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문제 정의
- 구조해석은 풍하중과 자중 등의 하중이 각 부재에 작용할 경우 발생하는 최대모멘트, 최대반력, 최대처짐 등의 값을 구하기 위하여 실시한다. 작용하는 풍하중은 커튼월 유리를 통해서 트랜섬, 멀리언, 앵커부위의 순서로 전달된다.
- 본 연구는 CMr가 커튼월 구조설계의 적정성을 간편하게 검토할 수 있는 구조설계 검토프로세스를 도출하고 커튼월 구조설계 제반 단계를 이해할 수 있는 매뉴얼 개발을 목적으로 한다. 본 연구의 범위는 커튼월시스템 중 국내외에서 가장 많이 사용되고 있는 유니트시스템을 대상으로 하여 (1) 커튼월을 구성하는 구조부재인 멀리언 (수직재), 트랜섬 (수평재), 앵커의 구조설계 검토 프로세스를 정형화하고, (2) 멀리언과 트랜섬 부재의 구조설계 타당성을 용이하게 검토할 수 있는 매뉴얼 개발을 포함하는 것으로 한다.
- 본 연구는 건물의 초고층화와 더불어 건물외장재로서 많이 사용되고 있는 알루미늄 커튼월의 구성부재인 멀리언, 트랜섬, 앵커부재의 구조설계 프로세스를 도출하고 CMr의 입장에서 멀리언과 트랜섬의 구조설계 적정성을 쉽게 검토할 수 있는 구조설계검토 매뉴얼을 개발하였다.
- 프로세스 내부에서 검토하여야 하는 구조설계 대상 부재군을 하중조건과 설계조건에 따라 정형화 (예 : 정압/부압, Male/Female 부재, 수직재/수평재, Typical 부재/Non-Typical 부재 등) 한다. 전문가 그룹과 면담을 실시하여 도출된 구조설계 프로세스와 정형화한 사항들에 대한 타당성을 검토하도록 한다.
제안 방법
- 개발된 매뉴얼의 활용성을 검증하기 위하여 실제 커튼월 설계 프로젝트에 적용하여 보았으며 전문가가 참여하는 워크샵을 실시하여 매뉴얼의 적절성과 활용성을 검토하였다. 워크시트를 활용하여 커튼월 설계 시 정형화된 구조성능계산이 가능할 것이며, 그에 따른 작업시간의 단축, 검토 결과의 정확성 향상 등이 가능할 것으로 기대된다.
- 개발된 워크시트의 적용성 검증을 위해 실제 커튼월 설계프로젝트에 워크시트를 적용하였다. 해당 프로젝트는 서울 소재 Y대학교 의료원 건물로서, 건물 연면적 5,000㎡ 높이 54.
- 개발된 워크시트의 활용성을 검증하기 위하여 본 연구를 위한 면담에 참여하였던 커튼월 전문가 3인과 건물외장을 커튼월로 마감하는 프로젝트의 건설관리용역업무에 종사하고 있는 CMr 3인이 참여하는 워크샵을 실시하였다. 워크샵 참여자들은 개발된 매뉴얼을 실제 프로젝트에 적용한 사례 전반에 관한 설명을 청취한 후 매뉴얼의 정확성과 활용성에 대한 의견을 제시하였으며 내용은 다음과 같다.
- 구조성능검토 워크시트는 멀리언, 멀리언+철강재 보강, 트랜섬 부재에 대하여 구조성능을 검토할 수 있도록 구성한 것으로, 일련의 정형화된 계산 검토과정을 제공하여 커튼월 구조와 관련하여 많은 지식을 가지고 있지 않더라도 기본적인 부재치수와 단면성능, 구조해석값 등 필요 데이터만 입력하면 원하는 결과값을 도출할 수 있도록 하였으며, 알루미늄 매뉴얼 워크시트에서 계산된 허용응력과 연동되도록 구성하였다. 구조성능검토 워크시트의 구성과 흐름은 〔그림10〕과 같다.
- 먼저 건축디자이너가 건물입면 및 재료를 선정하면, 커튼월 컨설턴트가 커튼월 시스템을 선정하게 된다. 그리고 법규 또는 풍동실험을 통하여 산정된 풍하중을 기본으로 구조검토를 실시하여 기본설계도를 작성한다.
