건축물 하중의 종류/ 하중조합/ 하중조합의 원리

하중의 종류

건축물 구조기준(KDS 41 12 00:2022)에서는 건축물에 작용하는 하중을 다음과 같이 15가지로 구분하고 있습니다. 

① 고정하중(D)
② 활하중(L)
③ 지붕활하중(Lr)
④ 설하중(S)
⑤ 풍하중(W)
⑥ 지진하중(E)
⑦ 지하수압·토압, 분말 및 입자형 재료의 횡압력(H)
⑧ 온도하중(T)
⑨ 유체압(F) 및 용기내용물하중(F 또는 H)
⑩ 홍수하중 (Fa)
⑪ 운반설비 및 부속장치 하중()
⑫ 강우하중(R)
⑬ 시공하중(C)
⑭ 파랑하중(Wa)
⑮ 기타 하중

 

가장 중요한 하중을 방향에 따라 크게 구분하면 연직하중과 수평하중으로 나눌 수 있습니다. 연직하중은 지구의 중력때문에 지구중심방향으로 작용하는 고정하중과 활하중이 대표적입니다. 강우하중과 설하중(적설하중이 설하중으로 명칭이 변경되었습니다)도 포함됩니다.  수평하중은 건축물에 수평방향으로 작용하는 힘으로 풍하중과 지진하중이 대표적입니다.  지하수압·토압도 포함됩니다. 

 

▶ 구조역학의 기본 개념/ 구조물의 모델화/ 보의 하중 계산/ 일방향슬래브

▶ 구조물 해석을 위한 하중의 종류 

위 그림에서 적설하중은 설하중으로 명칭이 변경되었습니다.

▶ 

 

이 하중들은 하중의 종류에 따라 계산하는 방법이 달라집니다. 여기서는 하중조합을 주로 살펴보겠습니다. 

 

하중조합

기준에서 정하고 있는 하중이 동시에 한꺼번에 작용할 가능성은 없습니다. 태풍이 불고 있는데 지진까지 일어날 가능성이 얼마나 되겠습니까? 그래서 동시에 발생할 가능성이 있는 하중들의 상태를 따져볼 필요가 있습니다. 즉 하중조합은 동시에 발생할 가능성이 있는 하중들의 조합을 따져보고 가장 불리한 경우를 찾는 것을 말합니다. 

 

건축물 구조설게기준에서는 설계법에 따라 2가지로 나누고 있는데, 우선

강도설계법 또는 한계상태설계법으로 구조물을 설계하는 경우에는 다음과 같은 하중조합을 정하고 있습니다. 
1.4(D+F)  (1.7-1)
1.2(D+F+T)+1.6L+0.5(Lr 또는 S 또는 R)  (1.7-2)
1.2D+1.6(Lr 또는 S 또는 R)+(1.0L 또는 0.5W)  (1.7-3)
1.2D+1.0W+1.0L+0.5(Lr 또는 S 또는 R)   (1.7-4)
1.2D+1.0E+1.0L+0.2S  (1.7-5)
0.9D+1.0W (1.7-6)
0.9D+1.0E  (1.7-7)

 

우선 기억할 것은 2022년에 풍하중의 하중계수가 1.3에서 1.0으로 변경되었습니다.

 

7가지 하중조합이 있는데 매우 복잡해보입니다. 그런데 이렇게 하중조합을 하는 원칙이 있습니다.

 

하중조합원칙 1. 고정하중은 반드시 작용한다. 

중력이 작용하는 한 고정하중은 반드시 작용하기 때문에 위 하중조합에서도 계수만 달라질 뿐 고정하중은 모든 경우에 포함이 됩니다. 

 

하중조합원칙 2. 태풍과 지진은 거의 동시에 작용하지 않으므로 설계를 할 때는 동시에 고려하지는 않는다.

풍하중(W)과 지진하중(E)는 동시에 작용할 가능성이 거의 없기 때문에 이 두 하중이 한꺼번에 작용하는 경우는 없습니다. 

