출처: https://www.rcimag.co.uk/downloads/Snow-guidance-document-Dec-2014.pdf
1. 서론
자립형으로 지정된 금속 외장재는 자체 중량에 가해지는 하중을 지탱할 수 있어야 합니다. 일반적으로 지붕 외장의 경우, 많은 경우에 태양광 전지 배열의 무게는 말할 것도 없고, 외장재 자체 중량, 유지 보수를 위한 접근, 적설 하중(바람에 날려 쌓인 눈더미 포함) 및 풍하중을 포함할 수 있습니다.
영국의 겨울은 비교적 온화하고 눈이 드물게 내리지만, 폭설이 지붕과 지지 구조물을 포함한 건물에 피해를 주는 것은 드문 일이 아닙니다. 온화한 기후로 인해 이러한 붕괴를 일으키는 눈은 종종 예외적인 것으로 간주됩니다. 그러나 최근 영국 내에 눈이 내린 대부분은 법규와 기군에 의해 예측된 설계 값 내에 있었기 때문에 그들이 입은 피해가 발생하지 않아야 합니다.
눈 하중에 대한 저항성 측면에서 우수한 건물 설계는 지붕 외장 및 지지 구조의 정확한 사양에서 시작됩니다. 이것은 건물의 위치와 형상에 적합한 적설량의 정확한 결정에 따라 달라집니다. 적설량은 일반적으로 최신 실무 및 소프트웨어 법규를 사용하여 적합한 자격을 갖춘 기술자가 계산합니다. 그러나 모든 건설 전문가는 안전한 건물을 지정하고 제공하는 데 자신의 역할을 할 수 있도록 적설의 기본 원칙을 알아야 합니다.
2. 건물에서 적설 하중
적설 하중을 누한 건물을 설계할 때, 두 가지 기본 유형의 적설량을 구분하는 것이 중요합니다.
① 균일한 눈 적재 ② 날려서 쌓인 눈
장애물 없이 지붕에 수직으로 떨어지는 눈은 지붕의 전체 영역에 고르게 분포되어 균일하게 분산된 하중을 발생시킵니다. 이 하중의 강도(kN/m²)은 작을 수 있지만, 관련된 넓은 영역으로 인해 영향이 심할 수 있습니다. 반대로 파라펫이나 벽과 같이 눈이 쌓일 수 있는 장애물이 있을 때는 눈이 날려서 쌓일 수 있습니다. 날려서 쌓인 눈 하중의 강도는 일반적으로 균일한 눈 하중보다 훨씬 높지만 지붕의 비교적 작은 면적으로 제한됩니다. 인접한 지붕에서 눈이 미끄러지기 쉬운 건물에서 유사한 상황이 발생하여 쌓이는 지역에 매우 높은 하중이 발생할 수 있습니다.
균일한 적설 하중과 날려 쌓인 눈은 모두 지붕 외장에 굽힘 영향을 유발하고 극단적인 경우 외장의 구조적 결함을 유발할 수 있습니다. 하중은 궁극적으로 도리 및 1차 건물 구조를 통해 기초로 전달되어야 하므로 건물 외장에 손상이 없이 이 하중을 전달할 수 있는 안전한 하중 경로가 제공되어야 합니다. 이것은 외장뿐만 아니라 공간 시스템, 패스너 및 퍼린 시스템의 정확한 사양을 의미합니다.
건물 설계에 대한 전반적인 책임이 있는 구조 기술자는 구조 설계 과정의 일부로 건물 적설 하중을 계산하는 것이 일반적입니다. 그러나 구조 설계를 위해 계산된 적설량은 가장 깊은 쌓인 눈 아래의 지붕 영역과 같이 건물 외피의 작은 영역에서 발생하는 높은 국부적 하중을 무시할 수 있습니다. 따라서 구조 기술자가 수행한 것 외에도 건물 외장에 대해 특별히 적설량 계산을 수행해야 할 수 있습니다.
3. 적설 하중에 영향을 미치는 요인
적설 하중은 건물의 형상과 현장의 위치와 관련된 여러 요인에 따라 달라집니다. 이러한 이유로 적설 하중은 부지 및 건물에 따라 다르므로, 각 새 건물에 대해 계산해야 합니다. 바람에 날려 쌓인 눈의 크기와 위치 도출은 구조 기술자가 도출해야 하며 건축가, 지붕 시스템 제조업체 또는 설치자가 지붕 시스템 지정자에게 제공해야 합니다. 이렇게 하면 바람에 날려 쌓인 눈의 영향을 간과하거나 잘못 계산되는 것을 방지할 수 있으며, 작업을 지정하거나 제출할 수 있는 사람들이 동일한 설계 기준을 사용하도록 유지합니다.
