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도서 검토 내용

현장 명 : 동 문 프로젝트

에스이에스

2011년 9월 18일

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A. 외장석재의 선별기준과 석종분석

1. 외장석재의 적정성분석과 선별기준

a. 석재선별에 한 하자사례

외장재는 극심한 환경의 영향을 받는다. 내부의 골조(Structural Skelton)보다 더욱 열악한 환경이다.

자중, 바람, 비, 서리, 온도, 태풍, 지진, 진동, 동해 등 이루 말 할 수가 없다. 외장의 구성 재료

(Component Materials)는 단기적 하중작용과 과 장기적인 재료의 내구성에 안정해야한다. 즉 작용

되는 모든 하중(자중, 동하중, 열응력, 신축 등)에 장 단기적으로 안정(Stability) 하도록 설계된다.

그럼에도 불구하고 고층건축의 요람인 미국, Canada등 북미 및 유럽에서도 석재의 물성에 한

검토부실로 소재를 잘못 선정하여 석재가 고층에서 탈락하거나 변형되어 외장 석재 전체를 재시공

하는 사례가 빈번하게 일어나고 있어 초고층 건축학계의 석재에 한 재료적 안전성에 의문이 두

되었으며 석재사용에 한 안전율의 적용과 선별기준 재검토와 이에 따른 시방(Specification)이

최근까지 계속적으로 Upgrade 되고 있다.

1989년에 시공된 France의 Paris의 상징인 "La Grand Arch de la Defénce" 이다. 이 건축물 의

외장은 Italy의 Bianco Carrara Marble(Calcite)을 Open Joint System로 시공되었으나 15년 후

석재가 오염 되고 휘어지며(Bowing) 긴결부가 파손, 석재가 탈락하는 심각한 문제가 발생하여 곧

전체를 해체 해야 하는 상황에 놓여있다.

국내 최근 시공 급증하고 있는 화산석(Lava stone)의 외장재 사용은 검증되지 않은 건축소재로 구조적

내구성에 많은 문제점을 안고 있는 석종이다. 건축외장재로써 사용될 수 있는 석재의 선별기준은 미국

등 북미에서 ASTM 등 Specification 등에 제시되며 재료의 구조 성능시험을 통해 규제하고 있다.

석재에 한 재료적 물성에 한 지식이 부족한 일반 건축가에 의해 의장적 요소만으로 선정된 외장

석종이 건축외장에 치명적인 구조결함을 나타낸 사건이 최근에 비일비재하게 일어고 있으며 이에 한

근본적인 책이 최근 미국을 비롯하여 유럽국가에서 사용 재료에 한 전반적으로 기술적 검토가

진행되고 있다.

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상기 보도기사는 2007년 5월 15일 Toronto 의 First Canadian Place Building 외벽에 시공 된 1m x

1.2m x 30T (무게 140kg)의 석재가 Tower의 남측 60층에서 King Street로 추락한 사건의 기사이며 미국

1979년의 Chicago Amoco Building과 동일한 사건이다. 상기 석재의 탈락 사고는 1972년 준공한 80층

높이의 당시 제일 높은 건축물인 미국 Chicago의 Amoco Building의 외벽석재 탈락사고와 동일한 현상

으로 사용석재의 부적절한 선정과 설치공법이 문제가 된 것으로 판명되었으며 이 모두 타 석종으로 교체

되었다. 당시, 총 건축비는 1억2천만 USD로, 탈락사고 후 외장의 교체비용만 9천만USD가 소요 되었다.

Chicago Amoco Building의 외장석재 교체 중인 사진(왼쪽) 이는 외장재 총 44,000장의

외장석재(Bianco Carrara Marble) 30mm에서 화강석 Mt. Army 50mm로 교체되었다.

이후 미국 ASTM C18석재 분과위원회에서 10년이 경과된 후인 1993년에 ASTM C1242

(외장석공사에 관한 설계 및 재료선별에 한 품질관리 지침)을 공고하게 되었다.

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■ 최근 화산석(Lava stone)으로 시공된 건축외장 사례 (성남분당 휴먼센터)

외장에 사용되는 석재는 건축물이 축성될 지역의 환경적 하중조건에 따른 건축 재료로써 의 요구

물성이 있으며 이는 물리적 기계적 화학적 물성과 재료적 구조성능을 갖추어야 함을 의미한다. 상기

석종 Lava stone은 이러한 재료의 구조적 요구물성을 검증되지 않은 재료이므로 다공질 소재로써

고층의 외장재로는 부적당하다. 이는 고층건축 외장 Cladding 소재로 사용된 외국실례가 없다.

옥외광장 Water Fall(壁泉)에 사용된 Limestone (Mocha Cream)의 오염 열화 붕괴 (강남 GS Tower)

Limestone (Mocha Cream)은 물에 용식되며 기 중 산성비에 의해 부식되는 석재로 특히 물이

직접 닿는 부위나 동해 (Thaw Freezing)를 입을 수 있는 위치에는 사용을 하지 않아야 한다. 연중

온화 건조하며 태풍, 동해가 없는 유럽 등지의 지역에서는 외장에 사용하는데 큰 무리가 없을지

모르나 우리나라의 환경조건에는 외장재로의 적용은 어렵다. 상기부위는 준공 후 10여년이 채 되질

않은 건축물의 외부 Public Zone 옥외공원에 사용된 하자사례이다.

