[논문]ALC 패널을 활용한 건축물 외장 커튼월에 대한 Mock-up Test 성능 평가 연구

김영호; 이용수

문제 정의

따라서 본 연구는 ALC 패널을 건축물의 외장재로 적용하기 위해 필수적인 확인 방법으로 한국산업규격에서 정하는 기밀성 시험(KS F2292), 수밀성 시험(KS F2293), 구조성능 시험(KS F2294), 내풍압 시험(KS F2295) 등을 고려하여 최종적으로는 미국 ASTM과 AAMA에 정하는 외장재 성능평가 방법으로 실물 크기에 대한 Mock-up Test를 실시하고자 한다.
따라서 본 연구는 일본 ALC지침에 따라 패널의 추종성능시험을 평가하고자 L/50∼L/100 까지 정하고 있어 이에 대한 시험을 실시하였다.
본 시험은 건물이 지표면으로부터 수직하게 건설되어 있으므로 횡 하중에 의한 발생되는 수평변위에 대항할 수 있는지를 판단하는 시험이다. 주 대상 하중은 지진이나 바람 하중에 대한 저항시험이다.
본 시험은 층간변위 시험 후, 외장재의 기밀성능 변화 여부를 확인하고 실시하는 시험이다. 조건은 1차 기밀성능 시험과 동일하다.
본 연구에서는 건축물이나 공동주택 등에서 손쉽고 간편하게 외장 마감재를 시공할 수 있도록 단열 성능과 화재의 위험이 없는 콘크리트계 재료를 사용한 외장재 경량기포콘크리트(Auto-claved Light weight Concrete) 패널을 활용한 건축물의 커튼월 공법을 중심으로, 실 현장에 적용성과 가능성을 확인하고자 수행된 연구의 일부이다.

제안 방법

ALC 패널 시스템이 적용된 공법의 성능평가 위해 5단계로 세분화하여 시험을 실시하였다(그림 2 참조). 1단계로, ALC 패널의 외장재로서의 기본성능인 기밀성, 수밀성을 갖추었는지에 대한 평가로 진행되었으며, 2단계는 패널과 패널이 만나는 조인트 부분에 대한 기밀성, 수밀성 평가를 진행하였다. 3단계는 실물 외장 커튼월을 Mock-up 설치하여 실물시험을 진행하였다.
1단계로, ALC 패널의 외장재로서의 기본성능인 기밀성, 수밀성을 갖추었는지에 대한 평가로 진행되었으며, 2단계는 패널과 패널이 만나는 조인트 부분에 대한 기밀성, 수밀성 평가를 진행하였다. 3단계는 실물 외장 커튼월을 Mock-up 설치하여 실물시험을 진행하였다. ALC 패널 두께는 150mm, 200mm, 길이 8000mm 으로 층 높이 4000mm 에 대한 2층 규모로 종벽 구조의 패널 배치하여 Mock-up Test 을 진행하였다.
3단계는 실물 외장 커튼월을 Mock-up 설치하여 실물시험을 진행하였다. ALC 패널 두께는 150mm, 200mm, 길이 8000mm 으로 층 높이 4000mm 에 대한 2층 규모로 종벽 구조의 패널 배치하여 Mock-up Test 을 진행하였다.
ALC 패널 시스템이 적용된 공법의 성능평가 위해 5단계로 세분화하여 시험을 실시하였다(그림 2 참조). 1단계로, ALC 패널의 외장재로서의 기본성능인 기밀성, 수밀성을 갖추었는지에 대한 평가로 진행되었으며, 2단계는 패널과 패널이 만나는 조인트 부분에 대한 기밀성, 수밀성 평가를 진행하였다.
ALC 패널의 외장 커튼월공법의 성능 평가 결정은 미국의 AAMA 501 (American Society for Testing and Materials)와 ASTM 283, 330 (American Society for Testing and Materials) 의 Standard 와 Complex Test Procedure 방법을 분석하여 결정하였으며, 본 연구의 ALC 패널 커튼월 공법의 적합한 Mock-up Test 평가 순서는 그림 2 와 같은 순서로 진행하고자 한다. 또한 ASTM 및 AAMA에 포함되어 있지 않으나, 국내의 외장재 성능에서 중요시 되고 있는 결로 시험을 추가로 포함하여 시험을 실시하고자 하며, 층간변위 시험의 경우 국내 경량기포콘크리트에 대한 명확한 지침이 없으나, 일본 ALC패널구조설계지침․동해설 (2004)에 따라 변형추종성능의 층간변형각 1/100에 대해 패널의 건전성 확보를 제시하고 있다.
건축물 높이 100m, ALC 패널의 두께가 200mm, 150mm 시료에 대해 기본풍속(노풍도 B)은 40m/s, 35m/s에서 발생하는 정압과 부압에 대해 평가를 실시한다.
2) 결로 시험 결과

