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문제 정의
- 최근 구조 성능 및 단열, 차음, 내화성능 뿐 아니라 시공성 확보, 경량화 등 건축 자재의 성능에 대한 요구가 보다 다양화되고 있으므로, 이러한 트리즈 기법을 통해 다양한 요구 조건을 만족시킬 수 있는 건축 자재의 개발이 가능할 것으로 예상된다. 본 논문에서는 트리즈를 이용해 스틸스터드의 강도와 단열성능을 동시에 향상 시킬 수 있는 방안을 개발하고 그 성능을 평가하여, 건설자재 연구개발 시 트리즈의 가능성을 검토하고자 한다.
- 국내에서도 건축분야의 제품 개발을 위해 식스시그마를 활용하거나 VE와 TRIZ를 연계한 설계방법론이 제안되었으나, TRIZ를 활용한 건설자재 개발과 관련된 사례는 거의 없다. 본 논문에서는 트리즈의 모순행렬표와 40가지 발명원리를 중심으로 구조성능 향상형 단열스터드의 물리적 모순을 해결함으로써 건설자재 개발 시의 적용성을 검토하고자 한다.
- 본 연구에서는 단열성능을 향상시키면 강도가 저하되는 단열스터드의 물리적 모순을 트리즈 방법론을 이용하여 해결하고 이에 대한 상세 설계를 실시하여 고강도 단열스터드인 HSI 스터드를 제안하였다. ‘온도’와 ‘강도’의 모순 해결을 위해 트리즈의 발명원리 중 하나인 ‘유연한 막/필름’을 활용하여 스틸스터드의 플랜지 부위를 롤포밍으로 가공하고 부분적으로 단열성능이 높은 재료를 복합 사용하는 고강도 단열스터드를 개발 하였다.
가설 설정
- 트리즈 기법 적용의 첫 단계로 먼저 스틸스터드의 이상적인 최종 결과(IFR)를 가정해 보면, ‘충분한 강도를 유지하면서 열교가 발생하지 않는 스터드 또는 스틸의 강도를 가진 단열재’로 정의할 수 있다.
제안 방법
- ‘온도’와 ‘강도’의 모순 해결을 위해 트리즈의 발명원리 중 하나인 ‘유연한 막/필름’을 활용하여 스틸스터드의 플랜지 부위를 롤포밍으로 가공하고 부분적으로 단열성능이 높은 재료를 복합 사용하는 고강도 단열스터드를 개발 하였다.
- 2차 아이디어에서는 1차 아이디어의 문제점을 해결하기 위하여 플랜지 부위에만 단열재를 씌우는 방안을 제안하였다. 스터드의 열교에 영향을 미치는 부위가 스터드의 플랜지 부위이므로, 그림 3과 같이 플랜지 부위에만 열 전달을 억제할 수 있는 단열재를 설치하여 전체적인 열교현상을 줄이는 방법이다.
- 3차 아이디어에서는 2차 아이디어의 문제점을 해결하기 위해 플랜지 형태를 변형하는 것을 제안하였다. 구체적인 적용방법으로 플랜지 부위가 접착제 없이도 단열재를 수용할 수 있도록 롤포밍으로 가공 가능한 오목한 형상으로 변형하고, 석고보드와 단열재가 견고하게 결합될 수 있도록 플랜지와 석고보드가 직접 접촉하는 최소한의 면적을 확보하였다.
- HSI 스터드는 실제 제품의 생산이 이루어지지 않았으므로 동일한 단열성능을 발휘하는 기존 스터드와의 단열재 소요량을 비교함으로써 간략하게 경제성을 평가하였다. 표 8에서 보는 바와 같이 HSI 스터드를 이용하면 동일한 단열성능을 발휘하면서도 기존의 스틸스터드와 비교하여 벽체의 두께 및 단열재의 두께를 줄일 수 있다.
- 개발된 HSI 스터드는 트리즈의 발명 원리를 이용해 구조성능과 단열성능을 동시에 향상시킬 수 있도록 설계되었다. 표 1에서 보는 바와 같이 스틸스터드에는 구조성능, 단열성능, 내화성능, 차음성능 등 다양한 성능이 요구된다.
- 내력벽용 및 비내력벽용 신형상 단면은 기존 스틸스터드에 비해 두께가 0.1mm 줄어들었으며, 플랜지 폭은 절곡부가 신설되는 것을 고려하여 기존 단면 대비 5mm 늘려 내력벽체용 스터드는 45mm, 비내력벽체용 스터드는 50mm로 설계하였다. 표 5에서 보는 바와 같이 HSI스터드의 단면적의 변화량은 기존 KS 표준 스터드와 비교할 때 내력벽용은 (+)1.
