Journal of the Korea Institute of Building Construction, Vol. 14, No. 2 http://dx.doi.org/10.5345/jkibc.2014.14.2.127 pissn 1598-2033 eissn 2233-5706 www.jkibc.org 건축물이고층화, 대형화됨에따라다양한기능성을만 족할수있는커튼월개발에대한필요성이대두되고있다. 특히, 지난 2010 년해운대우신골든스위트화재사건을계 기로언론을통해고층건물커튼월의화재안정성에관한 문제가꾸준히제기되고있으며, 이를해결하기위해정부 에서는불연및내화성능을갖는단열재및마감재를사용 하고, 층간방화구획을설계하도록하고있다. 커튼월의내 화성능확보를위해해외에서는유럽 EN code 와독일 DIN code 에따라사전에커튼월의내화성능을평가하도록하고있지만 [1], 국내내화구조의인정및관리기준 ( 국토해양부고시제2012-552호 )[2] 에는현재층간방화외에커튼월시스템에대한정확한내화기준이명기되어있지않은현황이다. 또한내화구조임을인정받기위한시험방법인한국산업규격 KSF 2257-8( 건축부재의내화시험방법-수직비내력벽구획부재의성능조건 ) 을비내력벽인커튼월에적용하려해도 커튼월이나문또는유리를포함하고있는벽의내화시험에는적용하지않는다 고명시되어 [3] 그대로적용할수없다. 따라서국내커튼월의내화성능에관한평가기준은커튼월전체에관한평가가아닌층간방화에만국한되어있다고할수있다. 본연구는시스템자체가내화성능을갖는경량무기발 127
A Study on the Construction Performance of Curtain Wall Systems Using Fire-Resistant & Light-Weight Inorganic Composite Foam Board 포보드를이용한내화커튼월시스템을제안하고, 시공법및경제성을검토하고자한다. 이를위해불연성능및내화성능시험을실시하였으며, 내화성능시험은유럽 EN code 의시험방법에따라 건축물의피난ㆍ방화구조등의기준에관한규칙 ( 국토교통부령제1호 ), 비내력벽의내화구조성능기준인 30분을 [4] 만족하는지확인하였다. 또한 mock-up 시공을통해이시스템에대한시공성및현장적용성을분석하고, 원가계산을통해기존시스템과의경제성을비교검토하였다. 커튼월건물의스팬드럴 (Spandrel) 파트는커튼박스상단부터비젼 (Vision) 파트의하단부로, 모듈상비젼파트에비해수평재의간격이좁고유리의하중또한작게작용하는것이상례이다. 스팬드럴파트는미관상내부시설물이보이지않아야하는부분으로외부건물디자인의중요한요소가된다. 또한외기나내부, 층간및단열을담당하는중요한요소로서단열재를포함한백패널 (Back Panel) 로구성하며, 층간에는단열재를시공하여열교를방지하고건물외피의에너지성능을향상시킨다. 일반적으로커튼월스팬드럴구간에적용되는백패널내부에미네라울, 글라스울과같은무기계섬유를사용하여내화성능을높이고있으나, 무기섬유의특성상수분에취약하고뭉침및처짐현상등이발생하여단열성능이떨어진다는단점이있다. 폴리에스테르와같은유기계소재는화재에취약하여일산화탄소발생에의한인체유해성등의문제로건물적용에그한계가있다. 반면, 폐기물인폐유리분말 (Cullet) 과화력발전소부산물인석탄비산회 (Coal Fly ash) 를주원료로 1000 이상고온에서발포시킨무기발포소재는수분에취약하지않아장기간동일한단열성능을유지할수있으면서내화성또한모두갖춘소재이다 [5]. Figure 1은소재의조성및이를이용하여제작한내화성경량무기발포보드제품 (LI-CFB) 을보여준다. 일반적으로커튼월시스템은화재가발생하면 Figure 2 와같은경로로화재가확산된다. 커튼월의주자재인알루미늄은화염에노출되면, 그연화점이 660 라이론적으로 7여분정도가지나면녹기시작한다. 또한스팬드럴구간에사용되는글라스울경우도불연재이긴하나, 시공시 훼손되는경우가많아이를통해화염이확산된다. 더불어 실내측마감재가파손될경우파손된부위를통해습윤한 실내공기가단열재내부로투습되고단열성능저하및내 부결로를야기한다. 따라서본연구에서제안하는커튼월시스템은 Figure 3 와같이경량무기발포보드로스팬드럴구간의알루미늄 바를감싸화염으로부터바를보호하고, 백패널로사용되 는글라스울대신내수성에강한발포보드를취부하여시 공시훼손됨을방지하며기존단열재가가지는문제점을 보완한시스템이다. 또한글라스울을이용한백패널과유 사한열성능을갖으면서도 [6] 내화성능을향상시킨내화 커튼월시스템이다. 2 1 Framing Cover for Fire Exposure Protection Back Panel Firestop Material Mechanical Attachment/ Sealant Fire Protection Putty or Sealant Reinforcing Angle for Bending Prevention 128
