지붕하중 증가에 따른 공장건물 안정성확보를 위한 지붕외장재의 구조성능정보의 필요성 The Necessity of Structural Performance Informations of Sandwich Panels for The Stability of Industry Building using Sandwich Panel as Roof Assemblies.원문보기
구조해석기법의 발전과 경제성을 중시하는 현실에 의해 건축물 주골조의 모멘트 강도비($M_u/{\Phi}M_n$)는 점차 증가하고 있다. 따라서 본 연구에서는 지붕재로 샌드위치패널을 사용하는 건축물의 안전성검토를 위하여, 지붕하중의 증가에 따른 구조해석을 실시하여 주구조부재의 $M_u/M_y$와 $M_u/M_p$의 변화를 검토하였다. 해석모델은 PEB구조 건물과 일반 H형강구조 건물을 대상으로 지붕하중을 증가시켜 구조해석을 실시하였다. 해석결과 해석모델의 지붕 설계하중의 약11% 증가할 경우, 주구조부재의 $M_u/M_y$가 1을 초과하였고, 약 36% 증가할 경우 작용모멘트가 소성모멘트보다 커져 부재의 파괴가 예상되었다. 중도리간격에 따른 지붕외장재가 지지할 수 있는 최대하중, KS기준에서 제시한 최대하중, 외장재생산업체의 시험값으로 산정한 최대하중을 비교하였다. 3가지 방법으로구한 패널이 지지할 수 있는 최대하중값은 주구조부재의 파괴가 예측되는 하중보다 큰 값을 나타내었다. 따라서 예상치 못한 지붕하중 증가로 인해 외장재의 파괴이전에 주구조부재의 파괴로 인한 구조물 전체 붕괴가 발생할 수 있으므로 안전성 확보를 위해서는 지붕외장재의 구조성능에 대한 정확한 정보의 필요성과 외장재 역시 구조설계대상임을 알 수 있었다.
구조해석기법의 발전과 경제성을 중시하는 현실에 의해 건축물 주골조의 모멘트 강도비($M_u/{\Phi}M_n$)는 점차 증가하고 있다. 따라서 본 연구에서는 지붕재로 샌드위치패널을 사용하는 건축물의 안전성검토를 위하여, 지붕하중의 증가에 따른 구조해석을 실시하여 주구조부재의 $M_u/M_y$와 $M_u/M_p$의 변화를 검토하였다. 해석모델은 PEB구조 건물과 일반 H형강구조 건물을 대상으로 지붕하중을 증가시켜 구조해석을 실시하였다. 해석결과 해석모델의 지붕 설계하중의 약11% 증가할 경우, 주구조부재의 $M_u/M_y$가 1을 초과하였고, 약 36% 증가할 경우 작용모멘트가 소성모멘트보다 커져 부재의 파괴가 예상되었다. 중도리간격에 따른 지붕외장재가 지지할 수 있는 최대하중, KS기준에서 제시한 최대하중, 외장재생산업체의 시험값으로 산정한 최대하중을 비교하였다. 3가지 방법으로구한 패널이 지지할 수 있는 최대하중값은 주구조부재의 파괴가 예측되는 하중보다 큰 값을 나타내었다. 따라서 예상치 못한 지붕하중 증가로 인해 외장재의 파괴이전에 주구조부재의 파괴로 인한 구조물 전체 붕괴가 발생할 수 있으므로 안전성 확보를 위해서는 지붕외장재의 구조성능에 대한 정확한 정보의 필요성과 외장재 역시 구조설계대상임을 알 수 있었다.
The strength ratio of the main structures of buildings gradually increasing, due to the advances made in analysis and cost saving techniques. In this study, to examine the stability of industry buildings using sandwich panels as roof assemblies, we examine the changes in the moment strength ratio of...
