1. 서 론
정부 그린 뉴딜 정책의 핵심 이슈인 제로에너지 건축 구현을 위하여 외단열시스템(Exterior Thermal Insulation Compisite System: ETICS)이 관심을 받고 있다. 부착식 외단열시스템[1]은 간편한 시공 및 우수한 단열성능으로 국내에서도 활발하게 적용[2]하고 있다. 그러나 부착식 외단열시스템은 성능한계로 인하여 주로 저층 건축물에 한정하여 사용하고 있으며, 10층 이상 고층 건축물 적용을 위한 구조성능 검증은 현재까지 충분한 연구결과가 제시되고 있지 못한 실정이다.
최근 강화된 건축법 개정 ․ 시행으로 외단열시스템은 기존 복합단열판에 대한 준불연 성능 충족 요건에서 복합단열판의 구 성요소 전체 즉, 심재에 대한 준불연 성능까지 요구(법률 제18383호 제52조의 4, 시행일 : 2021. 12. 23)하고 있다. 이에 따라
https://doi.org/10.5345/JKIBC.2021.21.5.507 www.jkibc.org
Research Paper
준불연 외단열시스템의 역학적 특성에 관한 연구
Mechanical Properties of External Thermal Insulation Composite System with Quasi-Non-Combustible Performance
최기선1,5ㆍ하수경2*ㆍ오근영3ㆍ박금성1ㆍ류화성4
Choi, Ki-Sun1,5ㆍHa, Soo-Kyung2*ㆍOh, Keun-Yeong3ㆍPark, Keum-Sung1ㆍRyu, Hwa-Sung4
1Research Fellow, Department of Building Research, Korea Institute of Civil Engineering and Building Technology, Gyeonggi-Do, 10223, Korea
2Post-Doctoral Researcher, Department of Building Research, Korea Institute of Civil Engineering and Building Technology, Gyeonggi-Do, 10223, Korea
3Research Specialist, Department of Building Research, Korea Institute of Civil Engineering and Building Technology, Gyeonggi-Do, 10223, Korea
4Senior Managers, Hanyang Experiment and Consulting, Hanyang University ERICA, Ansan, 15588, Korea
5Doctoral Course, Department of Architectural Engineering, Hanyang University, Seoul, 04763, Korea
*Corresponding author Ha, Soo-Kyung Tel : 82-31-995-0925 E-mail : [email protected]
Received : September 9, 2021 Revised : September 27, 2021 Accepted : October 5, 2021
ABSTRACT
The application of an adhesive calcium carbonate-based hybrid insulation board with quasi-combustibility in the external thermal insulation composite system(ETICS) ensures effective thermal performance and fire safety. This study aimed to conduct a mechanical test of the quasi-non-combustible hybrid insulation board as well as its constituent materials to obtain the basic data for the structural design of the adhesive ETICS. Test specimens were fabricated based on domestic and foreign test standards to examine and evaluate their tensile, compressive, flexural, and shear strengths. The strength characteristics of the quasi-non-combustible hybrid insulation board were identified from the test results, which verified that the minimum required physical properties suggested by the current KS M ISO 4898 were met. Furthermore, the quasi-non-combustible ETICS used in this study was found to be suitable for use as an external insulation system for walls unless subjected to continuous gravity load, such as a heavy exterior finish.
Keywords : external insulation system, tensile strength, compressive strength, flexural strength, shear strength
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외단열시스템의 화재성능과 에너지성능에 대한 법적 기준을 충족하기 위하여 다양한 연구가 이루어지고 있으나, 건축물 적 용할 때 필수적인 구조 안전성에 대한 공학적 검증 및 설계에 대한 연구는 미흡한 실정이다. 아울러 현행 국내 ․ 외 단열재 관 련 규격에서는 제품의 품질관리를 위한 최소 요구사항만을 규정하고 있으며, 이 요구사항마저도 에너지 및 화재성능에 중점 을 두고 있다. 그러나 강풍, 노후화 등에 의한 외단열시스템의 손상, 붕괴 사례가 빈번하게 발생하고 있고, 이에 따른 물적 피 해뿐만 아니라 2차적 인적피해까지 발생할 수 있으므로 공학적 구조설계를 위한 기초데이터 연구의 필요성이 제기되고 있다.
