시공하중·용기내용물·홍수·돌발하중: 완성 상태에는 없지만 어느 시점에는 지배하는 하중

설계하중기준 뒷부분에 모여 있는 네 종류의 하중 — 슬래브 두께로 갈리는 가설구조물 작업하중 2.5·3.5·5.0 kN/m²와 합계 최소 5.0, 운송장비 20%·10%의 시공 수평력, 정지압만으로는 부족한 사일로 설계압(배출·아치 붕괴·편심배출·군집용기), 유속 3.0 m/s로 갈리는 동수압과 항력계수

설계하중기준의 뒷부분에는 완성된 건물이 평상시에 받지 않는 하중들이 모여 있다 — 만드는 중에 받는 시공하중, 담고 있는 것에 눌리는 유체압과 용기내용물 하중, 물에 잠길 때의 홍수하중, 그리고 사고가 났을 때의 돌발하중이다.

이 하중들은 고정하중·활하중처럼 항상 걸리지 않지만, 걸리는 순간에는 설계를 지배한다. 슬래브가 가장 위험한 시점은 콘크리트가 굳기 전이고, 사일로가 가장 위험한 순간은 배출할 때다.

세 가지 상황에서 확인한다. ① 가설구조물(동바리·거푸집) 설계 — 완성 구조물의 하중이 아니라 시공하중으로 푼다. ② 수조·사일로·저장탱크 — 내용물의 압력이 주하중이다. ③ 홍수위험지역과 해안 구조물 — 정수압·동수압·파랑·충격이 함께 온다.

이 글은 KDS 41 12 00 건축물 설계하중의 조문을 인용한다. 하중조합식과 파랑하중 산정식은 옮기지 않았다.

1. 시공 중인 구조물은 다른 구조물이다

기준은 시공하중을 별도의 장으로 두고, 그 정의부터 완성 구조물과 구분한다.

시공 고정하중: 완전히 경화되지 않은 콘크리트와 같이 하중을 지지할 수 없는 건축구조물 자체 무게와 구조물의 시공 중 지속적으로 작용하는 거푸집 무게 등의 수직하중. — KDS 41 12 00, 11.3 (1)

"하중을 지지할 수 없는 자체 무게"가 핵심이다. 완성 후에는 슬래브가 자기 무게를 스스로 지탱하지만, 타설 직후에는 슬래브 자체가 동바리 위에 얹힌 짐이다. 조문은 거푸집의 무게를 최소 0.4 kN/m² 이상으로 잡도록 하고, 콘크리트의 단위 중량을 보통·제1종 경량·제2종 경량으로 나누어 규정한다.

작업하중은 두 개의 표로 나뉜다. 가설구조물 설계용(표 11.3-1)과 시공 중인 건축구조물 설계용(표 11.3-2)이다.

가설구조물 설계용 작업하중 (표 11.3-1)등분포 작업하중

작업자·경량 장비·자재·공구와 그 충격하중 — 슬래브 두께 0.5 m 미만2.5 kN/m²

슬래브 두께 0.5 m 이상 1.0 m 미만3.5 kN/m²

슬래브 두께 1.0 m 이상5.0 kN/m²

전동식 카트 장비3.75 kN/m²

슬래브가 두꺼울수록 작업하중이 커진다. 두꺼운 슬래브는 타설량이 많아 인원·장비·호스가 동시에 더 많이 올라가기 때문이다. 완성 구조물의 활하중은 용도로 정해지지만, 시공 중의 작업하중은 부재의 두께로 정해진다.

합계에도 하한이 있다 — "시공고정하중과 작업하중을 합한 연직하중은 슬래브 두께에 관계없이 최소 5.0 kN/m², 전동식 카트를 사용할 경우에는 최소 6.25 kN/m² 이상"이다(11.3 (3)).

