KR102334250B1 - 열메타 구조를 이용한 단열 프리캐스트 콘크리트 판넬 - Google Patents
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Abstract
열메타(thermal-meta) 구조를 콘크리트 판넬 내부에 삽입함으로써, EPS 수준의 높은 단열성을 갖는 프리캐스트 콘크리트 판넬을 개발하여, 단열성 확보를 위한 EPS 추가 공정이 필요 없고, 이에 따라 화재 위험 감소 및 원가 절감이 가능한 단열 프리캐스트 콘크리트 판넬이 개시된다. 본 발명은 건축용 단열 프리캐스트 콘크리트 판넬에 있어서, 상기 판넬은 내부에 열전달을 억제하기 위한 열메타 구조가 포함된 단열 프리캐스트 콘크리트 판넬을 제공한다.
Description
본 발명은 단열 프리캐스트 콘크리트 판넬에 관한 것으로, 보다 상세하게는 열전도율을 현저히 낮춘 고단열 프리캐스트 콘크리트 판넬에 관한 것이다.
일반적으로 주택, 공장 및 상가 등의 건축물은 벽돌을 쌓아 벽을 시공하는 조적식과 철근을 둘러싸도록 콘크리트가 양생된 철근 콘크리트식으로 시공된다.
조적식은 건축물의 바닥면으로부터 일정높이로 다수의 기둥을 시공하고, 기둥 사이에 벽돌을 일차적으로 쌓은 다음 이의 내벽면에 별도의 단열재 즉, 폴리스티렌 또는 스치로풀 등을 부착시킨 상태에서 다시 벽돌을 쌓은 후 내벽은 콘크리트 몰탈로 마감하고 외벽은 방수몰탈로 마감하여 건축물의 외벽을 시공한다.
철근 콘크리트식은 소정두께로 된 다수의 철근을 엮은 다음 철근이 그의 내부에 위치되도록 양측방향에서 거푸집을 직립설치하고, 거푸집 내부에 철근이 매설되도록 시멘트, 모래 및 자갈이 일정 비율로 혼합된 콘크리트를 부어 양생시킨 상태에서 거푸집을 제거한 후 내벽에 콘크리트 몰탈을 미장하여 마감한다.
그러나, 보통중량 콘크리트의 열전도율은 1.5 W/m·K이고, 압축강도가 1 MPa 이상, 기건 단위용적중량은 400 kg/㎥ 이상인 골재가 없는 경량 기포 콘크리트의 열전도율은 0.13 W/m·K 이상이다. 경량 기포 콘크리트의 경우 단열성이 향상되었으나 단열재로 흔히 이용되는 스티로폼(EPS)의 열전도율 0.03 W/m·K 수준에 미치지 못하는 실정이다. 따라서 콘크리트만으로는 단열효과를 기대하기 어려우며 단열을 위한 EPS 추가 시공이 요구되고, EPS 시공은 화재 위험과 원가상승 요인이 되는 단점이 있다.
한국공개특허 제2000-0015468호는 단열재가 내설된 단열 프리캐스트 콘크리트 판넬을 개시하고 있으나, 보강선 등의 별도 지지구조가 요구되고, 스티로폼을 포함하므로 화재 위험과 원가상승의 문제가 있다.
본 발명은 EPS 수준의 단열성을 갖는 프리캐스트 콘크리트 판넬을 개발하여, 단열성 확보를 위한 EPS 추가 시공이 요구되지 않아, 화재 위험 감소 및 원가 절감이 가능한 고단열 프리캐스트 콘크리트 판넬을 제공하고자 한다.
상기 과제를 해결하기 위하여 본 발명은 건축용 단열 프리캐스트 콘크리트 판넬에 있어서, 상기 판넬은 내부에 열전달을 억제하기 위한 열메타 구조가 포함된 단열 프리캐스트 콘크리트 판넬을 제공한다.
또한 상기 열메타 구조는 특정 형상의 유닛이 1 이상의 평면에 일정간격으로 반복 배치되되, 상기 유닛은 인접한 평면의 상기 유닛과 엇갈리도록 배치되고, 상기 유닛은 구형, 원통형, 정육면체, 직육면체, 육각기둥, 타원형 및 땅콩형으로 이루어진 군에서 선택된 1 종 이상인 것을 특징으로 하는 단열 프리캐스트 콘크리트 판넬을 제공한다.