외단열시스템은 건물의 규모, 형상, 외장마감 등에 따라 수직, 수평방향 하중과 이로 인한 부재의 인장, 압축, 휨, 전단 거동이 복합적으로 작용하게 된다. 따라서 외단열시스템은 이러한 다양한 하중조건에 대하여 구조설계를 통해 외단열재의 탈락, 붕괴 사고에 대하여 안전하게 설계되어야 한다. 또한, 제로에너지 건축을 위하여 기존 기계식 정착에 의한 열교현상을 방지하고 고 효율 단열성능을 유지하기 위해서는 강력한 부착성능을 기반으로 한 열교 없는 화학적 부착 시스템 확보가 우선되어야 한다.
따라서 본 연구에서는 국내에서 사용되고 있는 부착식 외단열시스템 중 복합단열판 및 심재의 준불연 성능을 확보한 제 품을 대상으로 외단열시스템의 구조설계를 위한 기초데이터 확보를 목적으로 역학적 성능검증을 수행하였다.
2. 선행연구 분석
2.1 연구 분석
국내 외단열시스템의 선행 연구는 주로 강화되는 에너지, 화재성능에 대한 법적 기준을 충족하기 위하여 다양한 소재, 시 스템 개발 연구에 집중되고 있으며, 일부 기계식 정착장치 개선에 대한 연구가 이루어지고 있다.
Ha et al.[3]은 재활용 석고 부산물을 이용한 준불연 유무기 융합 단열재 개발 연구를 통하여 단열성능, 난연성능 및 압축 강도와 굴곡강도에 대한 역학적 특성을 검증하였다. 해당 연구에서는 동일한 시험편을 대상으로 한 반복시험의 경우에도 무기계 분포 양상에 따라 시험 결과의 재현성이 확보되지 않는 등 시험방법의 문제점을 지적하고 새로운 방법에 대한 필요 성을 제기하였다. Jang et al.[4]은 목섬유 단열재 제조를 위하여 다양한 접착수지에 대한 단열성능 및 물리적 성능을 검증하 였으나, 역학적 특성은 휨강도 시험만 수행하였다. Park et al.[5]은 외단열시스템의 습식, 건식, 반건식 접착방식에 따른 접 착성능, 내풍압 성능을 실험적으로 검증하였으나, 기초적인 역학적 특성에 대한 검증은 수행되지 않았다.
2.2 외단열시스템 규격 분석
본 연구에서 대상으로 하는 외단열시스템은 무기질 발포 판상 단열재인 록셀보드 2개와 그 사이에 고난연 발포 폴리스티 렌으로 제작한 심재를 끼워 만든 샌드위치형 복합단열판으로 외부 마감재, 심재, 복합판에 대한 인장, 압축, 굴곡, 전단의 역 학적 특성 시험을 연구범위로 하고 있다.
본 연구의 재료 및 역학적 시험항목에 대한 국내 ․ 외 표준시험방법을 정리하면 Table 1과 같다. 국내의 국가표준(KS)에서 는 단열재의 압축 성능과 굴곡 성능에 대한 규격은 제시되어 있으나, 인장과 전단 성능에 대한 규격은 제시되어 있지 않다.
따라서 인장과 전단성능에 대한 시험은 국외표준을 참조하였다.
압축 성능시험은 국내표준 KS M 3808[6]에 따라 시험체 크기를 결정할 수 있고, KS M ISO 844(경질 발포 플라스틱-압축 시험)[7]에 따라 시험할 수 있다. 국외표준으로는 BS EN 826(Thermal insulating products for building applications—
determination of compression behaviour)[8] 또는 ASTM D1621(Standard test method for compressive properties of rigid cellular plastics)[9]이 있으며, 3가지 표준시험방법을 분석하면 Table 2와 같다.
