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KDS 43 10 10 막구조 설계기준
1. 일반사항
1.1 목적
- 막구조가 전체 구조물의 주요 구조용 부재로 사용될 경우, 해당 막 건축물 또는 부속 기구들의 구조방법에 관한 안전상 필요한 기술적 기준 제공
1.2 적용범위
- 막 구조에 관한 설계하중, 재료, 구조해석 및 설계 등에 적용
1.3 참조 기준
- KDS 41 00 00 건축구조기준
1.4 용어의 정의
- 막구조: 자중을 포함하는 외력이 셀구조물의 기본원리인 막응력에 따라 저항되는 구조물로서, 휨 또는 비틀림에 대한 저항이 작거나 또는 전혀 없는 구조
- 초기 인장력: 연성 막재의 형상을 유지하기 위해 도입하는 초기하중
- 공기막구조: 공기막 내외부의 압력 차에 따라 막면에 강성을 주어 형태를 안정시켜 구성되는 구조물
- 내압: 공기막구조를 형성하기 위한 내부압력
- 막재: 직포, 코팅재에 따라 구성된 재료. 고무시트 등 구성재가 다른 재료는 고려하지 않음
- 직포: 섬유실에 따른 직물 또는 망목상 직물
- 코팅재: 직포의 보호 및 방수 등의 목적으로 직포에 도포하는 재료
- 인장크리프: 지속하중으로 인하여 막재에 일어나는 장기변형
- 인장강도: 재료가 견딜 수 있는 최대 인장응력
- 인열강도: 재료가 접힘 또는 굽힘을 받은 후 견딜 수 있는 최대 인장응력
- 열판용착접합: 판을 눌러 막재의 겹치는 부분을 코팅제 또는 해당 부분에 삽입한 용착필름을 용융하여 막재를 압착하는 접합방식
- 봉제접합: 접합하고자 하는 막재료의 겹친 부분을 다른 막재의 단부와 평행하게 봉제하는 접합방식
- 열풍용착접합: 열풍을 이용하여 접합하고자 하는 막재의 겹친 부분의 코팅재를 용융하고 압착하여 접합하는 방식
- 고주파용착접합: 고주파를 이용하여 막재의 겹친 부분의 코팅재를 용융하여 막재를 압착하여 접합하는 방식
- 형상해석: 설계자의 의도와 역학적인 평형조건을 동시에 만족하는 형상을 찾는 일련의 해석과정이며, 막구조물 및 케이블구조물과 같은 연성구조물에 적용되는 해석방법
1.5 기호의 정의
- 내용 없음
1.6 해석과 설계원칙
1.6.1 막구조의 해석순서
- 형상해석, 응력-변형도해석, 재단도해석 순서로 이루어진다.
- 필요하다면 시공해석도 수행
1.6.2 막구조의 해석방법
- 유한요소법, 동적이완법, 내력밀도법 등을 사용한다.
- 기하학적 비선형을 고려해야 한다.
- 재료 비선형은 무시될 수 있지만 일반적으로 재료이방성은 고려하여 해석을 수행한다.
1.6.3 형상해석
- 케이블재와 막재의 초기장력 값은 막구조 형식, 하중, 변형, 시공 및 기타 요인들을 고려하여 결정한다.
- 막재에 도입하는 초기장력은 표 1.6-1 값을 표준으로 한다.
| 막재의 종류 | 초기장력 |
|—|—|
| A, B 종 | 2 kN/m 이상 |
| C 종 | 1 kN/m 이상 |
1.6.4 응력-변형도 해석
- 형상해석에서 결정된 초기장력과 기하학적 형상을 바탕으로 하며, 주어진 하중조합에 따라서 발생되는 막구조의 응력과 변형을 고려한다.
- 결과가 형상 및 재료의 역학적 요구를 만족하지 않는 경우에는 형상해석을 다시 수행해야 한다.
1.6.5 재단도 해석
- 지오데식 라인법, 플랫트닝법 등이 사용된다.