줄일 수 있는 길도 열려 있다. 가설구조물이 "전체 경간에 걸쳐 단일 부재로 거동하고, 일부 영역의 집중 작업하중이 하중재분배효과로 넓은 영역으로 분산됨을 실험 또는 해석으로 입증하면 최대 1 kN/m²를 줄일 수 있다"(11.3 (3)). 그리고 하중의 영향면적이 36 m² 이상이면 활하중 저감 규정에 따라 줄일 수 있다(11.3 (2) ③).

시공 중인 건축구조물 쪽(표 11.3-2)은 집중하중과 분포하중을 함께 규정한다 — 작업자 하중은 집중 1.11 kN, 분포 1.0 kN/m², 경량 장비하중은 집중 2.22 kN, 분포 0.5 kN/m², 적재 자재의 분포하중은 0.2 kN/m²다.

수평력도 규정되어 있다.

풍하중 외에 시공 중 충격 또는 시공오차 등에 의한 최소의 수평방향력을 고려하여야 하며 … ① 운송장비가 1대인 경우 운송장비 무게의 20%. 2대 이상의 운송장비가 사용되는 경우 총 운송장비 무게의 10% ② 장비의 반력으로 산정되는 수평하중 — KDS 41 12 00, 11.3 (4)

장비가 많아질수록 비율이 낮아지는 이유는 여러 대가 동시에 같은 방향으로 최대 수평력을 낼 확률이 낮기 때문이다. 활하중 저감과 같은 확률적 사고다.

2. 담고 있는 것이 미는 힘

9장은 수조·기름탱크·사일로처럼 내용물이 주하중인 구조를 다룬다. 액체는 비교적 단순하다 — "벽체에 작용하는 수평압과 바닥에 작용하는 수직압을 고려"하고, 액체 표면에 공기압이 작용하면 그에 의한 수평력과 수직력을 추가로 고려한다(9.2 (2)).

분말과 입자형 재료는 다르다. 조문이 고려할 상태를 열거한다.

저장재료의 설계용 압력은 정지압뿐만 아니라 재료의 적재시, 배출시, 아치형태로 적재된 저장재료의 갑작스런 붕괴시, 공기압 및 편심배출시 예상되는 모든 압력의 증감을 고려하여야 한다. 군집용기에 대해서는 각 용기가 만재되어 있는 경우와 비어 있는 경우를 조합하여 고려하여야 한다. — KDS 41 12 00, 9.3.2.1 (1)

배출시가 목록에 들어 있는 것이 이 조문의 핵심이다. 사일로 안의 분체는 벽면 마찰로 하중의 일부를 벽에 걸어 놓고 있는데, 배출이 시작되어 재료가 아래로 흐르기 시작하면 흐름 패턴이 바뀌면서 벽면 압력이 정지 상태보다 커진다. 그래서 설계압은 "정지압에 적절한 과하중계수 또는 충격계수를 곱하여 산출한다"(9.3.2.3).

아치의 갑작스런 붕괴도 같은 종류의 사건이다. 습기나 입도 때문에 재료가 사일로 중간에서 아치를 이루어 걸리면 그 아래는 비게 되는데, 아치가 무너지는 순간 재료가 낙하하며 충격을 준다.

편심배출과 비대칭흐름은 방향의 문제다 — "용기설계시 배출구로부터 비대칭흐름 영향을 고려하며 용기주변의 압력변화에 따른 원주방향 휨모멘트를 벽체설계에 반영한다"(9.3.2.5). 원형 사일로 벽체는 원래 인장 링으로 저항하는데, 압력이 한쪽으로 쏠리면 휨이 생겨 전혀 다른 설계가 된다.

군집용기 조문도 실무적이다. 여러 셀이 붙어 있는 사일로에서 일부만 차 있는 상태가 전부 차 있는 상태보다 불리할 수 있다. 벽체 양쪽의 압력이 상쇄되지 않기 때문이다.

