Application of iFLASH System Using Nano-composite

1. 서론

최근 LEED (Leadership in Energy and Environmental Design) 인증, 신기후체제 (Post 2020)와 같은 이산화탄 소 배출량, 에너지 문제에 대한 관심이 커지고 있으며, 이에 발맞추어 건축분야에서도 친환경 관련 연구가 활 발히 진행되고 있다. 건축물은 전 생애주기에 걸쳐 많 은 양의 에너지를 소비하고, 이 과정에서 다량의 이산 화탄소를 발생시킨다. 건설단계에서 발생하는 이산화 탄소 발생량은 건물 전 생애주기 이산화탄소 발생량의

를 차지하며, 건설 재료로 자주 쓰이는 강재와 시 멘트를 생산하는 과정에서도 많은 양의 이산화탄소가 발생한다. 강재는 직접 제철법과 전기아크로의 사용으 로 이산화탄소 발생량을 줄일 수 있다. 이에 반해 시멘 트는 최근 층간 소음 등의 문제로 바닥구조 두께에 관 한 법적 기준이 강화되어 사용량은 오히려 증가했다.

따라서 이산화탄소 발생량을 줄이기 위해 시멘트 사용 을 대체할 수 있는 건축부재의 개발이 필요한 실정이다. 건축물의 해체 및 철거단계에서 건축폐기물의 발생

은 불가피하다. 석재, 목재와 강재 등의 재료는 철거 후 재사용 및 재활용이 가능하지만, 건설 분야에서 석재와 목재는 현 시대가 요구하는 건축물에 사용하기에 한계 가 있다. 따라서 강재와 같이 재사용, 재활용할 수 있는 소재의 개발이 필요하다.

이에 따라 본 연구에서는 시멘트를 사용하지 않아 이 산화탄소 발생량이 적고, 해체 및 철거단계에서 건설폐 기물의 발생을 줄이는 친환경 특수나노소재를 이용한 iFLASH 시스템을 개발하고 현장 적용하였다.

2. iFLASH 시스템

2.1. iFLASH 시스템 정의

iFLASH 시스템은 그림1과 같이 상⋅하부 강판 사이 에 특수나노소재(Nano-composite)를 충진한 조립식 패 널이다. 강판과 특수나노소재의 높은 부착력으로 우수 한 일체성을 발휘한다. iFLASH 시스템은 Innovative, Fireproof, Light-weighted, Absorbed, Shallow Hybrid 를 일컫는다.

특수나노소재를 이용한 iFLASH 시스템의 현장 적용 Application of iFLASH System Using Nano-composite

박민재 (Min-jae Park)｜학생회원｜고려대학교 건축사회환경공학과 석박통합과정｜[email protected] 김용열 (Yong-Yeal Kim)｜학생회원｜고려대학교 건축사회환경공학과 석사과정｜[email protected] 류재호 (Jae-ho Ryu)｜일반회원｜고려대학교 건축사회환경공학부 연구교수｜[email protected] 주영규 (Young-K. Ju)｜이사｜고려대학교 건축사회환경공학부 교수｜[email protected]

그림 1. iFLASH 시스템의 구성요소

2.2. iFLASH 시스템 특징

iFLASH 시스템의 주요 특징은 자중저감, 층고절감, 공기단축, 친환경성, 방폭성능, 진동저항, 내화성능이 다. 이 특징들을 살려 iFLASH 시스템은 건축부재, 군 수시설, 경기장 등에 사용될 수 있다.

iFLASH 시스템의 두께는  ∼ 이며 기존 콘 크리트 슬래브의 두께  ∼ 에 비해 얇고 가볍 다. 이는 층고 절감에 유리하며, 바닥부재의 중량 감소 로 보, 기둥 등의 구조 부재 전체의 물량 절감을 효과를 보인다. iFLASH 시스템은 공장에서 미리 제작되기 때 문에, 그림2와 같이 현장에서 설치만 하는 건식 공법으 로 공기단축의 이점이 있다.

게다가 iFLASH 시스템은 강재와 재활용할 수 있는 특수나노소재로 이루어져 있기 때문에 건설폐기물 발 생을 줄일 수 있는 친환경적 특징을 지니고 있다. 그림 3의 특수나노소재는 탄성중합체로 충격에너지 흡수성 능이 뛰어나 진동저항 및 방폭성능을 기대할 수 있다.

또한 특수나노소재의 축열성능과 화재 시 충분한 구조 성능을 확보하기 위해 그림4와 같이 하부 강판에 용접 한 wire mesh는 iFLASH 시스템의 내화성능을 향상시 킨다.