또한 상기 유닛는 플라스틱 또는 강재로 이루어지고, 내부가 공극이거나 물이 채워진 것을 특징으로 하는 단열 프리캐스트 콘크리트 판넬을 제공한다.
본 발명은 열메타(thermal-meta) 구조를 콘크리트 판넬 내부에 삽입함으로써, EPS 수준의 높은 단열성을 갖는 프리캐스트 콘크리트 판넬을 개발하여, 단열성 확보를 위한 EPS 추가 공정이 필요 없고, 이에 따라 화재 위험 감소 및 원가 절감이 가능한 단열 프리캐스트 콘크리트 판넬을 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 열메타 구조가 삽입된 콘크리트 판넬을 나타낸 도면,
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 열메타 구조가 삽입된 콘크리트 판넬을 나타낸 도면,
도 3은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 열메타 구조가 삽입된 콘크리트 판넬을 나타낸 도면,
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 콘크리트 판넬과 스티로폼을 내설한 콘크리트 판넬의 단열 성능을 시뮬레이션한 결과를 나타낸 도면,
도 5은 본 발명의 실시예에 따른 콘크리트 판넬과 일반 콘크리트 판넬 및 스티로폼을 내설한 콘크리트 판넬의 단열 성능을 시뮬레이션한 결과를 나타낸 도면.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 열메타 구조가 삽입된 콘크리트 판넬을 나타낸 도면,
도 3은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 열메타 구조가 삽입된 콘크리트 판넬을 나타낸 도면,
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 콘크리트 판넬과 스티로폼을 내설한 콘크리트 판넬의 단열 성능을 시뮬레이션한 결과를 나타낸 도면,
도 5은 본 발명의 실시예에 따른 콘크리트 판넬과 일반 콘크리트 판넬 및 스티로폼을 내설한 콘크리트 판넬의 단열 성능을 시뮬레이션한 결과를 나타낸 도면.
이하에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참고하여 상세하게 설명한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐리게 할 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략하기로 한다. 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위하여 설명과 관계없는 부분은 생략하였고, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 부여하였으며, 본 발명의 세부구성 방향은 도면을 기준으로 하여 설명한다. 또한, 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한, 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있음을 의미한다.
본 발명자들은 콘크리트 벽의 단열성을 개선하여 EPS 공정에 따른 화재 위험 및 원가 상승의 문제를 해결하기 위해 콘크리트의 열전도율을 감소시키는 연구를 거듭한 결과, 콘크리트 내부에 특정 구조물을 특정 배열로 삽입할 경우 열전도율을 EPS 수준으로 감소시키고, 압축강도 등의 기계적 물성을 유지할 수 있는 것을 발견하고 본 발명에 이르게 되었다.
따라서, 본 발명은 건축용 단열 프리캐스트 콘크리트 판넬에 있어서, 상기 판넬은 내부에 열전달을 억제하기 위한 열메타 구조가 포함된 단열 프리캐스트 콘크리트 판넬을 개시한다.
상기 열메타 구조란 플라스틱 등으로 제작된 구조체('유닛')을 주기적인 배열로 구성하여 단열 성능을 구현하기 위인공적인 구조 또는 형상을 의미한다. 열메타 구조의 특성은 상기 유닛을 구성하는 물질조성 보다 구조적인 요소, 즉 상기 유닛의 크기, 배열 등에 의해 얻어지는 것으로, 본 발명의 열메타 구조에 사용되는 유닛을 구성하는 물질에 한정되지 않는다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 열메타 구조가 삽입된 콘크리트 판넬을 나타낸 도면이고, 도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 열메타 구조가 삽입된 콘크리트 판넬을 나타낸 도면이고, 도 3은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 열메타 구조가 삽입된 콘크리트 판넬을 나타낸 도면이다.
도 1 내지 3을 참조하면, 열전도를 억제하기 위한 상기 열메타 구조는 특정 형상의 유닛이 1 이상의 평면에 일정간격으로 반복 배치되되, 상기 유닛은 인접한 평면의 상기 유닛과 엇갈리도록 배치되고, 상기 유닛은 후술할 특정 형상일 수 있다. 상기 유닛의 배치 간격은 개별 유닛의 폭(직경, 가로길이 등)에 상응하게 배치될 수 있으나 이에 한정되지 않고, 상기 유닛의 형상 및 크기에 따라 각 유닛 사이의 간격을 적절히 조절할 수 있고, 상기 유닛이 2 이상의 평면에 배열된 경우 예컨대, 제1열메타층 및 제2열메타층의 간격은 상기 유닛의 두께를 넘지 않는 범위에서 배치될 수 있으나 이에 한정되지 않고 열메타 구조가 내입되는 콘크리트 판넬의 두께에 따라 적절히 조절할 수 있다.