The strength ratio of the main structures of buildings gradually increasing, due to the advances made in analysis and cost saving techniques. In this study, to examine the stability of industry buildings using sandwich panels as roof assemblies, we examine the changes in the moment strength ratio of the main structures caused by increasing the roof load. This study adopts the PEB structure and three H-steel structure as the structural analysis models. In the case where the additional load exceeds about 11% of the roof design load, the strength ratio exceeds 1 for the main structure. In the case where the additional load exceeds about 36%(of the roof design load), the working moment exceeds the plastic moments, which leads to major damage to the structure. This study compares 1) the maximum load according to the purlin spaces, 2) the maximum load by KS, and 3) the maximum load calculated from the test results of the manufacturer.The maximum bearing load of the panels determined by all three methods exceeds the structure failure threshold load of the main structure. This study provides evidence that an unexpected increase in the roof load might cause the whole structure to collapse, due to the failure of the main structural members, before the failure of the roof assemblies. Therefore, information on the structural performance of the sandwich panels is required for the structural design, and the sandwich panels should be considered to be an integral part of the overall structural design.
The strength ratio of the main structures of buildings gradually increasing, due to the advances made in analysis and cost saving techniques. In this study, to examine the stability of industry buildings using sandwich panels as roof assemblies, we examine the changes in the moment strength ratio of the main structures caused by increasing the roof load. This study adopts the PEB structure and three H-steel structure as the structural analysis models. In the case where the additional load exceeds about 11% of the roof design load, the strength ratio exceeds 1 for the main structure. In the case where the additional load exceeds about 36%(of the roof design load), the working moment exceeds the plastic moments, which leads to major damage to the structure. This study compares 1) the maximum load according to the purlin spaces, 2) the maximum load by KS, and 3) the maximum load calculated from the test results of the manufacturer.The maximum bearing load of the panels determined by all three methods exceeds the structure failure threshold load of the main structure. This study provides evidence that an unexpected increase in the roof load might cause the whole structure to collapse, due to the failure of the main structural members, before the failure of the roof assemblies. Therefore, information on the structural performance of the sandwich panels is required for the structural design, and the sandwich panels should be considered to be an integral part of the overall structural design.
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문제 정의
따라서, 본 연구에서는 지붕하중 증가에 따른 주골조를 이루는 부재들의 모멘트비 변화를 검토하여 외장재의 구조성능의 필요성을 제시하는데 그 목적이 있다. 이를 위하여 지붕외장재로 샌드위치패널을 사용하는 기존 공장건물에 지붕하중을 증가시켜 기둥, 보 등의 구조 부재의 모멘트 강도비변화와 파괴위험성을 검토하였다.
본 연구에서는 공장건물에 지붕하중을 증가시켜 구조 부재의 작용모멘트변화와 패널의 최대지지하중을 계산 하여 대상건물의 안정성을 평가하였다. 그 결과는 다음과 같다.
가설 설정
부재 작용모멘트/소성모멘트비가 형상계수값 보다 클 경우, 소성힌지의 발생으로 인해 건물 붕괴위험성이 예상된다고 가정하였다.
샌드위치패널의 하중지지능력을 산정하기 위해서 철판과 중간재인 스치로폼이 일체화 되었다는 가정 하에 계산된 패널의 단면계수값을 적용하였다. 철판 두께 0.
제안 방법
구조설계된 기존 PEB구조로 설계된 건물과 이를 바탕으로 일반 H형강 구조 건물로 재설계한 공장건물들을 해석모델로 설정하였다. 모델링 기본정보는 Table.
)가 1을 초과할 때의 하중을 구하였다. 또한 부재의 파괴위험성을 예측하기 위해서 부재의 작용 모멘트와 소성모멘트(Mu/Mp)비를 검토하였다.