굴곡 성능시험은 국내표준 KS M 3808에 의하면, KS M ISO 4898(경질 발포 플라스틱-건축물 단열재-규격서)[10]과 KS M ISO 1209-1(경질 발포 플라스틱-굴곡 특성 측정-제1부: 기초 굽힘 시험)[11]에 따라 평가할 수 있다. 국외표준으로는 BS
EN 12089(Thermal insulating products for building applications—determination of bending behaviour)[12]이 있으며, 2가지 표준시험방법을 비교하면 Table 3과 같다. 국내표준(KS M 3808)에 따른 시험체의 치수는 BN EN 12089과 다른데, 특히 BN EN 12089에서는 실사용 두께를 제안하는데 반해, KS M 4898에서는 두께로 20mm를 사용하도록 하고 있다. 또한, KS M 4898에서는 하중집중속도 또한 BN EN 12089 기준의 5배인 50mm/mim로 시험하도록 하고 있다.
Table 1. Domestic and international standards
Test items Domestic standards International standards
Tensile properties - BS EN 1607
Compressive properties KS M 3808, KS M ISO 844 BS EN 826, ASTM D1621
Flexural properties KS M 3808, KS M ISO 4898, KS M ISO 1209-1 BS EN 12089
Shear properties - BS EN 12090, ASTM C273
Table 2. Comparison of standard test methods for compressive properties
Items KS BN EN 826 ASTM D1621
Least number 35 5
Dimensionsa 50mm × 50mm or
100mm × 100mm 50mm × 50mm or
100mm × 100mm, etc. 2,580mm2≤b≤ 23,200mm2
Thickness(c)(mm) 50 Original product thickness. ≤ 25.4
The width of the test specimens shall be not less than their thickness.
Speed of the test machined(mm/mim) 10% of the 10% of the ±0.25mm 10% of the ±0.25mm Compressive strength(N) The stress at the yield point if a yield point occurs before 10 % deformation or, in the absence of such
a yield point, the stress at 10 % deformation.
Note. a. The test specimen shall be square or circular in cross section.
b. : Cross sectional area of specimen(mm2).
c. : Specimen thickness(mm).
d. The test specimen is loaded with displacement control.
Table 3. Comparison of standard test methods for flexural properties
Items KS BN EN 12089
Least number 5 3
Dimensions(length×width) 250mm×100mm (5T+50mm)×150mm, 5T+50mm ≤ 550mm
Thickness(mm) 20 Original product thickness ≤ 100
Speed of the test machinea(mm/mim) 50 10
b(mm) 200 200≤≤500
Result a) Force corresponding to the displacement 20mm.
b) Maximum Force and corresponding displacement (< 20mm).
a) Bending strength by maximum applied force.
b) Bending stress and deflection by the applied force corresponding to the displacement X.
Note. a. The test specimen is loaded with displacement control.
b. : The span between the support edges(mm).
단열재의 인장시험은 BS EN 1607(Thermal insulating products for building applications—determination of tensile strength perpendicular to faces)[13]에 따라 평가할 수 있다. 또한 전단성능은 BS EN 12090(Thermal insulating products for building applications—determination of shear behaviour)[14] 또는 ASTM C273(Standard test method for shear properties of sandwich core materials)[15]에 따라 평가할 수 있다. BS EN 12090과 ASTM C273의 시험방법의 가장 큰 차이점은 가력방
법이다. Figure 1(a)는 BS EN 12090에서 제시한 예시들 중 하나이다. 양쪽에 각각 단열재를 고정하고 두 단열재와 접착한 가 운데 플레이트에 하중을 가력하는 이면 전단시험방법이고, Figure 1(b)는 ASTM C273는 한 개의 단열재의 양면에 플레이트 를 접착하여 양쪽 플레이트에 서로 다른 방향으로 하중을 주어 전단성능을 평가하는 일면 전단시험방법이다. Figure 1(a)의 시험방법은 가력시 편심에 의한 영향이 없으나, Figure 1(b)는 가력점과 지점의 편심으로 순수 전단 거동을 하기 위해서는 복잡한 힌지구조를 가져야 한다. 따라서 기존 EPS(Expanded Polystyrene)에 대한 인장 및 전단성능을 실험한 논문들[16,17]
에서도 이와 같은 Figure 1(a)의 시험방법을 사용하고 있다.
