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저자소개

� 부산대학교 공대 건축공학 전공

� 기ROTC15

� 삼성그룹 년 공채 삼성물산79 ( )

중앙일보사옥 년 커튼월81 Stone

사우디 종합병원G300 (BS)

설계시공KFIA (Bechtel) Stone

제주 공구장Hotel Shilla

부산 대한병원 소장 년(90 )

� 주 년 설립BAU Engineering( ) 93

여의도쌍용증권 외장 컨설팅Stone

삼성생명 대구부산외장설계시공( , )

교보생명 대구부산외장설계시공( , )

� 년 설립SES stonetechnics 96

서울 외장 설계Central City CM

신세계백화점 강남 점 석재외장

신세계백화점 죽전 점 석재외장

국세청 청사 외장석공사 설계CM

서초 외장 석공사TraumHaus

부산 센텀시티 외장 석공사UEC

고려대 주년기념관 석재외장100

삼성 타워 팰리스 도곡 분당,

삼성전자 연구소 석재외장R4 DM

연세대학교 주년 기념관 외장120

삼육대학 주년 기념관 외장100

국가기록원 외장석공사 설계 CM

건국대 스타시티 외장컨설팅 CM

서울 외장설계 컨설팅IFC CM

안양점 외장 컨설팅GS Square

� 초고층외장기술SCEA( ) Stone

� ASTM C18 Stone Membership

� MIA (Marble Institute America)

� 종Stone Clad Invention Patent 32

개요

석재는 인간이 수천 년 동안 축성한 건축물 소재로 인류의 역사 유적을 통해 증명된

가장 많이 사용되어 온 재료 중 하나이다 이는 자연에서 쉽게 채취할 수 있을 뿐 아.

니라 구조적으로 강하며 견고하고 미려하여 구조재 및 의장재로 지금까지도 가장 보

편화 된 고급 건축소재로 건축 설계자나 건축주에게 가장 각광받는 소재이다 그러나.

이는 거의 압축재인 과 및 형태인 형태로Stone Block Lintel Arch Vault Masonry

시대를 거쳐 근대건축의 및 구조가Egypt, Greece, Rome RC SRC Highrise Building

을 형성하기까지 구조 및 표장재로 수천 년을 이어왔다 수천 년 동안 형태. Masonry

의 압축재인 석재가 고층의 외장재로 풍압에 저항하는 휨 재 인(Flexural Member)

로 구조적 성능이 바뀌기 까지는 불과 년도 체 되지 않았다 이러한 현대건Veneer 50 .

축의 초고층 화의 발전에 따라 그간 인류가 수천 년을 통해 경험적으로 신뢰했던 압

축재로써의 석재에 대한 구조적 지식은 고층의 외벽에 판재로써의 구조적인Cladding

역할을 해석하는데 는 도움이 되질 못하였다 통석으로의 구조 내구성에 강한 경험적.

인 석재의 안전성은 정도의 얇은 판재 에서는 전20mm-30mm (Thin Stone Veneers)

혀 다른 구조적인 물성을 나타냄을 최근에야 밝혀내었기 때문이다.

자연에서 채석되어 가공되는 석재는 생성에 따른 전혀 다른 물성을 나타내며 판재로

써 고층의 외부 표장재에 사용될 시 이는 석재의 안정적인 소재로써의 고정관념을 완

전히 바꾸어 놓는 조건이 됨을 등의 학술단체를 통해 최근에 밝혀진 사ASTM TEAM

실이다 미국은 여 년 전 의 당시 세계에서 가장 높은 층. 20 (1990-1992) Chicago 83

건축물 의 외벽 석재 의 손상 탈락에 의해 여 장을(AON Center 1972) (Marble) 44,000

화강석 으로 교체하였으며 총 공사비 중 교체비용으로(Mt. Airy 50T) 120,000,000$

의 손실을 입었고 의 및80,000,000$ Canada Toronto First Canadian Building

의 제 개선문 의 등도 동일한 하자이유로France La Defence 2 , Helsinki Finlandia Hall

외장석재가 열화 변형 탈락 되어 이를 전체적으로 교체를 해야 하는 처지에 놓여있다.

이로 인해 미국의 은 외장석공사와 관련한 석종별 재료의 물성기준과 및ASTM Test

을 에 여개 이상 보강하였으며Guide Manual Specification 40 STP (Special

및 을 통해 새로운 외장석재의 공법Technology Publisher) MNL(Manual) (Building

들이 지속적으로 제시되고 있다 그러나 아직도facade Methodology) . ASTM, MIA,

등 석재관련 협회에서의 외장 석재에 대한 표준적인 안전율 및 적BSI, UNI, NBGQA

용 공법에 대해서는 정확한 기준을 정하지 못하고 있다 이는 석재가 가지고 있는 자.

연소재로써의 검증되지 않은 석재의 자연적 결함에 대한 구조손Natural Defect Risk (

실 에 대한 부담 때문이다) .

