[FSCM KOR ver.] 파사드 구조 계산 매뉴얼 1.1 하중편

 

들어가면서

 

모든 건축 구조 계산의 가장 첫 단추는 하중을 구하는 것이다. 건물에는 여러 하중이 작용한다. 건축 구조를 계산할때는 건축물에 작용하는 여러 하중들을 도식화하고, 재조합하는 작업이 필요하다. 그러나 건축물의 파사드에 작용하는 하중은비교적 간단한 편이다. 밑에서 다루겠지만, 파사드 설계시에 주로 고려하는 하중은 자중과 풍하중 정도이다. 지붕을 설계할때는 설하중도 고려한다. 최근에는 내진설계가 일반화됨에 따라 파사드의 내진 설계 또한 법적으로 요구하고 있다. 이때는 지진하중을 생각해야 한다.

 

이번 글에서는 건축물의 구조 계산시에 가장 기초가 되는 하중의 정의와 종류에 대해서 개괄적으로 알아본다. 매뉴얼의 1번 챕터는 뒤이어 나올 2,3번 챕터의 기본기라고 생각하면 된다.

 

(1) 하중의 정의

 

하중은 구조 시스템 밖에서 가해지는 외력이다. 건물은 세워짐과 동시에 외력의 도전을 받고, 이 도전을 끊임없이 구조물 자체가 소화하며 견뎌야 하는 것이다. 하중은 가해지는 방향에 따라서 수직 하중과 수평 하중, 시간에 따라 하중의 방향과 크기가 변하는가 아닌가를 기준으로 정하중과 동하중으로 나뉜다. 대개의 경우 수직 하중이 정하중이고 수평 하중이 동하중이다.¹

 

(2) 하중의 종류

 

• 고정하중, 자중, 사하중 Dead Load: 건물 자신의 무게인 고정하중은 구조체가 만들어짐과 동시에 발생한다. 다른 용어로는 자중 또는 사하중이라고 한다. 고정 하중을 구하는 방법은 재료의 비중에 부피를 곱한 값이다. 어떻게 보면 인류의 건축 구조물 중 대부분은 자신의 무게만을 견디도록 설계되었다고 해도 과언이 아니다. 재료가 무거울 수록 건물이 자기 자신의 무게를 견디기만 하면 다른 하중은 거의 자동적으로 해결이 되었기 때문이다. 지금도 소형 건축물의 경우 이 원리는 유효하다. 자기 무게만 견딜 수 있게 하면 건축물의 다른 하중 대부분은 해결이 된다.
• 적재 하중, 활하중 Live load: 구조체 내에 있는 사람이나 차량, 가구 등 옮길 수 있는 하중이며 시간에 따라 변한다는 것이 특징이다. 활하중이라는 이름따라 예측이 어려운 것이 특징이어서 구조적으로 이에 대해 최대한 보수적인 가중치를 둔다.
• 풍하중 Wind load: 건물에 부는 바람에 의한 하중으로 건물이 높을수록, 그리고 가벼울수록 그 영향이 크다. 풍하중은 바람을 맞는 면인지, 바람에 등지는 면인지에 따라 정압과 부압으로 나눌 수 있다. 정압은 외부로부터 내부가 받는 압력이라면, 부압은 내부가 외부로 빨려나가려는 듯한 압력이다. 풍하중은 동하중로 분류되지만, 일반적으로 일종의 정하중으로 보고 평균값으로 계산을 한다. 하지만 풍하중의 구조 설계에 절대적인 영향을 미치는 초고층 건물의 경우 주변 환경과 건물의 모형을 만들어 실제 바람을 쏘는 풍동실험을 통해 풍하중을 계산하기도 한다.
• 설하중 Snow load: 눈은 가벼워 보이지만 그 실체는 분명 물이다. 물이 얼마나 무거운지는 1L 의 생수병만 들어보아도 알 수 있다. 1미터 정도의 눈이 쌓이면 무게는 제곱미터당 150kg 정도이지만, 물기가 많은 습설일 경우 이에 2~3배까지도 더 나간다.² 설하중은 과거 기상 관측 자료에 따라 지역마다의 설량을 예측해 제곱미터 당 하중을 결정한다. 파사드 엔지니어의 업무 범위로는 지붕이나 천창도 포함되어 프로젝트에 따라 설하중을 계산하기도 한다.
• 지진하중 Seismic load: 풍하중과 마찬가지로 동하중이다. 지진은 지반이 수평방향 혹은 수직방향으로 건물을 흔드는 것이다.³ 무게중심이 높이 있는 고층 건물일수록 지진에 의한 변폭이 커지므로 높은 건물일수록 내진 설계가 중요하다. 파사드에서는 일정 규모 이상의 건물일 경우 건축 구조체의 내진 설계 뿐만 아니라 파사드 구조의 내진 설계를 의무화하는 등 지진 하중에 대한 고려가 강화되고 있다.
• 변형하중 Thermal & Settlement load: 하중이 발생하면 건물에 변형이 발생하는데, 그 반대도 마찬가지이다. 즉 변형이 발생하면 하중이 발생하며 이를 변형하중이라고 한다. 대표적인 변형 하중으로는 온도하중과 침하하중이 있다. 특히 파사드에서 중요한 온도하중은, 온도 변화에 따른 재료의 서로 다른 수축팽창률로 재료 사이에 충돌이 생기거나, 혹은 탈락이 발생할 수 있다. 온도하중이 극심하게 발생하면 온도하중으로, 구조체가 응당 견뎌야 할 다른 하중을 견디지 못해 더 큰 변형과 파괴가 발생할 수 있다. 이를 예방하기 위해 건축 및 파사드 부재의 신축이음 expansion joint 설계는 필수적이다. 침하 하중은 지반 상태가 뷸균등해 한쪽이 가라앉으면서 발생하는 변형에 의한 하중이다.
• 피로 하중 Fatigue load: 진동 등에 의해 반복적으로 재하되는 하중을 말한다.⁴ 피로가 누적되면 재료는 응당 견뎌야 할 하중에도 자신의 강도를 발휘하지 못하고 파괴된다. 반복하중은 물질의 원자 배치를 서서히 변화시키는데, 이런 재배치 현상을 크립 creep 현상이라고 한다. 물질이 최대한 자신의 모습을 변화시켜 하중에 저항하려는 방법이다.

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¹ 함인선, 구조의 구조, 발언, 2000

² 함인선, 건물이 무너지는 21가지 이유, 2018

³ 이주나, 박찬수, 건축과 구조, 2015

⁴ 함인선, 건물이 무너지는 21가지 이유, 2018