1. Loading Plate 2. Test Specimen 3. Adhesive
4. Metal test specimen supports
1 2 3 4
2 1 3
(a) BN EN 12090 (b) ASTM D273
Figure 1. Compressive of plate shear specimens, force line of action
3. 접착식 탄산칼슘계 준불연 외단열시스템 개요
록셀보드(RCB)는 다량의 무기질계 탄산칼슘(CaCO3)을 포함하는 완전독립기포 구조의 저밀도 발포체이다. 본 연구에서 시험대상인 준불연 복합단열판(ETICS)은 록셀보드(RCB)와 준불연 EPS(Non-combustible Expanded Polystyrene) 심재를 사용하여 외단열시스템 및 심재 모두 준불연 성능을 확보한 제품으로 Figure 2와 같이 구성된다. 사용한 재료의 기본 물성은 Table 4와 같다.
준불연 복합단열판의 마감재인 록셀보드의 열전도율은 0.036W/m ․ K이고, EPS 심재는 0.032W/m ․ K로 전체 외단열시 스템을 적용할 경우 벽체의 열관류율은 현행 패시브하우스 외벽 열관류율 목표성능인 0.15W/m2․ K 수준을 만족하도록 준 불연 복합단열판 시험체의 두께를 220mm로 제작하였다.
Figure 2. Quasi-non-combustible external thermal insulation composite system
Table 4. Material properties of Insulation
Insulation Thermal transmission property(W/m ․ K) Density
(kg/m3) Water absorption
(g/100cm2) Vapor permeance (ng/m2․ s ․ Pa)
RCB 0.036 62 2.0 31
EPS 0.030 23 1.0 290
4. 시험계획
4.1 시험범위
본 연구에서는 준불연 복합단열판과 구성재인 록셀보드, EPS 심재를 대상으로 국내 ․ 외 시험규격을 참조하여 Table 5와 같이 인장, 압축, 굴곡, 전단시험에 대한 시험대상 및 규격을 결정하였다. 시험체를 제작할 때 준불연 복합단열판은 실제 사 용되는 제품에 대한 역학적 특성을 검토하기 위하여 실제품 두께(220mm)를 사용하였다.
Table 5. Test specimens
Tests Standards Types Thickness
(mm) Length
(mm) Width
(mm) Number of specimens
Tensile test BS EN 1607 ETICS 220 200 200 8
Compressive test KS M 3808, KS M ISO 844
RCB 50 50 50 3
EPS 50 50 50 3
ETICS 220 100 100 6
Flexural test KS M 3808, KS M ISO 4898, KS M ISO 1209-1
RCB 20 250 100 5
EPS 20 250 100 5
ETICS 220 500 100 8
Shear test BS EN 12090 ETICS 220 200 100 5
4.2 시험방법 4.2.1 인장시험
준불연 복합단열판의 인장시험은 적합한 국내표준이 없어 BS EN 1607표준을 준용하여 실시하였다. 시험체의 크기는 복 합단열판의 원두께를 유지하기 위하여 200mm×200mm×220mm로 하였다. 인장시험은 Figure 3(a)와 같이 복합단열판 상하 부를 연결철물에 일반 에폭시수지를 이용하여 접착한 후 상온에서 재령 1일(24시간)동안 양생하고, 50kN UTM에서 10mm/min의 가력속도로 시험을 실시하였다.
4.2.2 압축시험
압축시험은 KS M 3808과 KS M ISO 844표준에 준하여 실시하였으며, 준불연 복합단열판과 이를 구성하는 록셀보드, EPS 심재, 3종류에 대하여 개별 평가하였다. 록셀보드와 EPS 심재의 시험체는 50mm×50mm×50mm로 제작하였고, 준불연 복합단열판은 원두께를 유지하기 위하여 100mm×100mm×220mm로 제작하였다. 압축시험은 50kN UTM에서 시험체 최소 두께 50mm의 10%인 5mm/min로 가력 하였다. 압축강도는 KS M ISO 844에 따라 하중-변위 곡선의 선형구간 이후 파괴될 경우 10% 상대 변형에서 압축응력으로 평가하였다. Figure 3(b)는 재료별 압축시험을 나타낸다.
