프리캐스트 콘크리트 공동주택의 외벽-바닥 접합부 열교 저감을 통한 단열성능 개선 방안 연구

Abstract

This study aims to analyze the thermal performance of precast concrete (PC) apartment buildings in relation to their structural types and joint characteristics, and to propose strategies for performance improvement. The research was conducted through a step-by-step process involving literature review, simulation, on-site verification, and comprehensive analysis. First, the study reviewed the fundamental concepts, domestic and international application trends, and joint characteristics of PC apartment buildings. As a representative case of off-site construction, PC systems offer advantages in quality control and construction time reduction. However, discontinuities in insulation and thermal bridging at joints have been identified as major limitations. Thermal-bridge behavior varies depending on the panel configuration: single panels primarily exhibit linear thermal bridges, while sandwich panels show point thermal bridges due to shear connectors. It was also confirmed that thermal-performance evaluation must be conducted using a combination of methods—from simplified U-value calculations in the design stage to three-dimensional numerical analysis, experimental validation, and field measurements. 3D steady-state simulations and on-site infrared thermography were performed to compare the thermal performance of joints in RC and PC exterior walls. Both structural systems showed effective U-values higher than the design values, largely due to linear thermal bridges at exterior-wall joints. In particular, exterior wall–floor joints exhibited significant heat loss during winter because of their proximity to hot-water heating pipes, resulting in potential energy degradation. While RC structures showed variability due to on-site construction conditions, PC structures demonstrated relatively better joint performance attributable to factory-controlled production. The thermal performance of exterior wall-floor joints in load-bearing wall structure type and rahmen structure type PC apartment buildings was further evaluated through 3D heat transfer analysis and specimen testing. For load-bearing wall structure type, PC sandwich panels effectively reduced linear thermal bridges, and performance was significantly improved through enhanced mid-layer insulation, low-conductivity shear connectors (GFRP), and high-performance insulation materials. For rahmen structure type, PC curtain-wall single panels showed better performance than sandwich panels due to their greater flexibility in joint configuration. Sensitivity analysis identified corbel length and insulation thickness at the wall-girder interface as key variables. Various enhancement measures were proposed and validated within structurally safe limits. In conclusion, the thermal performance of PC apartment buildings varies significantly depending on panel type and joint detailing. Sandwich panels are optimal for load-bearing wall structures, whereas single panels are more suitable for rahmen structures. Improvements in joint details and optimization of key design parameters can ensure both thermal performance and condensation prevention. These findings highlight that PC apartment buildings can secure competitive energy performance compared to RC structures and provide a foundation for standardized joint design and construction improvements in the future.;본 연구는 PC(Precast Concrete) 공동주택의 단열성능을 구조 유형 및 접합부 특성과 연계하여 분석하고, 단열성능 개선 방향을 도출하는 것을 목적으로 한다. 이를 위해 선행 연구 검토, 시뮬레이션, 현장 검증, 종합 분석을 단계적으로 수행하였다. 우선, PC 공동주택의 개념과 국내외 적용 현황, 주요 구조체 및 접합부 특성을 검토하였다. PC 공동주택은 탈현장 건설(Off-Site Construction)의 대표적 사례로 품질 관리와 공기 단축에 유리하나, 접합부 발생으로 인한 단열재 불연속성과 열교 문제가 한계로 지적되었다. 패널 구조에 따라 열교 발생 양상이 달라지며, 싱글 패널은 선형 열교, 샌드위치 패널은 전단 연결재로 인한 점형 열교가 주요 원인임을 확인하였다. 또한 단열성능 평가는 설계 단계의 단순 열관류율 산정에서부터 3차원 해석, 실험 검증 및 현장 측정까지 병행되어야 함을 고찰하였다. 3차원 정상상태 시뮬레이션과 현장 적외선 열화상 촬영을 통해 RC와 PC 외벽 접합부의 단열성능을 비교하였다. 그 결과 RC와 PC 모두 설계 열관류율보다 높은 유효 열관류율을 나타냈으며, 이는 주로 외벽 접합부의 선형 열교 때문이었다. 특히 외벽-바닥 접합부는 겨울철 난방 온수배관과 인접하여 열손실이 크게 발생하며, 이로 인해 에너지 성능 저하를 유발할 수 있음이 확인되었다. 또한 RC 구조는 현장 시공 편차가 존재하는 반면, PC 구조는 공장 제작을 통한 품질 관리로 접합부 성능에서 상대적 우위를 보였다. 벽식 구조와 라멘 구조 PC 공동주택의 외벽–바닥 접합부 단열성능을 3차원 전열해석과 시험체 제작 및 평가를 통해 종합적으로 비교하였다. 벽식 구조에서는 PC 샌드위치 패널이 선형 열교 저감에 효과적이었으며, 중단열 확대, 저열전도율 전단 연결재(GFRP), 고성능 단열재 적용 등을 통해 성능을 크게 개선할 수 있었다. 라멘 구조에서는 PC 커튼월 싱글 패널이 접합부 구성변경이 용이하여 샌드위치 패널보다 우수한 성능을 보였다. 민감도 분석 결과, 코벨 길이와 외벽–거더 단열재 두께가 핵심 변수였으며, 구조적 안전성을 확보하는 범위 내에서 다양한 개선안을 작성해 성능 개선 효과를 확인하였다. 종합하면, PC 공동주택의 단열성능은 패널 구조와 접합부 상세에 따라 크게 달라지며, 벽식 구조에는 샌드위치 패널, 라멘 구조에는 싱글 패널이 각각 최적의 대안으로 도출되었다. 또한 접합부 상세 개선과 핵심 설계 변수의 적정화를 통해 단열성능과 결로방지 성능을 동시에 확보할 수 있음을 확인하였다. 이는 PC 공동주택이 에너지 성능 측면에서 RC 구조 대비 경쟁력을 갖추고, 향후 표준화된 접합부 설계 및 시공 개선의 근거를 제공한다는 점에서 의의가 크다.