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

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

 

 

또 바람은 정적인 성질뿐 아니라 동적인 성질도 있어서 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. 따라서 이것을 반영하여 풍하중을 계산하는 일반적인 식을 나타내면 다음과 같이 됩니다. 

 

 

자세한 내용은 이전 블로그를 참고해주시고 여기서는 설계속도압을 어떻게 계산하는지 살펴보겠습니다.

 

▶ 풍하중(W); Wind load

▶ 풍하중 - 가스트영향계수

 

설계 속도압

바람의 운동에너지는 건물에 부딪혀 압력형태(설계속도압)로 변환됩니다. 기본적으로 운동에너지는 물체의 질량에 속도의 제곱을 곱한 값이기 때문에 설계속도압을 계산하려면 바람의 속도(설계풍속)를 이용해서 계산합니다.

 

설계풍속

구조설계기준에서는 설계풍속을 다음과 같이 규정하고 있습니다.

 

식을 보시면 5가지 항목의 곱으로 나타낸 것을 알 수 있습니다. 설계풍압은 바람의 세기에 따른 속도압(설계속도압)에 건축물의 부위 및 형상에 따른 각종 계수를 곱해서 산정하는 방식입니다. 결국 바람의 속도가 가장 중요한 변수가 되며, 바람이 맞닿는 건축물의 부위 및 형상에 따라 달라지는 영향을 감안하여 계산합니다.

 

우리나라는 지역에 따라 평균적인 풍속이 다릅니다. 주로 내륙보다는 해안지역일수록 풍속이 빠르며 울릉도와 제주도는 바람이 더 센 편인데 거기에 건축물의 높이, 수목 등 장애물의 유무에 따라   풍속이 달라집니다. 따라서 설계풍속은 지역에 따라 달라지는 기본풍속에 풍속고도분포계수, 지형계수, 건축물의 중요도계수 등을 곱해 산출합니다.

 

기본풍속

지역별 기본풍속은 높이 1.5~10m 정도의 장애물이 산재해 있는 지형을 기준으로 하고, 10m 높이에서의 10분간 평균 풍속을 산정하는데 재현기간 500년에 대한 값을 지역별로 제시하고 있다.

기본풍속 : 지표면조도구분 C인 지역의 지표면으로부터 10m 높이에서 측정한 10분간 평균풍속에 대한 재현기간 500년 기대풍속

 

 

기존에는 재현기간 100년을 기준으로 하였으나 500년으로 변경(2022년 개정)되면서 풍속값이 증가되었습니다. 이렇게 증가하더라도 풍하중에 때한 하중계수는 1.3에서 1.0으로 줄었기 때문에 하중이 많이 커진 것은 아닙니다. 

 

풍항계수

풍향계수는 풍하중이 개정되면서 새로 도입된 계수로 풍관측자료가 있는 경우에 즉, 지도에 점으로 표시된 지점 부근에서 건축물을 짓는 경우 풍관측 자료를 활용하여 반영할 수 있도록 한 것입니다.

위 그림에서 지도의 지역명칭 중 ●는 기상관청이 설치된 지역으로 기상관청이 위치한 곳을 나타내고, ◯는 기상관청이 없는 지역으로 시청 및 군청 소재지가 위치한 곳을 나타냅니다. 따라서 기상관청이 설치된 지역에서 건축물을 짓는 경우 풍관측 자료를 활용할 수 있게 한 것입니다. 

 

주골조설계용에 대해서는 건설지점 부근의 유효한 풍관측 자료가 있는 경우에는 그것에 의하여 8풍향(N, NE, E, SE, S, SW, W, NW)에 대해 평가한 풍향계수를 사용할 수 있습니다. 이 경우의 풍향계수는 건축구조물의 주된 면에 직각인 4풍향을 고려하여 결정하고, 풍향계수의 최소값은 0.85로 합니다.

 

풍속고도분포계수

풍속고도분포계수는 지표면의 고도에 따라 기준경도풍 높이까지의 풍속의 증가분포를 지수형태로 나타낸 것입니다.

 

풍속고도분포계수 : 지표면의 고도에 따라 기준경도풍 높이까지의 풍속의 증가분포를 지수법칙에 의해 표현했을 때의 수직방향 분포계수

 

이 풍속고도분포계수의 지표면에 장애물이 얼마나 있는냐에 따라 달라지기 때문에 지표면조도구분에 따라 구분합니다.

 

지표면조도구분 : 지표면의 거칠기 상태로 일정지역의 지표면 거칠기에 해당하는 장애물이 바람에 노출된 정도의 구분

 

 

지표면 조도구분은 다음과 같습니다.

 

 

지표면조도구분에 따라 달라지는 풍속고도분포계수는 다음과 같습니다.

 

위 표를 개념적인 그림으로 나타내면 아래와 같습니다. 

 

 

풍속고도분포계수는 일정한 형태를 나타냅니다. 일단 일정한 높이 이상이 되면 지형의 영향을 더 이상 받지 않아서 풍속이 일정하게 됩니다. 그 일정높이 이하는 장애물의 영향을 받게 되고 빌딩이나 나무 등 장애물이 많을수록 영향을 많이 받기 때문에 이것을 구분하기 위해 지표면 조도 구분을 A, B, C, D로 구분해서 각각을 높이에 따른 지수형태로 나타낸 것입니다. 그리고 지표면에서 일정한 높이까지는 지표면 조도상태에 따라 풍속이 작은 상태로 일정한 값이 됩니다.

 

지형계수

지형계수는 산, 언덕 및 경사지 등의 지형요소를 반영한 것으로 산, 언덕 및 경사지의 영향을 받지 않는 평탄한 지역에 대한 지형계수 는 1.0을 적용합니다. 

 

기타 언덕, 산 그리고 경사지에 따라 적용범위가 달라집니다.

 

 

1) 언덕, 산의 경우

2) 경사지의 경우

 

풍하중에서의 중요도계수

풍하중에서의 중요도 계수는 다음과 같습니다.

 

건축물의 중요도분류는 다음 글을 참고하시기 바랍니다. 

▶ 건축물의 중요도분류 - 중요도 특, 1, 2, 3

 

다음은 하중에 대한 내용들입니다.

▶ 하중의 종류/ 하중조합/ 하중조합의 원리

▶ 고정하중(D); Dead load

▶ 활하중(L); Live load

▶ 활하중의 저감계수/ 활하중 줄이기

▶ 풍하중(W); Wind load

▶ 풍하중 - 가스트영향계수

 

▶ [분류 전체보기] - 구조역학 관련 전체 내용

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