다.

<Fig.4>의 맑은 날 기둥 내부의 함수율을 보면 고향정은 13.8~

15.7%이고 사모정은 13~14.9%로 평균 함수율이 14.4%였다. 보

대상 측정 위치

c)

보화정 전경 평면 입면

d)

ㄱ자 한옥카페 전경 평면 입면

e)

청운정 전경 평면 입면

(5)

화정은 11.2~14%로 평균 13.1%로 나타났다. 1년 건조한 목재를 사용한 고향정, 사모정과 3년 건조한 목재를 사용한 보화정 모 두 최적의 함수율 수치를 보였다. 이는 맑은 날 공기 중의 수분 농도가 낮아져 나타난 결과로 보인다. 인공 건조한 제재목을 사 용한 ㄱ자형 한옥카페는 7.7~11.6%로 평균 9.4%이고 청운정은 11.1~13.8%로 평균 12.4%였다. 특이한 점은 인공건조 방식을 적 용한 부재에서도 상호간에 3% 정도의 함수율 격차가 있었다.

또한 자연건조 부재와는 5.3%의 격차가 있었다. 맑은 날의 한옥 별 기둥 내부 함수율이 16%이하로 전체적으로 낮은 함수율을 가지고 있어 건축 부재로 적합한 수치를 보였다.

Fig. 4. Moisture content with respect to column location on sunny day(inner face)

Fig. 5. Moisture content with reapect to column location on sunny day(outer face)

<Fig.5>의 맑은 날 기둥 외부의 함수율을 보면 고향정은 12.2~

14.3%이고 사모정은 11.2~13.7%로 평균 함수율이 12.9%였다. 3 년 건조한 목재를 사용한 보화정은 10.2~12.7%로 평균 11.9%로 나타났다. 맑은 날 외부면의 함수율은 건조 기간에 관계없이 유 사한 범위에 있었다. 그러나 동일한 날씨에 내부 보다는 외부의 함수율이 낮았다. 이는 기둥 외부 쪽 표면이 바람이나 일조에 영 향을 받아 목재 내 수분을 증발 시켜 함수율이 전체적으로 낮게 유지된 것으로 보인다. 인공 건조한 목재를 사용한 ㄱ자형 한옥 카페는 9.9~11.7%로 평균 10.7%이고 청운정은 10~12.8%로 평균 10.9%로 유사한 평균 수치를 보였다. 일부 부재에서는 과하게 건 조된 목재의 함수율 수치도 볼 수 있었다. 이는 목재를 인공 건조 로 함수율을 낮추는 과정에서 유의해야 할 부분으로 보인다.

<Table 4>를 보면 1년 자연 건조한 고향정과 사모정은 비오는 날 최대 20.4%까지 측정되었지만 평균 18.3%이고 맑은 날 기둥 내부의 평균함수율이 14.4%이고 외부는 평균 12.9%로 나타났다.

맑은 날과 비오는 날의 함수율 격차가 5%의 차이를 보이고 있었 다. 반면 자연건조 방식이지만 3년 건조한 목재를 사용한 보화정 은 비오는 날이 15.2%이고 맑은 날 기둥 내부는 13.1%, 기둥 외 부는 11.9%로 격차는 3.3%로 1년 건조시킨 목재보다 3년 건조

시킨 목재의 격차가 작았다. 물론 3년 자연 건조한 목재의 경우 흡습이 양호하지만 인공 건조한 목재의 함수율에 비해 격차가 커 비오는 습윤한 환경의 영향을 받는 것으로 보인다. 따라서 자연건조 방식은 습윤한 환경에서 목재가 흡습하는 비율이 높 은 것으로 판단된다.

또한 보화정이 시공된 시점이 2017년으로 건조시기를 보면 2013년부터 이다. 그러나 2012년에 시공된 고향정의 함수율이 더 높게 나타났다. 이는 목재를 벌목한 이후 절단면이 노출된 상태에서의 자연 건조하는 것이 초석이나 주두에 의해서 절단 면이 막혀지는 한옥의 부재보다 건조가 더 잘 이루어진 것으로 보인다. 따라서 자연 건조한 목재는 함수율을 낮추기 위해서 단 면을 외부에 오랜 시간 노출시켜야 한다. 그러나 목재 세포내 공극을 줄이는 것은 한계가 있어 보인다. 이는 건조한 날의 목 재 함수율에서는 차이가 없지만 습윤한 날의 목재 함수율이 높 아지는 것으로 나타났다.

