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KDS 41 80 20 유리구조 설계기준
1. 일반사항
1.1 목적
- 건축구조물에 적용되는 유리구조의 안전성, 사용성, 내구성 확보를 위해 일반적인 요구사항과 설계 방법을 규정합니다.
1.2 적용범위
- 건축구조물 내외부에 설치된 유리구조에 적용되며, KDS 41 12 00에서 규정한 건축구조물의 구조설계에 적용되는 설계하중이 작용하는 유리구조의 안전성 확보를 위한 재료, 설계기준, 시공품질 및 시험방법을 규정합니다.
1.3 참고 기준
- 관련 법규: 해당 없음
- 관련 기준:
- KDS 41 10 10 건축구조기준 검사 및 검증
- KDS 41 12 00 건축물 설계하중
- KS L 2002 강화유리
- KS L 2003 복층유리
- KS L 2004 접합유리
- KS L 2006 망 판유리 및 선 판유리
- KS L 2012 플로트 판유리 및 마판 유리
- KS L 2015 배강도 유리
- KS L 2017 저방사유리
- KS L 2504 유리 연화점 시험방법
- KS L 2401 빔 굽힘을 이용한 서랭점 및 스트레인점 시험방법
- ASTM E 283 외부창, 커튼월, 출입문을 통한 시료내 압력차 측정 표준시험방법
- ASTM E 331 균일한 정압차에 의한 외부창, 천창, 문 및 커튼월의 수분 침투 시험방법
- AAMA 501.1 동적 압력을 이용한 창문, 커튼월 및 문의 투수 시험방법
- AAMA 501.4 지진과 바람에 의한 층간 표류에 따른 커튼월 및 매장 앞 시스템의 평가를 위한 권장 정적 시험 방법
- AAMA 501.5 외벽의 열순환 시험방법
- ASTM E 2099 외벽시스템의 시공전 실험실 모형설계 및 평가 표준실무
1.4 용어의 정의
- 유리: 규사, 소다회, 탄산석회 등의 혼합물을 고온에서 녹인 후 냉각화 과정에서 결정화가 이루어지지 않은 투명도가 높은 고체
- 비강화유리: 열처리나 추가 보강하지 않은 유리
- 배강도유리(반강화유리): 성형유리를 연화점 이하 온도로 가열한 후 찬공기를 약하게 불어 냉각한 유리로 표면응력 측정값이 20-60 MPa을 유지함
- 강화유리: 일반성형유리를 연화점 이상으로 가열한 상태에서 원하는 형상으로 변형한 후 압축공기로 급랭처리하여 일반유리에 비해 내충격강도를 높인 유리로 성능과 품질은 KS L 2002 규격에 따른 유리
- 접합유리: 비강화유리, 배강도유리, 강화유리를 이용하여 2장 이상 유리사이에 PVB 포일이나 아크릴 등의 레진을 삽입하여 유리에 부착한 유리
- 복층유리: 단열 및 차음성능 향상을 위해 2개 이상 유리판을 판사이 간격을 두어 테두리구조로 제작한 단위 유리구조
- 망입유리: 규산염유리 내부에 철망을 삽입하여 화재시 유리가 파손되어도 유리파편의 비산을 최소화한 유리
- 내열유리: 일반유리에 비해 구조적으로 단단한 경질유리로 내열강화유리, 저팽창방화유리, 내열결정화 유리가 있다.
