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[ Research Article ]
The International Journal of The Korea Institute of Ecological Architecture and Environment - Vol. 22, No. 2, pp. 47-53
Abbreviation: J. Korea Inst. Ecol. Archit. And Environ.
ISSN: 2288-968X (Print) 2288-9698 (Online)
Print publication date 30 Apr 2022
Received 21 Feb 2022 Revised 05 Apr 2022 Accepted 08 Apr 2022
DOI: https://doi.org/10.12813/kieae.2022.22.2.047

C-스터드 이격용 클립을 적용한 석고보드 건식벽체 시스템의 단열 및 구조성능 평가
송진희* ; 이혜림** ; 이경국***

Insulation and Structural Performance Evaluation of a Dry-wall System with Separating Clips for C-studs
Jin-Hee Song* ; Hye-Lim Lee** ; Kyoung-Kuk Lee***
*Corresponding author, Manager, Research & Development Center, LOTTE Engineering & Construction, South Korea (jinhee.song@lotte.net)
**Coauthor, Assistant manager, Research & Development Center, LOTTE Engineering & Construction, South Korea (hl.lee@lotte.net)
***Coauthor, Manager, Research & Development Team, YOOCHANG CO.,LTD., South Korea (kklee@yoo-chang.co.kr)

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Funding Information ▼

Abstract
Purpose:

Dry-wall systems, which use gypsum boards and steel C-studs, are widely used because they have many advantages. They are lightweight and have a faster construction period and easy construction. Dry-wall systems should achieved thermal-insulation performance according to their applications, such as a wall indirectly or directly adjacent to the outdoors. In this case, the proper thickness of the thermal insulation is determined in the design stage. However, steel C-studs, which penetrate the insulation layer repeatedly at 450㎜ or 600㎜ for installation of insulation materials and finishing boards, lead to additional heat loss. They also reduce the thermal insulation performance in the field. Thus, in this study, C-studs with separating clips were proposed to reduce the additional heat loss due to C-studs, and their structural and thermal insulation performance was evaluated.

Method:

To compare typical C-studs and proposed C-stud with separating clips, certified thermal-transmittance tests, according to the KS F 2277 - determination of steady-state thermal transmission properties, were conducted. The first test specimen used typical C-studs and the second used the proposed C-studs. The linear thermal transmittances of each stud were calculated and compared. In addition, a structural analysis of the proposed C-studs was conducted to evaluate the structural stability and find the proper fixing interval of the separating clips.

Result:

The thermal transmittance of the proposed C-stud dry-wall system is 0.37W/㎡K, which is 28.8% less than that of the typical C-stud dry-wall system, 0.52W/㎡K. The linear thermal transmittances of the typical and proposed studs were 0.117 and 0.061W/mK, respectively.


Keywords: Dry-wall System, Thermal Bridge, Insulation Performance, Structural Performance, Separating Clip
키워드: 경량 건식벽체, 열교, 단열성능, 구조성능, 이격용 클립

1. 서론
1.1. 연구의 배경 및 목적

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]

Table 1. 
Required performance of a dry-wall system
Sound insulation Thermal insulation Fire resistance
Party wall between spaces Required Not considered Required
Partition wall in the space General Recommended Not considered Not considered
Fire partition1) Recommended Not considered Required
A wall indirectly facing the outside air Recommended Required Required in a fire partition
A wall directly facing the outside air Recommended Required Required
1) Walls connected by air-duct shafts, pipe shafts, or evacuation spaces

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.

1.2. 연구의 방법 및 범위

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.


2. 기존 석고보드 건식벽체 단열성능 평가
2.1. 석고보드 건식벽체 선행연구 고찰

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.

2.2. 기존 석고보드 건식벽체 단열성능 평가

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.

Table 2. 
Design of C-stud dry-wall system
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
1) Includes indoor and outdoor surface thermal resistances, 0.110㎡K/W and 0.043㎡K/W, respectively

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.


3. 열교저감형 스터드 제안 및 성능 평가
3.1. 열교저감형 스터드 구조 개요

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.

