[FSCM KOR ver.] 파사드 구조 계산 매뉴얼 1.1 풍하중과 설계속도압

들어가면서

 

하중을 구하는 일은 파사드 구조 계산에서 가장 첫 번째로 하는 작업이며 이어지는 모든 계산의 바탕이 되는 작업이다. 특히 파사드에서 절대적으로 중요한 하중은 풍하중이다. 파트 1에서도 얘기가 나왔었지만, 건물이 가볍고 높아지면서 풍하중 이슈가 대두된 것이다. 그렇다면 풍하중은 어떻게 구할 수 있을까? 오늘은 이에 대한 이야기를 해보려고 한다.

 

(1) 코드로 구하는 풍하중

 

많은 하중과 마찬가지로, 풍하중도 코드에 의거해서 구한다. 여기서 말하는 코드란 building code, 즉 건축법규를 지칭한다. 한국의 경우에는 건축구조설계기준이라는 문서를 통해서 풍하중을 구하는 방법을 명시해두었다. 이 코드는 유럽과 미국 등 국가별로 기준이 다르기 때문에 다른 국가에서는 그에 맞는 계산 식을 사용해 구해야 한다. 여기서는 한국의 건축구조설계기준에 따라서 서술하겠다.

 

(2) 주골조용 풍하중 vs 외장재 설계용 풍하중

 

건축구조설계기준에 따라 풍하중은 적용되는 부위가 주골조인지 혹은 외장재인지에 따라서 구하는 방법이 나뉜다. 우리는 파사드 구조 계산 시 필요한 풍하중을 구하는 것이기 때문에 외장재 설계용 풍하중 관련 코드를 분석하면 된다. 

 

(3) 외장재 설계용 풍하중 식

풍하중을 구하는 가장 큰 식은 다음과 같다. 설계 속도압에 상황에 맞는 계수를 곱한다. 단위는 N/m²으로 면적에 가해지는 힘의 크기로 설명한다.

Wc = pc ⨯ Ac (N)

Wc : 풍하중
pc : 외장재 설계용 설계풍압 (N/m² ≧ 500N/m²)
Ac : 외장재 등의 유효수압면적(m²)

풍하중을 구할 때 함께 구해야 하는 요소로 설계 풍압과 외장재의 유효수압면적이있다. 각각을 정의하는 방법은 다음과 같다. 

 

풍압계수를 구하는 기본적인 식은 다음과 같다. 지역별 풍속에 따라 예측되는 설계속도압에 예측되지 않는 바람의 영향의 영향을 의미하는 풍압계수를 곱해준다. 

설계풍압(N/m²) = 설계속도압 ⨯ 풍압계수

*Note: 여기서의 풍압계수는 외장재 설계용 풍압계수임.

그러나 몇 가지 상황에 따라 설계 풍압을 구하는 식은 아래와 같이 구체화된다.

 

1. 기준 높이 20m 이상 건축물

기준 높이 20m 이상 건축물에서는 정압인 외벽과 부압인 외벽 및 지붕면을 각기 구한다.

 

• 정압인 외벽

pc = kz ⨯ qH (GCpe - GCpi) (N/m²)

 

• 부압인 외벽 및 지붕면

pc = qH(GCpe - GCpi) (N/m²)

 

2. 기준 높이 20m 미만 건축물

기준 높이 20m 미만 건축물인 경우에는 벽, 지붕을 구분하지 않고 다음 식으로 구한다.

pc = qH(qH(GCpe - GCpi) (N/m²)



#Note: 건축물의 높이가 20m 미만일 경우, 설계풍압을 구할 때
#지표면조도구분이 A,B,C 일 경우 지표면조도구분 C에서의 설계속도압을 적용하며, 
#지표면조도구분이 D 일 경우 D에서의 설계속도압을 적용한다.
#즉, 지표면조도구분 A,B는 사용하지 않는다.

