점토벽돌의 습윤팽창 특성과 건축 시공방법의 변화(2)

박 문 석 (주)삼한씨원 기술연구소 이사

이 논문은 ‘제4회 아시아세라믹웨어심포지엄·제18회 도자기심포지엄’에서 발표된 논문으로, 편집하여 2회에 걸쳐 게재합니다.   - 편집자주  -

4. 거동특성에 따른 설계방법
가. 미국의 팽창 조인트 설치기준
미국의 경우는 BIA Technical Notes 18A Design and Detailing of Movement Joints, Part 2 의 내용을 중심으로 정리하였다. 일반적인 설치 기준은 규격화된 공식에 의해 상기 거동 요소를 부분에서 설명된 계수를 기준으로 다음 공식을 이용하여 전체적인 조인트의 설치시 조절 줄눈의 너비를 산출할 것을 권장하고 있다.

 W=[0.0005 + 0.000004(Tmax -Tmin)]L
 0.0005 in/in(0.0005mm/mm)=습윤 이동 계수
 0.000004 in/in/℉(0.000007mm/mm/℃)=
 열 이동 계수
 W = 벽돌 판의 총 팽창 움직임(mm)
 Tmax = 벽돌 판의 최대 평균 온도℉(℃)
 Tmin = 벽돌 판의 최소 평균 온도℉(℃)
 L = 벽돌 판벽의 길이 in(mm)
 * 통상적으로 동결 팽창 계수 값 무시

상기 공식을 기준으로 다음과 같은 가정을 적용할 경우 : Tmax=150℉(65.6℃), Tmin=32℉(0℃)가 주어질 때 25ft(7600mm)길이의 점토벽돌 벽체의 조절 줄눈의 너비를 계산하면
W=[0.0005+0.000004(150-32)]×
     (25×12)
=(0.0005+0.00047)300=0.29 in
미터법으로는
W=[0.0005+0.000007(65.6-0)]7600
   =(0.0005+0.00046)7600=7.3mm가 된다.
또한, 설치 간격을 산출하기 위해서는 다음 공식을 활용하여 산출하도록 하고 있다.

Se = 신축줄눈 상호간의 거리, in(mm)
wj = 신축줄눈의 폭, in(mm)
ej = 신축조절 재료의 수축율, % - 50%
ke = 습윤 팽창 계수, in/in(mm) - 0.0005 in/in
kf = 동결 팽창 계수, in/in(mm) - 0.0002 in/in
kt = 온도 팽창 계수, in/in/℉(mm/mm/℃)
       - 0.000004 in/in/℉
ΔT = 최대 평균 온도와 최소 평균온도의 차,
         ℉(℃)

상기 공식을 기준으로 다음과 같은 가정을 적용할 경우 : 신축줄눈의 폭 3/8in(10mm), 신축조절 재료의 수축률은 50%, ΔT=100℉로 가정하고 동결 팽창 계수를 무시할 경우 설치 간격을 계산하면

      = 208 in. or 17ft-4in.(5.3m)가 된다.
일반적으로 동결 팽창 계수의 경우는 특수 지역을 제외하고는 팽창특성 계수를 제외하는 경향이 있다.
나. 영국의 팽창 조인트 설치기준
점토벽돌의 팽창 특성에 대한 영국의 설계기준은 BS5628:Part 3에서 조인트의 위치와 너비에 관한 정보를 기준으로 하여 자세히 기술하고 있다. 다음은 BS5628:Part 3를 기준으로 요약 정리한 조인트의 설계 기준이다.
(1)일반적인 층, 혹은 그 이상의 높이를 가진 점토벽돌 벽체의 경우 통상적으로 조인트의 거리에 상응하는 조인트의 폭을 가져야 하며, 조인트의 너비는 조인트 간격의 밀리미트로 환산하여 0.13% 이내 이어야 한다. 따라서 12m 거리의 신축줄눈을 가질 경우 줄눈폭은 16mm 정도가 적당하다.
(2)신축줄눈 사이의 최대 간격은 15m를 넘을 수 없다.

