주골조 설계풍압

왜 배우는가: 주골조 설계풍압은 건축물 전체 골조(기둥·보·벽체·기초)를 설계할 때 쓰는 풍하중의 기본 값이다. 외장재 설계풍압과 달리 건물 전체 풍력 저항 체계를 결정하므로 실무 구조계산의 출발점이 된다. 시험에서는 밀폐형·부분개방형 건축물의 지붕 설계풍압식과 각 기호의 의미를 묻는 문제로 반복해 출제된다.

출제 이력: 제97회 1교시 1번, 제94회 1교시 13번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

답안 첫 줄 정의: 주골조 설계풍압은 기본풍속에서 얻은 속도압에 노풍도 계수, 거스트 영향 계수, 풍력계수를 곱하여 건축물 주골조에 작용시키는 설계용 풍압이다.

핵심 키워드

• 주골조 설계풍압
• 속도압
• 풍력계수
• 거스트 영향 계수
• 노풍도 계수
• 밀폐형 건축물
• 부분개방형 건축물
• 풍하중 중요도 계수

2. 개념 풀이

쉬운 말로 풀면, 바람이 건물을 밀거나 빨아당기는 힘을 골조 전체가 견디도록 정한 설계 압력이다. 바람은 세기가 높이와 지형에 따라 달라지고, 순간적으로 흔들리며, 건물 표면의 위치마다 방향과 크기가 다르다. 설계식은 이 세 가지 차이를 계수로 나누어 반영한다.

정식 정의는 다음과 같다. 주골조 설계풍압은 건축물 주골조가 받는 풍압을 설계용으로 산정한 값이다. 기준풍속으로 정한 속도압(공기 밀도와 풍속의 제곱에 비례하는 동압)을 기본으로 한다. 여기에 높이별 바람 세기를 나타내는 노풍도 계수, 바람의 돌풍성 변동을 반영하는 거스트 영향 계수, 구조물 형상에 따른 풍력계수를 곱한다. 건축물의 용도와 중요도는 풍하중 중요도 계수로 기본풍속에 반영한다.

핵심 용어 풀이는 다음과 같다. 속도압은 풍속의 제곱에 비례하는 동압이다. 풍속이 두 배가 되면 속도압은 네 배가 된다. 풍력계수는 건축물 표면의 위치와 형상에 따라 풍압의 방향과 크기를 정하는 무차원 계수다. 밀폐형 건축물은 외벽과 지붕의 개구부가 설계 기준에 따라 작아서 내부 압력이 외부 압력 변화에 거의 따르지 않는 건축물이다. 부분개방형 건축물은 개구부가 일부 있어 내부 압력이 외부 압력 변화에 영향을 받는 건축물이다.

3. 등장 배경과 필요성

초기 풍하중 기준은 건물 전체에 하나의 정압을 적용하는 단순한 방식이었다. 그러나 고층화와 경량화가 진행되면서 바람의 동적 응답과 표면별 풍압 차이가 구조 안전에 큰 영향을 준다는 사실이 확인되었다. 특히 지붕면에서 작용하는 흡인력(음압)은 지붕 구조와 고정 철물을 좌우하므로 별도의 계산 체계가 필요해졌다.

이에 따라 풍하중을 기본풍속, 노풍도, 돌풍 효과, 형상 효과로 나누어 단계적으로 산정하는 방식이 정착되었다. 국내에서는 건축구조기준의 풍하중 규정이 이 체계를 따른다. 설계자는 이 체계를 통해 건물의 크기, 높이, 지형, 개구부 상태에 맞는 설계풍압을 얻는다. 또한 주골조와 외장재를 구분하여 산정함으로써 부재별 과다 설계와 과소 설계를 줄인다.

주골조 설계풍압은 전체 골조의 횡력 저항 계획에 직접 쓰인다. 따라서 바람이 건물에 미치는 영향을 한 번에 정리하는 기본 개념으로 학습해야 한다. 외장재 풍압이나 지붕 모서리 풍압은 별도의 계수와 영역 구분을 쓰므로 주골조 풍압과 혼동하지 않는다.