북부 독일의 Rhein-Ruhr에 있는 1702년에 만든 Limestone 으로 된 조각상(사진 유 첨)이 1908년과

1969년에 각각 촬영한 사진에 의하면 1908년까지의 200년 동안 외부의 Weathering damage는

그리 진행되지 않았으나 불과 60년 사이인 1969년의 조각상의 모습은 형태를 알아보지 못할 정도로

표면이 손상 되어 산업역명이후의 기 오염에 의한 Limestone의 침식의 심각성을 말해준다.

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(별도 유 첨 사진 참조)

■ 북부 독일의 Rhein-Ruhr에 있는 1702년에 만든 Limestone 으로 된 조각상

b. 최근 Renovation 된 국내 건축물 외벽 Limestone (Mocha Cream) 단기 오염사례

서울 종로 다동 Lotte 백화점 외장석재 : 2008년 Renovation (개보수공사)

적용석재 : Mocha Cream (Limestone), Bianco Carrara (Calcite)

Lotte 다동 백화점 외벽에 시공된 Mocha Cream(Limestone)과 Bianco Carrara(Calcite) 기 오염

석 종

요구물성

Granite

(Gneiss)

ASTM C615

Limestone

Medium DensityⅡ

ASTM C568

Marble

Exterior Wall

ASTM C503

ASTM

Test Methods

Absorption by weight,

max, %0.159 7.5 0.75 C97

Density

min,(kg/m3)2,627 2,160 2,800 C97

Compressive strength,

min, (MPa)150.34 28 52.7 C170

Modulus of rupture, min,

(MPa)10.5 3.4 7.0 C99

Abrasion resistance, min,

Ha87.3 10 10 C241

Flexural strength, min,

(MPa)6.97 N/D N.D C880

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b. 외장석재의 선별기준

설계 시 외장석재의 선별을 위한 중점 관리요소(Design Criteria for Stone)는 의장성에 앞서

구조적 안전성(Stability)과 내구성(Durability) 내후성능(Weather resistance)이라고 할 수 있다.

물론 서로 상호관계를 보완하여 적절한 석재의 크기와 두께, 마감처리 정도 등으로 조정은 될 수

있을 것이나 석재가 갖고 있는 고유의 화학적 조성과 기계 물리적 특성은 곧 외장재로써의 오염과

변색(상기 사진 Mocha Cream Limestone, Bianco Carrara 오염 2008년 시공) 구조적 변형

심지어는 안전성까지 위협을 받을 수 있음에 유의해야한다.

ASTM 기준과 각 석종별 물성비교

상기의 물성비교에서 외장재로써의 중요한물성은 흡수율과 전단 파단강도라고 할 수 있으며

마모율 역시 표면의 마감처리 시 제약을 주는 요소이므로 상기 값으로는 Limestone을 외장재로

추천하고자할 물성이 아니다. 그러나 굳이 사용코자 할 시는 구조적인 단면과 구조결함에 한

Risk를 사전에 보완조치 할 수 있도록 해야 하며 석재표면의 기 중 산성비에 의한 표면부식

(황화현상 : Gypsumlizing)에 따른 오염을 염두에 두어야 한다.

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원산지 석종 주성분 압축강도 흡수율

PortugalLimestone

ClasticsCaMg(CO3)2 28 MPa 7.5 %

원산지 석종 주성분 압축강도 흡수율

ItalyLavastone

VesicularSiO2 ND 6.7 %

원산지 석종 주성분 압축강도 흡수율

India Granite SiO2 120MPa 0.2%

원산지 석종 주성분 압축강도 흡수율

India

Madurai

Granite

GneissSiO2 210 MPa 0.2 %

2. 추천 석종 (Recommended Stone)

a. 원안설계 석종

Mocha Cream : 쇄설 퇴적형 석회석(Clastics Limestone)

특성 : 산에 약하며 흡수율이 높아 기 중 부식에 의한

오염율이 크며 구조적 강도가 약하다.

Basaltina : 분출형 다공질 용암석 (Extrusive Lavastone)

특성 : 용암 석으로 기포에 의한 공극율이 크고 원석상태가

불 균질하여 색상과 Texture의 변화가 크다.

b. 안 추천 석종

1) Light Beige Color (Granite Gneiss) : 화성편마암 (Igneous Gneiss)

White Galaxy : 화성 편마암(Igneous Gneiss)

Madurai Ivory : 화성 편마암 (추천 석종)

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원산지 석종 주성분 압축강도 흡수율

India

Madurai

Granite

GneissSiO2 210 MPa 0.2 %

Madurai Gold : 화성 편마암 (추천 석종)

■ 추천 적용석재의 재원

석종 : Indian Gold (Madurai Gold : Ivory Color)

석산 : 색상이 밝은 베이지색상의 방향성 Vein이 있는 화성 편마암으로 석산은 India 남부 지방의

Madurai에서 Karaikudi 고속도로 방향으로 42km 떨어진 Tamilnadu지역으로 Kashimir

White와 같은 석산에서 생산되는 석종이다.

(상부 Madurai Gold, 하부 Kashmir White)

연간생산량 : 200M3 /월 (연간 2,400M3) 채석상태가 양호함.

