안녕하세요 오늘은 풍하중과 관련된 공부를 하면서 정리한 내용을 글로 작성해보려고 합니다. 최근에 내풍설계 관련한 내용을 자주 보다가 기본적인 내용부터 다시 적립하자는 느낌으로 공부를 하고 있습니다. 오늘은 주골조와 외장재 설계 중에서 주골조와 관련된 내용부터 정리해 보려고 합니다. 가 봅시다!
1. 개요: 풍하중의 기본 이해
- 풍하중(바람에 의한 수평·수직 하중)
- 건물 외벽 및 지붕 등에 작용하는 풍압을 구조 프레임이 수평력(또는 지붕에 대해서는 상승력·흡입력 등)으로 받아내어 지반으로 전달하는 하중.
- 높이, 형상, 주변 지형, 건물의 개방 정도 등에 따라 풍압이 달라짐.
- 주골조(main frame)와 풍하중
- 주골조는 건물의 뼈대 역할(보·기둥·가새 등)로, 수직하중(사하중·활하중)뿐만 아니라 수평하중(풍하중·지진하중 등)을 지지해야 함.
- 설계 시 풍하중을 주골조에 적절히 분배하여 골조 해석(2차 효과 포함) 후 부재 설계를 수행한다.
- 건물의 개방 정도(Enclosure Classification)
- 밀폐형(Enclosed): 외피(외벽·지붕)에 개구부가 거의 없는 경우. 외부 풍압이 주로 외벽·지붕에만 직접 작용하고 내부압은 상대적으로 작음.
- 부분 개방형(Partially Open): 일부 개구부(창문·환기구 등) 면적이 커서 내부와 외부 사이에 압력 상호작용이 어느 정도 발생하는 경우. 내부압력(흡입/가압)이 무시하기 어려움.
- 개방형(Open): 기둥과 지붕만 존재하는 보 개방 구조물(예: 파고라, 차양, 옥외 주차장 등). 외부풍이 내부로 쉽게 관통되어 내부압력이 거의 외부와 동일.
- 설계 시, 개방 정도에 따라 내부압력계수(Internal Pressure Coefficient) 등이 달라지므로 이를 고려해야 함.
여기서 우리는 풍하중의 산정에 필요한 영향요인들을 확인할 수 있습니다. 구조물의 높이, 평면형상(지붕의 경우 지붕형상), 주변의 지형적 요소, 건물의 개방정도 등등 다양한 요인들이 있습니다. 사실 유체역학에 관련하여 구조물에 작용하는 힘들은 굉장히 변수가 많기 때문에 전부 다 고려하는 것은 힘들 수도 있습니다. 그래서 초고층 건물이나 구조물의 형상이 특이한 경우는 풍동실험을 통해 설계하중을 결정하기도 합니다.
2. 풍하중의 종류
2.1 수평풍하중(외벽에 작용)
- 바람이 건물 외벽에 수평 방향으로 작용하여, 골조에 전단력·모멘트(Overturning Moment)를 발생.
- 고층 건물일수록 상부로 갈수록 풍속이 커지므로, 높이 구간별로 풍압 분포를 구분하여 적용.
2.2 지붕풍하중
- 지붕은 바람에 의한 상승력(uplift) 또는 흡입력이 크게 발생할 수 있음.
- 박공지붕, 평지붕, 곡면 지붕 등에 따라 풍압계수·형상계수가 달라지며, 지붕 외피 재료(금속 패널, 시트 방수 등)가 풍압으로 이탈되지 않도록 앵커·접합부 설계가 중요.
주골조 설계용 풍하중에는 수평방향풍하중과 지붕풍하중으로 나뉠 수 있습니다. 또, 수평방향풍하중은 풍방향 풍하중, 풍직각방향풍하중, 비틀림 풍하중으로 구분됩니다. 케이스가 굉장히 다양하게 나누어지는 것을 알 수 있습니다... 이것은 유체역학적으로 공기의 불안정성과 이로인한 다양한 형태의 바람의 흐름이 발생하기 때문이라고 생각됩니다.
