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건축설계하중
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1.설계하중이란? | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
건물을 시공하기전에 건물의 안전성과 경제성 시공성을 고려하여 구조물을 설계하여야한다. 그래서, 건물이 세워지고 난후에 건물이 견디어내여야할 각각의 외력을 시공전에 예측하여 건물이 안전하게 서있을수 있도록 구조물을 설계한다. ◆건물하중 전달 경로 : SLAB →작은 보(Beam) →큰 보(Girder) → 기둥 → 기초 |
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1) 고정하중 : 구조물 자체의 무게와 구조물에 지속적으로 작용하는 하중. 2) 적재하중 : 구조물 내부에 실리게 되는 점유물의 무게로서 정의되며 고정하중과는 달리 가변성이 크고 반영구적이거나 일시적 하중들로 구성된다. 3) 풍 하 중 : 건축물에 작용하는 바람에 의한 하중으로, 정확한 풍속은 지리적인 위치와 고도에따라 달라지므로 일반적으로 설계규정에 주어진 풍속대 지도로부터 구한다. 4) 지진하중 : 일반적으로 알려진 지진에 의해 건물에 작용되어지는 하중. 5) 설 하 중 : 구조물에 쌓이게 되는 눈의 수직 최심적설량과 구조물의 형상 및 적설의 단위 중량의 곱의 형태로 표현되는 하중. 6)지하구조물에 작용하는 하중 : 토압 및 수압하중이 일반적인 지하구조물에 작용하는 하중. 7)기타하중 : 온도하중, 설비하중(엘리베이터, 에스컬레이터, 크레인)등. |
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3. 고정하중 |
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1)고정하중의 개요 철골구조 : 250 ∼ 400 kg/m2 철근콘크리트구조 : 500 ∼ 750 kg/m2 프리스트레스 콘크리트구조 : 철근콘크리트구조의 ∼ 80 % 2) 구조설계자는 고정하중을 경량화할 필요가있다. 왜냐하면, 지진시에 골조에 작용하는 지진력을 경감하는 효과가 있으며, 수평력에 의해서 결정되어 지는 부재설계시에도 유리하게 작용하며, 기초구조에 좋은 영향을 미친다.
3)건축재료의 중량(t/m3)
4)기타 고려사항 구조설계 초기단계에서 구조부재 치수의 가정으로부터 개략적으로 산정되는 고정하중은 쉽게 구해질 수 있으나, 정확한 하중분석이 어렵다는 문제점 때문에 고정하중의 계산은 15 ∼ 20% 혹은 그 이상의 오차가 생길 수 있다는 점을 유의할 필요가 있다. 그래서, 고정하중은 시공과정에서 임의적으로 변경될 소지가 있어 설계초기의 하중정보를 시공도면에 표기하여 구조설계당시 하중조건과 다르게 각종공사가 진행되거나, 변경될 때에는 구조검토를 받고 시공에 임할 것을 주지시킬 필요가 있다. |
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4. 적재하중 |
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1)적재하중의 개요 넓은 의미의 적재하중은 고정하중 이외의 모든 하중으로 볼 수 있지만 일반적으로 설계하중을 취급시에는 구조물 내부에 실리게 되는 점유물의 무게로서 정의되며 고정하중과는 달리 가변성이 크고, 시간과 위치에 따라서 변화하는 특성을 갖는다. 그 변화는 단기간일 수도 있으므로 적재하중을 고정적인 것으로 예측하기는 거의 불가능하다. 그래서 구조물의 용도별로 과거의 경험과 현장조사 및 연구를 통해서 안전율을 고려한 등분포하중으로 규정되어 있다. 이러한 등분포하중은 변동성을 갖는 실제 점유하중의 상태를 나타내고 있는데,구조물이 받게되는 실제하중에 근접하면서도 신중하 게 안전률을 고려하여 설정된 것이다. 사실 규준의 등분포하중 설정시에 정한 안전률은 크게 설정되어 있으나, 항상 예기치 못할 경우가 생길 수 있기 때문에 이를 고려하지 않으면 안된다는 개념이 담겨져 있고, 기념식이나 파티등으로 인하여 사람이 모이는 경우나, 가구와 벽의 이동 등으로 특 정한 부분에 매우 큰 하중이 작용되는 경우를 예상한 것이며, 이와 같은 특별한 경우에도 안전을 확보하고자 배려한 것이다. 한편, 건물에 작용하게 되는 적재하중은 전층에 걸쳐서 바닥에 만재되는 경우는 실제로 드물어, 국내외의 대부분 규준에서는 바닥 슬래브의 경우 설계하중감소 규정을 두지 않고 있으나 보·기둥·기초의 설계시에는 이들이 받게 될 연직하중을 부담면적 및 그 지지 바닥의 수에따라 적정하게 저감할 수 있음을 규정하므로써 합리적이고 경제적인 설계를 유도하고 있다.
