경질 우레탄 폼 단열재(보온판)의 지붕 단열에 대한 기계적 손상의 영향
이 자료는 외국에서 지붕에 단열재를 설치할 경우 보행에 대한 열전도율을 연구한 자료입니다.참고하시기 바랍니다.
1. 개요
싱글 플라이 지붕 조립에서 지붕 단열재의 기계적 손상은 여러 요인의 결과로 발생할 수 있습니다. 이러한 요소 중 두 가지는 보행량과 우박에 의한 영향입니다. 지붕 단열재의 기계적 손상이 발생하여 지붕 시스템에 전반적인 물리적 특성이 손상될 수 있습니다. 그 결과 물리적 재산 손실이 발생합니다.
1970년대 초반 에너지 위기 이후, 건축 법규는 강화된 열 저항을 맞추고, 에너지 절감을 할 수 있도록 단열재가 더 두꺼워 졌습니다. 지붕 단열재는 지붕 시스템의 예상하는 수명 전반에 걸쳐 충분한 물리적 및 열적 특성을 유지하여 멤브레인 자체의 손상, 단열 값의 손실을 방지할 것으로 기대됩니다. 이 연구의 목적은 지붕 단열재에 대한 기계적 손상의 영향을 조사하는 것입니다.
2. 배경
보행량 및 충격으로 인한 손상에 대한 저항은 지붕 단열의 바람직한 특성으로 오랫동안 인식되어 왔습니다. 지붕 단열재 산업의 초기 연구자들은 지붕 단열의 적절한 물리적 특성에 대한 필요성을 인식하고 있었습니 다. 1966년 Miles Jacoby는 보행량에 노출되었을 때, 단열재 압축과 셀의 강도 이상으로 “플라스틱” 단열재 하중으로 영구적인 붕괴와 두께 손실을 초래한 결과에 대해 논의했습니다. Jacoby는 또한 우박 충격과 충격 에너지를 흡수하는 지붕 조립체의 효과에 대해 논의했습니다.
1977년 Richard Fricklas가 수행한 연구는 단열재와 멤브레인의 기계적 파괴를 방지하기 위해 적절한 압축 강도의 임계값을 산출했습니다. 1979년 Donald Brotherson은 안전하게 설치하기 위하여 단열재의 “인성 (toughness)”을 언급했으며, 지붕 시스템의 수명동안 단열재 충격에 대한 내성이 필요하다고 지적했습니다.
경질 우레탄 폼 단열재(보온판) 폴리이소시아누레이트(Polyisocyanurate) 단열재와 관련하여 표면 시트 박리에 문제가 있었습니다. Jim Koontz은 1986년 극심한 우박이 내릴 때 싱글 플라이를 완전히 접착하면 외장재 박리가 발생할 수 있다고 밝혔습니다.
외장 시트 박리와 압축 강도의 상관관계는 제조업체의 지속적인 연구입니다. John Geary는 설치 도중 및 지붕 설치 완료 후 완전히 부착된 멤브레인에 대한 보행량을 줄이는 것이 바람직하다고 결론지었습니다.
보행량이나 우박 충격으로 단열재가 파손되면, 피해의 중요성에 대한 우려가 제기되었습니다. 지붕 시스템 설치 중에 약간의 단열재 분쇄는 필연적이라고 Thomas Lee Smith에 의해 인정되었습니다. 경질 우레탄 폼 단열재(보온판) 폴리이소시아누레이트(Polyisocyanurate) 단열재의 열저항(R)값 손실에 대한 우려는 새로 제조된 단열재와 오래된 단열재 사이에서 계속적으로 비교되었습니다.
기계적 손상과 관련된 열저항(R)값 손실은 평가되지 않았습니다.
2001년 Scott Baxter는 폴리이소시아누레이트(polyisocyanurate) 단열재를 분쇄하여 표면 시트 박리를 초래한 결과 열저항(R)값의 감소와 바람 향상 특성의 감소에 대해 의문을 제기했습니다.