이를 위하여 지붕외장재로 샌드위치패널을 사용하는 기존 공장건물에 지붕하중을 증가시켜 기둥, 보 등의 구조 부재의 모멘트 강도비변화와 파괴위험성을 검토하였다. 또한, 지붕외장재의 구조성능을 가정하여 지지기구인 중도리 간격에 따른 최대하중, KS기준에서 제시한 최대하중과 외장재생산업체의 시험값으로 산정한 최대하중과 주구조부재의 파괴위험성을 초래하는 부가하중을 비교하였다.[1],[2],[3]
이 값은 복합재료인 패널의 구조성능, 하중이력의 특성을 고려하지 않은 값이므로 보다 신뢰할 수 있는 패널의 최대지지하중값을 계산하기위해 산업표준심의회의 건축용철강제 지붕판에서 제시한 분포압강도규격과 지붕패널 생산업체의 단순굽힘 시험결과값을 비교하였다.[1],[2],[3]
따라서, 본 연구에서는 지붕하중 증가에 따른 주골조를 이루는 부재들의 모멘트비 변화를 검토하여 외장재의 구조성능의 필요성을 제시하는데 그 목적이 있다. 이를 위하여 지붕외장재로 샌드위치패널을 사용하는 기존 공장건물에 지붕하중을 증가시켜 기둥, 보 등의 구조 부재의 모멘트 강도비변화와 파괴위험성을 검토하였다. 또한, 지붕외장재의 구조성능을 가정하여 지지기구인 중도리 간격에 따른 최대하중, KS기준에서 제시한 최대하중과 외장재생산업체의 시험값으로 산정한 최대하중과 주구조부재의 파괴위험성을 초래하는 부가하중을 비교하였다.
일반 H형강 구조1을 구조부재의 Mu/ΦMn가 70% 대로 재설계한 H형강 구조3 모델건물에 하중을 증가시켜 구조부재의 Mu/My를 검토하였다.
주골조 부재의 Mu/My를 1보다 큰 값을 갖게하는 최초 하중을 구하기 위해 설계하중에 하중계수를 곱하지 않은 사용하중을 점차 증가시켜 구조해석을 실시하였다.
하중 증가에 따른 주 구조 부재의 안전성을 검토하기 위하여, 기본 지붕설계하중에 하중계수를 적용하지 않은 적재하중을 증가시켜 최초 주 구조부재의 작용모멘트/항복모멘트(Mu/My)가 1을 초과할 때의 하중을 구하였다. 또한 부재의 파괴위험성을 예측하기 위해서 부재의 작용 모멘트와 소성모멘트(Mu/Mp)비를 검토하였다.
중도리 간격에 따른 외장재의 하중지지능력을 검토하기 위해 중도리에 지지되는 샌드위치패널은 중력방향으로 분포하중이 작용할 경우, 연속된 1방향슬래브 근사해석법을 적용하였다. 하중, 최대모멘트, 항복응력, 단면계수 등으로 구성된 수식을 통해 중도리 간격별 하중 지지 능력을 비교하였다.
형상계수와 항복모멘트(My)를 이용하여 소성모멘트 (Mp)를 구하였다.
대상 데이터
H형강구조 건물은 최초 설계시 구조부재의 모멘트 강도비가 각각 90%, 80%, 70%대를 나타내는 3개 모델을 선정하였다. Table.
실제 구조설계된 PEB구조와 유사한 구조부재의 강도 비를 가진 H형강구조 건물1을 대상으로 구조해석을 실시하였다.
이론/모형
중도리 간격에 따른 외장재의 하중지지능력을 검토하기 위해 중도리에 지지되는 샌드위치패널은 중력방향으로 분포하중이 작용할 경우, 연속된 1방향슬래브 근사해석법을 적용하였다. 하중, 최대모멘트, 항복응력, 단면계수 등으로 구성된 수식을 통해 중도리 간격별 하중 지지 능력을 비교하였다.
성능/효과
1. 해석건물의 경우 지붕설계하중의 약11%인 0.15kN/m2를 증가하였을 경우, PEB구조 및 H형강 구조1 건물의 주골조 부재에서 Mu/My가 1보다 큰 값을 나타내기 시작하였다.
2. 지붕설계하중의 약36%인 0.50kN/m2를 증가하였을 경우, PEB구조의 부재들은 작용모멘트/소성항복모멘트값이 형상계수값보다 커져 부재파괴에 따른 건물 전체 붕괴가 예상되었다. 부재설계 모멘트강도비(Mu/ΦMn)가 90%인 일반 H형강 구조1 역시 일부 부재가 Mu/ΦMn가 형상계수값 보다 큰 값을 나타내어 구조부재의 파괴위험성을 예측할 수 있다.
