📝 예상문제 & 모범답안
용어예상커튼월의 Mullion과 Transom에 대하여 설명하시오. (10점)
1. 정의
Mullion은 커튼월의 수직 지지부재, Transom은 수평 지지부재로, 두 부재가 격자를 이루어 유리·패널을 지지하고 하중을 구조체에 전달한다.
2. 특징
알루미늄 압출형재가 일반적이며, 풍하중·자중·지진하중·층간변위에 대한 처짐·좌굴 검토가 필요하다.
3. 유의사항
Fastener를 통해 구조체 슬래브에 고정되므로, 부재 검토는 반드시 지지조건(고정점·이동점)을 함께 고려해야 한다.
용어예상커튼월 부재 좌굴 검토에 사용하는 세장비(Slenderness Ratio)를 설명하시오. (10점)
1. 정의
부재의 좌굴에 대한 안전성을 판단하는 지표로, 세장비 λ = Lk/r(Lk: 유효좌굴길이, r: 단면 2차반경)로 산정한다.
2. 의미
세장비가 클수록 좌굴에 취약하므로, 지지조건에 따른 유효좌굴길이 산정과 단면 2차모멘트 확보(강재보강재 삽입 등)로 세장비를 관리해야 한다.
3. 유의사항
지지조건(고정-고정, 고정-자유 등)에 따라 유효좌굴길이 계수가 달라지므로, Fastener의 실제 구속조건을 정확히 반영해야 과소·과대평가를 방지할 수 있다.
용어예상커튼월 부재의 처짐 허용기준(AAMA 기준)을 설명하시오. (10점)
1. 기준 내용
스팬 4.1m 이하: L/175 또는 19mm 중 작은 값. 스팬 4.1m 초과: L/240 + 6.4mm.
2. 취지
처짐 과다 시 유리 edge clearance 부족으로 유리 파손·실런트 구속응력 발생 우려가 있어, 부재 강성·단면을 결정하는 설계 기준으로 활용된다.
3. 유의사항
유리 지지길이 기준 처짐도 별도로 L/175 이내 관리해야 하며, 스팬과 유리 지지길이가 다른 경우 두 기준을 모두 만족하는지 확인해야 한다.
용어예상알루미늄 형재의 강재보강재(Steel Reinforcement)에 대하여 설명하시오. (10점)
1. 정의
알루미늄 압출형재 내부 중공부에 삽입하는 강재 보강부재로, 단면 2차모멘트(I)를 증대시켜 부재 강성을 높인다.
2. 필요성
알루미늄 탄성계수(약 70GPa)가 강재(약 200GPa)의 약 1/3에 불과해, 대스팬부는 알루미늄 단면만으로 처짐·좌굴 기준을 만족하기 어렵다.
3. 유의사항
이종금속(알루미늄-강재) 접촉에 의한 전식(電食)을 방지하기 위해 접촉면에 절연처리를 하고, 강재 자체의 방청처리도 병행해야 한다.
서술형예상커튼월 부재의 작용하중, 처짐·좌굴 검토방법과 설계 시 유의사항에 대하여 설명하시오. (25점)
Ⅰ. 개요
커튼월 Mullion·Transom은 비구조 외장 지지부재이나 풍하중 등 다양한 하중을 직접 받으므로, 처짐·좌굴 검토가 미흡하면 유리파손·누수 등 하자로 직결된다.
Ⅱ. 처짐·좌굴의 구조 원리
알루미늄 부재의 처짐은 δ ∝ W·L⁴/(E·I)로, 스팬 L이 커질수록 4승에 비례해 급증한다. 따라서 대스팬부는 처짐 관리가 좌굴 관리보다 지배적인 경우가 많아 단면 2차모멘트(I) 확보가 설계의 핵심이 된다.