그림 2. iFLASH 시스템의 건식 공법

그림 3. 특수나노소재

그림 4. 하부강판에 용접된 wire mesh

iFLASH 시스템은 두 가지 종류로 나눌 수 있다. 신 축 공사에 사용되는 대형 모듈과 개⋅보수 공사에 사용 되는 소형모듈 두 가지이다. 신축용 대형모듈은 스팬

, 폭  내외, 두께는  ∼ 이며 무게는 약

이다. 개⋅보수형 소형모듈은 스팬 , 폭

 내외, 두께는  ∼ 이며 무게는 약 ^이다.

스팬 ()

폭 ()

두께 ()

무게 () 신축용

대형 모듈    ∼  

개⋅보수형

소형 모듈    ∼  

표 1. iFLASH 시스템의 종류 및 규격

3. iFLASH 시스템 성능 평가

3.1. 개요

iFLASH 시스템은 2014년부터 개발되기 시작하였으 며, 2014년 2월에 특수나노소재가 개발되었다. 이후 2014년 8월 iFLASH 시스템의 열전달 실험을 수행하였 으며, 2015년 1월에는 iFLASH 시스템의 휨성능 실험 을 수행하였다. 이후 특수나노소재의 부착강도와 재료 실험을 실시하였으며, 2015년 8월에 서울특별시 은평 구의 남북교회에 최초 현장 적용되었다. 현재 내화성능 에 관한 실험과 해석이 수행중이며, 방폭성능에 대한 연구개발이 시작되었다.

3.2. 휨성능 평가

iFLASH 시스템의 휨 거동과 성능을 확인하기 위해 실험을 진행하였다. 실험체의 스팬은 , 폭은 , 두께는 이며, 상하부 강판은 , SS400을 사용 하였다. 실험 세팅은 그림5와 같이 단순지지, 1점 단조 가력으로 진행하였다. 실험 변수는 총 2가지로 강판의 표면처리 정도, 패널의 절단면 보강여부이다. 강판의 표면처리 정도는 강판과 특수나노소재의 부착력이 iFLASH 시스템의 휨거동에 어떠한 영향을 미치는지 알아보기 위함이다. 패널의 절단면 보강여부는 iFLASH 시스템은 공장에서 제작되어 현장으로 반입되 기 때문에 현장에서 규격에 맞게 절단하여 사용할 경우 휨성능을 평가하기 위함이다.

그림 5. 휨성능 실험 Set up

실험 결과는 그림6과 그림7에 나타나있다. 첫 번째 강판의 포면처리 정도를 변수로 한 실험체 3개의 최대 내력은 표면이 가장 거친 FP-WB 실험체의 









절단면에 미세한 손상으로 인해 강판과 특수나노소재 의 부착력이 감소하여 최대 처짐이 절단하지 않은 실험 체보다 작은 것을 알 수 있다.

3.3. 열전달성능 평가

Wire mesh를 설치하기 전, 특수나노소재의 열저항 성능을 확인하기 위해 그림8과 같이 열전달 실험을 실 시하였다. 실험체 크기, 열 가열 지점과 비가열면의 온 도 계측 지점은 실험체의 중앙부분이며, 두께는 총

로 강재는 를 사용하였고, 특수나노소재의 두께는 이다. 그림9에 나와있듯이 2시간 동안 가 열 후 가열면의 최고온도는 ℃, 비가열면의 최고온 도는 ℃였다. ‘KS F 2257-1 : 건축구조부재의 내화 시험방법 – 일반요구사항’ 에서 제시하는 차염성 및 차

열성은 본 연구에서 실시한 열전달 실험과 다르게 전면 가열을 통해 적합 여부를 판단한다. 하지만 본 실험의 결과는 iFLASH 시스템이 KS F 2257-1에서 제시하는 차염성과 차열성에 대한 적합 가능성을 보여줌으로써 iFLASH 시스템의 내화성능을 간접적으로 확인하였다.

그림 9. 열전달 실험체 및 가열 지점

3.4. 특수나노소재 재료성능 평가

iFLASH 시스템의 거동을 정확하게 파악하기 위해 서는 상하부 강판과 특수나노소재의 부착 성능, 특수나 노소재의 물성치 등이 필요하다. 이를 파악하기 위해 특수나노소재의 인장 및 압축강도, 탄성계수, 밀도, 부 착강도 그리고 푸아송비를 ASTM D638, ASTM D695 등의 기준에 따라 그림10과 같이 실험을 진행하였다.

