7) 열 이동(thermal movement)
금속 지붕이 얼마나 잘 설계되고, 설치되었거나 미적이든 상관없이, 열 이동과 관련하여 적절하게 설치되지 않으면, 성능 저하 및 손상이 빠르게 발생합니다. 중요한 과학적 사실은 잘 알려져 있습니다.
① 가열되면, 재료가 팽창합니다.
② 냉각되면, 재료가 수축합니다.
③ 서로 다른 재료가 서로 다른 비율로 팽창하고 수축합니다.
이러한 과학적 사실을 파악하고, 금속 지붕 설치에 적용하면 금속 지붕을 설치할 때 작업자가 기억해야 하는 몇 가지 중요한 사항이 있습니다.
① 강판이 길어질수록 팽창하고 수축됩니다.
② 동일한 시스템에서 사용되는 서로 다른 지붕 재료는 다르게 팽창하고 수축됩니다.
③ 모든 금속 지붕은 큰 온도 변화를 가집니다. 일반적으로 북부 기후는 남부 기후보다 더 높은 온도 변화를 가집니다.
④ 강판은 열 이동이 가능하도록 한 곳에 “고정(pinned)”되어야 합니다.
완전하고 적절한 열 이동을 허용하는 금속 지붕 강판을 올바르게 설치하려면, 설치 중에 세 가지 요소를 고려해야 합니다. 예상되는 열 이동의 양, 고정 지점 및 장식 설치는 설치 중에 작업자가 수행해야 하는 단계를 결정하는 요소입니다.
(1) 강판이 가지는 열 이동량은 세 가지 요인에 따라 달라집니다.
① 재료(아래 표 참조) ② 강판의 길이(L) ③ 온도 변화(ΔT)
[재료의 열팽창(Ce)]
강판 길이(ΔL)의 실제 변화량은 다음 공식을 사용하여 결정할 수 있습니다.
ΔL = L × ΔT × Ce (Δ의 의미는 변화)
아래 그림은 이 공식과 다른 중요한 고려 사항을 보여줍니다. ΔT(delta “T”)라는 용어는 강판이 가지게 될 온도(T)의 변화(Δ “delta”)를 의미합니다. 이것은 최고 온도에서 최저 온도를 뺀 값(Thigh-Tlow)입니다.
이 온도는 주변 온도 또는 공기 온도가 아니라, 실제로 강판의 실제 표면 온도임을 유의해야 합니다. 실제 지붕 온도는 낮 동안 주변 온도보다 항상 더 높습니다. 최대 최고 온도(Thigh)는 강판의 색상과 태양 흡수 특성에 따라 달라집니다. 밝은 색상과 높은 광택 마감은 어두운 색상과 낮은 광택 마감보다 차가울 것입니다. 여름 태양에 직각으로 낮은 광택을 가진 어두운 색상의 강판은 93℃의 온도에 접근할 수 있습니다!
[일반 지붕 재료의 열 이동]
최대 최저 온도(Tlow)은 특히 금속 지붕 강판에도 영향을 줍니다. 춥고, 겨울 및 야간에서 표면 온도의 극단(Tlow)은 실제로 대기보다 –1~-4℃ 낮아질 수 있습니다. 이것은 복사 에너지의 원리 때문입니다. 하늘을 향한 물체는 밤하늘 쪽으로 열에너지를 방출합니다. 이 에너지 전달이 일어나면 재료는 열을 잃어서 온도가 내려갑니다. 이것은 자동차의 지면이나 지붕 또는 앞 유리에 이슬 또는 서리가 형성되는 것은 동일한 효과입니다. 금속 지붕 위에 120℃에 가까운 ΔT 수치를 초래할 수 있는 것은 이러한 요소의 조합입니다. 추운 기후에서는 37℃의 ΔT를 경험할 수 있습니다!
이 이동량은 지붕의 모든 영역이 동시에 같은 조건을 가지는 것은 아니기 때문에 복잡합니다. 일부 지역은 나무, 굴뚝 및 기타 구조물에 의해 음영 처리되는 반면 다른 지역은 퇴색, 오염 및 이물질로 덮일 수 있습니다.
작업자는 온도 변화에 따라 지붕이 움직이고 설치 중 오류가 발생하면 시스템의 완전성이 위태로워 질 수 있음을 기억해야 합니다. 이러한 오류는 하부 구조물과 정렬이 되지 않은 강판, 직선이 아닌 지붕 설치 또는 강판과 하부 구조물 사이에 과도한 단열일 수 있습니다. 열 이동은 클립을 올바르게 사용하고, 기판에 강판을 올바르게 설치하고, 장식 및 부속품을 부착할 때, 이 열 이동을 허용함으로써 설치 과정에서 해결할 수 있습니다.
(2) 고정점
하나 또는 두 조각의 클립은 아래 그림과 같이 대부분 숨겨진 패스너 설치에 사용되며, 강판의 열 이동을 허용합니다. 이러한 클립은 열 이동 및 직립 이음을 위해 잘 작동하지만, 각 강판에는 추가적인 지원과 지붕 구조에 견고한 부착 지점이 필요합니다.
[열 이동을 위한 은폐된 클립]
이 “고정점”은 중력에 견딜 수 있어야 하며, 모든 지붕에서 발생할 수 있는 “항력 하중(drag loads)”이 필요합니다. 중력은 “강판을 지붕에서 당겨” 뽑으려 하지만, 지붕 강판에는 눈, 얼음, 보행과 같은 항력 하중은 강판을 “아래로 당기거나 미는” 경향이 있습니다. 아래 그림은 지붕 강판의 부적절한 고정 및 고정의 결과를 보여줍니다.