예컨대, 상기 유닛은 직경 1~100mm인 구형, 지름의 길이가 1~100mm 및 높이가 1~1000mm인 원통형, 모서리의 길이가 1~1000mm인 정육면체나 직육면체, 모서리의 길이가 1~100mm 및 높이가 1000mm인 육각기둥, 장축의 길이가 1~100mm인 타원형, 장축의 길이가 1~100mm인 땅콩형 등 콘크리트 내부에서의 열 전달을 효율적으로 억제하는 형상일 수 있으며, 상기 형상 중 1종 이상이 사용될 수 있다.
바람직하게는 상기 유닛은 직경 3~50mm인 구형, 지름의 길이가 3~50mm 및 3~500mm인 원통형, 모서리의 길이가 3~500mm인 정육면체나 직육면체, 모서리의 길이가 3~50mm 및 높이가 3~500mm인 육각기둥, 장축의 길이가 5~50mm인 타원형, 장축의 길이가 5~50mm인 땅콩형 등의 형상 중 1종 이상일 수 있다.
한편 상기 유닛는 플라스틱 및 강재로 이루어질 수 있으며, 열전도 억제 효율을 향상시키기 위해서 내부가 공극이거나 물이 채워지는 것이 바람직하다. 상기 플라스틱은 일예로 ABS(acrylonitrile butadiene styrene), PLA(poly lactic acid) 등을 들 수 있고, 상기 강재는 철, 구리 등의 금속물질 일 수 있으나, 이러한 물질에 한정되는 것은 아니다.
또한 상기 유닛이 배치된 1 이상의 평면은 콘크리트 판넬의 일면과 평행을 이룰 수 있고, 열차단을 위해서 바람직하게는 열의 이동 방향과 수직한 상기 판넬의 일면 및 타면과 평행을 이룰 수 있다.
한편, 콘크리트 균열제어 및 풍하중에 대한 저항을 위하여 용접철망을 판넬 양면에 배근할 수 있고, 이 경우 콘크리트 구조설계기준에서 제시하는 최소 양을 배근할 수 있다.
또한 본 발명에 따른 단열 프리캐스트 콘크리트 판넬은 원가절감 및 CO₂배출 저감을 위하여 시멘트 20~30% 및 고로슬래그, 플라이애시 등을 포함한 산업부산물을 70~80%를 포함할 수 있다.
본 발명에서 프리캐스트 콘크리트 판넬의 제조방법은 특별히 제한되는 것은 아니고, 콘크리트 판넬의 사용목적 또는 환경에 따라 건식, 습식, 반습식방식 등 다양한 방법을 이용할 수 있다. 예컨대, 내부에 직경이 1mm인 공극이 형성된 직경 3mm의 플라스틱 구를 콘크리트 판넬의 외형틀에 특정 간격으로 배열하고 거푸집을 조립한 후 거푸집 내의 공간에 몰탈을 타설하는 방법 등 일반적인 프리캐스트 제조방법에 의할 수 있다.
이하 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 열전도 모델을 들어 본 발명을 상세히 설명한다.
열전도 모델
(1) 일반 콘크리트 판넬 : 150×50×150mm(가로×세로×높이)인 콘크리트 판넬.
(2) 스티로폼이 내설된 콘크리트 판넬 : 140×10×150mm(가로×세로×높이)인 스티로폼이 내설된 150×50×150mm(가로×세로×높이)인 콘크리트 판넬.
(3) 메타 파이프 : 직경이 3mm이고, 높이가 150mm이고, 내부에 공극(직경이 1mm 및 높이가 148mm)이 형성된 원통형 유닛이 가로방향 3mm 간격으로 배열된 제1열메타층, 상기 제1열메타층의 유닛과 엇갈리는 위치에 상기 원통형 유닛이 동일한 간격으로 배열된 제2열메타층 및 상기 제2열메타층의 유닛과 엇갈리는 위치에 상기 원통형 유닛이 동일한 간격으로 배열된 제3열메타층으로 이루어지고, 제1 내지 3열메타층이 1mm 간격으로 이격된 열메타 구조가 내설된 150×50×150mm(가로×세로×높이)인 콘크리트 판넬.
