지표면 조도구분

왜 배우는가: 지표면 조도구분은 풍하중 산정의 입력값인 풍속고도분포를 정하는 기준이라서, 같은 건물이라도 등급에 따라 설계 풍하중이 달라진다. 고층·경량 건축물이 늘면서 풍하중의 비중이 커졌고, 기술사 시험에서도 등급 정의와 판단 절차를 묻는 문항으로 반복해서 출제된다.

출제 이력: 제116회 1교시 11번, 제112회 1교시 6번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

건설지점 주변 지표면의 거칠기를 A·B·C·D 네 등급으로 나누어 풍속고도분포를 정하는 기준이다.

• 지표면 조도구분
• 풍속고도분포지수
• 지수법칙
• 경도풍고도
• 풍상측 검토 영역
• 건축물 기준높이

2. 개념 풀이

쉬운 말로 하면, 바람은 땅 위에 건물과 나무가 많을수록 마찰로 약해지고 트인 곳에서는 강하게 분다. 지표면 조도구분은 이 차이를 등급으로 나누어 풍하중 계산에 반영하는 약속이다.

정식으로는 건축구조기준 설계하중(KBC2016, KDS 41 10 15)에서 건설지점 주변의 지표면 상태에 따라 정하는 지표면 조도 등급을 말한다. 등급이 정해지면 그 등급에 대응하는 풍속고도분포지수와 경도풍고도가 함께 정해진다.

건축구조기준 설계하중에서는 지표면 조도를 A·B·C·D 네 등급으로 구분한다.

• A: 대도시 중심부의 10층 이상 고층건축물이 밀집한 지역이다.
• B: 4~9층 중층건물이 산재한 지역이다.
• C: 저층건축물이 산재한 지역이다.
• D: 해안, 초원, 비행장 등 주변에 장애물이 없는 지역이다.

A에서 D로 갈수록 장애물이 적어져 지표 마찰이 작고 같은 높이에서 풍속이 커진다. 등급 기준 자체는 정량화되어 있지 않아, 등급 판단에는 설계자의 주관이 개입된다.

지표면 조도는 지표 장애물의 높이와 밀도로 정해지는 마찰의 정도다. 마찰이 클수록 높이에 따른 풍속 증가가 완만해진다.

풍속고도분포지수는 지수법칙에서 높이에 따른 풍속 증가 형태를 정하는 지수다. 등급마다 값이 다르므로 등급 판단이 곧 풍속 분포의 판단이 된다.

경도풍고도는 지표 마찰의 영향이 미치지 않아 풍속이 일정해지는 높이다. 그 높이에서의 풍속을 경도풍 풍속이라 한다.

건설지점 주변에 두 가지 이상의 조도가 섞여 있으면 판단 범위를 정한 뒤 다음 세 경우로 나누어 등급을 고른다.

• 풍상측에 급격한 변화가 없으면 45° 범위의 평균적인 지표면 상태를 등급으로 한다.
• 풍상측이 평탄에서 거친 상태로 급변하면 급변 지점보다 풍상측에 있는 평탄 상태를 등급으로 한다.
• 풍상측이 거친 상태에서 평탄 상태로 바뀌면 변화 후의 평탄 상태를 등급으로 한다.

판단 범위는 풍상측 45° 영역 안에서 건축물 기준높이의 40배와 3km 이내로 본다. 건축물이 높을수록 판단 범위가 넓어지므로 평탄 조도가 선택되는 경우가 많아진다. 평탄 조도는 풍하중이 커지므로 안전 측 선택이 된다.

3. 등장 배경과 필요성

바람은 높이에 따라 증가하지만, 지표 마찰 때문에 지면 가까이에서는 느리다. 이 높이별 풍속 변화를 지수법칙으로 나타내며, 식은 다음과 같다.

$U(z)=U_r\left(\frac{z}{z_r}\right)^{\alpha}$

여기서 U(z)는 높이 z(m)의 풍속(m/s), U_r는 측정 높이 z_r(m)의 풍속(m/s), \alpha는 풍속고도분포지수(무차원)다. 이 식은 경도풍고도 이하의 높이에 적용한다. 즉 같은 기본풍속이라도 지표면 조도가 달라지면 높이별 설계풍속이 달라진다.

건축물이 고층화, 대형화, 경량화되면서 풍하중은 설계를 지배하는 외력이 되었다. 질량이 작아진 건물은 지진보다 바람에 의한 영향이 커지므로, 풍하중을 산정할 때 지표면 조도가 결과를 크게 좌우한다. 풍하중 해설 자료에 따르면 고층 건축물은 지진하중보다 풍하중에 의해 골조가 정해지는 경우가 많다.

