​KBC2016에 따른 풍하중 산정

모든 공작물은 자중, 활하중, 적설하중, 풍하중, 지진하중, 기타 외력에 대한 안전을 확인하여야 한다. 하지만 위에서도 언급했듯이 공작물의 경우 표면적에 비해 자중이 가벼운 것이 많고 자중에 작용하는 지진하중은 별로 문제가 되지 않는 경우가 대부분이어서 특수한 경우를 제외하고는 활하중과 지진하중은 비중이 적은 편이다. 적설하중 또한 공작물의 단면적이 크지 않아 공작물에서 실제 고려해야할 외력을 풍하중이라 할 수 있다. 따라서 본 가이드에서는 풍하중을 위주로 다루고자 한다.

(1) 설계 풍하중 산정식

 

공작물을 포함한 모든 건축구조물의 풍하중은 국토해양부에서 고시한 건축구조기준(이하 KBC2016)에서 명시한 하중선정기준에 의해 산정하여야한다. 건축구조물에는 시간적으로 변동하는 풍력이 작용하고 건축물은 임의시간에 최대변동이 발생한다. 구조설계용 수평풍하중이란 이와 같이 건축물의 최대변형과 동일한 변형을 건축물에 발생시키도록 하는 등가정적인 하중을 말한다.

KBC 2016에서 건축물의 구조골조를 설계하는 경우의 수평풍하중으로 풍방향 풍하중은 다음 식으로 산정한다.

위 식에서 설계풍압은 건축물의 밀폐와 개방 정도에 따라 달라지며 공작물의 경우 <0305.2.3 개방형 건축물 및 기타 구조물>에 정의된 설계풍압 산정식을 적용하여야 한다.

(2) 설계 풍압

 

개방형 건축물 및 기타 구조물에는 실내압이 발생하지 않는다. 따라서 개방형 건축물 및 기타 구조물의 설계풍압은 구조물의 한쪽에 작용하는 정압과 다른 한쪽에 작용하는 부압을 동시에 고려한 외압계수의 합을 하나의 풍력계수로 적용하여 설계풍압을 구한다.

개방형 및 기타구조물의 주골조설계용 설계풍압은 다음 식에 따라 산정한다.

(3) 설계 속도압

 

임의 높이 Z에서의 설계속도압은 다음 식에 따라 산정한다.

(4) 설계 풍속

 

설계풍속을 결정할 때에는 건설지점에 세워질 건축물의 풍하중을 평가할 때 풍속에 영향을 미치는 자연적 또는 인위적 요소들이 설계풍속 내에 고려되도록 하였다.
자연적 요소는 3가지로서 ①건설지점의 지리적 위치에 따라 정하는 기본풍속, ②건설지점 주변의 지표면상황에 따라 정하는 풍속고도분포계수, ③건설지점 주변의 지형상황에 따라 정하는 지형계수이다.
인위적 요소로서 ④건축물의 설계용 재현기간에 따라 정하는 중요도계수가 포함되도록 하였다. 주골조설계용 수풍하중을 산정할 때 사용되는 풍속은 현재 우리나라의 기상대에서 취급하는 10분간 평균풍속을 기본으로 하고 있다.

설계풍속은 다음 식으로 산정한다.

(5) 기본풍속

 

기본풍속이란 내풍설계 시 필요한 설계풍속을 구하기 위한 근간이 되는 풍속을 말한다. 설계풍속은 대상으로 하는 구조물의 크기, 높이, 건설장소, 구조 동특성 등을 고려하여 결정되는데 반해, 기본풍속은 건설지점이 위치한 지역에 따라 결정된다.

최근 발생한 이상기상 현상 등에 의한 강풍 현상 및 급격한 도시화로 인한 지표면상태의 변화에 따른 풍속변화 현상을 반영하기 위하여 최근 40년간(1973~2012)의 년최대풍속자료에 근거하여 기본풍속지도를 다시 작성하였고, 풍속맵의 간격도 5m/s(KBC2009)에서 2m/s로 세분화하였다.