반면 거의 미국과 같은 시기인 년 초반에 시작한 고층 건축외벽의 석재시공 경험1980

을 가진 국내의 기술적 현실은 그간의 많은 해외로부터의 석재 외장 건축의 경험적

기술 축적에도 불구하고 국내 대부분의 건설사는 거의 답보상태를 벗어나 오히려 후

퇴하고 있는 실정이다 최근의 초고층 사무용건축 및 주거용 주상복합에 시공되고 있.

는 석재의 기술적 수준은 일반적인 건축 상식을 벗어난 매우 위험한 구조적 시공사례

가 발생되고 있으며 최근 도심지에 외장석재가 탈락되는 사고의 빈도가 더욱 가중되

고 있다 거의 모든 석재는 분명 여타 공산품인 건축소재와 다른 취성이 강하며 구조.

적 결함이 많이 내포된 소재임이 분명함을 잘 인식하고 있다 그러나 이러한 석재의.

결함이 외부의 환경조건에 열화되고 쉽게 변형되며 국부적인 파손을 일으킨다는 사실

을 잘 인지하지 못하고 있다 미국의 석재관련 에서는. ASTM Standard Specification

화강암 은 기계적 물성에 따라 대리석 은 균질 견고성(Granite) (Marble) Soundness(

에 따라 외장재의 적용을 규정하며 은 비중 에 따른 구Solidness) Limestone (Density)

분과 적용용도에 따른 최소 구조두께로 제한한다 외장재로 사용되는 은. Limestone

에 최소 두께를 확보하도록 제한하고 있다 또한 이를 지지하는Heavy Density 75mm .

구조 긴결부의 설계는 외장의 환경적 응력에 의한 변위를 흡수하도록 설계하여야 만

한다 그러나 대부분의 현실적 상황은 거의 등의 접착에 의한 고정으로 접합. Epoxy

시공되는 실정이다.

초고층건축 석재외장 커턴 월의 설계원론과 논제The Principles and Issues for Thin Stone Cladding Design on Curtainwall of Highrise Building

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CONTENTS

외장석재의 역사1.

고층건축의 외장에 미치는 환경적 영향과 석재의 열화2.

고층건축 외장석재의 일반적 하자3.

커턴 월의 기능과 석재의 요구물성과 설계기준4.

국내 외장 석공사 현황과 신기술5.

결론7.

외장석재의 역사적 변천과 현실적 문제1.

석재는 수천 년 동안 인류의 역사와 함께 인간이 축조한 지상

건축물의 주재료로 사용 되어져 왔다 고대의 구조물은 자연의.

상태의 표면에서 쉽게 채취 할 수 있는 통석 으로(Solid Stone)

축조되었다 대부분의 석재는 년대 초반까지 두꺼운 통석. 1900

의 조적 형태로써 의 석재로 구체 또(Cube Stone) Concrete

는 조적 철 하부구조물 등의 의장적 표장재로써의 석재판재,

로 사용 되어져 왔다 이러한 초기 석재를 조(Stone Veneer) .

적형태 로 석재의 두께는 최소 에서 정도였다100mm 200mm .

그러나 산업혁명이후 급격히 발전한 기계 산업 과 채석 및 석

재의 절삭 가공 기술에 의해 년대 초반부터 건물의 외장1960 ,

에 사용되는 석재판재 의 두께는 점차 얇아지기 시작하여 최

근에는 합성판 형태의(Composite Laminated) Engineered

인 정도의 복합 판의 형태까지 발전되었다Stone 7mm-10mm .

오늘날 일반적으로 외장에 시공 취부되는 석재 판재의 두께는,

에서 정도가 보편적으로 사용 되고 있다 대부분25mm 30mm .

의 설계 및 시공 기술자는 이러한 두께가 통상적으로 외장에

설계된 석재의 크기와 이에 작용되는 외부 환경적 응력에 적

응하고 변위를 흡수 할 수 있는 적정 두께로 인식되고 있으나

이는 실제 석재가 가지고 있는 물성과 이에 작용하는 환경적

요인 동하중 온도 산성비 결빙 등 의 기술적인 상호 연관성( , , , )

을 가지고 있음을 잘 인지하지 못하고 있다.

최근에 발생되고 있는 국내의 현실적인 상황으로 건축 설계자

및 시공기술자들은 단순 의장관점에 국한하여 색상과 Texture

에 의해 설계 선정하여 물성적으로 외장소재로 부적절한 석재

의 분별과 이를 규제할 설계 및 시공에 대한 법적인 제한적

규정도 없이 두께가 도 채 되지 않는 얇은 석재 판재25mm

를 외장 또는 내장의 고소에 부착 시공하(Thin stone veneer)

게 된다 이러한 경우 종종 재료적 특성상 석재에 내재되어. ,

있는 여러 자연 발생적 인위적 요인에 의해 부식열화, (Erosion

균열 조각남 분쇄 붕Weathering), (Crack), (Spall), (Fracture),

괴 등의 안전 상 의 문제가 석재 판재에서 발생 하(Collapse)

여 심각한 시공부실로 이어지게 된다 가장 일반적으로 이러. ,

한 형태의 문제는 사암 이나 석회석Sandstone( ) (Limestone,

화산석 등 부적합한 재료의 물성에 기인Marble) (Lava stone)

한 동해 부식에 의한 재료적 열화와 석재 자체의 크기 및 강,

성에 따른 휨 또는 전단파손뿐만이 아니라 석재의 부착을 위

한 긴결 부위 나 석재 상호간의 잘(Fastening interface) Panel

못 이격된 신축이음의 줄눈 등에 의해 나타나게 된다 그리고.