3.2. 열교저감형 스터드 구조성능 평가
1) 평가 개요

열교저감형 스터드의 구조 안전성 확보가 가능한 이격용 클립의 적정 고정간격 및 개수를 선정하기 위해, Midas Gen을 이용한 구조해석을 수행하였다. 평가 모델은 층고 3m 기준으로 폭 150mm 열교저감형 스터드를 450mm 간격으로 시공하였을 때를 가정하여 이격용 클립의 고정간격을 세 타입(각 600, 750, 1,000mm)으로 설정하였다.

하중 조건은 Table 3.과 같다. 내력은 건축구조기준 KDS 41 00 00 - 2019[16]의 유사활하중 중 내벽 횡하중 기준을 참고하였으며, 해당 구조기준에서는 ‘건축물 내부에 설치되는 높이 1.8m 이상의 각종 내벽은 벽면에 직각방향으로 작용하는 0.25kN/㎡ 이상의 등분포하중에 대하여 안전하도록 설계’하라고 지침을 주고 있다. 구조 안전성 평가는 작용 하중에 대해 내력 및 변위가 기준치 를 초과하지 않는지에 대해 평가하였다. 수평 변위의 경우 2018 International Building Code[17] 기준에 따라 Table 4.와 같이 일반적인 마감재가 적용되는 경우에는 L/120이하, 석재와 같은 취성 마감재가 적용되는 경우에는 L/240이하를 만족하여야 한다. 이격용 클립의 물성치는 인장강도 58MPa 수준의 합성수지류를 가정하였다.

Table 3. 
Input values for structural analysis
Category Value
Dead load Gypsum board
(2-ply)
0.196kN/㎡
(assumed as 8.0kg/㎡/㎝)
C-stud Auto calculated
Live load Lateral load 0.25 kN/㎡
(referred from KDS 41 00 00[16])
Separating clip Tensile Strength Ultimate = 58MPa
Tensile Modulus = 2600MPa

Table 4. 
Deflection Limits, adapted from IBC [18] Table 1604
Construction S or W
With flexible finishes l/120
With other brittle finishes 1/240

2) 평가 결과

검토 결과는 Table 5.6.과 같다. 이격용 클립은 내력 및 변위가 구조적으로 안전한 것으로 확인되었다. 변위의 최대값은 열교저감형 스터드의 수직 중간 부위에서 발생하며, 이격용 클립의 고정간격 600, 750, 1,000mm에 대해 각각 최대 2.6, 2.6, 5.4mm의 횡방향 변위가 발생하며, 이는 변위 허용치인 25mm, 12.5mm를 모두 넘지 않아, 구조적 안전성을 만족하는 것으로 판단된다.

Table 5. 
Stress ratio for the separating clips
Interval Stress ratio Criteria Result
@1,000 0.34 1.00 O.K.
@750 0.25 O.K.
@600 0.29 O.K.

Table 6. 
Displacement for the C-stud with separating clips
Interval Displacement Criterion Result
@1,000 5.4mm 25mm (L/120)
12.5mm (L/240)
OK
@750 2.6mm OK
@600 2.6mm OK

단, 본 평가는 풍하중을 고려하지 않았으므로, 외기에 직접 노출되는 부위에서는 별도의 추가적인 검토 및 보강이 필요할 것으로 판단된다. 추후 수평하중저항성능 시험을 통해 실제 목업 벽체에 대한 시험이 진행될 필요가 있다.

3.3. 열교저감형 스터드 단열성능 평가
1) 평가 개요

열교저감형 스터드를 이용한 석고보드 건식벽체의 단열성능을 평가하기 위해, 2.2절의 기존 석고보드 건식벽체 시스템의 구성과 동일하게 시료를 제작하여 KS F 2277에 따른 열관류율 시험을 수행하였다. 시료 구성 및 설계 열관류율값은 Table 2.와 같으며, 상하부 러너를 제외한 수직 스터드 4개를 열교저감형 스터드로 변경하여 시험을 수행하였다(Fig. 6.(a) 참고). 이격용 클립은 하나의 스터드당 총 4개씩 고정되는 것으로 하였으며, 이 경우 500mm 간격으로 고정되며 이는 3.2절의 구조성능 평가 결과 적정 범위 내에 들어온다. 본 평가에서는 열교저감형 스터드 구조의 열교저감 효과를 평가하기 위한 것으로, 이격용 클립은 일반적인 플라스틱 열전도율(0.18W/mK 내외)을 가지는 합성수지로 제작하였다.


