설하중 완전 가이드: 눈은 균등하게 쌓이지 않는다 — 노출·온도계수부터 불균형·몰림적설·흘러내림·물고임까지

재현기간 100년 최심적설깊이라는 기준값의 성격부터, 바람에 노출될수록 작아지는 노출계수(풍하중과 반대), 난방 여부가 바꾸는 온도계수, 모든 풍향에 대해 만드는 불균형설하중, 낮은쪽 지붕의 몰림적설과 전량 이동을 가정하는 흘러내림, 균형하중의 반을 제거하는 부분재하, 그리고 처짐이 하중을 부르는 물고임

설하중은 지붕에 쌓인 눈의 무게를 판정하는 하중이고, 기준 4장의 절반은 그 눈이 균등하게 쌓이지 않는 경우를 다룬다. 균형설하중은 출발점일 뿐이고, 실제 지붕이 무너지는 자리는 바람에 몰린 쪽, 높은 지붕에서 흘러내린 쪽, 물이 고인 쪽이다.

이 하중이 지배하는 자리는 셋이다. ① 장경간 경량 지붕 — 자중이 작아 설하중이 지배하고, 처짐이 커지면 물고임으로 이어진다. ② 높이가 다른 지붕이 만나는 곳 — 몰림적설과 흘러내림이 겹친다. ③ 비난방 구조물 — 창고·주차장·체육관은 눈이 녹지 않아 계수가 올라간다.

이 글은 KDS 41 12 00 : 2022 건축물 설계하중 4장(설하중)의 조항 구조와 표를 인용한다. 지역별 기본지상설하중은 지도(그림 4.2-1)에서 읽는 값이므로 옮겨 적지 않는다.

1. 설하중은 언제부터 계산 대상이 되는가

4.1은 적용 조건을 먼저 정한다.

지붕에 작용하는 설하중의 영향이 3.2(등분포활하중) 및 3.7(유사활하중)에 규정된 지붕의 최소 활하중보다 클 때에는 이 조항에서 규정한 설하중을 적용한다. — KDS 41 12 00, 4.1 (1)

즉 설하중은 지붕 활하중과 경쟁 관계이지 덧셈 관계가 아니다. 그리고 지붕만이 아니라 "설하중의 작용이 예상되는 지붕과 벽면이나 기타 구조물의 표면"까지 대상이다(4.1 (2)) — 차양, 캐노피, 설비 데크가 여기 걸린다.

기준값의 정의가 다른 하중과 다르다.

기본지상설하중은 재현기간 100년에 대한 수직 최심적설깊이를 기준으로 하며, 그림 4.2-1의 값을 사용한다. — KDS 41 12 00, 4.1 (4)

풍하중의 기본풍속이 재현기간 500년, 지진의 최대고려지진이 2,400년인 것과 대비된다. 그리고 풍속이 아니라 깊이로 정의된다 — 눈의 무게는 깊이에 밀도를 곱해야 나오므로, 지역별 눈의 평균 중량이 기본값 안에 이미 반영되어 있다.

여기에 하한과 지형 할증이 붙는다.

최소 지상설하중은 0.5 kN/m²다(4.2.1 (3)). 눈이 거의 오지 않는 지역이라도 이 값 아래로 내려가지 않는다.

지도상 지상설하중이 3.0 kN/m² 이하인 지역의 고지대나 산간지방 같은 특정 지형에서는 지도값을 1.5배한다(4.2.1 (1)).

두 번째가 실무에서 놓치기 쉽다. 지도는 관측소 위치의 값이고, 같은 행정구역이라도 고도가 다르면 실제 적설이 크게 다르다. 부지의 표고를 확인하지 않고 지도값만 읽으면 1.5배를 통째로 빠뜨린다.

2. 지붕설하중도 곱셈 사슬이다

4.1 (3)이 산정 구조를 한 문장으로 규정한다.

설계용 지붕설하중은 기본지상설하중을 기준으로 하여 기본지붕설하중계수, 노출계수, 온도계수, 중요도계수 및 지붕의 형상계수와 기타 재하분포상태 등을 고려하여 산정한다. — KDS 41 12 00, 4.1 (3)

구조는 풍하중과 같다 — 지도에서 읽은 기준값을 계수로 현장 조건에 옮긴다. 그런데 항이 다르고, 그중 두 개는 다른 하중에 없는 성격을 갖는다.

3. 노출계수 — 바람이 셀수록 하중이 작아진다

표 4.3-1이 노출계수를 다섯 등급으로 준다.

지역 구분노출계수

A. 모든 면의 주변이 바람막이가 없이 노출된 지붕이고, 거센바람이 부는 지역0.8

B. 약간의 바람막이가 있고 거센 바람이 부는 지역0.9

C. 주변환경에 의해 바람에 의한 설하중의 감소를 기대할 수 없는 위치1.0

D. 바람의 영향이 많지 않은 지역 및 주변환경에 의하여 지붕에 바람막이가 있는 지역1.1

E. 바람의 영향이 거의 없는 조밀한 숲 지역으로서, 촘촘한 침엽수 사이에 위치한 지붕1.2

이 표를 풍하중과 나란히 놓으면 같은 부지 조건이 정반대로 작동한다는 것이 보인다.