인공 건조한 목재를 사용한 ㄱ자형 한옥카페와 청운정은 비 오는 날 12.5%이고 맑은 날 기둥 내부는 10.9%, 기둥 외부는 10.8%로 비오는 날과 맑은 날 격차가 1.7%로 목재의 흡습율이 낮게 나타났다. 자연 건조시 목재의 수분이 자연 방출되지만 세 포벽 내 수분 제거는 한계가 있다. 그래서 인공건조 과정에서 강제 건조 시키면 세포벽내 수분이 제거되면서 공극이 수축하 게 된다. 따라서 비오는 습윤한 환경에서도 함수율의 변화를 최 소화 하려면 세포벽 내 수분을 제거하고 공극을 줄이는 건조 방 법이 적용된 목재를 사용하는 것이 필요하다고 판단된다.

Table 4. Moisture contents

구분 Max(A) Min(B) Mean

자연건조 1년(A) 20.4 15.9 18.3

3년(B) 15.9 14.5 15.2

인공건조(C) 16.6 10.1 12.5

격차

A-B 4.5 1.4 3.1

A-C 3.8 5.8 5.8

B-C -0.7 4.4 2.7

a) 비오는 날

자연건조 1년(A) 15.7 13 14.4

3년(B) 14 11.2 13.1

인공건조(C) 13.8 7.7 10.9

격차

A-B 1.7 1.8 1.3

A-C 1.9 5.3 3.5

B-C 0.2 3.5 2.2

b) 맑은 날 (기둥의 내부 표면)

자연건조 1년(A) 14.3 11.2 12.9

3년(B) 12.7 10.2 11.9

인공건조(C) 12.8 9.9 10.8

격차

A-B 1.6 1 1

A-C 1.5 1.3 2.1

B-C -0.1 0.3 1.1

c) 맑은 날 (기둥의 외부 표면)

(6)

4.2 주변 환경에 따른 함수율 분석

<Fig.6>은 고향정과 사모정이다. 고향정은 2014년에 조성되 어 2년 정도의 차이가 있다. 두 한옥 모두 자연건조 방식으로 1년 이내로 건조시킨 목재를 사용해서 조성되었다. 조성된 주 변 환경을 보면 고향정은 연지에 접해 있고 사모정은 잔디 광장 에 위치해 있다. 두 한옥의 함수율을 측정한 결과 연지에 놓인 고향정이 그렇지 않은 사모정 보다 함수율이 높게 나타났다. 특 히 비오는 날의 함수율이 높았다. 이는 목재의 함수율과 주변 환경이 관련 있다는 것으로 보인다. 즉 한옥이 자리한 공간의 미시적 환경조건에 영향을 받고 있다는 것이다.

a) 고향정 : 연지 b) 사모정 : 뜰 Fig. 6. Environment around each Hanok

Fig. 7. Average moisture contents of each column

<Fig.7>를 보면 고향정의 그래프가 비오는 날, 맑은 날 모두 다 른 한옥에 비해 높은 범위를 하고 있다. 이는 실측 대상한옥 중 고향정이 2012년에 조성되어 가장 오래된 한옥인 것을 감안하면 그래프의 양상은 유의미한 것으로 보인다. 또한 고향정 사진을 보면 연지 상부에 있는 초석이 남쪽이다. 그래서 <Table 5>의 고 향정 함수율 수치를 보면 남측면의 기둥이 북측면의 기둥보다 높 게 나타났다. 일반적으로 사모정처럼 남측면의 목재 함수율이 북 측보다 낮다. 이는 일조를 받는 남쪽과 다르게 그늘이 생기는 북 쪽의 공기 중의 수분함량이 많아 목재의 함수율이 높게 나타나게 되는 것이다. 그러나 고향정은 남쪽이 더 높게 나타났고 이는 습 윤한 환경을 만드는 연지의 영향을 받은 것이라 판단된다.

4.3 균열

균열은 목재의 함수율이 낮아지는 과정에서 발생하게 되며 수분이 빠르게 증발하는 부분이나 물성이 강한 부분에 발생하 기 쉽다. 균열의 간격은 디지털 캘리퍼스를 이용해서 측정하였 다. 균열이 발생한 부위의 내측을 측정하는 방식으로 하였다.