최근 국내에서 검증되지 않은 부적절한 재료의 사용으로 인한

내구성의 저하와 환경에 대한 재료의 열화와 이를 취부하기

위한 등에 의한 잘못된 공법으로 건축물의 최Epoxy Mortar

소 사용기간 최소 년 도중 오염 탈락(Building Service Life 50 ) ,

등 심각한 외장의 사회적 문제점을 야기 시키고 있는 것을 근

간 발생된 외장 석재의 안전사고와 결부 되는 것이다.

신전BC.1294 Karnak Amun BC. 1250 Mycenae Lion Gate

미국 대학의Indiana Indiana Limestone Masonry Building

외장석재의 변형과 탈락

의 외장석재 교체 중인 사진 왼쪽 이는 외장재Chicago Amoco Building ( )

총 장의 외장석재 를 두께 에서 화강석44,000 (Bianco Carrara Marble) 30mm

로 교체되었다 이후 미국 석재 소위원회에서Mt. Army 50mm . ASTM C18

년이 경과된 후인 년에 외장석공사에 관한 설계 및10 1993 ASTM C1242 (

재료선별에 대한 품질관리 지침 를 발행하게 된다) .

상기 석재의 탈락 사고는 년 준공한 층 높이의 당시 제일 높은 건축1972 80

물인 미국 의 의 외벽석재 탈락사고와 동일한 현상Chicago Amoco Building

으로 사용석재의 부적절한 선정에 문제가 된 것으로 판명되었으며 이 모두

다른 석종으로 교체되었다 당시 총건축비는 억 만 로 탈락사고. , 1 2000 USD

후 외장의 교체비용만 만 가 소요 되었다9000 USD .

미국 워싱턴북위 의 월과 월의 외장재의 색상별 온도차( 39°) 1 7

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외장석재에 미치는 환경적 영향과 외장석재의 열화2.

� 환경적인 영향 (Environmental Effects)

외기 에 노출된 고층건물은 넓은 폭의(Exterior Environment)

온도의 변화 와 수많은 해빙(Thermal variation) (Freezing and

의 순환 을 겪게 된다 우리나라 서울 수도권Thawing) (Cycle) .

경우나 미국 등 에서 년 간 해빙Washington, Chicago

의 평균 횟수는 세계 기상청 의 통(Freezing and Thawing)

계의해 쉽게 파악 할 수 있다 예를 들면 우리나라의 서울. ,

이나 주 에서는 년 간 회 정도의 해빙 순Illinois Chicago 80

환 이 되는 것으로 기상청 통계에 의(Thaw Freezing Cycle)

해 알 수 있다 건물의 외벽은 태양열로 인해 공기 온도보다.

매우 높은 온도에 노출 된다 이를 복사열 이라. (Heat Gain)

고 하는데 여름 한낮 태양에 노출된 차체의 금속판이 거의

섭씨 도에 육박하는 사실과 같은 이치이다90 .

건물의 외벽 역시 해가 진 후 다시 해가 뜰 직전까지 냉각에

의해 이하의 매우 낮은 온도에 노출된다 미국의 열 냉-20 .℃

동기술협회(American Society of Heating, Refrigerating

의 에 따르면and Air Conditioning Engineer) Handbook ,

에 있는 서쪽 석양 시 적외선에 노출 에 위치한 건물Chicago ( )

의 우리나라의 서울지역과 유사한 환경조건을 가진 Chicago

에서의 극저온 외벽 설계 온도는 이다 이러한 격렬한-24 .℃

환경의 변화에 폭로 되어있는 외장 석재에 대하여(Exposure)

이에 의한 재료의 노후화 내구성 시험은(Aging, Weathering)

여타 시험보다도 중요하다 서울지방의 경우 연간 회 정도. 80

의 해빙 이 반복되며 년 동안 회 정도(Thaw Freezing) 10 800

의 동해에 외장의 석재가 노출되어있음을 의미한다.

그러나 국내 뿐 아니라 미국조차도 아직 석재의 환경에 대한

내구성 시험을 위한 의 과정은 정확히 규정 되ASTM Test

어있지 않다 그러나 현재 미국의. Dimension Stone ASTM

위원회C18 (ASTM Committee C18, Dimension Building

는 환경적 열화 가속화 기반에서 의 환Stone) (Accelerated)

경 노출효과 에 대하여(Effect of Environmental Exposure)

모의실험 하기 위한 시험 과정이 환경공학적 차원(Simulate)

에서 현재 검토 중이다.