(3)건물의 어떤 모퉁이로부터 줄눈 근처에 이르는 거리는 일반적인 조인트 간격의 1/2을 넘을 수 없다.
(4)자유 지지 벽, 파라펫, 구속받지 않거나 가볍게 제한받는 벽돌벽체 및 비내력 벽체 등의 경우는 조인트 간격이 최대 7~8m를 넘으면 안 된다.
(5)콘크리트 벽돌, 칼슘 규산염 벽돌과 콘크리트 블록들의 경우는 수축을 함으로 동일 벽체 내에 무작위로 혼용하여 사용해서는 안 된다.
(6)수평적 움직임은 수평방향의 신축줄눈을 사용하여 조절할 수 있으며, 이것은 특히 창문 개구부 주위 설치하는 것이 효과적이다.
(7)수직 줄눈은 건물의 모든 높이에 연속되어야 한다.
(8)원재료가 다른 종류의 점토벽돌들을 함께 사용하기 위해서는 제조업체로부터 각 벽돌들의 팽창 특성에 대한 계수 값을 얻어 팽창 비율을 검토하여야 한다.
상기의 기준은 일반적인 통상 기준이며, 건축물의 규모와 형태 지역 여건에 따라 달라져야 한다고 규정하고 있다.
상기 특성기준을 제외하고는 영국의 경우도 미국의 팽창조인트 설계 기준의 계산 공식과 기준 계수를 따르고 있다.
다. 호주의 팽창 조인트 설치기준
호주의 팽창 조인트 설치 기준은 AS1226의 실험 방법에 근거하여 촉진 시험을 통해 얻어진 제품의 팽창 지수를 각 제조사 별로 제시하도록 하고 있으며 제시된 em값을 근거로 다음의 테이블에 기초하여 설계 시 팽창조인트의 설치 간격을 적용하도록 하고 있다.
라. 팽창 조인트 설치기준의 분석
3개국의 팽창조인트 설치 기준을 살펴본 결과 습윤팽창 특성값을 계수화시켜 이미 설계에 반영하고 있으며, 실제 시공상에 적용할 수 있는 형태의 시공 기준이 마련된 것을 알 수 있다. 이 점은 이미 점토벽돌의 습윤 팽창 특성이 건축물의 내구성과 직접적인 관련이 있다는 것을 보여주는 것이다. 상기 3개국의 습윤 팽창 계수의 특성을 분석해 보면 미국과 영국의 경우는 전체 제품에 정형화된 계수를 만들어 일정공식에 대입하여 사용하는 반면 호주의 경우는 각 제조사가 제시한 제품의 팽창지수를 기준으로 테이블을 분류하고 해당 구조체에 맞게 일률적으로 설계기준을 적용하는 방식인 것을 알 수 있다. 전자의 경우 각 건축물의 특성과 규모에 따라 그에 맞는 특성치를 고려할 수 있는 장점이 있는 반면 점토벽돌 제품 자체의 세밀한 정보는 반영할 수 없는 단점이 존재한다. 그러나 후자의 경우는 제품의 특성값을 3단계로 정형화시킬 수 있으나 구조체의 변화에 적응하는 부분에서는 건축물의 규모적, 구조적, 환경적 특성값을 정확하게 고려하지 못하는 단점이 있다. 또한, 특히 호주 기준에는 환경온도 변화에 대한 기준이 누락되어 있는데 이것은 호주의 기후적인 특성 때문에 고려하지 않은 것이라고 보여진다. 국내의 경우는 사계절의 온도 편차가 명확하고 그 범위 또한, 60℃이상을 보이는 곳이 존재하기 때문에 설계 기준은 미국이나 영국의 계산 방법을 도입하는 것이 합리적일 것으로 판단되며, 장기적으로는 습윤팽창 지수를 국내 환경에 맞게 조정하여야 할 것이다.
마. 국내 건축 현장의 실태
기존의 시공방법으로 시공된 점토벽돌 건축물의 경우 대부분 연단부위 또는 모서리 부분에서 균열이 발생되어 있는 것을 손쉽게 확인할 수 있다. 국내의 경우 건축표준시방서 및 건설현장에서 가장 널리 통용되고 있는 주택공사 시방서에서 조차 점토벽돌 공사에 신축줄눈을 설치하는 규정을 찾아 볼 수 없다. 다만 점토벽돌 업체를 중심으로 96년 이후 외국의 Brick Veneer공법이 소개되면서 일부 현장에서 적용되기 시작하였으나 명확한 건설 기준이나 디테일 및 시방이 마련되지 않아 현장 담당자의 경험에 의한 시공이 주류를 이루었다. 이점은 또 다른 형태의 하자를 양산하게 되었고 점토벽돌 자체가 하자요인을 가지는 문제있는 건축자재로 인식되어 건축시장에서 점차 그 수요가 줄어드는 결과를 초래하고 있다. 다음의 그림 4에서 나타난 국내 점토벽돌 시장의 변화 추위를 살펴보면 IMF라는 본질적인 문제를 가지고 있으나 회복기 이후의 시장 변화 내용을 살펴보면 2001년 이후의 수량증가는 실제적으로는 점토보도벽돌이 차지하는 비중이 높은 관계로 실질적인 건축용 수요 시장은 IMF이전에 대비해서 40% 이상 현저하게 줄어들었다고 볼 수 있다.
따라서 별도의 소비자 위주의 정책이나 시공에 관련된 하자요인을 줄일 수 있는 시공방법의 명확한 제안과 실천이 없을 경우 건설 시장의 악화와 함께 건축용 점토벽돌 시장의 축소는 더욱 심화될 것으로 예상되며 외국의 사례처럼 점토벽돌 제조 관련 업체 및 단체가 중심이 되어 관련 기준과 시공방법의 개발과 적용에 적극적으로 참여하여야 할 것으로 생각된다.
 
