출처: https://citeseerx.ist.psu.edu/viewdoc/download?doi=10.1.1.943.8009&rep=rep1&type=pdf
5. 독립적 내부 방화벽
1) 실용적인 설계(Parctical Design)
수직 방향 샌드위치패널에 대한 실용적인 샌드위치패널 상부 마감은 아래 그림에 나와있습니다. 스틸 앵글은 지붕(또는 지붕 아랫면)에 단단히 고정되어 있습니다. 수직 앵글에는 일반적인 사용에서 지붕 또는 바닥 구조가 샌드위치패널 상단을 기준으로 위/아래로 움직일 수 있는 슬롯 구멍이 있습니다. 이러한 움직임은 큰 지붕의 스팬에서 활하중 및 열팽창 효과의 변화로 인해 발생할 수 있습니다. 화재시 샌드위치패널 면은 슬롯 하단에 의해 고정이 제한되고 박리된 면이 커튼처럼 매달릴 때까지 아래로 미끌어집니다. 이 움직임은 샌드위치패널이 박리 후 약간의 느슨함을 제공하고 케이블 힘을 감소시키기 때문에 풍압을 받는 경우에 유용합니다.
[적절한 샌드위치패널 상단 마감]
따라서 암면 화재 정지는 정상적인 사용에서 반복적인 압축을 수용할 수 있도록 충분히 탄력적이고 유연해야하며, 또한 중요한 것은 표면이 공백을 남기지 않고 화재 상태에서 떨어질 틈을 메워야 합니다. 샌드위치패널이 아래 그림과 같이 풍압을 받는 경우, 스틸 앵글 또한 수평 전단력을 견뎌야합니다. 화재로 보호되지 않는 한, 화재에 노출된 스틸 앵글은 온도가 상승하므로 노출된 상태로 두면 강도가 감소할 수 있습니다. 화재에 노출되지 않은 스틸 앵글은 샌드위치패널이 표준 IS0 834 내화성 테스트에서 노출되지 않은 표면 온도에 대한 기준을 충족하는 경우, 온도 상승이 150℃를 초과할 수 없기 때문에 실내 온도 강도를 유지합니다.
건물의 화재 공격 방향은 일반적으로 알 수 없기 때문에 각 면의 체결 강도는 관련 사하중 및 관련 온도에 대해 확인해야하며 보다 부담스러운 조건이 충족되어야합니다.
[개방된 문이나 셔터를 통해 방화벽에 작용하는 바람]
2) 사하중(Dead Loading)
내부 방화벽에 작용하는 하중은 벽의 사하중이 될 것이며, 경우에 따라 풍하중이 될 수도 있습니다. 이러한 하중 작업은 이제 설명됩니다. 샌드위치패널이 수직으로 방향이라고 가정합니다. 방화벽을 형성하는 독립형 샌드위치패널의 안정성은 필요한 내화성이 있는 지붕 빔에 상단 샌드위치패널의 두 강철 면을 부착하여 달성됩니다. 화재시 샌드위치패널은 표면이 코어에서 박리되고, 샌드위치패널 면이 커튼처럼 상단에 매달려 있을 때 굴곡 강도를 잃습니다.
이 상태에서 풍압이 없을 때, 화재에 노출된 면은 해당면과 관련된 사하중만 전달하지만 코어가 부착된 상태로 남아있는 화재에 노출되지 않은 면은 해당면과 코어의 사하중을 가집니다. 높이 12m, 폭 1m, 두께 0.7mm의 강판 면에 대해 사하중은 다음과 같이 구합니다.
① 부피: 12000×1000×0.7=8.4×10⁶mm³
② 강판의 밀도: 7850×1000⁻³kg/mm³
③ 질량: 부피×밀도
④ 따라서 질량은 65.95kg
⑤ 12m 스팬에 대한 사하중: 65.94×9.81N/m=646N(표면의 폭 m당).
마찬가지로, 밀도가 135kg/m³인 암면의 12m×1m×150mm 두께 코어에 대한 사하중은 면 폭 1m당 2383N입니다.(암면의 두께와 밀도는 최대 내화성 테스트의 단열 기준을 충족할 수 있습니다. 4시간이며 실제로 충족될 수 있는 가장 큰 코어 사하중을 나타냅니다.) 이 예에서, 노출되지 않은 강판 표면의 상단에 있는 체결 장치는 주변 조건에서 폭 m 당 3029N(즉, 646N/m+2383N/m)의 총 사하중을 견뎌야 합니다.