그 결과 인장강도와 압축강도는 각각 









^이, 푸아송비는 가 나왔다. 부착강도는 ASTM D429를 이용하여 진행하였으며, 강판의 표면처 리를 다르게 하여 부착강도를 비교하였다. 이중에 일반 강판과 특수나노소재의 부착강도는 



그림 8. 열전달 실험

그림 7. 휨성능 결과 (패널의 절단면 보강 여부)

시험항목 시험방법 재료성능 인장강도 ASTM D638  압축강도 ASTM D695  탄성계수 ASTM D638 

밀도 ASTM D792 ^ 푸아송비 ASTM D638 

부착강도 ASTM D429 

표 2. 특수나노소재 재료실험 결과

그림 10. 특수나노소재 재료실험

4. 현장 적용 사례

4.1. 현장 개요

iFLASH 시스템이 적용된 현장은 서울특별시 은평 구 불광동에 위치한 남북교회이다(그림11). 지하 2층, 지상5층 규모로 철근콘크리트조이며, 증축공사를 진행 하였다. 높이는 , 대지면적과 연면적은 각각

^, ^이다.

개요 내용

공사 남북교회

증축 공사

위치 서울특별시

은평구 불광동 층수 지하2층/지상 5층 구조 철근콘크리트구조

높이 

대지면적 ^ 연면적 ^

남북교회 공사 현장에 접근할 수 있는 경로는 그림12 의 흰색 화살표처럼 두 가지가 있다. 왼쪽 화살표 경로 는 지하주차장으로 높이 제한이 이고, 오른쪽 화 살표 경로는 정문이지만 증축 공사 현장에 접근하기 위 해서는 건물 내부로 통해야 한다. 게다가 두 경로 모두 자재를 운반하기에 적합하지 않았으며, 모두 왕복 1차 선으로 레미콘 차량, 콘크리트 펌프와 같은 건설 장비 반입이 상당히 까다로웠다. 바닥구조는 iFLASH 시스 템이 적용된 구간 외에는 합성 데크가 사용되었는데, 레미콘 차량이 정차할 수 있는 곳에서부터 콘크리트가 타설되는 합성 데크까지의 최소길이가 ^였다. 이러 한 제한 조건들로 남북교회 증축 공사 현장은 설치가 용이하며, 시공성이 좋은 조립식 부재의 사용이 불가피 하였다.

그림 12. 현장 위성 사진

4.2. 적용 구간

iFLASH 시스템이 적용된 구간은 그림13과 같이 지 상 1층의 테라스이며 가로 , 세로 이다. 계 단실과 합성데크가 설치된 바닥과 인접해있다. 두께

의 개⋅보수형 소형모듈이 사용되었으며, 그림 14와 같이 두 가지 크기의 모듈이 사용되었다. A모듈은 기본모듈로  × 이며, 이다. B모듈은 보 충모듈로  × 이며, 이다. A모듈과 B모 듈 모두     × 간격의 wire mesh를 하 부 강판에 설치하였다. A모듈은 중앙부터 10개, B모듈

그림 13. iFLASH 시스템 적용 구간

그림 14. 현장에 적용된 iFLASH 시스템의 A모듈(기본)과 B모듈(보충)

4.3. 설치 과정

iFLASH 시스템의 설치 과정을 아래 그림 15에 나누 어 나타내었다. iFLASH 시스템을 설치하기 위해 철골 지지보 주변을 그라인딩 후, iFLASH 시스템을 상치한 다(a, b). iFLASH 시스템을 모두 상치한 후 하부부터 부분용접을 하기 시작한다(c, d). 하부는 안전상의 이유 로 철골 지지보와 iFLASH 시스템 사이를 부분 용접하 였다. 그 다음은 상부의 테두리 앵글과 iFLASH 시스템 사이, iFLASH 시스템들의 사이를 전면 용접하였다(e).

후에 도장마감을 하여 iFLASH 시스템 설치를 완료하 였다(f). 총 걸린 시간은 약 7시간으로 약 1일의 공기를 소요하였다.

(a) 주변부 그라인딩 작업

(b) iFLASH 시스템 상치 작업

(c) iFLASH 시스템 상치 완료

(d) iFLASH 시스템 하부 부분 용접

(e) iFLASH 시스템 상부 전면 용접

(f) iFLASH 시스템 설치 완료 그림 15. iFLASH 시스템 설치 과정

그림16은 합성 데크와 iFLASH 시스템을 적용한 철 골 지지보의 단면이다. 기존 합성 데크의 두께는

로 iFLASH와 바닥 레벨 조정을 위해서 각봉을 설치하였으며, 경계를 구분하기 위해 앵글을 설치하였 다. iFLASH 시스템과 합성 데크의 단위면적 당 무게는 각각 ^{}, ^이다. 합성 데크 대신 iFLASH 시스템을 적용할 경우 두께는 를, 단위면적 당 무 게는 를 감소시킬 수 있다. 또한 합성 데크는 별도 의 콘크리트 양생기간이 필요하지만, iFLASH 시스템 은 건식공법으로 설치하기 때문에 공기 단축을 통한 경 제적 효과를 기대할 수 있다.

