최근 지어지고 있는 건축물은 구조적인 안전성과 사용성 뿐만 아니라 다양하고 미려한 외관에 대한 관심이 높아지고 있는 추세이며, 이에 따라 건물의 외장재로 석재 커튼월이 많이 사용되고 있다. 그러나 이러한 석재마감공법은 건물의 중량화를 비롯한 시공성과 보수의 문제점이 발생되고 있으며, 시공시의 소음 진동 등에 의해 민원의 원인이 되기도 한다. 따라서, 본 논문에서는 시공성, 경제성을 향상시키고 보조 고정 홀을 통해 석재 패널의 부분보수가 가능한 언더컷 앵커 방식의 석재 커튼월 시공공법을 개발하였으며, 이에 대한 시공성 및 경제성분석과 안전성을 검토하기 위한 풍압 및 지진하중에 대한 구조성능 평가를 수행하였다. 연구결과, 본 공법이 기존공법에 비해 향상된 시공성과 경제성을 갖는 것으로 나타났으며, 구조성능 평가결과 외장재로서 요구되는 성능을 충족하는 것으로 나타났다.
최근 지어지고 있는 건축물은 구조적인 안전성과 사용성 뿐만 아니라 다양하고 미려한 외관에 대한 관심이 높아지고 있는 추세이며, 이에 따라 건물의 외장재로 석재 커튼월이 많이 사용되고 있다. 그러나 이러한 석재마감공법은 건물의 중량화를 비롯한 시공성과 보수의 문제점이 발생되고 있으며, 시공시의 소음 진동 등에 의해 민원의 원인이 되기도 한다. 따라서, 본 논문에서는 시공성, 경제성을 향상시키고 보조 고정 홀을 통해 석재 패널의 부분보수가 가능한 언더컷 앵커 방식의 석재 커튼월 시공공법을 개발하였으며, 이에 대한 시공성 및 경제성분석과 안전성을 검토하기 위한 풍압 및 지진하중에 대한 구조성능 평가를 수행하였다. 연구결과, 본 공법이 기존공법에 비해 향상된 시공성과 경제성을 갖는 것으로 나타났으며, 구조성능 평가결과 외장재로서 요구되는 성능을 충족하는 것으로 나타났다.
Structural safety as well as variety and aesthetics of building facade are currently gathering more attention in building construction and stone curtain wall is widely used in exterior wall. However, two main problems are existed in curtain wall construction method. One is an uniformity of construct...
Structural safety as well as variety and aesthetics of building facade are currently gathering more attention in building construction and stone curtain wall is widely used in exterior wall. However, two main problems are existed in curtain wall construction method. One is an uniformity of construction quality and the other is a repair work of stone panels. Also, the noise and vibration occurring in construction may be cause of civil complaint. Therefore, a new method is needed to overcome these problems. This paper presents a new stone curtain wall system using under cut anchor and secondary holes that was developed in this study. Additionally, structural performance evaluation was conducted to verify the constructability and structural safety for wind pressure and seismic load. Through the evaluation of this method, improved constructability and economic efficiency were verified.
Structural safety as well as variety and aesthetics of building facade are currently gathering more attention in building construction and stone curtain wall is widely used in exterior wall. However, two main problems are existed in curtain wall construction method. One is an uniformity of construction quality and the other is a repair work of stone panels. Also, the noise and vibration occurring in construction may be cause of civil complaint. Therefore, a new method is needed to overcome these problems. This paper presents a new stone curtain wall system using under cut anchor and secondary holes that was developed in this study. Additionally, structural performance evaluation was conducted to verify the constructability and structural safety for wind pressure and seismic load. Through the evaluation of this method, improved constructability and economic efficiency were verified.
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문제 정의
본 개발공법인 삽입형 앵커공법으로 시공되는 석재 커튼월에 대한 구조적 안전성을 검토하기 위해서는 커튼월에 사용되는 석재와 앵커의 물성 및 부착강도가 매우 중요하다. 따라서 본 연구에서는 실제 시공된 석재 커튼월의 물성 및 성능을 KS 및 ASTM기준에 의해 시험하고 검토하였다.
