1. 서 론
목조건축물은 대기, 빛, 풍우 등 자연환경으로 인한 물리적인 피해와 생물에 의한 충해로부터 직⋅간접적인 영향을 받게 되며 주위 환경에 따라 다양한 형태의 부후현상이 발생하기 때문에(Kim and Han, 2007; Kim and Han, 2019) 주기적인 관리와 수리가 필요하다. 목조건축문화 유산은 대부분 지붕부를 구성하는 부재에 발생한 손상으로 인해 해체⋅수리가 진행되고 있으며, 그 과정에서 추가적인 피해가 확인되어 그 범위가 늘어나는 경우도 빈번하게 발생하고 있다(Korea Foundation for the Traditional Architecture and Technology, 2022).
이를 방지하기 위해 목부재에 대한 열화도 측정은 필수적으로 진행되어야 한다. 현장에서 입목이나 구조부재의 품질을 평가하거나 열화를 탐지하는 방법으로 목재로부터 코어를 채취하여 여러 가지 기계적 특성을 측정하는 방법들이 주로 이용되어 왔다. 그러나 이러한 방법은 부재에 손상을 입히기 때문에 건축 부재에 적용하는 데는 다소 무리가 따른다(Seoul National University, 2013). 문화유산에 적용되는 열화 측정 방법은 일반적으로 비파괴 열화 진단이 진행된다. 비파괴 열화 진단이란 재료의 물리적 파괴를 하지 않으면서 목재 내부의 열화 상태를 평가하는 기술로서 초음파나 응력파와 같은 전파의 속도를 이용한 방법, 드릴의 저항값 측정을 이용하는 드릴저항시험, X-ray를 이용한 방법 등이 있다(Shin, 2022).
국내에서 초음파와 관련된 여러 연구가 진행된 바 있다. 이전제 등(2003)은 목재의 결함을 탐지하는 비파괴 진단법 중 초음파를 이용한 비파괴 시험법에서 목재 내 초음파의 전달 경로를 구명하고자 하였다. 김태홍(2008)은 서까래에 대해 초음파를 활용하여 열화를 평가할 수 있는 적절한 열화 평가 모델을 개발하였으며, 홍성욱 등(2014)은 목재의 압축강도와 초음파 속도의 상관관계를 분석하여 구조용 목재의 압축강도 추정식을 제안하였다. 김윤희(2020)는 동일 목재 부재에서 건전부와 열화부를 구분하여 부위별 밀도 감소율, 육안적 열화진단, 강도 시험 및 초음파 전달 속도 측정을 실시하고 각 인자 간의 상관관계를 구명하여 열화부의 정량적 열화 평가 가능성을 밝히고자 하였다.
본 연구에서는 실제 건축문화유산으로 사용된 부재들 중 열화되어 교체된 목부재에 대해 초음파 전달 속도 측정을 실시하여 결괏값의 유효성을 확인해보고자 하였다. 생물학적 열화 양상을 보이는 부재에서 비교적 건전한 부분과 열화가 진행된 부분에 대한 분석을 실시한 뒤, 유사한 단면 양상을 보이는 목재 대조군의 측정값을 비교하였다. 이후 목재 내 부후에 대한 측정 오차가 낮은 것으로 알려진 드릴저항시험 분석을 병행하고, 측정부의 단면을 절단해 실제 열화 양상과 비교하여 초음파 진단의 유효성을 평가하고자 하였다.
2. 재료 및 방법
2.2. 분석 방법
2.2.1. 기초 조사
비파괴 진단에 앞서 대상의 제원 및 손상에 대한 육안 조사 및 함수율 측정 등 기초 조사를 실시하였다. 열화 및 손상 정도의 경우 한국임업진흥원에서 발간한 ‘목재의 생물열화진단 시험방법 표준화 및 매뉴얼 작성 요령’을 참조하여 부후 및 해충에 의한 부후 열화 등급, 충해 열화 등급과 부재의 전체적인 열화 정도를 평가하고자 하였으며, 결구부 등의 공극 부위를 제외하고 10 cm 단위로 구획을 설정하여 각 구획별 열화 등급을 산정하였다(Table 1). 이후 부재 내 부후 환경 판단을 위해 함수율 기기(Testo 606-1/2, Testo, DEU)를 사용하여 부재의 상, 중, 하에서 각각 3번씩 함수율을 측정하였다.
