출처: https://pdfs.semanticscholar.org/f73c/d73626125fcefae2940a02e58a1668307ccf.pdf
(1) 열 부하의 영향
샌드위치패널(판넬)은 일반적으로 자체 지지 지붕구조 및 벽 외장으로 기본적으로 영구 하중, 즉 자체 중량 및 가변 하중(바람 및 눈 하중)에 부하를 가집니다. 또한 내부 및 외부의 온도 차이로 인해 구조물에 추가적인 하중이 가해져 연결부, 조인트 및 표면에 영향을 미칩니다.
[지붕과 벽 연결(샌드위치패널 구조)]
태양 복사가 샌드위치패널(판넬)의 외부 면에서 발생하기 때문에 온도가 상승하여 열적 부하 영향과 구조물의 온도 구배를 발생시킵니다. 내부와 외부의 온도가 다르기 때문에, 이 차이의 영향으로 외부 샌드위치패널(판넬) 표면이 팽창(편향)되고 결과적으로 조인트에 응력이 발생하고 단열재에 전단 응력이 발생합니다.
[열작용 하에서 단일 스팬 샌드위치패널(판넬) 변형]
또한 이러한 온도 차이로 인해 표면이 상대적인 변위가 발생하여 나사 샤프트에 굽힘 모멘트가 발생합니다. 이러한 일정한 온도 변화와 매일의 온도 변화는 나사에 반복적인 반복 하중을 발생시켜 나사에 피로 위험이 발생합니다.
면 또는 구조물에 대한 열부하의 강도는 여러 가지 요인에 의존하기 때문에 샌드위치패널(판넬)의 노출된 부분마다 서로 다른 열의 강도를 받는 것으로 추정됩니다. 수평면의 열 부하는 두 표면이 지리적 위치가 같고 둘 다 동일한 태양 복사 강도 아래에 있더라도 경사진 표면의 열부하와 결코 동일하지 않습니다.
따라서 거의 수평 방향인 지붕의 열 부하는 구조물 벽면의 열 부하와 결코 같지 않습니다. 경량 샌드위치패널(판넬)의 열 부하로 인한 구조적인 영향은 아래와 같습니다.
① 외부 표면이 열에 의한 휨/스팬의 높은 처짐
② 샌드위치패널(판넬) 단열재의 계면 전단 응력
③ 표면 강판의 정상적인 응력
④ 강판의 주름
⑤ 온도 차이로 인한 팽창으로 조인트 및 나사에 대한 응력
⑥ 샌드위치 빔의 굽힘
샌드위치패널(판넬) 단열재의 열응력 분석에서 William M. & Raymond H.(1991)는 온도 구배에 의한 열적 부하에 의한 계면 전단 응력의 영향이 상대적으로 낮으며, 표면 강판과 단열재 사이에 결합을 일으키지 않는다고 결론짓습니다. 또한 좌굴 효과는 무시할 만하다는 결론을 내렸습니다. 이러한 영향이 구조에 미미한 영향을 미치더라도, 부하가 연속적이고 순간적이지 않기 때문에 구조의 전체 설계에 여전히 고려되어야 하므로 영향을 최소화해야 합니다.
샌드위치패널(판넬)에서 온도 구배에 의해 발생된 상기 효과는 모두 관련되어 있고, 하나의 효과를 다루는 것은 다른 효과에 자동으로 영향을 준다는 점에 유의해야합니다. 전체적인 영향은 주로 온도 구배에 의해 발생합니다. 내부 면과 외부면 사이에 온도 차이는 면의 굽음을 발생시키므로 단일 스팬 샌드위치패널(판넬)에서 편향이 발생합니다.
그럼에도 불구하고, 태양으로부터의 열의 영향은 열 부하를 일으키며, 따라서 내부 및 외부 표면 사이에 온도 차이 ΔT=T₂-T₁이 발생합니다. 이것은 초기 굽음을 발생시키므로 표면에 열 부하 θ가 발생합니다. 단순하게 지지되는 구조의 경우, 열 발산이 초기 일정 굽음 θ를 생성합니다.
