KIEAE Journal

경량 건식벽체(dry-wall) 시스템은 프레임 및 석고보드 혹은 ALC 패널 등을 조립 시공하여 세대 내 칸막이벽을 구성하는 시스템으로, 건축물의 대형화 및 고층화에 따른 건축물 경량화 방안의 일환으로 1970년대부터 도입되기 시작하였다[1]. 경량 건식벽체 시스템은 양생기간이 필요 없어 시공속도가 빨라 공기단축의 효과가 있으며 특히 동절기 공사 시 공사 지연이 없다는 장점이 있다. 특히 석고보드 및 경량 철골 프레임을 이용하는 석고보드 건식벽체 시스템의 경우 경량벽체 시스템 중 가장 경량이며 가공성이 좋아 벽 및 천장 등 다양한 부위에 적용될 수 있다[2]. 또한 벽체 내부 차음재 시공을 통해 차음성능 및 단열성능을 확보할 수 있어 다양한 규모 및 용도의 건물에 적용되고 있다.

석고보드 건식벽체 시스템의 시공은 Fig. 1.과 같이 상, 하부 러너 시공 후(①), 수직 스터드를 고정하고(②) 한쪽면의 석고보드를 시공한 후에(③) 내부 단열재를 설치하고(④) 반대면 석고보드 고정 후(⑤) 조인트 처리 및 마감을 하는 순(⑥)으로 시공된다. 석고보드 건식벽체의 법적 요구성능은 차음성능, 내화성능, 단열성능이 있으며, 세대 내 혹은 세대 간 벽, 외기에 직접 혹은 간접 면하는 벽 등 시공부위별로 요구 수준은 상이하다(Table 1. 참고). 이외에도 벽체로서의 기본적인 수평하중 저항성, 내충격성, 견고성, 내수성 등의 성능이 요구된다.

Fig. 1. 
Installation of dry-wall system [2]

공동주택의 경우 세대 내 칸막이벽 혹은 세대 간 벽에 시공되는 경우가 많으며, 이 경우 차음성능 및 내화성능이 법적으로 요구된다. 또한 호텔 등 숙박시설의 비난방 복도와 인접한 실간 벽체, 초고층 주택 등 경량 구조가 요구되는 프로젝트의 내부 발코니, 테라스 및 실외기실 등에 인접한 벽체에 시공하는 사례가 많으며 이 경우에는 차음 및 내화성능과 더불어 단열성능 확보가 필요하다.

석고보드 건식벽체 시스템의 경우 벽체의 자립을 위해 수직 철제 스터드가 시공되며, 단열재의 경우 스터드 사이에 분절되어 설치된다. 일반적인 세대 내 칸막이벽의 경우 인접한 양 실간의 온도차가 미미하므로 벽을 통한 열 손실, 획득을 고려하지 않아도 무방하나, 외기에 간접 혹은 직접 면하는 부위에 시공 될 경우는 건축물의 에너지절약 설계기준[3] 상의 요구수준을 만족하여야 한다. 이 경우 법규를 만족하기 위해 건식벽체 내부 단열재의 열전도율을 고려하여 적정 두께를 결정한다.

단, 수직 철제 스터드를 통한 추가적인 열 손실 및 획득을 고려하지 않기 때문에 실제 시공 후 단열성능은 설계 수준 대비 저하될 가능성이 크며, 기존 연구에서는 이와 같은 경량 철골 프레임으로 인해 벽체의 열저항은 84~90% 감소할 수 있다고 보고된 바 있다[4]. 실제로 외기에 간접 면한 부위에 시공된 석고보드 건식벽체 시스템의 경우, 수직 스터드를 통한 추가적인 열손실로 결로 하자가 발생하기도 한다(Fig. 2. 참고). 철제 스터드 부위의 단열성능 저하는 냉난방에너지 요구량의 증가뿐 아니라 실내 표면의 결로 및 곰팡이를 유발하여 입주자의 실내 건강 및 쾌적성과 연결되므로 건식벽체 시스템의 스터드 열교에 대한 고려 및 방지 대책이 필요하다.

