[논문]한옥지붕 경량화를 위한 신형 한식기와 개발

박진철; 정찬홍

doi:10.5762/kais.2019.20.12.765

한옥지붕 경량화를 위한 신형 한식기와 개발
Development of a New Clay Roof Tiles for the Reduction of Weight in Korean-Style Roof 원문보기

한국산학기술학회논문지 = Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, v.20 no.12, 2019년, pp.765 - 771

박진철 ((주)대동요업) , 정찬홍 (대구대학교 화학공학과)

초록
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기존 한식기와에서 요구되는 강도, 흡수율, 내동해성 등은 유지하면서 지붕 하중을 대폭 줄일 수 있는 새로운 한식기와가 개발되었다. 물막이 턱과, 유속을 빠르게 하는 음각유로를 이용하여 기와 사이의 틈으로 유입되는 빗물을 방지할 수 있도록 설계되었다. 새로 개발된 한식기와는 빗물 역류 방지 능력이 있으므로 지붕에 흙이 필요 없는 건식시공이 가능하다. 새로 개발된 기와를 이용한 건식시공 한옥지붕은 흙을 필요로 하는 기존의 습식시공 한옥지붕에 비하여 지붕 중량이 약 80% 이상 감소될 수 있다. 건평 30평인 전통한옥의 경우 신형 한식기와 사용 시 지붕 중량이 약 135톤에서 약 24톤으로 줄어든다. 제작된 신형 한식기와의 물성은 KS 규격을 만족하였으며, 기와 1개당 중량은 기존 기와보다 30% 이상 가볍고, 신형 한식기와로 지어진 지붕은 우리나라의 강수량 기록을 60% 이상 넘어서는 200mm/h강수량과 풍속 17m/s의 태풍급 폭풍우에서도 물이 새지 않는 우수한 배수성을 보였다. 중량감소 효과와 우수한 배수성 이외에도, 새로 개발된 한식기와는 경제성, 효율성, 작업 편의성, 유지보수, 내진성 등에서 기존 한식기와에 비하여 우수한 장점이 있다.

Abstract ▼ AI-Helper

New Korean-style clay roof tiles have been developed with a focus on significantly reducing the roof's weight while maintaining the strength, absorption rate, and freeze durability. The backflow of rain water through the gaps between roof tiles is prevented by employing baffles and a groove to accelerate water flow. With the new roof tiles, dry construction of a roof is possible without requiring soil. By using the dry construction method with the new roof tiles, a reduction in roof weight of more than 80% is possible compared to the conventional wet construction method with soil. In the case of a traditional Korean-style house with a building area of 99 square meters, the roof weight can be reduced from 135 tons to 24 tons. The new tiles satisfy the KS requirements and are more than 30% lighter than traditional roof tiles. A roof constructed using the new tiles showed no water leaks when exposed to typhoon-class winds with speeds of 17 m/s and 200 mm/h of rainfall, which is 60% higher than the Korea rainfall record. The new roof tiles also have advantages of economic efficiency, workability, maintenance, and aseismicity compared to previous Korean-style roof tiles.

주제어

표/그림 (19)

그림 Fig. 1. Traditional Korean-style clay roof tiles (a) Female tiles (b) Male tiles
그림 Fig. 2. Traditional Korean-style clay roof construction-wet method (a) side view (b) cross-sectional view
그림 Fig. 3. Korean-style clay roof construction-dry method (a) side view (b) cross-sectional view
그림 Fig. 4. Water leak in Korean-style clay roof
그림 Fig. 5. Water leak due to splashing of water in old Korean-style female roof tiles
그림 Fig. 6. Prevention of splashing water leak using baffles in new Korean-style female roof tiles
그림 Fig. 7. Arrangement of baffles in new Korean-style female roof tiles
그림 Fig. 8. Connection of old male tiles in Korean-style roof
그림 Fig. 9. Connection of new male tiles in Korean-style roof
그림 Fig. 10. Water flow path on inclined Korean-style roof (a) no edge cutting (b) edge cutting
그림 Fig. 11. Drawing of a new Korean-style roof tiles
그림 Fig. 12. Groove to accelerate water flow on the tile surface
그림 Fig. 13. New Korean-style female clay roof tiles (a) front (b) back
그림 Fig. 14. New Korean-style male clay roof tiles (a) front (b) back
그림 Fig. 15. Roof constructed by dry construction method with new Korean-style roof tiles
표 Table 1. KS specification test results for new roof tiles
그림 Fig. 16. Drawing of water infiltration test apparatus
그림 Fig. 17. Water infiltration test apparatus
표 Table 2. Water infiltration test result at 200mm/h rainfall and 17m/s wind speed(○ No leak, ● leak)