화재에 노출된 면의 체결 장치는 폭당 646N만 견딜 필요가 있지만, 화재가 진행되고 체결 장치가 고온에 도달하고 강도가 떨어지면 부담이 될 수 있습니다. 화재 공격의 방향을 대부분의 프로젝트에서 알 수 없기 때문에, 최악의 사하중 조건을 양쪽면에서 모두 충족해야합니다.
3) 풍하중(Wind Loading)
내부 반화벽(상기 그림)으로 세분화된 구획화된 건물의 외부 벽에 있는 큰(지배적인) 개구부에 불어 오는 바람의 영향은 외부 벽에 작용하는 것보다 규모가 작지만 때때로 내부 벽이 풍압의 영향을 받기 때문에 고려할 필요가 있습니다. 샌드위치패널 방화벽의 실내 온도 설계는 풍압의 영향을 허용할 수 있지만, 화재 요구와 동시에 작용할 때 바람에 의해 부과되는 힘을 고려할 필요가 있습니다.
이러한 고려 사항에 함축적으로는 화재와 동시에 강풍이 발생할 확률, 바람이 부담스러운 방향으로 불어 올 확률, 화재 당시 대형 문이나 셔터가 열릴 확률입니다. 화재 공학 접근 방식에서 한 가지 전략은 화재 감지시 문이나 셔터를 자동으로 닫아 어려움을 피할 수 있도록 하는 것입니다. 주변 온도 설계에서 샌드위치패널은 복합 굴곡 부재로 작동하며, 그러나 불이 났을 때 두 샌드위치패널 면은 상단 가장자리에 매달린 커튼 역할을 합니다. 풍압으로 인해 박리된 샌드위치패널 면이 수직 케이블 역할을 하게 되며, 이는 샌드위치패널 상단의 사하중 영향에 추가되어 샌드위치패널 상단의 기계적 체결 장치가 더 큰 힘을 견딜 수 있게합니다.
아래 계산은 중첩 원리가 적용되는 것으로 가정합니다– 즉, 풍압에 의해 생성된 케이블 힘을 단순히 사하중에 추가할 수 있습니다. 풍력을 계산하기 위해, 기본 풍속이 먼저 선택되고, 설계 풍속이 결정되고 이에 따라 해당 동적 압력이 결정됩니다. 이것은 국가표준에서 다루어집니다. 영국에서는 풍하중에 대한 지침이 BS 6399 Part 2에 나와 있습니다.
아래 그림을 참조하면, 힘 P1은 박리된 면이 커튼처럼 매달려 있다고 가정할 때, 사하중만 지탱하는 데 필요한 힘입니다. 사하중과 바람에 의한 케이블의 작용 아래에서 샌드위치패널 표면의 상단을 제한하는 힘 P2가 P1보다 클 것이 분명합니다. 샌드위치패널 하단에 있는 힘 P3는 전적으로 케이블 힘입니다. 실제 설계에서는 반력 R에서 발생하는 전단력도 고려해야 합니다. 주요 목표는 위의 지지 바닥 또는 지붕 구조로 전달되는 최대 힘 P3를 계산하는 것입니다.
[샌드위치패널 지지력에 대한 풍압의 영향]
4) 풍압을 고려한 샌드위치패널 지지력 계산의 예
① 계산은 단 하나의 강판 면에 작용하는 힘으로 제한됩니다.
② 샌드위치패널 높이(길이): 12m
③ 샌드위치패널 폭: 1m
④ 기본 풍속: 50m/s
⑤ 설계된 풍속: 44m/s(와부 바람이 불어오는 면에 작용하는 1.20kN/m²의 동적 압력 제공)
⑥ 방화 구획의 내부 압력 계수: 0.2
⑦ 화재 발생시 건물의 바람이 불어오는 면의 외벽에 큰 구멍이 있음
⑧ 중간 스팬 샌드위치패널 편향 D=0.30m. 이 값은 방정식 (3)에서 결정되며, 이 예에서는 길이가 12m인 100℃의 강판 표면의 온도 상승에 해당합니다.