- 저방사유리(로이유리): 시설물 에너지 누출을 저감하기 위하여 태양의 적외선의 반사 및 실내 온도 방출을 저감시킨 유리
- 서랭점: 유리의 점도가 10^12.4 Pa・s에 해당되는 온도로서, 제품의 변형이 생기지 않으면서 내부 열응력을 해소시키는 최고온도
- 연화점: 유리가 연화하기 시작하는 온도로서, 이 온도에서 유리의 점도는 10^6.6 Pa・s
- 테두리구조: 유리판을 지지하는 강재 및 알루미늄 테두리 프레임 구조
1.5 기호의 정의
- A: 단면적
- L: 단변길이 또는 2변 단순지지에서 지지점 간격
- b: 유리판 단면의 폭
- t: 유리판의 너비
- w: 최소 실란트 접착너비
- ws: 백킹바와 접합된 복층유리의 실란트 최소너비
- E: 유리판의 탄성계수
- e: 편심거리
- G: 접합유리 및 복층유리에서 중간막 재료의 전단탄성계수
- I: 단면2차모멘트, Ii: 접합유리 또는 복층유리에서 각 유리판의 단면2차모멘트
- Ie: 접합유리에서 등가 단면2차모멘트
- ki: 접합유리에서 검토할 유리판의 하중분담계수
- l: 좌굴길이
- a: 각형 유리창의 단변길이
- M: 모멘트
- P: 축하중
- Pc: 좌굴하중
- n: 접합유리에서 유리판의 총 개수
- p: 설계압력 또는 유리창에 작용하는 허용풍압
- po: 바깥 유리창에 작용하는 허용풍압
- f: 허용부착강도
- ti: 유리판의 최소두께, ti: 접합유리 또는 복층유리에서 각 유리판의 두께
- te: 접합유리의 등가 두께
- tmin: 접합유리에서 각 유리판의 최소두께 또는 접합유리 및 복층유리에서 중간막의 두께
- t: 접합유리에서 검토할 유리판의 최소두께
- Z: 단면계수
- δ: 유리판 중앙부 처짐 또는 중앙부 초기처짐
- δm: 유리판 중앙부 최대처짐,
- yi: 접합유리 또는 복층유리에서 전단면의 도심으로부터 각 유리판의 도심까지의 거리
- α: 접합유리에서 합성작용의 정도
- αt: 접합유리에서 휨실험으로 증명한 합성작용의 정도
- σc: 최대압축응력
1.6 해석과 설계원칙
1.6.1 설계 검토사항
- 구조의 전반적인 구조안정성
- 유리판에 작용하는 설계하중과 테두리구조의 변형으로 야기되는 파괴에 대한 충분한 강도확보
- 유리구조의 연쇄붕괴방지 및 저감을 위한 안전확보
- 사용성
- 수밀성능 및 기밀성능
- 내구성
- 품질 보장
- 유지관리
1.6.2 설계 방법
- 유리판의 설계강도와 테두리구조의 구조안전성을 확인해야 하며 처짐제한, 진동 등의 사용성을 확보하여야 한다.
1.6.2.1 극한상태
- 강도와 구조안정성: 유리구조의 재료파괴 및 구조적 안정성을 유지하지 못하는 상태
- 연쇄붕괴: 유리구조의 부분적인 파괴가 인접한 유리구조에 영향을 주어 연쇄적인 파괴로 발전하지 않아야 한다.
1.6.2.2 사용성 한계
- 처짐: 유리판 및 테두리구조 부재의 변형을 고려하여 성능저해 여부를 확인하여야 한다.
- 진동: 사용자 또는 하중으로 발생하는 진동이 과도한 경우 진동저감조치가 필요하다.
2. 조사 및 계획
- 해당 없음
3. 재료
3.1 유리의 설계강도
3.1.1 품질 및 규격
- 유리구조의 품질은 산업규격에 정하는 기준을 만족하여야 한다.
- 유리구조 설계에 사용되는 유리는 비강화유리, 배강도유리, 강화유리 등을 포함한다.
3.1.2 비강화유리, 배강도유리, 강화유리
- 비강화유리의 재료 물성 값은 표 3.1-1을 따른다.
| 항목 | 물성값 |
|—|—|
| 압축강도 | 5000 ~ 8000 N/mm2 |
| 인장강도 | 45 N/mm2 |
| 탄성계수 | 7×10^4 N/mm2 |
| 푸아송비 | 0.22 |
| 모스경도 | 6 |
| 선팽창율 | 9 ~ 10 × 10^-6 /℃ |
| 연화온도 | 650 ~ 700 ℃ |
| 열전도율 | 0.68 Kcal/mh℃ |
| 비중 | 2.5 |
3.1.2.1 설계강도
- 유리종류에 따라 표 3.1-2의 설계기준강도를 확보하여야 하며 하중지속시간을 고려한 강도저감계수와 유리표면상태를 고려한 강도저감계수를 적용하여 설계강도를 산정하여야 한다.
