풍하중(W); Wind load

풍하중을 어떻게 계산하는지 살펴보겠습니다. 

 

기본개념

우선 풍하중은 다음과 같은 3가지 종류로 구분해야 합니다.

1. 주골조설계용 수평풍하중
2. 지붕풍하중
3. 외장재설계용 풍하중

우선 주골조설계용 수평풍하중을 기본으로 풍하중의 기본 개념을 살펴보겠습니다.

 

건축물에 바람이 불면 발생하는 풍하중은 다음 그림과 같이 나타낼 수 있습니다.

 

풍하중에서는 생소한 용어가 많이 등장하는데 우선 바람의 방향에 따라 다음과 같이 용어를 구분합니다.

• 풍상측 : 바람이 불어와서 맞닿는 쪽
• 풍하측 : 바람이 불어와 맞닿는 측의 반대쪽으로 바람이 빠져나가는 측

 

바람이 지붕 위로 지나가면 건축물의 오른쪽 편 즉 풍하측에서도 지나가는 바람을 따라서 그림과 같이 바람이 작용하게 됩니다.

 

기본적으로 풍하중은 평균적인 바람의 힘인 설계풍압에 바람을 받는 구조체의 면적(풍향에 대한 수직 수압면적)을 곱하는 방식으로 계산할 수 있습니다.  

 

 

풍하중은 바람의 속도와 방향, 공기의 밀도, 구조물의 형상 및 강성, 그리고 평면의 형태 등에 따라변합니다. 즉 바람은 정적인 성질뿐 아니라 동적인 성질도 있습니다. 그런데 이런 동적인 성질을 복잡하게 반영하기는 어렵기 때문에 특수한 구조물을 제외한 일반 건물의 구조설계에서는 실용적인 방법을 적용하는데, 바람에 의한 동적압력을 등가의 정적인 힘으로 전환하여 적용합니다. 지진에서도 평범하고 단순한 경우에는 등가정적하중을 적용하는 방법과 비슷합니다.

 

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

▶ 풍하중 - 가스트영향계수

 

따라서 이것을 반영하여 풍하중을 계산하는 일반적인 식을 나타내면 다음과 같이 됩니다. 

 

 

위 식에서 가스트영향계수와 형태를 고려한 계수가 추가된 것을 알 수 있습니다. 이것은 각각의 경우에 따라 적용식이 달라집니다. 

이 가스트영향계수가 동적압력을 반영하기 위해 도입한 계수입니다. 풍하중에 대해 건축물의 구조설계를 한다면 최대변위를 발생시키는 하중분포를 적용할 필요가 있습니다. 그런데 일반적인 건축물에서는 평균 풍하중에 의한 건축물의 최대변형과 변동풍하중을 포함한 건축물의 최대변위의 분포형태가 거의 비슷하다고 합니다. 따라서, 설계풍속으로서 평균풍속을 사용한다면 변동풍하중을 포함한건축물의 최대변위와 동등한 변위를 발생시킬 수 있도록 평균풍하중을 할증하여 적용할 수 있습니다. 이렇게 등가정적 최대풍하중을 건축물에 작용시킨 경우의 변위를 최대변위로 적용하기 위해 사용하는 할증계수가 가스트영향계수입니다. 구조설계기준에서는 가스트영향계수를 다음과 같이 정의하고 있습니다. 

 

가스트영향계수 : 바람의 난류로 인해 발생되는 구조물의 동적 거동 성분을 나타내는 것으로 평균변위에 대한 최대변위의 비를 통계적인 값으로 나타낸 계수

 

모든 풍하중은 위와 같은 형태로 되어 있다. 여러 상황에 따라 풍하중은 계수가 복잡하게 달라지지만 기본적인 형태는 위의 식의 변형이라고 볼 수 있습니다.

주골조 설계용 수평풍하중

 

밀폐형 건축구조물

밀폐형 구조일 때 주골조 설계용 수평풍하중을 그림으로 나타내면 다음과 같고 풍상측과 풍하측의 풍하중은 다음과 같이 계산할 수 있습니다. 위에서 말씀드린 것과 동일한 방식으로 계산하고 계수만 달라질 뿐입니다. 

 

풍하중을 산정할 때에는 각 건축구조물 표면의 양면에 작용하는 풍압의 벡터합으로 계산합니다. 즉 - 로 계산하기 때문에 풍하중을 계산하려면 풍상측 풍하중과 풍하측 풍하중을 뺄셈으로 다음과 같이 계산합니다.

 

각각의 계수값 구조설계기준에 표의 형태로 제시되어 있습니다. 

 

부분개방형 건축구조물

부분개방형 건축구조물은 풍상벽에만 개구부가 있거나 풍하벽에만 개구부가 있는 경우로 나눌 수 있는데, 풍상벽만 개방된 경우에는 내부 기압이 상승하고, 풍하벽만 개구부가 있으면 내부 기압이 하강하게 됩니다. 

 

 

 

이 때 주골조설계용 풍방향풍하중은 다음과 같이 계산합니다 .

 

 

외압계수 : 건축물 외피의 임의 수압면에 가해지는 평균풍압과 기준 높이에서 속도압의 비
내압계수 : 건축물 외벽의 틈새나 개구부를 통하여 공기가 건축물 내부로 유입되어 발생하는 내부압력의 정도를 나타내는 계수

 

개방형건축구조물

개방형건축구조물은 다음과 같이 정의됩니다.

개방형 건축구조물 : 정압을 받는 벽에 위치한 개구부 면적의 합이 그 벽면적의 80% 이상되는 건축물 또는 각 벽체가 80% 이상 개방되어 있는 건축구조물

 

 

 

주골조설계용 지붕풍하중

지붕풍하중도 개념적으로 다르지 않고 표현만 달라집니다. 

 

 

1) 밀폐형건축구조물 및 부분개방형건축구조물

 

2) 독립지붕

 

 

풍하중 식의 맨 앞에 있는 설계풍압(설계속도압)을 결정하는 방법은 다음 글을 참고하시기 바랍니다.

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

 

다음은 하중에 대한 내용들입니다.

▶ 하중의 종류/ 하중조합/ 하중조합의 원리

▶ 고정하중(D); Dead load

▶ 활하중(L); Live load

▶ 활하중의 저감계수/ 활하중 줄이기

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

▶ 풍하중 - 가스트영향계수

 

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