공기압용기의 설계압은 둘 중 큰 값으로 정한다 — ① 공기압을 무시하고 산출한 설계압, ② 공기압을 고려해 입자가 서로 접촉하지 않아 정지 밀도보다 작아진 상태의 설계압(9.3.2.4). 공기를 넣으면 밀도가 낮아지지만 압력 분포가 달라지므로, 어느 쪽이 불리한지를 계산해 봐야 안다.

3. 물에 잠길 때의 하중은 네 가지로 나뉜다

12장은 홍수하중을 정수압·동수압·파랑·충격으로 나눈다. 기준이 되는 것은 기본홍수이며, 정의는 "주어진 연도의 1% 이상 초과확률의 홍수"다(1.4 용어의 정의). 재현기간 100년에 해당한다.

정수압하중은 "설계홍수위에 의한 … 지표면 위아래 모든 구조물 수압면에 적용"하며, 자유수면에 노출되어 있는 경우는 제외한다(12.4.2).

동수압하중에는 유속으로 갈리는 조건이 있다.

유속이 3.0 m/s를 초과하지 않는 경우 동수압을 … 등가 정수압 하중으로 변환한 수위를 산정할 수 있다. 동수압의 효과는 … 설계정지수위에서 2/3 위치에 작용하며 유속이 3.0 m/s를 초과하는 경우 동수압이 설계정수위에서 1/2 위치에 작용한다. — KDS 41 12 00, 12.4.3 (2)

느린 흐름은 수위를 조금 올린 정수압으로 바꿔 풀 수 있지만, 빠른 흐름은 그 근사가 성립하지 않아 작용 위치까지 달라진다. 3.0 m/s가 두 방식의 경계다.

파랑하중은 부재 형상으로 계수가 갈린다 — 항력계수는 원형 파일과 기둥에 대해서는 1.75, 정사각형 파일과 기둥에 대해서는 2.25다(12.4.4 ①). 각진 단면이 흐름을 더 크게 흐트러뜨리므로 항력이 커진다. 풍하중에서 단면 형상이 항력계수를 정하는 것과 같은 구조다.

수직 벽체에는 별도의 가정이 붙는다 — 파도 마루높이는 설계정지수위의 1.2배로 간주하고, 파랑하중은 전체 수위 2.2배의 벽체에 정수압과 동수압 효과의 합으로 나타난다(12.4.4 ②). 그리고 벽체가 개방된 경우에는 정수압효과가 상쇄되므로 다른 식으로 산정한다. 물이 양쪽으로 드나들 수 있으면 압력 차가 줄어든다는 뜻이고, 침수를 허용하는 설계가 하중을 줄이는 방법이 된다.

충격하중은 물이 아니라 물에 실려 오는 것이 만든다 — "홍수에 의해서 밀려오는 유송잡물 등이 구조물에 부딪혀서 발생하는 충격하중"이며, "설계홍수위에 수평방향 집중하중으로 작용하는 것으로 간주한다"(12.4.5 (1)).

홍수분리벽에는 상한이 걸린다 — "붕괴하도록 설계된 홍수분리벽의 하중은 … 0.96 kN/m²를 초과하지 않아야 한다"(12.3). 일부러 무너지도록 설계한 벽이 너무 튼튼하면 안 된다는 규정이다. 벽이 버티면 그 힘이 기초와 상부구조로 넘어가기 때문이다.

4. 사고와 지하수는 하중조합에서 따로 다룬다

돌발하중은 별도의 하중조합으로 검토한다.

건축구조물이 화재, 폭발, 차량충돌 등에 의한 돌발하중에 저항하여 비비례붕괴를 방지하도록 강도와 안정성을 확보하기 위해서는 다음의 하중조합을 사용하여 검토한다. — KDS 41 12 00, 1.7.3 (1)

그리고 그다음 항이 이 조문의 성격을 보여 준다 — "돌발하중에 의하여 손상을 입은 구조물의 잔존저항능력은 책임구조기술자가 식별하여 선정한 구조요소를 가상적으로 제거하고, 다음의 하중조합으로 평가한다"(1.7.3 (2)).