3. 샌드위치패널의 단면계수값과 중도리간격을 이용하여 계산된 최대지지하중, 산업표준심의회에서 제시한 분포압강도를 이용한 최대지지하중, 생산업체에서 실시한 단순굽힘시험 결과값을 이용하여 계산된 파넬의 최대지지하중값은 주골조의 파괴를 초래할 수 있는 하중값 보다 상당히 큰 값을 나타내었다.
부가하중을 점차 증가시켜 Mu/Mp가 형상계수값보다 클 때의 부가하중을 산정한 결과 그 값은 0.50kN/m2로 나타났다. 이 값은 설계지붕하중의 약 36%가 증가한 값이다.
이상의 결과 샌드위치패널은 설계하중보다 훨씬 더 큰 하중을 지지함을 알 수 있었다. 또한 샌드위치패널 경우, 구성재료인 철판의 변형능력으로 항복이후 파괴에 도달할 때 까지 하중지지능력이 상당할 것으로 예상된다.
이 값은 패널의 구속조건이 단순지지로 실험한 결과 값으로 패널 하부의 중도리지지조건을 반영한다면 패널의 지지하중은 더 커질 수 있다. 이상의 결과를 통해 예상치 못한 지붕하중의 증가는 지붕외장재인 샌드위치 패널의 파괴가 발생하기 이전에 주 골조에 위험을 초래할 가능성이 있음을 알 수 있었다.
후속연구
규격화된 지지조건에 따른 하중재하 실험결과 값과 이를 바탕으로 한 패널의 구조성능 정보로 구조설계가 이루어져야 샌드위치패널과 같은 외장재를 가지는 건물의 안전성을 확보할 수 있다고 판단된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
적설하중에 관한 내용을 정밀화하여 개정한 구조물의 안전에 관한 기준과 법이 안전성을 완전히 보장할 수 없다고 판단되는 이유는?
그이후 KBC2016에 적설하중에 대한 내용을 정밀화하여 개정되고 건축법에 특수건축물 관련법규가 추가되어 구조물의 안전에 관한 기준과 법이 강화되었다.[5]하지만 최근 이상 기후현상에 따른 적설량의 예측이 쉽지 않고 태풍과 같은 강풍 현상도 발생할 소지가 있어 이러한 대책은 구조물의 안전성을 완전히 보장할 수 없다고 판단된다.
경량 패널, 커튼월과 같은 외장재에 필요한 성능은?
만약 예상치 못한 과도한 하중이 발생할 경우, 외장재의 파괴가 먼저 발생하지 않고, 주 구조부재의 파괴로 인해 구조물 전체 붕괴 현상을 초래할 수도 있을 것이다. 경량 패널, 커튼월과 같은 외장재는 풍하중, 적설하중에 대한 저항성이 확보되어야 하지만 이들 외장재에 대한 구조성 능에 대한 연구나 구조기준은 주골조를 구성하는 구조부재에 비해 상대적으로 미미한 현실이다.
구조부재에 작용하는 강도비가 증가함에 따라 발생하는 문제점은?
또한 건물 구조설계 실무현장에서는 구조해석기법, 해석 및 설계 소프트웨어의 발전으로 보다 정밀한 구조 설계가 가능해지고, 구조물량 감소를 통한 경제적설계가 주안점이 되어 구조부재에 작용하는 강도비가 점점 증가 하는 추세이다. 이로 인해 예상치 못한 지붕하중의 증가에 따른 주골조에 과도한 응력 현상이 발생하기도 한다. 만약 예상치 못한 과도한 하중이 발생할 경우, 외장재의 파괴가 먼저 발생하지 않고, 주 구조부재의 파괴로 인해 구조물 전체 붕괴 현상을 초래할 수도 있을 것이다.
참고문헌 (5)
Korea Industrial Standards Commission, KS F 4736, 2017.
Korea Industrial Standards Commission, KS F 2273. 7.9, 2017.
http://blog.naver.com/khbkgs1004/40188346566, distribution-pressure strength test for urethane Prefabricated roofing panels, 2015.
MIDAS Gen, Analysis & Design, 2016.
Architectural Institute of Korea, Korean Building Code-Structural, 2016.
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