[강판의 부적절한 고정 또는 핀 고정으로 인한 지붕 오류]
항력 하중의 모든 무게는 강판이 고정된 고정점으로 전달됩니다. 세 가지 중요한 요소와 추가 안전 요소가 강판을 고정하는데 필요한 패스너를 결정합니다.
① 지붕 경사(더 가파른 경사 = 더 많은 스트레스)
② 적설 하중(지반 눈이 아닌 설계 하중)
③ 지붕 길이, 용마루에서 처마(길다 = 더 많은 스트레스)
강판을 고정하는데 사용되는 패스너는 종종 수천 kg의 무게를 견뎌야합니다. 강판 고정은 하나 또는 그 이상의 “고정 클립”을 사용하거나 직접 강판에 고정하는 방법을 사용하여 작업할 수 있습니다. 일부 강판 설계의 경우, 고정된 클립을 사용할 수 없으며, 일반적으로 장식이나 후레싱 재료로 덮여진 강판에 기존의 패스너가 사용됩니다.
올바른 패스너를 사용하는 것이 설치 안전과 성공에 중요합니다. 또한 강판은 설계된 올바른 위치에 고정해야 합니다. 강판의 고정은 강판의 가능한 세 위치 용마루, 처마 및 중간 지점 중 하나에서만 수행됩니다. 아래 그림은 세 위치를 보여줍니다.
[강판 고정 위치]
작업자는 이 세 가지 영역 간의 차이점과 설치가 다른 위치에서 고정해야 하는 이유를 이해하는 것이 중요합니다. 가파른 경사 지붕인 경우 고정을 위한 위치는 용마루입니다. 이 위치에서, 노출된 패스너는 용마루 덮개 아래에 숨겨질 수 있으며, 축적된 열 이동은 처마 끝에 있습니다. 대부분 가파른 경사 지붕의 경우, 물 배수는 배수로 및 배수 시스템에 의해 운반됩니다.
반대로 낮은 경사 지붕의 고정 지점은 처마에 있습니다. 이것이 선호되는 주된 이유는 이러한 시스템은 종종 설계상 유체 역학적이며, 움직이는 조인트보다는 고정된 조인트를 방수하는 것이 훨씬 쉽다는 것입니다. 이런 시스템은 “주름진(bellows)” 스타일 용마루 후레싱이 유체 역학적 씰(seal)을 유지하면서 두 개의 대립하는 지붕 강판의 차동 운동을 수용할 수 있으며, 용마루에 열 이동을 축적할 수 있습니다.
이것은 모든 것을 포함하는 것이 아니며, 두 경우 모두 예외가 있습니다. 경우에 따라, 설계상 강판은 중간 지점이 아닌 세 번째 위치에 고정될 수 있습니다. 아래 그림은 중간 지점에서의 고정이 열 이동을 하나가 아닌 양방향으로 전송함으로써 열 이동을 절반으로 나누는 이점을 갖는 방법을 보여줍니다.
[중간 지점에서 고정하면 열 이동이 반으로 감소]
주요 단점은 중간 지점 패스너가 관통식 유형이고, 누출의 가능성이 있으며, 설치 후 정상적으로 보입니다.
(3) 장식 부착
금속 강판 지붕시스템에 대한 고정점을 선택한 다음, 그러한 점이 단수인지 확인하는 것이 중요합니다. 즉, 강판 길이에 따라 다른 지점에서 실수로 고정해서는 안됩니다. 이렇게 하면 실패가 발생할 가능성이 높습니다. 작업자는 간격, 변화 또는 부속품이 지붕 시스템 내에 있을 때마다, 이 개념을 염두에 두어야 합니다. 더 큰 구조물에서는 지붕 팽창 조인트가 건물 구송 요소의 응력과 이동의 영향을 최소화하는데 사용됩니다. 이 응력의 영향은 분할, 좌굴 및 융기로 지붕 시스템에 손상을 줄 가능성이 있습니다.
지붕 조립에서 팽창 조인트는 다른 위치에서 필요할 수 있지만, 건물 구조 팽창 조인트와 같은 위치에 있어야 합니다. 새로운 건축물의 경우, 건물 움직임, 팽창 조인트 배치 및 설계 세부 사항을 설명하는 것은 설계자의 책임입니다. 아래에 그림은 몇 가지 팽창 조인트 사례가 있습니다. 올바르게 설치하는 것은 설치자의 책임입니다.
[팽창 조인트의 예]
이전 8장 일반적인 지붕 부속품에서 언급했듯이, 일부 구조 상세 또는 지붕 부속품 장착이 이 특성을 유지하지 못하기 때문에 지붕 시스템의 열 이동 완전성이 위배되는 경우가 있습니다. 아래 그림은 부속품이 작업자 부주의로 강판을 기판에 고정시킨 사례와 이 우발적인 고정을 피하여 설치하는 사례를 보여줍니다.
[부속품 주위 고정]
설계 및 시공시 고정점은 작업자가 주의 깊게 검사해야 합니다. 예를 들어, 처마널이 부서진 부분은 부서진 지점에서 강판을 고정시킵니다. 반대쪽 끝에서 다시 고정하면 이중 고정이 됩니다. 종종 강판의 우발적인 이중 핀 고정은 다른 작업, 심지어 건축주 또는 유지 보수 담당자에 의해서도 발생할 수 있습니다. 지붕 강판의 초기 설치 후에도 발생할 수 있습니다.