현재의 수치는 측정할 수 있지만 조성 당시의 균열은 사진 자료 를 기반으로 비교하였다.

<Fig.8>의 a)는 3년 건조한 목재를 사용해 2017년 조성된 보 화정의 4번 기둥 사진이다. 조성 당시 기둥의 균열 폭이 5mm 이내였다. 그러나 한번 발생한 균열은 건조수축 과정에서 계속 벌어져 <Fig.8>의 b)와 같이 최대 15.58mm로 1년 반 사이에 10mm이상 넓어졌다. 귀틀 역시 최대 18.84mm로 초기에 비해 비교적 큰 균열이 조사되었다. 1년 건조한 목재를 사용한 고향 정과 사모정은 조성 당시 함수율이 20%대를 유지하고 있어 균 열 발생이 미미했다. 조성 후 목재 내부의 수분이 증발하는 과 정에서 <Fig.8>의 c), d)와 같이 기둥은 최대 14.24mm, 귀틀은 최대 10.7mm로 비교적 큰 균열이 측정되었다. 이러한 이미지 변화는 건축주 입장에서 하자로 생각하고 시공사와 언쟁의 원 인이 되는 요소이다.

반면 <Fig.9>의 a)와 같이 인공건조 후 시공된 ㄱ자형 한옥카 페의 경우 1년이 지난 현재에도 2mm 이내의 경미한 균열 정도 였다. 단, 인공건조는 목재의 수분을 강압적으로 제거하기 때문 에 목재 표면에 잔 균열이 산발적으로 발생하는 경우가 있었다. 또한 목재를 오랫동안 자연건조 후 인공건조 시키는 경우나 건 조 조건에 따라 목재 내부 수분 변화에 불균형이 생겨 <Fig.9>

의 b)와 같이 균열이 상대적으로 넓게 발생했다. 이는 건조시 특히 유의해야 하는 사항이다. 인공 건조는 목재의 강도를 높일 수 는 있지만 과한 건조에 따른 목재의 인장력이 약해져 목재 치목이 어려워 시공성이 낮아지는 원인이 된다. 인공 건조 전문 가에 따르면 심재와 변재의 평균 함수율을 17% 정도로 하는 것 이 균열을 최소화 하고 인장력을 확보할 수 있다고 한다. 이는 목재를 치목하는 전통 건축에서 시공 성능과 목재의 내구성을 동시에 만족하는 것으로 보인다. 균열은 목재의 자연적인 현상 이다. 그러나 균열의 간격이 지나치게 크면 이미지 손상 및 안 전성에 대한 논의가 된다. 그래서 균열이 발생할 것으로 판단되 는 부분에 톱날을 <Fig.10>과 같이 미리 넣어 균열을 유도하는 배할 가공법을 일부 적용하는 것이 필요해 보인다. 단, 배할 가 공은 정자의 기둥과 같이 모든 면이 외부에 노출되는 곳은

<Fig.10>의 b)와 같이 표면만 홈을 파고 벽체나 문선이 있어 노 출되지 않는 곳은 a)와 같이 톱날을 넣는 것이 적정할 것으로 보인다.

구분　 위치 1. 북동 2. 북서 3. 남동 4. 남서

고향정

상 12.7 12.2 13.1 14.2

중 13.7 12.7 14 14.3

하 12.7 12.6 13.4 12.4

Table 5. Moisture content on sunny day(outer face)

구분　 위치 1. 북동 2. 북서 3. 남동 4. 남서

사모정

상 13.3 11.2 12.6 11.4

중 13.7 13.4 12.7 13

하 13.4 12.3 12.8 12.6

보화정

상 12 12.4 12 12.4

중 12.5 12.4 12.7 12

하 11.6 11.6 11.6 10.2

(7)

a) 보화정 조성당시 균열(2017) b) 보화정 균열 현황 (2018)

c) 고향정 균열 현황(2018) d) 마루귀틀 균열 현황(2018) Fig. 8. Crack in the wood

a) 경미한 균열 b) 상대적으로 큰 균열

Fig. 9. Examples of cracks due to artificial seasoning

a) 비노출 표면 배할가공 b) 노출 표면 배할가공 Fig. 10. Saw kerf process

4.4 종 합

종합하면 맑은 날의 함수율은 16%이하로 건조한 목재로 적 합한 수치를 모든 한옥에서 보였다. 그러나 비오는 습윤한 환경 에서는 인공 건조한 목재의 함수율 격차는 2%이내이지만 자연 건조한 목재의 함수율 격차는 6% 내외로 자연 건조한 목재가 다량의 수분을 흡습한 것으로 나타났다. 또한 자연건조 기간이