따라서, 본 연구에서는 시공성과 구조안전성을 만족함과 동시에 하자 및 손상이 발생한 경우 석재 패널의 보수가 가능한 삽입형 앵커 시스템의 석재 커튼월 공법을 개발하고자 하였다. 이를 위해 가장 많이 사용되는 기존의 석재 커튼월의 시공법을 조사하고, 이의 문제점을 분석하였으며, 조사된 문제점을 개선하기 위한 방안 및 적합한 석재 커튼월 공법을 제시하고, 이의 성능평가를 위해 기본물성시험, 내구성 시험, 풍압 및 구조성능실험, 내진성능 평가를 위한 진동대실험을 수행하였다.
이를 위해 가장 많이 사용되는 기존의 석재 커튼월의 시공법을 조사하고, 이의 문제점을 분석하였으며, 조사된 문제점을 개선하기 위한 방안 및 적합한 석재 커튼월 공법을 제시하고, 이의 성능평가를 위해 기본물성시험, 내구성 시험, 풍압 및 구조성능실험, 내진성능 평가를 위한 진동대실험을 수행하였다. 또한, 풍압에 대한 FEM 해석을 수행하여 구조적인 안전성을 평가하고자 하였다. 평가는 한국산업규격 (KS), 미국재료시험방법 (ASTM), 미국건축협회 (AAMA)에서 규정한 평가항목 및 건축구조기준 (KBC, 2009)을 적용하였다.
본 연구에서는 개발한 외벽마감 석재 커튼월의 내풍 및 기밀성능에 대한 성능을 검토하기 위해 2층 규모의 실물모형을 제작하여 Mock-Up 실험을 실시하였다.
본 연구에서는 기존 석재 커튼월 공법으로 많이 사용되고 있는 핀 공법의 문제점을 분석하고 이의 해결을 위한 석재패널 고정구와 이를 이용한 시공법을 개발하였다.
제안 방법
실험은 부산대학교 지진방재연구센터에서 수행되었으며, 약 1개 층 높이의 실험체에 El Centro 지진파에 대해50, 100, 200, 250, 350%의 가속도를 X, Y, Z 방향에 대해각각 가진하였다. 각 단계 실험 후 석재 패널 및 연결부, 부속의 손상 및 탈락을 조사하였다. 100% 가력의 방향별 입력가속도는 Fig.
개발된 건물외벽 건식마감 석재 커튼월 공법의 주요 구성부재에 대한 기본적인 구조성능을 석재패널과 패널에 시공된 언더컷앵커 사이의 인발강도와 전단강도 시험 (Seo, 2000)을 통해 검토하였다. 또한, 동결융해시험을 거친 후 인발 및 전단강도를 함께 진행하였으며, 시험방법은 KS규격과 ASTM 등의 기준을 참고하였다.
개발된 고정구는 브래킷, 연결플레이트, 고정핀으로 구성되어 있으며, 보조 고정 홀을 형성하여 보수가 가능한 구조이다. 이러한 방식은 기존공법에서 홀을 가공하는 과정에서의 현장제작방식을 공장제작방식으로 전환시켜 현장작업의 간소화를 통해 균질한 품질을 얻을 수 있으므로 시공품질 확보에 유리하고 현장에서의 작업량이 줄어 시공이 간편하여 작업자의 숙련도에 관계없이 시공성이 뛰어나며, 공사기간의 단축이 가능하다.
그러나 현재와 같이 외장재에 대한 내진성능 검토가 잘 이루어지지 않을 경우 실제 지진이 발생했을 때 건물의 주요 구조부재들이 안전하다고 하더라도 외장재의 파손으로 인한 막대한 인명 및 경제손실을 야기할 것으로 우려된다 (Ju, 2011). 따라서, 본 연구에서는 개발된 석재 커튼월의 내진성능을 검토하기 위해 Fig. 9와 같이 진동대실험을 실시하였다. 실험은 부산대학교 지진방재연구센터에서 수행되었으며, 약 1개 층 높이의 실험체에 El Centro 지진파에 대해50, 100, 200, 250, 350%의 가속도를 X, Y, Z 방향에 대해각각 가진하였다.
또한 단위 패널이 부담하는 자중을 고려하였으며, 구조해석 (Wong, 2007)을 수행한 단위석재패널의 규격은 실제 Mock Up 실험체에 시공된 것과 같이 1000mm×600mm (가로×세로)로 모델링 하였고 석재 패널의 두께는 15mm 인 것으로 하였다.