- 다음으로는 트리즈를 이용한 단열스터드 개발의 최종 과정으로서 3.4에서 도출된 스틸스터드 단면 아이디어를 구체화하여 KS D 3854의 내력벽용 스틸스터드와 KS F 4742의 비내력벽용 스틸스터드를 대체할 수 있는 상세 단면 설계를 수행하였다. 본 연구에서 개발한 신형상 스틸스터드는 고강도를 유지하면서도 단열성능을 향상시킬 수 있으므로 HSI 스터드(High Strength Insulated Stud)로 명명하였다.
- 따라서 단면의 압축강도와 휨 강도가 중요하게 고려되어야 한다. 본 논문에서는 냉간성형강 설계 기준인 AISI 2010에 따라 단면의 유효단면적을 고려한 압축강도와 휨 강도를 산정하였다. 강도 산정을 위해 냉간성형강 자재 구조해석 프로그램인 CFS 7.
- 4에서 도출된 스틸스터드 단면 아이디어를 구체화하여 KS D 3854의 내력벽용 스틸스터드와 KS F 4742의 비내력벽용 스틸스터드를 대체할 수 있는 상세 단면 설계를 수행하였다. 본 연구에서 개발한 신형상 스틸스터드는 고강도를 유지하면서도 단열성능을 향상시킬 수 있으므로 HSI 스터드(High Strength Insulated Stud)로 명명하였다.
- 본 연구에서는 중복성 및 제조비 등을 고려하여 표 5의 아이디어 중 발명원리 30 ‘유연한 막/필름’을 활용한 아이디어를 선정하여 다음과 같이 3차에 걸친 상세 아이디어 전개 및 시스템 개발을 진행하였다.
- 스틸스터드를 포함한 4개 벽체 구조의 단열성능은 상당 열관류율 및 ISO 10211(10)에 따른 스틸스터드 열교 부위의 선형 열관류율을 기준으로 비교 분석하였다. 선형 열관류율이란 열교 부위만을 통한 열류를 나타낼 수 있는 값으로 클수록 열교가 큰 것을 의미하며, 식 (1)에 의해 구할 수 있다.
- 표 1에서 보는 바와 같이 스틸스터드에는 구조성능, 단열성능, 내화성능, 차음성능 등 다양한 성능이 요구된다. 시제품을 제작하여 실험에 의한 성능평가를 수행하기에 앞서, 본 논문에서는 먼저 해석을 통해 평가 가능한 구조성능 및 단열성능에 대해 HSI 스터드의 효용성을 검증하였다.
- 043m2K/W으로 설정하였다. 해석 벽체의 길이는 스틸스터드의 일반적 설치 간격이 450mm임을 반영하여, 스틸스터드의 중심을 기준으로 양쪽 각 225mm, 총 450mm 길이의 벽체에 대해 열전달 해석을 실시하였다.
데이터처리
- 본 논문에서는 냉간성형강 설계 기준인 AISI 2010에 따라 단면의 유효단면적을 고려한 압축강도와 휨 강도를 산정하였다. 강도 산정을 위해 냉간성형강 자재 구조해석 프로그램인 CFS 7.0을 사용하였다.
- 트리즈 기법에 의해 제안된 HSI 스터드의 단열성능은 그림 8과 같은 단면 구성의 건식 벽체에 대한 전열해석에 의해 평가하였다. 전열해석은 3차원 정상상태 해석 프로그램 Physibel Trisco 12.0w을 이용하였으며, 시뮬레이션에 사용된 벽체 구성 재료의 열전도율은 표 7과 같다. 실내외 경계 조건은 KS F 2277 건축용 구성재의 단열성 측정방법(9)에 따라 실내측은 온도 20℃, 표면열전달저항 0.
- 트리즈 기법에 의해 제안된 HSI 스터드의 단열성능은 그림 8과 같은 단면 구성의 건식 벽체에 대한 전열해석에 의해 평가하였다. 전열해석은 3차원 정상상태 해석 프로그램 Physibel Trisco 12.
이론/모형
- 0w을 이용하였으며, 시뮬레이션에 사용된 벽체 구성 재료의 열전도율은 표 7과 같다. 실내외 경계 조건은 KS F 2277 건축용 구성재의 단열성 측정방법(9)에 따라 실내측은 온도 20℃, 표면열전달저항 0.11m2K/W, 실외측은 온도 0℃, 표면열전달저항 0.043m2K/W으로 설정하였다. 해석 벽체의 길이는 스틸스터드의 일반적 설치 간격이 450mm임을 반영하여, 스틸스터드의 중심을 기준으로 양쪽 각 225mm, 총 450mm 길이의 벽체에 대해 열전달 해석을 실시하였다.