- 초고층건축 커튼월의 구조설계 프로세스 관련 문헌조사와 선행연구조사를 실시한다. 또한 우리나라 커튼월 설계 시 적용되고 있는 구조설계규준 ( AAMA 기준과 국내 관련 기준) 을 조사한다.
- 멀리언(Mullion) 부재는 정압과 부압의 경우, Male 멀리언과 Female 멀리언의 경우, 건물의 중앙부분 부재 (Typical Section)와 모서리부분 부재 (Corner Section)의 경우로 세분하여 8 가지 경우에 대한 휨응력 (인장응력, 압축응력) 측면의 안정성, 국부좌굴에 대한 안정성을 검토한다. 〔그림5〕는 멀리언 부재의 구조계산 프로세스를 정리한 것이다.
- 본 연구에서 개발한 커튼월 구조설계검토 매뉴얼은 Microsoft Excel을 기반으로 작성된 워크시트 (Work Sheet)와 워크시트 사용방법 매뉴얼로 구성되며 본 논문에서는 워크시트만을 설명한다. 이 워크시트는 각 부재의 허용응력을 산정하는 알루미늄 매뉴얼 워크시트와 부재별 검토결과를 레포트형식으로 출력할 수 있는 구조성능검토 워크시트로 구성되어 있다.
- 본 연구에서는 실무에서 가장 많이 사용되는 AAMA의 ‘6063-T5’, ‘6063-T6’, ‘3003-H14’의 매뉴얼을 선택하여 각 매뉴얼의 워크시트를 구성하였으며 새로운 매뉴얼 워크시트를 추가할 수 있는 기능도 구성하였다.
- 본 장에서는 3장에서 도출한 프로세스를 바탕으로 구조설계 검토 매뉴얼을 개발하고 그 적용성을 분석한다. 매뉴얼은 이미 언급한 바와 같이 멀리언과 트랜섬 만을 대상으로 한다.
- 사례연구는 〔표2〕와 같이 최근에 건축되어진 P사옥, W센터, U 파크 프로젝트의 커튼월 구조계산서를 활용하였으며, 구조계산의 흐름, 검토부재, 각 단계별 검토사항 등에 대하여 조사하였다.
- 사례연구의 P사옥은 구조해석용 프로그램인 SAP 2000과 수 계산을, U파크는 MIDAS GEN과 수계산을, W센터는 수계산을 사용하여 구조해석하였다. 커튼월의 수직부재인 멀리언의 경우는 연속보로 해석되며 수평부재인 트랜섬의 경우는 단순보로 해석된다.
- 알루미늄 매뉴얼 워크시트는 AAMA 기준을 워크시트화한 것으로 부재의 허용응력을 구하기 위하여 필요 데이터만 입력하면 원하는 결과값을 도출할 수 있도록 구성하였다. AAMA기준에서 허용응력값 산정은 알루미늄 부재의 종류와 형상, 용접여부에 따라서 적용하는 기준이 다르게 되는데 부재의 종류와 형상에 적합한 기준을 선택하고 부재의 세장비 또는 폭 두께비를 산정하여 허용응력값을 계산하게 된다.
- 유형화된 내용을 바탕으로 Microsoft 엑셀을 활용하여 구조 설계 시 적용되는 각종 규준과 안정성 검토에 필요한 부재별 속성을 입력할 수 있는 구조설계검토 매뉴얼을 개발한다.
- 초고층건축 커튼월 구조설계 사례들을 분석하여 구조설계 프로세스를 도출한다. 프로세스 내부에서 검토하여야 하는 구조설계 대상 부재군을 하중조건과 설계조건에 따라 정형화 (예 : 정압/부압, Male/Female 부재, 수직재/수평재, Typical 부재/Non-Typical 부재 등) 한다.
- 초고층건축 커튼월의 구조설계 프로세스 관련 문헌조사와 선행연구조사를 실시한다. 또한 우리나라 커튼월 설계 시 적용되고 있는 구조설계규준 ( AAMA 기준과 국내 관련 기준) 을 조사한다.