� 외장석재 의 동결 열화 와 안전율

현재 석재의 외장 설치조건과 유사한 지지를 받고 있는 시험

으로 학회에서 실제 환경에서 채취한 빗물이나 약Chicago

산성 의 물로 부분적으로 채워진 의 경우(Acid Rain) (300mm

300kgf/M2에 해당 실험 그리고 의) Container, , Stone Sample

배치와 석재 의 온도를 에서 도까지 변화시킬 수-24 77℃ ℃

있는 환경을 조성한 안에서의 열화시험을 위해Chamber

에서 규정한 의 크기의 시편을 배치한ASTM C880 Test Size

를 고안해 놓았다 이 시험에서의 각각의 환Test Chamber .

경적 주기 는 실제 노출된 환경과 같은(Cycle) Weathering

이 되도록 되어 있다 여기서의Cycle Mock Up . Weather

는 실험하고자 하는 시편을 완전히 완료 하는데Cycling Test

달 정도 걸리며 각각의 시료는 의 가속 노후화3 300 Cycle

환경 조건에 노출시키게 된다(Weathering) .

이러한 동결시험은 열변위에 의한 한 환경조건과Dynamic

의 에서 강제적으로 열화300 Cycle Weathering Cycle Test

된 시편을 에서 꺼내어(Weathering) Chamber ASTM C880

휨강도 시험에 의해 강도의 손실을 측정한다 그러나 이러한.

노력에도 불구하고 이러한 는 일, Weathering Cycling Test

반적인 실제 환경 과 같지는 않다는 것이다 다만 비슷Cycle .

한 환경이라고 기술적으로 추정할 다름이다 여기서의 기술.

적인 의문은 얼마나 많은 이러한 가속된 Weathering Cycle

이 실제건물에서 어떻게 실제로 노후화 로 일어(Weathering)

나는 기간과 같을 것인가 하는 것이다.

석재의 화학적 기계적 열화 (Mechanisms of Weathering)

� 산성비에 의한 부식 (Acid Dissolution) : Acid Rain

� 동해 의 부피팽창(Frost Action) : Volumetric Expansion(10% ),

빙결 결정 압Ice Lens Formation( ), Hydrostatic Pressure( )

� 염화결정 황화 염 등에 의한 결정압(Salt Crystallization) : (Sodium Sulfate)

석재 의 화학적 기계적 열화(Limestone) (Mechanisms of Weathering)

� 석재를 열화시키는 요인 중 가장 중요한 것이 물이다 물은 온도변화에 따.

라 동결 압을 생성하며 또한 염을 용해시켜 염에 의한 결정 압에 의한 표면

박리를 일으키고 대기 중 산을 흡수하여 탄산염의 석재를 용식 시킨다 그.

러므로 외장석재의 가장 중요한 저해요소는 재료적 공극에 의한 흡수율이며

설계상 우수의 석재표면에의 정체를 막는 것이 매우 중요하다.

� 외장재의 재료적인선택은 내구성에 따른 구조적 안정성이며 이는 화성암을

이루는 가 가장 우수하다 반면 탄산염이 주성분인Silica(SiO2) . Limestone

및 은 외장재료 조건에 매우 취약하다Marble .

� 의 염화물 결정 압에 의한 표면부식Limestone Salt( )

외장Finland Finlandia Hall LG Tower Water Fall Limestone

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실제로 환경적인 영향 에 의한 외장(Environmental Effects)

석재의 으로 인해 손상 탈락된 건물 중에 하나가Weathering

우측사진 전면 외장석재 교체 중 으로 미‘Amoco Building’( : )

국 주의 에 있다 미국 에서 일어난Illinois Chicago . Chicago

석재의 변형 탈락 사고는 년에서 년 사이 년 동1973 1978 15

안의 환경에 노출된 석재의 일부가 건물외벽 에서 열화 변형

되어 되어 탈락위기에 놓이게 된 사건이다 물론 우리나라에.

서도 종종 일어나는 일이지만 아직 인명피해가 없었던 관계

로 실제 기사화 되지 못하고 있는 실정이나 조만간 기사화

되리라 판단한다.

그간 실험된 다른 환경에서의 건물에서 채취된 석재시료에

대한 시험도 노출년도와 가속된 환경 과 비슷한 결과Cycle

값 을 보여주었다 실제 미국의 건축학회(Calibrate) . Chicago

에 의해 시행된 여러 형태의 고층 외벽에서의 석재에서 행해

진 환경시험 은 환경 노출 로 인한(Environmental exposure)

강도의 감소가 상기 와 같았고 에서 을Graph 250 300 Cycle

행한 이후는 강도 감소가 거의 없어졌다 결론적으로 실험결.

과 유추된 환경에 의해 되어 석재의 강도 감소Weathering

는 다음과 같이 추정 되었다.