5. 국내 건설현장에서의 적용
다음은 기존의 연구 사례와 팽창 거동 특성에 관련된 정보를 바탕으로 국내의 고층 점토벽돌 건축물의 설계 및 시공에 적용된 사례를 통해 국내의 환경에 맞는 팽창특성에 대한 제한적인 검토 내용이다.
가. 건축 개요
적용 현장의 건축개요 및 준공 후 현장 전경이다.
나. 팽창특성의 사전 검토와 적용
본 건물의 설계시 팽창특성의 고려를 위해 다양한 계절을 포함하고 있는 미국의 설계기준을 기초자료로 활용하였다 또한, 안동지역의 환경요소를 검토하기 위해 기상청 자료를 근거로 하여 안동의 최근 5년간의 최저온도(-17.9℃)와 초고온도(35.7℃)를 온도환경 변수로 사용하였다.
4-가의 공식 1에서 Tmax, Tmin을 안동지역의 최저온도와 초고온도로 가정을 하게 되면 : Tmax=(35.7℃), Tmin=(-17.9℃)가 주어질 때 현 건물의 최대 5500mm길이의 벽돌 벽체에 필요한 조절 줄눈의 폭을 계산하면
W=[0.0005+0.000007(35.7-(-17.9)]×5500
   =(0.0005+0.00375)5500=4.82mm가 된다.
또한, 실제 필요 설치 간격의 산출이 필요하나 본건물의 디자인 특성상 5.5M를 넘어가는 벽체가 존재하기가 힘들어 수평적 평창 특성에는 현재의 설계 기준으로도 영향을 받지 않는 것으로 보인다. 그리고 수직적 평창 특성의 경우 또한, 층고 높이인 3.8~
4.4m 이내마다 폭 10mm의 팽창 조인트가 설치되어 있어 상기 계산치 이하로 설치되기 때문에 팽창특성에 대해서는 안전하다고 판단된다.
4-가의 공식 2를 기준으로 경북 내륙의 10mm기준의 팽창조인트의 설치 간격 기준을 가상으로 산정해 보면 

 = 6562mm 또는 6.5M
결빙 팽창특성까지 고려할 경우 상기의 계산 결과와 같이 경북 내륙지방의 경우는 6.5M이내 마다 1개소의 팽창특성을 고려한 신축조인트의 설치가 필요한 것을 알 수 있다.
아래의 사진은 Brick Veneer공법으로 시공된 현장의 준공 사진으로 수직 수평 신축줄눈이 잘 정리되어 설치되어 있는 것을 보여주고 있다.
국내의 경우에도 잘 정립된 시방 기준과 설계 자료가 있을 경우 외국 사례 이상의 건축적 결과를 도출할 수 있다는 것을 여러 현장을 진행하면서 확인 할 수 있었다. 본 연구와 같이 국내의 경우도 기초적인 부분에서 외국의 사례를 기준으로 접근하여 국내 환경에 맞는 기준과 시공 방법을 제시한다면 향후에는 더욱 향상된 건축물과 점토벽돌 시장의 확대를 기대할 수 있을 것이다.

