2.1. 석재 커튼월의 종류 및 공법

현장에 적용되는 대표적인 석재 커튼월 시공방법인 핀 (Pin) 공법은 강재 트러스지지공법, Unitized Wall공법, 앵커 긴결공법 등 대부분의 방식에 적용이 가능하다. 일반적으로 시공비가 저렴하고 시공방법이 간단하다는 장점이 있어 80 년대 이후부터 현재까지 주로 사용되어지고 있다.

2.2. 기존 석재 커튼월의 특징

최근 들어 기존 핀 공법의 단점을 보완한 언더컷 앵커 공 법이 개발되어 시공되기 시작하였으나, 현재까지 석재 커튼 월의 시공에는 핀 공법이 주류를 이루고 있다. 핀 공법은 구 조체와 석재 사이에 공간을 두고 단열재를 설치한 후 촉 형 태의 앵커를 통해 석재 패널을 구조체에 설치한 고정앵글에 부착하는 공법으로, 석재 패널과 패널 사이의 줄눈에 실란트 를 이용한 코킹처리로 내부를 밀폐시킴으로써 빗물이나 외 부공기의 유입을 차단하는 공법이다. 이 공법은 코킹에 의한 차수성능이 완벽하지 않을 경우 내부 단열재가 젖어 정상적 인 요구성능의 유지가 불가능하며, 코킹의 노후화에 따라 지 속적인 유지보수가 필요하고, 석재 패널을 시공하는 과정에 서 숙련공의 부족과 번거로운 작업과정으로 인해 Fig. 1과 같이 촉 및 앵글 미설치에 의한 석재 탈락 등과 같은 문제가 발생하고 있으며, 하부로부터 적층하는 방식의 설치가 이루 어지기 때문에 상부로부터의 하중으로 인해 하부석재의 부 분적인 파손이 일어나는 사례가 많다.

이러한 핀 공법을 통해 시공한 석재 커튼월의 손상이 발생 하여 보수가 필요한 경우 손상된 석재 패널을 철거한 후 구 조체에 남아 있는 앵글과 교체할 석재 패널의 고정은 기존의 기계적 결합이 아닌 에폭시 등의 접착제를 통해 이루어지게 되는데 이 경우 에폭시를 통해 고정되는 석재와 앵글의 재료 적 이질성으로 인한 열화 또는 박리가 발생하여 보수부위의 탈락, 손상이 재차 반복될 가능성이 있다.

Fig 1.

Problems of pin hole method

3.1. 개선된 석재 커튼월 공법의 구성 및 특성

기존공법의 문제점을 해결하기 위한 건식 석재 커튼월 설 치 공법으로서 기술적인 측면에서 시공기간 단축, 시공안전 성 확보, 시공의 정밀도, 유지보수성 확보, 작업의 안전성, 친환경 기술 등을 목표로 개발된 앵커공법의 구성은 Fig. 2 와 같다. 본 공법은 오픈 조인트 (Open Joint)공법에 속하는 방식으로 특수 제작한 언더컷 앵커를 Fig. 3에 나타낸 바와 같이 석재 패널의 배면에 삽입하여 알루미늄 앵글과 조립하 여 구조체에 조립하는 방식으로 고정앵글에 보조 고정 홀이 형성되어 있어서 기존공법과 달이 석재패널의 부분적인 보 수에 대한 문제를 해결하였다. 기존공법에 비해 얇은 두께의 석재 패널에도 시공이 가능하여, 외벽 석재 마감 적용에 따 른 구조체의 중량화를 최소화 할 수 있다. 또한, 공장으로부 터 운반된 석재 패널을 구조체에 설치하는 공정에서의 작업 을 간소화하여 시공성이 향상되는 동시에 현장 작업인력을 절감하고 시공품질의 균질성을 확보하기가 용이한 장점을 갖고 있다.

Fig 2.

Composition of improving anchor system

Fig 3.

Stone panel installation process

3.2. 개선내용 고찰

3.2.3. 유지관리

기존의 핀 공법은 석재의 교체를 위해서는 손상부위를 제 거하고 핀을 절단하여 기존에 핀으로 고정되던 부위에 핀을 재설치할 수가 없으므로 에폭시를 통해 시공하여야 하므로 기계적으로 완전한 보수라 하기 어려우며, 보수가 완료된 후 에도 안전성에 문제가 발생할 여지가 남아있었으나 본 개발 공법은 보조 고정 홀을 통해 기계적으로 안정적인 석재의 부 분보수가 가능한 특징이 있다. 이러한 부분 보수 과정을 Table 1에 나타낸 바와 같이 기존의 고정 핀을 제거한 후 교 체 석재 패널을 고정하는 과정에서 보조 고정 홀을 통해 핀 으로 고정이 이루어지므로 보수가 간편하다.

Table 1.

