부유식 건축물: 지지력 대신 부력, 기초 대신 계류

대지가 없는 건축물의 설계가 무엇을 확인하는가 — 항시 파고 1 m 이하의 정온수역이라는 적용 범위, 흘수·건현·밸러스트가 수면을 기준으로 정의되는 용어 체계, 부력을 유체압으로 계류를 활하중으로 재분류하는 하중계수와 풍·지진과 반대로 작용하면 0이 되는 환경하중, 생물부착과 복원성능까지 포함하는 환경하

부유식 건축물에는 대지가 없다. 지반의 지지력 대신 부력이 건물을 받치고, 기초 대신 계류장치가 위치를 잡는다. 그래서 이 기준에서 확인하는 값은 허용지지력이나 침하량이 아니라 흘수와 건현, 그리고 계류삭에 걸리는 힘이다.

적용 대상은 정온수역으로 한정된다 — "내수면 또는 해수면에서 항시 파고가 1 m 이하인 곳"이다(1.4). 이 조건을 벗어나면 건축구조기준의 범위가 아니다.

세 가지 상황에서 쓴다. ① 수변 상업시설과 전시시설 — 육상 용지를 늘리지 않고 면적을 얻는다. ② 정주형 수상 주택 — 장기 거주를 전제한 용도다. ③ 마리나와 계류 관련 시설 — 함체가 곧 접안 구조다.

이 글은 KDS 43 20 00 부유식 건축물 기준의 조문을 인용한다. 파랑하중 산정식과 계류해석 절차는 옮기지 않았다.

1. 용어가 수면을 기준으로 정의된다

용어정의

흘수함체가 떠 있을 때 수면에서 물에 잠긴 함체의 가장 밑 부분까지의 수직 거리

건현부유식 구조물의 중앙에서 수면부터 부유식 함체의 상부 슬래브 위까지 수직으로 잰 거리

부유식 함체자체 부력에 따라 물 위에 뜨는 구조로 된 함체

저면바닥 · 측벽물과 접촉하는 함체의 바닥면과 외측벽

밸러스트함체의 안정을 유지하기 위해 바닥에 싣는 물이나 모래 따위의 중량물

계류시설부유구조물이 바람, 유속에 따라 흘러가지 않도록 위치를 고정시키는 시설

정온수역내수면 또는 해수면에서 항시 파고가 1 m 이하인 곳

항주파선박이 항해하면서 생기는 파도

건현이 활하중 산정의 기준이 된다는 점이 이 구조의 특징이다. 조문은 활하중을 두 갈래로 쓴다 — 상부구조물의 활하중은 일반 건축물과 같이 설계하중기준을 따르지만, "부유식 함체의 건현을 산정하기 위한 활하중은 부유식 구조의 사용에 필요한 소요건현으로 구한다"(1.6.3 (2)).

육상 건물에서 활하중은 부재를 설계하는 값이지만, 여기서는 얼마나 가라앉을지를 정하는 값이기도 하다. 사람이 한쪽으로 몰리면 그쪽이 잠긴다.

항주파가 별도 용어로 정의된 이유도 실무적이다. 정온수역이라 자연 파도는 1 m 이하지만, 지나가는 배가 만드는 파도는 그 조건과 무관하게 온다.

2. 하중의 성격이 재분류된다

1.6은 부유식 구조에 작용하는 하중을 일반 건축물의 분류에 다시 배정한다.

부유식 구조의 하중적용하는 하중계수

항구적인 밸러스트고정하중으로 고려

정수압과 부력유체압(F)의 하중계수

계류 또는 견인으로 인한 하중활하중의 하중계수

1.6.2 ~ 1.6.5의 규정이다. 부력이 유체압으로 분류된다는 점이 중요하다. 부력은 건물을 떠받치는 유일한 힘이지만 고정하중이 아니다 — 수위가 변하면 함께 변하기 때문이다.

그리고 환경하중에 예외 규정이 붙는다.

환경하중에 대한 하중계수는 환경하중에 대한 구조거동과 풍하중(W) 또는 지진하중(E)에 의한 거동이 반대로 작용하는 경우 0으로 한다. — KDS 43 20 00, 4.2.2 (2)

파랑이 바람과 반대 방향으로 밀면 그 도움을 세지 않는다는 원칙이다. 지하수압·토압의 하중계수가 상쇄 방향일 때 0 또는 0.6이 되는 것과 같은 사고다.

