KR20220012026A - 내진성능 향상을 위한 외장재 패널 및 외장재 패널의 결합구조 - Google Patents

내진성능 향상을 위한 외장재 패널 및 외장재 패널의 결합구조 Download PDF

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Abstract

내진성능 향상을 위한 외장재 패널의 결합구조는, 벽체의 일측과 고정되는 프레임, 프레임의 일측과 결합하는 클립, 클립의 일측과 결합하는 외장재 패널 및 클립과 외장재 패널을 체결하는 체결수단을 포함하고, 외장재 패널의 클립과 결합하는 부분에 장공형의 제1 슬롯이 형성되며, 지진 발생 시 제1 슬롯 내에서 체결수단이 이동하면서 진동을 흡수한다.

Description

내진성능 향상을 위한 외장재 패널 및 외장재 패널의 결합구조{EXTERIOR PANNEL AND COMBINATION STRUCTURE OF EXTERIOR PANNEL FOR IMPROVING SEISMIC PERFORMANCE}
본 발명은 내진성능 향상을 위한 외장재 패널 및 외장재 패널의 결합구조에 관한 것이다. 보다 상세하게는 지진으로 인해 발생하는 진동을 효과적으로 흡수하는 외장재 패널 및 외장재 패널의 결합구조에 관한 것이다.
우리나라는 비교적 지진 안전지대로 인식되어 왔으나, 최근 발생한 강도 높은 지진을 계기로 더 이상 지진의 안전지대가 아님을 인식하게 되었다. 이에 따라, 일반 건축물을 비롯한 콘크리트 시설물에서의 내진성능 향상을 위한 건축 구조, 공법 등에 대한 관심이 증가하고 있는 추세이다.
그러나, 기존의 건축물이나 시설물 등에서는 지진에 대한 대비가 전혀 있지 않아 내진성능이 취약하다. 따라서, 예상치 못한 지진이 발생하는 경우, 파손이나 붕괴로 인한 직접적인 피해뿐만 아니라, 재건축 등으로 인해 사회 경제적으로 막대한 손실을 입게되는 문제가 있다.
한편, 구조물의 내진설계뿐만 아니라 비구조요소들에 대한 내진설계를 해야한다. 비구조요소란 건물시스템의 일부로서 건물에 영구히 설치된 건축, 기계 및 전기 구성요소와 그 고정장치 및 부착물을 의미하는 것으로 지진 발생시 건축구조물과 하나로서 거동할 수 있도록 건물 각 부분이 서로 견고히 부착되고 연결되는 것을 의미한다. 이러한 비구조요소의 종류는 건축 비구조요소, 기계 비구조요소, 전기 비구조요소, 기타 비구조요소가 있다. 건축 비구조요소로는, 피난경로상의 계단, 소화배관 스프링쿨러시스템, 파라펫, 건물외부의 치장벽돌 및 치장석재 등이 있다.
이와 같은 비구조요소 역시 내진설계가 필요한데, 이는 지진에 의해 건축물 자체가 파괴되지 않더라도 외장재, 계단 등(비구조요소)이 무너지면서 건물 내의 사람들이 건물로부터 대피할 수 없게 되고 대피 중 부상을 입을 위험이 있기 때문이다. 이러한 문제를 인식하여, 국가에서는 내진설계범주와 관계없이 중요 비구조요소(지진발생 이후 기능수행이 요구되는 비구조요소, 인명안전에 관련된 비구조요소)를 필수 내진설계대상으로 지정하고 있다. 특히, 국토교통부의 소관기관인 국가건설기준센터가 2019년 3월 공고한 건축물 내진설계기준(KDS 41 17 00) 18장에는 비구조요소의 내진설계기준이 제시되어 있다. 구체적으로, KDS 41 17 00에서는 내진등급에 따라 건물의 허용층간변위를 아래의 [표 1]과 같이 제한하고 있다. 즉, 허용층간변위비는 층간변위/층고이므로 약 1% ~ 2%를 만족해야 한다.