결로 시험은 외장재가 겨울철에 발생할 수 있는 결로현상에 대한 예측 및 발생 분포를 살펴보는 시험으로써, 표 6 과 같은 온습도 조건으로 시험을 진행하였다.
따라서 연구의 내용은 ALC 패널를 활용하여 2층 규모(높이 8000mm) 실 건축물과 동일하게 시공한 다음, 개구부가 없는 종벽구법에 대해 실물모형시험을 ASTM과 AAMA 규준을 혼용하여 실시한다.
본 시험 단계는 일반 건물의 시험 압력 +75 Pa 와, 초고층빌딩이나 고도의 온습도 조절이 필요한 건물의 시험 압력 300 Pa 두 경우로 진행하였다.
본 연구는 ALC 패널을 건축물의 외장재로 적용하기 위해 필수적인 확인 방법으로 한국산업규격에 근간이 되는 미국 ASTM과 AAMA에 정하는 외장재 성능평가 방법을 적용하여 실물 2층 규모(높이 8000mm) 에 대한 Mock-up Test를 실시하고 다음과 같은 결론을 얻었다.
본 연구의 주재료인 경량기포콘크리트 패널을 사용한 외장재 설치방법은 구조체에 매입철물을 사용하여 설치하는 것으로 그림 1과 같다. 구법은 ALC패널과 구조체를 연결하는 패스닝 유닛철물로 결합하는 패널 방식을 적용함으로서 현장 외장재 설치 공기가 단축되고, 패널은 공장 제품으로 생산성이나 품질이 우수하므로 ALC패널 커튼월공법이 품질 관리가 가장 좋아 중고층 건축물에 가장 적합한 것으로 판단된다.
본 최종 시험은 전 단계에 실시된 1차 층간변위 시험에 가한 수평변위를 2배 (H/100 ; 38mm, 40mm), 4배(H/50 ; 76mm, 80mm) 로 증가시키면서 진행하는 횡 하중에 대한 ALC 외장재의 건전성과 구조안전성 평가하는 시험이다. 최종 발생 변위에서 ALC 패널을 사용한 건축물 100m에 대한 층간변위는 충분하게 패스닝유닛의 제기능으로 변위를 흡수하여 패널의 파손이나 손상이 나타나지 않는 것으로 확인되었다.
수밀성 및 기밀성에 관한 평가시험을 실시하였다. 시험 결과 모든 시험에서 누수가 발생하지 않았으며, ALC 패널 자체는 외장재로서 요구되는 기본 성능을 충족하는 것으로 나타났다.
시험 방법은 2개 층으로 설치된 외장 커튼월 시료의 중앙층 수평부재를 좌우로 3회 반복하여 시험체의 이상 유무를 점검한다. 시험 변위는 ALC 패널 200mm 두께는 ± 19 mm (총 이동량 38 mm), 150mm 두께는 ± 20 mm (총 이동량 40 mm)으로 실시한 결과 경량기포콘크리트 패널의 시료의 손상이나 파손이 발생하지 않았다.
이에 본 연구에 목적에서 제시한 바와 같이 중고층 건축물에 부합하는 외벽을 선정함에 있어 구조성능, 생산품질, 현장공기, 수밀성능, 단열성능을 고려할 사항이며, 보다 다양한 커튼월 공법에 대한 실물모형실험을 통한 ALC 패널 외장커튼월 공법의 평가를 실시한다.