[ 그림 1. 기본풍속 ]

[ 표 1. 지역별 기본풍속 ]

(6) 풍속고도분포계수 및 지표면조도구분(노풍도)

 

지표면 부근의 바람은 지표면과의 마찰 때문에 수직방향으로 풍속이 변한다. 풍속은 지표면 가까이에서는 감소하고 상공으로 올라갈수록 증가한다. 이러한 풍속고도분포는 지수법칙에 잘 부응된다. KBC2016에서는 높이에 따른 풍속분포로서 지수법칙을 채택하였고, 풍속고도분포계수는 각 지표면조도에 대응하는 풍속을 지표면조도 C인 평탄지형의 지상높이 10m 풍속으로 기준화시킨 것이다.

 

가. 평탄한 지역에 대한 풍속고도분포계수는 아래 (2)에서 규정한 건설지점의 지표면조도구분과 그에 따른 대기경계층시작높이 , 기준경도풍높이 및 풍속고도분포지수 에 따라 표 2에 의해 정한다.

[ 표 2. 평탄한 지역에 대한 풍속고도계수 ]

나. 지표면조도구분은 건설지점 주변지역의 지표면상태에 따라 표 3에 의해 정하고, 기타 계수 값은 지표면조도구분에 따라 표 4에 의해 정한다.

[ 표 3. 지표면조도구분(노풍도) ]

[ 표 4. 지표면조도구분에 따른 계수값 ]

건설지점에 대한 지표면조도를 선정하기 위하여 건설지점주변의 상황을 조사하여 보면, 2이상의 지표면조도가 혼합되어 있는 경우가 많다. 이러한 경우 지표면조도의 선정은 풍상측에 대하여 그림 2에 나타낸 것처럼 45°의 영역 중 건축물의 기준높이 의 40배와 3km이내의 범위에 속하는 지표면상태를 대상으로 하여 아래에 기술하는 3가지로 나누어 판단한다.

[ 그림 2. 지표면조도구분의 선정 예 ]

첫째, 검토대상범위내의 풍상측에 급격한 지표면조도의 변화가 없는 경우에는 45°범위내의 평균적인 지표면상태를 그 풍향에 대한 지표면조도로 한다. 일반적으로는 평탄한 지표면조도를 선정하는 것이 풍하중이 커져 안전해진다.

둘째, 검토대상범위내의 풍상측이 평탄상태에서 거친 상태로 급변하는 경우에는 급변하는 지점보다 풍상측에 위치한 평탄상태를 지표면조도로 선택한다.

셋째, 검토대상범위내의 풍상측이 거친 상태에서 평탄상태로 변하는 경우에는 변화후의 평탄상태를 지표면조도로 선택한다.

따라서 동일한 건설지점 일지라도 대상건축물의 높이에 따라 지표면조도를 판단하는 영역이 달라지기 때문에 지표면조도구분의 판단이 달라질 수 있다. 건축물이 높아질수록 지표면조도를 판단하는 영역이 넓어지므로 평탄한 지표면조도를 선택하는 경우가 많아질 것이다.

 

풍속고도분포는 지수법칙에 따라 지상으로부터의 높이가 높아짐에 따라 증가하지만 어느 정도이상의 높이에 도달하면 지표의 마찰에 의한 영향이 미치지 않으므로 일정한 속도를 갖는다. 이처럼 지표면의 마찰에 의한 영향을 받지 않는 높이를 경도풍높이(Gradient Height)라고 하며, 그 때의 풍속을 경도풍의 풍속(Gradient Speed)이라고 부른다.
이 기준에서는 지수법칙이 경도풍높이까지 성립하는 것으로 하고, 그 이상 높이에서는 지표면조도에 관계없이 풍속은 일정한 것으로 하였다. 경도풍높이는 지표면조도에 따라 변하고 표 4에 주어진 것처럼 지표면조도에 따라 250~500m정도의 값을 갖는다.

(7) 지형계수

 

지형계수란 산, 언덕 또는 경사지 등 지형의 영항을 받은 풍속과 평탄지에서의 풍속의 비율이다. 산의 능선이나 산의 정상 언덕 경사지 절벽 등에서는 국지적인 지형의 영향으로 인하여 풍속이 증가(수속효과에 기인함)한다. 이러한 현상은 실측 및 실험에 의하여 확인된 것으로 산, 언덕 및 경사지의 정상에서는 평탄지에 비하여 풍속이 1.5~2.0배 정도 증가하는 것으로 알려져 있다.