2) 적재하중 취급시 고려사항 (1) 적재하중 하중표 ( LOADING MAP 작성 ) 건축물은 건물의 사용방법에 따라서 끊임없이 변하게 된다. 따라서 설계자는 적재하중을 산정시에는 건물의 용도나 사용 조건을 잘 이해하고 필요하다면 약식 평면도상에 하중분포도를 작성하고 확인해 둘 필요가 있다. 이것은 추후 건물의 용도를 변경할 경우나 구조물 유지관리 차원에서 현재 야적된 적재하중의 적정성 등을 평가하는데 유용하게 (2) 적재하중의 정보파악 특수한 용도나 국부적인 하중상태에 대해서 설계자가 판단해야 할 필요가 많이 생긴다.이때 설계조건이 비슷한 건축물의 적재하중 실태를 조사하고, 예상되는 최대 하중치를 파악해 신중히 결정해야 한다. (3) 설계용 적재하중 설계용 적재하중은 허용응력설계법에서는 바닥의 구조계산용과 큰보, 기둥 또는 기초구조계산용 등 두가지로 구분지어 규정되어 있고, 강도설계법의 경우는 구조부재의 구분없이 용도별로 단일 설계하중을 규정해 놓고 있다. (4) 적재하중의 여유 설계시 항상의 경우는 아니지만 특수한 하중이 작용하는 경우와 추가로 하중이 가해질 부분이 생기게 된다. 예를 들면, 국부적으로 금고실이나 설비실, 서고, 전산기기실등과 같이 특수한 하중이 작용하는 경우와, 백화점 등의 옥상에는 장래 의 유희시설 및 옥상정원 등의 추가설치를 고려하여 하중의 여유를 두어야 할 경우도 있다. 특히 지하주차장 상부나 도심지 현장의 1층 바닥은 공사중에 중량차량의 진입과 재료야적장으로 사용예가 많으므로, 설계자는 이 러한 부득이한 경우가 발생할 경우에 대비하여 구조물의 안전성 확보방안을 강구하도록 시공자에게 주의를 환기시킬 필요가 있다. (5) 일시적 적재하중 보수, 기계의 일시적인 반출입의 경우에는 일시적으로 하중을 단기하중으로 고려하는것도 가능하다.