- 재단선의 외관, 막재의 폭을 고려한 효율적인 사용, 막의 직교이방성 등에 유의하여 재단선을 정한다.
- 초기장력과 막의 크리프 특성을 주의하여야한다. 각각의 막 스트립의 수축 값에 따라 재단의 크기가 수정될 수 있기 때문에 막 특성에 근거하여 면밀히 확인해야 한다.
1.6.6 공기막구조 해석
- 최대 내부압, 최소 내부압, 상시 내부압이 합리적으로 보장되어야 한다.
- 최대 내부압은 심각한 구조변경에서도 최악의 상태가 발생하지 않도록 설정해야 한다.
- 최소 내부압은 정상적인 기후와 서비스 상태에서 구조 안전성을 확보하기 위한 것으로 일반적으로 200 Pa 이상 이어야 한다.
1.6.7 하중기준
- KDS 41 12 00에 따른다.
- 막구조의 형식, 구법, 시공법 등에 따라 특별히 발생하는 하중은 실제 상황을 고려하여 적절히 산정한다.
1.6.8 하중종류
- 고정하중 ()
- 활하중 ()
- 적설하중 ()
- 풍하중 ()
- 지진하중 ()
- 초기 인장력 ()
- 내부압력 ()
1.6.9 하중조합
- 막구조의 허용응력설계법에 따른 하중조합은 표 1.6-2와 같으며 가장 불리한 경우로 설계한다.
| 구조형태 | 하중의 종류 | 하중조합 | 비고 |
|—|—|—|—|
| 막구조 | 장기하중 | ＋＋ () | (: 공기막구조 내압) |
| | 단기하중 | ＋＋＋ () | (: 공기막구조 내압) |
| | | ＋＋＋ () | (: 공기막구조 내압) |
| | | | |
**: 고정하중, : 활하중, : 적설하중, : 풍하중, : 초기장력, : 내부압력
1.7 설계 고려사항
1.7.1 조명설계
- 반투명한 막재의 특성을 조명디자인에서 고려한다.
- 조명설비는 막 표면으로부터 최소 1.0 m 떨어져 있어야 한다.
1.7.2 배수설계
- 배수경사와 위치는 사용상 특성과 일반적인 평면의 요구에 따라 확인해야 한다.
- 다설지역에서는 낙설 방지대책이 필요하다.
1.7.3 막재와 구조물과의 이격거리
- 막재와 실내외 구조물과의 간격은 가장 불리한 조건을 고려하여 막 표면의 변형길이 보다 두 배 이상 길어야 하고 최소 1.0 m로 해야 한다.
2. 조사 및 계획
2.1 조사 및 일반계획
- 막구조물이 건설될 장소의 토질, 주변환경, 인근 거주자들의 민원유무, 시공난이도, 사용빈도수를 고려한 경제성등을 조사한다.
2.2 조사
- 건설될 부지의 지반상태를 조사한다.
- 막구조물의 경우 내부 조명 시 막의 반투명성으로 인해 빛 투과에 의한 눈부심 및 소음에 대해 인근 주민들의 민원사항에 대해 반드시 조사하여 반영한다.
2.3 계획
- 건축주가 요구하는 용도 및 규모, 외부환경과의 융합성 및 사용빈도 수를 고려하여 막구조 형식의 선정, 내구성 및 경제성을 고려한 막재의 선정을 포함 막구조 자체의 형상 및 재료를 선정한다.
- 주변상태 및 시공가능성을 고려한 시공 방식을 선정한다.
- 대형 막구조구조물의 경우 소음문제, 야간시간 조명에 의한 불빛 문제, 관중들의 쓰레기에 의한 환경오염문제, 단시간 동안 다수인원이 몰리는 특성상 교통문제가 발생할 수 있으므로 이에 대한 원만한 해결책을 제시한다.
- 완공 후 안전관리 및 방재를 포함한 유지관리에 대한 매뉴얼을 작성한다.
