건축용 유리의 열파손 현상

유리창에 외력이 작용하여 유리가 파손되는 현상 중에 그 외력이 눈에 보이지 않는 외력인 열 응력에 의해 파손되는 경우를 건축용 유리의 열파손 현상이라고 합니다.
  
 [일반적인 유리의 파손 메카니즘]

유리가 충격에 의해 파손된다는 것은 무언가 힘이 유리에 작용했다는 것이며, 힘이 작용된 유리가 깨진다는 것은 유리의 파손 시점에 인장응력이 형성되어 있다는 것을 의미합니다. 예로써 우리가 종이를 찢을 때 종이의 양쪽 끝을 잡고 서로 반대방향으로 힘을 줄 때 이 힘의 방향과 수직한 방향으로 종이가 찢어지기 시작함을 볼 수 있습니다. 유리도 마찬가지로 파손이 발생한 시점에는 인장응력이 걸리고 인장응력의 방향과 수직한 방향으로 파손이 진행되는 것입니다.
유리는 생산될 때, 유리 표면은 빨리 식고 유리 내부는 천천히 식기 때문에 상온에 도달한 이후에는 유리 표면에는 압축응력 내부에는 인장응력이 걸려있습니다. 유리 표면에 압축응력이 걸려있기에 표면에 미세한 잔금들이 있어도 유리가 어느 정도 파손에 견디는 힘을 가지고 있는 것입니다. (하기의 그림 참조)   

                

 [열 응력에 의한 유리의 파손 메카니즘] 

건물에 시공된 유리가 아무런 외력이 작용하지 않았는데도 파손이 일어났다는 경우가 보고되고 있습니다. 시공되는 유리가 보통 배강도 유리이기 때문에 자파도 아니면서 힘을 주지도 않았는데 갑자기 유리가 스스로 금이 가기 시작했다는 현상을 보입니다. 보통의 경우, 열파손이 의심되는 상황입니다. 열파손은 유리 모서리와 유리 면적의 중앙부분 사이에 온도 차가 발생하여 열 충격이 일어나는 것입니다. 유리판의 경우 유리 가장자리(모서리) 측이 유리 면적의 중앙부분 측보다는 열적으로 빨리 식기 때문에 일반적으로는 유리의 모서리 측에는 압축응력, 중앙부분 측에는 인장응력이 분포하게 됩니다. 
예를 들어, 유리가 태양광선을 받고 열선을 흡수하여 온도가 상승하면 팽창하게 되는데, 창호(샤시)에 숨어있는 부분이나 그림자가 진 부분은 온도상승이 되지 않고 저온인 상태로 남아 있게 되므로 이 저온 부분이 고온 부분의 열팽창을 구속하여 유리의 모서리 부분에서 발생하는 인장응력에 의해 열파손이 발생하게 됩니다.  

이때, 열파손으로 인한 파손 형태는 유리 모서리에서 시작하고, 유리 면적 중앙부분에 압축응력이 유도되어 있기 때문에 파손의 진행상태는 유리 모서리에서 직각방향으로 진행하다가 경사지어 나가는 특징이 있습니다.

그러나 열 응력에 의한 파손이 일어나려면 상당히 큰 열충격(온도차)이 있어야 하는데, 강화 처리된 유리는 일반유리보다 더욱 큰 열 충격에도 견딜 수 있습니다.   

█  열파손 계산과 판정

열파손의 원인이 되는 열응력은, 창의 방위, 유리의 품종이나 구성, 그림자의 상태, 커텐의 영향, 시공 조건 등 복잡한 영향을 받습니다. 이 발생 열응력을 다음의 계산식에서 추정하고, 유리 품종별 허용 열응력값과 비교하여 일반적인 상황에서의 열파손 가능성을 예측할 수 있습니다.

(1) 판유리의 발생 열응력

σ = A * B * C * D * f * (tg - ts)

σ : 판유리에 발생하는 열응력 (kg/㎠) D : 면적 계수

A : 기본응력계수 4.8kg/㎠ f : 엣지온도 계수

B : 그림자 계수 tg : 유리중앙부의 온도

C : 커텐 계수 ts : 샷시의 온도

[판유리의 허용 열응력]

[그림자 계수]

유리면에 태양광선이 균일하게 닿지 않고 부분적으로 그림자가 지면, 유리판 내부의 온도분포가 변하고, 그림자가 없는 경우에 비하여 발생 열응력이 더 커지게 됩니다. 그림자가 없는 경우 1.0으로 하여, 상대적인 열응력의 증가치를 표시한 것이 그림자 계수입니다.

[커튼 계수]

유리창의 실내 측에 커텐이나 블라인드가 있으면, 태양광선의 반사/재방사 영향을 받아 유리 중앙부의 온도에 영향을 미칩니다. 따라서 이러한 증가치를 커텐이 없는 경우를 1.0으로 하여 비율로 나타낸 것이 커튼 계수입니다.

[면적계수]

유리 면적이 크게 되면, 유리판 내부 온도차가 같아져도, 구속조건의 영향에 따라 열응력이 커지게 됩니다. 이 응력의 증가를 유리 면적 1.0㎡를 기준으로 하여 비율로 나타낸 것이 면적 계수입니다.

[엣지온도 계수]

열응력은 유리 중앙부와 모서리의 유리판 내부 온도차에 비례하지만, 유리의 모서리 온도는 유리의 시공 상태나 샤시의 열용량에 따라 큰 영향을 받게 됩니다. 여기서 사용되는 모서리 온도 계수는 실험에 의해서 구해진 평균값입니다

█ 열파손 방지 대책

1. 유리에 흡수된 열이 잘 빠져나갈 수 있도록 판유리와 실내 커튼과 같은 차양막 사이에 간격(최소 10cm)을 둡니다. 또한 차양막 상부는 공기의 유통을 위해 최소 5cm의 공간을 확보해야 합니다.

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