동일석산에서 채석되는 유사석종 : Giallo Madurai, Giallo Madurai Gold, Kashmir White,

최근 시공실적 : 삼성그룹 創業地 기념 터 조성공사 (2011년 6월27일 완공)

■ 2011년 6월27일 완공한 삼성상회 재현벽체 전경 (Madurai Ivory)

당초설계 석종(석회석) : White Travertine Unfilled ▪ 변경 후 : Madurai Gold White

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원산지 석종 주성분 압축강도 흡수율

India

Tamil NaduGranite SiO2 178MPa 0.3%

원산지 석종 주성분 압축강도 흡수율

Portugal

MaduraiGranite SiO2 105MPa 0.3%

원산지 석종 주성분 압축강도 흡수율

China

FujianGranite SiO2 174MPa 0.3%

2) Dark Grey Color (Granite) : 화강암(Igneous Rock / Granite)

Steel Grey Granite : 화강석 (추천 석종)

Saint Louis Granite : 화강석

Padang Dark Sesame Black : 화강석

3) Random Slab 균질도 (Homogeneous Rate)

White Galaxy Granite (Light Beige Color) ■ Steel Grey Granite (Dark Grey Color)

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B. Open Joint PER(Air Pressure Equalized Rainscreen Principle) System 공법 설계기준

1. Open Joint 등압 차수막 (PER) 공법을 위한 외장석재 벽체의 기능성능

a. 석재 외장의 주요 요구 기능성능 (PERFORMANCE OF PERIMETER WALL)

외장의 설계 내구연한 (Design Life) : 구성재 별 내구연한 설정 (석재, 구조구성재 50년)

외장석재 및 구성재의 내구성능 (Durability of Stone and Components)

설계하중과 적용 안전율 (Loading Conditions and Safety Factor)

구조거동과 변위 (Structural Movement and Deformation)

등압 차수공법의 적용과 열린 줄눈 : 등압구획과 차수, 기밀막의 설계

기밀성능 (Air Infiltration) : 풍압에 한 응

단열과 열교현상(Thermal Insulation and Thermal Break) : 단열의 연속성과 열 관류율

방수, 수밀성능과 차수 및 배수기능 (Water Penetration and Flashing Drainage)

마감재의 가공오차와 시공오차 (Finishing and Installation Tolerance)

석재의 긴결공법과 구조접합 : 하중의 전달체계와 응력에 의한 변위 흡수체계

구성구조 소재의 방식기능 (Corrosion Control) : 구조구성소재의 내식복후두께 확보

외장 석재 구성소재의 유지관리 및 교체 수용능력 (Maintenance and Replacement Capacity)

b. 구성 적용재료의 요구물성 (MATERIAL REQUIREMENTS) 기준

외장용 석재의 요구 물성 (Facade Stone)

석재 긴결소재 및 기타 구성재 (Fastener and Other Materials for Stone Fixing)

하지구조와 구조 긴결재 (Substructure and Structural Connection Members)

긴결 부속재(Connection Members : Bolting, Welding, Embed, Injection materials)

차수막과 후레싱 (Rainscreen and Joints Flashing)

단열재와 방습막 (Insulation and Vapor Retarders)

정전방지 분리재 및 고임재(Shim Pad and Separating Isolating Materials)

c. 외장석재의 구조 공법설계 및 건축기능 설계방안

외장석재 설치공법의 개념 (Stone Facade System)

석재의 긴결방안 (Stone Fastening)

층간신축이음과 변위흡수 (Stack Joint and Structural Movements)

석재 긴결공법의 설계 (Fastening Design)

등압설계와 차수 및 배수 후레싱(PER System Design and Joint Flashing)

창호 등 이질소재간의 접합상세 및 기능 (Interface Design between Other Finishing)

석재외장설계 요약정리 (Summary of Stone Cladding System Issues)

2. 적용공법의 설계 해석 (DESIGN APPRECIATION)

a. Applicable Design Criteria for Thin Stone Cladding / Strong Back Unit Framing System

하지구조물의 설치는 동하중 및 자중에 한 검토에 의해 안정된 단면을 설정하고 설계 풍압에

따른 허용한계변위에 한 조건을 만족할 수 있는 단면을 확보하도록 한다.

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SPONSOR CODE NO. SUBJECT

1. UBC SEC. 2309

SEC. 2311

SEC. 2312

Wall and structural framing.

Wind design.

Earthquake regulations.

2. ANSI (A58) ASEC 7/88 Minimum design loads in building and other structures.

3. AISC PART 4 Connection on Steel Structure.

4. ASTM C1242

C615

C1193

E547

E783

E1424

C241, C91

C170, C880

C99, C119

C1201

C1258

C1352

C1201

C1354

C1184

C1472

C1248, D2203

Standard guide manual for architectural dimension stone.

Granite dimension Stone.

Guide for use of joint sealants.

Water penetration on curtain wall.

Field measurement of air leakage.

Air leakage through curtain wall.

Initial testing manuals for flexural, compressive strength and

modulus of rupture etc.

Structural performance of exterior dimension stone cladding

system by uniform static air pressure difference.

Selection of dimension stone for exterior use.

Flexural modulus feat of elastic of dimension stone.

Structural performance test of exterior dimension stone.

Strength test of Individual Stone Anchorage dimension stone.

Structural Silicone Sealant.

Calculation movement of Sealant joint width.

Staining from sealant.

5. MIA NBGQA Marble Institute of America.

Standard Design Manual

6. National and Local Code Standard Design Loading for Buildings

7. Ref DataASTM

MNL STP Another technical reference data.

시방에 따른 조건에 의거 복합하중은 허용하중조건에 4/3을 증가한 값을 초과하지 못하며

한계변위에 한조건은 지지점(Support Point)의 구조조건에서 L360을 초과하자 않도록 설계된다.

석재의 안전율은 휨 응력에 하여서는 BSI(Building Stone Institute)에 의거 석종에 따라 선별

적용토록 하며 예로 화강석인 경우 500%를 적용하며 석재 긴결 지지부의 전단 파단에 하여서는

800%를 적용하도록 설계 된다. 기타석종은 기준에 의거한다.

