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(지진 및 풍하중은 " 건축물의 구조기준등에 관한 규칙(1996) " 에 따른것 이며, "건축물 하중 기준 및 동해설(2000)" 에 따른 하중으로 수정중)
설계하중이란?
건물을 시공하기전에 건물의 안전성과 경제성 시공성을 고려하여 구조물을 설계하여야한다. 그래서, 건물이 세워지고난 후에 건물이 견디어내여야할 각각의 외력을 시공전에 예측하여 건물이 안전하게 서있을수 있도록 구조물을 설계한다. 이때에 예측한 외력을 설계하중이라한다.
설계하중의 종류
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) 풍하중 : 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) 설하중 : 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.
여기서는 주로 건축물의 구조계산에 적용되는 설계하중만 다루기로 한다.
재 료 | 중 량 | 비 고 | |
흙 |
건 조 |
1.30 1.60 1.80 |
점토류 |
모 래 |
건 조 |
1.70 2.00 |
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석 재 |
경 석(經 石) |
0.90 1.50 2.00 2.70 2.70 |
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벽 돌 |
경량벽돌 |
1.10 1.30 1.90 2.00 |
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콘크리트 |
경량콘크리트 |
1.00 - 2.00 2.30 2.40 |
신더콘크리트 |
금 속 |
알루미늄 |
2.70 7.85 8.60 |
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목 재 |
낙엽송,나왕 |
0.60 0.70 |
기건상태 |
적재하중의 부하면적 | 감소율 |
20 <= A <= 60 | R = 20 |
A > 60 | R = 0.5 (A-20) |
받치는 바닥의 수 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 | 11이상 |
저감 계수 | 0.95 | 0.90 | 0.85 | 0.80 | 0.75 | 0.70 | 0.65 | 0.60 | 0.55 | 0.50 |
종 류 | 건축물의 부분 | 적재하중 | |
1 | 주 택 | 가. 주거용 건축물의 거실·공용실·복도 나. 병원의 수술실·병실·복도 다. 숙박시설의 객실·공용실·복도 라. 공동주택의 노대 |
200 200 200 300 |
2 | 사무실 | 가. 사무실·로비·복도 나. 문서보관실 |
250 500 |
3 | 학교 | 가. 교실·복도 나. 실험실(일반) 다. 실험실(중량물) |
250 300 500 |
4 | 판매장 | 상점·백화점 | 350 |
5 | 집회 및 유흥장 | 가. 극장·발코니·복도 나. 무대·무도장 다. 식당 라. 주방(영업용) 마. 집회장(고정식) 바. 집회장(이동식) 사. 연회장 |
350 500 350 700 350 400 400 |
6 | 체육시설 | 가. 체육관 바닥·옥외경기장 나. 스텐드(고정식) 다. 스텐드(이동식) |
500 400 450 |
7 | 도서관 | 가. 열람실 나. 서고(개가식) 다. 서고(2단 서가식) |
250 700 1,000 |
8 | 차고 및 차로 | 가. 승용차 전용 나. 일반차량 다. 트럭·중량차량 |
300 500 1,200 |
9 | 창 고 | 가. 경량품 저장창고 나. 중량품 저장창고 |
500 1,000 |
10 | 공 장 | 가. 경공업공장 나. 중공업공장 |
500 1,000 |
11 | 옥 상 | 가. 사무실·학교·주거용 건축물 나. 옥상플라자·테라스·옥상정원 다. 적재물이 거의 없는 옥상 라. 30도 이상 경사지붕·곡면지붕 마. 헬리콥터 정착장(대형일 경우를 제외한다) |
200 500 100 80 500 |
그림 5-2 바람의 난류
등급 | 지역구분 | 설계기본풍속 | 노풍도 | |
I | 내륙 | 서울, 수원, 서산, 대전, 춘천, 청주, 추풍령, 이리, 전주, 광주, 진주, 대구 | 35m/sec | B(다만, 대도시의 고층시가지 중심부에서는 A) |
II | 해안(1) | 인천, 군산, 충무, 부산, 울산 | 40m/sec | C |
III | 해안(2) | 속초, 강릉, 포항, 목포, 여수, 제주, 서귀포 | 45m/sec | C |
IV | 섬 | 울릉도 | 50m/sec | C |
표 4-1 바닥면적에 따른 적재하중 감소율
건축물의 높이(m) | 기본풍속(m/sec)및 노풍도 | |||||
35(A) | 35(B) | 35(C) | 40(C) | 45(C) | 50(C) | |
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 100-150 150-200 |
30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 |
60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 |
100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 200 210 220 |
140 150 160 170 180 190 200 210 220 230 240 250 270 |
190 200 210 220 230 240 250 260 270 280 290 300 320 |
240 250 260 270 280 290 300 310 320 330 340 350 390 |
노동도의 구분 | 가스트 계수(G) | |||||
A B C |
2.00 1.50 1.25 |
표 5-3 가스트 계수
5 - 2에서 속도압계수 및 기본속도압은 각각 다음의 식 5 - 3와 식 5 - 4에 의하여 계산할 수 있는 것으로 설계기준은 정하고 있다.