 

3. 독립지붕 

독립지붕의 풍하중을 구할 때는 설계속도압에 독립지붕의 피크순압력계수를 곱해 산정한다.

pc = qH ⨯ C^N (N/m²)

#kz: 높이방향압력분포계수
#qH: 기준높이 H에 대한 설계속도압(N/m²)
#GCpe: 외장재설계용 피크외압계수
#GCpi: 외장재설계용 피크내압계수
#C^N: 독립지붕의 피크순압력계수

 

(4) 설계속도압 구하기

 

앞으로 소시지처럼 줄줄이 각 값을 구하는 식들이 이어지게 된다. 그러나 가장 큰 원칙이었던, 풍하중은 설계속도압과 풍압계수의 곱으로 나타낸다는 사실을 잊지 않으면 된다. 그렇다면 설계속도압은 어떻게 구할까? 설계속도압을 구하는 식은 다음과 같다.

qH = p(VH)²/2

#qH: 기준 높이 H에서의 설계속도압
#p: 공기 밀도로서 균일하게 1.22kg/㎥

 

설계속도압은 설계풍속과 공기밀도의 곱으로 나타낸다. 공기밀도는 상수로서 일정하지만, 설계풍속은 변수로서 건물이 들어서는 대지 상황마다 달라지는 값이다. 설계풍속은 다시 기본 풍속, 풍속고도분포계수, 지형계수, 중요도계수의 곱으로 나타낸다. 식이 복잡하지만 기본 풍속에 건물의 조건들이 "계수"로서 들어가 기본 풍속을 불리하게 하거나 유리하게 해준다고 이해하면 편하다.

설계풍속 VH =  V0*Kzr*Kzt*Iw

식을 이루는 기본 풍속과 다양한 계수들에 대해서 살펴보면 다음과 같다.

 

• 기본풍속(V0):

기본풍속은 각 지역별로 관측된 풍속 값이다. 건축구조기준의 정확한 정의를 빌리자면 다음과 같다.

 

지표면조도 구분 C인 지역의 지표면으로부터 10 m 높이에서 측정한 10분간 평균풍속에 대한 재현기간 100년 기대풍속

 

따라서 어느 지역에 건물이 위치해있느냐에 따라서 기본 풍속은 달라지며 아래와 같이 건축구조기준에 표로 정리되어 나와있다.

 

⁑ KDS 41 10 15 건축구조설계기준 지역별 기본 풍속 V0

 

• 풍속고도분포계수(Kzr): 

풍속고도분포계수를 구하기 위해서는 다양한 하위 개념들에 대한 이해가 필요하다. 먼저 풍속고도분표계수는 건축구조기준 상 다음과 같이 정의되어있다.

 

지표면의 고도에 따라 기준경도풍 높이까지의 풍속의 증가분포를 지수법칙에 의해 표현했을 때의 수직방향 분포계수

 

정의만 두고 보았을 때는 개념이 쉽게 와 닿지 않는다. 풍속고도분포계수 개념의 등장은 지표면과 인접한 부분의 풍속은 지표면과의 마찰에 의해 약할 것이고, 지표면에서 멀어지면 방해물이 없어져 풍속이 증가할 것이라는 이해에서부터 출발한다. 이를 다이어그램으로 표현해보면 다음과 같다. 풍속의 증가 양상이 우리가 알고 있는 지수함수와 유사하다는 것을 알 수 있다. 

 

지표면에서 멀어질수록 마찰력 감소로 인한 풍속 증가

그러나 높이가 높아짐에 따라 무한정 풍속이 강해지지는 않을 것이다. 즉 지표면에서 멀어짐에 따라 풍속 증가의 기울기는 초반에는 가파르나 점차 둔해지며 일정 수준 이상에서는 최대 풍속을 똑같이 적용하여도 될 것이라는 결론이 나온다. 때문에 풍속고도분포계수를 구할 때는 다음의 다섯 가지 개념이 추가로 등장한다.