부재를 지우고 다시 푸는 것이 검토 방법이다. 폭발이나 충돌의 하중 자체를 정확히 예측하기 어려우므로, 그 결과로 기둥 하나가 사라졌다고 가정하고 나머지가 버티는지를 본다. 연쇄붕괴와 대체하중경로에서 다루는 방식이 기준의 하중조합 조문으로 들어와 있는 형태다.

지하수압과 토압에는 세 갈래의 하중계수가 걸린다.

조건하중계수

단독으로 작용하거나 다른 하중효과를 증대하는 경우1.0

하중효과가 영구적이면서 다른 하중효과를 상쇄하는 경우0.6

하중효과가 영구적이지 않으면서 다른 하중효과를 상쇄하는 경우0

1.7.2 (2)의 값이다. 도와주는 하중은 깎고, 없어질 수 있으면 아예 세지 않는다는 원칙이다. 지하수위는 계절과 배수 상태에 따라 변하므로, 부력이 건물을 눌러 주는 방향으로 작용한다면 그것을 믿고 설계할 수 없다. 같은 조합에서 "허용응력을 증대하여 설계할 수 없다"는 단서도 붙는다(1.7.2 (3)).

7장에도 같은 사고가 나온다 — "지하수위 이하에서의 토압 산정시 부력에 의한 흙중량의 저하와 지하수압을 동시에 고려하여야 한다"(7.2 (2)). 물이 들어오면 흙은 가벼워지고 물은 따로 압력을 만든다. 두 효과를 각각 세지 않으면 벽체 압력을 과소평가한다.

바닥에 대한 조문은 짧지만 결정적이다 — "흙에 접하는 바닥 구조체는 최하부 바닥의 전면적에 작용하는 수압에 대해 안전해야 한다"(7.3). 지하 바닥판은 부분이 아니라 전면적으로 밀려 올라간다.

5. 정리

시공 고정하중은 "하중을 지지할 수 없는 자체 무게"다. 거푸집은 최소 0.4 kN/m² 이상으로 잡는다.

가설구조물 작업하중은 슬래브 두께로 갈린다 — 0.5 m 미만 2.5, 0.5~1.0 m 3.5, 1.0 m 이상 5.0, 전동식 카트 3.75 kN/m².

시공고정하중 + 작업하중은 최소 5.0 kN/m²(전동식 카트 사용 시 6.25). 하중재분배를 입증하면 최대 1 kN/m² 감액, 영향면적 36 m² 이상이면 활하중 저감 적용.

시공 중 수평력은 운송장비 1대면 무게의 20%, 2대 이상이면 총 무게의 10%다.

저장재료의 설계압은 정지압만으로 부족하다 — 적재·배출·아치 붕괴·공기압·편심배출을 함께 보고, 군집용기는 만재와 공백을 조합한다.

홍수하중은 정수압·동수압·파랑·충격으로 나뉜다. 유속 3.0 m/s가 등가 정수압 변환의 경계이며 작용 위치도 2/3에서 1/2로 바뀐다.

파랑 항력계수는 원형 1.75, 정사각형 2.25이고, 붕괴하도록 설계된 홍수분리벽의 하중은 0.96 kN/m²를 넘지 않아야 한다.

돌발하중은 부재를 가상 제거해 잔존저항능력으로 평가하고, 지하수압·토압은 도와주는 방향이면 0.6 또는 0의 계수를 쓴다.

이 네 종류의 하중이 한 기준서 안에 모여 있는 이유는 공통점이 있어서다. 모두 완성 상태의 정적 하중 목록에는 없지만, 어느 시점에는 지배하중이 된다. 시공 중의 슬래브, 배출 중의 사일로, 침수된 지하층, 기둥 하나가 사라진 골조는 각각 설계도가 그린 상태와 다른 구조물이고, 조문은 그 다른 상태를 하중으로 번역해 둔 것이다.