적설 하중에 영향을 미치는 주요 요인은 다음과 같습니다.
1) 위치 2) 고도 3) 파라펫 및 장애물 4) 이웃 지붕
1) 위치
국가의 일부 지역은 다른 지역보다 강설에 더 취약합니다. 많은 기상 요인은 일반적인 구조 기술자의 전문 기술을 넘어 주어진 위치에서 눈의 깊이와 빈도에 영향을 미칩니다. 다행히도, 사용 가능한 기상 데이터는 눈 지도와 현장 고도를 허용하는 간단한 방정식의 형태로 단순화된 지침을 생성하기 위해 분석되었습니다.
2) 고도
눈의 깊이는 고도에 따라 자연스럽게 증가합니다. 이것은 유럽 법규에서 현장 고도 및 적설 구역 측면에서 현장 적설량을 제공하는 간단한 방정식에 의해 충족됩니다.
3) 파라펫 및 장애물
눈이 쌓일 수 있는 파라펫 및 기타 장애물로 인해 눈이 바람에 날려 쌓여 균일한 적설 하중을 훨씬 초과하는 국지적인 높은 적설 하중이 발생합니다. 이는 지붕 외장 및 그 지지 구조의 설계에서 고려되어야 하며 지붕(예: 중앙에 더 가까운 퍼린)을 추가로 강화해야 할 수 있습니다. 일반적으로 바람에 날려 눈이 쌓이는 상황은 [그림2]에 나와있습니다. 균일한 적설 하중과 마찬가지로, BS EN 1993-1-3에는 건물의 적설 하중 계산에 대한 권장 사항과 지침이 포함되어 있습니다.
4) 이웃 지붕
새 건물이 기존의 더 높은 건물에 인접하여 세워지는 경우, 설계자는 [그림3]과 같이 높은 지붕에서 낮은 건물로 눈이 떨어지면 지붕 외장 및 지지 구조물에 국부적인 과부하가 발생할 가능성을 인식해야 합니다. 이 경우 적설 하중은 높은 건물의 지붕 경사면과 눈이 내리기 쉬운 하부 지붕의 면적(즉, 하부 지붕에 형성된 쌓인 눈의 크기)에 따라 달라집니다. 두 지붕 사이에 상당한 높이 차이가 있는 경우, 눈이 아래 지붕에 부딪힐 때 눈의 운동량으로 인한 충격 하중의 위험도가 있습니다. 이 하중은 등가 정적 하중보다 훨씬 클 수 있습니다.
4. 하중 경로
지붕 위에 있는 눈의 무게는 궁극적으로 외장, 2차 철골 및 1차 구조를 통해 건물 기초로 안전하게 전달되어야 합니다. 평평한 건물 지붕에서, 모든 중력 하중은 지붕 테크와 지지 빔의 굽힘 및 전단에 의해 저항됩니다. 그러나 경사 지붕의 경우 [그림4]와 같이 여러 가지 대체 하중 경로가 존재하므로 문제가 복잡해집니다.
하중의 상당 부분은 굽힘시 외장에 의해 전달되며, 지붕에 쌓인 경우 내장 지붕의 경우 스페이서 시스템을 통해 퍼린으로 전달됩니다. 그러나 지붕이 충분히 가파르면, 용마루와 물동이 각각에 대한 축방향 장력과 압축에서 상당한 양의 하중이 걸릴 수 있습니다. 일부 하중은 외장을 통해 서까래로 직접 다이어프램 작용(강막작용)으로 취해질 것입니다. 실제로 다양한 하중 경로 사이의 하중 분포는 각 경로의 상대적인 강성에 따라 달라집니다. 이는 개별 부품의 강성과 연결 패스너의 디테일에 따라 달라집니다.
5. 적설 하중 계산
지붕 외장을 올바르게 지정하려면 건물 수명 동안 발생할 수 있는 최대 적설량을 추정해야 합니다. 이것은 인정된 실행 규범을 사용하여 달성되어야 합니다. 2010년 3월까지 영국의 적설 실행 규범은 BS6399-3이었지만, 이후 BS EN1991-3으로 대체되었습니다. 후자의 표준은 구조적 유럽 규범 중 하나이며, 각 회원국에 해당 국가를 위해 설계할 때 사용해야 하는 고유한 국가별 부속서가 있지만 유럽 연합 전체에 적용됩니다.
