풍하중과 풍압계수

풍하중 관련 좋은 블로그 글을 발견하여 백업해 둔다.

원문은 여기에서 확인할 수 있다.

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(1) 외장재설계용풍압계수

풍하중은 설계풍압에 풍압을 받는 유효수압면적을 곱한다. 설계풍압은 설계속도압에 외장재설계용풍압계수를 곱하여 구한다. 지난번 포스트에서는 설계풍압을 구하는 방법까지 살펴보았다. 오늘은 외장재설계용풍압계수를 구하는 내용을 다뤄보도록 한다.

 

풍하중 산정 개념

기본적으로 설계풍압은 "관측된" 지역별 풍속 값에 건물이 지어진 지형적 상황을 반영하는 여러 안전율을 곱하는 방식으로 산정했다. 그런데 바람이란 파트 1에서 다룬 것처럼 멈춰져있는 정하중이 아닌 동하중이다.  동하중은 아무리 이전 데이터들을 토대로 예측을 해도, 예기치 못한 상황이 발생할 수 있다. 이렇게 관측된 풍속에서 나온 개념이 설계속도압이라면, 예기치 못한 상황을 대비하여 만든 개념이 풍압계수이다. (이 부분은 필자의 해석이다)

 

정리하자면, 설계풍압은 관측된 데이터와 불규칙적인 난류의 영향을 계수화한 값의 곱으로 나타내는 것이다.

외장재설계용풍압계수에는 피크외압계수, 피크내압계수, 피크순압력계수가 있으며 정의는 다음과 같다. 

• 피크외압계수:

 가스트영향계수와 외압계수를 함께 고려한 순간 최대에 상응하는 값

• 피크내압계수:

가스트영향계수와 내압계수를 함께 고려한 순간 최대에 상응하는 값

• 가스트영향계수: 

바람의 난류로 인해 발생되는 구조물의 동적 거동 성분을 나타내는 것으로 평균 변위에 대한 최대 변위의 비를 통계적인 값으로 나타낸 계수

• 외압계수: 

건축물 외피의 임의 수압면에 가해지는 평균 풍압과 기준 높이에서 속도압의 비

• 내압계수: 

건축물 외벽의 틈새나 개구부를 통하여 공기가 건축물 내부로 유입되어 발생하는 내부 압력의 정도를 나타내는 계수

 

각각의 정의를 확인해보아도 알 수 있듯이 외장재설계용풍압계수는 난류, 즉 불규칙적인 바람의 영향을 계수화한 것이라는 사실을 알 수 있다.

(2) 피크외압계수 구하기

피크외압계수는 건물의 높이와 지붕의 형상에 따라 벽면과 지붕면을 각각 구한다. 피크외압계수의 경우 내용이 많기 때문에 이 포스트에서는 벽면의 피크외압계수까지만 다루고, 자세한 내용은 건축구조기준을 참고하면 된다.

1. 기준높이 20m 이상인 건축물의 벽면

⁑ KDS 41 10 15 기준높이 20m 이상 외벽면 피크외압계수

 

*Note: 

유효수압면적은 외장재 및 마감재의 압력을 주골조에 전달하는 단위 2차 부재의 유효수압면적
α：건축물 최소폭의 0.1배, 단 1.0m보다 작아서는 안 된다. 
H：기준높이(m) 
z：지표면으로부터의 임의높이 (m) 

2. 기준높이 20m 미만인 건축물의 벽면 

⁑ KDS 41 10 15 기준높이 20m 미만 외벽면 피크외압계수

*Note:

종축은 qH를 사용한 경우의 GCpe 값, 횡축은 유효수압면적이다. 
θ ≤ 10°인 경우는 벽면의 GCpe 값을 10 % 줄일 수 있다. 
α：건축물 최소폭의 0.1배 혹은 0.4H 중 작은 값으로 한다. (단, α ≧ 최소폭의 0.04배 또는 1.0 m) 
H：기준높이(m)

(3) 피크내압계수 구하기

피크내압계수는 밀폐의 분류에 따라 다음 표로 값이 정해져 있다.