대상 데이터

시험 변위는 ALC 패널 200mm 두께는 ± 19 mm (총 이동량 38 mm), 150mm 두께는 ± 20 mm (총 이동량 40 mm)으로 실시한 결과 경량기포콘크리트 패널의 시료의 손상이나 파손이 발생하지 않았다.
연구 대상은 건축물의 커튼월공법에 사용되는 외장재 ALC 패널은 경량기포콘크리트를 재료를 사용하여 폭 300 ∼ 600mm ,높이 3,000 ∼ 4,500mm 치수로, 패널 내부에 풍하중 및 외력에 대해 충분한 강도와 강성을 갖도록 철선 6mm 또는 8mm 를 단면 내에 복 배근하여 보강 제작하여 사용한다.

성능/효과

ALC 패널 간의 존재하는 조인트(joint)에 관한 성능 평가 시험으로, 시험 결과 클로징조인트공법의 경우 누수가 발생하지 않아 ALC 패널의 외부 조인트로 적합하다고 결정하였다.
ALC 패널을 활용한 외장커튼월의 Mock-up Test 결과, 미국의 건축물 제조자 협회의 외장재 성능 규준인 ASTM과 AAMA의 요구조건을 모두 충족하는 결과를 얻었다.
ALC 패널의 표면온도 측정위치는 열순환 시험시 온도 측정 위치와 동일하며, 시험 결과, 측정위치 모두에서 이슬점이하의 온도 분포는 나타나지 않았으며, 모든 단계에서 외장재가 겨울철에 발생할 수 있는 결로현상이 발생되지 않았다. 이는 경량기포콘크리트 패널이 갖는 기공 효과로 판단된다.
건축물 높이 100m, ALC패널 두께 200mm 는 기본풍속 40m/s, 150mm 두께는 기본풍속 35m/s 평가 조건으로, 패널에 작용하는 정압과 부압 시험에서 발생 처짐은 설계기준의 허용 처짐 H/200 을 만족하고 있어 100m 건축물의 적용 시 구조안전성을 확인되었다.
경량기포콘크리트 패널의 표면온도를 측정한 결과, 열순환 시험, 결로시험에서 안정된 온도변화와 겨울철에 발생할 수 있는 결로현상이 발생되지 않았다. 이는 ALC 패널의 기공에 의한 내단열 효과로 판단된다.
본 연구의 주재료인 경량기포콘크리트 패널을 사용한 외장재 설치방법은 구조체에 매입철물을 사용하여 설치하는 것으로 그림 1과 같다. 구법은 ALC패널과 구조체를 연결하는 패스닝 유닛철물로 결합하는 패널 방식을 적용함으로서 현장 외장재 설치 공기가 단축되고, 패널은 공장 제품으로 생산성이나 품질이 우수하므로 ALC패널 커튼월공법이 품질 관리가 가장 좋아 중고층 건축물에 가장 적합한 것으로 판단된다.
수밀성 및 기밀성에 관한 평가시험을 실시하였다. 시험 결과 모든 시험에서 누수가 발생하지 않았으며, ALC 패널 자체는 외장재로서 요구되는 기본 성능을 충족하는 것으로 나타났다. AAMA 추천 최대압력인 731 Pa 기준에 대해 외부측에서 시간당 203 mm의 강우량에 해당되는 물을 살수하여 15 분간 지속하였으나 누수 현상이 발생되지 않았다.
시험 결과, 75 Pa에서는 허용치의 약 8∼11% 수준의 누기량이 발생하였으며, 300 Pa의 경우는 18∼19% 수준에서 만족하는 것으로 나타났다.
시험 결과, 75 Pa에서는 허용치의 약 8∼11% 수준의 누기량이 발생하였으며, 300 Pa의 경우는 18∼19% 수준에서 만족하는 것으로 나타났으며, 누기량의 변화가 거의 발생하지 않았다.
2차로 진행되는 정압 하에서 수밀성능 시험은 구조 성능 시험 후 외장재에 발생할 수 있는 풍압으로 인한 수밀성능의 변화가 발생되었는지 점검하는 시험이다. 시험 결과는 누수 발생되지 않아 건전성을 확인할 수 있었다.
본 최종 시험은 전 단계에 실시된 1차 층간변위 시험에 가한 수평변위를 2배 (H/100 ; 38mm, 40mm), 4배(H/50 ; 76mm, 80mm) 로 증가시키면서 진행하는 횡 하중에 대한 ALC 외장재의 건전성과 구조안전성 평가하는 시험이다. 최종 발생 변위에서 ALC 패널을 사용한 건축물 100m에 대한 층간변위는 충분하게 패스닝유닛의 제기능으로 변위를 흡수하여 패널의 파손이나 손상이 나타나지 않는 것으로 확인되었다. 다만 슬래브의 거치면 접합부에서 부재 파손이 나타났다.
층간변위 시험결과, ALC패널 외장시스템은 일본 ALC구조설계지침․동해설(2004)에 따라 변형추종성능의 층간 변형각 1/100에 대해 구조 안전성 확보하였으며, 1/50에 대해서도 만족하는 결과를 얻었다.
18mm(정압), 15mm(부압) 발생하였다. 패널의 처짐 값은 ALC 설계기준에서 제시하는 허용 처짐 H/200을 만족하고 있어 충분한 풍하중에 대한 안전성을 확보하는 것으로 나타났다.