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6. 지진하중 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
1) 지진하중의 개요 우리나라에서는 지진피해에 대하여 별로 관심을 갖지 못하였으나, 1978년 홍성지진 이후 관심이 증대되어 국내에서도 1988년 1월 부터 "건축물의 구조기준 등에 관한 규칙"에 내진설계 를 하도록 정하고 있다. 지진력을 결정하는 중요한 요소 중의 하나가 지반 가속도이다. 이 지반 가속도는 지진위험지역에 설치된 계측 조직망에 의하여 계측되며, 진원과 진앙 그리고 강도가 가장 큰 지점을 찾아낸다. 매우 민감한 반응을 하는 지진계로 지각운동이 측정되는데 이것은 지반가속도의 세가지 구성요소, 즉 두가지 수평적 요소(남북, 동서방향)와 수직적 요소이다. 이러한 가속도는 중력가속도에 대한 비율로 표시되며 이 측정치들은 건축물의 내진설계의 기초자료가 된다. 구조물에 미치는 지진의 영향은 지반가속도의 특성과 구조물의 형식, 중량 및 강성에 따라 좌우된다. 수평가속도로 인하여 건축물을 지지하는 수직부재에 발생된 전단력은 건축물에 횡방향의 상대운동을 발생시킨다. 지진 발생시에 지각은 수평방향과 연직방향으로 진동하나 내진설계에서 건축물이 정지상태의 수직하중으로 설계되어 있으므로 연직운동성분을 일반적인 건물에서는 무시할 수 있다. 그러나 단층의 표면이 파괴된 부근에 세워진 건물에서는 연직운동이 상대적으로 크고 그 충격이 심각할 수 있으므로 특별한 고려가 이루어져야만 한다. 또한 장스팬 구조물과 같이 연직운동에 의해 진동이 증폭되는 구조물에서는 이에 대한 검토가 필수적이다. 1995년 발생한 일본의 관서지방 지진에서는 이러한 연직운동으로 피해가 큰 경우이다.
2) 건물의 관성력과 응답 수평 관성력(F)의 크기는 건물의 질량(m), 지반가속도(a)에 의해 결정된다. 건축물과 기초가 강체로 되어 있다면 건축물은 지반가속도와 같은 크기의 가속도를 갖고 뉴턴의 법칙에 의해 F = ma의 수평력을 받는다. 그러나 모든 건물은 실제로 어느 정도의 유연성이 있으므로 이러한 경우는 극히 드물다. 또한 미소하게 변형하는 구조물에서 약간의 에너지가 흡수되면 건물의 관성력은 질량과 가속도를 곱한 값보다 작을 수도 있다. |
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7. 설하중 |
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1) 설하중의 개요 적설하중은 풍하중 및 지진하중과 같이 지역의 자연환경에 영향을 받는 하중으로서 구조물에 쌓이게 되는 눈의 수직 최심적설량과 구조물의 형상 및 적설의 단위 중량의 곱의 형태로 표현되는 하중으로 정의된다. 일반적으로 적재하중이 주로 건물의 용도에 따라서 변화하듯이 적설하중은 주로 구조물이 위치한 지역, 지형에 따라 큰 차이가나며, 적설의 질, 밀도, 적설깊이, 한꺼번에 내리는 눈의 적설깊이, 동결상태, 동한기의 풍향이나 풍속, 제설의 대책 등으로 설계에 사용될 적설하중의 평가는 달라지게 되므로 건축예정지역의 적설관련자료를 추측할 필요가 있다. 2) 설하중 취급시 고려사항 적설하중은 주로 지붕면에 작용하는 하중이므로 건물 전체 무게가 무거운 경우에는 비교적 영향이 적지만, 철골조로 된 공장건물 같은 경우에는 지배적인 하중이 되기 쉽다. 적설의 단위중량은 건조한 눈(약 150kg/m2)과 수분을 함유한 눈(약 450kg/m2)과는 큰 차이가 있으며, 최심 적설량이 클수록 단위 중량도 증가되지만 대체로 적설량 1cm에 대해서 일반지역에서는 2kg/m2 이상, 다설지역에서는 3kg/m2 이상으로 한다.(국내규준 에서 다설지역의 구분은 적설최심 1m를 기준으로 하고 있음.) 눈에 대한 설계시에 추가로 유념할 사항을 요약해 보면 다음과 같다. 눈이 미끄러져 떨어지게 하는 방법으로는 지붕의 형상이나 재료의 선택, 미끄러져 떨어진 눈이 통행인이나 건물측 벽에 미치는 영향 등이 문제가 될 수 있다. 눈을 쌓이게 하여 지탱하는 방법을 사용시에는 편심하중에서도 구조물이 충분한 내력을 확보할 수 있도록 하여야 하며, 아울러 방수, 배수, 동결 등의 고려가 필요하다. 부분의 고층건물 지붕은 적설하중을 지지하는 방식이 주로 사용된다. |
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