 

KBC 2016의 지형계수는 다음과 같다.

가. 산, 언덕 및 경사지의 영향을 받지 않는 평탄한 지역에 대한 지형계수는 1.0이다.

나. 산, 언덕 및 경사지 정상 부근 등 풍속할증이 필요한 부분에 대한 적용범위는 표 5와 같고, 지형계수는 식(0305.5.3)으로 산정한다.

[ 표 5. 지형계수의 적용 범위 ]

[ 그림 3. 지형계수 산정을 위한 기호설명 ]

식(0305.5.3)의 지형계수는 지형의 형상, 경사각, 건설지점이 산, 언덕, 경사지의 정점으로부터 수평으로 떨어진 거리, 지표면으로부터의 높이 및 난류강도에 의하여 그 값이 달라진다.

 

그림 4는 산의 정상부에서 수직높이에 따라 지형계수가 어떻게 변하는지를 지표면조도에 따라 나타낸 것이다.
그림(a)는 언덕 및 산의 경우이고, 그림 (b)는 경사지의 경우인데 풍상측의 경사각 =0.3이고, =0일 때 즉 정상부에서 지표면으로부터의 수직높이에 따라 풍속이 평탄지에 비하여 얼마나 증가하는지를 식(0305.5.3)를 사용하여 지표면조도별로 구하여 나타낸 것이다.
지형에 의한 풍속의 할증률은 상공보다 지표면으로 가까이로 올수록 증가되며, 지표면이 평탄해질수록 증가되는 경향을 나타낸다.
이는 풍상측의 산 정상부근에서 박리한 바람이 지표면 가까이의 일정높이에서 풍하측으로 빠르게 수속하고, 지표면이 평탄해질수록 바람의 흐트러짐이 작아져서 변동성분이 줄어들고 따라서 난류강도가 작아지기 때문이다.

[ 그림 4. 높이, 지표면조도 상황에 따른 지형계수의 변화 양상 ]

KBC 2016 기준에서 제시한 식(0305.5.3)의 지형계수평가 식은 언덕, 산 및 경사지가 단독으로 있는 경우를 대상으로 한 것이다. 따라서 건설하고자 하는 건축물이 국지적으로 복잡한 지형의 영향을 받는 곳에 위치한다면 주변지형을 모델화시켜 대지형모형에 대한 풍동실험을 실시한 후 그 지역의 고도분포를 추정하여 설계풍속을 결정하는 것이 바람직한 방법이다.

(8) 중요도계수

 

풍속의 재현기대값은 재현기간이 길어지면 커진다. 구조물을 설계하는 경우 구조물의 사용년수에 비해 긴 재현기간의 풍속을 설계풍속으로 선택하면 안전하지만 경제적이지는 못하다. 또한, 구조물의 사용년수와 동일한 정도의 재현기간의 풍속을 사용하게 되면 구조물의 사용기간 중에 설계풍속을 초과하는 강풍을 받을 수도 있기 때문에 안정성이 문제가 된다. 이에 KBC2016에서는 구조물의 사용년수에 따른 안전율 개념을 건축물의 중요도계수를 사용하여 고려한다.

 

KBC 2016에서 건축물의 규모 및 용도에 따른 설계용 재현기간에 의해 결정한 중요도계수 는 건축물의 중요도분류에 따라 표 6에 의해 정한다.

[ 표 6. 중요도계수 ]

가. 중요도(특)

  - 연면적 1,000m2 이상인 위험물 저장 및 처리시설

  - 연면적 1,000m2 이상인 국가 또는 지방자치단체의 청사, 외국공관, 소방서, 발전소, 방송국,
     전신전화국

  - 종합병원, 수술시설이나 응급시설이 있는 병원

나. 중요도(1)

  - 연면적 1,000m2 미만인 위험물 저장 및 처리시설

  - 연면적 1,000m2 미만인 국가 또는 지방자치단체의 청사, 외국공관, 소방서, 발전소, 방송국,
    전신전화국

  - 연면적 5,000m2 이상인 공연장, 집회장, 관람장, 전시장, 운동시설, 판매시설, 운수시설(화
    물터미널과 집배송시설은 제외함)6

  - 아동관련시설, 노인복지시설, 사회복지시설, 근로복지시설

  - 5층 이상인 숙박시설, 오피스텔, 기숙사, 아파트

  - 학교

  - 수술시설과 응급시설 모두 병원, 기타 연면적 1,000m2 이상인 의료시설로서 중요도(특)에
    해당하지 않은 건축물

다. 중요도(2)