흔히불연재로사용하는글라스울, 미네라울과대비하여무기발포보드의내화성능을간단한시험으로비교해보았다 (Table 1). 글라스울에 30초정도토치 (1000 ) 로가열하거나, 가열로 600 에서 30분간가열하였을시타서완전히용융되었으며, 미네랄울인경우도토치를사용한고온에서는타고, 가열로에서는체적이수축하였다. 그수축율이 26% 이상일뿐만아니라만졌을경우에는부스러졌다. 무기발포보드인경우표면에아주미세한균열이보였으나, 이는표면에함습되어진습기가고온에서갑자기건조되면서수축하여미세한균열이발생된것으로보여지며, 이는물성자체에변화를초래하지않는것으로확인되었다. 이결과는화재발생시글라스울과미네랄울에비해경량무기발포보드가화재확산방지에더유리함을보여준다. 내화성능은차염성, 차열성, 복사열로평가하는데먼저차염성시험결과, Figure 4와같이유리가깨지고착화가발생한시점은기존의글라스울백패널을이용한부위의경우 6분이경과하였을때이며, 21분이지났을때눈에띄게유리에변형이일어났다. 반면경량무기발포보드백패널을이용한내화커튼월시스템은 31분에착화가발생하였으나 60분이경과될때까지유리에큰변형이일어나지않았다. 초기온도로부터평균온도 140 또는최고온도 180 증가하는시점으로평가되는차열성및복사열에대한평가결과는기존시스템, 내화커튼월시스템모두최고온도에도달하기전에유리가깨졌으므로이후급격한온도상승을보였다. 따라서두시스템의내화성능은차염성시험결과에따라각각 6분, 31분이라고할수있다. 즉, 두시스템중제안된시스템만이비내력벽의내화구조성능기준인 30분을만족할수있었다. EN 1364-3 커튼월전체시스템의내화시험방법 은패널, 유리, 구조체, 선형조인트충전시스템, 확산등커튼월시스템에서요구되는내화성능을함께판단할수있는자세한시험방법및평가기준을제시하고있다 [7]. 경량무기발포패널을이용한내화커튼월시스템에대한내화성능을고찰하고자커튼월전체시스템의내화시험방법인 EN 1364-3 의시험방법에따라시험을수행하였다 [8]. 경기도광주시 H 연구소건물을대상으로내화커튼월시스템을 mock-up 시공하였다 (Table 2). 기존의알루미늄커튼월을철거하고, 경량무기발포보드를이용한내화커튼월시스템을 2012 년 12월부터 2013 년 1월까지약 3 개월간시공하였다. 커튼월이설치된곳은홀구간의 3개층으로써홀구간의건물의전 후면커튼월을철거후내화커튼월시스템으로교체시공하였다. 내화커튼월시스템은경량무기발포보드로기존의글라스울백패널을대체 129
A Study on the Construction Performance of Curtain Wall Systems Using Fire-Resistant & Light-Weight Inorganic Composite Foam Board 하고, 알루미늄 프레임에 취부함으로써 내결로성, 단열성 능은 물론 내화성능을 확보한 시스템으로 이 시스템에 대 한 작업 용이성, 공사 기간, 안전성 분석을 통해 시공성능 을 종합적으로 평가하였다. ① Writing Construction Documentation (specifications, drawings, etc.) 4.2 내화 커튼월 시스템 시공순서 및 시공 ④ Installing sub-material (Back Panel) ② Line marking of a curtain wall ③ Installing structural hardware and frame installing at back panel, attaching aluminum frame cover(mullion, transom) 커튼월 시공은 Figure 5와 같이 도면 및 시방서 작성기준 먹메김-부착철물 및 프레임 설치-부속재료(백패널) 의 설치-유리 설치-실링(Seal) 공사-화연방지층의 시공보양 및 청소 의 과정을 거친다. 내화 커튼월도 일반적인 커튼월의 시공순서를 따르는데, 부속재료(백패널)의 설치 에서 기존의 글라스울 및 아연도강판 설치 대신 공장에서 미리 제단되어 온 경량무기발포보드를 백패널로 설치하고, 더불어 내화성능을 향상시키기 위해서 커튼월 프레임에 추 가적으로 경량발포보드를 취부한다는 점에 차이가 있다. 