본 개발공법은 기존의 핀 공법에 비하여 주요부재의 공장제작으로 인한 공기절감 외에 석재 커튼월을 구조체의 시공부위에 양중하여 설치 ⋅ 고정하는 공정에서의 작업 간소화를 통해 투입인력 및 공사기간의 절감이 가능하도록 하였다.
또한, 동결융해시험을 거친 후 인발 및 전단강도를 함께 진행하였으며, 시험방법은 KS규격과 ASTM 등의 기준을 참고하였다. 시험은 화강석과 대리석 각각 5개씩의 시편을 제작하고 각 시편별로 앵커가 석재 패널로부터 완전히 탈락되어서 추가적인 하중 지지가 불가능 할 때까지 가력하여 진행하였다. 각 인발 및 전단 강도시험은 Fig.
또한 단위 패널이 부담하는 자중을 고려하였으며, 구조해석 (Wong, 2007)을 수행한 단위석재패널의 규격은 실제 Mock Up 실험체에 시공된 것과 같이 1000mm×600mm (가로×세로)로 모델링 하였고 석재 패널의 두께는 15mm 인 것으로 하였다. 실제 시공시 앵커가 삽입되어 고정되는 지점을 고려하였고 하중조건은 단위패널에 작용하게 되는 자중과 풍하중을 수평 및 수직하중으로 나누어 입력하였다. 해석은 설계 시 계산된 풍하중 (Case 1)과 지진에 대한 골조의 시간이력해석을 통해 얻은 하중 (Case 2), 기준에 따라 계산한 지진하중 (Case 3)에 대해 각각 수행하였으며, 구조해석 모델링에 관한 내용은 Fig.
본 개발공법은 기존의 핀 공법에 비하여 주요부재의 공장제작으로 인한 공기절감 외에 석재 커튼월을 구조체의 시공부위에 양중하여 설치 ⋅ 고정하는 공정에서의 작업 간소화를 통해 투입인력 및 공사기간의 절감이 가능하도록 하였다. 이러한 공기단축 및 공사비 절감에 대한 분석을 하기 위해 기존 핀 공법과 개발공법의 일위대가를 산정하고 단위면적당 소요되는 공사비와 투입인력의 분석을 실시하였으며, 분석내용은 다음 Table 2와 Table 3에 나타낸 바와 같다. 분석결과 석재 마감공사 과정에서 가장 많은 인력 투입이 필요한 공정은 석재 패널 설치 공정으로 해당 공정에서 소요되는 인건비는 약 65%가량 절감이 되었다.
따라서, 본 연구에서는 시공성과 구조안전성을 만족함과 동시에 하자 및 손상이 발생한 경우 석재 패널의 보수가 가능한 삽입형 앵커 시스템의 석재 커튼월 공법을 개발하고자 하였다. 이를 위해 가장 많이 사용되는 기존의 석재 커튼월의 시공법을 조사하고, 이의 문제점을 분석하였으며, 조사된 문제점을 개선하기 위한 방안 및 적합한 석재 커튼월 공법을 제시하고, 이의 성능평가를 위해 기본물성시험, 내구성 시험, 풍압 및 구조성능실험, 내진성능 평가를 위한 진동대실험을 수행하였다. 또한, 풍압에 대한 FEM 해석을 수행하여 구조적인 안전성을 평가하고자 하였다.
대상 데이터
9와 같이 진동대실험을 실시하였다. 실험은 부산대학교 지진방재연구센터에서 수행되었으며, 약 1개 층 높이의 실험체에 El Centro 지진파에 대해50, 100, 200, 250, 350%의 가속도를 X, Y, Z 방향에 대해각각 가진하였다. 각 단계 실험 후 석재 패널 및 연결부, 부속의 손상 및 탈락을 조사하였다.
이론/모형
4.4 접합부 구조해석
구조검토에 적용한 설계하중은 건축구조 설계기준 (KBC, 2009)에 명시되어 있는 외장재의 설계풍압 산정 방법에 따라 산정하였다. 또한 단위 패널이 부담하는 자중을 고려하였으며, 구조해석 (Wong, 2007)을 수행한 단위석재패널의 규격은 실제 Mock Up 실험체에 시공된 것과 같이 1000mm×600mm (가로×세로)로 모델링 하였고 석재 패널의 두께는 15mm 인 것으로 하였다.