3. 재료
3.1 일반사항
- 기준에서 인정하는 막재는 직포, 코팅재 및 그 외 구성된 재료를 의미한다.
- 구조내력상 주요한 부분에 사용하는 막재는 다음 각 호에 해당하는 기준에 적합해야 한다.
- 직포에 사용하는 섬유실의 종류와 코팅재에 따라 분류된다.
- 두께는 0.5 mm 이상이어야 한다.
- 1㎡ 당 중량은 표 3.1-2와 같다.
- 섬유밀도는 일정해야 한다.
- 인장강도는 폭 1 cm당 300 N 이상 이어야 한다.
- 파단신율은 35% 이하 이어야 한다.
- 인열강도는 100 N 이상 또한 인장강도에 1 cm를 곱해서 얻은 수치의 15% 이상 이어야 한다.
- 인장크리프에 따른 신장율은 15%(합성섬유 직포로 구성된 막재료에 있어서는 25%) 이하이어야 한다.
- 구조내력상 주요한 부분에서 특히 변질 또는 마찰손실의 위험이 있는 곳에 대해서는 변질 또는 마찰손상에 강한 막재를 사용하거나 변질 또는 마찰손상 방지를 위한 조치를 취한다.
- 막재에 대하여 빛의 반사율과 투과율을 고려한다.
- 구조물의 상황에 따라서 막재의 다양한 특성을 고려하여 재료를 채택한다.
| 막재의 종류 | 직포 | 코팅재 |
|—|—|—|
| A종 | KS L 2507 (직조용 유리실)을 만족하는 단섬유(섬유직경 3.0㎛에서 4.05 ㎛의 3 (B)로 한정)를 사용한 유리섬유실 | 4불화에틸렌수지,4불화에틸렌-퍼플루오알킬-비닐에테르 공중합수지 또는 4불화에틸렌-6불화프로필렌 공중합수지 |
| B종 | KS L 2507 (직조용 유리실)을 만족하는 단섬유를 사용한 유리섬유실 | 염화비닐수지, 폴리우레탄수지, 불소계수지 (4불화에틸렌수지,4불화에틸렌-퍼플루오알킬-비닐에테르 공중합수지 또는 4불화에틸렌-6불화프로필렌 공중합수지를 포함), 클로로프렌고무 또는 클로로슬폰화 폴리에틸렌고무 |
| C종 | 폴리아미드계, 폴리아라미드계, 폴리에스테르계 또는 폴리비닐알코올계의 합성섬유실 | 염화비닐수지, 폴리우레탄수지, 불소계수지, 클로로프렌고무 또는 클로로슬폰화 폴리에틸렌고무 |
| 구성재 | 막재 A, B종(유리섬유실의 직포) | 막재 C종(합성섬유실의 직포) |
|—|—|—|
| 막재 중량 | 550 gf/㎡ 이상 | 500 gf/㎡ 이상 |
| 직포 중량 | 150 gf/㎡ 이상 | 100 gf/㎡ 이상 |
| 코팅재 중량 | 겉과 안쪽 양면에서 400 gf/㎡ 이상 | 겉과 안쪽 양면에서 400 gf/㎡ 이상 |
3.2 재료특성
3.2.1 막재의 강도 및 내구성
| 인장강도 | 300 N/cm 이상 |
|—|—|
| 파단 신장률 | 35% 이하 |
| 인열강도 | 100 N 이상, 인장강도×1 cm의 15% 이상 |
| 인장크리프 신장률 | 15% (합성섬유실에 따른 직포의 막재는 25% 이하) |
| 변질 및 마모손상 | 변질․마모손상에 강한 막재, 또는 변질 혹은 마모손상 방지를 위한 조치를 한 막재 |
3.2.2 직포의 구성 및 섬유밀도
- 일반직물(직포)이란 제조시의 장력이 걸리지 않은 상태에서 종사와 종사 사이, 횡사와 횡사 사이의 망목 간격이 각각 0.5 mm 이하인 것을 말한다.