Fig. 2. 
Degradation of the surface temperatures on the C-stud

본 연구에서는 기존 C-스터드(stud)를 대체하여 적용하되 C-스터드 웹(web)을 통한 열교를 저감할 수 있는 스터드 구조를 제안하고자 한다. 제안하는 열교저감형 스터드 구조는 두 개의 스터드를 이격하여 배치함으로써 스터드를 통한 열전달을 차단하며, 구조 안정성 및 간격유지를 위해 이격용 클립(separating clip)을 적정 간격으로 고정하는 방식이다. 본 연구에서는 건식벽체 시스템의 구조 안정성을 확보할 수 있도록 이격용 클립의 적정 설치 간격을 결정하고, 기존 및 제안하는 스터드 구조에 대해 KS F 2277[5]에 따른 열관류율 시험을 진행하여 스터드의 단열성능 향상이 총 열관류율에 미치는 영향을 평가하였다. 이를 통해 열교저감 스터드 구조 적용 시의 벽체 단열성능 향상 효과를 검증하고 현장 적용성을 타진해보고자 한다.

본 연구에서는 석고보드 건식벽체 시스템의 스터드 부위 열교를 저감하기 위해 기존 C-스터드를 이격 배치하고 자체 개발한 이격용 클립을 내삽하는 열교저감형 스터드 구조의 단열 및 구조성능 평가를 위해 해석 및 시험 연구를 수행하였다. 연구의 순서는 아래와 같다.

(1) 철제 스터드(C-sutd)를 사용하는 기존 건식벽체 시스템의 단열성능을 파악하기 위해, 관련 선행 연구를 고찰하고 단열성능 평가를 수행하였다. 단열성능 평가는 KS F 2277[5]에 따른 열관류율 시험을 진행하였으며, 단열성능이 요구되는 부위에의 적용을 가정하여 두께 150mm의 가등급 단열재를 시공하는 경우를 가정하였다. 가등급 단열재는 열전도율 0.034W/mK의 시험성적서를 가진 그라스울 단열재를 사용하였다.

(2) 기존 석고보드 건식벽체 시스템의 C-스터드에 대한 개선 대안으로 C-스터드의 이격배치를 통한 열전달이 차단되도록 이격용 클립을 고정한 열교저감형 스터드를 제안하였다. 또한 간격부재의 형상, 필요 재질, 고정간격를 결정하기 위한 구조성능 해석을 수행하였다. 구조성능 해석은 3차원 구조해석 프로그램인 Midas Gen을 이용하였으며, 기준 높이는 공동주택 혹은 중소형 사무소 건물의 층고를 고려하여 3.0m로 설정하였다.

(3) 구조성능 해석 결과를 참고하여 시험체를 구성하고 기존 석고보드 건식벽체 시스템의 단열성능 시험과 동일한 단열재 두께 및 구성을 가지는 시료를 제작하여 KS F 2277에 따라 열관류율 시험을 진행하였다. 이를 통해 기존 석고보드 건식벽체 시스템 대비 단열성능 향상 정도를 분석하여, 열교저감형 스터드의 열교저감 효과를 평가하였다.

석고보드 건식벽체 시스템의 C-스터드 사용에 따른 열교 평가 및 저감 방안에 대해서는 다수의 연구가 진행되었다. 주로 스틸 하우스 및 공업화 주택 등의 벽체를 대상으로, 건식벽체의 단열성능 평가 및 추정, 스터드 부위 열교저감 방안 도출 등이 진행되었다.

주요 연구로 유영동[4][6]은 철제 스터드 건식벽체의 마감재 공법, 벽체 구조에 따른 단열성능을 평가하고, 건식벽체 시스템의 실제 단열성능 추정에 관한 연구를 진행하였다. 해당 연구에서 C-스터드의 열교로 인해 단열재 시공 방식에 따라 차이가 있으나 열저항이 84%~90% 저하될 수 있는 것으로 보고한 바 있다. 장철용 외[7]는 스틸 하우스의 벽체를 대상으로 C-스터드의 형상을 변화시킨 대안을 도출하고 실험을 통해 단열성능을 평가하였으며, 조영주 외[8]는 공업화 주택의 스틸 스터드 건식벽체를 대상으로 공동주택 세대 내 외기 직접 및 간접 벽체 부위별 결로 방지 성능을 검토하였으며, 오지현 외[9]도 모듈러 건축의 스틸 스터드 벽체에 대해 스터드 배치 및 단열재 시공 위치 등에 따른 단열성능 향상 대안을 검토한 바 있다.