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 일반적인 한옥지붕 경사도로 설치되었을 때에 우리나라의 최고기록을 넘어서는 강수조건과 보통 태풍(중심부근 최대풍속 17m/s 이상)급 폭풍우에서도 지붕에 누수가 일어나지 않는 배수성을 최소기준으로 정하였다. 기와의 배수성을 측정하는 공인시험방법이 없으므로, 허리케인이 많이 상륙하는 미국 Florida 주의 지붕에 설치된 방수층 및 시설물까지를 포함하는 지붕시 스템에 대한 누수 실험 방법[7]을 참조하여 배수성 실험 설비를 제작하였다.

제안 방법

Fig. 13과 Fig. 14에서 볼 수 있듯이 연결부분에 2중 물막이 턱을 설치하였고, 후면에도 전면의 물막이 턱에 대응하는 물막이 턱을 설치하여 인터록킹(interlocking) 구조로 제작되었다. 또한, 기와 설치 시 바닥재에 고정을 위하여 못구멍을 추가하였다.
11은 신형 건식형 암키와 시제품 도면이다. 그림에서 볼 수 있듯이 기와의 측면에 물막이 턱을 설치하고 하단부의 폭을 상단부보다 약 10mm 좁게 하는 측면커팅 기법을 이용하여 지붕 측면경사 시 암기와 측면으로 물이 흘러내리는 현상을 제거하였다.
본 연구에서는 일반적인 한옥지붕 경사도로 설치되었을 때에 우리나라의 최고기록을 넘어서는 강수조건과 보통 태풍(중심부근 최대풍속 17m/s 이상)급 폭풍우에서도 지붕에 누수가 일어나지 않는 배수성을 최소기준으로 정하였다. 기와의 배수성을 측정하는 공인시험방법이 없으므로, 허리케인이 많이 상륙하는 미국 Florida 주의 지붕에 설치된 방수층 및 시설물까지를 포함하는 지붕시 스템에 대한 누수 실험 방법[7]을 참조하여 배수성 실험 설비를 제작하였다. Fig.
풍속은 지붕경사면의 처마에 해당하는 부분 상단 500mm~1,000mm에서 측정하였다. 누수시험은 시험체인 기와지붕을 일정한 시험 경사 각도에서 10분간 풍속 17m/s, 강수량 200mm/h를 유지한 후 기와뒷면에서 누수여부를 육안으로 확인하였다.
14에서 볼 수 있듯이 연결부분에 2중 물막이 턱을 설치하였고, 후면에도 전면의 물막이 턱에 대응하는 물막이 턱을 설치하여 인터록킹(interlocking) 구조로 제작되었다. 또한, 기와 설치 시 바닥재에 고정을 위하여 못구멍을 추가하였다. 지진에 매우 취약한 기존 습식기와와 달리, 새로 개발된 한식기와를 이용한 한옥지붕은 이러한 못에 의한 설치가 인터록킹에 의한 맞물림과 함께 작용하여 강한 지진에도 견딜 수 있다.
많은 양의 진흙을 사용하는 습식공법으로 시공되어 건축비가 매우 높아 한옥보급의 걸림돌이 되고 있는 기존 한식기와의 단점을 개선하기 위하여, 기존의 한식기와와 동일한 재료인 점토를 사용하면서도 물막이 턱과 유로변경 및 측면커팅 기술 등 여러 가지 누수 방지를 위한 기술을 도입하여 흙이 필요 없는 건식형 시공이 가능한 신형 한식기와를 개발하였다.