- 망목 간격이 0.5 mm를 초과하는 것을 망목상직물(직포)로 구별한다.
- 섬유밀도의 분산에 대한 기준치는 측정된 섬유밀도에 대하여 ±5% 이내여야 한다.
3.2.3 막재의 두께
- 막재 두께의 기준치는 두께 측정기를 이용하여 75 mm 이상 간격으로 5개소 이상에 대하여 측정한 값의 평균치로 한다.
3.3 품질 및 성능시험
3.3.1 직물의 휨 강성 측정
- KS L ISO 4604에 따라 300 mm 이상 간격으로 5개소 이상에 대하여 측정한다.
3.3.2 인장강도 및 인장신율 측정
- 종사방향 및 횡사방향의 인장강도 및 인장신율을 측정하여 품질기준치를 정한다.
3.3.3 인열강도
- 종사방향 및 횡사방향의 인열강도를 측정하여 품질기준치를 정한다.
3.3.4 코팅재 층의 접착강도
- 종사방향 및 횡사방향의 코팅재 밀착강도를 측정하여 품질기준치를 정한다.
3.3.5 인장 크리프
- 종사방향 및 횡사방향의 인장크리프에 따른 신장률을 측정하여 품질기준치를 정한다.
3.3.6 반복하중을 받는 경우의 인장강도 측정
- 반복하중을 받는 경우의 인장강도를 측정하여 품질 기준치를 정한다. 다만 막재의 구성재 및 사용환경 조건에 따라 이 기준치를 요구하지 않는 경우 하지 않아도 된다.
3.3.7 접힘 인장강도
- 막재의 접힘 인장강도는 종사방향 및 횡사방향 각각의 인장강도 평균치가 동일한 로트에 있어 시험 전에 측정된 각 실 방향 인장강도 평균치의 70% 이상이어야 한다.
3.3.8 내후성
- 막재는 외부 폭로에 대해 종사방향 및 횡사방향의 인장강도의 평균치가 막재의 종류에 따라 다음의 수치를 만족해야 한다.
- A종 및 B종: 종사 및 횡사방향의 인장강도가 각각 초기인 장강도의 70% 이상
- C종: 종사 및 횡사방향의 인장강도가 각각 초기인장강도의 80% 이상
3.3.9 습윤시 인장강도
- 막재가 습윤상태에 있을 때 종사방향 및 횡사방향의 인장강도 평균치는 각각 초기인장강도의 80% 이상 이어야 한다.
3.3.10 고온시 인장강도
- 막재가 고온상태에 있을 때 종사방향 및 횡사방향의 인장강도 평균치는 각각 초기인장강도의 70% 이상 이어야 한다.
3.3.11 내흡수성
- 막재는 흡수길이의 최대치가 20 mm 이하 이어야 한다.
4. 설계
4.1 구조설계 고려사항
- 막재에 대한 설계는 허용응력설계법을 준용하며 그 이외의 부재에 대해서는 허용응력설계법과 동등 이상의 구조설계법을 이용하여 막구조 또는 그 외의 구조를 병용한 건축물의 안전을 확인할 수 있는 구조계산이 이루어져야 한다.
4.2 변위제한
- 막구조에 작용하는 하중 및 외력에 따른 변형은 비교적 크고 또한 바람에 따른 막면의 강제진동이 생길 수 있으므로 표 4.2-1와 같은 최대변위에 대한 제한규정을 적용한다.
| 막면의 지점간 거리 | 하중 | 최대변위량/지점간 거리 |
|—|—|—|
| 4 m 이하 | 적설시 | 1/15 이하 |
| | 폭풍시 하중의 1/2 | 1/20 이하 |
| 4 m 초과 | 적설시 | 1/15 이하 |
| | 폭풍시 | 1/15 이하 |
**: 주변이 골조 (골조막구조), : 주변의 일부가 구조용 케이블 경계(케이블막구조)
4.3 막재의 허용인장응력
- 막재의 허용인장력은 접합등의 상황에 따라 표 4.3-1에 따른다.