수직으로 측정된 지붕 조립품의 적절한 인장 강도 유지는 표면이 바람에 융기 저항하는 것이 중요합니다. Joseph Malpezzi는 500파운드/ft2(23,940Pa)의 수직 인장 값, 완전 접착 시스템은 완전히 접착된 시스템 에적절한 성능을 제공합니다. 그러나 수직 인장강도는 기계적으로 부착되거나 바닥에 물건이 있는 단일 플라이 시스템에 있어서는 중요한 요소가 아닙니다.
이전의 보행량 테스트 방법은 유용한 데이터를 제공하는 데 한계가 있었습니다. Joseph Malpezzi가 사용하는 순환 보행량 테스트 중 하나는 직경 15.24cm 또는 182.29 제곱 인치(182.39cm2)의 표면에 285파운 드(1267.7N), 지붕 단열재의 상단과 접촉합니다. 200사이클 후에, 단열재의 대다수는 손상이 거의 없었습니다. 이 특별한 보행량 시험은 약 10lbf/in2(69.94kPa)의 하중을 발생시키며, 이는 대부분 단열재 제조업 체의 마케팅 자료에 나와 있는 압축 강도보다 훨씬 낮습니다.
Factory Mutual Research Corp(FMRC)는 지붕 조립품을 테스트하기 위해서 200파운드(889.6N)의 하중을 갖는 9인치(22.86cm) 사각 플레이트를 사용합니다. 지붕 조립품은 4회 사이클을 거친 다음 손상 여부를 파악합니다.
PIMA(Polyisocyanurate Insulation Manufacturer’s Association)는 압축 강도가 지붕 단열재에 중요한 품질임을 인식합니다. 2001년 6월 PIMA는 ASTM C165 “단열재의 압축 특성 측정을 위한 테스트 방법”에 따라 테스트 했을 때 경질 우레탄 폼 단열재(보온판) 폴리이소시아누레이트는 일반적으로 압축강도가 16~25psi(110~172kPa)임을 나타냅니다.
3. 조사
지붕 조립품은 다음 세 가지 유형으로 제작되었습니다. 1인치(2.54cm) 목재 섬유, 1인치(2.54cm) 압출법보온판 및 1.5인치(3.81cm)의 경질 우레탄 폼 단열재(보온판) 폴리이소시아누레이트입니다. 단열재의 초기 물리적 특성은 지붕 조립품을 제작하기 전에 측정되었습니다. 이러한 물성에는 두께, 밀도, 압축강도, 수직 인장강도 및 열저항이 포함됩니다.
[단열재의 물성]
[압축 강도시험]
[인장 강도시험]
싱글 플라이 멤브레인과 단열재의 조립을 사용하여, 지붕 조립은 완전히 부착되고 기계적으로 부착된 구성을 사용하여 구성되었습니다. 지붕 조립품은 두 가지 유형의 동적 하중을 받습니다. 모의 시험된 보행량과 우박 충격입니다.
[조립품의 구성]
보행량 측정은 스프링이 장착되어 회전하는 인장 기계를 사용하였습니다. 크기가 10인 뒤꿈치를 부착하였습니다. 뒤꿈치 장치는 지붕 조립품 평면에 15° 각도로 초기에 설정했습니다.
[보행량 시험을 위한 뒤꿈치 설치]
스프링을 늘리기 위해서는 25파운드(111.2N)의 하중이 필요했고, 발뒤꿈치를 회전시켜 분당 40인치 (1,016.0mm)의 속도로 가해지는 200파운드(889.6N)의 하중이 궁극적으로 생성됩니다.
동적 충격 하중은 ASTM D 3746 “역청 루핑시스템의 충격 저항에 대한 표준 시험방법”에 따라 강철 추를 사용하여 수행했습니다. 이 테스트 절차는 5파운드(2.27kg)의 둥근 2인치(5.08cm) 강철 추를 떨어뜨림으로 목표물에 충격이 가해졌습니다. 이 추는 53인치(135cm) 높이에서 떨어뜨려 22파운드(30J)의 충격 에너지를 발생시켰습니다.
[충격시험 및 장치]
생성된 운동 에너지는 2인치(5.08cm)의 우박으로 인한 충격과 동일합니다. ASTM D 3746은 Underwriters Laboratories Inc 및 FMRC에서 사용하는 테스트와 유사합니다. 이러한 절차의 장점은 상대적인 사용 용이 성, 재현성 및 일관된 충격 에너지를 포함합니다.