내진등급
특 Ⅰ Ⅱ
허용층간변위 0.010hsx 0.015hsx 0.020hsx
여기서, hsx : x층 층고
앞에서 언급한 바와 같이, 오늘날 비구조요소의 내진설계는 매우 중요한 의미를 가지며, 비구조요소의 내진성능 향상을 위한 연구 개발 등이 활발히 진행되고 있다. 종래의 특허문헌인 한국 등록특허공보 제10-1719297호, 한국 등록특허공보 제10-1211481호 및 한국 등록특허공보 제10-1602460호에는 건축용 패널의 내진성능 향상을 위한 기술이 개시되어 있으나, 구조가 상당히 복잡하며, 결합 부품 등의 가공 또는 조립(결합)시 많은 비용 및 시간이 소요되는 문제가 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 지진 발생 시 외장재 패널에 형성된 장공형의 슬롯 내에서 체결수단이 좌우 및/또는 상하로 이동하면서 진동을 효과적으로 흡수하는 외장재 패널 및 외장재 패널의 결합구조를 제공하는 것이다. 또한, 특정 수학식을 통해 외장재 패널의 슬롯의 길이방향 길이를 설계함으로써, 건물의 최대 허용층간변위비에 해당하는 변형이 발생할 때까지의 횡변형을 결합부에서 모두 흡수할 수 있는 외장재 패널 및 외장재 패널의 결합구조를 제공하는 것이다. 그러나, 이러한 과제는 예시적인 것으로, 이에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 내진성능 향상을 위한 외장재 패널의 결합구조는, 벽체의 일측과 고정되는 프레임; 상기 프레임의 일측과 결합하는 클립; 상기 클립의 일측과 결합하는 외장재 패널; 및 상기 클립과 상기 외장재 패널을 체결하는 체결수단을 포함하고, 상기 외장재 패널의 상기 클립과 결합하는 부분에 장공형의 제1 슬롯이 형성되며, 지진 발생 시 상기 제1 슬롯 내에서 상기 체결수단이 이동하면서 진동을 흡수할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 외장재 패널의 결합구조에서, 상기 외장재 패널의 제1 슬롯과 대응되도록 상기 클립에 장공형의 제2 슬롯이 형성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 외장재 패널의 결합구조에서, 상기 외장재 패널의 제1 슬롯은 상기 외장재 패널의 상,하부 각 코너 측에 총 4개 형성되며, 상기 제1 슬롯의 길이방향 길이(S1)는 [수학식 1] S1 = 2(Hθ+ d) - S2 를 만족할 수 있다. 여기서, 상기 외장재 패널의 제1 슬롯 간 짧은 길이는 H, 상기 외장재 패널이 설치되는 건축물의 최대 허용층간변위비는 θ, 상기 제1 슬롯의 길이방향 길이는 S1, 상기 제2 슬롯의 길이방향 길이는 S2, 상기 체결수단의 볼트의 몸체부의 직경은 d이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 외장재 패널의 결합구조에서, 상기 클립은 L형 클립일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 외장재 패널의 결합구조에서, 상기 체결수단은 스프링 와셔를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 외장재 패널의 결합구조에서, 상기 외장재 패널의 제1 슬롯에 완충재가 끼워질 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 외장재 패널의 결합구조에서, 상기 클립의 제2 슬롯에 완충재가 끼워질 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 체결수단을 통해 클립과 결합하는 내진성능 향상을 위한 외장재 패널에 있어서, 상기 클립과 결합하는 부분에 장공형의 제1 슬롯이 형성되며, 지진 발생 시 상기 제1 슬롯 내에서 상기 체결수단이 이동하면서 진동을 흡수할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 외장재 패널에서, 상기 외장재 패널의 제1 슬롯은 상기 외장재 패널의 상,하부 각 코너 측에 총 4개 형성되며, 상기 제1 슬롯의 길이방향 길이(S1)는 [수학식 1] S1 = 2(Hθ + d) - S2 을 만족할 수 있다. 여기서, 상기 외장재 패널의 상기 제1 슬롯 간 짧은 길이는 H, 상기 외장재 패널이 설치되는 건축물의 최대 허용층간변위비는 θ, 상기 제1 슬롯의 길이방향 길이는 S1, 상기 외장재 패널의 제1 슬롯과 대응되도록 상기 클립에 형성되는 제2 슬롯의 길이방향 길이는 S2, 상기 체결수단의 볼트의 몸체부의 직경은 d이다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 건축물은 본 발명의 실시예에 따른 외장재 패널의 결합구조를 채택할 수 있다.
상기한 바와 같이 이루어진 본 발명의 일 실시예에 따르면, 내진성능이 향상된 외장재 패널 및 외장재 패널의 결합구조는, 지진 발생 시 효과적으로 진동을 완화 또는 흡수할 수 있으며, 건물의 최대 허용층간변위비에 해당하는 변형이 발생할 때까지의 횡변형을 모두 흡수할 수 있다. 물론 이러한 효과들에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 가로시공에 의한 외장재 패널의 결합구조를 나타낸다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 세로시공에 의한 외장재 패널의 결합구조를 나타낸다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 가로시공에 의한 외장재 패널의 개략적인 도면이다.
