건축물 하중

왜 배우는가: 건축물 하중은 구조설계의 출발점이다. 모든 부재의 단면과 기초의 크기는 하중을 얼마나 어떻게 잡느냐에 따라 정해지므로, 하중 분류와 설계 하중 개념을 모르면 구조계산과 시공 중 가설 안전 판단이 흔들린다. 고정하중과 활하중의 구분은 1교시 용어 문제와 2~4교시 논술 문제에서 거의 매번 기초 개념으로 묻힌다.

출제 이력: 제116회 2교시 2번, 제93회 1교시 12번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

건축물 하중은 건축물 자체의 무게와 사용·환경에 의해 구조물에 작용하는 외력으로, 고정하중·적재하중·환경하중으로 분류하여 설계에 반영하는 힘이다.

• 핵심 키워드: 고정하중, 적재하중(활하중), 환경하중, 풍하중, 지진하중, 적설하중, 설계하중, 하중계수

2. 개념 풀이

쉬운 말로 하면 건물이 자기 무게와 그 안에서 쓰는 물건, 사람, 그리고 바람·눈·지진의 힘을 버텨야 한다는 뜻이다. 건물을 짓기 전 설계 단계에서 이 힘들의 크기를 미리 정해 두는 것이 하중 개념의 핵심이다.

정식 정의는 재료역학·구조역학에서 물체에 작용하는 외력을 하중이라 하는 것에서 출발한다. 건축구조에서는 이 외력을 작용 성질에 따라 나누어 설계하중으로 정한다. 구조물의 수명기간 중 상시 작용하는 자중과 마감 등의 하중이 고정하중이고, 건물 용도에 따라 사람·가구·비품·저장물처럼 변하거나 이동하는 하중이 적재하중이다. 적재하중은 공학에서 활하중(Live Load) 이라고도 부른다.

여기에 바람에 의한 풍하중, 지진에 의한 지진하중, 눈에 의한 적설하중, 토압·수압 같은 지반 하중이 더해진다. 하중은 방향에 따라 수직하중(연직하중)과 수평하중으로 나뉜다. 고정하중과 적재하중은 수직하중이고, 풍하중과 지진하중은 대표적인 수평하중이다.

핵심 용어 풀이는 다음과 같다. 고정하중(Dead Load) 은 구조체, 마감, 칸막이, 설비 기기처럼 시간이 지나도 크기가 거의 변하지 않는 하중이다. 활하중(Live Load) 은 사용 상태에 따라 크기와 위치가 바뀌는 하중이다. 설계하중 은 이 하중들을 구조계산에 쓰기 위해 정한 값이다.

3. 등장 배경과 필요성

초기 건축은 경험에 따라 부재 크기를 정했지만, 건물이 높아지고 재료가 다양해지면서 하중을 수치로 정량화할 필요가 생겼다. 고정하중은 재료의 밀도나 단위체적중량에 체적을 곱해 계산하고, 활하중은 용도별 등분포활하중 기준으로 정한다. 이렇게 하중을 기준값으로 표준화해야 설계자마다 결과가 달라지지 않는다.

하중 개념이 필요한 이유는 안전과 경제성의 균형 때문이다. 고정하중을 줄이면 같은 적재하중에도 구조 부재가 가벼워지므로 효율적인 구조가 된다. 반대로 활하중을 과소 평가하면 사용 중 처짐과 균열, 붕괴 위험이 생긴다. 그래서 설계하중은 실제 사용 조건보다 여유를 두어 정하고, 하중조합과 하중계수로 불확실성을 반영한다.

강도설계법에서 하중계수를 곱하는 이유도 여기에 있다. 사용하중은 처짐 검토에 쓰고, 극한하중은 강도 검토에 쓴다. 이런 구분이 없으면 구조물의 안전도를 일관되게 평가할 수 없다.

건축물의 주요 용도별 등분포활하중은 용도별 기준으로 정한다

4. 구성요소·원리·절차

건축물 하중은 구조물 자체에 작용하는 자중과 사용 중 외부에서 가해지는 힘으로 나뉜다. 하중 전달은 바닥판(슬래브)에서 보, 기둥, 기초, 지반 순으로 이루어진다. 각 부재는 이렇게 전달된 하중을 견디도록 설계된다.

고정하중은 재료의 단위체적중량에 체적을 곱해 산정한다. 이 때문에 설계 초기에는 개략 값으로 시작하고 상세설계에서 실제 값으로 바꾼다. 활하중은 용도별로 규정된 등분포 값을 적용한다.

원리는 하중이 가벼운 요소에서 무거운 요소로 모이는 경로에 있다. 한 층의 하중은 슬래브 면적에 작용하고 보를 거쳐 기둥에 집중된다. 기둥은 축력을 받고 기초는 이를 지반에 넓게 분산한다. 고정하중이 크면 활하중 저항 여력이 줄어든다. 따라서 경량화가 구조 효율의 핵심이다.

하중 조합은 강도설계법에서 극한하중, 허용응력 설계법에서 사용하중을 쓴다. 대표 조합은 다음과 같다.

• 고정하중과 활하중을 먼저 각각 산정한다.
• 풍하중, 지진하중, 적설하중을 필요한 방향과 조합에 맞춰 더한다.
• 조합 중 부재에 가장 불리한 값을 설계 응력으로 택한다.
• 강도설계에서는 하중계수를 곱한 소요강도로 검토한다.

고정하중은 자중과 마감 등 항구적으로 작용하는 하중이며 활하중은 점유·사용에 따라 변하는 하중이다

5. 관련 법령·기준·표준

하중 기준은 건축구조기준(KDS 41 계열)과 건축물의 구조기준 등에 관한 규칙을 따른다. 설계하중은 고정하중, 활하중, 적설하중, 풍하중, 지진하중, 토압·수압 등으로 구성한다. 고정하중은 설계 대상의 실제 재료와 치수로 산정한다. 활하중은 용도별 등분포 값으로 적용한다. 아래 표는 다룬 기준값을 정리한 것이다.

표의 활하중 값은 수험서에 널리 실린 값이다. 실제 설계는 현행 건축구조기준의 최신 값을 기준으로 한다. 고정하중은 용도와 무관하게 실제 재료로 계산한다. 활하중은 용도 분류가 바뀌면 값도 바뀌므로 반드시 현행 기준을 확인하여 적용한다.

고정하중과 활하중의 저감은 부재 면적이 넓을 때 가능하다. 저감 규정은 기준에 따라 조건과 한도가 정해진다. 답안에는 저감 원리만 쓰고 세부 계수는 쓰지 않는다.

국제 기준은 ASCE 7 계열이 대표적이다. 이 기준은 고정하중 하중계수를 작게, 활하중 하중계수를 크게 둔다. 국내 기준과 하중계수 값은 다를 수 있으므로 개념 차이만 기억한다.

6. 유형과 비교

건축물 하중은 작용 방향, 작용 시간, 변화 특성에 따라 나눈다. 가장 기본인 분류는 고정하중(Dead Load)과 활하중(Live Load)이며, 여기에 적설하중·풍하중·지진하중·토압·수압 등 환경하중이 더해진다. 아래 표는 두 하중의 성격을 비교한 것이다.

고정하중은 시간에 따라 변하지 않는 값이므로 재료의 단위중량과 체적을 곱해 산정한다. 활하중은 용도별 기준값을 적용하므로 값의 편차가 크다. 설계에서는 두 하중을 서로 다른 하중계수로 조합한다.