다시 말해 기존 백패널의 시공은 Figure 6와 같이 부착 철물 설치-백패널 설치(아연도강판+글라스울)-실링 공 사 순으로 진행되지만, 내화성 커튼월은 부착철물 설치백패널 설치(경량무기발포보드)-실링공사-프레임 커버 설치(경량무기발포보드) 순으로 시공된다. 1. Installing glass wool 2. Installing Water-proofing film 1. Installing Light-weight Inorganic Composite Foam Board (back panel, frame cover) ⑤ Glazing ⑥ Sealing ⑦ Installing fire resisting systems (Fire resistant coatings or putties or sealants) ⑧ Curing and Cleaning Figure 5. Curtain wall installation sequence Existing back panel(glass wool) Table 2. Mock-up summary Building R&D Center Location Gwangju-Si, Gyeonggi-Do Site area 1,071 Floor area 797 Floor B1 F3 Main laboratory, office, facilities 3 housing models Fire-resistant curtain wall, ① Attaching L-type ② Screwing the back ③ Sealing and Installing angle to the curtain wall panel to the wall fire resisting systems LI-CFBs back panel Insulation installation ① Attaching L-type ② Screwing the back ③ Sealing and Installing angle to the curtain wall panel to the wall fire resisting systems Floor plan Section of Hall front view ④ Attaching to the frame back view ⑤ completion Figure 6. Installation procedure for back panel Details 4.3 시공 시 장점 및 공사기간 기존 백패널은 현장에서 직접 아연도강판 및 글라스울을 제단하여 설치하는 경우가 많다. 이때 발생하는 유리분진 130
Table 3. Working duration 등은 인체에 상당히 해롭고, 이동뿐만 아니라 적재 시 눌림 이나 외력에 의해서 Figure 7과 같이 훼손되는 경우가 많 아 품질확보에 어려움이 있다. Damage during construction Internal condensation Damage during shipment Installation procedure 1 2 3 Workday 4 5 6 7 8 Line marking of a curtain wall Installing structural hardware and frame Installing sub-material (Glass wool back panel) Existing curtain Glazing wall (Glass wool Sealing back panel) Surface Finishing System Different color / wave Figure 7. Construction defect of back panel Installing fire resisting systems Curing and Cleaning Line marking of a curtain wall Installing structural hardware and frame Installing sub-material (LI-CFBs back panel) Fireresistant Installing frame cover curtain wall (LI-CFBs Glazing back panel) Sealing 반면 경량 무기 발포보드는 Figure 8과 같이 공장에서부 터 Cutting기를 이용하여 제작치수에 맞게 제단 되어져 현 장으로 반입되며, 2차 가공 없이 이를 바로 시공할 수 있다. 제단이 용이하므로 Figure 9와 같이 시공 시 수정 작업도 가능하다. 또한 단단한 보드로서 적재 시 눌림 발생이 없고, 파손여부를 바로 확인할 수 있어 품질확보가 용이하다. 