7) 디테일 4: 벽돌 상인방 열적 개선: 재료 분리
이 상태에는 외벽의 개구부 위의 석조 구조물을 구조적으로 지지하는 등 다양한 변형이 있습니다. 앵글 디테일 세부 사항과 유사하게, 일반적인 관행은 외부 와이어를 지지하기 위해 단열재 평면 전체에 연속적인 구조 스틸을 유지하는 것입니다. 최근에는 창틀의 열 차단을 포함하여 창의 에너지효율을 향상시키는 데 많은 관심이 집중되고 있습니다. 창 개구부의 헤드를 가로질러 연속적으로 작동하는 강판은 고성능 창 시스템의 에너지 효율성 목표와 일치하지 않습니다.
완화되지 않은 열교 디테일은 개구부를 가로질러 위쪽 벽돌의 수직 하중을 전달하는 한 쌍의 5/16인치 두께의 연속 스틸 앵글입니다. 대체 세부 사항에는 여러 앵글 사이에 1½인치 두께의 나무 조각인 지속적인 열 분리가 포함됩니다. 이는 수백 배 더 단열성이 높은 층으로 내부 공간과 외부 공간 사이의 스틸 열교를 방해합니다(R-우드는 R-스틸의 약 400배).
외부 철골 구조를 내부와 분리하는 전략은 다양한 형태를 취할 수 있습니다. 일반적으로 건물의 단열 평면 외부에 대체 구조 하중 경로를 생성하는 작업이 포함됩니다. 수직 지지대는 이 예에서와 같이 외부 석조 구조물 형태이거나 작은 외부 수직 스틸 기둥 형태일 수 있습니다. 이는 건물 외부 벽에 인접한 기둥을 사용하여 캐노피와 발코니를 사용하여 수행할 수도 있습니다. 경우에 따라 외부 구조는 스테인리스강 타이 또는 개별 보강 요소를 사용하여 주요 건물 내부 구조에 다시 고정되어야 합니다.
◎ 대체 세부 정보를 사용하여 실현된 연간 잠재적 에너지절감: 시카고: $39(0.33% 절감), 피닉스: $43(0.20%)
◎ 표준 상세에서 대체 상세까지의 에너지 개선율: 시카고 26%, 피닉스: 27%
◎ 모델 구조에 대한 대체 세부 사항의 예상 증분 비용: 추가 비용 $28,000(98%)
이 경우 연간 에너지절감은 미미하며 제안된 세부 사항에 대한 상당한 추가 비용을 정당화하지 못합니다.
대체 개선 사항:
◎ 내부 상인방 요소와 외부 상인방 요소 사이에 절연 심(예: FRP)을 사용합니다.
◎ 석조 상인방을 사용합니다.
◎ 자체 제작한 FRP 상인방 시스템을 사용합니다.
8) 디테일 5: 캔틸레버 지붕 캐노피 빔 열 개선: 제조된 구조적 열 차단 조립
건물의 표면에서 확장되는 캔틸레버링 요소는 건축가의 비전을 수용하기 위한 구조용 스틸의 다양성을 나타냅니다. 가장 일반적인 조건은 입구 캐노피와 발코니 프레임입니다. 일부 건물에서는 스틸 빔이 미적 목적으로 건물 밖으로 확장됩니다. 다른 것들은 수직 기계적 요소 또는 다른 구조적 목적의 지지는 캔틸레버링 스틸 빔을 필요로 합니다.
완화되지 않은 열교 디테일은 지붕 캐노피의 지지를 위한 캔틸레버 빔을 나타냅니다. 빔은 중앙에 6피트 간격으로 배치된 HSS 4*3*¼이며, 벽 단열재의 내부 측면에 있는 스틸 튜브 강 스팬드럴 빔에 견고하게 연결되어 있습니다. 대체 디테일은 MSTBA(Manufactured Structural Thermal Break Assemble)가 포함된 조건과 동일합니다.
MSTBA(Manufactured Structural Thermal Break Assemble)는 열 전달을 최소화하면서 축방향, 전단 및 굴곡 응력을 전달하는 능력을 갖춘 독점 연결 요소입니다. 그들의 구조적 및 열적 특성은 제조업체에 의해 수집됩니다. 프로젝트 요건에 따라 MSTBA는 프로젝트의 구조 기술자가 성능 항목으로 지정할 수 있으며, 이러한 보조 구조 구성 요소의 구조적 적합성에 대한 책임은 제조업체 기술자에게 위임됩니다.