2.2.2. 수종 분석
열화 진단에 앞서 해체 부재에 대한 수종 분석을 실시하였다. 미세하게 채취한 시료를 스테인리스 날(ST-300, Dorco, KOR)을 이용해 핸드섹션으로 절단하여 삼단면의 박편을 제작했다. 제작한 박편은 슬라이드 글라스 위에 Glycerin 50%(in water)를 떨어뜨린 뒤 커버글라스를 덮어 프레파라트를 완성했다. 제작된 프레파라트는 광학현미경(ECLIPSE LV100, Nikon, JPN)으로 조직을 미시적으로 관찰하여 수종을 식별할 수 있는 특징을 찾아 사진을 촬영했다. 수종 식별은 ‘목재조직과 식별(Park, 2006)’, ‘한국산 목재의 구조(Lee, 1994)’, ‘한국산 목재의 성질과 용도(Lee, 1997)’를 참조했다.
2.2.3. 초음파 전달 속도 분석
분석 대상에 대한 열화 측정을 위해 초음파 전달 속도 분석을 실시하였다. 분석 장비는 초음파 비파괴 시험기(Pundit 200, Proceq, CHE)와 54 kHz의 탐촉자(Pundit 200 Exponential transducer, Proceq, CHE) 장비를 활용하였으며, 상온 환경에서 부재의 열화 양상을 확인하고자 하였다. 분석 조건은 예비 측정을 실시하여 결함에 따른 초음파 전달 속도 결괏값이 비교적 잘 나타나는 조건값을 선정하였다. 펄스 전압은 100 V, 프로브 게인은 500x로 설정하였으며 각 초음파 전달 거리를 측정한 후 장비에 입력하여 초음파 전달 속도를 측정하였다. 기초 조사와 동일한 방법으로 구획을 설정하고, 구획의 경계에 해당하는 단면에 대해 실시하였다. 진단은 직접법(Direct testing method)을 사용하였으며, 단면에 대한 열화 양상을 파악하기 위해 각 구획 중앙 지점의 수직 방향(A 방향: 1→3, B 방향: 2→4(Figure 3))으로 2지점에 대해 측정하고 각 지점당 10회씩 측정하여 평균값을 산출하였다.
2.2.4. 드릴저항시험
초음파 분석과 동일한 지점의 정확한 열화 진단을 위해 드릴저항시험을 실시하였다. 분석 장비는 레지스토그래피(IML-RESI PD-400, IML, USA)를 사용하였다. 밀도 측정 바늘은 직경 3 mm 두께를 사용하였으며 부재의 측정 지점에서부터 반대 면까지 관통하여 저항값을 측정하였다. 분석 조건은 IML-RESI 장비 매뉴얼에서 제공하는 수종에 따른 분석 권장 조건으로 설정하여 분석을 진행하였다. 이후 측정된 결과 데이터 그래프를 바탕으로 단면의 열화 양상을 파악하고 측정부 단면의 손상 모식도를 작성하였다. 진폭비 5% 미만의 저항값이 나타나는 부분을 열화 부분으로 판단하고, 진폭비 0% 저항값이 나타나는 부분을 공동화 부분으로 판단하였다(KOFTA, 2022). 모식도는 진폭비 5% 미만, 5% 이상 10% 미만, 10% 이상으로 나누어 작성하였으며, 모식도 작성 방법은 다음과 같다(Figure 4).
3. 결 과
3.2. 수종 분석
수종 분석 결과, GBH 01은 소나무아속으로 식별되었다. 식별 결과 및 목재 조직학적 특징과 식별 근거는 다음과 같다(Figure 6).
소나무아속(Pinus subgenus) - 소나무과(PINACEAE) 소나무속(Pinus spp.)