  - 중요도(특), (1), (3)에 해당하지 않는 건축물

라. 중요도(3)

  - 농업시설물, 소규모 창고

  - 가설구조물

 

공작물의 경우 농업시설물, 소규모 창고, 또는 가설구조물로 볼 수 없기 때문에 중요도(2)에 해당하며, 따라서중요도계수 는 표 6에 의해 0.95의 값을 갖는다.

(9) 풍방향 가스트영향계수

 

KBC2016 기준에서의 주골조용 수평풍하중은 바람의 난동에 의해 발생하는 건축물 풍방향진동의 하중효과를 등가정적 풍하중이란 개념에 기초하여 얻어진 가스트영향계수에 의하여 평가한 것이다. 가스트영향계수는 강풍이 분 경우 건축물의 최대변위와 평균변위의 비로 정의된다.

 

대부분의 건축물에 있어서는 고차의 진동모드가 최대변위에 미치는 영향이 극히 미약하며, 최대변위의 분포는 평균변위의 분포와 거의 비슷한 양상을 보인다. 강풍이 분 경우 건축물의 최대변위는 평균풍하중에 가스트영향계수를 곱한 정적하중(이를 등가정적 풍하중이라 한다.)을 건축물에 작용시켜 그때의 변위를 산정함으로써 평가할 수 있다. 바람의 난류에 의하여 발생하는 풍방향진동의 동적하중효과는 바람의 난동에 의한 직접적인 효과와 난동에 의하여 유발되는 건축물의 공진효과의 합으로 나타낼 수 있다.

 

바람의 난동에너지는 저주파수영역에 편중되어 있기 때문에 난동에 의한 공진효과는 건축물의 고유진동수가 작아질수록 커진다. 따라서 KBC2016 기준에서는 가스트영향계수를 산정함에 있어서 위에서 언급한 공진효과의 크고 작음에 따라 2가지 방법으로 구분하였다.

 

첫째는 강체구조물 산정용 가스트영향계수로써 건축물의 고유진동수가 커서 난동의 직접적인 효과에 비하여 공진효과를 무시할 수 있는 정도로 작은 경우 적용할 수 있다.

 

둘째는 유연구조물 산정용 가스트영향계수로써 건축물의 고유진동수가 작아 공진효과가 큰 경우 적용할 수 있다. 이 기준에서의 가스트영향계수는 스펙트럼모드해석(spectral modal analysis)에 근거하여 해석적으로 평가한 값이다.

가. 강체구조물

건축물의 풍방향 고유진동수 가 1Hz를 초과하는 경우 또는 바람에 의한 공진의 효과를 무시할 수 있는 강체구조물인 경우의 주골조설계용 풍방향 가스트영향계수는 다음 식으로 산정한다.

나. 유연구조물

건축물의 풍방향 고유진동수 가 1Hz이하인 경우 또는 바람에 의한 공진효과를 무시할 수 없는 유연구조물인 경우의 주골조설계용 풍방향 가스트영향계수는 다음 식으로 산정한다. 단, 굴뚝과 같이 수직으로 세장한 구조물은 의 값이 7이하인 경우에는 강체구조물로 한다.

유연구조물에 대한 가스트영향계수를 평가할 때에는 건축물의 고유진동수와 감쇠정수를 알아야 한다. 고유진동수는 유한요소해석모델의 고유치해석을 통해 구할 수 있다. 평면형상이 비정형적인 유연건축물의 1차고유진동수는 Hurty가 제안한 다음의 근사식을 사용할 수 있다.

여기서, 는 구조물높이(m), 는 탄성계수(MPa), 는 단면2차모멘트, m은 단위 길이당질량(kg/m)이다.

 

감쇠정수는 구조물 기초 밑의 지반상황과 기초의 형식, 재료감쇠, 접합부 접촉면에서의 마찰감쇠, 주골조의 재료, 2차 부재 및 외장재 재료 등에 의하여 값이 달라진다.
일반적으로 구조물의 주골조가 철골 또는 콘크리트로 이루어진 경우에는 표 7에 주어진 ISO 4354 “Wind actions on structures"의 값을 사용하거나, ASCE 7-10 "Minimum design loads for buildings and other structures"에서 정의한 콘크리트 구조물의 0.02, 철골구조물의 0.01 값을 사용한다.