Comparison of construction method improvement

Item	Pin hole method	Improvement	Developed method
Workability and work efficiency		Stone panel drilling is from the plant because stone processing operations at the construction site will be minimizes. Stone processing is done at the plant, so can shorten the construction period and mass production. Minimizes stone loss and construction site environmental improvement caused by stone processing at construction site.
		Improved difficulty of construction work of stone panels due to manpower saving and can shorten the construction period. Regardless of the skill of workers in construction uniform construction quality can be obtained.
Maintenance and repair work		After removal damaged stone panels and mounted new stone panels through a secondary fixing holes can be restored to combination of mechanical. There is no chemical adhesive such as epoxy therefore not require curing periods and repaired as soon as the required performance can be secured.

3.2.4. 공사기간 및 경제성

본 개발공법은 기존의 핀 공법에 비하여 주요부재의 공장 제작으로 인한 공기절감 외에 석재 커튼월을 구조체의 시공 부위에 양중하여 설치∙고정하는 공정에서의 작업 간소화를 통해 투입인력 및 공사기간의 절감이 가능하도록 하였다. 이 러한 공기단축 및 공사비 절감에 대한 분석을 하기 위해 기 존 핀 공법과 개발공법의 일위대가를 산정하고 단위면적당 소요되는 공사비와 투입인력의 분석을 실시하였으며, 분석내 용은 다음 Table 2와 Table 3에 나타낸 바와 같다. 분석결과 석재 마감공사 과정에서 가장 많은 인력 투입이 필요한 공정 은 석재 패널 설치 공정으로 해당 공정에서 소요되는 인건비 는 약 65%가량 절감이 되었다. 이를 단위면적당 소요되는 전체 공사비로 환산하여 비교한 결과는 Fig. 4에 나타낸 바 와 같다. 단, 본 연구에서 진행한 일위대가를 통한 공사비 분 석에서 석재의 재료비는 제외하고 검토하였으며, 상대적으로 두께가 얇은 석재의 사용이 가능한 본 공법의 경우 이를 고 려할 경우 추가적인 공사비 절감이 가능할 것으로 판단된다. 산정한 일위대가표를 통해 단위면적당 소요되는 총 공사비 를 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 재 료비를 고려할 경우 핀 공법에 비해 더 향상된 공사비 절감 효과를 얻을 수 있을 것으로 판단된다.

Table 2.

Itemized unit cost of improved construction method

Item	Standard	Unit	Quantity	Material Cost		Labor Cost
				Unit Price	Amount	Unit Price	Amount
Drill bits		EA	0.057	18,000	1,026
2nd angle	L-26*70*5T	EA	7.4	430	3,182
Undercut anchor	M6×30	EA	7.4	280	2,072
Nuts	M6	EA	7.4	9	67
Adjust plate		EA	3.7	250	925
Hardware	Bolt, Nut, Anchor	EA	3.7	403	1,491
SUS angle		EA	3.7	420	1,554
Labor cost	Stonemason	man	0.16			128,544	20,567
Labor cost	Laborer	man	0.114			81,443	9,284
Amount					10,317		29,851

Table 3.

Itemized unit cost of pin hole method

Item	Standard	Unit	Quantity	Material Cost		Labor Cost
				Unit Price	Amount	Unit Price	Amount
Hardware	Anchor bolt	EA	4.33	2,025	8,768
Adhesive	Epoxy	kg	0.05	46,000	2,300
Labor cost	Stonemason	man	0.43			128,544	55,273
Labor cost	Laborer	man	0.21			81,443	17,103
Amount					11,068		72,376

Fig 4.

Comparison of construction cost per unit area

이러한 공사비 절감 효과 외에도 개발공법을 적용하여 건 물의 외벽에 석재 커튼월을 시공하게 될 경우 현장에서의 석 재 패널 가공을 위한 별도의 작업이 필요하지 않으며, 석재 패널을 건물의 구조체에 설치해놓은 고정앵글에 고정하는 과정에서의 작업성을 개선하여 해당 작업 간에 소요되는 공 사기간을 단축하는 효과를 얻을 수 있으며, 전체 공사에 소 요되는 작업을 품으로 환산하여 비교한 결과를 Fig. 5에 나 타내었다. 다음 그림에 나타낸 바와 같이 전체 공사에 소요 되는 품을 60% 이상 절감하는 것이 가능해 공사기간의 단축 효과가 크다.

Fig 5.

Comparison of manpower per unit area

4.1. 기본물성

개발된 건물외벽 건식마감 석재 커튼월 공법의 주요 구성 부재에 대한 기본적인 구조성능을 석재패널과 패널에 시공된 언더컷앵커 사이의 인발강도와 전단강도 시험 (^{Seo, 2000})을 통해 검토하였다. 또한, 동결융해시험을 거친 후 인발 및 전 단강도를 함께 진행하였으며, 시험방법은 KS규격과 ASTM 등의 기준을 참고하였다. 시험은 화강석과 대리석 각각 5개 씩의 시편을 제작하고 각 시편별로 앵커가 석재 패널로부터 완전히 탈락되어서 추가적인 하중 지지가 불가능 할 때까지 가력하여 진행하였다. 각 인발 및 전단 강도시험은 Fig. 6과 같이 실시하였고, 결과는 Table 4에 나타낸 바와 같다.