1년으로 동일한 고향정과 사모정 중 2년 앞서 조성된 고향정의 함수율이 더 높게 나타났다. 그리고 수변공간에 조성된 고향정 은 연지에 접한 남쪽의 기둥이 북쪽의 기둥보다 높게 나타났다. 이는 북쪽의 함수율이 일반적으로 남쪽보다 높은데 고향정은 상반된 결과가 나타났다. 이는 고향정이 물이 있는 연지에 접해 있어 목재에 영향을 준 것으로 보인다. 특이한 점은 2017년에 조성된 보화정도 연지와 인접해 있지만 사이에 담장이 있다. 그 래서 <Table 5>의 보화정의 함수율 수치를 보면 북측과 남측이 유사하게 분포하였다. 이는 고향정과 다르게 담장을 경계로 연 지에 접해 있고 남측이 아닌 북측에 있어 영향을 덜 받은 것으 로 보인다. 이점에 대한 연관성을 알아보기 위해서는 유사 조건 의 사례를 추가적으로 실측 조사하여 연구할 필요가 있어 보인 다. 또한 2012년에 조성한 고향정과 2014년에 조성된 사모정이 2017년에 조성된 보화정 보다 함수율이 높게 나타났다. 특히 맑 은 날은 1%내외의 격차가 있지만 비오는 날에는 3%대의 격차 를 보였다. 이는 보화정에 사용된 목재가 2013년에 벌목되어 3 년 정도 자연건조 후 치목된 것으로 세포 내 공극이 고향정과 사모정 보다 더 수축한 결과로 보인다. 따라서 목재를 자연건조 방식으로 함수율을 낮추는 것은 목재가 기둥과 같이 조성되어 있는 기간 보다 절단면이 외부에 노출되어 있는 기간이 더 중요 한 것으로 보인다. 또한 비오는 날 보화정의 함수율이 고향정과 사모정 보다 낮은 것은 건조과정에서 세포내 공극이 수축해서 습윤한 환경에서도 흡습에 어려움이 생긴 결과라 판단된다. 이 는 인공 건조해 세포 공극이 줄어든 한옥에서 뚜렷하게 나타났 다. 이처럼 목재 내 수분이 제거되어 공극이 수축된 현상은 오 래된 목조 건물의 부재 치수가 줄어든 것에서도 볼 수 있다.

따라서 목재 사용에서 인공건조와 유사한 성능을 가진 자연 건조된 목재는 3년 정도 건조한 목재를 수급하는 것이 좋다고 판단된다. 그러나 자연건조 방식은 시간이 많이 소요되어 목재 수급에 어려움이 있다. 반면 인공 건조는 시간을 단축할 수 있 지만 한옥 부재 전체를 건조하는 비용에 부담을 가지는 것이 현 실이다. 그래서 한옥 부재 중 기둥, 귀틀, 청판, 창방 등 건조수 축에 따른 변형이 많고 다른 보조 재료가 없이 노출되는 부분은 인공건조를 하고 다른 부재는 자연 건조된 목재를 사용하는 것 이 시간과 비용을 절감하는 대안이라 판단된다.

그리고 목재의 이미지 및 안전성에 대한 심리적인 부분에 영 향을 주는 균열 발생을 최소화하기 위해서는 목재 건조시 수분 제거 속도를 조절하고 공극 수축에 따른 목재 치수변화에 유의 할 필요가 있다. 또한 균열 발생이 예상되는 부분에 톱날을 넣는 배할 가공을 기법을 일부 적용하는 것이 필요할 것으로 보인다.

5. 결 론

본 연구는 자연 건조와 인공 건조된 목재를 치목하여 조성된 한옥의 함수율과 균열을 직접 측정하여 나타나는 양상을 알아 보고자 하였다. 그 결과

첫째, 자연 건조된 목재와 인공건조된 목재의 함수율은 맑은 날씨 때는 적정한 범위의 함수율 값을 보였지만 비오는 날의 수 치변화에는 격차가 있었다. 그래서 건조 기간 및 방법에 따른 함 수율의 분포를 보면 1년 건조한 목재는 맑은 날 12.9%~14.4%, 비오는 날은 18.3%이고 3년 건조한 목재는 맑은 날 11.9%~13.1%,

(8)

비오는 날은 15.2%, 인공 건조한 목재는 맑은 날 10.8%, 비오는 날은 12.5%로 나타났다. 따라서 건조 방법 및 건조기간에 따라 다른 함수율의 격차는 조성 이후 시간이 지났어도 전체 함수율 은 낮아 졌지만 격차는 유지하고 있었다. 이는 비가 내리는 습 윤한 환경에서 흡습의 차이는 더 크게 나타났다. 따라서 목재의 수분을 제거하는 것과 동시에 수분이 제거된 공극을 수축시키 는 것이 중요하였다.