Fig. 6. 
Construction of the test specimens of the proposed C-studs

건식벽체 내부는 그라스울 뿜칠 방식을 이용하여 충진하였으며, 시공된 그라스울의 밀도는 시공 회차에 따른 오차가 존재하나, 기존 시험체 제작 시와 최대한 동일하도록 그라스울 원자재의 무게를 맞추어 시공하였다. 시료 제작 사진은 Fig. 6.(b)와 같다.

2) 평가 결과

평가 결과, 열교저감형 스터드를 이용한 건식벽체 시스템의 열관류율은 0.370W/㎡K으로, C-스터드를 이용한 기존 건식벽체 시스템의 열관류율 0.520W/㎡K 대비 28.8% 감소하였으며 설계 열관류율 0.207W/㎡K 대비 1.78배 증가한 수준이다. 상하부 러너의 경우 별도의 열교저감 조치 없이 기존 러너를 그대로 사용하였으며, 본 시험 결과에는 러너를 통한 추가적인 열손실의 영향이 포함되어 있다.

기존 C-스터드 및 열교저감형 스터드를 이용한 건식벽체 시스템의 열관류율 시험값을 토대로, 스터드 열교부위 선형 열관류율을 산출하여 두 스터드를 통한 열손실을 정량적으로 비교하였다. 선형 열관류율의 산출은 설계 열관류율 대비 열관류율 시험값의 증가분을 스터드로 인한 추가 열손실로 보고, 시험체의 전열면적을 반영하여 아래 Eq. 1~Eq. 6을 이용하여 계산하였다.

스터드 선형 열관류율은 Eq. 6과 같이 유효 열관류율(시험값)과 1차원 설계 열관류율값의 차에 전열면적을 곱하고, 이를 총 열교길이로 나누어 산출할 수 있다. 총 열교길이는 상하부 러너의 길이는 제외하여 스터드의 선형 열관류율값에 포함되는 것으로 가정하여, 러너의 영향을 반영하였다.

Qeff=Q1D+QTB(Eq. 1) 
Qeff=Ueff×A×ΔT(Eq. 2) 
Q1D=U1D×A×ΔT(Eq. 3) 
QTB=ψstud×lstud×ΔT(Eq. 4) 
Ueff×A=U1D×A+ψstud×lstud(Eq. 5) 
ψstud=Ueff-U1D×Alstud(Eq. 6) 
  • Q : 전열량 (eff:유효, 1D:1차원(설계값), TB:열교부), W
  • U : 열관류율 (eff:유효, 1D:1차원(설계값)), W/㎡K
  • ψstud : 스터드부위 선형 열관류율, W/mK
  • A : 전열면적 (2.25㎡), ㎡
  • l : 열교길이 (1.5m x 4 = 6.0m), m
  • ΔT : 항온실-저온실 온도차 (20K), K

선형 열관류율 산출 결과는 Table 7.과 같다. 기존 C-스터드의 경우 0.117W/mK이며, 열교저감형 스터드의 경우 0.061W/mK로 기존 C-스터드 대비 47.9% 감소한 수준을 나타내었다. 단, 상하부 러너의 열손실이 차지하는 비율이 높아 상하부 러너가 없는 상태에서의 선형 열관류율 값은 더 감소할 것으로 판단된다. 상하부 러너의 경우 시험체의 자립을 위해 설치한 것으로, 이를 제거한 경우를 판단하기 위해서는 추가적인 시험 혹은 시뮬레이션이 필요할 것으로 판단된다.