위에서 언급했듯이 특정 현장에서 지면의 적설 하중은 눈 영역과 현장 고도의 함수이며 상대적으로 계산하기 쉽습니다. 지붕에 균일하게 분포된 적설 하중은 지상 적설 하중에 적절한 적설 하중 향상 계수를 곱하여 얻습니다. 균일한 적설 하중을 계산한 후 설계자는 파라펫이나 기타 장애물로 인해 눈이 바람에 날려 쌓일 위험이 있는지 고려해야 하며 인접한 지붕에서 눈이 떨어질 가능성도 고려해야 합니다. 적절한 곳에서는 BS EN1991-3의 섹션 5.2(3)의 지침에 따라 눈이 바람에 날려 쌓인 하중을 계산해야 합니다.
유럽 규범으로 설계할 때, 적설 하중은 사하중(자중) 및 임의의 양(하향) 풍하중과 결합되며, 모든 지붕에 대한 계수 하중을 제공하는 적절한 안전 계수를 곱합니다. 유지 보수를 위한 접근(하중 부과)은 별도의 하중 케이스로 간주되며 고정 하중만 결합됩니다. 이것은 적설 하중이 부과된 하중보다 크기가 낮더라도 항상 적설 하중을 고려해야 함을 의미합니다. 반대로 BS 6399-3에서는 부과된 하중이 최소 적설량으로 취급되었으므로 최소값(일반적으로 0.6kN/m²)을 초과하는 실제 적설 하중만 고려하면 되었습니다. 두 규범 모두에서, 눈이 바람에 날려 쌓이는 하중은 별도로 고려되며, 우발적인 하중으로 처리됩니다.
BS EN 1993-1-3은 50년의 적설 하중 중 1에 해당하는 적설 하중을 계산하는 것을 목표로하므로, 이 표준에 맞게 설계된 피복재 및 건물은 일반적인 겨울 날씨를 쉽게 견딜 수 있어야 합니다. 또한 외장 시트의 극한 저항을 확인할 때, 설계 하중에는 실패에 대한 추가 여유를 제공하는 안전 계수가 포함됩니다.
따라서 제대로 설계된 경우 가장 극단적인 경우를 제외하고는 적설로 인해 외장이 손상되지 않아야 합니다. 50년 중 1년의 사건과 안전 요소를 사용하는 것은 지붕이 ‘과도하게 설계’되어 있다는 것을 의미하지 않으며 외장 하중을 줄이기 위한 구실로 사용되어서는 안됩니다., 계산에 설계된 안전 범위는 설계 수명 동안 건물 외피가 실패하지 않을 확률을 합리적으로 보장하기 위해 필수적입니다.
외장 제조업체는 일반적으로 부하 범위 표태로 기술 데이터를 게시합니다. 이러한 표를 제작할 때, 외장 형상의 저항(강도)을 적절한 안전 요소로 나누어 ‘안전 작업 하중’을 주는 것이 일반적인 관행입니다. 이 표를 사용할 때 지정자는 게시된 저항 값을 ‘비계수, 눈, 하향 바람 및 부과된 하중과 비교해야 합니다.
외장 형상의 다양성 능력은 형상의 정확한 기하학적 형상과 게이지 및 그것이 만들어진 강철 또는 알루미늄의 강도에 의존합니다. 따라서 지정자는 고려 중인 형상 제조업체가 발행한 적절한 하중 표 또는 기타 설계 데이터를 참조하는 것이 필수적입니다. 하중 표는 BS EN1993-1-3을 사용하여 생산해야 합니다.
6. 결론
적설 하중은 위치와 고도에 따라 적설 깊이의 변화와 파라펫 및 기타 장애물 뒤의 쌓인 적설 하중의 국지적인 면화로 인해 현장 및 건물마다 다릅니다. 적설 하중의 계산은 풍하중 계산보다 덜 복잡하지만 여전히 자격을 갖춘 기술자가 수행하는 것이 가장 좋습니다. 적절하게 설명하지 않으면, 적설 하중으로 인해 건물에 심각한 손상이 발생할 수 있습니다. 그러나 권장되는 계산 절차에 따르고 그에 따라 외장 및 지지 구조를 지정함으로 건물 설계자는 가장 혹독한 겨울에도 적설로 인해 건물위 지붕이 붕괴되지 않도록 할 수 있습니다.