도 4는 도 3의 가로시공에 의한 외장재 패널의 결합구조의 평면도이다.
도 5는 도 3의 가로시공에 의한 외장재 패널의 결합구조의 단면도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 세로시공에 의한 외장재 패널의 개략적인 도면이다.
도 7은 도 6의 세로시공에 의한 외장재 패널의 결합구조의 평면도이다.
도 8은 도 6의 세로시공에 의한 외장재 패널의 결합구조의 단면도이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 외장재 패널의 개략적인 도면이다.
도 10은 본 발명의 클립의 개략적인 사시도이다.
도 11은 지진 발생 시 본 발명의 일 실시예에 따른 외장재 패널의 결합구조의 움직임을 나타내는 도면이다.
도 12는 본 발명의 가로시공에 의한 외장재 패널의 접합부의 확대도이다.
도 13은 지진 발생 시 본 발명의 가로시공에 의한 외장재 패널의 접합부의 확대도이다.
도 14는 본 발명의 세로시공에 의한 외장재 패널의 접합부의 확대도이다.
도 15는 지진 발생 시 본 발명의 세로시공에 의한 외장재 패널의 접합부의 확대도이다.
도 16은 완충재를 구비하는 외장재 패널 및 클립의 개략적인 도면이다.
도 17은 반복가력 실험을 위한 실험체의 개략적인 도면이다.
도 18은 반복가력 실험을 위한 실험체의 사진이다.
도 19는 횡력이 작용하는 경우 실험체의 개략적인 도면이다.
도 20a는 반복가력 실험을 위한 실험체의 개략적인 도면이다.
도 20b 내지 도 20e는 반복가력 실험 결과를 나타내는 사진이다.
도 21은 반복가력 시 가로시공에 의한 실험체와 세로시공에 의한 실험체의 이력곡선이다.
도 22는 단조가력 시 가로시공에 의한 실험체와 세로시공에 의한 실험체의 이력곡선이다.
도 23은 베이스패널의 뽑힘강도 실험 과정을 나타내는 사진이다.
도 24는 베이스패널의 뽑힘강도 실험 결과를 나타내는 사진이다.
도 25는 L형 클립의 항복강도 실험 과정을 나타내는 사진이다.
도 26은 L형 클립의 항복강도 실험 결과를 나타내는 사진이다.
상술한 본 발명의 목적, 특징 및 장점은 첨부된 도면과 관련한 다음의 실시예를 통하여 보다 분명해질 것이다.
이하의 특정한 구조 내지 기능적 설명들은 단지 본 발명의 개념에 따른 실시예를 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로, 본 발명의 개념에 따른 실시예들은 다양한 형태로 실시될 수 있으며 본 명세서 또는 출원에 설명된 실시예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 아니된다.
본 발명의 개념에 따른 실시예는 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있으므로 특정 실시예들은 도면에 예시하고 본 명세서 또는 출원에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명의 개념에 따른 실시예들을 특정한 개시 형태에 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
제1 및/또는 제2 등의 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성 요소들은 상기 용어들에 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소들로부터 구별하는 목적으로만, 예컨대 본 발명의 개념에 따른 권리 범위로부터 이탈되지 않은 채, 제1 구성 요소는 제2 구성 요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성 요소는 제1 구성 요소로도 명명될 수 있다.
어떠한 구성 요소가 다른 구성 요소에 "연결되어 있다"거나 "접속되어 있다"고 언급된 때에는, 그 다른 구성 요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성 요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떠한 구성 요소가 다른 구성 요소에 "직접 연결되어 있다"거나 또는 "직접 접속되어 있다"고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성 요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 구성 요소들 간의 관계를 설명하기 위한 다른 표현들, 즉 "∼사이에"와 "바로 ∼사이에" 또는 "∼에 인접하는"과 "∼에 직접 인접하는" 등의 표현도 마찬가지로 해석되어야 한다.