속도압은 풍속의 제곱에 비례

풍하중 중요도 계수는 건축물 중요도 단계별로 정해진 값이다

건축물 중요도 4단계

기본풍속에 중요도 계수 반영

4. 구성요소·원리·절차

주골조 설계풍압은 바람이 건축물 외피에 만드는 압력을 골조 설계용 등가 정적 하중으로 바꾼 값이다. 속도압에 풍력계수와 가스트영향계수를 곱해 구한다. 식의 각 항은 바람의 세기, 건물 형태, 바람의 난류 효과를 나눠 담는다.

설계풍압은 속도압에 풍력계수와 가스트영향계수를 곱해 산정한다

속도압은 기준풍속과 공기 밀도로 정해지는 동압이다. 풍속이 두 배가 되면 속도압은 네 배가 된다. 이 값이 풍압의 기본 크기다.

풍력계수는 구조물 표면 위치에서의 풍압을 기준 속도압으로 나눈 무차원 값이다. 형태와 표면 위치에 따라 값이 달라 풍동실험으로 구하거나 기준 표의 값을 쓴다.

가스트영향계수는 바람의 난류(돌풍) 효과를 정적 하중에 반영하는 계수다. 구조물의 높이·고유진동수·감쇠에 따라 값이 달라진다.

주골조 설계풍압 절차

• 기준풍속과 중요도계수로 설계풍속을 정한다.
• 높이별 노풍도계수로 설계 속도압을 구한다.
• 구조물 형태에 맞는 풍력계수를 고른다.
• 가스트영향계수를 적용해 등가 정적 풍압을 구한다.
• 층별 또는 면별 풍압을 골조 해석에 입력한다.

구성요소 표

표 설명: 각 항은 독립적으로 정해진다. 속도압은 기후 조건, 풍력계수는 형상, 가스트영향계수는 동적 특성이 결정한다. 설계자는 세 항을 나눠 검토해야 한다.

원리는 다음과 같다. 바람은 건물 표면에 수직으로 작용하는 압력을 만든다. 이 압력은 풍상면에서 양압, 측면과 풍하면에서 음압(흡입)으로 나타난다. 골조 설계에서는 이 압력을 전체 높이에 걸친 등가 정적 하중으로 바꾼다.

설계풍압 산정식(개념식)

$p = q \cdot C \cdot G$

p: 설계풍압(kN/㎡), q: 설계 속도압(kN/㎡), C: 풍력계수(무차원), G: 가스트영향계수(무차원).

속도압은 다음과 같이 쓴다.

$q = \frac{1}{2}\rho V^2$

\rho: 공기 밀도(kg/㎥), V: 설계풍속(m/s). 설계풍속은 기준풍속에 중요도계수를 곱해 정한다. 식의 계수와 단위는 원문 기준을 따른다.

도식은 다음과 같다.

5. 관련 법령·기준·표준

주골조 설계풍하중은 건축구조기준(KBC 2016 계열의 풍하중 조항)과 풍하중 해설에서 규정한다. 기준은 건축물의 용도와 중요도, 지역별 기본풍속, 지표면 조도 구분, 풍력계수, 가스트영향계수를 정한다. 풍하중 기준은 건축구조기준의 개정에 따라 조항 번호가 바뀌므로 번호 대신 기준 이름으로 인용한다.

기준풍속은 지역별 재현기간에 맞춘 기본 값이다. 중요도계수는 건축물 용도와 사회·경제적 중요도에 따라 적용한다. 풍하중중요도계수는 건축물 중요도 단계별로 나뉘며 단계마다 정해진 값을 쓴다. 이 값은 설계풍속 크기에 반영한다.

기준값 표

표 설명: 중요도계수와 조도 구분은 설계풍속과 노풍도계수의 입력이다. 풍력계수는 구조물 형태에 따라 표에서 고른다. 충실률은 래티스 구조의 풍력계수 선택에 쓰인다.

래티스형 탑상구조의 풍력은 구면의 충실률에 대응하는 풍력계수에 구면의 투영면적을 곱해 구한다. 충실률은 유효수압면적을 외곽면적으로 나눈 값이다. 강관과 사각 단면 부재는 평면 형상 구분 없이 같은 방법을 쓴다.

개정 연혁: 풍하중 기준은 건축구조기준의 개정마다 풍력계수 표와 중요도 체계가 갱신되었다. 현행 기준의 명칭과 조항은 최신 건축구조기준을 따른다.