3. 풍하중 산정 절차 개요
풍하중의 산정절차는 다음과 같은 순서로 결정할 수 있습니다.
- 설계풍속(기본풍속) 결정
- 노출지형 분류(Exposure Category) 및 지형계수 산정
- 높이별 속도압(Velocity Pressure) 산정
- 풍압계수(외부압력·내부압력·형상계수 등) 적용
- 가스트영향계수(Gust Effect Factor) 등 동적 거동 보정
- 수평풍하중(또는 지붕풍하중) 계산
- 골조(프레임) 분배 및 구조해석
- 부재(기둥·보·가새) 설계
4. 속도압(Velocity Pressure) 산정방법
4.1 속도압의 개념
- 바람의 운동에너지가 구조물 외벽에 작용할 때, 1/2ρV^2 형태의 동압(動壓)으로 나타난다는 유체역학 기본 원리에 기초.
- KDS 41 12 00에서는 기준 풍속·지형 조건·건물 높이를 고려하여 일정 식(또는 표)을 통해 산정.
4.2 속도압 기본 수식
. 즉, 동압 1/2ρV^2 개념을 그대로 사용하되, KDS에서는 ρ= kg/m³로 고정 적용합니다.
4.3 설계풍속
- : 기본풍속
- 지표면조도구분 C 상태의 지상 10m 높이에서 10분 평균풍속, 재현기간 500년 값
- 그림 5.5-1에 지역별 등풍속선이 표시되어 있음(30~40 m/s 등) (기존의 KBC보다 기본풍속이 더 커졌음)
- : 풍향계수
- 건설지점 풍향특성을 반영, 주로 1.0으로 두며(외장재설계용은 1.0 고정), 특정 조건에서만 1이하인 값 사용 가능.
(사실 이 내용을 적용해 본적은 없음, 주변의 기상관측소의 자료를 근거하여야 하며 여러가지 제한조건 때문)
- 건설지점 풍향특성을 반영, 주로 1.0으로 두며(외장재설계용은 1.0 고정), 특정 조건에서만 1이하인 값 사용 가능.
- : 풍속고도분포계수
- 지표면조도(A, B, C, D)별로 , (대기경계층시작높이), Z(기준경도풍 높이) 등을 이용해 지표면에서 높이 까지 풍속증가를 나타냄. (생각보다 Zg의 값은 여러가지 계수를 산정하는데 기준이 되기도 합니다.)
- : 지형계수
- 언덕, 산, 경사지 정점 부근에서의 풍속할증 고려. 평탄한 지역은 K.
어덕, 산, 경사지의 풍속할증은 아래의 표를 따르며 그림을 이해하는게 중요합니다.
- 언덕, 산, 경사지 정점 부근에서의 풍속할증 고려. 평탄한 지역은 K.
풍속할증을 계산하는게 생각보다 복잡하기는 합니다ㅠㅠ
- : 중요도계수
- 건축구조물의 중요도 분류(특·1·2·3)에 따라 1.05~0.90 범위.
이 식에 따라 구한 가 곧 “기준높이 에서의 설계풍속”이 되며, 이를 속도압 식에 대입해 를 산정합니다.
최종적으로 식을 다시 재정리하면 다음과 같습니다.
5. 가스트영향계수(Gust Effect Factor)
- 정의
- 풍하중 산정 시, 돌풍(가스트)이나 터뷸런스 등으로 인한 동적 거동(진동) 보정을 위해 풍압에 추가로 곱해주는 계수.
- 주로 고층 건물이나 장스팬 구조에서 바람에 의한 진동이 구조거동에 큰 영향을 줄 수 있으므로, 동적 해석 또는 준정적 해석 시 가스트영향계수를 고려.
- 산정 방법
- 일반적으로 KDS에서 고층 건물 등 특정 높이 이상(또는 세장비가 큰 구조)의 경우, 별도 공식 또는 간이식(혹은 풍동실험 결과)을 통해 G≈0.85∼1.0∼2.0정도 범위로 산출.