본 명세서에서 사용하는 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로서, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서 "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 설명된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 갖는 것으로 해석되어야 하며, 본 명세서에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 설명함으로써 본 발명을 상세히 설명하도록 한다. 각 도면에 제시된 동일한 참조부호는 동일한 부재를 나타낸다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 가로시공에 의한 외장재 패널의 결합구조를 나타내며; 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 세로시공에 의한 외장재 패널의 결합구조를 나타내며; 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 가로시공에 의한 외장재 패널의 개략적인 도면이며; 도 4는 가로시공에 의한 외장재 패널의 결합구조의 평면도이며; 도 5는 가로시공에 의한 외장재 패널의 결합구조의 단면도이며; 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 세로시공에 의한 외장재 패널의 개략적인 도면이며; 도 7은 세로시공에 의한 외장재 패널의 결합구조의 평면도이며; 도 8은 세로시공에 의한 외장재 패널의 결합구조의 단면도이다. 본 발명에 따른 외장재 패널 및 그의 결합구조 내지 결합관계를 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 내진성능 향샹을 위한 외장재 패널의 결합구조(100)는, 프레임(110), 클립(120), 외장재 패널(130) 및 체결수단(140)을 포함할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 외장재 패널은 가로시공 또는 세로시공이 가능하다. 가로시공은 세로줄눈에 맞춘 프레임을 기준으로 외장재 패널을 가로로 배치하는 공법이며, 세로시공은 가로줄눈에 맞춘 프레임을 기준으로 외장재 패널을 세로로 배치하는 공법이다. 본 발명에 따르면, 외장재 패널의 배치 방향을 제외하고는, 가로시공에 의한 외장재 패널의 결합구조와 세로시공에 의한 외장재 패널의 결합구조 상의 차이는 없으며, 설명의 편의를 위해 가로시공을 기준으로 설명한다.
도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이, 상기 프레임(110)은 벽체(W)의 일측에 고정될 수 있다. 이러한 벽체(W)는 벽, 기둥, 단열재 등일 수 있다. 상기 프레임(110)은 앵커볼트(180) 및 상기 앵커볼트(180)와 결합되는 브라켓(170)을 통해 벽체(W)에 고정될 수 있으며, 용접 등을 통해 상기 브라켓(170)의 일측에 결합될 수 있다. 또한, 상기 프레임(110)은, 예를 들어, 각파이프일 수 있다.
상기 클립(120)은 상기 프레임(110)의 일측과 결합할 수 있다. 예를 들어, 상기 클립(120)은 용접에 의해 상기 프레임(110)에 고정될 수 있다. 또한, 도 10에 도시된 바와 같이, 상기 클립(120)은 L형 클립일 수 있으며, 상기 프레임(110)의 일측과 결합하는 제1 부분(121) 및 외장재 패널(130)과 결합하는 제2 부분(122)을 포함할 수 있다. 다만, 이에 한정되는 것은 아니며, 상기 클립(120)은 Z형 클립, S형 클립, TS형 클립, H형 클립 등일 수 있다.
상기 외장재 패널(130)은 체결수단(140)을 통해 상기 클립(120)의 일측과 결합할 수 있다. 이러한 외장재 패널은 시멘트를 주원료로 압출 성형하여 고온, 고압에서 증기 양생한 제품일 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 도 9에 도시된 바와 같이, 상기 외장재 패널(130)에는 상기 클립(120)과 결합하는 부분에 장공형의 제1 슬롯(150)이 형성될 수 있다. 종래의 특허문헌인 한국 등록특허공보 제10-1719297호, 한국 등록특허공보 제10-1211481호 및 한국 등록특허공보 제10-1602460호에는, 파스너(fastener)와 같은 체결부품에 슬롯이 형성되는 기술 등이 개시되어 있으나, 이러한 슬롯은 건축물의 구성부품들 사이의 결합 및 고정을 용이하게 하기 위한 것이며, 내진성능 향상과는 직접적인 관련이 없다. 또한, 패널 상에 슬롯이 형성되는 기술에 대해서는 개시조차 없다. 이에 비하여, 본 발명에 따르면, 외장재 패널(130)에 장공형의 슬롯(150)이 형성됨으로써, 지진 발생 시 상기 장공형의 슬롯(150) 내에서 체결수단(140)이 좌우 및/또는 상하로 이동하면서 진동을 효과적으로 흡수할 수 있다. 이에 따라, 도 11에 도시된 바와 같이, 외장재 패널의 결합구조(100)는 평행사변형 모양으로 움직이게 되며, 외장재 패널의 접합부(예를 들어, 클립(120) 및 체결수단(140)이 체결되는 부분)에서 파손이나 손상은 최대한 방지될 수 있다. 즉, 본 발명의 외장재 패널 결합구조에 따르면 내진성능이 보다 향상될 수 있다.