� 마광 화강석 (Polished Granite) 25 %

� 열처리 마감된 화강석 (Thermal Granite) 45%

� 계 대리석Calcite (Marble) 70 %

� Limestone, Dolomite 30 %

이러한 강도의 손실은 건축외장재의 내구연한과 안전성 확보

차원에서 매우 중요하기 때문에 개별 건물에 사용되는 개개,

의 석재는 가능한 예측되는 구조적 강도 손실을 측정하기 위

해 시험을 통해 평가되어야 한다Weathering Test .

석재의 물성에 의해 예측되는 재료적 물성변화의 폭(Quality

과 중첩되어 환경에의 노출 로 인한 이러한 강도의Variation)

구조적 손실은 미국석재협의회 와 석재무역협회MIA ( ) STA ( :

가 나 구Stone Trade Association) Steel Structure Concrete

조의 에 비해 매우 높은Safety Factor Design Safety Factor

를 확립하게 된 주된 이유가 된 것 이다.

이러한 와 가 제시한 석재의 설계 시 적용하여야할MIA STA

는 다음과 같다Safety Factor .

그럼에도 불구하고 노후화되지 않은 강도에 에 대한 석재의,

강도 손실의 크기에 좌우되는 석재 의 는 충분Safety Factor

히 크지 않다.

및 가 통상 외장설계 시 별 생각 없이 선Designer Engineer

정하는 석재의 마감 중 특히 원래 강도에 비해 이상, 50%

손실을 받는 열처리 마감된 화강석 (Thermally Finished

이나 대리석 의 표면 부식된Granite) (Marble) Acid washing

에 대해서는 노후화될 강도에 어느 정도의 악영향을Marble ,

미치며 얼마의 를 적용할 것인가에 대해 신중Safety Factor

을 기하여야 한다.

ASTM : American Standard Tests and materials

MIA : Marble Institute of America

STA : Stone Trade Association

TEAM : Testing and Assessment of Marble and Limestone

의 화학적 열화Limestone (Mechanisms of Weathering)

� 대기 중의 아질산 또는 아황산 및 물에 녹는 탄산염 등은 우수에 의

해 쉽게 에 침투되며 이는 과 반응하여 부식을Limestone Limestone

일으키며 결정화되는 과정에서 부피팽창을 일으켜 표면 탈락이 발생

되게 한다.

조사에 의한 외장석재의 변형조사TEAM Project Bianco Carrara Marble

� 미국 층 의 외장석재에 대한 변형과 휨강Chicago Amoco Building(86 )

도의 저하에 대한 조사 자료로 년 동안 가 휘어졌으며 휨강20 65mm

도의 저하는 에서 로 거의 구조적 강도가 상실된 상태8.2MPa 1.2MPa

로 분석되었다.

석재긴결부의 구조결함 긴결부의 긴결소재 누락 및 구조결함( )

외장석재 탈락 석재의 변형 및 구조열화First Canadian Building ( )

외장석재 교체 석재 변형 및 구조열화Chicago Amoco Building ( )

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3. 고층건축 외장석재의 일반적 하자

외장석재의 선별a. 외장석재는 건축주나 건축 설계자에:

의해 유지관리가 용이하며 내구성이나 내후성이 좋은 역

사적으로 경험적인 석재를 석재의 고유한 의장적 특성으

로 만에 의거 선별되는 것이 통상적인 석재의 선별방법

이다 이는 석재가 가지고 있는 자연적인 고유의 물성을.

잘 이해하지 못하였을 시 이로 인해 석재자체의 오염 및

변형 탈락 기타 건축 기능적 하자가 비일비재하게 발생되

었다 이에 대한 외장석재의 하자를 분석하여 유형 별로.

분류 근본원인을 분석한다, .

전 세계적으로 층 층의 초고층 건축물 중 최근 하자40 -82

가 발생한 여개의 화강석 대리석 및 의 석재20 , Limestone

외장 고층건축 하자사례를 분석한 결과 다음과 같은 하자

유형의 결과에 대한 보고가 학계에 보고되었다.

외장석재의 긴결부 국부파손이1) 45%

� 석재의 긴결부에 대한 불안전한 구조설계

� 매립 긴결 접합부의 부식

� 외장 변위에 대한 흡수 허용오차 시공불량

� 석재와 접촉된 이질소재간의 재료적 손상 및 오염

외장에 적합한 석재의 선별 불량에 의한 강도저하 이로2) ,

인한 석재의 변형 및 탈락 40%

� 의 외장석재 선별기준에 의거 석재별 요구물성ASTM

에 대한 적정성 기준에 미비석종 사용

� 의장적 요인에 일관한 검증되지 않은 부적절한 물성

의 석재 선별

내 외부로부터 유입된 우수 및 습기에 의한 석재의 동해3)

및 결로로 인한 석재오염 내부 기능의 손상 15%

� 석재 외부 의 에 만 의존한 내부의Joint Weather Seal

Weep Hole, Flashing, Internal Gutter, Rainscreen

등 배수 차수기능 미비로 인한 석재의 오염 및 긴결

부 동해 손상

� 내부의 방습막 손상에 의한 석재 내부(Vapor Barrier)

결로 이로 인한 석재의 오염.

