스틸 커튼월의 성능시험 및 현장 적용을 통한
시공성 분석
Analysis of Constructability of Steel Curtain Wall Through
Performance Test and Field Application
김 도 범* Kim, Dobum 김 진 석** Kim, Jinseok 손 민 호*** Son, Minho 오 명 호**** Oh, Myoung Ho 1)
1. 서론
건축물은 크게 구조, 외벽, 내부 마감의 3가지 요소 로 이루어져 있다. 고층 건물의 경우 총 공사 기간 중 골조 공사가 차지하는 비중이 크다. 따라서 골조 시공 과 동시에 외벽 및 내부 마감을 함께 진행할 수 있는 커튼월 공법이 주로 사용되고 있다. 커튼월은 하중을 지지하지 않는 건축 외장용 벽체 로 기둥, 보, 바닥판으로 형성되는 골조(Frame)의 외 부를 유리, 금속재 또는 무기질의 재료를 사용하여 공 간을 수직 방향으로 막아주는 비내력벽을 총칭한다. **** 엔아이스틸 기술개발부 선임연구원, 공학박사N.I Steel R&D Center **** 엔아이스틸 기술개발부 연구원
N.I Steel R&D Center **** 엔아이스틸 커튼월영업팀 부장
N.I Steel Curtain Wall Sales Team **** 국립목포대학교 건축공학과 교수, 공학박사
Dept. of Architectural Engineering, Mokpo National Univ. 커튼월은 <Fig. 1>과 같이 외관에 따라서 멀리언타입, 스펜드럴타입, 시스타입으로 분류되며, 자재의 재질에 따라 메탈커튼월, P.C커튼월, 프리패브 판넬월 등으로 분류된다. 시공 방식에 따라서는 유닛월 방식, 스틱월 방식, 2가지를 조합한 방식과 윈도우월 등으로 분류 된다. 최근 수요가 많아진 고층 건축물은 압출성형을 통 해 설계 요구사항에 맞춰 자유롭게 성형가공이 가능 하고, 무게가 가벼워 유닛화 시공이 가능한 알루미늄 을 주재료로 사용한다1). 하지만 건축물이 고층화됨에 따라 높은 설계 풍압에 저항하며 에너지 절감이 가능 한 특수유리가 사용되면서 유리를 지지할 수 있는 커 튼월 프레임의 고강도화가 요구되었다2). 또한 넓은 시 야 확보를 위한 유리 면적의 대형화, 수려한 외관을 위한 커튼월 프레임의 슬림화 추세에 맞춰 동일 단면 대비 강도가 우수한 스틸 커튼월의 필요성이 대두되 었다.
Mullion Spandrel Theath (a) Exterior
Metal P.C Panel (b) Material
Stick system Unit system (c) Construction
<Fig. 1> Categorization of curtain walls
2. 스틸 커튼월 개요
2.1 알루미늄 커튼월과 스틸 커튼월 비교 건설 재료 중 가장 많이 사용되는 금속은 스틸과 알루 미늄이다. 알루미늄과 스틸의 기계적 특성은 <Table 1> 과 같다3-5). 알루미늄과 강재는 건축용 외장재에서 주 로 쓰이는 SM재와 A6063을 기준으로 하였다. 스틸의 비중이 알루미늄 대비 약 3배가 크기 때문 에 단위 중량도 동일하게 3배가 무겁다. 하지만 스틸 의 인장강도가 알루미늄과 비교하여 3배 이상 높은 성능을 발휘할 수 있기 때문에 더 작은 단면으로도 알루미늄과 동등 이상의 높은 구조 성능을 나타낸다. 탄성계수는 스틸이 알루미늄 대비 약 3배가 크기 때 문에 변형에 대한 저항 성능이 우수하다. 또한 스틸은 알루미늄 대비 열전도도가 약 1/3로 작다. 따라서 커 튼월 프레임으로 스틸을 적용할 경우 알루미늄 대비 열에너지 효율을 높일 수 있다. 스틸의 열팽창계수도 알루미늄에 비해 약 2배 작으므로 스틸 커튼월 프레 Coefficient of expansion (℃⨉10⁻⁵) 1.2 2.38 Specific gravity 7.87 2.7 Tensile strength (MPa) 410-720 110-205(a) Aluminium (b) Steel <Fig. 2> Exterior of aluminum frame and
steel frame 임의 신축 이음 시 단위 길이를 비교적 길게 사용할 수 있다. <Fig. 2 (a)>와 같이 커튼월 프레임에 알루미늄을 적용할 경우 수직재를 최대 4.9m까지 설계할 수 있 다. 그러나 3.9m가 초과하면 부재의 단면 크기가 증 가하여 4~6m 간격으로 철골빔을 추가로 설치해야 하 므로 시야 확보가 제한되어 비교적 개방감이 떨어진 다. 이에 반해 스틸 커튼월은 재료적 구조 성능이 우 수하여 작은 단면의 프레임으로도 12m 이상 수직재 설계가 가능하며, <Fig. 2 (b)>와 같이 비교적 넓은 조 망권을 확보할 수 있다. 따라서 알루미늄 커튼월 시스 템은 구조 설계적 제한으로 인해 건축물의 파사드 설 계에 한계가 있으나 스틸 커튼월 시스템은 안정적인 구조 성능으로 건축물의 다양한 디자인 표현이 가능 하고, 초고층 및 대형 건축물에도 사용이 가능하다.