개발된 건물외벽 건식마감 석재 커튼월 공법의 주요 구성부재에 대한 기본적인 구조성능을 석재패널과 패널에 시공된 언더컷앵커 사이의 인발강도와 전단강도 시험 (Seo, 2000)을 통해 검토하였다. 또한, 동결융해시험을 거친 후 인발 및 전단강도를 함께 진행하였으며, 시험방법은 KS규격과 ASTM 등의 기준을 참고하였다. 시험은 화강석과 대리석 각각 5개씩의 시편을 제작하고 각 시편별로 앵커가 석재 패널로부터 완전히 탈락되어서 추가적인 하중 지지가 불가능 할 때까지 가력하여 진행하였다.
또한, 풍압에 대한 FEM 해석을 수행하여 구조적인 안전성을 평가하고자 하였다. 평가는 한국산업규격 (KS), 미국재료시험방법 (ASTM), 미국건축협회 (AAMA)에서 규정한 평가항목 및 건축구조기준 (KBC, 2009)을 적용하였다.
성능/효과
각 단계 실험 후 석재 패널 및 연결부, 부속의 손상 및 탈락을 조사하였다. 100% 가력의 방향별 입력가속도는 Fig. 8에 나타내었고, 실험결과는 Table 6에 나타낸 바와 같이 X방향 1.56g, Y방향 1.51g의 PGA에 대해 패널과 연결부의 손상이 발견되지 않았으며, 지진하중에 대해 충분한 안전성을 갖는 것으로 판단된다.
또한, 기술의 구조적인 안전성을 검증하기 위하여 실시한 물성시험결과를 Mock-Up 실험 및 구조해석을 통해 얻은 결과와 비교 ⋅ 분석한 결과, 석재 패널과 언더컷 앵커의 결합부위가 구조적으로 충분한 안전성을 보이는 것으로 나타났다. 2층 규모 실물모형으로 실시한 Mock-Up 실험 결과 진행한 실험항목에 대한 모든 기준에 만족하였고, 실험과정과 실험종료 후 손상이 발생하지 않았다. 내진성능의 평가를 위한 실물모형 진동대 실험을 실시한 결과 El Centro 지진의 최대가속도 기준으로 350%인 1.
이러한 방식은 기존공법에서 홀을 가공하는 과정에서의 현장제작방식을 공장제작방식으로 전환시켜 현장작업의 간소화를 통해 균질한 품질을 얻을 수 있으므로 시공품질 확보에 유리하고 현장에서의 작업량이 줄어 시공이 간편하여 작업자의 숙련도에 관계없이 시공성이 뛰어나며, 공사기간의 단축이 가능하다. 검토결과 52%의 공사비 절감효과가 나타났으며, 고정앵글에 형성되는 보조 고정 홀을 통해 석재 커튼월의 시공 후에도 손상이 발생한 경우 보조공과 보조 고정핀에 의한 보수가 가능하다.
3에 나타낸 바와 같이 석재 패널의 배면에 삽입하여 알루미늄 앵글과 조립하여 구조체에 조립하는 방식으로 고정앵글에 보조 고정 홀이 형성되어 있어서 기존공법과 달이 석재패널의 부분적인 보수에 대한 문제를 해결하였다. 기존공법에 비해 얇은 두께의 석재 패널에도 시공이 가능하여, 외벽 석재 마감 적용에 따른 구조체의 중량화를 최소화 할 수 있다. 또한, 공장으로부터 운반된 석재 패널을 구조체에 설치하는 공정에서의 작업을 간소화하여 시공성이 향상되는 동시에 현장 작업인력을 절감하고 시공품질의 균질성을 확보하기가 용이한 장점을 갖고 있다.
2층 규모 실물모형으로 실시한 Mock-Up 실험 결과 진행한 실험항목에 대한 모든 기준에 만족하였고, 실험과정과 실험종료 후 손상이 발생하지 않았다. 내진성능의 평가를 위한 실물모형 진동대 실험을 실시한 결과 El Centro 지진의 최대가속도 기준으로 350%인 1.5g의 수평가속도에 대해 석재 패널과 언더컷 앵커의 결합부, 앵글 결합부 등 주요부재의 손상이 나타나지 않아 지진에 대한 안전성을 확인할 수 있었다.