후속연구

향후 ALC 패널 공법의 활용도를 높이기 위해서는 각종 홍보용 기술자료, 표준설계도서나 공사시방서 등과 같은 설계자나 엔지니어가 본 공법적용을 위한 기술적 자료 제공이 필연적이라 생각하며, 보다 기술의 발전을 위해 실제 건축설계나 현장 테스트베드 시공경험을 통해 지속적으로 보완, 개선시켜야 할 것이라 판단된다.

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	ALC 패널을 건축물 외장재로 커튼월시스템에 적용하기 위해서 필요한 검토는?	그러나 ALC 패널을 건축물의 외장재로 커튼월시스템에 적용하기 위해서는 다양한 건축물이나 거주환경을 고려한 항목에 대한 검토가 요구되는데, 건축 설계적 관점이나 현장의 시공적 관점, 그리고 엔지니어링 구조적 관점 등이 만족되어야만 한다.
	멀리온 방식이란?	멀리온 방식은 수직재(mullion)와 수평재(transom) 을 격자형태로 구성하여 수직재를 구조체(슬래브, 보) 등에 연속보 형식으로 설치하는 시스템이다. 전 하중이 전달되는 수직재의 처짐량을 고려한 설계가 필수적이며, 필요에 따른 보강방법은 부재의 전체 사이즈 증가, 부재의 두께 증가, 보강재 사용, 앵커, 슬리브 위치 변경, 킥커(kicker) 설치가 있다.
	멀리온 방식에서는 무엇을 고려한 설계가 필수적인가?	멀리온 방식은 수직재(mullion)와 수평재(transom) 을 격자형태로 구성하여 수직재를 구조체(슬래브, 보) 등에 연속보 형식으로 설치하는 시스템이다. 전 하중이 전달되는 수직재의 처짐량을 고려한 설계가 필수적이며, 필요에 따른 보강방법은 부재의 전체 사이즈 증가, 부재의 두께 증가, 보강재 사용, 앵커, 슬리브 위치 변경, 킥커(kicker) 설치가 있다.

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