BIPV(건물 일체형 태양광 발전) 지붕과 관련된 대부분의 문제는 잘못된 구조 계산으로 인해 발생하는 것이 아니라 레이아웃 순서가 잘못되어 발생합니다.
일반적인 접근 방식은 건물 설계에 따라 도리를 배치하고 1.5m 또는 1.2m 등 편리한 라운드 숫자 간격을 선택한 다음 상단에 PV 모듈을 설치하는 것입니다. 설치 중간에 팀은 지지점이 모듈 가장자리에서 100mm 이내에 있거나 패스너가 모듈 프레임의 약한 부분에 닿는 것을 발견할 수 있습니다. 도면을 수정하고 계산을 반복해야 하며 프로젝트 일정이 2주 정도 지연될 수 있습니다.
올바른 순서는 그 반대입니다. 먼저 모듈 치수를 결정하고 지지선 수를 설정하고 도리 간격을 계산한 다음 도리 섹션을 선택합니다.
이 가이드에서는 전체 프로세스를 설명하고, 도리 간격, 단면 크기 및 강철 소비량에 대한 참조 범위를 제공하며, 강도가 발생하기 전에 편향이 지배적인 설계 제약 조건이 되는 이유를 보여줍니다.
PV 모듈 치수는 도리 간격을 결정하는 지지선을 결정합니다.
두 가지 기본 지원 계획
2,278 × 1,134mm 크기의 PV 모듈은 두 가지 기본 구성으로 도리 위에 지지될 수 있습니다.
| 지원 배치 | 모듈 방향 | 지원되는 가장자리 | 도리 간격 |
| 긴 가장자리 지원 | 가로 방향 | 두 개의 긴 모서리 | 모듈의 짧은 면과 동일, 약 1.13m |
| 짧은 가장자리 지원 | 세로 방향 | 짧은 가장자리 2개 | 모듈의 긴 변과 동일, 약 2.28m |
퍼린 간격은 임의적인 디자인 선택이 아닙니다. 이는 모듈 레이아웃에서 파생됩니다. 모듈의 짧은 쪽 치수가 1,134mm인 경우 해당 간격은 약 1.13m입니다. 장변 치수가 2,278mm로 약 2.28m입니다. 세 번째 지지대가 추가되지 않는 한 기본 배열에는 중간 지지선이 없습니다.
언제 세 개의 지지선이 필요합니까?
넓은 범위, 높은 풍하중 또는 더 무거운 모듈의 경우 2점 지지가 충분하지 않을 수 있습니다. 한 가지 해결책은 모듈 중앙 아래에 도리를 추가하여 원래 범위를 두 개의 범위로 나누는 것입니다.
중앙 도리를 추가하면 지지선 사이의 간격이 약 1.14m 또는 1.13m가 되어 긴 가장자리 지지대와 유사한 구성이 생성됩니다. 그 대신 더 많은 도리를 필요로 하여 총 철강 소비량이 증가한다는 점을 고려하면 됩니다.
가장자리-거리 제약
모듈 가장자리와 도리 중심선 사이에 충분한 거리가 유지되어야 합니다. 일반적인 클램프의 유효 그립 폭은 약 30~40mm입니다. 도리 중심선이 모듈 가장자리에 너무 가까우면 클램프가 단단히 고정되지 않을 수 있습니다. 너무 멀리 떨어져 있으면 모듈 돌출부가 과도해지고 바람에 의해 모서리가 변형될 위험이 높아집니다.
일반적인 업계 관행은 돌출부가 모듈 짧은 쪽 치수의 1/5을 초과하지 않도록 하면서 도리 중심선을 모듈 가장자리에서 안쪽으로 50~100mm 위치시키는 것입니다.
Purlin 간격이 단면 선택에 미치는 영향
동일한 면적하중을 가정할 때 도리 간격이 두 배로 늘어나면 각 도리의 선하중도 두 배로 늘어납니다. 이에 따라 섹션 크기를 늘려야 합니다.
| 도리 간격 | 전형적인 단면도 | 이론적인 무게 | 단위 면적당 철강 소비량 | 메모 |
| 1.13m | C160×60×20×2.5 | 대략. 6.3kg/m | 대략. 5.5kg/m² | 더 많은 도리, 부재당 더 낮은 하중 및 설치 중 취급이 더 용이함 |
| 1.50m | C180×70×20×2.5 | 대략. 7.1kg/m2 | 대략. 4.7kg/m² | 타협 솔루션; 편향을 확인해야합니다 |
| 2.28m | C220×70×20×3.0 | 대략. 9.4kg/m | 대략. 4.1kg/m² | 도리 수가 적고 부재당 하중이 높습니다. 편향이 제한 요인이 될 수 있음 |
강철 소비만을 기준으로 하면 2.28m 간격의 짧은 가장자리 지지대가 약 4.1kg/m²로 더 경제적으로 나타납니다. 이는 긴 가장자리 지지대와 관련된 5.5kg/m²보다 20% 이상 적은 수치입니다.