- 하중지속시간을 고려한 강도저감계수는 표 3.1-3에 따른다.
- 3초 이하의 하중은 단기하중
- 3초 이상 1일 이내는 중기하중
- 1일 이상은 장기하중
- 유리표면처리를 고려한 강도저감계수는 표 3.1-4에 따른다.
| 유리종류 | 설계기준강도 (N/mm2) |
|—|—|
| 비강화유리 | 20.0 |
| 배강도유리 | 40.0 |
| 강화유리 | 80.0 |
| 유리종류 | 강도저감계수 |
|—|—|
| 단기하중 | 중기하중 | 장기하중 |
| 비강화유리 | 1.0 | 0.53 | 0.29 |
| 배강도유리 | 1.0 | 0.73 | 0.53 |
| 강화유리 | 1.0 | 0.81 | 0.66 |
| 유리표면상태 | 강도저감계수 |
|—|—|
| 일반 | 1.0 |
| 세라믹처리 또는 에나멜처리 | 0.625 |
| 요철처리 | 0.5 |
3.1.3 복합유리구조
3.1.3.1 접합유리
- 2개 이상의 판유리를 합성수지 등을 이용하여 접합시킨 유리로서, 실험을 통해 합성작용을 확인하지 않는 경우 응력전달은 무시한다.
3.1.3.2 단열복층유리
- 2개 이상의 판유리와 중간공기층으로 이루어진 복층유리로서, 단열 및 소음저감을 목적으로 제작한 단위부재로 열반사 등 추가적인 기능이 가능하다.
3.1.3.3 에너지단열유리
- 유리 표면의 도포로 열적성능을 향상시킨 유리로서 구조적인 성능의 변화는 고려하지 않는다.
3.1.3.4 내화등급유리
- 유리구조의 기본성능 만족여부의 검토를 위하여 재료성능시험을 수행하여야 유리구조설계에 적용 한다.
4. 설계
4.1 설계하중
4.1.1 안전성
- 유리구조는 기본적으로 KDS 41 12 00의 하중조합에 따라 요구강도를 만족하여야 한다.
- 하중조합은 다음 식을 따릅니다.
Gk + Qk + Wk + Tk + Ek + Sk
- 각 하중의 계수는 다음과 같이 적용합니다.
| 하중 | 계수 |
|—|—|
| Gk (고정하중) | 1.2 |
| Qk (활하중) | 1.5 |
| Wk (풍하중) | 1.4 |
| Tk (온도하중) | 1.0 |
| Ek (지진하중) | 1.0 |
| Sk (적설하중) | 1.0 |
4.1.2 사용성
- 유리구조의 사용성 검토를 위한 하중조합은 안전성 검토와 동일하게 적용하며, 모든 하중계수는 1.0으로 사용합니다.
4.1.3 테두리구조의 변형하중
- 유리판의 테두리구조물에 가해지는 고정하중, 활하중, 풍하중 및 온도하중으로 인해 발생하는 변형이 유리 및 지지구조에 미치는 영향을 고려해야 합니다.
- 콘크리트 구조의 장기처짐현상
- 지진 및 풍하중의 층간변위
- 다층구조의 기둥축소현상
4.1.4 온도하중
- 유리구조는 –20 ℃부터 50 ℃범위의 온도로 발생하는 변형을 고려하여야 한다.
- 외부 투과 유리구조와 적외선저감 유리의 성능을 고려하여 유리의 열팽창효과를 고려해야 한다.
4.2 유리구조해석
4.2.1 일반
- 유리구조의 안전성과 안정성 확보를 위하여 5 mm이상의 공칭두께 유리를 사용하여야 한다. 설계과정에서 유리구조의 강도검토와 처짐산정을 위한 유리판의 두께는 유리공칭두께의 허용오차를 고려하여 표 4.1-1 최소두께를 적용하여야 한다.