둘째, 목재를 건조시키는 기간은 자연 건조시 3년 정도이며 함수율은 12% 정도이며 목재가 습윤한 환경에서도 15%를 넘지 않은 것을 확인하였다. 그래서 목재를 건조하는 방식에서 자연 건조는 동일한 기간 동안 건조를 시켜도 절단면이 노출된 상태 에서 건조하는 것이 조성된 상태로 건조하는 것 보다 유리한 것 으로 보인다. 인공 건조는 시간적 단축과 사용자가 희망하는 함 수율 값을 설정할 수 있어 사용성이 좋다. 그러나 건조비가 다 소 높아 일반적으로 적용하기에는 한계가 있다. 그래서 인공 건 조시 모든 부재를 건조하는 것 보다는 주요부재와 다른 보조부 재 없이 노출되는 귀틀, 기둥, 청판을 건조해서 사용하는 것이 시공성과 경제성의 만족도를 높이는 것이라 판단된다.

셋째, 인공 건조시 약간의 균열이 발생하지만 조성 이후는 변화가 거의 없었다. 그러나 자연건조로 조성된 한옥은 초기 균 열이 조성 이후 육안으로 확인될 정도로 균열 간격이 벌어졌다. 이는 자연 건조시 통풍이 잘되는 그늘에서 야외로 직접 노출되 면서 목재가 받는 부담이 커진 것으로 보인다. 결과적으로 목재 의 함수율이 불균형적으로 낮아지면서 균열이 발생한 부분이 더 벌어진 것으로 보인다. 현재 자연 건조 목재를 사용한 한옥 의 균열은 일반인들에게 육안으로 나타나 하자에 대한 의견이 발생하는 원인이 된다. 따라서 인공건조와 자연 건조시 목재에 균열이 발생할 수 있는 부분에 톱날을 넣는 배할 가공을 적용해 설계 단계에서부터 계획적으로 처리하는 기술 보급이 필요하다 고 판단된다.

본 연구에서 함수율과 균열의 직접적인 관계를 알아보는 것 은 한계가 있었다. 하지만 건조 조건이 다른 목재가 놓인 기후 환경에 따른 함수율의 양상을 실증적 데이터로 확인했다는 것 에 의의를 두고자 한다.

한옥건축물의 기둥 하부에 충해 및 부후 균이 주로 발생하는 데 본 연구 실측 데이터를 보면 목재 하부의 함수율이 중심이나 상부보다 높게 나타났다. 이는 지면의 습도와 기둥 하부의 함수 율에 관계가 있을 것으로 보이며 실증적 데이터를 확보해 분석 하는 연구가 이루어져야 할 것이다.

참고문헌

1. 강재신ꞏ김재원ꞏ안은영, 수분변화량에 따른 목재의 균열 현상 가시화 방안, 한국멀티미디어학회, 19(8), 2016

2. 김광백, ART2 기반 RBF 네트워크를 이용한 콘크리트 슬래브 표면의 균열 추출 및 인식, 멀티미디어학회논문지, 10(8), 2007

3. 김영민, 전통한옥과 신한옥의 함수율 모니터링 및 분석, 대한건축학회 논문지, 34(3), 2018

4. 박용건, 과열증기를 이용한 목재 건조-열처리 복합 공정 최적화에 관한 연구, 서울대학교 박사학위논문, 2018

5. 박천영ꞏ김광철, 운봉향교 정밀 모니터링을 통한 목재 기둥 부재의 함수 율 분포특성, 한국가구학회지, 24(1), 2013

6. 이창진, 국산소나무와 잣나무 중목구조부재의 고온저습건조 특성, 전 북대학교 석사학위논문, 2013

7. Jim, L. B., Rubin, S. & John G. H., Forest Products and Wood Science