그러나 이 수치를 단독으로 고려해서는 안 됩니다. 그 이유는 다음 섹션에서 분명해집니다.
편향: 강도가 중요해지기 전에 도달할 수 있는 한계
처짐 한계는 어떻게 결정됩니까?
정상적인 사용 가능성 조건에서 지붕 도리의 경우 일반적으로 사용되는 산업 제한은 다음과 같습니다. L/200. 바람에 대한 저항과 방수 요구 사항이 더 엄격한 일부 프로젝트에서는 L/250을 채택할 수 있습니다.
7.5m 범위의 프로젝트의 경우 L/200은 37.5mm의 편향만 허용합니다. 9m 스팬의 경우 한계는 45mm입니다. 이러한 허용치는 강철 부재에 대해 상대적으로 제한적입니다.
도리 간격을 두 배로 늘리면 편향을 제어하기가 더 어려워지는 이유는 무엇입니까?
처짐은 동일한 경간 및 지지 조건을 가정할 때 등분포 하중에 비례하고 부재의 두 번째 면적 모멘트에 반비례합니다.
도리 간격이 1.13m에서 2.28m로 증가하면 각 도리의 선하중은 약 두 배로 늘어나고, 달리 변경되지 않은 조건에서 처짐도 마찬가지입니다. C160에서 C220으로 단면을 늘리면 면적의 두 번째 모멘트가 제한적으로 증가하므로 추가 하중을 완전히 보상할 수 없습니다.
결과적으로 처짐 검사가 실패하더라도 강도 검사는 여전히 허용 한계를 충족할 수 있습니다. 이는 가장 일반적인 지붕 도리 설계 문제 중 하나이며 도면 검토 중에만 발견되는 경우가 많습니다.
BIPV 지붕에 대한 처짐 요구 사항이 더 엄격한 이유는 무엇입니까?
BAPV(건물 응용 광전지) 시스템에서 PV 모듈은 금속 지붕에 부착되는 지지 구조물에 장착됩니다. 과도한 편향으로 인해 지지 구조와 지붕 패널 사이의 밀봉이 손상되어 개스킷을 다시 밀봉하거나 교체하여 해결될 수 있는 유지 관리 문제가 발생할 수 있습니다.
BIPV 시스템에서는, PV 모듈 자체가 지붕 외피의 일부를 형성합니다.. 도리가 5mm 휘어지면 패널 조인트가 5mm 열릴 수 있습니다. 방수 연속성은 구조적 강성과 밀봉 세부 사항에 따라 달라집니다.
이것이 바로 BIPV 지붕이 기존 금속 지붕보다 더 엄격한 편향 제어를 요구하는 이유이며, 기둥 간격이 큰 프로젝트에서는 짧은 가장자리 지지 장치가 거부될 수 있는 이유입니다.
Purlin 간격을 변경할 수 있는 세 가지 추가 제약 조건
열 간격
도리 범위는 메인 프레임 기둥 사이의 간격에 의해 결정됩니다. 6m, 7.5m 및 9m의 기둥 간격은 산업용 건물의 일반적인 옵션입니다.
기둥 간격이 증가함에 따라 도리 범위가 길어지고 일반적으로 더 깊은 단면이 필요하며 강철 소비가 증가합니다. 따라서 중도리 간격은 독립적으로 선택하기보다는 확립된 기둥 레이아웃의 틀 내에서 선택해야 합니다.
PV 모듈 조인트
Purlin 위치는 PV 모듈 사이의 접합부와 정렬되어야 합니다. 도리가 모듈 중앙 바로 아래에 떨어지면 패스너가 모듈 백시트의 지지되지 않는 영역에 닿아 연결이 클램핑에 의존하게 되고 잠재적으로 조인트 강성이 감소할 수 있습니다.
패널 레이아웃 중에 모듈 접합선을 먼저 표시한 다음 도리 중심선을 설정합니다. 이 순서를 거꾸로 하면 안 됩니다.
열 운동
지붕 온도가 70°C에 도달하면 강철 도리와 알루미늄 모듈 프레임은 열팽창 계수가 다르기 때문에 서로 다른 속도로 팽창합니다. 따라서 세로 확장은 동일하지 않습니다. 일반적인 엔지니어링 접근 방식은 길이 방향을 따라 슬라이딩 세부 사항을 통합하여 모듈과 도리 사이의 상대적인 움직임을 제한하는 것입니다.