Z: 속도압 산정높이(m), Zg: 풍속의 기준경고풍고도(m), Vo: 기본풍속(m/sec), 1/a: 고도분포지수
식 5 - 4에서 기본풍속은 표 5 - 1에서 규정된 지역의 경우에는 동표의 구분에 따르고, 동표에 없는 지역의 경우에는 지역조건을 고려하여 동표에 정한 지역중 가장 가까운 지역의 풍속에 준하여 정한다. 다만, 이표의 적용이 부적합한 경우에는 실제로 관측하여 정한다.
노풍도 | 풍속의 고도분포지수(1/a) | 기준경고풍고도(Zg) | 지 면 조 도 |
A | 1/3 | 450m | 대도시 중심부의 고층 시가지 |
B | 1/4.5 | 360m | 대도시 주변지역 시가지 삼림지역 |
C | 1/7 | 270m | 개방된 평지, 초원, 해수면 |
표 5 - 4 풍속의 고도분포지수 및 기준경도풍고도
풍하중 산정시 형태에 대한 풍력 계수가 있으나, "건축물의 구조기준 등에 관한 규칙"이며, 여러 책에 자세히 소개되어 있으므로 생략하였다.
지진하중
1) 지진하중의 개요
우리나라에서는 지진피해에 대하여 별로 관심을 갖지 못하였으나, 1978년 홍성지진 이후 관심이 증대되어 국내에서도 1988년 1월부터 "건축물의 구조기준 등에 관한 규칙"에 내진설계를 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 그림 6 - 1(a)와 같이 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.(그림 6 - 1(b)). 그러나 그림 6 - 1(C)와 같이 구조체가 지반이 진동하는 것과 같은 고유 진동주기를 가지는 유연성이 큰 구조는 반복되는 지각운동으로 훨씬 더 큰 힘을 받을 수도 있다. 그러므로 건물에 가해지는 수평력의 크기는 지반가속도 만이 아니라 구조물과 기초의 응답형태에의해 결정된다. 이와 같은 지각운동과 건물의 응답과의 상호관계를 응답 스펙트럼(response spectrum)이라 한다.
그림 6-1 건물의 관성력
여러 가지 주기를 가지는 1자유도의 건물은 그림 6 - 2(a)와 같이 서로 다른 높이를 지닌 캔틸레버 진자로 가정할 수 있다. 이러한 진자는 실제로 기록된 지진파동과 유사하게 좌우로 수평 반복운동을 하는 베이스 위에 있는 것으로 볼 수 있다. 진자의 최대응답은 고유진동주기의 함수로 표시되며, 그림 6 - 2(b)와 같은 곡선이 그려진다.
진자의 최대응답은 가속도, 속도, 변위, 또는 힘으로 표시할 수 있다. 모든 구조 시스템은 고유의 감쇠기구(damping mechanism)를 갖기 때문에 진자의 응답은 감쇠의 정도에 따라 크게 감소되며, 특히 연속적인 반복운동에서는 진자의 응답은 현저히 줄어든다. 실제 구조물에 응답 스펙트럼을 적용하는 것은 간단한 진자의 운동을 건물의 복잡한 운동에 어떻게 잘 근접시키느냐에 달려있다.
그림 6-2 주기의 변화에 따른 진자의 응답 스펙트럼 **
지진에 대한 검토는 등가정적 해석방법과 동적해석방법이 있으며, 이 방법에 대해서는 다음에 자세히 올리기로 하고 위에 쓴 자료는 일반적인 지진에 대한 개요임을 참고하기 바란다.
설하중
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 차이가 나며, 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 눈과 수분을 함유한 눈과는 큰 차이가 있으며, 최심 적설량이 클수록 단위중량도 증가되지만 대체로 적설량 1cm에 대해서 1~3kg/m2으로 한다. 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. 대부분의 고층건물 지붕은 적설하중을 지지하는 방식이 주로 사용된다.
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첫댓글 좋은 자료 감사 합니다.
잘읽고 도움많이 됏읍니다