성능/효과
- HSI스터드의 압축강도를 살펴보면, 4종류의 스터드 모두 KS 표준형 스터드에 비해 5.1~6.1%의 강도 향상이 이루어졌음을 볼 수 있다. 동일한 단면적에 대한 성능을 비교하기 위해, 두 종류의 스터드 단면적을 동일하다고 가정할 경우 압축강도 향상은 4.
- 3차 아이디어에서는 2차 아이디어의 문제점을 해결하기 위해 플랜지 형태를 변형하는 것을 제안하였다. 구체적인 적용방법으로 플랜지 부위가 접착제 없이도 단열재를 수용할 수 있도록 롤포밍으로 가공 가능한 오목한 형상으로 변형하고, 석고보드와 단열재가 견고하게 결합될 수 있도록 플랜지와 석고보드가 직접 접촉하는 최소한의 면적을 확보하였다. 특히 탄력성 있는 단열재가 플랜지와 결합된 후 빠지지 않도록 그림 4와 같은 형상으로 스틸스터드를 변형하고 플랜지 부위에 단열재를 끼워 넣도록 구상하였다.
- 1~8% 향상되어 압축력을 받는 내력벽 구조에서 전반적인 강도 향상을 기대할 수 있었다. 단열성능 측면에서도 HSI스터드는 일반적인 조건에서 사용될 경우 기존의 KS 표준형 스터드에 비해 선형 열관류율이 약 12% 향상되는 것으로 나타났다. 특히 HSI스터드 이용 시 소요 단열재의 두께가 줄어, 벽체의 두께를 약 10% 정도 줄일 수 있으며 기존 표준형 스터드 대비 재료비도 절감할 수 있음을 확인하였다.
- 그러나 스틸스터드의 영향을 포함한 벽체의 상당 열관류율은 표 8과 같이 기준을 초과하는 것으로 나타나 스틸스터드를 통한 열교의 영향이 상당히 큰 것을 알 수 있다. 단열스터드를 사용한 CASE 2와 4는 기존 스틸스터드를 사용한 CASE 1과 3에 비해 전체 벽체의 상당 열관류율이 약 6~6.5% 정도 낮아졌으며, 특히 스틸스터드를 통한 열교 정도를 나타내는 선형 열관류율은 약 12% 정도 감소하여 트리즈 기법에 의해 제안된 HSI 스터드의 단열 성능이 개선되었음을 확인할 수 있다.
- 1%의 강도 향상이 이루어졌음을 볼 수 있다. 동일한 단면적에 대한 성능을 비교하기 위해, 두 종류의 스터드 단면적을 동일하다고 가정할 경우 압축강도 향상은 4.1~8.0% 수준으로 스터드의 높이가 커질수록 강도향상률이 높아짐을 볼 수 있다. 이는 그림 7의 압축 좌굴해석 결과에서 보듯이 플랜지부의 유효단면적 증가에 기인하는 것으로 판단된다.
- 본 연구를 통해 개발된 고강도 단열스터드는 기존의 KS 표준형 스터드에 비해 단면적은 거의 유사하였고, 강도 측면에서 HSI스터드의 휨강도는 KS 표준형 자재에 비해 최대 3.9% 저하될 수 있으나, 압축강도는 4.1~8% 향상되어 압축력을 받는 내력벽 구조에서 전반적인 강도 향상을 기대할 수 있었다. 단열성능 측면에서도 HSI스터드는 일반적인 조건에서 사용될 경우 기존의 KS 표준형 스터드에 비해 선형 열관류율이 약 12% 향상되는 것으로 나타났다.
- 9 % 수준이었다. 이와 같이 HSI 스터드의 압축강도 및 휨강도를 평가한 결과, 스터드의 길이가 긴 경우 휨강도가 최대 3.9% 저하될 수 있으나, 압축강도는 4.1~8% 수준으로 향상되어 전반적인 강도 향상을 기대할 수 있음을 확인하였다.
- 이와 같이 본 연구에서는 제품개발 및 성능검증 과정을 통해 물리적 모순의 해결을 위한 트리즈의 원리가 새로운 건설자재를 개발하는데 유용하게 적용될 수 있음을 확인하였다.
- 표 8에서 보는 바와 같이 HSI 스터드를 이용하면 동일한 단열성능을 발휘하면서도 기존의 스틸스터드와 비교하여 벽체의 두께 및 단열재의 두께를 줄일 수 있다. 일반 스터드를 사용하여 단열재의 두께를 125mm(Case 1), 150mm(Case 3)로 하는 경우와 동일한 단열성능을 갖도록 HSI스터드를 이용해 벽체를 구성하면 표 9와 같이 단열재의 두께를 각각 113mm, 135mm로 줄일 수 있는 것으로 파악되었다. 표준품셈에 근거하여 단열재의 단위면적당 비용을 산정해 보면, 약 10%의 비용 절감이 가능할 것으로 예상된다.