주의: 실제 설계에서는 노출되지 않은 강판 표면이 얻을 수 있는 가장 작은 온도 상승에 대해 D를 계산(온도 상승이 작을수록, 편향이 작을수록 그리고 케이블 힘이 크면 클수록)해야 하며, 적어도 두 개의 온도 상승을 고려하는 것이 좋습니다.
첫 번째는 박리시 강판 표면 온도의 상승이어야 하며, 샌드위치패널 구조의 시편에 대한 화재 테스트 데이터에서 얻은 것입니다. 만일 이 온도의 상승이, 100℃이면 식(3)에서 D는 다음 계산 예와 같이 0.30m가 됩니다.
두 번째는 ISO 834 표준 내화성 테스트에서 노출된 단열 기준을 초과하지 않는 데 필요한 온도 상승이어야합니다. 즉, 테스트 중에 노출되지 않은 면의 평균 온도 상승이 150℃를 초과하지 않아야 하며, 이 경우 D는 335mm가 됩니다.
5) 계산
샌드위치패널의 총 풍력 = 압력계수 × 샌드위치패널 면적 × 동적 압력
= 0.2 × 12 × 1 × 1.2 = 2.88kN
단위 면적당 풍력 = 2.88/1.2 = 0.24kN/m²
방정식 (1)에서 D=0.30m일 때, 이 예에서 케이블을 지지하는 데 필요한 끝 체결력은 다음과 같습니다.
H = 0.24×12²/8×0.3 = 14.40kN
이전에 사하중 계산에서 강판 면 12m×1m×0.7mm의 사하중은 0.646kN입니다. 이 부하는 14.4kN의 바람에 의한 케이블 힘에 비해 작습니다. 따라서 샌드위치패널 상단의 기계적 체결 장치를 통해 전달되는 총 힘은 하나의 강판 면에 대해 15.064kN(즉, 0.646kN+14.40kN)입니다. 모든 바람의 힘을 전달하는 것은 비노출 강판 면이고, 이 면은 코어가 결합되어 있기 때문에, 상단에 전달될 총 힘에 대한 보다 현실적인 평가에는 코어의 사하중이 포함되어야 합니다.
코어가 150mm 두께의 암면(예상 가능한 최대값)인 경우, 관련 사하중은 2.383kN(사하중 하에 앞에 나타낸 것)이며, 이 예에서 상단에서 전달되는 총 하중은 17.43kN이 됩니다. 이 힘은 사하중만으로 인한 힘과 비교할 때 매우 큽니다.
6) 적설 하중(Snow Loading)
화재는 우발적 한계 상태이며 많은 국가에서 화재와 동시에 눈이 동시에 발생하기 어렵기 때문에 전체 적설 하중을 전달하는 데 필요한 지붕 구조의 강도 비축은 화재 상태에서 샌드위치패널 사하중을 전달하는 데 활용될 수 있습니다. 따라서 박리된 샌드위치패널의 사하중을 전달하기 위해 지붕 구조의 강도를 증가시킬 필요가 없습니다.
6. 결론
샌드위치패널에는 많은 장점이 있습니다. 그러나 화재로 인해 조기 불안정 및 붕괴가 발생하지 않도록 주의해야합니다. 샌드위치패널의 안정성을 유지하는 실제적인 방법이 설명되었으며, 화재로 인해 강판 표면이 코어에서 박리될 때 천장 샌드위치패널에서 발생하는 케이블 힘을 계산하기 위한 이론이 개발되었습니다.
천장 위에서 화재에 노출되면 큰 케이블 힘이 발생하며, 천장 공극의 화재가 천장 아래로 내려가는 등 사람 눈에 띄지 않게 될 수 있으며, 예상치 못한 붕괴로 인해 생명에 위험이 발생할 수 있으므로 불행한 일입니다. 화재와 동시에 발생하는 풍압에 영향을 받을 때, 내부 방화벽에서 케이블 힘을 고려해야 할 수도 있습니다. 화재 조건 하에서 작용하는 사하중과 케이블 힘을 유도하기 위한 계산 예가 제시되었습니다.
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