- 트랜섬(Transom) 부재는 멀리언 부재와 달리 Male, Female 부재가 없으며 구조해석을 통해 최대모멘트, 최대반력 등도 산정하지 않고 단순보로 해석하기 때문에 멀리언보다 검토과정이 단순하다. 트랜섬 부재 검토는 〔그림 6〕에서 보는 바와 같이 트랜섬이 부담하는 유리면적에 작용하는 풍하중에 의한 휨응력과 처짐검토를 실시한 후 유리자중, 알루미늄 자중에 의한 휨응력과 처짐검토로 진행한다.
대상 데이터
- 본 장에서는 3장에서 도출한 프로세스를 바탕으로 구조설계 검토 매뉴얼을 개발하고 그 적용성을 분석한다. 매뉴얼은 이미 언급한 바와 같이 멀리언과 트랜섬 만을 대상으로 한다.
- 본 연구는 다양한 커튼월 종류 중 국내외에서 가장 많이 사용되고 있는 유니트시스템을 대상으로 하였으며 커튼월 설계기업에 근무하고 있는 전문가 6인을 대상으로 면담을 실시하였고 3개 프로젝트 구조설계 사례연구를 수행하였다.
- 본 연구는 CMr가 커튼월 구조설계의 적정성을 간편하게 검토할 수 있는 구조설계 검토프로세스를 도출하고 커튼월 구조설계 제반 단계를 이해할 수 있는 매뉴얼 개발을 목적으로 한다. 본 연구의 범위는 커튼월시스템 중 국내외에서 가장 많이 사용되고 있는 유니트시스템을 대상으로 하여 (1) 커튼월을 구성하는 구조부재인 멀리언 (수직재), 트랜섬 (수평재), 앵커의 구조설계 검토 프로세스를 정형화하고, (2) 멀리언과 트랜섬 부재의 구조설계 타당성을 용이하게 검토할 수 있는 매뉴얼 개발을 포함하는 것으로 한다. 앵커부분의 구조성능 검토매뉴얼은 본 연구의 후속연구에서 진행한다.
- 알루미늄 매뉴얼 워크시트는 〔그림9〕의 AAMA 매뉴얼 6063-T5를 사용하였다.
- 커튼월 구조설계검토프로세스 개발에 실무경험을 반영하기 위하여 현재 커튼월설계와 컨설팅을 수행하고 있는 2개 기업의 전문가 6인을 대상으로 면담을 실시하였다. 면담은 총 3회에 걸쳐 진행되었으며 면담 시 조사하였던 세부내용은 〔표3〕과 같다.
- 커튼월 본체는 멀리언(Mullion), 트랜섬(Transom), 비전(Vision), 스팬드럴(Spandrel)로 구성된다. 멀리언(Mullion)은 알루미늄 커튼월의 수직부재로서 건물의 층과 층 사이에서 커튼월에 가해지는 풍하중을 슬래브에 전달하는 구조부재이고, 트랜섬 (Transom)은 알루미늄 커튼월의 수평부재로서 멀리언(Mullion)을 수평으로 연결하는 구조부재이다.
- 개발된 워크시트의 적용성 검증을 위해 실제 커튼월 설계프로젝트에 워크시트를 적용하였다. 해당 프로젝트는 서울 소재 Y대학교 의료원 건물로서, 건물 연면적 5,000㎡ 높이 54.9m의 철근콘크리트조 건물로, 커튼월을 외장재로 설치하는 건물이었다.
데이터처리
- 사례연구하였던 세 프로젝트 역시 .Autocad 프로그램을 사용하여 자동으로 단면성능을 산정하였으며, 결과는 〔그림4〕의 예시에서 보는 바와 같다.
성능/효과
- (2) 기존 수계산에 의한 구조설계 검토에 비하여 상당한 시간 절약이 가능할 것으로 예상되고 입력한 워크시트를 출력할 경우 별도의 Report 작업이 필요치 않아 업무 간소화가 기대된다.