또한, 기술의 구조적인 안전성을 검증하기 위하여 실시한 물성시험결과를 Mock-Up 실험 및 구조해석을 통해 얻은 결과와 비교 ⋅ 분석한 결과, 석재 패널과 언더컷 앵커의 결합부위가 구조적으로 충분한 안전성을 보이는 것으로 나타났다.
이러한 공기단축 및 공사비 절감에 대한 분석을 하기 위해 기존 핀 공법과 개발공법의 일위대가를 산정하고 단위면적당 소요되는 공사비와 투입인력의 분석을 실시하였으며, 분석내용은 다음 Table 2와 Table 3에 나타낸 바와 같다. 분석결과 석재 마감공사 과정에서 가장 많은 인력 투입이 필요한 공정은 석재 패널 설치 공정으로 해당 공정에서 소요되는 인건비는 약 65%가량 절감이 되었다. 이를 단위면적당 소요되는 전체 공사비로 환산하여 비교한 결과는 Fig.
단, 본 연구에서 진행한 일위대가를 통한 공사비 분석에서 석재의 재료비는 제외하고 검토하였으며, 상대적으로 두께가 얇은 석재의 사용이 가능한 본 공법의 경우 이를 고려할 경우 추가적인 공사비 절감이 가능할 것으로 판단된다. 산정한 일위대가표를 통해 단위면적당 소요되는 총 공사비를 계산한 결과 개발공법의 경우 40,168원, 핀 공법의 경우 83,445원이 각각 필요한 것으로 산출되어 개발공법을 통한 시공이 약 52%의 공사비 절감 효과가 있는 것으로 나타났다.
실물모형실험은 외장재를 구성하는 각 부위의 성능 및 기능을 복합적으로 평가하고 도면과 계산만으로 파악하기 어려운 문제점을 실제 시공 전에 체크하고 본 공사에 반영하기위해 실시하는 실험으로써, 실험의 진행과 평가는 ASTM에서 제시하고 있는 기준에 따라 이루어졌다. 실험진행상황과각각의 실험항목 (AAMA, 2005)과 합격기준에 관한 내용은 Fig. 7과 Table 5에 나타내었으며, 실험결과 예비실험과 구조성능실험 등 수행된 모든 실험에 대해 기준에 제시된 성능을 만족하므로 본 공법을 적용한 석재 커튼월이 외장재로서 요구성능을 충족하는 것으로 나타났다.
풍하중에 대해 해석한 경우 앵커 정착부에서의 반력은 물성시험결과에서 추출한 인발강도에 비해 구조적으로 안전한 값을 나타내는 것을 확인하였고, 그 외 두 가지 경우에서도 석재 패널에 작용하는 하중에 대해 앵커 정착부가 안전한 것으로 나타났다. 이에 대한 해석결과는 Table 7과 Fig. 11, Fig. 12에 나타낸 바와 같으며, 각각의 경우에 대한 석재패널의 구조해석을 통해 해석대상인 개발공법을 이용한 석재 커튼월 부재의 구조적인 안전성을 확인할 수 있었다.
해석결과 패널의 정착은 층간변위에 의해 지배되어지는 것을 확인할 수 있었으며, 해석변수들에 따라 패널의 폭이 작을수록 앵커 정착부에 큰 힘을 발생시키게 된다. 풍하중에 대해 해석한 경우 앵커 정착부에서의 반력은 물성시험결과에서 추출한 인발강도에 비해 구조적으로 안전한 값을 나타내는 것을 확인하였고, 그 외 두 가지 경우에서도 석재 패널에 작용하는 하중에 대해 앵커 정착부가 안전한 것으로 나타났다. 이에 대한 해석결과는 Table 7과 Fig.
10에 나타내었다. 해석결과 패널의 정착은 층간변위에 의해 지배되어지는 것을 확인할 수 있었으며, 해석변수들에 따라 패널의 폭이 작을수록 앵커 정착부에 큰 힘을 발생시키게 된다. 풍하중에 대해 해석한 경우 앵커 정착부에서의 반력은 물성시험결과에서 추출한 인발강도에 비해 구조적으로 안전한 값을 나타내는 것을 확인하였고, 그 외 두 가지 경우에서도 석재 패널에 작용하는 하중에 대해 앵커 정착부가 안전한 것으로 나타났다.