- 단열성능 측면에서도 HSI스터드는 일반적인 조건에서 사용될 경우 기존의 KS 표준형 스터드에 비해 선형 열관류율이 약 12% 향상되는 것으로 나타났다. 특히 HSI스터드 이용 시 소요 단열재의 두께가 줄어, 벽체의 두께를 약 10% 정도 줄일 수 있으며 기존 표준형 스터드 대비 재료비도 절감할 수 있음을 확인하였다. HSI 스터드는 플랜지 부위를 연질의 재료로 변형함으로써, 기존의 스터드에 요구되는 차음성능이나 내화성능 등의 향상도 기대할 수 있으나, 해석적 연구로 성능을 검증하기에는 한계가 있어 실험 등의 추가적인 연구를 통해 성능을 검증할 필요가 있다.
- 일반 스터드를 사용하여 단열재의 두께를 125mm(Case 1), 150mm(Case 3)로 하는 경우와 동일한 단열성능을 갖도록 HSI스터드를 이용해 벽체를 구성하면 표 9와 같이 단열재의 두께를 각각 113mm, 135mm로 줄일 수 있는 것으로 파악되었다. 표준품셈에 근거하여 단열재의 단위면적당 비용을 산정해 보면, 약 10%의 비용 절감이 가능할 것으로 예상된다. HSI 스터드는 표준형 스터드에 비해 가공 과정은 약간 복잡하지만, 강재 소요량이 3%정도 적게 소요되어 스터드 생산 비용은 유사하.
- 0을 이용해 기존 KS D 3854 표준 스터드와 HSI 스터드의 냉간성형강 유효단면적을 고려한 압축강도 및 휨 강도를 산정한 결과는 표 6과 같다. 해석 대상인 4종류의 자재 중 높이가 가장 작은 75SL08에 대응하는 스터드를 제외한 3종류의 스터드는 KS표준 단면 대비 단면적이 감소하였다.
후속연구
- 특히 HSI스터드 이용 시 소요 단열재의 두께가 줄어, 벽체의 두께를 약 10% 정도 줄일 수 있으며 기존 표준형 스터드 대비 재료비도 절감할 수 있음을 확인하였다. HSI 스터드는 플랜지 부위를 연질의 재료로 변형함으로써, 기존의 스터드에 요구되는 차음성능이나 내화성능 등의 향상도 기대할 수 있으나, 해석적 연구로 성능을 검증하기에는 한계가 있어 실험 등의 추가적인 연구를 통해 성능을 검증할 필요가 있다. 또한 기존 스터드와의 시공성 및 경제성 분석 등도 실제 제품의 생산 및 시험 시공을 통해 평가할 필요가 있다.
- HSI 스터드는 표준형 스터드에 비해 가공 과정은 약간 복잡하지만, 강재 소요량이 3%정도 적게 소요되어 스터드 생산 비용은 유사하. 국내 단열기준이 지속적으로 강화됨에 따라 단열재의 요구 두께도 증가하고 있으므로, 향후 HSI 스터드 사용에 의한 추가적인 비용 절감이 예상된다. 또한 표준형 스터드에 비해 벽체의 두께를 약 10% 정도 줄일 수 있어 사용면적 증대에 따른 추가적인 경제성 확보 및 결로방지 효과도 기대할 수 있다.
- HSI 스터드는 플랜지 부위를 연질의 재료로 변형함으로써, 기존의 스터드에 요구되는 차음성능이나 내화성능 등의 향상도 기대할 수 있으나, 해석적 연구로 성능을 검증하기에는 한계가 있어 실험 등의 추가적인 연구를 통해 성능을 검증할 필요가 있다. 또한 기존 스터드와의 시공성 및 경제성 분석 등도 실제 제품의 생산 및 시험 시공을 통해 평가할 필요가 있다.
- 트리즈는 문제에 대해 가장 이상적인 결과를 정의하고, 그 결과를 얻는 데 관건이 되는 모순을 찾아내어 이를 극복할 수 있는 해결안을 도출하는 방법론을 말한다. 최근 구조 성능 및 단열, 차음, 내화성능 뿐 아니라 시공성 확보, 경량화 등 건축 자재의 성능에 대한 요구가 보다 다양화되고 있으므로, 이러한 트리즈 기법을 통해 다양한 요구 조건을 만족시킬 수 있는 건축 자재의 개발이 가능할 것으로 예상된다. 본 논문에서는 트리즈를 이용해 스틸스터드의 강도와 단열성능을 동시에 향상 시킬 수 있는 방안을 개발하고 그 성능을 평가하여, 건설자재 연구개발 시 트리즈의 가능성을 검토하고자 한다.
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