Fig 6.

Material property test

4.2. 내풍 및 기밀성능

본 연구에서는 개발한 외벽마감 석재 커튼월의 내풍 및 기 밀성능에 대한 성능을 검토하기 위해 2층 규모의 실물모형 을 제작하여 Mock-Up 실험을 실시하였다.

실물모형실험은 외장재를 구성하는 각 부위의 성능 및 기 능을 복합적으로 평가하고 도면과 계산만으로 파악하기 어 려운 문제점을 실제 시공 전에 체크하고 본 공사에 반영하기 위해 실시하는 실험으로써, 실험의 진행과 평가는 ASTM에 서 제시하고 있는 기준에 따라 이루어졌다. 실험진행상황과 각각의 실험항목 (^{AAMA, 2005})과 합격기준에 관한 내용은 Fig. 7과 Table 5에 나타내었으며, 실험결과 예비실험과 구 조성능실험 등 수행된 모든 실험에 대해 기준에 제시된 성능 을 만족하므로 본 공법을 적용한 석재 커튼월이 외장재로서 요구성능을 충족하는 것으로 나타났다.

Fig 7.

Mock-up speciment setup

4.3. 내진성능

국내 건축구조기준에서 외장재는 비구조요소로 분류되기 때문에 구조설계 시 검토되지 않는 것이 일반적이었으며, 외 장재에 대한 내진성능 검토 역시 일반적으로 이루어지지 않 고 있다. 그러나 현재와 같이 외장재에 대한 내진성능 검토 가 잘 이루어지지 않을 경우 실제 지진이 발생했을 때 건물 의 주요 구조부재들이 안전하다고 하더라도 외장재의 파손 으로 인한 막대한 인명 및 경제손실을 야기할 것으로 우려된 다 (^{Ju, 2011}). 따라서, 본 연구에서는 개발된 석재 커튼월의 내진성능을 검토하기 위해 Fig. 9와 같이 진동대실험을 실시 하였다. 실험은 부산대학교 지진방재연구센터에서 수행되었 으며, 약 1개 층 높이의 실험체에 El Centro 지진파에 대해 50, 100, 200, 250, 350%의 가속도를 X, Y, Z 방향에 대해 각각 가진하였다. 각 단계 실험 후 석재 패널 및 연결부, 부 속의 손상 및 탈락을 조사하였다. 100% 가력의 방향별 입력 가속도는 Fig. 8에 나타내었고, 실험결과는 Table 6에 나타 낸 바와 같이 X방향 1.56g, Y방향 1.51g의 PGA에 대해 패 널과 연결부의 손상이 발견되지 않았으며, 지진하중에 대해 충분한 안전성을 갖는 것으로 판단된다.

Fig 8.

Seismic test input acceleration (El Centro 100%)

Fig 9.

Seismic test setup

4.4. 접합부 구조해석

구조검토에 적용한 설계하중은 건축구조 설계기준 (KBC, 2009)에 명시되어 있는 외장재의 설계풍압 산정 방법에 따 라 산정하였다. 또한 단위 패널이 부담하는 자중을 고려하였 으며, 구조해석 (^{Wong, 2007})을 수행한 단위석재패널의 규 격은 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 고 정되는 지점을 고려하였고 하중조건은 단위패널에 작용하게 되는 자중과 풍하중을 수평 및 수직하중으로 나누어 입력하 였다. 해석은 설계 시 계산된 풍하중 (Case 1)과 지진에 대 한 골조의 시간이력해석을 통해 얻은 하중 (Case 2), 기준에 따라 계산한 지진하중 (Case 3)에 대해 각각 수행하였으며, 구조해석 모델링에 관한 내용은 Fig. 10에 나타내었다. 해석 결과 패널의 정착은 층간변위에 의해 지배되어지는 것을 확 인할 수 있었으며, 해석변수들에 따라 패널의 폭이 작을수록 앵커 정착부에 큰 힘을 발생시키게 된다. 풍하중에 대해 해 석한 경우 앵커 정착부에서의 반력은 물성시험결과에서 추 출한 인발강도에 비해 구조적으로 안전한 값을 나타내는 것 을 확인하였고, 그 외 두 가지 경우에서도 석재 패널에 작용 하는 하중에 대해 앵커 정착부가 안전한 것으로 나타났다. 이에 대한 해석결과는 Table 7과 Fig. 11, Fig. 12에 나타낸 바와 같으며, 각각의 경우에 대한 석재패널의 구조해석을 통 해 해석대상인 개발공법을 이용한 석재 커튼월 부재의 구조 적인 안전성을 확인할 수 있었다.

Fig 10.

Analysis model and horizontal load inputt (with self weight)

Fig 11.

Reaction of stone panel (Case 3)

Fig 12.

Estimation of stress of stone panel (Case 3)