열 변위에 한 재료의 적용범위는 ΔT 100℃를 적용하며 구체의 신축에 하여서는 일반적인

SRC구조에 의거 평균 적용 값을 적용한다.

등압에 한 설계조건은 북미(NRC 또는 CNRC)의 PER System 설계기준에 의거 등압공간의 설계

계산된 조건에 따라 구획된다.

Installation Method는 Semi Unit Cladding 방식으로 Rain Screen이 정착된 Unit Strong Rigid

Panel을 공장조립 후 현장 선 설치하며 Panel 및 창호간의 Joint Flashing적업과 등압 구획에

필요한 Air Chamber Delimiter 설치작업 후 수밀검사를 통과 승인 후 석재를 현장에서 직접시공

(Direct Attached on Site : Job Installation Method)한다.

c. 적용코드 및 표준 매뉴얼

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석종 Wind load에 의한 휨 응력 긴결 Anchorage 전단응력

화강석(Granite) 4.0 6.0

리석(Marble) 5.0 7.5

Sedimentary Rock 6.0 9.0

4. 외주 벽체의 기능성능

a. Design Life (외장의 각 구성재 별 내구연한)

Stone Facade를 구성하는 외부로부터 하중을 구체에 전달하는 모든 구조 구성부재(Structural

Components)는 최소한 50년을 견딜 수 있도록 설계된다. 이러한 구성부재는 석재, 긴결 Fastener,

Bolt 및 Locking Fastener, Structural Framing, Rainscreen Sheet, Connection Bracket, Main

Connector, Lateral Bracer, Embed Items 등으로 구성재의 교체 및 유지관리 없이 내구연한 동안

외부로부터 전달되는 응력의 변화에 하여서 스스로의 기능적 위치에 변화가 없도록 설계된다.

Stone Facade를 구성하는 모든 건축 기능적 소재(Architectural Functional Elements)는 설계된

20년 동안의 내구연한(Design Service Life)으로 설계된다. 이 기간 동안에는 모든 Assembly

구성재는 일상적인 청소작업이나 유지관리를 위한 경미한 보수작업을 제외하고는 별도의

Maintenance 없이 스스로의 요소 별 건축적 기능을 발휘할 수 있도록 설계된다.

일반적인 유지관리상의 개보수를 위한 구성소재의 재료는 건축기능 구성재의 교체를 위해 지정된

특수한 기술적 지원 없이도 쉽게 교체 가능하도록 설계 된다.

b. Durability of Finishes (마감재의 내구성능)

Stone Facade를 구성하는 모든 마감 구성재는 아래의 기간 동안에 안정된 기능을 발휘할 수 있도록

설계되어야 한다.

일반적인 Cleaning작업을 제외하고는 최소한 기간 10년

마감재의 유지관리를 위해 일정금액의 충당이 소요될 조건일 경우 20년

c. Loading Conditions and Safety Factor (설계 적용하중 조건과 안전율의 적용)

a. Stone Facade의 설계를 위한 적용하중

일반적인 조건인 자중, 바람에 의한 동하중, 적재하중 및 지진하중 외에 다음과 같은 Facade의

외벽에 작용되는 추가적인 환경조건에 따른 하중을 적용하여야 한다.

설치하중 (Installation Load)

유지관리 하중 (Maintenance Load)

온도변화에 따른 복사열의 열응력에 의한 열 하중 (Thermal Stress)

b. 석재의 안전율

석재의 안정적인 구조설계를 위하여 다음과 같이 석종 별 적용부위별로 안전율이 적용된다.

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매립 형 Anchor Type Unistrut Embeded Anchor Type 후 시공 확장형 Anchor Type

c. Anchorage 안전율의 적용

석재 및 지지강재의 설치를 위한 모든 긴결소재는 극한강도(Ultimate Failure)에 하여 다음과 같이

안전율을 적용 설계된다.

(1) Embed Stud Anchor (매립 타설형 앙카) : Headed concrete studs welded to steel

elements and cast-in-place with structural concrete shall have a minimum safety factor

of 2.0

(2) Halfen type or Ferrule type (Uni-strut 형 매립 앙카) : Halfen type or Ferrule type concrete

inserts shall have minimum safety factor 3.0.

(3) Expansion Type Anchor (확장형 후시공 앙카) : All drilled expansion or wedge type

anchors shall have a minimum safety factor 4.0.

d. Structural Movement and Deformation (구성재의 구조변위와 한계 처짐)

1) 구성재의 구조변위 요소

Stone Facade를 지지하는 모든 구성소재 긴결부는 다음과 같은 구조변위에 따른 어떠한 기능적

저감(Functional Reduction)없이 변위를 흡수할 수 있도록 설계된다.

제작공차 (Manufacturing Tolerance) : NBGQA(석재 가공기준)에 따른 제작공차

설치공차 (Field Installation Tolerance) : 허용 설치공차

열 변위 (Thermal Movement) : Thermal Variation ΔT 100℃ (-25℃ Thru +75℃)

횡 변위 (Lateral Movement) : H/400 (Wall between Two Floors : ± 13㎜)

Slab 및 Beam의 단부 처짐 (End Floor and Beam Sag) : L/360

적재하중에 의한 단부 처짐 (Live Load Deflection) : Superimposed Load

구조수직부의 신축 (Column Elastic, Inelastic Shortening) : Elastic Story Drift 0.004H

Inelastic Story Drift 0.002H

2) 구성재의 한계 변위 (Structural Serviceability) : Stone Cladding을 위한 각 구조구성소재는

평면을 기준으로 하여 작용되는 하중 하에 아래의 한계변위를 초과하지 않도록 설계된다.