- 개발된 구조설계검토매뉴얼을 실제 커튼월 설계프로젝트에 반영하여 적용성을 검증하며 커튼월 전문가 및 CMr와의 워크샵을 실시하여 개발된 커튼월 구조설계검토매뉴얼의 개선방향을 마련한다. 〔그림 1〕은 이러한 연구절차를 정리한 것이다.
후속연구
- (1) 정형화된 워크시트를 제공하므로 도출하고자 하는 검토값을 명확하게 제시할 수 있으며 Excel 프로그램 기반으로 자동 계산되기 때문에 커튼월 전문가 뿐만 아니라 비전문가가 검토할 경우에도 계산의 정확성이 향상될 수 있을 것으로 예상된다.
- (3) 개발된 워크시트를 사용할 경우 커튼월 구조설계프로세스와 내용을 통일할 수 있어 커튼월 업무를 수행하는 그룹 내의 의사소통에 도움이 될 것이다.
- (4) Excel 프로그램만으로 대단히 다양한 형식의 알루미늄 부재를 매뉴얼화하여 워크시트를 구성하기에는 복잡하고 어려워 사용자에게 혼란을 줄 수 있으므로 개발된 시스템을 실무에 적용하기 위해서는 보완이 필요하나 커튼월 시스템의 이해를 위한 교육용으로 활용도가 높을 것으로 예상된다.
- (5) 개발된 워크시트는 유닛시스템의 구조계산을 근거로 하여 작성되어 스틱시스템 및 스틸 파이프구조에 적용시키기 어려울 것이므로 다양한 커튼월 시스템에 대한 유동성을 갖는 워크시트 개발이 필요하다.
- (6) 개발된 워크시트를 커튼월 구조검토 실무교육에도 활용할 수 있도록 매뉴얼에 커튼월 구조설계에 관한 이론적인 설명을 부가하는 것이 바람직하겠다.
- 워크시트를 활용하여 커튼월 설계 시 정형화된 구조성능계산이 가능할 것이며, 그에 따른 작업시간의 단축, 검토 결과의 정확성 향상 등이 가능할 것으로 기대된다. 또한 CMr의 특정 프로젝트 수행 시 본 연구에서 개발된 매뉴얼을 활용하여 커튼월 전문업체가 설계한 커튼월 부재의 유형과 속성에 따른 구조성능을 검토하여 가치공학(Value Engineering)적 대안설계안이나 설계지침을 제공할 수 있을 것이다.
- 본 연구의 범위는 커튼월시스템 중 국내외에서 가장 많이 사용되고 있는 유니트시스템을 대상으로 하여 (1) 커튼월을 구성하는 구조부재인 멀리언 (수직재), 트랜섬 (수평재), 앵커의 구조설계 검토 프로세스를 정형화하고, (2) 멀리언과 트랜섬 부재의 구조설계 타당성을 용이하게 검토할 수 있는 매뉴얼 개발을 포함하는 것으로 한다. 앵커부분의 구조성능 검토매뉴얼은 본 연구의 후속연구에서 진행한다.
- 개발된 매뉴얼의 활용성을 검증하기 위하여 실제 커튼월 설계 프로젝트에 적용하여 보았으며 전문가가 참여하는 워크샵을 실시하여 매뉴얼의 적절성과 활용성을 검토하였다. 워크시트를 활용하여 커튼월 설계 시 정형화된 구조성능계산이 가능할 것이며, 그에 따른 작업시간의 단축, 검토 결과의 정확성 향상 등이 가능할 것으로 기대된다. 또한 CMr의 특정 프로젝트 수행 시 본 연구에서 개발된 매뉴얼을 활용하여 커튼월 전문업체가 설계한 커튼월 부재의 유형과 속성에 따른 구조성능을 검토하여 가치공학(Value Engineering)적 대안설계안이나 설계지침을 제공할 수 있을 것이다.
- 일반적으로 멀리언에서 앵커부위로 전달되는 풍압과 자중을 만족시키기 위해 구조계산을 실시하게 되며 전문가 면담을 통해 조사된 앵커볼트의 구조계산 프로세스는 〔그림7〕과 같다. 커튼월 앵커부위에 대한 프로세스 정립과 구조검토 매뉴얼 개발은 후속 연구에서 진행할 예정이다.
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