커튼월의 총 공사일수는 일반적으로 8일 정도이다. 내화 커튼월 시스템은 기존 커튼월과 비교하여 프레임 커버 설 치 공정이 추가되지만 경량 무기 발포보드 백패널 설치와 연속하여 이루어지므로 전체 공사기간에 영향을 주지 않는 다. 각 커튼월 시스템의 공사기간은 Table 3과 같다. Existing back panel(glass wool) Installing fire resisting systems Curing and Cleaning 5. 경제성 분석 Developed Board ① Manufacturing a galvanized steel sheet ② Cutting a glass wool and attaching ① Cutting ③ Finishing ④ Packing and shipment to site ② Packing and shipment to site Figure 10과 같이 H 연구소에 시공한 전면부 내화 커튼 월 시스템(3,240mm 6,470mm)을 기준으로 기존 백패 널 시공비와 내화커튼월 시스템에 사용된 백패널 시공비를 비교하였다. 나머지 커튼월 공정에서는 동일한 금액이라고 보고 백패널 시공비만을 비교하였으며, 인건비 및 자재 단 가는 표준 품셈을 참고하였다. 계산 결과는 Table 4, Table 5와 같이 글라스울을 이용 한 백패널은 69,990원/, 경량 무기 발포보드를 이용한 백 패널은 64,910원/ 으로 내화 커튼월 시스템이 기존 커튼 월 시스템보다 내화성능이 향상되면서도 약 7%의 비용절감 이 가능한 것으로 나타났다. 기존 백패널의 주재료인 아연도 강판과 글라스울은 226,716원, 경량무기발포보드는 백패널 과 프레임용을 모두 합쳐 219,315원으로 유사하나 기존 백 패널은 일반적으로 아연도강판 위에 페인트 작업을 함으로 51,119원의 추가 비용이 발생하지만 발포 보드는 석재질감 으로 별도의 페인트 작업이 필요 없어 그 비용이 절감된다. Figure 8. Manufacturing procedure for back panel Figure 9. Workability improvement of developed board 131
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본연구는경량무기발포보드를기존커튼월에적용한 내화커튼월시스템을제안하고, 내화성능을분석하였다. 또한 Mock-up 시공을통해이시스템의시공성및경제 성을검토하였으며, 그연구결과를정리하면다음과같다. 1) 경량무기발포보드를이용한커튼월시스템의내화성 능을알아보기위해불연성능시험과내화성능시험을 실시하였다. 불연성능시험결과, 글라스울이나미네 랄울은그을림, 용융, 체적수축이발생한반면경량 무기발포보드의경우미세균열을제외하고거의변 화가없었다. 내화성능은유럽 EN code 의시험방법 에따라시험한결과, 기존시스템은 6 분, 내화커튼 월시스템은 31 분으로 건축물의피난ㆍ방화구조 등의기준에관한규칙 ( 국토교통부령제 1 호 ), 비내 력벽내화구조성능기준인 30 분을만족하였다. 2) 내화커튼월시스템은기존커튼월시공과정과동일 하며, 단지기존백패널설치대신경량무기발포보 드를설치하고커튼월프레임에경량무기발포보드 를취부하여내화성을향상시킨공법으로공사기간 또한동일하다. 시공성면에서는기존의백패널설치시아연도강판및글라스울을제단하고부착하는일련의작업이수작업으로진행되는것과달리치수대로제단되어온보드를바로시공할수있어더간편하다는장점이있다. 또한유리분진에의한인체유해성이적고, 적재또는운반시훼손이적고공장생산으로균일한품질확보가용이하다. 3) 내화커튼월시스템을기존시스템과의시공비용을비교검토한결과, 우수한내화성능을확보하면서도기존시스템대비약 4% 의절감효과를볼수있었다. 내화커튼월시스템은경량무기발포보드를백패널로이용하고프레임에취부하여내화성을향상시킨시스템으로, 커튼월설치공정에영향을주지않고시공이간편하지만내화성능기준을만족하는시스템이다. 건축물의방재에관해지속적인관심이집중되고있는시점에서앞으로이러한내화커튼월시스템의개발및적용은화재를미연에방지하고그에따른경제적손실을저감할수있을것으로기대된다. 본연구는경량무기발포보드를이용한커튼월시스템의시공성및경제성분석에관한연구로, 내화성경량무기발포보드는커튼월의백패널로이용하기위해개발된신소재로내화성능은선행연구를통해실물내화시험을실시하여이미분석한바있다. 본연구에서는실제건물에내화성커튼월시스템을설치하여 Mock-up test를수행하고일반적인커튼월시스템과비교검토하였다. 이시스템은기존의커튼월시스템과동일한방법으로시공되는데, 다만내화성능확보를위해공장에서제단되어온경량무기발포보드사용하고, 이를커튼월프레임에취부한다. 비록기존커튼월대비프레임에부착해야하는추가작업이발생하나, 경량무기발포보드를이용한백패널은커팅만으로제작이간편하고, 분진발생이없어인체에무해하며, 파손여부를바로확인할수있어품질확보가용이하다. 따라서이시스템은높은수준의내화성을확보하면서도시공성과경제성면에서도기존커튼월시스템과동등이상임으로판단된다. 133