- 장기하중에 저항하는 유리구조부재의 경우 접합유리를 사용하여야 하며, 외기와 접하는 유리구조에는 배강도유리, 강화유리 또는 접합유리를 사용하여야 한다.
- 유리판이 바닥에서 5 m 이상 높이 설치되는 유리구조는 강화유리 또는 접합유리를 사용하되, 강화유리를 사용하는 경우 반드시 접합유리를 사용하여야 한다. 단, 건축물의 외장 커튼월의 경우에는 입지와 환경여건에 따라 KDS 41 12 00에 따른 요구강도를 만족하도록 유리를 사용할 수 있다.
- 지붕유리구조와 출입이 가능한 캐노피형식의 유리구조, 바닥유리구조 등 중장기하중을 받는 경우 접합유리구조를 사용하여 안전성을 증대시켜야 한다. 또한 이러한 구조요소에서는 부분적으로 1개의 유리판 파괴가 후속적으로 나머지 유리판 파괴로 발전하지 않도록 부정정구조로 우발적인 하중에 저항할 수 있는 여유 강도를 확보해야 한다.
| 유리공칭두께 | 유리최소두께 (mm) |
|—|—|
| 5 | 4.7 |
| 6 | 5.7 |
| 8 | 7.4 |
| 10 | 9.4 |
| 12 | 11.2 |
| 15 | 14.2 |
| 19 | 17.8 |
| 22 | 20.8 |
| 25 | 23.8 |
4.2.2 구조해석
- 유리판의 최대처짐이 유리두께의 3/4을 초과하지 않은 경우에는 설계검토를 위한 주요응력 산정은 탄성해석으로 가능하다. 최대처짐크기가 유리판 두께를 초과하는 경우 비선형해석을 통해 처짐을 산정하여 그 효과를 고려한다.
4.2.2.1 접합유리의 해석
- 접합유리의 합성작용을 고려하지 않는 경우 개별적인 유리판의 하중분담은 다음 식을 이용한다.
ki = ti / Σti
- 실험으로 검증한 합성작용의 효과는 접합유리의 등가 단면의 유리판 성능의 70%를 초과할 수 없다. 합성효과계수는 다음과 같이 정한다.
α = min(αt, 0.7)
- 합성효과는 단기적으로 작용하는 하중에 대하여 고려하여야 한다.
- 접합유리의 등가 두께는 강도와 처짐산정을 위하여 식(4.3-8)을 이용하여 구한다.
4.2.2.2 복층단열유리 구조
- 복층사이의 공기압의 효과와 온도 등을 고려하여 개별유리판의 하중분담효과를 25% 증가하여야 한다.
4.2.3 처짐 제한
4.2.3.1 유리판의 처짐
- 유리판 지지조건에 따라 처짐제한은 다음과 같다.
- 4변 단순지지의 경우 단변길이의 1/60을 초과할 수 없다.
- 3변 단순지지의 경우 자유단 길이의 1/60과 2개 지지변 길이의 1/30 중 작은 값을 초과할 수 없다.
- 2변 단순지지의 경우 유리판 지지점 간격의 1/60을 초과할 수 없다.
- 캔틸레버는 자유단까지 길이의 1/30을 초과할 수 없다.
4.2.3.2 테두리구조의 처짐
- 7.2m 이하 경간의 지지부재는 경간의 1/180 또는 20 mm를 초과하지 않아야 하며, 7.2 m 이상 경간의 지지구조는 경간의 1/360을 초과할 수 없다.
- 캔틸레버식 지지구조는 경간의 1/90 또는 20 mm를 초과할 수 없다.
4.3 유리구조부재 및 요소설계
4.3.1 휨과 압축부재
4.3.1.1 경계조건
- 유리판과 테두리구조와의 접합상태를 단순지지로 간주하여 처짐과 응력을 산정한다.
4.3.1.2 처짐산정
- 최대 처짐과 압축응력 및 좌굴하중은 유리판의 개수에 따라 단면2차모멘트 값으로 산정한다. 중앙부의 최대처짐은 다음 식으로 산정한다.