<Fig. 3> Construction cost of aluminum frame and steel frame
이와 더불어 커튼월 공사의 경우 골조 공사와 마찬 가지로 공정 지연 시 실내 마감 공사에 미치는 영향 이 크다. 스틸 커튼월은 알루미늄 커튼월 대비 프레임 의 유닛 개수가 적고, 시공이 단순함에 따라 현장 시 공량이 감소하여 공사 기간이 단축된다. 알루미늄 커튼월과 스틸 커튼월의 단위면적당 공사 비용은 <Fig. 3>과 같다. 비교 결과, 스틸 커튼월의 단 위면적당 공사 비용은 약 7% 고가이지만 현장 내 시 공안전성과 공사 기간 단축을 고려할 때 스틸 커튼월 이 유리하다. 2.2 스틸 커튼월의 구조 성능 시험 스틸 커튼월 시스템의 구조 성능을 평가하기 위하 여 7.96☓7.97m 크기의 실대형 실험체를 제작하였다. 스틸 커튼월의 수직 부재와 수평 부재는 모두 SGMH 400 강종을 적용하였으며, 단면은 <Fig. 4>와 같다. 시험 항목으로 구조 성능(정압, 부압), 층간변위, 기 밀 성능, 수밀 성능(정압, 동압), 잔류 변위(정압, 부 압)를 측정하여 허용 범위 기준과 비교하였다. 시험은 ASTM E-283, 331, 330/330M, AAMA 501.1, 501.4 에 따라 창호의 기밀성, 수밀성, 구조 성능 및 층간변 위 표준시험방법 규격에 맞춰 진행되었다6-10). 시험에 적용할 설계하중 산정 시 20m 미만 건축물 을 대상으로 기본 풍속 28m/s, 지표면 조도 D, 중요 도 계수 1.0으로 가정하였다. 구조 성능 시험 시 하중 (a) Mullion (b) Transom
<Fig. 4> The shape of steel curtain wall members
<Fig. 5> Position of gauge attachment on test specimen 은 설계 풍하중인 정압 +171.4kgf/m² (풍속≒52.37m/s), 부압 –171.4kgf/m² (풍속≒52.37m/s)을 각각 표준시 험방법에 따른 비율로 10초씩 재하하였다. 게이지는 <Fig. 5>와 같이 설치하여 수직재와 수평 재에 대하여 각각 최대 변위량을 측정한 후 허용 범 위와 비교하였다. 실험 전경은 <Fig. 6>과 같다. 실험 결과는 <Table 2>에 정리하였다. 구조 성능에 대해 수직재는 정압 10.73㎜, 부압 9.15㎜ 변형이 발 생하였고, 수평재는 정압 0.41㎜, 부압 0.41㎜ 변형이
Residual displacement
Static pressure
ASTM E-330 L/500
Negative pressure
Story drift AAMA501.4 There shall be no permanent deformation of anchor or frame. There shall be no destruction of selant.
Watertightness performance
Dynamic pressure AAMA501.1 There will be no uncontrollable water leaks. Static pressure ASTM E-331 There will be no uncontrollable water leaks. Air tightness ASTM E-283 Fixed Area : 0.06cfm/ft² = 0.0183m³/(min·m²)
<Fig. 6> Panoramic view of steel curtain wall structural performance test 발생하였다. 수직·수평재 모두 허용치 대비 많은 여유 치를 확보하고 있으며, 스틸 커튼월의 재료적 특성과 프레임 조립 방식에 따른 우수한 구조적 성능을 발휘 하고 있다. 또한 시험 후 잔류변형에 대해 수직재는 정압 0.49㎜, 부압 0.59㎜ 변형이 발생하였고, 수평재 는 정압 0.02㎜, 부압 0.01㎜ 변형이 발생하였다. 층간 변위시험에서는 특이사항 없이 안전성을 발휘하였으 며, 수밀성능시험도 정압과 동압에 대해 모두 누수가 발생하지 않았다. 기밀성능시험도 약 2.33cfm으로 허용치(41.28cfm) 대비 매우 미소한 시험값을 나타 내었다. 따라서 <Table 3>과 같이 스틸 커튼월은 모든 항목 에 대해 성능 시험 기준에 만족하고 있다. Properties Actual (㎜) Allowable (㎜) Structural performance Static pressure Mullion 10.73 24.33 Transom 0.41 8.69 Negative pressure Mullion 9.15 24.33 Transom 0.47 8.69 Residual displacement Static pressure Mullion 0.49 8.63 Transom 0.02 3.04 Negative pressure Mullion 0.59 8.69 Transom 0.01 3.04 Story drift 1st ±11 Permanent
deformation
2nd ±20
Water penetration
Dynamic pressure No leakage Static pressure No leakage Air leakage(cfm) 2.33 41.28
<Table 3> Test result
2.3 스틸 커튼월의 시공성 평가 스틸 커튼월의 시공 성능을 평가하기 위하여 경기 도 양주시의 아파트 단지 신축공사 현장에서 Test- Bed를 수행하였다. <Fig. 7>은 현장 적용 시험체의 입 면으로 전면, 측면, 상부에 스틸 커튼월 유닛을 적용 하였다. 시험체의 설치는 <Fig. 8>과 같이 자재 반입, 유닛 조립 후 적재, 양중 및 설치의 과정으로 실제 설 치 과정과 동일하게 진행되었다.