이러한 시스템의 대부분 또는 전부가 현재 유럽에서 설계 및 제작되고 있지만 미국에서는 쉽게 구입할 수 있습니다. 주요 제조업체에는 다양한 선택이 있으며 MSRBA는 거의 모든 특정 적용의 요구 사항을 충족하도록 사용자를 지정할 수 있습니다. 이 시스템은 수년 동안 세계의 다른 지역에서 성공적으로 사용되었습니다. 대체 방법은 타사 제조 조립 공급업체를 도입하고 연구를 수행했으며 조립의 구조적 무결성이 충분히 평가된 경우에만 권장됩니다.
◎ 대체 세부 정보 활용을 통한 연간 에너지절감 가능성: 시카고 $1.30(0.01% 절감), 피닉스: $1.60(0.01%)
◎ 표준 세부 정보에서 대체 세부 정보로 에너지 개선 백분율: 시카고 27%, 피닉스: 30%
◎ 모델 구조에 대한 대체 세부 정보의 예상 증분 비용: $6,300(137%) 추가 비용
이 경우 연간 에너지절감은 최소이며 제안된 세부 사항의 추가 비용을 정당화하지 못합니다.
대체 개선 사항:
◎ 작은 면적 스테인리스강 캔틸레버 지지대 최소 개수 사용
◎ 세부 사항을 수정하여 일부 외부 지지를 제공함으로써 건물 외피를 통과하는 데 필요한 스틸 단면적을 줄입니다.
◎ 세부 정보를 수정하여 완벽한 외부 지원 제공
9) 가정, 제한 사항 및 기타 전략
이러한 결과는 해당 유형의 모든 세부 사항을 대표하는 것으로 간주되어서는 안 됩니다. 또한 에너지 손실을 최소화하기 위해 “대체” 세부 사항에 사용된 전략을 이 매우 제한된 연구를 기반으로 평가해서는 안 됩니다. 오히려 각 세부 사항은 상당히 합리적인 열교 조건을 모델링하기 위한 것이며 대체 세부 사항은 열교 감소를 제공하는 한 가지 방법입니다. 실제 조건에서 에너지 손실은 어느 방향에서나 상당히 다를 수 있습니다. 예를 들어, 5/8인치 두께의 연속 스틸은 디테일 3 조건보다 건물 외피를 통해 훨씬 더 많은 에너지를 전달합니다.
구조적 세부 사항에 대한 U-값은 2차원 소프트웨어인 THERM을 사용하여 계산되었습니다. 이런 경우 이러한 조립품에는 상호 작용을 높은 정확도로 모델링할 수 없는 간헐적인 3차원 부재가 포함되어 있습니다. 연구의 목표는 세부 사항의 상대적 성능을 측정하고 개선된 세부 사항과 관련된 대략적인 에너지절감 효과를 계산하는 것이므로 이러한 세부 사항에 대한 단순화는 허용 가능한 것으로 간주됩니다. 이 주제를 더 깊이 탐구함에 따라 훨씬 더 정확한 결과를 얻으려면 이러한 종류의 세부 사항에 대한 3차원 모델링을 권장합니다.
각 세부 사항과 함께 위에 언급된 모든 초기 조립 비용은 대략적인 것입니다. 자재 가용성, 지역성 및 현재 건설 동향은 모두 모든 구조의 다양한 자재 및 노동 요소에 직접적인 영향을 미칩니다. 건설 팀의 모든 당사자와 함께 각 세부 사항을 조기에 조사하여 세부 사항을 구현하는 데 드는 실제 비용을 가장 잘 예상하는 것이 좋습니다. 또한 이는 이 문서의 목적만을 위해 개발된 도식적이고 대표적인 세부 정보입니다.
실제 건물 프로젝트에 사용되는 모든 구조적 세부 사항은 구조적 강도, 처짐 및 기타 사용 가능성 요구 사항이 충족되도록 구조 기술자가 신중하게 설계해야 합니다. AISC에서는 이러한 세부 사항과 기타 열교 문제에 대한 추가 연구가 진행 중입니다.
10) 기타 열교 문제
이 모델에서 고려 중인 건물에는 스틸 열교로 인해 발생하는 모든 잠재적인 열 전달원이 포함되어 있지 않습니다. 예를 들어 조정된 건물 구조를 지지하기 위해 확장되는 외부 스틸 기둥은 개입이 구현되지 않으면 열교를 나타냅니다. 이것이 단일 기중이라면 그 효과는 연속적이거나 반복적인 조건만큼 크지는 않지만 잠재적인 건물 에너지 손실의 위치를 나타냅니다. 이러한 상태를 해결하는 방법은 다음과 같습니다.