- 건물의 고유진동수, 감쇠비, 풍속 프로파일 등을 고려해 정해지며, 정적 해석만으로는 동적 거동 반영이 어려울 때 보수적으로 가스트영향계수를 적용한다.
- 건축구조물의 고유진동수에 따라 유연건축구조물, 강체건축구조물로 나누어지며 추가적으로 레티스탑상형구조물과 지붕 외압가스트영향계수를 별도로 고려합니다.
- 유연건축구조물은 동적거동을 보정하기 위해 수식이 복잡하고 길기 때문에 원문을 참조하는 것을 바랍니다.
- 강체건축구조물의 가스트영향계수
6. 풍압계수, 풍력계수
6.1 풍압계수(Pressure Coefficient, Cp)
- 외벽·지붕 등 표면에서 “국부적인 압력 분포” 를 결정하는 계수.
- 표면별(바람 불어오는 풍상면, 측면, 후면, 지붕면 각 부위)로 상이한 값을 가짐.
- KDS 41 12 00에서 도표 또는 표로 제시. 예) 지붕 경사각별 외압계수, 외벽 각 면별 Cp
모든 도표를 보면 벽의 위치 및 높이, 지붕의 경사 및 부위별 위치에 따라 풍력계수가 다르게 산정되는 것을 확인할 수 있음.
(자료가 너무 많아서 kds를 참고해주세요)
1. 외압계수(Cpe )
-밀폐형건축구조물
-아치지붕
-돔지붕
-필로티
2 .내부압력계수(Cpi)
-건물이 부분개방형이거나 개구부가 클 경우, 내부에도 양압 또는 음압이 발생함.
-그 압력 크기를 나타내는 계수이며, KDS는 건물 개방 정도에 따라 Cpi를 +0.2 ~ -0.3 등 범위에서 적용하도록 제시.
6.3 풍력계수(Force Coefficient, C_D)
- 건물 전체 형상을 고려하여 풍하중(합력)으로 환산할 때 사용되는 계수.
- 예: 원통형 탱크, 곡면 지붕 등에서는 외압계수 대신에 전체 풍력계수를 사용함.
해당 값은 단면에 직접적으로 풍하중을 고려해야 할 때도 사용하기도 합니다. 주로 플랜트 구조물 설계에서 적용합니다.
7. 풍하중의 산정
위에서 정리한 변수들을 이제 종합해서 풍하중을 산정할 것입니다.
풍방향풍하중 산정식
주골조 설계용 풍하중을 정확히 산정하기 위해서는, (1) 건물 개방 정도 분류(밀폐형·부분개방형·개방형)에 따라 내부압력을 적절히 고려, (2) 높이별 속도압(q(z))과 노출지형 분류에 따른 지형계수를 적용, (3) 설계풍속·가스트영향계수·풍압계수 등을 종합하여 외벽풍하중, 지붕풍하중을 산출, (4) 주골조 전체에 수평력을 분배하여 구조해석을 수행하는 순서로 진행합니다.
고층 또는 특수 건물에서는 동적 해석(가스터빈 효과, 진동 문제 등)에 대한 추가 검토가 필수이며, 필요 시 풍동실험 결과를 병행해 보수적·합리적으로 설계하중을 결정해야 합니다.
이 모든 과정이 KDS 41 12 00 및 건축구조기준에 자세히 규정되어 있으며, 해당 기준의 표와 식, 계수들을 올바르게 적용하는 것이 핵심입니다.
생각보다 계수들이 많고 카테고리가 세분화 되어 있기 때문에 해당 내용을 숙지하고 적절한 내용을 찾아서 적용하는 것이 중요해 보입니다. 그리고 큰 틀에서 개념을 이해하고 있으면 좋을 것 같습니다.
오늘도 글을 읽어주셔서 감사합니다 :)🍀