고려할 환경하중의 목록도 길다 — 파랑, 해류·조류 등의 유속, 조석, 지진, 지진해일·폭풍해일, 적설, 결빙, 유빙, 빙압, 생물부착(1.6.6). 생물부착이 하중 목록에 들어 있는 것이 육상 구조물과 다른 지점이다. 따개비와 해조류가 붙으면 자중이 늘고 흘수가 깊어진다.

적설도 세 가지 영향으로 나뉜다(1.6.6.4) — ① 중량으로 작용하는 적설, ② 풍하중 등을 증대시키는 적설, ③ 복원성능에 대한 영향. 세 번째가 부유식 구조 특유다. 지붕에 눈이 한쪽으로 쌓이면 함체가 기울고, 기울면 불균형 적설이 더 심해진다.

파랑하중은 부재 크기로 산정 방법이 갈린다 — "수중에 잠긴 물체의 수평단면에서 파랑 진행방향에 직각인 길이(D)와 파랑의 파장(L) 비율 D/L에 따라 모리슨식 또는 수치계산 등을 선택 적용"한다(1.6.6.1 (3)). 부재가 파장에 비해 작으면 흐름이 부재를 지나가고, 크면 파도 자체를 교란한다.

그리고 동요가 상부에 관성력을 만든다 — "파랑에 의해 부유식 구조가 흔들릴 때 동요에 의한 관성력이 상부구조물에 작용한다. 따라서 필요시 계류해석 등을 통해 부체의 동요에 따라 상부구조물 각각의 부재에 걸리는 가속도를 산정하여 관성력을 구하고 … 안전성을 검토하여야 한다"(1.6.6.1 (4)). 지진이 없어도 상부구조가 흔들린다는 뜻이고, 그 가속도는 지반이 아니라 함체의 동요에서 나온다.

3. 함체는 수밀성을 먼저 본다

부유식 함체는 수밀성과 안정성이 먼저 검토된 후에, 예상되는 하중에 대하여 함체시스템의 내력이 확보되고 각 부재별 내력이 만족하도록 설계한다. — KDS 43 20 00, 4.2.3.1 (1)

순서가 명시되어 있다. 물이 새면 강도 계산은 의미가 없다. 그리고 함체는 "수직하중과 예상되는 파랑하중의 다양한 입사각에 대하여 종방향모멘트와 전단력에 저항하도록" 설계한다(4.2.3.1 (3)). 함체 전체가 하나의 물 위에 뜬 보로 거동한다는 뜻이다.

안전 요구도 두 겹이다(4.2.2) — "생명 및 재산에 대하여 위험이 될 만한 손상(부유식 함체의 침몰, 표류 및 파괴)을 일으키지 말아야" 하고, "구조물의 일부가 손상됨에 따라 일부가 기능하지 않은 경우에도 부유식 구조 본래의 기능은 상실하지 않아야 한다".

강구조 함체에는 판 두께에 관한 조문이 있다.

8 mm를 초과하는 판 두께의 변화는 피해야 하며, 그러한 경우에는 중간 정도 두께의 판으로 전이구역을 두어야 한다. … 판두께의 국부적인 증가는 주로 필러를 사용한다. 필러는 모재와 같은 항복강도 및 재질의 판을 사용하여야 한다. — KDS 43 20 00, 4.2.3.2 (6)

두께가 급하게 바뀌면 그 자리에 응력이 몰리고, 반복 파랑하중 아래에서 피로 균열의 시작점이 된다. 같은 이유로 "갑작스런 부재 높이 또는 횡단면의 변화를 피해야" 하고, 개구부는 "둥글고 테두리가 매끄럽게" 시공하며 "용접연결부는 응력집중부에서 적절히 벗어나도록" 한다(4.2.3.2).

유지관리 조문도 설계 요구로 들어와 있다 — "두께 계측을 할 수 있도록 모든 구조체에 적절한 접근대책을 제공하도록 설계 및 제작해야 한다"(4.2.3.2 (4)). 물에 잠긴 강판이 얼마나 부식했는지는 두께를 재야만 알 수 있고, 잴 수 없으면 관리할 수 없다.

철근콘크리트 함체에는 반복인장에 대한 조문이 있다.