지나치게 좁은 도리 간격은 이러한 움직임을 제한하고 모듈 프레임의 구속 응력을 증가시킬 수 있습니다. 따라서 도리 간격이 더 가까웠다고 해서 자동으로 더 안전한 설계를 의미하는 것은 아닙니다.
완전한 도리 선택 예
가정된 조건: 기둥 간격 7.5m, 통합 BIPV 지붕, 2,278 × 1,134mm 크기의 PV 모듈, 적당한 풍압 구역에 위치한 프로젝트.
1단계: 지원 방식을 선택합니다. 7.5m 기둥 간격은 상대적으로 큽니다. 짧은 모서리 지지대와 2.28m의 도리 간격을 사용하면 처짐을 L/200 한계 내에서 제어하기 어려울 수 있습니다. 따라서 가로 방향의 긴 가장자리 지지대가 선택되며 도리 간격은 1.13m입니다.
2단계: 도리 섹션을 선택합니다. 사하중 20kg/m², 유지 활하중 0.5kN/m² 및 적용 가능한 국부 풍하중 조합을 사용하여 선하중을 계산하고 C160 × 60 × 20 × 2.5 단면을 선택합니다. 풍압이 더 높으면 C180 × 70 × 20 × 2.5로 업그레이드하십시오.
3단계: 편향을 확인합니다. 7.5m 스팬의 경우 L/200 한계는 37.5mm입니다. 적용 가능한 하중 조합에서 처짐을 확인하고 허용 한계 내에 있는지 확인하십시오.
4단계: 모듈 조인트를 정렬합니다. 1,134mm 레이아웃 모듈을 사용하여 모듈을 배열합니다. 목표 위치 지정 허용 오차는 ±5mm로 도리 중심선을 모듈 연결선과 정렬합니다.
5단계: 레이아웃 도면을 완성합니다. 도리 간격, 단면 사양, 패스너 위치, 슬라이딩 끝 및 고정 끝을 명확하게 표시합니다.
이 순서를 따르면 도면 검토 중 레이아웃 수정 가능성을 줄이는 데 도움이 됩니다.
자주 묻는 질문
Q1: 지붕 도리 사이의 일반적인 간격은 얼마입니까?
일반적인 산업 범위는 1.0~1.5m입니다. 실제 간격은 모듈 치수, 지지 배열 및 하중 조합에 따라 달라집니다. 짧은 쪽 치수가 1,134mm인 모듈의 경우 긴 가장자리 지지대는 약 1.13m 간격에 해당합니다. 장변 치수 2,278mm를 기준으로 한 짧은 모서리 지지대는 약 2.28m에 해당하며 이는 일반적인 범위를 초과하므로 별도의 편향 확인이 필요합니다.
질문 2: 도리 간격이 작을수록 항상 지붕이 더 안전해 집니까?
아니요. 간격이 작을수록 더 많은 도리와 더 많은 강철 소비가 발생합니다. 또한 열 팽창을 수용하는 데 필요한 슬라이딩 이동을 제한하여 모듈 프레임의 구속 응력을 증가시킬 수 있습니다. 올바른 접근 방식은 처짐, 강도 및 열 이동 요구 사항을 동시에 충족하는 것입니다.
질문3: BIPV 지붕은 기존 금속 지붕과 동일한 도리 레이아웃을 사용할 수 있습니까?
이는 특정 설계 검토 없이는 권장되지 않습니다. 기존 금속 지붕의 처짐 제한은 주로 배수 및 외관을 다루는 반면, BIPV 지붕은 PV 모듈과 방수 시스템 간의 연속성을 유지해야 합니다. 동일한 도리 배치가 BAPV에 적합할 수 있지만 BIPV 적용 시 패널 조인트가 과도하게 열릴 수 있습니다.
질문4: 기존 공장 지붕에 BIPV를 개조할 때 도리를 추가하거나 더 가깝게 간격을 두어야 합니까?
기존 구조는 원래 설계 하중과 현재 부식 상태를 기반으로 재평가되어야 합니다. 업계 경험에 따르면 기존 금속 지붕의 절반 미만이 PV 개조에 필요한 구조적 용량 검사를 통과한 것으로 나타났습니다. 구조물이 파손되면 부재 수용력 증가, 지지대 추가 또는 도리 교체 등의 보강이 필요할 수 있습니다. 이러한 조치는 개조 예산의 15%~25%를 차지할 수 있습니다.
구조 설계 단계에서 PV 고정 하중과 유지 활하중을 통합하면 후속 보강이 필요한 설계에 비해 총 철강 소비량을 약 8%~12% 줄일 수 있습니다. 이러한 예상 절감 효과는 공유된 연결 세부 사항, 섹션 최적화 및 통합 지붕 설계의 결합 효과로 인한 것입니다. PV 모듈 자체의 비용 차이는 제외됩니다.
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