4.2.3 굴곡시험
굴곡시험은 KS M ISO 1209-1과 KS M ISO 4898에 따라서 실시하였으며, 준불연 복합단열판과 이를 구성하는 록셀보드, EPS 심재 3종류의 시험체를 대상으로 굴곡강도를 평가하였다. 록셀보드와 EPS 심재의 시험체는 KS M ISO 4898에 따라 250mm×100mm ×20mm으로 제작하였고, 지지 간격은 200mm로 시험하였다. 준불연 복합단열판의 시험체 치수는 원두께 를 유지하고 휨거동을 유도하기 위하여 500mm×100mm×220mm로 제작하고, 지지 간격을 400mm로 시험하였다. 3종류의
시험체 모두 가력속도는 50mm/min으로 시험을 실시하였다. 굴곡강도는 하중-변위 그래프에서 하중을 모멘트로 치환하여 최대 굴곡강도를 계산하여 평가하였다. Figure 3(d)는 재료별 굴곡시험을 나타낸다.
4.2.4 전단시험
전단시험은 BS EN 12090표준을 준용하여 실시하였다. 준불연 복합단열판의 시험체는 200mm×100mm×220mm로 양면 전단시험으로 진행하였으며, 준불연 복합단열판을 Figure 3(c)와 같이 제작된 지그 철물 양면에 일반 에폭시수지를 이용하 여 접착 한 후 상온에서 재령 1일(24시간)동안 양생하였다. 50kN UTM 상 ․ 하부 지그에 수직 체결하고, 시험체의 좌우 측면 에서 편심이 걸리지 않도록 하여 3mm/min로 가력속도로 시험을 수행하였다.
ETICS RCB c-EPS ETICS
(a) Tensile test (b) Compressive test
ETICS RCB c-EPS ETICS
(c) Shear test (d) Flexural test
Figure 3. Test setup
5. 시험결과 및 분석
5.1 인장강도 특성
부착식 준불연 복합단열판은 외단열 복합체가 건물의 콘크리트면에 접착 시공되므로, 각 구성재료 및 구성재료 간 접착 면의 취약부에서 최대강도가 결정된다. 즉, 구성재의 인장성능이 접착면에서의 부착성능 이상 확보할 경우 건물에 적용된 외단열시스템은 부착파괴가 지배하게 된다. 한편 단열재의 인장시험은 관련 규격에서 허용치를 제시하고 있지 않다. 따라 서 복합단열판에 대한 인장시험은 ETAG004[18]에서 허용치가 제시되어 있는 부착강도 이상의 인장성능 확보 여부를 판단 하도록 하였다. 준불연 복합단열판에 대한 인장강도 시험은 총 8개의 복합판(ETICS) 시편에 대하여 수행하였고, 시험결과 는 모두 Table 6에 정리하였다.
인장강도 시험결과는 Figure 4(b)에서 나타난 바와 같이 No.1 시험편에서 RCB와 EPS 심재사이의 접착면에서 조기 부착 파괴가 발생한 것을 제외하면 모든 시험체가 외단열시스템의 부착강도 허용치(0.08MPa)를 상회하는 것으로 나타났다
Table 6. Test results
Tests Types Specimens Strength(MPa) Average strength
(MPa) Standard deviation
(MPa) Coefficient of variation
(%) Required strengthc (MPa) Ratiod
Tensile test ETICS
No.1 0.016a
0.110b 0.009 7.8 0.080 1.4
No.2 0.113 No.30.104 No.4 0.103 No.5 0.123 No.6 0.100 No.7 0.107 No.8 0.121
Compressive test
RCB
No.1 0.069
0.069 0.007 9.7 0.050 1.4
No.2 0.077 No.30.060
EPS
No.1 0.054
0.056 0.0036.1 0.050 1.1
No.2 0.053 No.30.061
ETICS
No.1 0.055
0.055 0.002 4.0 0.050 1.1
No.2 0.058 No.30.053 No.4 0.058 No.5 0.056 No.6 0.052
Flexural test RCB
No.1 0.216
0.250 0.034 13.6 0.113 2.2
No.2 0.304 No.30.266 No.4 0.212 No.5 0.251
EPS
No.1 0.146
0.1730.020 11.8 0.1131.5
No.2 0.163 No.30.208 No.4 0.177 No.5 0.170
ETICS
No.1 0.146
0.144 0.007 4.6 0.1131.3
No.2 0.151 No.30.152 No.4 0.146 No.5 0.131 No.6 0.144 No.7 0.136 No.8 0.145
Shear test ETICS
No.1 0.030
0.034 0.003 7.8 - -
No.2 0.033
No.30.034
No.4 0.038 No.5 0.036
Note. a. Early adhesive rupture occurred on the bonded surface between RCB and EPS core in the No.1 specimen.