 

1. A, B, C, D: 지표면조도구분
2. z: 지표면에서의 건물 높이
3. zb: 대기경계층시작 높이
4. Zg: 기준경도풍 높이
5. α: 풍속고도분포지수

풍속고도분포계수 개념 다이어그램

용어가 매우 까다롭지만, 그림으로 이해하면 쉽게 와 닿는다. 즉 풍속고도분포계수는 지표면이 얼마나 울퉁불퉁한지(수목이 많고, 건물이 많은지)에 따라 지표면에 대한 마찰이 다를 것이다. (대기경계층시작높이) 또한 건물의 높이에 따라 풍속이 증가되는 시점과 종점, (풍속고도분포지수) 풍속이 일정해지는 시점과 종점 (기준경도풍높이)가 상이할 것이다. 

 

이러한 개념에 따라 풍속고도분포계수를 구할 때는 대상지의 지표면 조도를 먼저 선택하고, 건물의 높이를 설정하면 이에 따른 풍속고도분포계수가 특정 계수와 지수의 곱으로서 산출되는 것이다. 그리고 지표면조도구분과 해당 계수와 변수의 곱은 건축구조설계기준에 다음과 같은 표로 명시되어있다.

 

⁑ KDS 41 10 15 건축구조설계기준 지표면조도구분

⁑ KDS 41 10 15 건축구조설계기준 풍속고도분포계수 Kzr

⁑ KDS 41 10 15 건축구조설계기준 zb, Zg, α

• 지형계수(Kzt): 

지형계수는 한마디로 건물이 평지가 아닌 언덕배기에 위치한다면 풍속을 증가시키는 계수이다. 건축구조설계기준상 지형계수는 다음과 같이 정의되어 있다.

 

언덕 및 산 경사지의 정점 부근에서 풍속이 증가하므로 이에 따른 정점 부근의 풍속을 증가시키는 계수

 

평탄한 지역에 대한 지형계수는 기본적으로 Kzt = 1.0이다. 그러나 선, 언덕 및 경사지 정상 부근 등에서는 풍속을 할증한다. 지형계수를 통해 풍속을 할증하는 내용은 상당히 길고 복잡하여, 코드를 직접적으로 참고하는 것이 효과적이라고 생각되므로 본 포스트에서는 넘어가도록 하겠다. 다만, 지형계수 또한 다른 계수들과 마찬가지로 지형적 조건에 따라 기본 풍속에 곱해지는 안전율이라고 생각하면 된다.

 

• 중요도계수(Iw):

중요도 계수는 건축물의 중요도 분류에 따라 기본풍속을 할증시키거나, 감소시키는 계수이다. 건축물의 중요도 분류는 KDS 41 10 05 건축구조기준 총칙에 서술되어있으며, 그에 따른 중요도 계수는 아래 표에 의거하여 정한다.

 

⁑ KDS 41 10 15 중요도계수 Iw

 

나가면서

 

이 과정을 마치면 기본설계풍속의 제곱에 공기밀도를 곱하고 절반으로 나눈 설계속도압을 구하는 과정이 끝난다. 목적지인 설계풍압을 구하기 위해서는 설계속도압에 다시 곱해주는 풍압계수를 구할 차례이다. 글이 길어졌으니 풍압계수를 구하는 방법은 다음 포스트에서 다루도록 하겠다.

 

 

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*Note:

 

① ⁑ 표시된 모든 표와 그래프는 KDS 41 10 15 건축구조설계기준에서 발췌하였습니다.

② 본 포스트는 건축구조설계기준을 이해한 내용을 바탕으로 쉽게 풀어서 서술한 것으로, 보다 정확한 내용은 국토교통부고시 건축구조설계기준 전문을 참고하시기 바랍니다.

③ 아래와 같은 형식으로 처리된 문장은 건축구조설계기준의 정의를 그대로 인용한 부분입니다.

ex. 예시 문장입니다.