목재의 물리·역학적 성질

목재의 비중

목재는 철과 콘크리트 등에 비해 가벼운 재료, 즉 비중이 낮은 재료이다. 목재의 비중이란 목재내부의 공극과 수분을 포함한 단위 부피당의 무게에 대한 개념으로서 주요한 재질 지표로 활용되고 있다.

목재의 비중은 아래 사진 <국내외 주유수종의 목재 비중(전건비중)>에서 보는 바와 같이 수종에 따라 차이가 많다. 열대산 수종인 '발사'와 같이 전건비중이 0.1로서 극단적으로 가벼운 수종이 있는가 하면 전건비중이 1.3인 '리그바이테'와 같이 대단히 무거운 수종도 있다. 우리나라산 목도 전건비중이 0.22로서 가장 가벼운 참오동나무에서부터 전건비중이 0.87로 대단히 무거운 박달나무 등에 이르기까지 수종 따라 다양하다. 이렇게 목재비중은 각 수종에 따라 다를 뿐 아니라 동일 개체에서도 생장부위에따라 개체 내 변이가 나타난다. 일반적으로 침엽수 등에서는 연륜폭이 적을수록 침엽수의 비중은 커지지만 예외적으로 극단적인 경우에는 감소된다. 활엽수재에서는 참나무류나 느티나무등과 같은 환공재의 경우는 연륜폭이 증가할수록 비중이 증가되는 경향이 있다.

국내외 주요수종의 목재 비중(전건비중)

• 참오동나무 - 전건비중 0.3
• 잣나무 - 전건비중 0.4
• 소나무 - 전건비중 0.4
• 리기다소나무 - 전건비중 0.5
• 낙엽송 - 전건비중 0.6
• 상수리나무 - 전건비중 0.9
• 박달나무 - 전건비중 1.0
• 발사 - 전건비중 0.2
• 더글라스퍼(미송) - 전건비중 0.6
• 리그넘바이테 - 전건비중 1.3

목재의 수분

목재의 함유 수분은 비중과 더불어 목재의 물리적 성질 및 역학적 성질에 중요한 영향을 미치므로 목재의 가공이나 이용에 대단히 중요하다. 목재가 생재생상태일 때에 함유되어 있는 수분의 양은 수종이나 심·변재 및 목재내의 위치, 그 밖에도 생육환경이나 계절 등에 의하여 변화한다. 보통 수분의 양은 만재보다 조재가, 심재보다 변재가 더 많다.

목재의 함수율은 일반적으로 건량기준으로 표시하며, 다음의 식으로 구한다.

목재중의 수분은 함유상태에 따라서 전건상태, 기건상태, 섬유포화상태, 생재상태 및 포수상태로 구분되지만 주로 재료로서 목재를 이용할 때 가장 빈번하게 고려하는 것은 전건상태, 기건상태 및 생재상태이다.

전건상태는 100~105℃에서 항량에 달한 건조된 수분이 전혀 없는 상태이며, 기건상태는 목재가 대기의 조건과 균형을 유지하도록 수분을 함유한 상태를 말하며, 이때의 함수율은 때와 장소 및 기터 여러 인자에 따라서 다르게 나타나지만 국내의 경우 대체로 평균 15%로 하고 있다. 따라서 목재를 일반재료로서 이용하고자 할 때는 가급적 함수율이 이 범위 를 넘지 않을 때까지 잘 건조하여 사용하여야 할 것이다.

목재의 수축과 팽윤

목재 세포벽에 결합수의 양이 변화하면 자연히 목재에는 수축과 팽윤현상이 일어나 목재의 치수가 변화하게 된다. 여기서 수축이 심하게 발생하거나 불균일하면 할렬이나 비틀림이 발생하여 이용할 때 문제를 일으키기도 한다. 목재의 수축과 팽윤은 수종에 따라 상당한 차이가 있을 뿐 아니라 부위, 방향, 비중, 화학성분, 함유수분에 따라서도 영향을 받는다.

목재는 수축과 팽윤이 발생할 때 그 정도가 섬유방향, 방사방향 및 접선방향의 3방향이나 단면에 따라 다르게 나타나는 수축 이방성을 나타낸다. 즉, 접선방향에서의 수축과 팽윤율이 방사방향이나 섬유방향에 비하여 훨씬 크게 나타난다. 이 수축율 차이로 인하여 원목을 제재하고 난 후 적절한 조치를 취하지 않으면 틀어짐과 뒤틀림을 일으키기도 한다. 접선방향 : 섬유방향의 방향별 수축·팽윤율의 비는 아래 그림 <목재 수축류의 방향별 비>에서 보는 것처럼 대략 10 : 5 : 1~0.5정도이다.

목재의 강도

목재는 비중에 비해 강도가 강한 재료이다. 즉, 목재는 가늘고 긴, 속이 빈 세포가 세로로 길게 배열되어 견고하게 결합된 형태여서 가벼운데 비하여 강도가 크다.

목재의 강도는 대개 비중이 증가할수록 증가하며, 반대로 섬유 포화점 이하에서는 함수율이 증가함에 따라 목재의 강도는 감소된다. 그리고 온도가 상승함에따라서도 강도가 저하된다. 하중의 속도, 만재율, 연륜폭, 결점의 유무, 화학성분에 따라서도 목재의 강도는 많은 영향을 받는다. 연륜폭과 만재율이 비중에 영향을 끼치므로 자연히 강도도 변화된다. 대개의 경우 단위 길이당 연륜수가 많을수록, 만재율이 높을수록 강도가 증가되는 경향이 있다. 목재의 결점 중에서 옹이는 일반적으로 목재의 통직성을 방해함으로써 불규칙적인 응력을 발생시키거나 집중시키므로 외력에 대한 저항을 감소시킨다.
일반적으로 침엽수재에 비하여 활엽수재 중에 강도가 강한 수종이 많으므로 활엽수재를 Hardwood, 침엽수재를 Softwood라고 부르지만 반드시 그런 것은 아니다. 아래 사진 <국산 주요 침·활엽수재의 휨강도>에서 보는 것과 같이 활엽수재 중에서도 참오동나무 같은 경우는 오히려 침엽수재보다 강도가 더 약한 수종이며 포플라류의 수종도 침엽수재인 낙엽송에 비하여 강도가 더 약하다. 그러나 대체로 활엽수재중에는 침엽수재에 비하여 강도가 강한 수종이 훨씬 많은 것이 사실이다.

국산 주요 침, 활수재의 휨강도

• 소나무 - 휨강도 1050
• 낙엽송 - 휨강도 1050
• 리기다소나무 - 휨강도 1000
• 잣나무 - 휨강도 800
• 삼나무 - 휨강도 600
• 박달나무 - 휨강도 1300
• 상수리나무 - 휨강도 1250
• 아까시나무 - 휨강도 1200
• 이태리포플라 - 휨강도 650
• 참오동나무 - 휨강도 400