Table 7. 
Thermal experiment results of dry-wall systems with existing and proposed C-studs
Dry-wall with existing C-stud Dry-wall with proposed C-stud
Thermal transmittance Designed value 0.207W/㎡K 0.207W/㎡K
Experiment value1) 0.520W/㎡K 0.370W/㎡K (-28.8%)
Linear thermal transmittance 0.117W/mK 0.061W/mK (-47.9%)
1) Tested by the Fire Insurers Laboratories of Korea (FILK) (no.GK2021-0141/no.GK2021-0559)


4. 결론

본 연구는 석고보드 건식벽체 시스템의 C-스터드를 통한 열교를 감소하기 위한 열교저감형 스터드 구조 및 시공방식을 제안하고, 제안한 건식벽체 시스템의 구조 및 단열성능을 각각 해석 및 시험을 통해 평가하였다.

(1) 석고보드 건식벽체 시스템의 C-스터드를 통한 열교 발생 및 손실열량 증가로 인한 단열성능 저하 및 방지 방안에 대해서는 국내외 다양한 연구가 수행되었다. 주요 연구에서는 C-스터드의 열교를 통해 벽체 총 열저항이 최대 90%까지 저하될 수 있음을 밝힌 바 있고, 이에 따라 스터드 형상 변경, 스터드 웨브 천공, 단열패드 삽입 등과 같은 여러 대안이 제시되어 왔다.

(2) 열교저감형 스터드는 외기에 간접 및 직접 면한 부위에 적용될 경우의 단열성능 확보를 위하여 기존 150-45-11mm 규격의 0.8T 스터드를 대체할 수 있도록, 50-45-6mm 0.8T의 C-스터드를 대항하는 형태로 이격배치하고 C-스터드 간의 연결을 위한 이격용 클립을 일정 간격으로 고정하는 형태이다. 두 개의 C-스터드와 이격용 클립은 공장 혹은 현장에서 사전조립을 통해 하나의 C-스터드로 시공이 가능하며, 이격용 클립의 내부는 비어두어 그라스울 뿜칠을 통해 단열재를 스터드 내부까지 채울 수 있도록 하였다.

(3) 구조성능 평가를 통해 450mm 간격으로 시공되는 높이 3m 벽체를 기준으로 수평하중 25kg/㎡에서 600~1,000mm 간격으로 이격용 클립을 고정할 경우 변위는 2.6~5.4mm로 휨 변형이 허용치 이내로 나타났다.

(4) 기존 C-스터드와 열교저감형 스터드를 이용한 건식벽체 시스템의 단열성능 비교 평가를 통해 열교저감형 스터드의 열교 저감 및 단열성능 향상효과를 평가하였다. KS F 2295에 따른 열관류율 시험 결과, 기존 C-스터드 건식벽체 시스템의 열관류율은 0.52W/㎡K로 설계 열관류율 0.207W/㎡K 대비 2.5배 증가한 수준으로 나타났다. 이에 비해 열교저감형 스터드를 이용한 건식벽체 시스템의 열관류율은 0.37W/㎡K로, 기존 대비 28.8% 감소한 수준으로 나타났다. 시험 결과를 이용하여, 스터드 부위의 선형 열관류율을 산출하였을 때, 기존 C-스터드는 0.117W/mK, 열교저감형 스터드는 0.061W/mK로 약 58%의 열교 저감이 가능한 것으로 판단된다. 단, 선형 열관류율 산출 시 상하부 러너로 인한 영향이 포함되어 있어 스터드만의 정확한 열교 수준 평가를 위해서는 별도의 추가 시험 혹은 해석이 필요할 것으로 판단된다.

열교저감형 스터드의 단열성능 시험 평가를 통해 기존 C-스터드 대비 단열성능 향상 효과가 있음을 확인하였다. 추후 건식벽체 시스템의 필요 요구성능인 수평하중 저항성능, 차음성능 및 내화성능에 대한 시험을 진행하고, 현장 적용을 통한 경제성 및 시공성, 단열성능 모니터링 평가를 계획하고 있다.


Acknowledgments

본 연구는 2021년도 정부(산업통상자원부)의 재원으로 한국에너지기술평가원의 지원을 받아 수행된 연구임(과제번호: 20202020800360)


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