[ 표 7. 구조감쇠정수의 대표 값 ]

다. 래티스형탑상구조물

래티스형탑상구조물의 풍방향가스트영향계수는 다음 식으로 산정한다.

(10) 풍력계수

 

구조물에 작용하는 풍압의 크기를 나타내기 위하여 물체의 영향을 받지 않는 위치에서의 바람의 풍압과의 비율로 풍력계수가 사용된다. 풍압계수는 구조물의 형태에 따라 값이 달라지기 때문에 풍동실험을 실시하여 구하여야 하지만, KBC2016에서는 대표적인 몇 가지 형태의 구조물에 대하여 다음과 같은 풍력계수를 제시하고 있다.

 

가. 굴뚝, 탱크, 이와 유사한 구조물

굴뚝, 탱크 및 유사구조물은 단면형태도 다양하고 부재의 표면도 다양하다. 이와 같은 요소가 풍력의 증감과 공기력연쇄작용에 영향을 미치는 요인이다. KBC 2016 기준에서는 대표적인 값을 기본으로 단면의 형상을 사각, 6각 , 8각, 원형으로 구분하고 표면조건에 따라서 풍력계수를 구분했다. 또한 주골조 단면최소치수에 대한 높이의 비에 따라 구분했다. 굴뚝, 탱크, 기타 이와 유사한 구조물의 주골조설계용 풍력계수는 표 8에 따른다. 단면의 형태, 표면조건 및 단면 최소치수에 대한 높이의 비에 따라 적용한다.

[ 표 8. 굴뚝, 탱크 및 기타 유사 구조물의 풍력계수 ]

나. 래티스형탑상구조물

래티스형탑상구조물에서는 개개 부재는 그 폭이 구면의 크기에 비해 작고 대칭으로 배치되어 있기 때문에 구면 전체에 작용하는 풍력은 평균적으로 풍방향의 항력만 고려하면 된다. KBC2016에서의 래티스형탑상구조물 풍력 산정방법은 구면의 충실률 에 대응하는 풍력계수에 구면의 투영면적을 곱하여 산정하는 방법을 적용하였다.

충실률이란 바람을 받는 면의 실제면적(유효수압면적 또는 바람을 수직으로 받는 구면의 수평투영면적)을 외곽면적으로 나눈 것이다.

여기서, A는 유효수압면적(그림 5에서 사선 부분), A0는 외곽면적(그림 5에서 a×b)이다. 강관부재 및 사각형 단면부재인 경우는 평면형상의 구분 없이 적용할 수 있도록 했다.

[ 그림 5. 유효수압면적과 외곽면적 ]

래티스형탑상구조물의 주골조설계용 풍력계수는 표 9를 따른다.

[ 표 9. 래티스형탑상구조물의 풍력계수 ]

다. 래티스구조물

래티스구조물의 주골조설계용 풍력계수는 외곽선 전면적에 대한 유효수압면적비인 충실률에 따라 적용한다. 개방형판구조물의 개방률이 30% 이상인 경우에 래티스구조물로 설계할 수 있다.

래티스구조물의 주골조설계용 풍력계수는 표 10을 따른다.

[ 표 10. 래티스구조물의 풍력계수 ]

라. 각종 부재의 풍력계수

KBC2016에는 추가로 표 11과 같은 각종 부재의 풍력계수가 주어졌다. 표 11에 나타낸 부재의 풍력계수는 일양류 중의 2차원 부재를 대상으로 한 풍동실험결과에 의하여 정한 것이다. 이 풍력계수는 개개의 부재 풍력계수와 대표면적을 곱한 것을 합산하여 래티스형 탑상구조물의 풍력을 산정하고자 할 때 이용할 수 있다.

[ 표 11. 각종 부재의 풍력계수 ]

Department of Architecture _ Prefabricated Building Structural Lab. 

 T 031) 219 - 2499 / F 031) 219 - 2945  / 우) 16499    경기도 수원시 영통구 월드컵로 206 아주대학교 산학협력원 804호

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