3.5. 분석 결과 및 단면 양상 비교
초음파 및 드릴저항시험의 결괏값과 측정 단면의 열화 양상을 비교 분석하여 초음파 전달 속도 분석의 신뢰성을 검증하고자 하였다. 드릴저항시험 결과 그래프의 경우 모식도를 작성하여 초음파 결과 및 단면 양상과 비교하였다. 각 부재별 분석 결과는 다음과 같다.
3.5.1. GBH 01(해체 부재)
GBH 01의 비파괴 진단 및 단면 열화 양상 비교 결과, 초음파 전달 속도값은 주변에 열화가 존재하는 경우 비교적 낮은 결괏값을 보였다. 측정 부위가 수에 더 가까울수록 높은 결괏값을 나타내었으며, 옹이가 존재하는 경우 전달 속도가 느려졌다. 측정 방향이 연륜의 방사방향에 가까울수록, 접선방향에 가깝게 측정한 경우보다 더 높은 결괏값을 보였다. 양방향의 전달 속도 결괏값이 모두 낮았던 2, 3번의 경우 다른 단면에 비해 열화 양상이 뚜렷하게 관찰되었으며, 16번의 경우 단면에 옹이가 관찰되었다. 드릴저항시험의 경우 생물학적 열화가 존재하는 부분에서 0∼5%의 낮은 저항값을 나타내었으며 옹이가 존재하는 부분에서는 높은 저항값을 보였다(Table 8).
3.5.2. CM 01(대조군)
대조군의 비파괴 진단 및 단면 열화 양상 비교 결과, 초음파 전달 속도값은 중심부에 비해 균열, 옹이가 존재하는 부분에서 비교적 낮은 속도값을 보였다. 4번 단면의 경우 전반적으로 옹이가 존재하였으며, 해당 단면의 속도는 다른 단면의 결과에 비해 낮게 측정되었다. 또한 측정 경로에 균열이 포함된 A 방향 4(3)의 경우에도 다른 측정값에 비해 낮은 결괏값이 확인되었다. 드릴저항시험 진폭 그래프는 연륜을 방사방향으로 통과할 때 조재와 만재의 연륜 밀도 차이로 인한 저항값의 차이가 확인되었으며, 균열부에서는 0에 수렴하는 저항값을 보였다(Table 9).
4. 결 론
본 연구에서는 실제 건축문화유산에 사용되었던 부재를 대상으로 육안 조사 및 초음파 전달 속도 측정, 드릴저항시험을 병행 실시하고 단면을 절단하여 단면의 열화 양상에 따른 초음파 분석 결과를 확인하고자 하였다. 초음파 전달 속도값은 측정 방향, 부후 및 균열의 정도, 옹이 등의 특징에 따라 결괏값이 달라진다는 것이 확인되었다. 측정 방향이 연륜의 방사방향에 가까울수록 접선방향에 가깝게 측정한 경우보다 더 높은 결괏값을 보였으며, 균열이 존재하거나 부후가 많이 발생한 부분에서는 건전한 부분보다 낮은 결과를 보였다. 동일한 부재에서도 수에 가까운 부분을 측정할수록 높은 값을 나타냈으며 옹이가 있는 부분의 경우 존재하지 않는 부분보다 더 낮은 전달 속도값이 나타나는 것을 확인할 수 있었다. 생물학적 열화가 존재하는 해체 부재보다 대조군의 결괏값이 낮게 확인되었는데, 이는 동일한 수종이라도 연륜 폭, 함수율 등 각 부재의 특성에 따라 전달 속도가 달라지는 것으로 판단된다.
목재에 대한 비파괴 진단의 경우 실제 문화유산에 적용하여 연구한 경우가 많지 않다. 이번 연구를 통해 목조 건축문화유산에 사용된 부재에 대한 초음파 전달 속도 결괏값 데이터베이스를 구축할 수 있었으며, 본 연구를 통해 향후 목조건축문화유산 및 목부재에 대한 초음파 비파괴 진단 연구에 도움이 될 것으로 기대한다.
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