상기 체결수단(140)은 상기 클립(120)과 상기 외장재 패널(130)을 체결할 수 있다. 이러한 체결수단(140)은, 도 4, 도 5, 도 7 및 도 8에 도시된 바와 같이, 머리부(141a)와 몸체부(141b)로 구성되는 볼트(141) 및 상기 볼트의 몸체부(141b)와 맞물리는 너트(142)를 포함할 수 있다. 또한, 상기 체결수단(140)은 볼트(141)와 너트(142) 사이에 위치하는 평와셔(144)를 더 구비할 수 있다.
또한, 도 11에 도시된 바와 같이, 외장재 패널의 결합구조(100)가 지진에 의해 횡하중을 받을 때, 좌우 및/또는 상하로 휘어지면서 지진에 의한 진동 내지 충격을 흡수하기 위해서는, 외장재 패널의 접합부에서 외장재 패널(130)과 클립(120)을 접합하는 볼트(141a)의 조임력이 크지 않아야 한다. 이를 위해서, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 체결수단(140)은 스프링 와셔(143)를 더 구비할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 도 10에 도시된 바와 같이, 상기 외장재 패널(130)의 제1 슬롯(150)과 대응되도록, 상기 클립(120)에 장공형의 제2 슬롯(160)이 형성될 수 있다. 지진 발생 시, 체결수단(140)이 상기 제2 슬롯(160) 내에서 이동하면서 진동을 흡수하므로, 결합 부분(체결 부분)에서의 파손이나 손상은 최대한 방지될 수 있다.
도 9에 도시된 바와 같이, 상기 외장재 패널(130)의 제1 슬롯(150)은 상기 외장재 패널(130)의 상ㆍ하부 각 코너 측에 총 4개 형성될 수 있다. 도 3의 (b) 및 도 6의 (b)에 도시된 바와 같이, 상기 제1 슬롯(150)이 형성된 부분(외장재 패널의 접합부)의 각각에는 클립(120)이 결합될 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 외장재 패널(130)의 제1 슬롯(150)의 길이방향 길이(S1)는 하기의 수학식 (1)을 만족할 수 있다.
Figure pat00001
여기서, 상기 외장재 패널(130)의 제1 슬롯(150) 간 짧은 길이는 H이며, 상기 외장재 패널(130)이 설치되는 건축물의 최대 허용층간변위비는 θ이며, 상기 제1 슬롯(150)의 길이방향 길이는 S1이며, 상기 제2 슬롯(160)의 길이방향 길이는 S2이며, 상기 체결수단(140)의 볼트(141)의 몸체부(141b)의 직경은 d이다.
상기 수학식 (1)은 다음과 같이 도출될 수 있다. 볼트(141)가 외장재 패널(130)의 제1 슬롯(150)과 클립(120)의 제2 슬롯(160) 내의 가운데에 위치한다고 가정하면, 지진 등에 의해 도 11에 도시된 바와 같은 변형이 발생하는 경우, 접합부에서 흡수할 수 있는 횡변형(Δc)은 하기의 수학식 (2)와 같다.
Figure pat00002
이때, 횡변형(Δc)은, 도 11에서 알 수 있듯이, 호의 길이 공식에 의해, 상기 외장재 패널(130)의 제1 슬롯(150)간 짧은 길이(H)와 건축물의 최대 허용층간변위비(θ)의 곱과 유사할 수 있다. 즉, 횡변형은 수학식 (3)을 만족할 수 있다.
Figure pat00003
또한, 상기의 수학식 (3)으로부터, 외장재 패널의 접합부에서 흡수할 수 있는 층간변위비(θ)는 하기의 수학식 (4)를 만족할 수 있다.