연구에 따르면 2인치(5.08cm) 강철 추 또는 2인치(5.08cm)의 우박이 떨어지는 충격은 얼음에 충돌하여 절연물에 유사한 톱니 모양이 생기는 것으로 나타났습니다.
동적 하중을 테스트하기 위해 많은 지붕 조립품이 준비되었습니다. 단열재와 지붕 조립체의 열저항 및 수직 인장강도 특성의 변화에 대한 증가분 측정이 기록되었습니다.
4. 보행 하중
증가되는 보행 하중 후, 열저항 값의 측정은 6개의 지붕 조립체 각각에 대해 1, 2 및 3단계로 수행되었습니다. 경질 우레탄 폼 단열재(보온판) 폴리이소시아누레이트 단열 조립체에서 열저항 값이 약간 감소합니다.
비 보강 EPDM에 접착된 3.81cm 경질 우레탄 폼 단열재(보온판)은 평방 피트(0.093m2) 기준으로 열저항 값이 1.64㎡·K/W에서 1.63㎡·K/W로 감소했습니다. 경질우레탄폼단열재(보온판) 위에 기계적으로 부착된 강화된 EPDM은 열저항 값이 1.64㎡·K/W에서 1.63㎡·K/W로 감소했습니다. 경질 우레탄 폼 단열재(보온판) 위에 강화된 TPO는 1.64㎡·K/W에서 1.63㎡·K/W로 열저항 값이 떨어졌습니다.
[보행 하중 후 경질 우레탄 폼 단열재(보온판)에서 열저항 값]
압출법보온판(XPS)와 목재 섬유 단열재로 제작된 조립체는 일반적으로 3회 보행 하중 후 열저항 값을 유지 했습니다.
[보행 하중 후 압출법보온판(XPS) 및 목재 섬유 단열재에서 열저항 값]
3개의 지붕 조립체는 압출법보온판(XPS) 위에 기계적으로 부착된 강화된 EPDM, 비 강화 EPDM에 목재 섬유 부착, 강화된 EPDM 위에 경질 우레탄 폼 단열재(보온판)의 기계적인 부착은 추가적으로 5피트, 10피 트, 15피트 단위로 증가되었습니다. 15단계 이후, 경질 우레탄 폼 단열재(보온판)에 기계적으로 부착하고, 강화된 EPDM은 열저항 값이 1.64㎡·K/W에서 1.62㎡·K/W로 감소했습니다.
[경질 우레탄 폼 단열재(보온판) 위에 기계적으로 부착한 강화된 EPDM 조립체의 열저항 값]
목재 섬유 및 압출법보온판(XPS)의 조립체는 계속적으로 열저항 값을 유지했습니다.
[목재 섬유 및 압출법보온판(XPS) 조립체의 열저항 값]
두 개의 조립체는 목재 섬유와 폴리이소시아누레이트 경질 우레탄 폼 단열재(보온판)에 접착된 비 강화 EPDM이 제작되었습니다. 3단계 하중에 이어서 수직 인장강도에 대한 시험을 수행하였습니다. 목재 섬유 조립체의 결과는 다소 임의적이지만 일반적으로 안정적이고, 목재 섬유 제품의 변화의 결과와 유사합니다.
[보행량 샘플의 인장강도]
5. 충격 하중 ASTM 3746
충격 부하에 이어, 열저항 값의 변화 측정은 6개의 지붕 조립체 각각에 대해 1, 2 및 3회의 충격시험으로 실시하였습니다. 폴리이소시아누레이트 경질 우레탄 폼 단열재(보온판)에 비해 TPO가 강화됨으로써 열저 항 값이 1.64㎡·K/W에서 1.59㎡·K/W로 감소했습니다.
3.81cm 이상의 폴리이소시아누레이트 경질 우레탄 폼 단열재(보온판)에 부착된 비 강화 EPDM은 1.64㎡· K/W에서 1.59㎡·K/W로 감소했습니다.