A Study on the Construction Performance of Curtain Wall Systems Using Fire-Resistant & Light-Weight Inorganic Composite Foam Board This research was supported by a grant(code# 10 R&D C04) from Cutting-edge Urban Development Program funded by Ministry of Land, Infrastructure and Transport of Korean government. 1. Lee JS, Lim HC, Kim HJ, Kim HY, Cho BH. An Experimental Study on the Evaluation of Fire Resistance Performance of Curtain Wall. Journal of the architectural institute of Korea. 2011 Jul;27(7):141-8. 2. Notification No. 2012-625 of Ministry of Land, Infrastructure, and Transport. Accreditation and Criteria of Fire Resistant Construction; 2012 Sep 20. Korea. 3. Korea industrial standards. KS F 2257-8, Methods of fire resistance test for elements of building construction-specific requirements for non-loadbearing vertical separating elements; 2009 Jun 17. Korea. 4. Code of Evacuation and Fire Protection Construction of Building, Ordinance No. 1 of Ministry of Land, Infrastructure, and Transport; 2013 Mar 23. Korea. 5. Sin HU, Song H, Lee JK. A Study on Application of Fire resistance Light weight Inorganic Panel. Proceedings of the Architectural Institute of Korea; 2011 Oct 29; Gyeongsan-si, Korea. Seoul (Korea): Architectural Institute of Korea; 2011. p. 371-2 6. Koo YA, Oh CW. A Study on the Thermal Performance of Curtain Wall Systems Using Fire-resistant, Light-weight Inorganic Composite Foam Board. Journal of Korea Institute of Architectural Sustainable Environment and Building Systems. 2011 Dec;5(4) :224-9. 7. European Standard. EN 1364-3, Fire resistance tests for non-loadbearing elements. Part 3: Curtain walling - full configuration. 2006. 8. Yang SC, Lee JS, Lee BS, Koo YA, Oh CW. Analysis of Fire Resistance Performance of Curtain-Wall Systems Applying Light-Weight Inorganic Panels. Journal of the architectural institute of Korea. 2013 Jul;29(7):11-8. 134