Ⅲ. 작용하중(두문자 풍·자·지·층)
① 풍하중: 외압·내압차에 의한 정압·부압, 설계풍속·지역계수 반영
② 자중: 부재·유리 자체 하중
③ 지진하중: 층간변위에 의한 수평 관성력
④ 층간변위: 지진·풍하중에 의한 구조체 상대변위
Ⅳ. 처짐·좌굴 검토방법 및 설계 유의사항
① 처짐 검토: 풍하중 산정 후 스팬 4.1m 이하는 L/175(또는 19mm) 중 작은 값, 초과 시 L/240+6.4mm 이내 관리
② 좌굴 검토: 지지조건별 유효좌굴길이 Lk 산정 → 세장비 λ=Lk/r 산출 → 오일러 좌굴하중 대비 안전율 확인
③ 단면 강성 확보: 알루미늄 형재 내부 강재보강재 삽입으로 단면 2차모멘트 I 증대
④ Fastener 설계: Fixed+Slotted 조합으로 층간변위 흡수
⑤ 재료특성 반영: 알루미늄 탄성계수(≒70GPa)가 강재의 1/3임을 반영한 스팬 계획
⑥ 검증체계: 구조기술사 협업 구조계산서 작성 및 실물 하중시험 병행
알루미늄 부재의 처짐은 δ ∝ W·L⁴/(E·I)로, 스팬 L이 커질수록 4승에 비례해 급증한다. 따라서 대스팬부는 처짐 관리가 좌굴 관리보다 지배적인 경우가 많아 단면 2차모멘트(I) 확보가 설계의 핵심이 된다.
고층부 대형 유리창 커튼월에서 Mullion 처짐이 허용기준을 초과해 유리 edge clearance가 부족해지고, 실런트 구속응력 누적으로 유리가 파손된 사례가 보고된 바 있다.
Ⅴ. 맺음말
커튼월 부재는 비구조재라는 인식과 달리 구조적 안전성 검토가 필수이므로, 설계 단계부터 구조기술사와의 협업 검증체계를 갖추어야 한다.
서술형예상커튼월 부재의 풍하중 산정방법과 처짐 제어를 위한 설계방안에 대하여 설명하시오. (25점)
Ⅰ. 개요
커튼월 부재 설계는 정확한 풍하중 산정에서 출발하며, 산정된 하중을 바탕으로 처짐을 허용기준 이내로 제어하는 단면·재료 계획이 뒤따라야 안전성과 경제성을 동시에 만족할 수 있다.
Ⅱ. 풍하중-처짐의 관계 원리
풍하중 W는 설계풍속·지역계수·건물 형상계수를 반영해 산정되며, 부재 처짐 δ는 W에 비례하고 스팬 L의 4승 및 단면 2차모멘트 I의 역수에 비례하므로(δ∝W·L⁴/E·I), 풍하중 산정의 정확도가 곧 처짐 설계의 신뢰도를 좌우한다.
Ⅲ. 풍하중 산정 시 고려요소(종류)
① 설계풍속 : 지역별 기본풍속과 재현주기를 반영해 결정
② 건물 형상·높이계수 : 고층부·모서리부는 국부 풍압이 증폭되어 별도 계수 적용
③ 정압·부압 구분 : 외압과 내압차에 따른 정압(누르는 힘)·부압(빨아당기는 힘)을 모두 검토
Ⅳ. 처짐 제어 설계방안(대책)
① 단면 최적화 : 단면 2차모멘트가 큰 형상으로 압출형재를 설계
② 강재보강재 삽입 : 대스팬 구간은 알루미늄 내부에 강재보강재를 삽입해 강성 보강
③ 지지점 추가 : 트랜섬 배치 간격을 조정해 멀리언의 유효 스팬을 축소
④ 재료 대안 검토 : 초고층·대스팬 구간은 복합형재·구조용 강재 프레임 대안도 검토
⑤ 국부구간 별도설계 : 모서리부·최상층부 등 풍하중 집중구간은 별도의 처짐·좌굴 검토를 수행
⑥ 실물검증 : 목업 또는 실물 하중시험으로 설계 처짐값과 실측값을 비교 검증
풍하중은 W=C·q·A(풍력계수×속도압×수압면적)로 산정되며, 처짐은 이 풍하중에 선형 비례하는 반면 스팬에는 4승으로 비례하므로, 처짐 제어에는 하중 저감보다 스팬 단축과 단면 2차모멘트 증대가 더 효과적인 대책이 된다.
모서리부 풍하중을 중앙부와 동일하게 산정해 설계한 커튼월에서 준공 후 강풍 시 모서리부 멀리언 처짐이 육안으로 확인될 정도로 발생해, 해당 구간만 강재보강재를 추가하는 보강공사를 시행한 사례가 있다.
Ⅴ. 맺음말
처짐 제어는 정확한 풍하중 산정과 스팬·단면 계획이 결합되어야 하며, 특히 국부 풍압이 집중되는 구간은 일반구간과 분리해 별도로 설계·검증해야 한다.