Back Framing Member : Max Vertical Deflection for Wind Load - L/180 (max 20mm)

Stone Supporting Member 지지부(Anchoring Point) 간의 변위한계 : L/600 (max 3mm)

Stone Fixing Connection Point : Any Direction max 0.75mm (석재의 Epoxy 고정 불가)

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e. Air Pressure Equalized Rainscreen and Open Joint System (등압설계와 오픈 조인트)

1) 등압이론 (Air Pressure Equalization Principle)

건축외장에 작용되는 풍하중은 위치별 건물의 높이 형상 방향에 따라 다양하게 나타나며 이러한

압력의 차이는 건축외장으로부터 우수 및 공기의 유입을 유도시켜 누수, 결로 등의 외장손상을

일으킨다. 이러한 공기의 흐름(Kinetic Energy)을 차단하기위한 수단으로 고안된 외장공법이

PER(Air Pressure Equalized Rainscreen Principle)등압이론 이며 이의 기본 적용요소 는 다음

3가지로 축약된다.

Effective Air Barrier System (풍압에 응하는 Rigid한 기밀 막의 설치)

Compartment Air Chamber (등압구획에 의한 등압공간의 구축)

Rain Screen (차수막의 설치)

2) Rainscreen 과 Air Tightening Membrane

PER System에 따른 Rainscreen은 Wind Load에 응하는 Rigid Wall을 형성하여야 하며 내부

Insulation에 가습되는 Vapor에 한 Air Ventilation Tube는 별도 설치를 하지 않도록 한다.

그러므로 실내 공간 내부의 Vapor Barrier(방습막)는 풍압에 저항하지 않아도 되며 이는 기밀(Air

Tightening)을 유지하기 위한 최소한의 구조적 Membrane의 기능을 확보하도록 한다.

Open Joint의 경우 실내 내부의 Air Barrier 배면에 단순한 방습지 정도의 Aluminum Foil Kraft

정도 설치될 경우에는 Air Vent Tube를 설치할 수 없다. 단 내부의 Air Barrier가 외부의

공기압을 부담할 수 있게 Pan Sheet와 같은 충분한 강성을 확보한 경우에는 Rainscreen 측에

Air Ventilation 즉 통기관(Vent Tube)을 설치하는 것이 이상적이다.

3) Air Infiltration (기밀성능) : 기밀 막의 설치

건축외장에 작용되는 풍하중은 위치별 건물의 높이 형상 방향에 따라 다양하게 나타나며 이러한

압력의 차이는 건축외장으로부터 우수 및 공기의 유입을 유도시켜 누수, 결로 등의 외장손상을

일으킨다. 이에 따른 외장의 완벽한 기밀성능은 결로를 방지하며 열손실 및 이로 인한 재료적

열화를 방지한다. 그러므로 아래의 기밀성을 유지할 수 있도록 설계된다.

모든 Stone Cladding 구성재 및 창호 등 인접 마감 부위 : max 0.3 Liter/M2/sec at 150Pa

Panel의 Joint 및 창호 등의 이질소재간의 기밀을 위한 Elastic EPDM Flashing 또는 Butyl

Self Adhesion Membrane 과 Reglet 및 Weather Sealing 시공.

4) Water Penetration and Flashing Drainage (차수막과 후레싱 및 배수시설)

Stone Cladding을 위한 Back Framing Unit와 아연도 강판(HGI G90 1.2T)의 Rainscreen 부착

현장설치 후 Panel 과 창호 이질소재간의 Joint Interface는 Waterproofing Elastic Membrane으로

봉합되며 이음매는 금속 Reglet에 의해 고정 Weather Seal에 의해 차수 봉합된다.

Open Joint의 개념은 차수막과 등압구획이 완전히 시공 설치되고 창호공사가 완료된 이후에

석재설치를 해야 하므로 이에 따른 여타 공종간의 공정관리가 중요하다.

창호 이질재 및 Panel Unit 간의 Flashing 소재 : EPDM 자착식(Self Adhesion)

Rainscreen Membrane Lap Joint 간의 Sealing : Butyl Self Adhesion Membrane

Reglet 및 Sealing 재 : Galv. HGI Bent Strip(도면 참조) Silicone Base Sealant Caulking.

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C. 개념설계

1. 원 설계도서의 검토

a. 검토 지적내용

1) 외장 재료선정 부적격

외장재 지정석종의 물성 : 건축위치의 환경적 오염도가 타 지역에 비해 높아 외장재로 선정된

석종은 탄산염으로 구성된 Limestone(Mocha Cream) 및 다공질의 Lavastone(Basaltina)으로

쉽게 오염될 뿐 아니라 기 중 산성비에 의한 부식 및 동해에 의한 외장의 손상이 예상되는

소재임.

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외장석재의 요구물성 : 외력에 의한 응력에 구조적으로 충분히 응하고 열화에 의한 강도손실

예상기간동안 충분한 내구성을 확보해야하며 기 중 오염부식이나 동해에 의한 손상이 일어나지

않는 양질의 석종을 선정해야 한다. (외장석재의 물성기준 ASTM C1258 참조)

유럽 지중해 지역 도시의 경우 실제 Limestone을 사용한 건축물이 많다. 그러나 이곳의 환경적

조건은 지중해성기후의 특성으로 항시 온화 건조하므로 우리나라와의 환경적 열화조건을 비교할

수 없다. 또한 사용되는 오래된 건축물 부분은 Stone Block에 의한 조적(Masonry)방식으로

장기적 표면열화에 의한 구조적 손상이 거의 없다.