국외에서도 스틸 스터드를 이용하는 건식벽체에 대해서는 오랜기간동안 다수의 연구가 수행되었다. T.Höglund and H.Burstrand[10]는 스틸 스터드 플랜지 부위를 천공한 스틸 스터드의 구조성능 및 단열성능을 평가하였고, Mark Gorgolewski[11]와 Enrico de Angelis and Ermanno Serre[12]는 ISO 6946[13]의 combined method를 이용하여 건식벽체 열관류율 예측 연구를 수행하였으며 Adriano Pinto Gomes, et al.[14]는 ASHRAE Handbook[15]의 Zone method와 modified zone method를 이용하여 스틸 스터드 건식벽체의 구성에 따른 실제 열관류율을 산출하여 건물의 냉난방부하에 미치는 영향을 검토한 바 있다.

이와 같이 다수의 연구가 건식벽체를 구성하는 C-스터드의 열교로 인한 단열성능 저하 및 실내측 결로 방지 성능 저하를 인식하고, 설계 시 이를 포함한 평가 방안을 제안하고, 열교를 개선하기 위한 방안을 도출하는 방향으로 수행되어 왔다.

기존 C-스터드를 이용한 석고보드 건식벽체 시스템의 단열성능을 평가하기 위해, 외기에 직접 혹은 간접 면하는 부위에 적용 가능한 단열재 150mm의 시료를 구성하여 KS F 2277[5]에 따른 열관류율 시험을 수행하였다. 시료 구성은 Table 2.와 같으며 단열재 두께와 열전도율을 이용하여 계산한 설계 열관류율값은 0.207W/㎡로 건축물의 에너지절약설계기준[3] [별표1]의 외기에 간접 면한 벽체의 열관류율을 만족하는 수준이다.

Materials	Thickness	Thermal conductivity	Thermal resistance
Gypsum board	25mm (12.5mm×2)	0.18W/mK	0.139
Glass wool	150mm	0.034W/mK	4.412
Gypsum board	25mm (12.5mm×2)	0.18W/mK	0.139
Sum of thermal resistance (∑R)			4.8431)
Designed U-value (1/∑R)			0.207
Drawings

건식벽체 내부 충진 단열재는 두 가지 케이스를 고려하였다. 첫 번째는 일반적인 시공 방식과 같이 롤형 그라스울(rolled glass-wool)을 이용하였으며, 롤형 그라스울은 공인 시험성적서 0.034W/mK의 열전도율을 가지는 제품으로, 건축물의 에너지절약설계기준[3] [별표2]의 가등급 단열재를 만족하는 제품을 사용하였다. 시료 제작 사진은 Fig. 3.의 (a)와 같다.

Fig. 3. 
Construction of two types of test specimens for existing C-studs

두 번째는 그라스울 원재료를 파쇄하여 블로워를 통해 내부에 채워넣는 뿜칠 시공 방식으로 단열재를 시공하였다(blown glass-wool). 국내의 경우 건축에서 시공된 사례가 많지는 않으며, 주로 선박, 토목 등에서 단열이 필요한 부위의 불연 단열 시공 방식으로 사용되고 있다. 본 시험에서는 롤형 단열재로는 밀실하게 채워지지 않는 C-스터드의 내부를 단열재로 채우기 위해 뿜칠 시공 방식도 고려하였다. 시방에 따라 밀도는 55~65 kg/㎥가 되도록 시공하며, 해당 밀도로 별도의 시료를 채취하여 열전도율 평가를 진행하였으며 열전도율은 0.033~0.034W/mK 수준으로 업체 제공한 시험 성적과 유사한 범위로 판단되었다. 시료 제작 사진은 Fig. 3.의 (b)와 같다. 두 건식벽체의 스터드 형태 및 시공간격은 Table 2.와 동일하다.