(4) 메타 플레이트 : 가로가 20mm, 세로가 3mm이고, 높이가 150mm이고, 내부에 공극(가로가 18mm, 세로가 1mm 및 높이가 148mm)이 형성된 직육면체형 유닛이 가로방향(도 3, "a"방향 참조) 10mm 간격으로 배열된 제1열메타층, 상기 제1열메타층의 유닛과 엇갈리는 위치에 상기 직육면체형 유닛이 동일한 간격으로 배열된 제2열메타층 및 상기 제2열메타층의 유닛과 엇갈리는 위치에 상기 직육면체형 유닛이 동일한 간격으로 배열된 제3열메타층으로 이루어지고, 제1 내지 3열메타층이 1mm 간격으로 이격된 열메타 구조가 내설된 150×50×150mm(가로×세로×높이)인 콘크리트 판넬(도 3 참조).
시뮬레이션
상기 (1) 내지 (4)의 모델에 대하여 시뮬레이션 프로그램을 이용하여 각 판넬의 초기 온도를 20℃로 설정하고, 판넬의 일면에 50℃의 열원을 위치시켜, 판넬의 타면에서 시간에 따른 온도변화를 시뮬레이션 하고, 그 결과를 하기 도 4 및 5에 나타내었다.
도 4를 참조하면, 본 발명에 따른 열메타 구조가 내입된 콘크리트 판넬의 경우(도 4 (b) 참조) 온도 변화가 스티로폼(도 4 (a) 참조)과 유사하여 열전도율이 스티로폼에 상응하는 것을 알 수 있다.
또한 도 5를 참조하면, 원통형 유닛이 내입된 판넬의 경우(도 5 (c) 참조) 일반 콘크리트 판넬에 비하여 온도 변화량이 적은 것을 알 수 있으나, 스티로폼이 내입된 판넬에 미치지 못하는 것을 알 수 있다. 다만, 직육면체형 유닛이 내입된 경우(도 5 (d) 참조) 스티로폼의 열변화 그래프와 거의 유사한 것을 알 수 있다. 이를 통해 콘크리트 판넬에 내입되는 구조의 형상에 의하여 콘크리트 판넬을 통한 열 전도를 억제할 수 있으며, 특정 형상의 경우 단열재로 사용되는 스티로폼에 근접한 열차단 효율을 나타낼 수 있음을 확인할 수 있다.
이와 같이 본 발명에 따르면 열메타(thermal-meta) 구조를 콘크리트 판넬 내부에 삽입함으로써, EPS 수준의 높은 단열성을 갖는 프리캐스트 콘크리트 판넬을 제공할 수 있으므로 단열성 확보를 위한 EPS 추가 공정이 필요 없고, 이에 따라 화재 위험 감소 및 원가 절감이 가능할 것을 예상할 수 있다.
이상으로 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명하였다. 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다.
따라서, 본 발명의 범위는 상기 발명의 설명보다는 후술하는 청구범위에 의하여 나타내어지며, 청구범위의 의미, 범위 및 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
Claims (1)
- 건축용 단열 프리캐스트 콘크리트 판넬에 있어서,
상기 판넬은 내부에 열전달을 억제하기 위한 열메타 구조가 포함된 단열 프리캐스트 콘크리트 판넬로서,
상기 열메타 구조는 특정 형상의 유닛이 2 이상의 평면으로 일정간격 반복 배치되되, 상기 유닛은 열의 이동 방향으로 인접한 평면의 유닛과 이격되어 엇갈리도록 배치되어, 상기 유닛의 엇갈린 배치로 열의 이동 방향이 1 이상의 유닛을 통과하고,
상기 유닛이 배치된 2 이상의 평면은 열의 이동 방향과 수직한 콘크리트 판넬의 일면 또는 타면과 평행이고,
상기 유닛은 모서리의 길이가 3~500mm인 동일한 부피의 직육면체이고,
상기 유닛은 플라스틱 또는 강재로 이루어지고, 내부가 공극이거나 물이 채워진 것을 특징으로 하는 단열 프리캐스트 콘크리트 판넬.
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