구조 iFLASH 시스템 합성 데크

두께  

표 3. iFLASH 시스템과 합성 데크 비교

그림 16. iFLASH 시스템과 합성 데크 설치 단면

5. 결론

1) iFLASH 시스템은 상하부 강판 사이에 재사용 및 재활용이 가능한 특수나노소재를 충진한 조립식 패널 로, 강판과 특수나노소재의 높은 부착력으로 우수한 일 체성을 발휘한다.

2) iFLASH 시스템의 성능 평가를 통해 휨에서의 연 성적인 거동과 내화성능을 간접적으로 확인할 수 있었 다. 또한 특수나노소재의 재료실험을 토대로 iFLASH 시스템의 해석적 연구의 기틀을 마련할 수 있었다.

3) 남북교회 증축 공사 현장은 콘크리트를 타설하기 힘든 조건으로, 합성 데크를 설치하는 데 불리한 점이 많았고 양생기간이 필요하여 공기가 많이 소요되었다.

하지만 iFLASH 시스템은 운반이 용이하고 건식공법을 통해 설치 후 용접 및 도장 작업을 진행하였으며, 7시간 의 공기가 소요되었다.

4) 남북교회 증축 공사에 적용된 합성 데크의 두께는

이며, 단위면적 당 무게는 ^이다. iFLASH 시스템은 두께 , 단위면적 당 무게

^이 설치되었으며, 기존 합성 데크 시스템에 비 해 두께는 , 단위면적 당 무게는 를 감소시켰다.

감사의 글

본 연구는 국토교통부 도시건축연구사업의 연구비지

참고문헌

1. ASTM D 429:14 (2014), “Standard Test Methods for Rubber Property – Adhesion to Rigid Substrates”, American Society for Testing

and Materials (ASTM), Pennsylvania, USA.

2. ASTM D 638:14 (2014), “Standard Test Methods for Tensile Properties of Plastics”,

American Society for Testing and Materials (ASTM), Pennsylvania, USA.

3. ASTM D 695:15 (2015), “Standard Test Methods for Compressive Properties of Rigid Plastics”, American Society for Testing and

Materials (ASTM), Pennsylvania, USA.

4. ASTM D 792:13 (2013), “Standard Test Methods for Density and Specific Gravity (Relative Density) of Plastics by Displacement”,

American Society for Testing and Materials (ASTM), Pennsylvania, USA.

5. KS F 2257-1:2014 (2014), “Methods of Fire Resistance Test for Elements of Building Construction : General Requirements”, Korean

Agency for Technology and Standards (KS),

6. KS F 2257-5:2014 (2014), “Methods of Fire Resistance Test for Elements of Building Construction : Specific Requirements for Loadbearing Horizontal Separating Elements”, Korean Agency

for Technology and Standards (KS), Seoul,

7. Ryu, Jaeho. (2014), “Dynamic Characteristic of Composite Beam using the Sandwich Plate System”, Journal of the Korean Association for Spatial Structures(KASS), Vol.14, No.4, pp.65∼

72.

8. Jos G.J. Olivier (2014), “Trends in Global CO2 Emissions 2014 Report”

9. Coen van Gorkum (2010), “CO2 emissions and energy consumption during the construction of concrete structres”

10. Department for business innovation & skills in the United Kingdom Government (2010),

“Estimation the amount of CO2 emissions that the construction industry can influence”, Department for business innovation & skills in the United Kingdom Government, U.K.

11. Kim, Yong Yeal. (2015), “Bending Capacity of iFLASH Panel”, Proceedings of the Korean Association for Spatial Structures Symposium (KASS), Vol.11, No.1, pp.1∼2.

12. Park, Minjae. (2015), “Application of iFLASH System for Nambuk Church”, Proceedings of the Architectural Institute of Korea Symposium (AIK), Vol.35, No.2, pp.389∼390.

13. Intelligent Engineering (2009), “Company Profile : Sandwich Plate System”, Intelligent Engineering(I.E.), U.K.

14. Intelligent Engineering (2010), “Engineering Design Guidelines for SPS Floors”, Intelligent Engineering(I.E.), U.K.