2) 석재 적용부위의 원 설계상세 검토

외장 Facade Design : Open Joint로 설계된 본 건축물의 석재외장의 형상의 특성상 불규칙한

돌출부위나 넓은 경사면의 설계는 석재가 가지고 있는 특징인 다공질에 의한 흡수성으로 인해

쉽게 오염된다. 또한 Open Joint에 의해 침투된 오염된 우수로 인한 국부적인 의장적 손상을

입을 뿐 아니라 겨울철 동해 및 결빙(Thaw Freezing)에 의한 열화 손상도 예상될 수 있다.

그러므로 외장의 계절적 우수 및 적설, 결빙 등에 의한 외장손상을 최소화 하기위한 각 부위별

Detail 정리가 필요하다.

▫ 벽체의 넓은 경사면: Open Joint에 의한 우수오염 방지 기능

▫ 벽체의 돌출부 우수처리 Cap Flashing 등 배수처리 기능설계

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외장 석재의 적용부에 한 구조 안전성확보 : 천정 소재(Soffit)로의 석재취부

석재는 인장응력에 한 물성 값은 적용을 하지 않는다. 지질학적 생성과정에서 형성된 균열과

불규칙한 물성 특히 취성이 강한 다공질소재로의 열화 등에 의해 적용 부적격 때문이다.

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외장석재의 Open Joint 줄눈 설치공법 부적격

석재외장의 Open Joint 줄눈설계를 위한

건축적 기능은 차수 및 배수기능과 등압

기능 및 기밀성을 유지토록 설계되어야

한다. 이러한 관점에서의 석재의 긴결

방법과 내부공간의 적절한 우수의 통제

기능이 적절하지 못하다.

우수가 직접적으로 맞닿는 상부 Coping

부위는 우수를 직접 외부로 배수를 할 수

있도록 설계 되어야 하며 하부의 Soffit

부위는 우수에 의한 동해가 발생되지

않게 우수의 접근이 없도록 차수처리

되어야 한다. 이러한 관점에서의 제시 된

설계 기초도서는 구조적 내구성 및 건축

기능면에서 적절히 보완되어야 한다.

조적형태의 석재는 압축재이며 Cladding 재로 설계될 경우에는 휨(Bending)재가 된다. 외벽을

구성하는 Cladding 재는 휨 소재로 설계되며 석재의 긴결부에는 수평 풍압에 의한 전단력이

발생하게 된다. 그러나 석재를 천정에 매달리게 하는 형태의 석재시공 특히 다공질의 현무암을

20mm 두께로 하여 메 달리게 시공되는 것은 극히 자제되어야 하는 설계이다. 간혹 Soffit의

Ceiling을 석재로 설계하는 경우가 있으나 폭의 크기가 300mm 최 600mm 정도로 국한되며 이

또한 높은 안전율과 이에 적합한 Fastening System을 적용시키도록 엄격히 규제하고 있다.

상부 및 좌측 상세도의 석재 천정

설치상세는 구조적이나 내구성적인

면에서 매우 부적격한 설계이다.

Undercut 형태의 Insert Anchor는

침투한 빗물을 괴이게 하여 반복되는

동해에 의한 긴결부의 국부적인

파단을 일으키는 주요인이 되는 점을

감안 할 시 매우 부적격한 설계이다.

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3) 적정설계의 기초공법 제안

Open Joint Rainscreen w/ PER (Air Pressure Equalized Cavity Rainscreen Principle)

BASIC TYPICAL PERFORMANCE SECTION DETAIL (SPANDRELS UNIT TYPE)

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Corner & Coping Stone의 PER System, Drainage 적용 및 Stone Fastening System

내부 차수막설치, 외부 석재배면의

공간 등압 및 창호주변 후레싱,

배수처리 와 하지 구조체의 방식,

석재 긴결부의 구조 동해 방지 책

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Soffit Ceiling 및 Cladding Spandrel Panel 부위의 석재시공

▷ Main Connection 부위 구조안전성 검증 (Fixed Honge)

▷ 석재 Fixing Fastener의 지지 Point 변경 (Bearing Point)

▷ Lateral Bracing Point (Wind Load) 설치

▷ 창호주변 Flashing 설치 및 Drainage Gutter 설치

▷ Unit Panel의 Dividing Module (최 길이) : 신축이음

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4) 석재 긴결부 상세 검토 (Undercut Anchor)

① Under Cut Anchor의 Drilling Hole에 한 품질검증 기준 부재

마모성 Drill Bit의 타공 회수에 따른 마모율 증가로 실제 Drill Hole의 균일한 타공 품질 확보

어려움. 다량의 석재 배면 Undercut 타공 후 적격한 타공 품질확인 방안 부재.

Undercut Hole의 타공 규격 미달 시 Undercut Anchor의 기계적 확장에 의한 석재의 전단

파단 위험 존재. 하부 Drill폭이 가공미달로 인한 Expanded Fixing 부위에 Stress 증가. 이로

인해 단순 마찰력에 의한(일반 확장에 의한 마찰응력) 석재의 국부열화 파손 우려.

Undercut anchor는 Undercut의 Form locking을 위한 별도의 1차 locking neck이 필수적으로

설치되어야 한다. 즉 2차적으로 Fastener를 석재에 고정시키기 위한 Locking Nut가 직접

석재에 매립된 Anchor를 당겨내지 않도록 하여야 한다. 그러므로 1차적인 Locking nut가

설지 되어있지 않을 경우 Undercut anchor는 재 기능을 할 수 없게 된다.