θ = (α₁T₂ –α₂T₁)/e
여기에서 α₁,α₂는 각 면의 열팽창계수이고, e는 중심과 면 사이에 거리입니다. 동일한 두께 D와 재료의 평평한 면을 가진 단일 스팬 샌드위치패널(판넬)의 경우, 이 온도 구배는 변위 즉, θL²/8로 주어진 최대 편향만 주어집니다. 여기서 L는 샌드위치패널(판넬) 스팬입니다. 내부 및 외부 온도가 80℃ 및 –30℃인 샌드위치패널(판넬)의 경우
[온도 구배에 의한 벽 샌드위치패널(판넬)의 변형]
w= 온도 구배 하에서 변형
L= 샌드위치패널(판넬)의 스팬
ΔT=T₂-T₁= 80℃-(–30℃)=110℃
α₁,α₂는 열팽창계수, 12×10⁻⁶K⁻¹
L=5,000mm
D = e = 표면 중심에서 거리 = 100mm
θ = (α₁T₂–α₂T₁)/e
w = θL²/8
w = (α₁T₂–α₂T₁)L²/8e
= ΔT. α₁. L²/8e
= 110K × 12 × 10⁻⁶K⁻¹ × 5000²mm²/8 × 100mm
최대 변형 = 41.3mm
(2) 열 부하 및 열손실 감소
열전달, 손실 및 교환은 전도, 대류 및 복사의 세 가지 과정으로 구성될 수 있습니다. 대류는 구조를 통해 흐르는 공기 중 열에너지의 수송이며, 이것은 모든 구조에서 많은 양의 열 교환에 해당합니다. 복사는 구조물을 가로지르는 매우 적은 열전달이지만, 오히려 태양열 에너지 전달의 형태로 구조물의 외부 표면에서 발생합니다. 이 연구는 구조물(샌드위치패널)에 대한 태양열 부하의 영향과 관련이 있기 때문에, 대부분의 해결 방법은 구조물에 대한 태양열 부하의 최소화를 목표로 합니다. 반면에 전도는 직접 접촉하는 재료를 통한 열의 흐름이며 구조에서 열 흐름의 대부분을 나타냅니다.
샌드위치패널(판넬) 구조는 구조상 복합 재료이므로, 열교는 구조 내부와 외부에서 열이 교환되는 주요 구성 요소입니다. 열교는 전도를 통해 열손실을 초래합니다. 열교는 온도 구배가 있을 때, 조건부 공간의 벽 또는 지붕을 둘러싼 단열재를 가로지르는 상대적으로 높은 열전도율을 갖는 요소의 전도성을 통한 건물 열에너지의 손실입니다.
복사는 또한 태양으로부터 나오는 열에너지가 구조물에 전달될 수 있는 과정으로, 따라서 전체 구조의 온도 평형을 변화시킬 수 있습니다. 냉동 창고의 내부 온도를 일정하게 유지하기 위해서, 샌드위치패널(판넬)의 외부 표면 온도의 불필요한 증가로 인해 태양의 입사 복사열을 감소시킬 수 있는 조치를 제공하는 것이 실용적입니다.
(3) 열교 해결
구조물의 열교는 두 가지 주요 결과를 초래하며, 첫째 국부적인 열손실이 발생하여 구조물의 내부 온도를 유지하기 위해 더 많은 에너지가 필요하며, 둘째 열교 주변의 내부 온도가 낮아 응결이 발생하여 곰팡이가 성장할 수 있습니다. 냉장 및 냉동 창고 구조의 열교는 추가 열 흐름 경로가 있는 모서리, 창틀 및 도어 개구부, 바닥에서 벽면 조인트로 인해 발생할 수 있으며, 다른 부분은 고정 및 구성 요소, 단열재 및 벽 공간의 파편으로 발생할 수 있습니다.
건물 외피의 열교에 대한 영향을 최소화하기 위해 여러 가지 조치가 사용됩니다. 강판은 다른 건축 자재보다 열전도율이 높으며, 그 결과 복합 피복을 통해 침투되는 것을 방지하고 있습니다. 열 차단은 샌드위치패널(판넬) 구조에서 구조의 열교를 감소하기 위한 또 다른 조치입니다. 여기서 스틸 부재는 낮은 열전도율 재료가 스틸 부재 사이에 배치되도록 연결될 수 있으며, 이 낮은 열전도율 재료는 일반적으로 단열 매개체를 형성합니다. 이것은 아래 그림과 같습니다.
[스틸 부재 구조에서 열 차단]
결합 및 연결의 경우 열전도율이 높은 나사를 샌드위치패널(판넬) 구조의 복합 요소를 통해 직접적으로 연결 해서는 안됩니다. 이러한 종류의 배열은 열 차단을 막습니다. 또한 조인트를 밀봉하기 위해서 적절한 실링 테이프 또는 부틸 테이프를 사용해야합니다. 샌드위치패널(판넬) 나사를 사용하여 구조의 전체 요소에 연결하는 경우, 열전도율이 낮은 재료로 제작하거나 외부 온도로부터 단열 및 은폐되어야합니다.
고온 저항성 세라믹 나사와 패스너는 연결 부품으로 널리 사용되고 있으며, 크기와 치수가 다릅니다. 이것은 인접한 구성 요소의 샌드위치패널(판넬) 연결에서 열 차단으로 좋은 방법을 제공할 수 있습니다. 또한 비교적 비싼 스테인리스 스틸 나사를 대체하는 비용 효율적인 방법을 제공할 수 있습니다.
[샌드위치패널(판넬) 연결에 사용되는 세라믹 나사]