외장재설계용 풍하중

왜 배우는가: 외장재(창유리, 커튼월, 지붕 마감재 등)는 바람을 직접 받아 파손·탈락 사고로 이어지기 쉬워 건축물 안전과 사람의 안위에 직결된다. 건축구조기술사 시험에서는 KDS 41 12 00 의 외장재 설계용 풍하중 산정 절차와 유리 고정방식을 연결해 묻는 문제가 반복해서 출제된다.

출제 이력: 제136회 4교시 2번, 제91회 4교시 6번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

외장재설계용 풍하중은 건축물의 외장재와 그 고정부에 직접 작용하는 바람의 압력(정압·부압)을 산정한 설계하중이다.

• 외장재: 창유리, 커튼월 패널, 지붕 마감재처럼 건물 외피를 구성하고 풍압을 직접 받는 부재.
• 설계기본풍속: 지역·재현기간에 따른 기준 풍속(m/s).
• 속도압: 풍속의 제곱에 비례하는 동압으로, 외장재 풍하중 산정의 기준이 된다.
• 풍력계수(외압계수): 건물 표면 위치별 풍압의 비율. 국부 풍압이 큰 모서리·가장자리 구역을 따로 본다.
• 노풍도 계수: 지표면 조도구분과 높이에 따른 풍속 증가를 반영하는 계수.
• 가스트영향계수: 돌풍(순간 풍속 변동)에 의한 동적 영향을 등가 정적 하중으로 바꾸는 계수.
• 고정부 설계: 산정된 풍압을 견디도록 유리·패널과 주구조체를 잇는 부재를 설계하는 일.

2. 개념 풀이

쉬운 말로 하면, 바람이 유리창을 밀거나 빨아당기는 힘을 미리 계산해서 유리와 그 고정 방법이 버티도록 정하는 일이다. 바람은 건물 전체를 흔드는 힘도 되지만, 외피 한 장을 떼어내는 힘으로도 작용한다. 외장재는 이 국부 풍압을 직접 받으므로 골조 풍하중과 따로 산정한다.

정식 정의는 다음과 같다. 외장재설계용 풍하중은 건축물 외피 부재 한 점이 받는 설계풍압을 의미하며, 속도압에 풍력계수, 노풍도 계수, 중요도 계수 등을 곱하여 구한다. 골조 풍하중이 건물 전체의 수평력을 다루는 것과 달리, 외장재 풍하중은 국부 풍압 분포를 다룬다는 점에서 차이가 난다.

핵심 원리는 두 가지다. 첫째, 풍압은 높이가 올라갈수록 커진다. 둘째, 건물 모서리와 가장자리 근처는 중앙부보다 풍압이 크게 나타난다. 이 두 현상 때문에 외장재는 높이별·위치별로 나누어 설계한다. 가스트 효과는 순간 돌풍의 충격을 정적 하중으로 환산해 반영한다.

외장재 풍하중은 골조 풍하중과 달리 국부 풍압 분포를 기준으로 산정한다.

외장재 설계에서 자주 쓰는 용어는 다음과 같다.

• 정압(压力)과 부압(吸引力): 건물 표면을 안쪽으로 미는 힘과 바깥으로 빨아당기는 힘. 외장재 고정 설계에서는 부압이 더 중요한 경우가 많다.
• 유효풍압: 외장재의 면적과 위치를 반영한 설계 풍압.
• 수압면적: 외장재 한 부재가 바람을 받는 면적(㎡). 면적이 작을수록 국부 풍압 계수가 크게 적용된다.

3. 등장 배경과 필요성

초고층·대형 커튼월 건축물이 늘면서 외장재 파손 사고가 강풍 시기마다 보고되었다. 골조만 안전하게 설계하면 충분하다는 기존 관점으로는 유리 탈락과 패널 비산을 막기 어려웠다. 그래서 골조 풍하중과 별도로 외장재 전용 풍압을 정하는 규정이 필요해졌다.

국내에서는 건축구조기준 체계 안에 외장재 풍하중 규정을 두고 있다. 현행 설계기준은 건축구조기준의 풍하중 편에 있으며, 골조용 풍하중과 외장재용 풍하중을 구분해 제시한다. 외장재 풍하중은 설계기본풍속, 노풍도, 중요도 계수를 적용한 기본 속도압을 출발점으로 삼는다.

외장재 설계가 중요한 이유는 다음과 같다.

• 유리·패널 탈락은 인명 피해와 2차 사고(보행자 피해, 도로 차단)로 이어진다.
• 외장재는 골조보다 먼저 손상되는 경우가 많아, 국부 풍압을 따로 보지 않으면 설계 누락이 생긴다.
• 고정방식(실링, 가스켓, 앵커 등)의 적합성은 외장재 풍압을 기준으로 검토해야 한다.