Figure pat00004
따라서, 상기와 같은 수학식 (2) 내지 수학식 (4)에 의해, 본 발명의 외장재 패널(130)에 형성되는 장공형의 슬롯(150)의 길이방향 길이(S1)에 관한 수학식 (1) S1 = 2(Hθ + d) - S2 을 도출해낼 수 있다. 상기의 수학식 (1)을 통해 설계된 제1 슬롯(150)의 길이방향 길이(S1)를 외장재 패널(130)에 적용하면, 건물의 최대 허용 층간변위비에 해당하는 변형이 발생할 때까지의 횡변형을 외장재 패널(130)의 접합부에서 모두 흡수할 수 있다. 즉, 상기 설계릍 통해 외장재 패널이 지진에 의한 진동 또는 충격을 효과적으로 흡수함으로써, 외장재 패널 및 외장재 패널의 결합구조의 내진성능을 획기적으로 향상시킬 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 도 16의 (a)에 도시된 바와 같이, 상기 외장재 패널(130)의 제1 슬롯(150)에 완충재(210)가 끼워질 수 있다. 또한, 도 16의 (b)에 도시된 바와 같이, 상기 클립(120)의 제2 슬롯(160)에 완충재(220)가 끼워질 수 있다. 지진 발생 시, 횡하중이 가해질 때, 체결수단(140)은 슬롯 내에서 움직이게 되는데, 이때 완충재(210, 220)와 부딪히면서 진동 또는 충격을 보다 효과적으로 흡수할 수 있으며, 체결수단(140)의 손상 등을 방지할 수 있다. 또한, 외장재 패널(130)의 접합부가 파괴되는 문제를 해결할 수 있다. 예를 들어, 제1 슬롯(150), 제2 슬롯(160)의 가장자리에 크랙(crack)이 발생하는 것을 방지할 수 있다.
이제, 본 발명의 외장재 패널의 결합구조에 대한 내진성능 실험에 대하여 설명한다. 구체적으로 본 발명의 면내방향 실험 및 면외방향 실험에 대하여 설명한다. 특히, 본 실험들은, 상기의 수학식 (1)을 통해 설계된 제1 슬롯(150)의 길이방향 길이(S1)가 적용된 실험체에 대한 실험에 해당한다.
먼저, 본 발명의 면내방향 실험(반복가력 실험)에 대하여 설명한다. 도 17의 (a)는 반복가력 실험을 위한 실험체의 입면도이며; 도 17의 (b)는 반복가력 실험을 위한 실험체의 평면도이며; 도 18의 (a)는 가로시공 실험체의 사진이며; 도 18의 (b)는 세로시공 실험체의 사진이며; 도 19는 반복 가력 시 실험체의 변형 형상을 나타내는 도면이며; 도 20a는 가로시공 실험체의 사진이며; 도 20b 내지 20e는 층간변위비에 따른 실험체의 거동양상을 나타내는 사진이며; 도 21은 반복가력 이력곡선이며; 도 22는 단조가력 이력곡선이다. 실제 건축물에서 지진하중과 같은 횡력이 작용하는 경우, 벽체는 주로 면내방향 전단력에 대하여 저항하며 전단변형이 발생하는데 전단변형의 형상이 평행사변형과 유사한 형태이다. 본 실험에서는 실제 건물 벽체의 변형형상을 모사할 수 있도록, 도 17 내지 도 19에 도시된 바와 같이, 가로 프레임(310) 및 세로 프레임(320)으로 구성되는 프레임 상에 외장재 패널(130)을 배치시킨 구조의 실험체(300)를 준비하였다. 이후, 가력기(400)를 통해, 층간변위비를 약 0.25%에서 약 4.0%까지 증가시키며 실험체(300)를 반복가력하고, 그 이후에는 단조가력으로 층간변위비 약 4.0% 에서 7.0%까비 증가시키며 가력하였다. 도 20a은 실험체(300)의 각 외장재 패널(130)의 번호를 부여한 사진이며, 도 20b 내지 20e는 도 20a의 실험체(300)의 실험결과를 나타내는 사진이다. 도 20b 내지 도 20e를 참조하면, 층간변위비 약 2.0%까지는 외장재 패널(300)의 접합부에서 슬라이딩만 발생하였고, 외장재 패널의 접합부는 실험체에서 발생하는 모든 변형을 흡수하였음을 알 수 있다. 이후, 층간변위비 약 3.0%부터는 외장재 패널 사이에 충진된 실리콘이 변형하며 압출되었고, 최초의 외장재 패널(130) 파괴는 층간변위비 약 6.0%일 때 ③번 외장재 패널의 접합부에서 발생하였다. ③번 외장재 패널은 4개의 접합부 중 상단 1개의 접합부만 파괴되었으며, 파괴된 이후 층간변위비가 약 7.0%에서도 ③번 외장재 패널(130)은 프레임으로부터 탈락되지 않았다. 또한, ①번 외장재 패널은 층간변위비 약 7.0%에서 1개의 접합부만 파괴되었고, 역시 프레임으로부터 탈락되지 않았다. 즉, 반복가력 실험 결과, 실험체는 KDS 41 17 00에서 제한하고 있는 내진설계 대상 구조물의 최대 층간변위비(2.0%)에 해당하는 변형 및 그 이상(약 4.0% 까지)이 발생한 경우 외장재 패널의 접합부의 슬라이딩 이외의 의미있는 파괴는 발생하지 않았다. 또한, 이후 층간변위비 약7.0%까지 전체 시스템 차원에서 현저한 강성 저하 및 외장재 패널의 탈락 없이 구조물 변형에 저항하였다. 이러한 실험 결과에 비추어 볼 때, 본 발명에 기초한 실험체는 현행 내진설계기준인 KDS 41 17 00의 기준을 충분히 만족하며, 지진하중에 대하여 외장재 패널(130)의 탈락이 발생하지 않으므로, 본 발명은 충분한 면외방향 내진성능을 보유하고 있는 것으로 판단된다.