 

하중조합원칙 3. 연직하중은 수평하중이 동시에 작용할 때 유불리를 따져 하중계수를 구분해서 적용한다. 

위 식에서 보면 고정하중의 계수는 1.4, 1.2, 0.9 세 가지가 있고, 활하중의 계수는 1.6, 1.0, 0 세 가지가 있습니다. 횡하중인 W와 E는 하중계수가 1.0 하나밖에 없습니다. 이렇게 태풍이나 지진이 작용할 때 고정하중이 구조물에 불리하게 작용하는 경우도 있고 유리하게 작용하는 경우도 있습니다. 따라서 두 경우를 분리해서 적용하는 것입니다. 

 

아래 그림을 보시면 건축물에 횡방향 하중이 작용하고 있습니다 ① .  이렇게 횡방향 하중이 작용하면 지반에 고정된 구조물은 휨모멘트가 발생합니다 ②. 이렇게 휨모멘트가 발생하면 오른쪽 구조부재를 수직방향으로 누르게 되고 왼쪽 구조부재는 위로 당기는 식으로 작용하게 됩니다 ③.  즉 횡하중이 작용하면 구조체의 연직하중이 불리하게 작용할 수도 있고 유리하게 작용할 수 도 있습니다.

 

 

그래서 고정하중의 경우 고정하중이 클수록 구조물에 불리할 때는 하중계수를 1.2와 같이 큰 값을 적용하고 불리할 때는 0.9로 작은 값을 적용합니다. 이것은 활하중도 마찬가지입니다.  이것을 정리하면 대략 다음과 같습니다. 

 

예를 들어 식(1.7-1)은 고정하중만 작용하는 경우를 따지기 때문에  고정하중의 계수 1.4를 적용해서 1.4(D+F)로 계산합니다.

 

식 (1.7-5)는 1.2D+1.0E+1.0L+0.2S로 계산하는데 이것은 지진하중이 작용할 때 고정하중과 활하중이 클수록 불리한 경우를 따져보는 것이라고 할 수 있습니다. 

 

추가 하중조합

지하수압·토압 또는 분말 및 입자형 재료의 횡압력에 의한 하중 가 존재할 때

하중조합을 고려할 때 추가적으로 지하수압·토압 또는 분말 및 입자형 재료의 횡압력에 의한 하중 H 가 존재할 때는 다음의 하중계수를 적용하여 조합하여야 한다고 규정하고 있습니다.

① H가 단독으로 작용하거나 H 의 하중효과가 다른 하중효과를 증대하는 경우에는 하중계수를 1.6으로 하여야 한다.
② H 의 하중효과가 영구적이면서 다른 하중효과를 상쇄하는 경우에는 하중계수를 0.9로 하여야 한다.
③ H 의 하중효과가 영구적이지 않으면서 다른 하중효과를 상쇄하는 경우에는 하중계수를 0으로 하여야 한다.

 

토압이 작용하는 지하구조물에 분말 및 입형 재료의 횜압력에 의한 하중이 있는 경우를 그림으로 나타내면 다음과 같습니다.

 

 

이렇게 토압이 작용할 때 내부 저장물이 일정하게 저장되어 있으면서 토압을 감소시킬 수 있다면 (영구적이면서 다른 하중효과를 상쇄하는 경우) 하중계수를 0.9로 적용하라는 얘기입니다. 

 

다음 글은 하중에 대한 내용들입니다.

▶ 고정하중(D); Dead load

▶ 활하중(L); Live load

▶ 활하중의 저감계수/ 활하중 줄이기

▶ 풍하중(W); Wind load

▶ 풍하중을 계산할 때 속도압/ 설계풍압/ 기본풍속/ 지표면조도구분/ 풍속고도분포계수

▶ 풍하중 - 가스트영향계수

▶ 지진하중(Seismic load, Earthquake load) 개요

▶ 구조역학의 기본 개념/ 구조물의 모델화/ 보의 하중 계산/ 일방향슬래브

 

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