기본 속도압의 기준 수치는 다음과 같이 쓴다. 설계기본풍속 40m/s와 같은 값은 지역별 기준 풍속 지도에서 결정하며, 속도압은 공기밀도와 풍속 제곱으로 구한다.

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

여기서 q는 속도압(Pa), \rho는 공기밀도(kg/㎥, 표준 상태 약 1.225kg/㎥), V는 풍속(m/s)이다. 풍속 40m/s 를 대입하면 동압은 약 980Pa 이다. 실제 외장재 설계에서는 여기에 노풍도 계수, 풍력계수, 가스트 계수 등을 곱해 설계풍압을 구한다.

4. 구성요소·원리·절차

외장재 설계용 풍압은 외장재(창유리, 커튼월, 지붕 패널 등)가 받는 국부 최대 풍압을 구하는 값이다. 주골조 풍하중과 달리 작은 면적에 걸리는 큰 압력을 기준으로 한다. 원리는 바람이 건물 표면에 만드는 외압과 건물 내부의 내압의 차이를 속도압에 계수로 곱해 면압으로 바꾸는 것이다.

외압은 건물 표면 위치마다 달라서 모서리와 처마 부근에서 크게 생긴다. 내압은 개구부의 크기와 위치로 정해진다. 한쪽 면에 개구가 크게 열리면 내압이 외압과 같은 방향으로 더해져 가장 불리한 조합이 된다. 따라서 외장재 풍압은 외압과 내압의 조합 중 최대값으로 잡는다.

외장재 풍압은 외압계수와 내압계수의 차이로 산정한다

산정 절차는 다음과 같다.

• 지역의 기본풍속 V0를 풍속지도에서 정하고 중요도계수 Iw를 적용한다.
• 평균높이 H와 지표면 조도구분에 따라 높이 보정계수 Kzr을 구하고 설계풍속 VH를 구한다.
• VH로 높이 H의 속도압 qH를 계산한다.
• 건물 형상과 면·위치별 외압계수 GCp를 정한다.
• 개구부 조건에 따라 내압계수 GCpi를 정한다.
• 두 계수의 차를 qH에 곱해 설계풍압을 구하고, 부재별 최대값으로 고정 설계에 쓴다.

$V_H = V_0 \cdot K_{zr} \cdot K_{zt} \cdot I_w$

V_H는 설계풍속(m/s), V_0는 기본풍속(m/s), K_zr는 높이·조도 계수, K_zt는 지형계수, I_w는 중요도계수다.

$q_H = \frac{1}{2}\rho V_H^2$

q_H는 높이 H의 속도압(N/㎡), ρ는 공기밀도(kg/㎥)다. 공기밀도 ρ는 기준이 정한 값을 적용한다.

$p = q_H\,(GC_p - GC_{pi})$

p는 설계풍압(N/㎡), GC_p는 외압계수, GC_pi는 내압계수다. 외장재 풍압은 가스트영향계수 G를 함께 고려하며, 외장재 설계풍압의 가스트영향계수 G는 기준이 정한 값으로 적용한다.

창유리 설계에 이 식을 적용하면, 연속 18m 창유리를 폭 2m 단위로 나누면 9개의 구간이 생기고 각 구간은 높이 3.6m의 패널이 된다. 패널은 수직 멀리온과 상·하 트랜섬에 끼워 고정한다. 풍압은 유리에서 가스켓을 통해 멀리온으로 전달되고, 멀리온은 상·하 슬래브에 지지된 보로 거동한다. 따라서 멀리온은 3.6m 스팬의 휨과 처짐을 검토해야 한다.

창유리 고정 상세는 다음 원칙을 따른다.

• 끼움 고정: 유리 가장자리를 멀리온과 트랜섬의 홈에 끼우고 유리 끝단에 여유 간격(클리어런스)을 둔다.
• 수밀·기밀: 글레이징 가스켓과 실란트로 빗물과 공기 누출을 막는다. 가스켓은 풍압을 직접 받지 않도록 한다.
• 신축 흡수: 연속 설치에서는 고정점과 미끄럼 점을 구분해 온도 변형과 건물 변위를 흡수한다.
• 유리 종류: 풍압과 패널 크기에 따라 강화유리 또는 접합유리를 선택하고, 두께는 풍압에 따른 휨 응력으로 정한다.

5. 관련 법령·기준·표준

외장재 설계용 풍하중의 기준은 건축구조기준 설계기준이다. 이 기준은 풍하중 산정의 기본 체계를 담고 있으며, 외장재 풍압은 주골조 풍하중과 구분해 적용한다. 구체적인 계수 값과 적용 조건은 기준 원문에서 가져온다.

내압계수 GCpi는 개구가 작은 건물에서 개구 조건별 기준 값으로 적용한다. 이 값은 개구 조건에 따라 달라지므로, 개구가 큰 면이 있으면 내압을 별도로 검토한다.