<Fig. 7> Concept plan of specimen
(a) Member import
(b) Assembling and load
(c) Lifting and installation <Fig. 8> Construction process of test
specimen 현장 적용 결과, 광폭형 유닛 타입의 시험체 설치 시 시공이 간편하여 설치 속도가 비교적 빠르기 때문 에 공기 절감에 효과적일 것으로 판단된다. 이에 따라 스틸 커튼월은 공장형 사무실 및 폭이 넓은 건축물에 적용이 적합할 것으로 판단된다.
3. 스틸 커튼월 적용 사례
스틸 커튼월의 대표적인 성공 사례는 1970년 완공 된 국내 최초의 초고층 빌딩인 ‘삼일빌딩 리모델링 사 업’이다. 삼일빌딩은 지상 31층 규모, 높이 110m이며,(a) Before (b) After
<Fig. 9> The case of using the steel curtain wall (31 Building) 전경은 <Fig. 9>와 같다. 이외에도 스틸 커튼월은 대 형 병원, 포스코 포항 D.C, 광양 D.C 등 고층 및 대형 건축물의 외장재로 적용되고 있다. 대규모 건축물의 스틸 커튼월 적용은 우수한 제품 성능을 바탕으로 다양한 파사드 설계가 가능한 특징 덕분에 건축물의 미적 완성도를 높일 수 있기 때문으 로 판단된다. 개성을 중시하는 최근 트렌드에 발맞춰 건축물에서도 디자인적 가치가 부각됨에 따라 스틸 커튼월의 수요가 증가하고 있으며, 고층화 추세를 보 이는 건축 시장에서 활용 빈도가 늘어나고 있다. 당사 의 스틸 커튼월은 포스코의 고내식성 강재인 PosMAC 소재를 활용하여 기존 제품보다 구조성과 단열, 내진, 내화, 차음 성능에 우수한 강재를 적용함으로써 품질 안전성에 대한 신뢰를 받고 있다.
4. 결언
본고에서는 실대형 스틸 커튼월의 구조 성능 시험 을 실시하고 실제 프로젝트에 적용함으로써 시공성을 분석하였다. 1) 실대형 스틸 커튼월의 구조 성능 시험 결과, 정 압과 부압에 대한 구조 성능과 잔류 변형, 층간변위, 수밀 성능, 기밀 성능에 대한 모든 항목에서 허용치 이내로 만족하는 것을 확인하였다.문에 열에너지 효율이 높아 친환경성이 확보되며, 온 도 변화에 대한 변형 성능이 안정적이다. 4) 스틸 커튼월은 알루미늄 커튼월에 비해 직접 공 사비가 소폭 증가하지만 단위 유닛의 개수가 감소하 여 현장 내 시공 안전성 확보와 공사 기간 단축이 가 능하다. 이처럼 스틸 커튼월은 구조적 우수성과 시스템의 장점으로 경제적 ‧ 시공적 측면에서 수요자를 만족시 키며, 고층화 ‧ 대형화 건축물에 적용되는 사례가 증 가하고 있다.
References
1. Cho, B. H., Youn, K. J., Yim, H. C., Kim, J. H., & Shin, S. H., “Market Study of Steel Curtain Wall and Application for High-rise Buildings”, Magazine and Journal of Korean Society of Steel Construction, pp.27~33, 2010
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Retrieved from http://www.kps.or.kr 6. ASTM E283-04 Standard Test Method for
for Structural Performance of Exterior Windows, Doors, Skylights and Curtain Walls by Uniform Static Air Pressure Difference
8. ASTM E331-00 Standard Test Method for Water Penetration of Exterior Windows, Skylights, Doors, and Curtain Walls by Uniform Static Air Pressure Difference 9. AAMA 501.1-17 Standard Test Method For
Water Penetration Of Windows, Curtain Walls And Doors Using Dynamic Pressure 10. AAMA 501.4-18 Recommended Static Test
Method for Evaluating Window Wall, Curtain Wall and Storefront Systems Subjected to Seismic and Wind-Induced Inter-Story Drift