기존 건식벽체 단열성능 시험 결과, 롤형 그라스울을 시공한 첫 번째 건식벽체는 0.510W/㎡K, 그라스울 뿜칠 시공한 두 번째 건식벽체는 0.520W/㎡K로, 설계 열관류율 대비 2.5배 증가하였다. 두 타입의 건식벽체의 단열성능은 설치된 C-스터드의 형상 및 개수가 동일하고 내부 단열재의 열전도율이 유사하므로 유사한 열관류율 범위을 가지는 것으로 판단된다. 두 케이스 간 열관류율 차이가 2%이내인 것으로 미루어 볼 때, 그라스울 뿜칠 시공에 따른 단열성능 차이는 크지 않은 것으로 판단된다.

본 시험에서 설계 시 의도한 열관류율이 0.207W/㎡임을 감안할 때, 실제 시공된 건식벽체 시스템의 열관류율은 상당히 증가하는 것을 확인하였다. Fig. 4.는 2차원 전열해석 프로그램인 Physibel BISCO로 간단한 전열해석을 수행한 결과이다. 실내외 온도는 각각 20℃, 0℃로 설정하였으며, 단열재 및 석고보드, C-스터드는 기존 건식벽체 시험체와 동일한 물성을 가지도록 모델링 하였다. Fig. 4.(a)는 단열재 내부 관통하는 금속 부재가 없을 경우이며 Fig. 4.(b)는 단열재 내부 C-스터드 관통 시의 온도 분포(isothermal image) 및 열류(heat flow) 분포를 나타낸다. 높은 열전도율을 가지는 금속 C-스터드가 단열재를 관통함으로 인해 추가적인 2,3차원의 열전달이 발생하며, C-스터드 부위의 국부적인 열손실로 인해 C-스터드 후면의 실내측 표면온도도 저하됨을 알 수 있다.

Fig. 4. 
Isothermal images with heat flow lines of dry-wall systems

국내 건축물의 에너지절약 설계기준[3]에서는 외기에 간접 혹은 직접 면한 건식벽체 설계 시 이러한 C-스터드에 대한 반영 없이, 단순히 단열재의 두께만을 이용한 열관류율 계산값으로 법규 준수 여부를 평가하고 있어 단열재의 최소 두께만을 만족하도록 설계하는 것이 일반적이다. 따라서 의도치 않은 열손실과 실내측 결로 및 곰팡이 발생이 일어날 수 있어 이를 방지할 수 있는 기술 혹은 시공법의 개발이 필요하다.

본 연구에서는 벽체의 두께는 그대로 유지하되 C-스터드를 통한 열전달을 차단하기 위해 스터드를 이격하는 구조를 고안하였다. 기본적인 건식벽체 시스템의 구성은 150mm 단열재를 시공할 수 있도록 설정하였다. 기존 C-스터드의 규격은 Fig. 5.(a)와 같이 웹-플랜지-립의 치수가 150-45-11mm이고 두께 0.8T이다.

Fig. 5. 
Typical C-stud and proposed C-stud

주요 열전달은 C-스터드의 웹(web)을 통해 일어나므로, 이를 차단하기 위해 Fig. 5.(b)와 같이 50-45-6mm, 0.8T의 C-스터드를 양쪽으로 이격 시킨 후 스터드의 지지를 위한 이격용 클립을 일정 간격으로 고정하는 방안을 도출하였다. 이는 기존의 더블 스터드와 유사한 구조이나, 이격용 클립의 선조립을 통해 단일 스터드로 시공할 수 있어 시공이 용이하며, 더블 스터드 내부의 단열재 시공이 어려운 점을 개선하여 그라스울 뿜칠을 통해 단열재를 내부까지 채울 수 있도록 시공하였다.

이격용 클립은 높이 2mm, 두께 3mm의 합성수지로 가정하였으며, 벽체 수평하중 가력시 휨 변형이 기준 내에 들어오도록 최소한의 고정이 가능하도록 설계되어야 한다. 상하부 러너의 경우 보통 바닥 마감(몰탈 및 기포)에 묻혀 실내로의 노출이 없을 경우에는 기존과 동일하게 단일 러너로 시공하여도 무방하며, 건식벽체가 하부 마감 상부로 시공되어 실내로 노출될 경우에는 추가적인 열손실을 감소하기 위해 하부만 더블 러너로 시공 가능할 것으로 판단된다.