다공질의 현무암과 같은 석재의 공극에 의한 절 전단 파단면적 부족

아직 마모되지 않은 부위

타공 시 먼저 마모된 부위

다공질 석재의 타공 시 단면결손 발생 하부의 마모가 먼저 진행되어 Undercut 기능 상실

타공의 정도 육안 확인 불가상태 실제 Insert Anchor와 Drill bit의 크기

UNDERCUT ANCHOR에 한 기술자료(Ref data : FZP Anchor)

Undercut Insert Anchor는 Undercutting된 Hole에 Form Locking되는 Mechanism

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INSERT ANCHOR TYPE DETAIL 'A'

② Undercut 형 Self Expansion Insert Anchor Type의 개요

본 Cladding system의 핵심적 설계요지는 독일 Fisher 사가 개발한 Undercut 형 Insert

Anchor에 있다. 이 부착 System은 Preforming 형태의 Under- cutting Drill Machine에 의한

정교한 가공 에서 부터 시작한다.

그러나 최근 사용되는 많은 유사한 Self Expansion System에서 지적되듯이 Undercut 부위의

확장 시 발생하는 변형에 의한 확장 응력이 정밀하게 가공되지 못한 석재 내부 Hole에 직접

접촉 전달되어 장기적으로 석재의 긴결부가 파손될 수 있음이 지적되어 가공품질의 확신이 서지

않을 경우 장기적으로 구조적 위험성을 내제하고 있다.

③ Detail "A" System의 문제점 분석

가공성 : Undercut Drill의 특성상 이러한 형상의 가공을 위한 특수한 Drilling Machine과 Drill

bit가 필요하며 이 또한 특수 고안된 ❶ Diamond Tip에 의한 마모성 소재로 일반 Drill bit에

비해 마모성이 높으며 상당히 고가로 비경제적이다. 또한 현장에서의 긴급한 가공의

체수단이 되질 못해 가공부실시 시공 체능력이 떨어진다.

구조성능 : 석재는 타 건축소재에 비해 비중이 높으며(Avg. 2.5) 취성이 매우 강해 지지부

(Fastening, Substrate)의 변위를 흡수하지 못할 경우 집중된 응력에 의해 국부적인 파손이

일어난다. 하지구조물의 열 편차에 의한 변위는 12x10-6m/m℃에 비해 석재는 6x10-6m/m℃

이하이다 또한 철 구조물은 탄성체이므로 진동에 의한 변위가 항상 존재한다. 그러므로 석재

상하 긴결부❸❶❺의 구속된 Rigid Fixed 구조조건 에서는 국부파손이 일어난다. 또한

Fastener 의 상호체결 Bolting부위❸❶❺에 Locking 장치가 누락되어 Bolt 죄임(Torque)의

풀림현상 (Release)발생 시 흘러내려 구조적 Balance가 깨어질 수 있다.

(Lock을 위한 Toothed face가 있으나 누락되어 있음)

⑶ 의장성능 : 석재의 가공두께❹ 국제(NBGQA)허용편차는 3mm이며 이에 한 배면 Undercut

anchor➊의 오차흡수 장치가 있어야 한다. 그렇지 못할 경우 시공 시 표면의 가공편차조정이

어렵게 된다. FZP (Fisher사)의 경우 Drill bit의 일정한 깊이와 Lock장치가 붙은 Insert를 사용

하고 있으나 본 Detail❶에서는 확인하기 어렵다.

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시공성능 : Unit 별로 공장조립 된 Rainscreen(차수막)이 설치된 상태에서의 Bolting❷작업은

미리 설치되어있지 않는 조건에서는 현실성이 떨어진다. 또한 관통부(Hole) 또한 기밀성을

저해한다.

경제성(원가분석) : Undercut Drilling을 위한 기계손료 및 가공비, Anchor❶ 가 고가이며 석재

판 (Veneer Unit)의 매수 당 4set의 긴결재가 소요되며 이를 위한 하지 긴결부의 Bracket❻ 또한 4set 부착하여야 함으로 용접부에 의한 제작효율이 저하된다.

5) 안 설계안

Corner Stone을 위한 Plug & Rod Anchor

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Rain Screen Open Joint Type Stone Cladding System

Top Fixing Fastener Components

Intermediate Fixing Fastener

Bottom Fixing Fastener Components

상기 Detail은 성남 국가 문서기록원 Project에 설계 적용된 것이며 Rainscreen과 창호 주변의

완벽한 Flashing처리 Drainage 그리고 하부 Soffit의 시공 Detail 및 Open Joint형 Primary

Bracket이 설계 요점이다.

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시료의 제작과 System에 한 구조 성능 검증 (Structural Anchorage Pullout Test)

1) 설계 적용하중의 산정 (Loading Condition)

① Insert 형 Plug & Rod anchor 검토

수직하중(석재의 자중 50%) : 374N 석재의 무게에 Support Anchor 수량으로 등분한 값

수평하중(풍하중 : A * Fw * 1/4) : 735N 수압면적을 지지Anchor 수량으로 등분한 값

☆ 적용 합력(Combined Load) : 825N 수직하중과 수평하중의 합력

② Adhesion Anchorage의 검토 (풍하중)

수평하중 (풍하중 : A * Fw * 1/4) : 735N

☆ 적용 하중(Combined Load) : 735N

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2) 인발 시험을 위한 시료의 제작

① Pull out Test / Insert 형 Plug & Rod anchor (SAF PNR8)

Stone Specimen(석재 시료)을 150x150x30T 에 Short Slot Kerf (Dia100mm, 20mm Dept, 5mm

Wide)를 양 마구리 Edge에 가공하고 H형 Bracket을 설치 할 수 있도록 Cross 형으로 Slot

Kerf를 형성한다. 이때 수평의 SSK는 각도가 30°-45°정도 위로 치켜 가공한다.