4에서 볼 수 있듯이 암기와 앞면 표면으로 흘러내리는 물이 모세관 현상으로 기와 뒷면의 하부 표면으로 흡수되어 물방울을 형성하여 낙하하는 것이다. 본 연구에서는 Fig. 12와 같이 암기와의 표면에 물을 빠르게 흐를 수 있도록 하단으로 갈수록 좁고 깊어지는 유로를 음각하였다. 상단의 유로는 넓고 얕으며 하단으로 내려가면서 좁고 깊어진다(최대 깊이 약 2mm).
8과 같이 수키와와 수키와의 체결부분이 단순한 형태로 되어 있어 수키와와 수키와의 연결 부분 공간으로 누수가 일어난다. 본 연구에서는 Fig. 9와 같이 체결 부분 외부와 내부에 물막이 턱을 추가한 새로운 수키와를 개발하여 수키와 연결부분에서의 누수를 방지하였다.
습식공법에서처럼 수분을 흡수하여 누수를 막아줄 알매흙이 없는 건식공법에서는 경사가 있는 측면 시공 시에도 빗물이 누수 되지 않는 기와가 필요하다. 본 연구에서는 기와의 측면에 물막이 턱을 설치하고, Fig. 10(b) 와같이 기와 하단부의 폭이 상단부보다 좁아지는 측면커팅 기법을 이용하여 지붕 측면경사 시 암기와 측면으로 물이 흘러내리는 현상을 제거하였다. 물막이턱을 설치하면 낮은 경사 시에는 측면으로 물이 넘쳐흐르는 것을 막을 수 있으며, 경사가 심한 경우에도 흘러내린 물은 아래에 있는 기와의 물막이 턱 안쪽으로 흘러서 암키와와 암키와 사이로 누수 되는 현상을 효과적으로 방지할 수 있다.
본 연구에서는 재료의 개선 대신 기존의 한식기와와 동일한 재료인 점토를 사용하면서도 물막이 턱(baffle)과 유로변경 및 측면커팅 기술 등 기와의 구조개선을 통하여 누수현상을 완벽하게 제거함으로써 흙을 사용하지 않고, 소요되는 기와의 무게도 30% 이상 감소시켜, 질감이나 외형에서는 전통 한식기와 동일하면서도 지붕 무게를 80% 이상 줄일 수 있는 건식형 한식기와를 개발하였다.
시험대의 크기는 가로 2,000mm 세로 4,500mm의 크기로 제작하였고, 시험대 위에 암키와와 수키와를 이용하여 시험대와 동일한 크기의 지붕을 설치하였다. 분사를 위한 시설은 가로 2,000mm, 세로 4,500mm의 크기로 지붕시공 경사면에서 최소 1.2m 높이에 설치하여 하단 시험대와 수평이 되도록 하였으며 32개의 분사노즐을 지그재그 방식으로 부착하여 시험대에 물이 골고루 분사되도록 하였다. 풍속은 지붕경사면의 처마에 해당하는 부분 상단 500mm~1,000mm에서 측정하였다.
기와의 KS 규격은 휨파괴하중, 흡수율, 내동해성 및 겉모양과 치수로 구성되어있다. 자체시험 수행 후 공인인증기관에 의뢰하여 시험하였다.