◎ 건물의 주 단열재 평면까지 단열재로 기둥을 감싸고 기초 단열재(있는 경우)까지 아래로 단열재를 감싸서 조절된 공간에서 기둥을 효과적으로 둘러쌉니다. 스틸 부재에 방화 기능이 필요한 건물에서 방화 도장의 단열 특성은 열 손실을 줄이는 단열 담요 역할을 합니다.
◎ 열 저항성 재질의 베어링 패드를 사용하거나 MSTBA를 사용하여 기둥 상단에 열 차단 장치를 만듭니다.
열교를 통해 열 손실을 줄이는 또 다른 방법은 단열 건물 외피 내부에 외부로 뻗어 있는 스틸 빔이나 기둥을 감싸는 것입니다. 스틸의 열 전도성으로 인해 상당한 효과를 얻으려면 단열재가 건물 안으로 몇 피트까지 확장되어야 할 수 있습니다. 방화 도장은 이러한 단열 특성을 제공하는 데 도움이 될 수 있습니다.
일반적으로 캔틸레버 빔에 적합하지 않은 한 가지 해결책은 캔틸레버를 절단하고 각 측면에 스틸 끝판을 추가한 다음 끝판 사이에 끼워진 스테인리스강판을 볼트로 고정하는 것입니다. 이것이 구조적으로 작동할 수 있도록 설계할 수 있지만, 실제로 열 효과는 전혀 개입하지 않는 것보다 더 나쁠 수 있습니다. 즉 “개선된” 연결은 파손되지 않은 캔틸레버보다 빔을 통해 더 많은 열지 전달되도록 할 수 있습니다. 이는 플레이트가 스틸 빔의 단면적에 비해 훨씬 큰 면적을 가지며, 효율적인 열 수집 및 소산 역할을 하기 때문입니다.
이 자료에 제시된 예는 스틸 프레임 시스템이 구조적으로나 열적으로 어떻게 작동할 수 있는지 보여주는 예입니다. 이러한 예와 유사하지 않을 수 있는 다른 구조적 조건이 있습니다. 이러한 경우 열교를 줄이기 위해 설명된 광범위한 방법이 이러한 상황을 해결하기 위한 기초가 될 수 있기를 바랍니다.
7. 교훈
그러면 이러한 결과에서 도출될 수 있는 결론은 무엇입니까? 우선 지붕 가장자리 앵글, 벽돌 선반 및 상인방과 같은 연속 조건은 지붕을 통과하는 기둥 및 벽을 통과하는 개별 스틸 빔 돌출과 같은 개별 조건보다 스틸 열교로 인해 훨씬 더 높은 잠재적 에너지 손실을 나타냅니다. 둘째, 열교로 인한 추운 기후의 난방 에너지 손실과 따뜻한 기후의 냉방 에너지 손실 크기는 일반적으로 동일한 범위에 있습니다. 그러나 난방 및 냉방 시스템의 상대적 효율성은 다르며 에너지 비용은 지리적으로 다를 수 있습니다. 이는 위에 표시된 것처럼 서로 다른 기후 위치 간에 훨씬 더 넓은 범위의 에너지 영향을 일으킬 수 있습니다.
또한 열교 완화로 인해 절약된 에너지양의 모든 조건에서 연간 기준으로 중요하지 않을 수 있지만 건물 수명 동안 지속적인 지출을 나타냅니다. 에너지 비용 절감 및 증분 증폭 건축 비용을 포함한 현재 가치 분석만으로 실제 절감액을 정확하게 평가할 수 있습니다.
마지막으로 이 자료는 스틸의 열교에 중점을 두지만, 열교는 연결되는 단열재보다 열 전도성이 더 높은 모든 재료를 통해 발생한다는 점을 명심해야 합니다. 예를 들어, 콘크리트 캐노피와 발코니는 건물 에너지 손실의 원인이 될 수 있습니다. 스틸만큼 전도성은 아니지만 캔틸레버 슬래브의 단면적은 캔틸레버 스틸 빔의 구조적으로 동일한 면적보다 훨씬 큽니다. 또한 콘크리트 캔틸레버 슬래브의 철근은 열전달을 크게 증가시킵니다.
오늘날 시장에서는 건설 및 운영 건물 비용을 줄이는 것이 그 어느 때보다 중요합니다. 형상화된 에너지를 줄이고 장기적인 에너지 절약을 위한 구조를 설계하기 위한 협업 환경에서 작업함으로써 구조 엔지니어는 프로젝트팀의 귀중한 구성원으로서 고성능의 비용 효율적 스틸 프레임 건물을 만드는 데 도움을 줄 수 있습니다.