가공된 SSK내부에 Plug N rod anchor를 심고 위치를 정확히 조정한 다음, Epoxy Mortar로

충진한 후 충분히 경화 시킨다. 물론 Epoxy Mortar 주입 전 Kerf 내부는 깨끗이 청소한다.

Plug N Ros anchor가 완전히 경화된 후 H형 Bracket(N008A)을 고정시킨다. 고정 시 H형

Bracket 배면에 Epoxy mortar을 충분히 도포하여 석재 면과 완전히 접착 되도록 한다. Epoxy

Mortar이 완전히 경화된 후 H형 Bracket 주변을 구조용 Silicone Sealant로 Bite가 최소 6mm이상

되도록 두러 Caulking 한다. 여기에 당초 설계는 구조용 Silicone Sealant로 Adhesion 하도록

설계되어있으나 편이 상 Epoxy로 체된 상태이다. 실 시공 시는 구조용 Silicone Sealant를

사용하여야 한다.

Concrete 바닥에 시료(Test Specimen)를 Heavy Duty Fastener(Type SAF001C)와 Expansion

anchor M10을 사용하여 고정시키고 Plug anchor에 Clip Wire를 사용하여 인발력이 825N이상

단계별로 재하(Loading)하여 극한 파단 시 까지 시험한다. 실험인장 각도는 수직 27°로 하며 재하

증가비율은 50%단위로 한다.

극한 파단 전, 재하량이 300%(2,475N:253kgf)를 초과하면 이 상태에서 재하된 하중을 48시간을

존치시켜 단기 변위량을 검사한다.

본 Fastener의 Design에 의한 석재의 개별 강도시험은 ASTM C1354의 Guide manual에 준하여

석재의 안전율은 500%로, Fastener는 200%를 감안한 시험치로 계상한다.

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② Pull out Test / Adhesion Anchorage의 검토 (풍하중)

Stone Specimen(석재 시료)을 150x150x30T 에 Short Slot Kerf (Dia100mm, 20mm Dept, 5mm

Wide)를 양 마구리 Edge에 가공하고 H형 Bracket을 설치 할 수 있도록 수직 일자 방향으로 Shot

Slot Kerf를 형성한다. 이때 수직의 SSK는 석재 면에 직각되게 가공한다.

가공된 SSK내부에 Rod를 제거한 Plug anchor를 심고 위치를 정확히 조정한 다음, Epoxy

Mortar로 충진한 후 충분히 경화 시킨다. 물론 Epoxy Mortar 주입 전 Kerf 내부는 깨끗이

청소한다.

Plug anchor가 완전히 경화된 후 H형 Bracket(N008A)을 고정시킨다. 고정 시 H형 Bracket

배면에 승인된 구조용 Silicone Sealant를 최소 3mm 두께로 충분히 도포하여 석재 면과 완전히

접착 되도록 하여 Fastener 주변에 Bite가 6mm이상 되도록 둘러 Caulking 한다.

Sealant의 양생은 업체의 Instruction Manual에 의거 충분히 양생한다.

Concrete 바닥에 시료(Test Specimen)를 Heavy Duty Fastener(Type SAF001C)와 Expansion

anchor M10을 사용하여 고정시키고 Plug anchor에 Clip Wire를 사용하여 인발력이 735N이상

단계별로 재하(Loading)하여 극한 파단 시 까지 시험한다. 실험인장 각도는 수직 90°로 하며 재하

증가비율은 50%단위로 한다.

극한 파단 전, 재하량이 300% (2,205N:225kgf)를 초과하면 이 상태에서 재하된 하중을 48시간

존치시켜 단기 변위량을 검사한다.

본 Fastener의 Design에 의한 석재의 개별 강도시험은 ASTM C1354의 Guide manual에 준하여

석재의 안전율은 500%로, Fastener는 200%를 감안한 시험치로 계상한다.

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3. Centum City UEC Project의 현장시공 품질관리 사진 자료

Department Store 북측면의 Stone Cladding Situation

Intermediate Fastener (Grout Fill into Kerf) Top Fastener w/ H Bracket & PNR8 Anchor

Top Stone Fixing Fastener (Grout Sealant) Bottom Fastener w/ H Bracket & PNR8 Anchor

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석재의 시공 : Job Installation System (Direct Attached Stone on Temporary Stage)

Stone Wall Cladding with Top Fastener (Job Installation)

Expansion Joint Part w/ Top & Bottom Fastener Intermediate Fastener w/ Sealant Grout

Typical Type of Intermediate Fastener Stone Cladding on Job Site

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Soffit & Corner Stone의 조립 설치 사례 (Plug & Rod Insert Anchor의 가공조립설치)

Corner Soffit Cladding Detail

PNR8 Insert Anchor로 Soffit Veneer의 가공 조립된 Sample 모형

PNR8 Insert anchor의 조립 전 형태 Insert Grout를 위해 Slot Kerf 가공된 석재

PNR8 Insert Anchor의 매립과 Epoxy Grout h형 Bracket의 조립된 상태 (구조용 Sealant)

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SSK(Short Slot Kerf) 공장가공 된 Cut to size Strong Back Truss Unit Panel의 입고

Back Truss Unit Panel의 설치

Stone Fixing Fastener의 가 조립 Stone Cladding과 Kerf 의 Sealant Grouting

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Stone Cladding with Al. Extrusion Fastener w/ Sealant Grout

Southern Elevation Stone Facade Cladding Situation