 

⁑ KDS 41 10 15 외장재설계용 피크내압계수

밀폐의 분류 및 탁월한 개구부에 대한 정의는 다음과 같다.

 

• 밀폐형 건축물:

탁월한 개구부가 없고 바람의 유통이 없도록 창호가 밀폐되어 있으며, 출입문도 강풍이 불 때에는 폐쇄장치가 있는 건축물로서 개구부 및 틈새의 면적이 전벽면적의 0.1% 이하인 경우

• 부분개방형 건축물: 

탁월한 개구부가 없는 경우와 있는 경우로 구분되고, 전자는 개폐가 가능한 크고 작은 개구부가 있지만 강풍 시에는 닫도록 되어 있는 경우이고, 후자는 한쪽 벽의 개구부 면적이 나머지 모든 벽의 개구부 및 틈새 면적의 2배가 넘는 경우

• 개방형 건축물:

정압을 받는 벽에 위치한 개구부 면적의 합이 그 벽면적의 80% 이상 되는 건축물 또는 각 벽체가 80% 이상 개방되어 있는 건축물

• 탁월개구부:

환기구 및 개방형 문이 있는 공장건축물, 한쪽이 트인 임시건축물 등과 같이 한쪽 벽의 개구부 면적이 나머지 모든 벽의 개구부 및 틈새 면적의 2배가 넘는 경우

(4) 피크순압력계수 구하기

외장재설계용풍압계수에서 피크순압력계수는 독립지붕의 풍압계수를 구할 때 사용된다. 독립지붕이라함은 벽체없이 기둥과 기붕으로만 이루어진 구조물을 뜻하며, 마찬가지로 지붕의 형상에 따라 피크순압력계수 값을 표로 나타낸다.
이 포스트에서는 벽체의 외장재설계용풍압계수를 구하는 내용까지만 다루므로 피크순압력계수에 대한 자세한 내용은 건축구조기준을 참고하면 된다.

(5) 설계풍압 구하기

이제 벽면의 외장재설계용풍압계수를 구하기 위한 개념은 전부 다루었다. 그럼 미리 구한 설계속도압에 외장재설게용풍압계수를 곱해 설계풍압을 구할 수 있다.
저번 포스트에서도 다루었지만, 설계풍압은 건축물의 기준 높이에 따라 상이했다. 복습을 해보자면 아래와 같다.

 

1. 기준 높이 20m 이상 건축물

• 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.

여기서 다루지 않은 개념이 하나가 있는데, 바로 높이 20m 이상의 건축물의 정압을 구할 때 사용되는 높이방향압력분포계수이다. 해당 값은 앞선 포스트에서 다루었던 지표면조도구분에 따른 대기경계층시작높이와 풍속고도분포지수 값을 사용한다.

 

⁑ KDS 41 10 15 높이방향압력분포계수 표

*Note:

H: 건축물의 기준높이(m)
z: 지표면에서의 높이(m) 
zb: 대기경계층시작높이(m)로 지표면조도구분에 따라 정해짐 
α: 풍속고도분포지수로 지표면조도구분에 따라 정해짐

(6) 풍하중 구하기

 

유효수압면적 다이어그램

설계풍압까지 구했다면, 이제 풍하중을 구할 준비가 다 되었다. 풍하중의 단위는 N/m²으로 면적에 대한 힘의 크기로 나타낸다. 따라서 최종적으로 풍하중은 설계풍압에 유효수압면적을 곱해 산출된다. 유효수압면적의 정의는 다음과 같다.

 

• 유효수압면적:

풍하중을 산정하는데 기본이 되는 유효면적으로 풍방향 직각에 대한 투영면적. 다만, 외장재의 경우에는 외장재 하중분담 표면적. 

즉 유효수압면적이란, 외장재 및 마감재의 압력을 주졸조에 전달하는 단위 2차 부재(파사드 부재)가 분담하게 되는 면적이라고 생각하면 된다. 위 다이어그램을 예로 들어보자면, 압력을 받는 수직 2차 부재 하나는 양쪽의 면의 절반씩을 분담하여(2/d) 전달받게 된다.

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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.