δm = δ + e(P/Pc)l^2/π^2
-
중앙부 처짐은 테두리구조와 접합조건에 따라 약산식으로 (4.3-2)와 (4.3-3)을 사용하거나 역학적인 근거에 따라 정밀한 식을 사용할 수 있다.
- 4변 단순지지
δ = pL^4/(384EI)- 2변 단순지지
δ = 5pL^4/(384EI)
4.3.1.3 응력산정
- 최대압축응력은 식 (4.3-4)을 이용할 수 있다.
σc = P/A + M/Z
- 접합유리 또는 복층유리의 좌굴하중은 식 (4.3-5)으로 산정한다.
Pc = π^2EI/l^2
* 2중 유리판 좌굴하중 산정에 적용하는 계수는 식(4.3-6)을 사용한다.
```
I = (I1 + I2 + G(y1 - y2)^2t)/t
```
* 3중 복층 유리판의 좌굴하중 산정을 위해 필요한 계수산정은 식 (4.3-7)을 사용한다.
```
I = (I1 + I2 + I3 + G(y1-y2)^2t1 + G(y1-y3)^2t2)/t
```
- 접합유리의 등가두께는 강도와 처짐산정을 위하여 식 (4.3-8)을 이용한다.
te = (Σti^3 + αtGt^2(Σti))^1/3
4.3.2 커튼 월
- 테두리구조의 부재는 강구조기준과 알루미늄구조 설계기준에 따라 구조안전성을 확보해야 한다.
- 테두리구조로 지지된 유리구조의 안전성과 처짐은 4.3.1에 따라 검토하여야 한다.
- 건축주가 요구가 있을 경우 기밀성 시험(ASTM E 283), 수밀성 시험(ASTM E 331, AAMA 501.1), 층간변위시험에 대한 변형시험(AAMA 501.4), 열순환시험(AAMA 501.5) 및 전체실물크기시험 (ASTM E 2099)의 요구성능 만족여부를 확인하여야 한다.
- 횡하중 및 구조시스템의 변형효과, 열팽창효과, 수밀성과 기밀성의 확보, 내구성을 검토해야 한다.
4.3.3 인장력 지지구조
- 프리스트레스 공법을 이용한 인장케이블의 인장응력상태를 구조물의 변형을 유발하지 않도록 지속적으로 관리하여야 한다.
- 지지구조를 구성하는 케이블의 장기간 응력완화 및 크리프 효과를 검토하여야 한다.
4.3.4 난간형 유리구조
- 난간 손잡이 구조는 유리판 상부 또는 바닥에 연속 부재를 통해 고정되어야 한다.
- 모서리에 위치한 난간 유리구조는 풍하중 압력변화를 고려하여 추가 모멘트 응력을 고려하여 안전성을 확보해야 한다.
- 상부 손잡이 레일은 중간 유리판의 파괴가 발생할 경우에도 나머지 유리판에 부착되어 사용자 안전을 확보하여야 한다.
- 유리판 하부에 클램프 형의 접합부 폭은 100 mm 이상, 두께는 12 mm 이상 확보하여야 한다. 볼트형 클램프의 최대간격은 500 mm를 초과할 수 없다.
- 볼트를 사용하지 않는 클램프는 삽입깊이가 90 mm 이상 확보해야 한다.
4.3.5 바닥 유리판 구조
- 4.3.1에 따라 바닥판의 구조안전성과 사용성을 확보해야 한다.
- 바닥 유리판과 테두리구조의 접합부 경계조건은 단순지지로 다룬다.
- 진동 및 충격하중에 대한 검토가 필요한 경우 실험 또는 동적해석을 통해 안전성을 확보해야 한다.
- 최대집중하중의 효과는 5cm×5cm면적에 1.3 kN의 하중이 작용하는 것으로 검토한다.
- 보행으로 유발되는 유리표면의 손상을 최소화해야 하며 주기적으로 손상여부를 조사해야 한다.