철근의 이음이나 프리스트레스 정착구가 정적허용응력의 50% 이상의 반복인장응력을 받을 경우 이음길이나 프리스트레스 정착길이를 50% 이상 증가시켜야 한다. — KDS 43 20 00, 4.2.3.3 (9)

이음과 정착은 반복하중에서 부착이 서서히 풀리는 부위다. 파랑은 하루에 수만 번 오므로, 정적으로 안전한 이음길이가 장기적으로는 부족해진다. 그 밖에 에폭시도막철근·내부식성 철근을 쓸 수 있게 하고, 철근의 용접이음과 기계적 연결부는 저온의 영향을 고려해 실험으로 성능을 확인하도록 한다.

4. 계류는 하나가 끊어져도 버텨야 한다

계류장치는 세 종류로 분류된다(4.3.2).

계류장치방식

체인 · 와이어 계류장치체인 또는 와이어를 함체에서 해저 또는 하저에 고정된 앵커까지 연결

돌핀 계류장치수직 강관말뚝, 중력식 구조물, 자켓 구조물 등으로 수평외력에 저항

삼각대 계류장치안벽이나 호안과 함체에 각각 고정점을 두고 그 사이에 삼각대를 설치

세 방식이 허용하는 움직임이 다르다. 체인·와이어는 수위 변화를 그대로 따라가지만 수평으로 크게 움직이고, 돌핀은 함체가 말뚝을 따라 오르내리며 수평 위치는 거의 고정된다. 삼각대는 안벽에 붙여 놓는 방식이다.

계류해석에는 두 가지 요구가 붙는다(4.3.4).

"계류해석시 외력의 적용방향은 계류장치에 최대 하중을 발생시킬 수 있는 방향을 모두 고려하여야 한다."

"체인·와이어 계류장치의 계류해석시는 임의의 한 계류삭이 파단되었을 때 다른 계류삭만으로도 안전한 위치유지가 가능한지에 대한 검토가 이루어져야 한다."

두 번째가 이 구조의 성격을 보여 준다. 계류삭 하나가 끊어져도 표류하지 않아야 한다는 요구이고, 케이블교량의 케이블 파단 검토와 같은 형태의 조문이다. 인장 부재 하나에 전체가 걸려 있는 구조는 그 하나가 없어진 상태를 계산한다.

설계 시 검토할 주변 조건도 열거된다 — 바람·파랑·조류 환경자료, 수심 측량과 지반조사, 함체 배치도와 상세도, 운영·유지관리 조건, 주변의 표류물, 선박 운항조건. 그리고 "기존의 해저배관이나 장애물, 난파선, 암초 등이 계류장치에 손상을 입힐 수 있으므로 설계 시 주의"한다(4.3.5).

5. 정리

적용 대상은 정온수역 — 항시 파고 1 m 이하인 곳이다.

부력은 유체압(F)의 하중계수를 쓰고, 항구적 밸러스트는 고정하중, 계류·견인은 활하중 계수를 쓴다.

환경하중이 풍하중·지진하중과 반대로 작용하면 하중계수는 0이다.

환경하중에 생물부착이 포함되며, 적설은 중량·풍하중 증대·복원성능의 세 영향으로 나뉜다.

동요에 의한 관성력이 상부구조물에 작용한다 — 계류해석으로 부재별 가속도를 산정한다.

함체는 수밀성과 안정성을 먼저 검토한 뒤 강도를 본다. 다양한 파랑 입사각에 대해 종방향모멘트와 전단력에 저항해야 한다.

강구조 함체는 8 mm를 넘는 판 두께 변화를 피하고 전이구역을 두며, 두께 계측을 위한 접근대책을 설계에 포함한다.

철근 이음·PS 정착구가 정적허용응력의 50% 이상 반복인장을 받으면 길이를 50% 이상 늘린다.

계류는 한 계류삭이 파단된 상태에서도 위치유지가 가능해야 한다.

이 기준을 읽으면 기초가 없다는 사실이 설계 전체를 바꾼다는 것이 분명해진다. 지반은 움직이지 않지만 물은 수위가 바뀌고 파도가 오고 배가 지나간다. 그래서 부유식 건축물에서는 정지 상태라는 것이 없고, 조문은 강도보다 수밀성·복원성능·계류·부식 계측에 더 많은 지면을 쓴다.