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문제 정의
- 본 논문에서는 미국 및 유럽 등지에서 가장 효율적인 그린홈 건축자재로 인정받고 있는 구조단열패널을 저에너지주택에 적용하기 위하여 목구조의 특성을 감안한 내화성능과 단열성능을 평가하였다.
- 본 단열성능평가 시험에서는 2012년 기준으로 저에너지주택에 적용될 구조단열패널에 대한 단열성능을 평가하여 정부 기준에 적합한지를 여부를 판단하고자 하였다.
- 본 실험에서는 구조단열패널에 1시간 내화성능을 확보할 수 있는 시스템을 적용하여 화재에 대한 안전성을 평가하기 위한 실험을 실시하였다.
제안 방법
- 1시간 내화성능시험에서 적용된 재하하중은 93.1kN과 137.9kN을 적용하였으며, 재하하중 산정은 2 × 6 경골 목구조의 길이방향 3,000mm 벽체에 적용되는 하중을 적용하였다.
- 구조단열패널을 저에너지주택에 적용하기 위하여 단열재의 종류 및 재하하중에 따른 1시간 내화성능과 단열성능을 평가하였다.
- 본 실험에서는 구조단열패널의 1시간 내화성능 확보여부를 평가하기 위해 단열재 종류 및 재하하중에 따른 조건을 실험변수로 계획하였다.
- 본 실험에서는 구조단열패널의 단열성능평가를 위해 단열재 종류를 실험변수로 계획하였다.
- 시험은 열관류율 측정장치를 이용하여 가열상자와 저온실에서 실내 및 실외의 온도조건을 인공적으로 반영하고 시험체 통과열량을 측정하였다. 시험과정에서 Fig. 18과 같이 시험체를 설치하고 가열상자 내부의 9개 지점과 저온실 내부의 9개 지점에서 표면온도를 측정하여 평균공기온도로 반영하였다.
- 실험방법은 국토해양부 고시 제 2010-331호 『내화구조의 인정 및 관리기준』 및 KS F 2257-4 : 2004 『건축 부재의 내화 시험 방법-수직 내력 구획 부재의 성능조건』에 따라 수직 재하시 내력 구획 부재의성 능 조건 확인을 위한 시험을 실시하였다. 시험과정에서 시험부재의 수직측 방향 변형량을 Fig. 6의 ①의 위치에서 시험 재하 적용 전, 후 및 가열 중에 1분 간격으로 변형을 측정하였으며, 비가열면의 시험체의 온도변화는 열전대 10개소를 설치하여 1분 간격으로 측정하였다. Fig.
- 시험은 열관류율 측정장치를 이용하여 가열상자와 저온실에서 실내 및 실외의 온도조건을 인공적으로 반영하고 시험체 통과열량을 측정하였다. 시험과정에서 Fig.
- 시험체 제작은 Table 11의 2011년 공동주택 측벽의 열관류율표를 기준으로 10% 강화된 2012년도 기준 열관류율 0.225W/㎡·K가 되도록 시험체를 설계하였으며, 시험체별 열관류율 계산표는 Table 12 및 Table 13과 같다.
- 시험체는 내부에 경골목구조에서 사용되는 스터드와 같이 구조목재를 이용하여 압축목판 규격에 맞게 900㎜ × 2,700㎜으로 구조틀을 설치하고, 압축목판 11㎜를 양면에 나사못으로 300㎜ 간격으로 고정하였다.
- 시험체는 실내온도 20±1℃, 실내 상대습도 50±5%의 항온항습실에서 24시간 양생 후 시험을 실시하였으며, 저온실의 설정온도는 실내온도 0℃, 기류속도 2.0m/s로 설정하였다.
- 실험방법은 국토해양부 고시 제 2010-331호 『내화구조의 인정 및 관리기준』 및 KS F 2257-4 : 2004 『건축 부재의 내화 시험 방법-수직 내력 구획 부재의 성능조건』에 따라 수직 재하시 내력 구획 부재의성 능 조건 확인을 위한 시험을 실시하였다. 시험과정에서 시험부재의 수직측 방향 변형량을 Fig.
대상 데이터
- 구조단열패널의 제작은 Fig. 5와 같이 폭 3,000㎜, 높이 2,700, 두께 162㎜인 구조단열패널 시험체를 3조를 제작하였다. 시험체는 내부에 경골목구조에서 사용되는 스터드와 같이 구조목재를 이용하여 압축목판 규격에 맞게 900㎜ × 2,700㎜으로 구조틀을 설치하고, 압축목판 11㎜를 양면에 나사못으로 300㎜ 간격으로 고정하였다.
- 평가대상 단열재의 종류는 비드법 단열재이며, 종류는 1종 2호(EPS)와 2종 2호(네오폴)로 구조단열패널에서 사용되는 단열재를 선정하였다. 구조단열패널의 제작은 폭 1,000㎜, 높이 1,000㎜, 두께 162㎜인 구조단열패널 시험체를 2조를 제작하였다. 단열재 종류에 따른 시험체 수량은 Table 10과 같으며, 제작도면은 Fig.
- 평가대상 단열재의 종류는 비드법 단열재이며, 종류는 1종 2호(EPS)와 2종 2호(네오폴)로 구조단열패널에서 사용되는 단열재를 선정하였다.
이론/모형
- 내화시험을 위한 노내의 가열곡선은 KS F 2257에 따라 실시하였으며, 가열온도곡선은 Fig. 8과 같다.