또한, 도 21 및 22에 도시된 바와 같이, 이력곡선에서 시스템의 강성이 아닌 구간, 즉 기울기가 0이 아닌 구간에서는 가로시공 및 세로시공에서 동일한 강성을 보이고 있는데, 이는 가로시공 및 세로시공 모두 접합부에서 저항 매커니즘이 동일하다는 의미이다.
이어서, 본 발명의 면외방향 실험에 대하여 설명한다. 면외방향 실험으로는 파괴가 예상되는 외장재 패널(130)의 뽑힘파괴 강도 실험 및 L형 클립(120)의 항복강도 실험이 있다. 외장재 패널의 뽑힘파괴 강도 실험에 대하여 설명하면, 도 23에 도시된 바와 같이, 유압식 가력기를 통해 외장재 패널(130)의 뽑힘파괴 강도를 측정한다. 이러한 실험은 3번 진행되며, 1차 실험, 2차 실험 및 3차 실험에 대한 실험 결과는 도 24에 도시된다. 실험 결과, 뽑힘강도의 최소값은 약 2.27kN이며, 외장재 패널(130) 1개당 4개의 L형 클립(120)이 설치되어 있는 경우, 외장재 패널(130) 1개의 뽑힘강도는 약 2.27kN × 4 = 약 9.08kN임을 알 수 있다. 또한, L형 클립의 항복강도 실험에 대하여 설명하면, 도 25에 도시된 바와 같이, 유압식 가력기를 통해 L형 클립(120)의 항복강도를 측정한다. 이러한 실험은 3번 진행되며, 1차 실험, 2차 실험 및 3차 실험에 대한 실험 결과는 도 26에 도시된다. 실험 결과, L형 클립(120)의 항복강도는 각 실험당, 약 6.81kN, 약 6.25kN, 약 6.27kN으로 측정되었다. 즉, 외장재 패널의 뽑힘파괴 강도가 L형 클립의 항복강도보다 작으므로 면외방향의 파괴모드는 외장재 패널의 뽑힘이 지배적인 것으로 나타났다. 즉, 외장재 패널 1개의 뽑힘강도는 약 9.08kN이며, 이러한 뽑힘강도는 KDS 41 17 00 에서 제시하는 비구조요소의 최대 하중보다 크다. 따라서, 본 발명은 충분한 면외방향 내진성능을 보유하고 있는 것으로 판단된다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 체결수단(140)을 통해 클립(120)과 결합하는 외장재 패널(130)은, 상기 클립(120)과 결합하는 부분(접합부)에 장공형의 제1 슬롯(150)이 형성될 수 있다. 지진 발생 시, 상기 제1 슬롯(150) 내에서 사익 체결수단(140)이 이동하면서 진동을 흡수하는 바, 내진성능이 보다 향상될 수 있다. 또한, 상기 외장재 패널(130)의 제1 슬롯(150)은 상기 외장재 패널(130)의 상,하부 각 코너 측에 총 4개 형성되며, 상기 제1 슬롯(150)의 길이방향 길이(S1)는, 앞서 설명한 바와 같이, 상기의 수학식 (1)인 S1 = 2(Hθ + d) - S2 을 만족할 수 있다. 여기서, 상기 외장재 패널(130)의 상기 제1 슬롯(150) 간 짧은 길이는 H, 상기 외장재 패널(130)이 설치되는 건축물의 최대 허용층간변위비는 θ, 상기 제1 슬롯(150)의 길이방향 길이는 S1, 상기 외장재 패널(130)의 제1 슬롯(150)과 대응되도록 상기 클립(120)에 형성되는 제2 슬롯(160)의 길이방향 길이는 S2, 상기 체결수단(140)의 볼트(141)의 몸체부의 직경은 d이다. 이러한 설계에 의한 경우, 외장재 패널(130)의 파괴 없이, 건물에 발생하는 층간변위비에 대한 변형을 접합부에서 모두 흡수할 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 건축물은 상기의 외장재 패널의 결합구조(100)를 채택할 수 있다. 또한, 건축물은 상기의 외장재 패널(130)을 구비할 수 있다. 이에 따라, 건축물의 외장재 패널은 최대 허용층간변위비에 해당하는 변형이 발생할 때까지의 횡변형을 접합부에서 모두 흡수할 수 있다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.