| 접합상황 | 장기하중에 대한 허용인장응력 () | 단기하중에 대한 허용인장응력 () |
|—|—|—|
| (1) 접합부가 없는 경우 또는 접합폭 및 용착폭이 40mm 이상인 경우 | 막재가 접히는 부분이 없는 경우 | 개폐식 지붕과 같이 막재가 접혀지는 경우 |
| (2) (1)항 이외의 경우 | | |
**: 막재 각 방향의 기준강도(), 다만, 막재 및 막면 정착부 이외의 구조부재는 그 부재와 관련된 관계기준을 따른다.
4.4 정착부의 허용인장응력
- 막면 정착부의 허용인장응력은 표 4.4-1의 막재 허용인내력을 막면의 정착부 종류 및 형상에 따라 구한 유효단면적으로 나눈 수치로 해야 한다.
| 장기하중에 대한 인장의 허용내력 | 단기하중에 대한 인장력의 허용내력 |
|—|—|
**: 실험에 따른 막면 정착부의 최대인장력(단위 N)
4.5 막재의 접합부 설계
4.5.1 막재의 접합
- 구조내력상 주요한 부분의 막재 상호간 접합은 막재 상호 존재응력이 충분히 전달되도록 접합해야 한다.
- 막재의 종류에 따른 접합방법은 표 4.5-1에 따른다.
- 표 4.5-1의 접합방법 이상으로 막재가 서로 존재응력을 전달하는 것이 가능한 경우는 표 4.5-1의 제한을 따르지 않아도 된다.
| 구분 | 막재의 종류 | 접합방법 |
|—|—|—|
| Ⅰ | A | 열판용착접합 |
| Ⅱ | B, C | 봉제접합, 열풍용착접합, 고주파용착접합 또는 열판용착접합 |
| Ⅲ | A, B, C 이외의 막재 | 막재의 품질 및 사용환경, 그 외의 실황에 따른 실험에 따라 Ⅰ 또는 Ⅱ와 동등 이상의 존재응력을 전달할 수 있는 접합 |
4.5.2 접합부 인장강도
- 종사방향 및 횡사방향의 접합부 인장강도 평균치는 봉재접합부 인장시험에 이용하였던 막재에서 측정된 모재 초기인장강도의 70% 이상, 그 외의 다른 방법으로 접합된 접합부에 대해서는 같은 방식으로 동일 막재에서 측정된 모재 초기인장강도의 80% 이상으로 한다.
4.5.3 접합부 내박리강도
- 종사방향 및 횡사방향 접합부의 내박리강도는 동일 로트 및 동일 접합방법으로 만들어진 시험편으로 접합부 인장시험에 따라 측정된 각 실 방향의 인장강도의 1% 이상이면서, 또한 10 N/cm 이상으로 한다.
4.5.4 접합부 내인장 크리프
- 접합부의 내인장 크리프 특성에 대하여 종사방향 및 횡사방향 신장률의 평균치는 각각 15% 이하로 한다.
4.5.5 고온상태에서의 접합부 인장강도
- 고온상태에 대한 종사방향 및 횡사방향의 접합부 인장강도 평균치는 초기인장강도의 60% 이상으로 하고, 또한 막재 A종에 대해서는 260 ℃의 온도에서 200 N/cm 이상으로 한다.
4.5.6 습윤상태에서의 접합부 인장강도
- 습윤상태에 대한 종사방향 및 횡사방향의 접합부 인장강도 평균치는 초기인장강도의 80% 이상 이어야 한다.
4.5.7 접합부 내후성
- 접합부의 폭로실험에 대해서 종사방향 및 횡사방향의 인장강도 평균치는 막재의 종류에 따라 다음의 수치를 만족해야 한다.
- A종 및 B종: 각 방향의 인장강도가 접합부 초기인장강도의 70% 이상
- C종: 각 방향의 인장강도가 접합부 초기 인장강도의 80% 이상
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