5. 결 론
점토벽돌의 습윤 팽창 특성에 대한 부분은 전 세계적으로 문제점에 대해 인식하고 대처 방안에 대한 심도있는 연구가 지속적으로 진행되고 있다. 또한, 건축적인 부분에서는 점토벽돌의 특성을 이해하고 사전에 발생될 수 있는 하자요인을 제거하는 방법들이 제시되고 있으나 국내의 경우 아직 기초적인 팽창특성에 대한 연구조차 미비하여 설계 기준을 제시 하는데 상당한 애로사항이 있고 전반적 기준 또한 전혀 점토벽돌의 특성을 고려하지 못하고 있어 건축 현장에서 불가피하게 하자를 발생시킬 수밖에 없는 것이 현실이다.
기존의 연구사례의 고찰을 통해 팽창특성에 대한 기본적인 흐름을 이해하는 계기가 되었으나 국내의 점토벽돌에 대한 기본적 팽창 특성의 이해가 부족하고 세부적인 실험 경험 및 결과의 미비로 별도의 팽창지수를 자체적으로 산정할 수 없는 현실적인 문제가 도출되었다. 향후에는 국내의 지역별 대표 제조사의 샘플을 지속적인 연구과제로 선정하여 장기적으로 팽창특성을 측정해야 할 것으로 사료되며, 측정된 팽창 지수를 기준으로 국내에 맞는 평가 방법이 제시되어야 하겠다. 또한, 미국이나 영국의 설계 기준을 국내에 맞도록 개선할 필요성이 있으며, 국내 건설 시공 환경에 맞는 시방의 제작이 필수적으로 이루어져야 할 것이다. 그리고 본 연구에서 정립되지 못한 팽창 지수부분은 향후 현재 진행 중인 단순화된 대기 폭로 팽창시험의 결과를 각국의 팽창곡선으로 환산하여 외국의 기준과 비교하여 국내의 점토벽돌의 팽창 특성을 추정할 예정이며, 현 국내 시장 특성에 맞게 점토위주의 제품과 고령토 위주의 제품으로 이원화하고 팽창관련 특성을 측정하여 서로 다른 설계 기준이 적용될 수 있도록 그 기준을 정립할 예정이다.
각 나라의 팽창특성과 대처방안의 분석을 통해 전체적인 흐름에는 개별 국가별로 큰 차이가 없는 것으로 판단되어 국내의 기후 환경적 조건을 대부분 만족하는 미국의 설계 기준치를 국내의 세부적인 기준이 마련되기 전까지 활용하여도 무방할 것으로 사료되며, 실제 현장에 적용한 결과를 볼 때 상당부분 미국의 시공결과와 동일한 우수한 시공 품질을 보이고 있다. 그러나 외국 사례에서도 보듯이 환경적인 요인으로 인한 예상치 못한 결과를 초래할 수 있으므로 팽창특성 외에 전반적인 건축적 환경을 고려한 현장 적용이 가능하도록 종합적인 점토벽돌 건축물을 위한 시방기준과 설계기준이 마련되어야 하겠고 관련 연구 또한, 지속적으로 이루어져야 할 것이다.

참고문헌
1)Tom McNeilly, Moisture ExPansion of Clay Bricks : An Appraisal of Past Experience and Current Knowledge, CBPI, Australia(1985)
2)Goldfinch, W. Moisture Expansion: Update and Review. Paper accepted for the Proceedings of 7th IBMAC, Melbourne, Australia (1985)
3)Schellbach, G. , and Schmidt, H. Influence of the Raw Material and Production Methods on the Deformation Behaviour of Clay Bricks and Blocks - Effects of these Deformations on Building Construction. ZI International, pp.651-663 (October 1980)
4)Hosking, J.S., White, W.A., and Parham, W.E. Long-Term Dimensional Changes in Illinois Bricks and other Clay Products. Circular 405, Illinois State Geological Survey, Urbana, USA (1966)
5)Cole, W.F. Aspects of Early Australian Experience. Jnl. Brit. Ceram, Soc., Vol.82, NO.5, pp.154-155 (1983)
6)Cole, W.F. Some Relationships between Mineralogical and Chemical Compositions and Moisture Expansion of Fired Clay Bodies. Jnl . Aust. Ceram. Soc., Vol-4, No.1, pp.5-9 (1968)
7)Cole, W.F. Predictions of Moisture Expansion from Chemical Data. Jnl. Aust. Ceram. Soc, Vol.11,No.1, pp.20-21 (1975)
8)Thomas, A. Moisture Expansion in Brickwork. Trans. and Jnl Ceram. Soc., Vol.70, No. 1, pp.35-38 (1971)
9)Schurecht, H.G. Methods for Testing Crazing of Glazes caused by Increases in Size of Ceramic Bodies. Jnl. Amer. Ceram. Soc., Vol.11, No. 5, pp-271-277 (1928)
10)Freeman, I.L. , and Smith, R.G. Ceramics. 1: Unrestrained Expansion. No. 1, p.13 (1967)
11)McDowall, I.C. , and Birtwistle, R. Predicting the Long-term Moisture Expansion of Fired Clay
Products. Proc. SIBMAC, Brit. Ceram. Res. Assoc., pp.75-79 (1970)
12)Hanson Brick, Movement in Masonry - pp 2, UK(1999)
13)BDA, J. Morton, Design Note 10 Designning for Movement in Brickwork. UK(1986)
14)BIA, Technical Notes 18A- Design and Detailing of Movement Joints, Part 2, USA(2001)

그림 1. 수직 팽창조인트의 설치
그림 2. 호주CBPI의 신축줄눈 설치 개념도
그림 3. 점토벽돌의 소비량 그래프

그림 4. 안동병원응급 의료센타 전경

그림 5. 수직 방향 팽창 조인트 설치 디테일
그림 6. 수직 수평 조인트 설치 입면도
그림 7. 신축조인트 설치 장면
그림 8. 신축조인트가 설치된 조적조 건축물

<본 사이트에는 일부 표를 생략하였습니다. 원문을 보시려면 월간세라믹스를 참조바람>