대상 데이터

누수시험은 공인시험기관(한국건설생활시험연구원) 입회하에 지붕각도 11도와 16도 두 경우에 대하여 수행되었다. 신형 한식기와의 경우 2단걸이로 기와를 세팅하였으며, 기존 한식기와는 일반적인 잇기 방법인 촘촘한 3 단걸이로 세팅되었다.
시험대의 크기는 가로 2,000mm 세로 4,500mm의 크기로 제작하였고, 시험대 위에 암키와와 수키와를 이용하여 시험대와 동일한 크기의 지붕을 설치하였다. 분사를 위한 시설은 가로 2,000mm, 세로 4,500mm의 크기로 지붕시공 경사면에서 최소 1.

이론/모형

개발된 신형 한식기와의 품질관리와 물리적 특성을 확인하기 위하여 KS 규격[6] 관련 시험을 실시하였다. 기와의 KS 규격은 휨파괴하중, 흡수율, 내동해성 및 겉모양과 치수로 구성되어있다.

성능/효과

개발된 기와의 물성은 KS 규격을 만족하였고, 누수실험을 수행하여 우리나라의 강수량 기록을 60% 이상 넘어서는 200mm/h 강수량과 풍속 17m/s의 태풍급 폭풍우에서도 우수한 배수성을 갖고 있음을 보였다.
한식기와 KS 규격 휨파괴하중은 암키와를 기준으로 하며 2,800N 이상이다. 개발된 신 한식 암키와의 공인인증기관 시험 휨파괴하중 평균값은 3,277N으로 요구값을 17% 상회하였다. 기존 암키와의 두께는 약 21mm로 중형 암키와의 경우 중량이 5.
개발된 신형 한식기와는 지붕하중 감소 외에도, 지붕 단위 면적당 사용 기와수의 감소에 의한 재료비 절감, 인터록킹 구조와 30% 이상 가벼운 중량으로 인한 시공 및 작업편의성, 유지보수의 용이함, 인터록킹 구조와 못구멍 설치에 의한 내진성 증가 등 기존 한식기와에 비하여 많은 장점을 가지고 있어 우리나라는 물론이고 습식형 기와지붕을 사용하는 아시아권(중국, 일본, 대만)의 지붕 건축 공법에 혁신적인 변화가 예상된다.
개발된 신 한식 암키와의 공인인증기관 시험 휨파괴하중 평균값은 3,277N으로 요구값을 17% 상회하였다. 기존 암키와의 두께는 약 21mm로 중형 암키와의 경우 중량이 5.0~5.3kg/개에 달하였으나, 신형 한식 암키와는 물막이턱 등 구조물이 강도 보강 역할을 하여 KS 휨파괴하중을 만족시킬 수 있는 최소 두께인 15~17mm로 개발 가능하였으며 평균 중량은 약 3.5kg/개로 30% 이상 중량이 감소하였다.
본 연구에서는 Fig. 6 및 Fig. 7과 같이 암키와의 앞면과 뒷면 및 좌·우 측면에 물막이 턱을 설치하여 빗물이 들어오는 것을 방지하였다.
신형 한식기와로 건식시공시, 흙 90톤이 필요 없으며, 강력한 배수기능으로 2단걸이 시공이 가능하여 필요한 기와의 개수가 50% 줄어들고, 물막이 턱의 강도보강 역할로 두께가 얇아서 기와의 평균 중량이 30% 이상 가벼워, 80% 이상의 지붕하중이 감소된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	전통 기와의 구성은?	한옥지붕의 기본이 되는 전통 기와는 Fig. 1과 같이 얇은 직사각형 판을 구부려 놓은 것처럼 구조가 단순한 암키와(female tiles)와 수키와(male tiles)이며, 이 외에도 암막새, 수막새, 노시, 초장, 착고, 망와 등 다양한 부속기와가 필요하다[4, 5].
	신형 한식기와가 기존 건식형 한식기와와 다른점은?	본 연구에서는 재료의 개선 대신 기존의 한식기와와 동일한 재료인 점토를 사용하면서도 물막이 턱(baffle)과 유로변경 및 측면커팅 기술 등 기와의 구조개선을 통하 여 누수현상을 완벽하게 제거함으로써 흙을 사용하지 않고, 소요되는 기와의 무게도 30% 이상 감소시켜, 질감이나 외형에서는 전통 한식기와 동일하면서도 지붕 무게를 80% 이상 줄일 수 있는 건식형 한식기와를 개발하였다.
	한옥 지붕 누수의 원인은?	한옥 지붕에서 누수현상의 주된 원인은 Fig. 4와 같이 1) 상단과 하단의 암키와 사이로 빗물이 튀어 들어오는 현상, 2) 암키와 상부 표면으로 흘러내리는 물이 모세관 현상으로 기와 하단의 하부 표면으로 흡수 되어 물방울을 형성하여 낙하, 3) 기와 상부 표면으로 흡수된 수분이 물방울을 형성하여 낙하, 4) 지붕 측면경사 시 암키와 측면으로 물이 흘러내리는 현상 등이 있다.

참고문헌 (8)

K. S. I. Kim, Y. H. Koh, "2016 Survey on Public Awareness of Hanok and Analysis of Demand Characteristics", Hanok Policy Brief, No. 45, National Hanok Center auri, Dec. 2016.
S. Cho, Study on the Production of Works Through Hanok Roof Installation - Focus on Self Work, Master's thesis, Dongguk University, Seoul, Korea, pp.2-7, June 2006.
M. Kim, H. Kim, J. Ryu, Y. Jung, "New Building Materials and Methods for Modernized Korean Housing (Hanok)", Korean Journal of Construction Engineering and Management, Vol. 15, pp. 23-32, Mar. 2014. DOI: https://doi.org/10.6106/KJCEM.2014.15.2.023
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TAS No. 100-95, Test Procedure for Wind Driven Rain Resistance of Discontinuous Roof Systems, Florida Test Protocols for High-Velocity Hurricane Zones, Sixth Edition, International Code Council, Inc., U.S.A., July 2017.
T. H. Park, "'Like Fall' 120.7mm/h Rainfall at Seogwipo, Jeju Record.Korea Record", Segyeilbo, 2018, http://www.segye.com/newsView/20180902002115, 2019.08.07.

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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