지표면 조도구분이 기준으로 필요한 이유는 두 가지다. 첫째, 등급이 정해져야 같은 지점에 대해 누가 설계하든 같은 풍속 분포를 쓸 수 있다. 둘째, 등급이 달라지면 설계풍하중이 달라지므로 설계의 안전성과 경제성이 함께 걸린다.

기존 연구에서는 대상 지역의 위성지도를 연구자가 직접 판독해 등급을 정하는 경우가 많았다. 이 방식은 판독자에 따라 등급이 달라지는 한계가 있어, 보다 객관적으로 지표면 조도를 구분하려는 연구가 이어지고 있다.

4. 구성요소·원리·절차

지표면 조도구분은 풍하중 산정식에서 풍속고도분포를 결정하는 입력이다. 건설지점 주변의 지표면 상태를 네 등급으로 나누고, 등급마다 풍속고도분포지수와 경도풍높이가 정해진다. 즉 구분이 달라지면 높이별 설계풍속과 풍하중 전체가 달라진다.

구성요소를 표로 정리하면 다음과 같다.

등급의 의미는 다음과 같다. A등급은 대도시 중심부의 고층건축물 밀집지역이다. B등급은 중층건물이 산재한 지역이다. C등급은 저층건축물이 산재한 지역이다. D등급은 해안, 초원, 비행장처럼 장애물이 없는 지역이다. 거칠기는 A에서 D로 갈수록 작아진다.

원리는 다음과 같다. 지표면 마찰은 지상에 가까울수록 풍속을 줄인다. 마찰층 두께와 감쇠 정도가 지표면 거칠기에 따라 달라진다. 거친 지표면일수록 풍속이 낮은 높이에서 느려지고 경도풍높이가 커진다. 따라서 조도 등급이 거칠수록 같은 높이의 설계풍속은 작아진다. 지수법칙은 다음과 같다.

$U(z)=U_r\left(\frac{z}{Z_r}\right)^{\alpha}$

여기서 U(z)는 높이 z[m]에서의 풍속[m/s], U_r는 기준 높이 Z_r[m]에서의 풍속[m/s], \alpha는 풍속고도분포지수(무차원)이다.

선정 절차는 다음과 같다.

• 건축물 기준높이를 정하고, 그 40배와 3km 중 작은 범위를 검토 범위로 잡는다.
• 풍상측 45° 부채꼴 범위의 지표면 상태를 조사한다.
• 급변이 없으면 45° 범위의 평균적 상태를 조도로 정한다.
• 평탄에서 거친 상태로 급변하면 급변 지점보다 풍상측의 평탄 상태를 택한다.
• 거친 상태에서 평탄 상태로 변하면 변화 후의 평탄 상태를 택한다.
• 선정한 등급에서 \alpha와 경도풍높이를 표에서 읽어 풍속을 산정한다.

5. 관련 법령·기준·표준

지표면 조도구분의 근거는 건축구조기준 설계하중(KDS 41 10 15)이다. 이 기준은 2016년 건축구조기준(KBC2016)의 풍하중 장을 따른다. 기준 명칭은 현행 KDS 체계로 쓴다. 옛 기준인 건축물의 구조기준 등에 관한 규칙의 풍하중 조항은 개정 과정에서 구조기준 체계로 옮겨졌다. 기본풍속과 지표면 조도 판단은 이 설계하중 기준에서 함께 정한다.

지표면 조도 등급별 기준은 다음과 같다. 지수값은 기준 표의 값을 그대로 쓴다.

위 표의 등급 설명은 기준 본문의 정의다. 등급별 \alpha와 경도풍높이의 정확한 값은 기준 표를 따른다. 본 절의 표는 대소 관계만 정리했다.

선정 기준 수치는 다음과 같다.

• 검토 범위 : 풍상측 45°, 기준높이의 40배와 3km 이내 40배, 3km 이내
• 판단 원칙 : 급변 없으면 평균, 평탄→거친 변화는 풍상측 평탄 상태 택함
• 경도풍 : 지표 마찰 영향이 없어지는 높이에서 풍속이 일정해짐

개정 연혁은 다음과 같이 정리한다. 풍하중 체계는 구 건축물 하중기준의 풍하중 해설에서 출발했다. 이후 건축구조기준으로 이관됐다. 조도 등급 정의 자체는 큰 틀을 유지하고 있다. 등급 구분이 정량화되어 있지 않다는 한계는 여전히 남아 있다.