b. The average value of specimens No. 2 to 8(excluding results of No.1).
c. In the required properties of EPS for thermal insulation products for building in KS M ISO 4898, the required values of category I.
d. The ratio of the value of average strength divided by the value of required strength.
(Figure 4(a)). 외단열 복합단열판의 인장시험 파괴양상은 총 8개의 시편 중 3개의 시편에서 EPS 심재와 록셀보드 사이에서 부착파괴(Figure 4(b))가 발생하였고, 5개는 EPS 심재에서 인장 파괴(Figure 4(c))되었다. EPS 심재(밀도: 23kg/m3)보다 록 셀보드(밀도: 62kg/m3)의 밀도가 2배 이상 높기 때문에 충분한 접착력을 확보한 경우에 복합단열판의 인장성능은 EPS 심재 의 인장강도에 의해 지배되는 것으로 판단 할 수 있다.
(a) Tensile strength of ETICS (b) Bond failure (c) Tensile failure Figure 4. Result of tensile strength test
5.2 압축강도 특성
준불연 복합단열판에 대한 압축강도 시험은 마감재인 탄산칼슘계 단열보드인 록셀보드와 EPS 심재, 복합단열판에 대해 각각 수행하였다. 3종의 시험편 모두 Figure 5의 하중변위 곡선과 같이 탄성구간 이후 하중이 지속적으로 증가하는 경향을
(a) P-D curve of RCB (b) P-D curve of EPS
(c) P-D curve of ETICS (d) Compressive strength at 10% strain
Figure 5. Result of compressive strength test
보여주었다. 따라서 KS M ISO 844에 따라 상대변형 10%에서의 압축응력을 압축강도로 평가하였다. 3종의 시험편에 대한 압축강도는 Figure 5(d)와 Table 6에 나타난 바와 같이 밀도가 가장 높은 록셀보드의 평균 압축강도가 0.069MPa로 가장 높 게 나타나고 있으며 EPS 심재는 0.056MPa, 복합단열판은 평균 0.055MPa의 압축강도를 갖는다. 이는 KS M ISO 4898에 명 시된 건축물 단열재용 EPS의 요구물성에서 범주 I의 벽체 단열 등 하중을 받지 않는 용도에 적합한 수준(0.05MPa 이상)이 며, 지붕, 바닥 등 제한된 하중을 받는 범주 II의 수준(0.1MPa이상)에는 부적합한 것으로 나타났다.
5.3 굴곡강도 특성
준불연 복합단열판에 대한 굴곡강도 시험은 록셀보드와 EPS 심재 그리고, 복합단열판에 대해 각각 수행하였다. KS M ISO 4898에서는 건축물 단열재의 요구물성을 시험편 치수 250mm×100mm×20mm이고 지간이 200mm에 대한 굴곡하중 (Table 3)으로 제시하고 있다. 이에 대해 본 연구의 복합단열판은 실사용 두께가 220mm이므로 20mm 두께로 제작하여 시험 하는 것은 제품의 특성을 평가하는데 부적절하다고 판단하여, 원두께를 고려하여 시험편 크기를 500mm×100mm×220mm, 지간을 400mm로 변경하여 시험하였다. 따라서 각 시험결과는 시험체의 크기가 변화되므로 굴곡강도로 환산하여 비교하였 다. 3종의 시험편에 대한 굴곡강도는 Figure 6(a)에서 나타난 바와 같이 밀도가 가장 높은 록셀보드의 평균 굴곡강도는 0.25MPa로 가장 높게 나타났으며, EPS 심재는 평균 0.173MPa, 복합단열판은 평균 0.144MPa의 굴곡강도를 갖는다.