외장석재의 건축사적 구조두께의 변천b.

� Pyramid (2775-2563 BC) : 2.54ton Limestone

2,000,000 Blocks

� 두께Parthenon (447-432BC) : 1.2m Masonry Wall,

지름1.9m Marble Column Drum

� Colosseum (AD 70-72) : 1.0-1.2m Concrete Pier

표장재Travertine (Arch Pier Col. Masonry Wall)

� 근대건축 년대 까지(AD 1960 ) : Masonry 102mm

� 현대건축 전기 년 이후(1960 : Curtain wall) : 30mm

� 년 이후 복합판(1980 Curtain Wall Stone Cladding) :

석재 두께1.5mm (Al. Honeycomb Composite)

� 석재 벽체에서 두께까지의 변천 년1.2m 100mm : 5000

� 두께에서 복합석재 까지 의 변천 년100mm 1.5mm : 40

최근 초고층 외장석재의 하자 유형b. (ASTM STP1394)

� 층 층 초고층 외장 석재건축 중 하자가 발생된40 -82

개 에 대한 조사20 Building

� 화강석Granite ( ) : 25%

� 석회석Limestone( ) : 40%

� 대리석Marble ( ) : 35%

� 상기 외장하자 발생 건축물의 하지유형

� 석재 긴결부위의 결함하자 : 45%

� 열화에 의한 석재강도저하 : 40%

� 누수 및 결로하자 : 15%

석재의 긴결 부위 구조결함

� 석재의 긴결부에 대한 불안전한 구조설계

� 매립 긴결 접합부의 부식

� 외장 변위에 대한 흡수 허용오차 시공불량

� 석재와 접촉된 이질소재간의 재료적 손상 및 오염

미국의 지역별 외장석재 의 환경열화에 의한(Calcite, Limestone)

휨 강도저하 (ASTM C880 : Flexural Strength Reduction)

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석재4. 커턴 월의 기능과 석재의 요구물성과 설계기준

초고층 외장석재의 구조a.

구조 외장석재의 구조 기능설계 기준1) Design : ASTM

� C1242 Standard Guide for Design, Selection, and Installation

of Exterior Dimension Stone Anchors and Anchoring

� C1354 :Standard Test Method for Strength of Individual Stone

Anchorages in Dimension Stone

외장벽체의 구조안전성과 내구성능2)

� 마감석재의 설계연한 년 년(Design Life) : 50 (Monument 120 )

� 기타 마감재의 내구연한 년 년: Replacement 20 Cleaning 10

� Load Design : Dead Load + Wind Load + Seismic Load

� 안전율의 적용Safety Factor ( )

구성재적용부위

Code일반부 구조 주요부

구조강재 1.33-2.5 2.0AISC

ILIA

AL. Device 1.2 1.95 AA

화강석 4.0 6.0 BSI

대리석 5.0 7.5 BSI

Limestone 6.0 9.0 BSI

부적절한 이질소재간의 접착부실로 인한 하자3)

(Connection Failure Due to Incompatible Materials)

� 석재와 석재의 보강 또는Epoxy Resin : Dowel Liner

접착 시 사용되는 에 대한 문제점Block Epoxy Mortar

� 부착 시 접착부의 탈락Support Liner Dowel Block

� 긴결부의 접착부위 석재판재의Epoxy Cracking

� 석재판재의 단면간의 접착 연결부 탈락

� 만으로 지지 접착한 긴결부의 탈락Epoxy Resin

� 외부 노출된 상태의 접착부위 의 황변발생Epoxy Mortar

외장용 가공석재의 석종별 요구물성b. (ASTM C119)

Rock Type Thermal Expansion Critical Mineral

Granites 6×10-6m/m℃ Quartz (5-35%)

Limestone 5×10-6m/m℃ Calcite (90-100%)

Sandstone 10×10-6m/m℃ Quartz (50-100%)

Quartzite 11×10-6m/m℃ Quartz (100%)

Marble 7×10-6m/m℃ Calcite (90-100%)

Slate 9×10-6m/m℃ Quartz (5-40%)

Epoxy Resin 50×10-6m/m℃ Epoxy Polymer

c. Stone Standard Code and Manual (US BS manual)

1. ASTM C119, Terminology Relating to Dimension Stone

2. ASTM C503, Spec Marble Dimension Stone (Exterior)

3. ASTM C615, Specification for Granite Dimension Stone

4. ASTM C1201, Test Method for Structural Performance

of Exterior Dimension Stone Cladding Systems by

Uniform Static Air pressure Difference

5. ASTM C1242, Standard Guide for Design, Selection,

and Installation of Exterior Dimension Stone Anchors

and Anchoring Systems

6. ASTM C1354, Test Method for Strength of Individual

Stone Anchorages in Dimension Stone

7. ASTM STP 995, New stone technology, design and

construction for exterior wall systems.