후속연구
4에 나타낸 바와 같다. 단, 본 연구에서 진행한 일위대가를 통한 공사비 분석에서 석재의 재료비는 제외하고 검토하였으며, 상대적으로 두께가 얇은 석재의 사용이 가능한 본 공법의 경우 이를 고려할 경우 추가적인 공사비 절감이 가능할 것으로 판단된다. 산정한 일위대가표를 통해 단위면적당 소요되는 총 공사비를 계산한 결과 개발공법의 경우 40,168원, 핀 공법의 경우 83,445원이 각각 필요한 것으로 산출되어 개발공법을 통한 시공이 약 52%의 공사비 절감 효과가 있는 것으로 나타났다.
특히, 공사비 비교의 편의를 위해 석재 패널에 소요되는 재료비는 제외하여 분석하였다는 점을 감안하면 석재의 재료비를 고려할 경우 핀 공법에 비해 더 향상된 공사비 절감효과를 얻을 수 있을 것으로 판단된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
핀 공법이란 무엇인가?
최근 들어 기존 핀 공법의 단점을 보완한 언더컷 앵커 공법이 개발되어 시공되기 시작하였으나, 현재까지 석재 커튼월의 시공에는 핀 공법이 주류를 이루고 있다. 핀 공법은 구조체와 석재 사이에 공간을 두고 단열재를 설치한 후 촉 형태의 앵커를 통해 석재 패널을 구조체에 설치한 고정앵글에 부착하는 공법으로, 석재 패널과 패널 사이의 줄눈에 실란트를 이용한 코킹처리로 내부를 밀폐시킴으로써 빗물이나 외부공기의 유입을 차단하는 공법이다. 이 공법은 코킹에 의한 차수성능이 완벽하지 않을 경우 내부 단열재가 젖어 정상적인 요구성능의 유지가 불가능하며, 코킹의 노후화에 따라 지속적인 유지보수가 필요하고, 석재 패널을 시공하는 과정에서 숙련공의 부족과 번거로운 작업과정으로 인해 Fig.
기존 핀 공법의 단점은?
기존의 핀 공법은 현장에서의 홀 (Hole)가공으로 분진 및 소음이 발생하게 되며, 작업자의 숙련도에 따라 홀의 크기가 일정치 않아 균질한 시공품질을 기대하기 어려운 단점이 있다.
핀(Pin) 공법은 어떤 장점이 있는가?
현장에 적용되는 대표적인 석재 커튼월 시공방법인 핀(Pin) 공법은 강재 트러스지지공법, Unitized Wall공법, 앵커긴결공법 등 대부분의 방식에 적용이 가능하다. 일반적으로 시공비가 저렴하고 시공방법이 간단하다는 장점이 있어 80년대 이후부터 현재까지 주로 사용되어지고 있다.
참고문헌 (6)
AAMA, (2005), Penetration of Windows, Curtain Walls and Doors Using Dynamic Pressure, American Architectural Manufacturers Association.
Ju, B. S., Ryu, Y. H., and Jung, W. Y., (2011), Seismic Risk Analysis of Nonstructural Compononts in Critical Facilities, Journal of the Korea Institute for Structural Maintenance Inspection, 15(3), May, 34-38 (in Korean).
Lee, Y. L., Hong, S. W., (2012), A Study on the Construction of Stone or Exterior Tile Unit Aluminum Truss Method, Journal of the Korea Institute of Building Construction, 22(1), May, 219-220 (in Korean).
Ministry of Land Infrastructure and Transport, (2013), Standard of Construction Estimate (in Korean).
Seo, D. H., Kim, Y. H., (2000), An Experimental Study on the Basic Properties for Development of Lightweight Stone Curtain Wall (1), Journal of the Architectural Institude of Korea, 20(1), April, 481-485 (in Korean).
Wong, W. S., (2007), Analysis and Design of Curtain Wall Systems for High Rise Buildings, Master Dissertation, University of Southern Queensland, Faculty of Engineering and Surveying.
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