(a) Flexural strength (b) Failure modes of EPS and ETICS
Figure 6. Result of flexural strength test
한편 굴곡강도가 높은 록셀보드를 마감재로 적용한 복합단열판의 굴곡강도가 EPS 심재보다 더 낮은 굴곡강도를 나타내 고 있다. 이러한 원인은 시험편의 치수 및 국부적 압축변형의 영향으로 판단된다. 즉, 록셀보드 및 EPS 심재의 압축하중은 Figure 5(a)과 Figure 5(b)에서 나타난 바와 같이 약 100N 내외에서 압축항복이 발생한다. 이에 대하여 굴곡강도 시험에서 계 측된 파괴하중은 EPS 심재가 평균 22.4N이므로, 가력점 및 지점에 작용하는 하중 수준을 고려할 때 EPS는 압축항복이 발생 하지 않은 상태로 안정적인 휨 거동을 유지할 수 있다. 반면 복합단열판은 굴곡강도 시험에서 파괴하중(1,147.9N)이 압축항 복 점(Figure 5(c)에서 약 400N로 확인)을 초과하고, 가력점 및 지점에서 압축항복이 발생하므로 Figure 6(b)에서와 같이 가 압점 및 지점에서 압축변형 및 압괴현상이 뚜렷하게 나타나고 정상적인 휨 거동을 유지하지 못하기 때문에 굴곡강도가 저하 되는 것으로 판단된다.
KS M ISO 4898의 EPS 요구 굴곡하중을 강도로 환산하면 범주 I의 굴곡강도는 0.113MPa 이상, 범주 II는 0.188MPa 이상 이다. 따라서 록셀보드는 압축크리프를 받는 범주 II 수준 이상을 확보하고 있으며, EPS 심재 및 복합단열판은 범주 I의 요구 강도 이상을 확보하고 있는 것으로 나타났고, 이를 Table 6에서 확인할 수 있다.
5.4 전단강도 특성
준불연 복합단열판의 전단강도시험은 BS EN 12090에 따라 복합단열판에 대해 2면 전단시험으로 수행하였다. 전단강 도 시험은 총 5개의 시험편을 수행하였으며, Figure 7(a)에서 나타난 바와 같이 평균 0.034MPa로 나타났다. 다만, 전단시험 에서 최종 파괴양상이 Figure 7(b)에서 나타난 바와 같이 심재 단부에서 수직균열로 파괴되고 있다. BS EN 12090의 시험편 규격이 길이 200mm, 폭 100mm이지만, ETICS의 두께 220mm이므로 권장 시험체 치수보다 2.2배 더 크다. 이를 고려하면 사인장 균열 발생 조건보다는 휨 균열에 의해 지배되어 수직균열에 의한 파괴모드가 관찰된 것으로 판단된다. 따라서 복합 단열판 두께가 시험편 규격보다 큰 경우에는 시험편 길이를 증가시켜서, 전단파괴에 의한 강도 평가가 필요할 것으로 사료 된다.
(a) Shear strength of ETICS (b) Failure modes of ETICS
Figure 7. Result of shear strength test
6. 결 론
본 연구에서는 부착식 준불연 복합단열판 외단열시스템의 구조적 안전성을 평가하기 위하여 외단열시스템 및 구성재의 인장, 압축, 굴곡, 전단강도 등 역학적 특성을 시험적으로 검증하였으며 다음과 같은 결론을 도출하였다.
1) 준불연 복합단열판의 인장강도는 밀도가 낮은 EPS 심재의 인장성능에 지배되며, ETAG 004에서 제시하는 외단열시 스템의 부착강도 허용치를 상회하는 것으로 나타났다. 따라서 건물 외벽에 부착되는 외단열시스템에서 풍하중 등 면 외방향 하중에 대해 최소 부착강도 이상의 인장성능을 확보하고 있어 안정적 거동을 예상할 수 있다.