8. BS 6457, Reconstructed stone masonry units

9. BS 8298, Design and Installation of Natural Stone

Cladding and Lining

10. Building Stone Institute (BSI)

11. Marble Institute of America (MIA)

12. National Building Granite Quarries Association

(NBGQA), Specifications for Architectural Granite

의 열화 및 신축팽창에 의한 박리 탈락사고EPOXY MORTAR Dowel Linear ,

� 년 미국 주 의 고층빌딩 외벽 석재의 탈락1989 Texas Houston .

탈락원인은 석재를 지지하는 석재배면에 설치한 의Liner Dowel Block

접착부인 이 신축열화에 의해 석재와 박리되어 탈락됨Epoxy Mortar .

� 외장석재의 에 의한 강도저하Thermal Hysteresis (Sugared) Bowing

� 의 내구연한 는 석재의 긴결 시 하지 표Epoxy Adhesive Service Life( )

면의 접착상태와 환경적 습도 및 열 변화에 따라 편차가 큼.

중앙일보신사옥 여의도 쌍용투자 증권사옥(1983) (1993)

삼성생명 신사옥 반포 센트럴시티(1983) (1995)

- 7 -

4. 국내 고층건축의 외장 석공사 현황

� 고층건축 외장석재의 변천 년 년(1980 -2010 )

우리나라의 고층건축 로써의 외장석재의 시효Curtain wall

는 년대 초반 대기업의 사옥 신축 중앙일보 신사옥1980 ( ,

삼성생명 본점 쌍용증권 여의도 빌딩, LG Twin Building,

등 에서부터 시작 되었다 이러한 초기의 석재외장재의) .

추세는 기업의 이미지에 따른 의장적인 목적도 크지만 당

시의 미국 등 선진국에서의 외장공법에 대한 기술적 발전

과 재료적 분석에 따른 건축공학자의 기술적 뒷받침이 있

었기 때문이다 그 당시만 하드라도 이러한 고층건축의 외.

장 석재의 공법설계는 외국의 우수한 전문 외장 설계기술

자 의 몫이었으며 많은 당시의 건축(Facade Engineering)

물이 이러한 전문 에 의해 설계 시공되었다Engineer .

그러나 여년이 넘게 지난 지금 국내의 초고층에 적용된30 ,

많은 외장의 석공사는 이러한 기술적 검증을 거치지 않고

시공되는 사례가 빈번하여 심각할 정도의 구조적 안전성에

문제가 있는 건축물이 통제받지 않는 제도권에서 시공되는

기술적 낙후성을 면치 못하고 있다.

� 주상복합 주거건축의 외장석재 시공 현황

주상복합건축에서의 외장석재의 사용은 치솟는 공동주택의

분양원가 상승에 따른 건축주의 외장에 대한 고급화 및 특

화 요구에 따라 외장재로 석재를 선호하는 경향이 최근

년 동안 급증하고 있는 추세이나 종전의 구4-5 Concrete

체에 단순 석재 을 사용하는 재래적인 석재 취Dowel Pin

부방법을 탈피하지 못하고 있는 상황에서 도심지 재건축

주거시설을 주로 하여 점점 고층화되어가는 추세이며 급기

야 최근에 층 이상의 초고층 주거건축물의 외장을 모두40

석재로 치장하는 건축물이 서울도심 한복판에 시공되는 양

상까지 나타나게 되어 외장재의 고층외벽에의 시공 공법에

대한 구조적인 심각한 문제점이 도출되고 있는 실정이다.

그간 외장석재로 설계 시공된 도심지의 고층건축물 중 일

반적인 업무시설 건축물의 외장은 의장적 목적과 용도에

따라 외장의 이 다양하여 기초설계 시 이에 대한Design

외장설계를 중시 충분한 기술적 공법이 검토되고 이에 걸,

맞는 구조 및 기능에 대한 성능시험과 시공이 병행되어 기

술적 접근이 보편화되어 왔으나 최근의 재개발 고층 주거

건축은 단순하게 종래의 외장 표면 인(Facade Surface)

구체에 채광면적이 넓은 창호를 설치하기위한Concrete

공간 이외에 남는 공간을 단순히 석재 마감으로 표현하는

수법으로 설계되어 난립된 저가수주 시공업체에 맡겨져 시

공상 이러한 부위의 석재의 긴결 접합부 (Stone Fixing

에 심각한 구조적 문제점이 발생되고Fastening Interface)

있다 우측사진 긴결부 불량시공. ( : a,b,c,f: )

� 석공사 부실시공사례와 발생원인

국내의 석공사 업계는 수년전 외환위기 때 엄청난 재정적

적자를 경험했고 많은 석공사 업체가 도산하였다 이로 인.

해 석공사 업계는 거의 바닥수준의 입찰경쟁을 통한 출혈

수주가 난무하고 있고 이로 인한 고층 건축 외장의 석공사

의 품질을 위한 접근은 아예 엄두도 못 내고 있다 이로.