기계적으로 부착된 EPDM 조립체로 덮인 폴리이소시아누레이트 경질 우레탄 폼 단열재(보온판)은 1.64㎡· K/W에서 1.58㎡·K/W로 감소했습니다.
[발로 충격을 가한 시료의 열저항]
목재 섬유 및 압출법보온판(XPS)으로 제작된 조립체는 일반적으로 세 번의 충격 후에도 열저항 값을 유지 합니다. 열저항을 나타낸 표의 정밀도 및 치우침 계수는 ASTM C518 “열 유량계 장치를 사용하여 정상– 흐름 상태 측정 및 열전달 측정 방법“에 따릅니다. 결과에 영향을 미치는 몇 가지 요인은 단열재 제조, 시험 장치, 시험조건 및 시료준비 기술의 차이일 수 있습니다.
[발로 충격을 가한 시료의 열저항]
목재 섬유와 폴리이소시아누레이트 경질 우레탄 폼 단열재(보온판)에 접착된 비 강화 EPDM으로 두 개의
조립체가 제작되었습니다. 3가지 충격 각각에 따라, 수직 인장강도 시험이 수행되었습니다.
폴리이소시아누레이트 경질 우레탄 폼 단열재(보온판)를 사용한 조립체의 수직 인장강도가 63,698Pa에서
42,699Pa로 감소했습니다. 목재 섬유 단열재는 일반적으로 안정적으로 수직 인장강도를 유지했습니다.
[충격을 받은 샘플의 인장강도]
6. 결론
➀ 압축강도가 높을수록 기계적 하중에 대한 저항력이 커집니다.
➁ 목재 섬유 및 압출법보온판(XPS)는 기계적 하중에 따라 상당히 안정적인 물리적 특성을 제공합니다.
➂ 폴리이소시아누레이트 경질 우레탄 폼 단열재(보온판)는 기계적 하중과 열적 특성 및 수직 인장강도의 감소는 테스트된 다른 유형의 단열재보다 큽니다. 수행된 테스트에서 이 값의 감소는 상대적으로 작으며 지붕 시스템의 전체 성능에 영향을 미치지 않는 것으로 보입니다. 분명히 더 큰 속도와 크기의 충격 하중은 지붕 시스템의 성능을 저하시킬 수 있습니다.
➃ 기계적 손상에 의한 절연 저항은 건축법규에서 고려되어야합니다. 여러 법규는 이제 지붕 멤브레인의 물리적인 요구 사항의 일부로서 내 충격성을 포함합니다.
➄ 기계적 하중은 지붕에 멤브레인으로 덮이지 않은 단열재에 대해 수행하였습니다. 지붕에 멤브레인의 존재는 기계적 손상에 대한 지붕 단열 저항을 향상시킵니다.
➅ 싱글 플라이 멤브레인 내에 보강재의 존재는 어느 정도 보행량 및 충격 저항을 제공합니다. 비 강화 EPDM으로 제작된 조립체는 강화 싱글 플라이 시스템보다 열저항 값이 더 많이 감소했습니다. 완충재는 보행량에 의한 손상을 줄이는 데 도움이 됩니다. 그러나 실제로는 작업자와 유지보수 작업자는 지붕 위를 무작위로 걷습니다.
모든 지붕 단열재는 보행량 및 우박 충격으로부터 어느 정도의 하중을 허용해야합니다. 이러한 바람직한 성능 특성은 지붕 산업의 연구자들에 의해 오랫동안 인식되어 왔습니다. 지붕 시스템의 설치와 주기적인 유지 보수 중 작업자가 지붕 위를 다니는 보행량이 예상됩니다. 상당량의 보행이 예상되는 경우 건축가, 엔지니어 및 소유주는 더 높은 밀도의 도로 완충재의 사용을 고려해야합니다.
지붕 조립체의 복합체에서, 단열재 모체 부분은 높은 열저항을 제공합니다. 본래의 단열 요소가 충분한 압축 강도와 기계적 손상에 대한 저항력이 부족한 경우, 목재 섬유 또는 석고보드와 같은 고밀도 제품의 상부 층은 기계적 손상으로부터 완충제 역할을 제공할 수 있습니다.