2) 준불연 복합단열판의 압축강도 및 굴곡강도는 KS M ISO 4898에서 확인할 수 있는 건축물 단열재용 EPS의 요구물성 에서 하중을 받지 않는 벽체의 외단열시스템 강도 기준을 충족하고 있는 것으로 나타났다. 다만, 지붕, 바닥 또는 중량 외장 마감을 설치하는 등 지속적인 압축크리프를 받는 경우에는 적합하지 않으므로 심재인 EPS 고밀도화 등 성능 개 선이 필요하다.
3) 준불연 복합단열판의 전단강도는 현행 규격에서 요구물성을 제시하고 있지 않지만, 부착식 외단열시스템의 풍하중 및 중량 마감재 설치에 따른 면내전단 저항성능을 규명하는 기초자료로 활용이 가능하다. 따라서 향후 구조부재에 대한 직접 전단실험 및 내풍실험 등을 추가적으로 실시할 계획이며, 부재단위의 전단성능 규명 시 활용하고자 한다. 또한 본 연구에서는 사인장 균열 발생 조건보다는 휨균열에 의해 지배되어 수직균열에 의한 파괴모드가 관찰된 것으로 판단된 다. 따라서 복합단열판두께가 시험편 규격보다 큰 경우에는 시험편 길이를 증가시켜서, 전단파괴에 의한 강도 평가가 필요할 것으로 사료된다.
4) 최근 강화된 건축법으로 외단열시스템의 심재까지 준불연 성능을 확보하도록 하고 있다. 이에 따라 현재 상용화된 준 불연 EPS를 심재로 사용한 복합단열판의 역학적 성능을 검증한 결과, KS M ISO 4898의 단열재용 EPS의 최소 요구물 성 규격은 만족하고 있으나, KS M 3808에서 규정하고 있는 기존 발포 폴리스티렌(PS) 단열재들의 특성은 만족하고 있 지 못하며, 일부 시험규격은 단일 구성재가 아닌 복합단열판의 특성을 규명하는데 부적절한 것으로 확인되고 있다. 따 라서 준불연 EPS의 안정적 성능 확보 및 다양한 용도에 적용하기 위해서는 화재성능과 동시에 역학적 성능 개선에 대 한 노력과 관련 규격의 개선이 필요하다.
요 약
외단열시스템에서 준불연 성능을 확보한 부착식 탄산칼슘계 복합단열판은 효과적인 단열성능과 화재안전성을 강화한 것으로, 본 연구에서는 준불연 복합단열판을 대상으로 부착식 준불연 외단열시스템의 구조설계 기초데이터를 확보하기 위 하여 복합단열판 및 구성재의 역학적 시험을 수행하였다. 국내외 시험규격을 참조하여 시험체를 제작하였으며, 인장강도, 압축강도, 굴곡강도, 전단강도를 시험 평가하였다. 시험결과로부터 준불연 복합단열판의 강도특성치를 도출하였고, 현행 KS M ISO 4898에서 제시하는 최소 요구물성을 확보하고 있는 것을 검증하였다. 또한, 본 연구에서 사용한 준불연 외단열시 스템은 지속적 중량 하중을 받지 않는 벽체의 외단열시스템으로 사용이 가능한 것을 확인하였다.
키워드 : 외단열시스템, 인장강도, 압축강도, 굴곡강도, 전단강도
Funding
Not applicable
Acknowledgement
This research was supported by a grant(20210370-001) from Research Program funded by the Korea Institute of Civil Engineering and Building Technology(KICT).
ORCID
Ki-Sun Choi, https://orcid.org/0000-0001-6968-6061 Soo-Kyoung Ha, https://orcid.org/0000-0002-0791-9162 Keun-Yeong Oh, http://orcid.org/0000-0002-4825-7070 Keum-Sung Park, https://orcid.org/0000-0001-9009-7616 Hwa-Sung Ryu, https://orcid.org/0000-0003-1385-8156
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