4.4 접합부설계
4.4.1 실란트
- 유리와 유리지지구조부재의 접합용으로써 강도와 수밀성을 확보하여야 한다.
- 구조용 실란트의 허용강도는 130 kPa 이상 확보해야 하며, 구조용 및 내후용 실란트의 압축 및 인장 변형능력은 25% 이상 확보하여야 한다.
- 구조용 실란트의 접착너비는 최소 6 mm 이상이어야 한다.
4.4.1.1 외부 유리판 지지용 실란트
- 4변 실란트지지의 경우, 실란트의 최소접착너비는 다음 식으로 결정한다.
w = poa^2/(4f)
4.4.1.2 복층유리용 실란트
- 복층유리판이 백킹바의 충분한 접착강도를 확보하기 위하여, 실란트의 최소너비는 다음 식을 만족하여야 한다.
ws = po/f
4.4.2 유리접합
- 유리재료가 맞대어 인접한 재료의 경도는 유리재료의 경도를 초과하지 않아야 한다.
4.4.2.1 테두리구조
- 테두리구조는 강도 및 처짐제한을 만족하여야 한다.
- 유리판 단부는 최소 10 mm 이상의 깊이로 테두리구조 틀에 삽입되어 접합재료로 부착되어야 한다.
- 유리판은 테두리구조 접합면의 안쪽으로 6 mm 이상 확보한다.
- 테두리구조 틀과 유리판 사이 접합재료의 두께는 5 mm 이상 확보한다.
- 테두리구조 틀과 테두리구조 접합부는 유리판을 통해 전달되는 설계하중에 견딜 수 있어야 한다.
4.4.2.2 접합재
- 4.4.1 에서 명시한 실란트 재료강도 및 사용 중 예상되는 하중과 변형에 대해 유리판이 손상을 일으키지 않는 범위의 변형능력을 확보해야 한다.
4.4.2.3 볼트접합
- 볼트와 유리판 사이에는 직경 50 mm 이상 조임판과 개스킷을 설치하여야 한다.
- 볼트 접합으로 이루어진 캔틸레버 길이는 볼트접합 사이 경간의 1/4를 초과할 수 없다.
- 열응력을 고려한 전형적인 유리판 볼트접합의 허용 면내변형방향은 [그림 4.4-1]과 같다.
[그림 4.4-1] 유리판 볼트접합의 허용 면내변형 방향
4.4.2.4 물림형 유리지지
- 물림접합의 고정부는 유리판재 당 최소 4개 이상 설치하여야 한다.
- 물림접합의 고정부 사이 간격은 600 mm를 초과할 수 없다.
- 각 고정부의 물림길이는 50 mm 이상 그리고 물림깊이는 최소 25 mm 이상 확보하여야 한다.
- 유리판 모서리부터 고정부 중심까지의 길이는 고정부간 길이의 1/4을 초과할 수 없다.
4.4.3 유리판 접합부 구멍
- 유리판 접합부 구멍은 6.4 mm 이상 또는 유리판 두께보다 커야 한다. 원형이 아닌 구멍의 모서리는 완곡하게 마감하여야 하며, 내부반경은 최소 유리두께 이상이어야 한다.
- 유리판 단부와 구멍의 최소 간격은 6 mm 이상 또는 유리판 두께 2배 이상을 확보하여야 한다.
- 구멍의 순간격은 10 mm 이상 또는 유리두께 2배 이상 유지하여야 한다.
- 유리판 구석에 위치한 접합부 구멍의 대각선 단부 간격은 유리두께의 6.5배 이상 확보하여야 한다.
4.4.4 중간막 재료
- 접합유리 및 복층유리에 사용되는 중간막 재료는 KDS 41 10 10에서 정하는 절차에 따라 설계에서 요구하는 인장강도와 탄성계수 그리고 변형능력을 만족하여야 한다.
주의: 위 내용은 KDS 41 80 20 유리구조 설계기준의 일부를 발췌하여 markdown으로 변환한 것입니다. 자세한 내용은 해당 기준을 참고하시기 바랍니다.
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