- 실험방법은 KS F 2277:2002 『건축용 구성재의 단열성 측정방법-교정열상자법』에 따라 Fig. 17의 열관류율 측정장치를 이용하여 구조단열패널의 단열성능을 측정하였다.
성능/효과
- (1) 하중지지력 시험결과 1시간 동안 137.9kN을 재하한 SIP-N-2 시험체의 수축량은 최대 13.5㎜로 기준인 27㎜를 초과하지 않았다. 변형률은 SIP-N-2 시험체를 제외한 시험체는 기준을 만족하였으나, SIP-N-2 시험체의 경우에는 9.
- (2) 구조단열패널의 1시간 가열에 따른 차열성 시험결과 SIP-N-1 시험체에서 비가열면 평균온도는 15℃, 최대온도는 100℃로서 성능기준을 만족하였다.
- (3) 차염성 시험결과 가열에 따른 화염이나 고온 가스의 통과 또는 비가열면에서의 화염발생은 1시간 동안 발생하지 않아 성능기준을 만족하였다.
- (4) EPS를 적용한 열관류율 시험에서 설계 열관류율 0.219W/㎡·K 보다 9.5% 향상된 열관류율 0.2W/㎡·K로 측정되어 구조단열패널에 대한 단열성능을 만족하였다.
- (5) 네오폴을 적용한 열관류율 시험에서 설계 열관류율 0.213W/㎡·K 보다 12.1% 향상된 열관류율 0.19W/㎡·K로 측정되어 구조단열패널에 대한 단열성능을 만족하였다.
- (6) 구조단열패널에 방화석고보드 12.5㎜ 2겹을 부착한 수직 내력 구획 부재 내화시험에서 KS F 2257에서 정한 성능기준을 모두 만족하여 건축법에서 규정한 1시간 내화성능에 적합한 재료로 판정되었으며, 단열성능평가 결과 열관류율은 2012년 기준(0.225W/㎡·K)을 만족하였고 저에너지주택에 적용을 위한 적합한 재료로 판정되었다.
- EPS를 적용한 열관류율 시험에서 설계 열관류율 0.219W/㎡·K 보다 9.5% 향상된 열관류율 0.2W/㎡·K로 측정되었다.
- 네오폴을 적용한 열관류율 시험에서 설계 열관류율 0.213W/㎡·K 보다 12.1% 향상된 열관류율 0.19W/㎡·K로 측정되어 구조단열패널에 대한 단열성능을 만족하였다.
- 2는 오크리지 국립실험실(ORNL)에서 수행된 경골목구조와 구조단열패널의 기밀성능과 R-Value(건축재료 등의 단열성능을 나타내는 값) 실험결과로 전체 벽으로 구성된 R-14 등급의 4" 두께 구조단열패널은 R-19 등급 유리섬유단열재와 프레임으로 구성된 2 × 6 벽체보다 R-Value가 높게 나타났다. 또한 구조단열패널로 구성된 방은 경골목구조와 단열재로 구성된 벽체로 구성된 방보다 14배의 높은 기밀성능을 보였다. 이는 주택의 열손실의 40%가 기밀성능 손실에 따른 이유임을 감안할 때 기존 경골목구조와 비교하여 에너지성능이 좋은 평가를 받을 수 있다.
- 시험진행에 따라 비가열면에서 시험이 시작된 후 약 30분후부터 주로 수직 JOINT에서 연기가 발생하여 45분 경과후 연기발생량이 증가하고 55분 경과후 연기발생부위가 증가되는 것으로 나타났다. 내화시험에 따른 비가열면의 관찰사항은 Table 9와 같으며, 시험진행에 따른 사진은 Fig.
- 차열성 시험결과 SIP-N-1 시험체에서 비가열면 평균온도는 15℃이고 최대온도는 100℃로서 성능기준을 만족하였다. 차열성 시험결과는 Table 7과 같으며, 시험체별 비노출면의 평균 및 최대온도는 변화는 Fig.
- 차염성 시험결과 가열에 따른 화염이나 고온 가스의 통과 또는 비가열면의 화염발생은 1시간 동안 발생하지 않아 성능기준을 만족하였다. 차염성 시험결과는 Table 8과 같다.
후속연구
- (7) 구조와 단열 기능을 동시에 만족하는 목구조 재료의 내화성능과 단열성능을 만족함으로서 저에너지주택 건축자재로 적용 가능할 것으로 판정되며, 향후 2단계 성능평가(구조성능, 내진성능)를 통해 구조안전성을 확인하고 보급을 위한 지침을 마련할 예정이다.
- 최근 국내의 주택 에너지저감을 위한 단열기준 강화 및 그린홈 설계기준 제정으로 고기밀 · 고단열 벽체에 대한 필요성을 인식하고 있다. 향후, 시행되는 단열기준 및 그린홈 설계기준을 고려하면 발포 폴리스틸렌 단열재를 사용할 경우 150mm 정도의 단열두께가 필요하게 되며, 조적벽 또는 콘크리트벽 두께를 합치면 대략 350mm 이상 벽 두께가 소요되므로 주택면적의 효율화 측면에서도 구조단열패널의 적용 검토가 필요하다. 또한, 저에너지주택의 단열 및 기밀성능 향상과 보급, 활성화를 위해서는 시공성 및 공정 단순화 등 구조단열패널의 이점을 적극 활용할 필요가 있다.
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