인해 국내석산은 거의 폐광을 했으며 중국시장을 통해 수

입되는 석재는 저질품에 두께 등의 규격조차 미달인 제품

이 주종을 이루며 저가수주에 의한 시공품질 또한 석재의

구조적인 긴결을 위한 최소한의 마저 사용하지Dowel Pin

않고 접착제로만 취부하는 부실시공을 군 건설사를 중심1

으로 무작위로 부실 시공되고 있을 뿐 아니라 이를 감독해

야하는 조직조차도 이의 적절한 통제를 하지 못하는 실정

이다.

� 고층건축 외장석재의 변천 년 년(1980 -2010 )

� 외장석재 부실시공 사례 기계적 구속력이 없는 접착방식( )

- 8 -

초고층 석재취부를 위한 설계기준과 신공법5.

초고층 외장석재의 설계를 위한 설계기준a.

층1) 40-82 초고층 외장석재의 하자발생 유형 (STP 1394)

� 하자가 발생된 초고층 에 대한 석재별 조사Building

� 화강석Granite ( ) : 25%

� 석회석Limestone( ) : 40%

� 대리석Marble ( ) : 35%

� 상기 외장하자 발생 건축물의 하자 발생 부위별 유형

� 석재 긴결부위의 결함하자 : 45%

� 열화에 의한 석재강도저하 : 40%

� 누수 및 결로하자 : 15%

석재의 선별 기준2) (ASTM Selection Stone Type)

ASTM C119, Terminology Relating to Dimension Stone

ASTM C503, Spec Marble Dimension Stone (Exterior)

ASTM C615, Specification for Granite Dimension Stone

ASTM C1201, Test Method for Structural Performance of

Exterior Dimension Stone Cladding Systems by

Uniform Static Air pressure Difference

ASTM C1242, Standard Guide for Design, Selection, and

Installation of Exterior Dimension Stone Anchors

and Anchoring Systems

ASTM C1354, Test Method for Strength of Individual

Stone Anchorages in Dimension Stone

ASTM STP 995, New stone technology, design and

construction for exterior wall systems.

� 석재의 구성성분과 생성조건에 따른 석종별 Risk Fault

� 기준에 따른 석종별 구조등급 조사MIA UNI : Soundness

� 구성성분 및 물리적 물성에 따른 내구성 내후성 선별,

� 기계적 물성에 따른 응력 흡수능력 검토 및 시험

� 석종별 물성과 열화정도에 따른 안전율의 적용 (BSI)

초고층 외장에 작용하는 하중의 산정 동하중 열하중 등3) ( , )

� 에 작용하는 환경적 응력의 분석 온도Curtainwall : ,

물 바람 지진 대기의 산성도, , , ,

� 재료 별 적용부위 별 조건에 따른 안전율의 적용

설계 고려사항4) Curtainwall Stone Cladding

� 구조안정 및 내구성Structural Stability Durability :

� Dynamic Load : Wind, Seismic, Impact, Installation

� 열 변위 흡수Thermal Vibration Absorption :

� 차수막 등압공법Water Resistance : PER ( )

� 결로방지Vapor Control : Condensation Ventilation ( )

� Thermal Insulation : Conduction/Thermal Transfer

� 외장기능 장치물의 부착Attached Equipment :

� 재료적 내후성 오염방지Weather Resistance : ,

� 신축이음을 통한 변위의 흡수Deform Absorption :

� 시공편차의 흡수Construction Tolerance Control :

� 구성소재의 내구연한Durability of Components :

� 시공 설치공법에 대한 정리Pre-Installation Method :

5) Structural Analysis and Performance Test

� 자중 동하중 복합하중의 허용내력Stone Stability : , ,

� 국부파손의 방지설계Local Breakage Protection :

� 석종별 부위별 안전율적용Safety Factor Application :

� 구조내력 및 성능시험Structural Performance Test :

6) 품질조사 및 기능검토Visual Mock Up : System Mock Up ( )

초고층 외장석재의 일반적 하자방지를 위한 신공법b.

석재긴결부의 국부파손 방지1)

� 의 설계Extruded Kerf Fixing Fastener

� 방지를 위한Edge Breakage Insert Extruded Fastener

� 에 의한 방지를 위한Vibration Release Locking System

� 및 하중 누적 방지를 위한 적정단면의 보강Deflection

� 및 탈락방지를 위한Edge Corner Soffit Insert Plug

설계Rod Anchor

� 긴결부의 발생 방지설계 변위흡수설계Hidden Stress :

국부적 오염에 의한 재료적 열화방지2)

� 긴결부의 의Fixing Point Kerf Seal Grout

� 의 사용제한Epoxy Mortar

누수 및 결로에 의한 외장의 손상방지3)

� 차수 등압설계Rainscreen Pressure Equalization (PER )

� 및 의 공법Joint Flashing Drainage Pre-fab

적용석재의 적정성 판정과 사용성에 대한 정리4)

� 석종별 특성과 적용성 검토 요구물성에 대한 기준:

� 에 의한 적용석재의 사용성Application Standard Code

� 의 적용기준 정리Safety Factor : MIA, BSI. UNI, NBGQA