100: 외장재 패널의 결합구조
110: 프레임
120: 클립
130: 외장재 패널
140: 체결수단
150: 제1 슬롯
160: 제2 슬롯

Claims (10)

  1. 내진성능 향상을 위한 외장재 패널의 결합구조에 있어서,
    벽체(W)의 일측과 고정되는 프레임(110);
    상기 프레임의 일측과 결합하는 클립(120);
    상기 클립의 일측과 결합하는 외장재 패널(130); 및
    상기 클립과 상기 외장재 패널을 체결하는 체결수단(140)을 포함하고,
    상기 외장재 패널(130)의 상기 클립(120)과 결합하는 부분에 장공형의 제1 슬롯(150)이 형성되며,
    지진 발생 시, 상기 제1 슬롯(150) 내에서 상기 체결수단(140)이 이동하면서 진동을 흡수하는
    외장재 패널의 결합구조.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 외장재 패널(130)의 제1 슬롯(150)과 대응되도록 상기 클립(120)에 장공형의 제2 슬롯(160)이 형성되는
    외장재 패널의 결합구조.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 외장재 패널(130)의 제1 슬롯(150)은 상기 외장재 패널(130)의 상,하부 각 코너 측에 총 4개 형성되며,
    상기 제1 슬롯(150)의 길이방향 길이(S1)는 하기의 [수학식 1]을 만족하는
    외장재 패널의 결합구조.
    [수학식 1]
    S1 = 2(Hθ+ d) - S2 (1)
    여기서, 상기 외장재 패널(130)의 제1 슬롯(150) 간 짧은 길이는 H,
    상기 외장재 패널(130)이 설치되는 건축물의 최대 허용층간변위비는 θ,
    상기 제1 슬롯(150)의 길이방향 길이는 S1,
    상기 제2 슬롯(160)의 길이방향 길이는 S2,
    상기 체결수단(140)의 볼트(141)의 몸체부의 직경은 d임.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 클립(120)은 L형 클립인
    외장재 패널의 결합구조.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 체결수단(140)은 스프링 와셔(143)를 포함하는
    외장재 패널의 결합구조.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 외장재 패널(130)의 제1 슬롯(150)에 완충재(170)가 끼워지는
    외장재 패널의 결합구조.
  7. 제2항에 있어서,
    상기 클립(120)의 제2 슬롯(160)에 완충재(180)가 끼워지는
    외장재 패널의 결합구조.
  8. 체결수단(140)을 통해 클립(120)과 결합하는 내진성능 향상을 위한 외장재 패널에 있어서,
    상기 클립(120)과 결합하는 부분에 장공형의 제1 슬롯(150)이 형성되며,
    지진 발생 시, 상기 제1 슬롯(150) 내에서 상기 체결수단(140)이 이동하면서 진동을 흡수하는
    외장재 패널.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 외장재 패널(130)의 제1 슬롯(150)은 상기 외장재 패널(130)의 상,하부 각 코너 측에 총 4개 형성되며,
    상기 제1 슬롯(150)의 길이방향 길이(S1)는 하기의 수학식 (1)을 만족하는
    외장재 패널.
    [수학식 1]
    S1 = 2(Hθ + d) - S2 (1)
    여기서, 상기 외장재 패널(130)의 상기 제1 슬롯(150) 간 짧은 길이는 H,
    상기 외장재 패널(130)이 설치되는 건축물의 최대 허용층간변위비는 θ,
    상기 제1 슬롯(150)의 길이방향 길이는 S1,
    상기 외장재 패널(130)의 제1 슬롯(150)과 대응되도록 상기 클립(120)에 형성되는 제2 슬롯(160)의 길이방향 길이는 S2,
    상기 체결수단(140)의 볼트(141)의 몸체부의 직경은 d임.
  10. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 따른 외장재 패널의 결합구조를 채택하는
    건축물.
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