부지 조건풍하중설하중

사방이 트인 해안·초원속도가 커져 하중 증가눈이 날려 하중 감소(0.8)

바람이 막힌 숲·도심 안쪽속도가 줄어 하중 감소눈이 쌓여 하중 증가(1.2)

그래서 한 부지에서 두 하중이 동시에 유리해지지 않는다. 노출된 부지는 풍하중이 지배하고, 막힌 부지는 설하중이 지배한다. 두 검토를 같은 노출 가정으로 묶어 처리하면 한쪽이 반드시 틀린다.

표의 주석도 읽어야 한다. 여기서 말하는 주변환경은 "구조물의 수명기간에 지속되는 높은 구조물, 나무 또는 지형"이다. 준공 시점에 앞을 가리고 있던 건물이 헐릴 예정이거나, 나무가 자라 지붕을 덮게 될 예정이라면 그 상태를 기준으로 삼아야 한다.

4. 온도계수 — 난방이 눈을 녹인다

표 4.3-2는 두 값만 준다.

난방 상태온도계수

난방구조물(설하중 제어구조)1.0

비난방구조물(설하중 비제어구조)1.2

괄호 안의 이름이 원리를 말한다. 난방구조물은 설하중 제어구조다 — 실내 열이 지붕으로 빠져나가 눈을 녹인다. 비난방구조물에서는 그 제어가 없으므로 눈이 그대로 남는다.

실무적으로 이것은 용도가 하중을 바꾼다는 뜻이다. 창고, 주차장, 체육관, 공장, 온실은 대개 비난방이거나 난방이 약하고, 동시에 장경간 경량 지붕인 경우가 많다. 하중은 20% 올라가는데 저항은 작은 구조가 겹친다.

그리고 이 계수는 준공 후 용도가 바뀌면 무효가 된다. 난방 창고를 비난방으로 전환하거나 난방을 끄고 방치하면, 설계 당시의 1.0 가정이 사라진다.

5. 균형과 불균형은 분리해서 검토한다

4.5의 첫 문장이 이 장의 성격을 정한다.

지붕의 설하중은 균형하중과 불균형하중으로 분리하여 고려하며, 불균형하중 산정시 모든 방향에 대한 바람의 영향을 고려한다. — KDS 41 12 00, 4.5 (1)

두 가지가 들어 있다. 첫째, 불균형은 균형하중의 변형이 아니라 별도의 재하 케이스다. 둘째, 그 케이스는 모든 풍향에 대해 만들어야 한다 — 눈은 바람이 불어오는 쪽에서 깎여 반대쪽에 쌓이므로, 어느 방향에서 부느냐에 따라 몰리는 쪽이 바뀐다.

다만 기준은 적용 범위를 좁혀 둔다. 경사지붕에서 지붕 경사도가 15° 이하이거나 70°를 초과하면 불균형설하중을 고려하지 않는다(4.5.1 (1)). 너무 평평하면 몰릴 방향이 생기지 않고, 너무 가파르면 눈이 머물지 못하기 때문이다.

6. 몰림적설과 흘러내림 — 높이가 다른 지붕이 만나는 자리

4.6은 국부설하중을 다루는데, 그 첫 항목이 주위보다 낮은쪽 지붕이다.

같은 구조물의 높은 부분 혹은 인접건물, 환경보다 낮게 위치하는 지붕에는 바람의 영향으로 눈이 한쪽으로 몰려 쌓이는 몰림적설을 고려하여야 한다. — KDS 41 12 00, 4.6.1 (1)

여기서 중요한 것은 대상이 "같은 구조물의 높은 부분"만이 아니라 인접건물과 환경까지라는 점이다. 옆 필지에 더 높은 건물이 서면 우리 지붕의 설하중이 올라간다. 설계 시점에 인접 대지의 계획을 확인해야 하는 이유다.

면제 조건은 하나뿐이다 — 지상설하중이 0.5 kN/m² 보다 작은 지역에서는 몰림적설에 의한 추가하중을 고려하지 않아도 된다(4.6.1.1). 앞서 본 최소 지상설하중이 0.5 kN/m²이므로, 이 면제가 실제로 적용되는 경우는 거의 없다.

흘러내림(4.6.3)의 가정은 특히 보수적이다.

높은쪽 지붕의 균형설하중이 낮은쪽 지붕으로 모두 흘러 내린다고 가정한다. 일부가 아니라 전부다.

이때 높은쪽 지붕의 표면상태에 관계없이 지붕경사도계수는 그림 4.4-1의 실선 값을 쓴다 — 표면이 거칠어 눈이 잘 미끄러지지 않는 지붕이라도 감안해 주지 않는다.

흘러내림 설하중은 균형설하중과 중첩하여 작용한다고 본다 — 낮은쪽 지붕에 이미 쌓인 눈 위에 더해진다.

면제는 기하로만 된다 — 낮은쪽 지붕이 높은쪽 지붕과 수평으로 6 m 이상 이격되어 있으면 고려하지 않아도 된다.

감소는 조건부로만 허용된다. 이미 쌓인 눈 때문에 더 이상 흘러내릴 수 없거나, 흘러내린 눈이 낮은쪽 눈을 밀어낼 것으로 예상되는 경우다(4.6.3 (2)). 기본 가정은 감소가 아니라 전량 이동이다.

7. 부분재하 — 눈이 절반만 있을 때가 더 불리할 수 있다

4.5.4는 한 문장이지만 파급이 크다.

설하중을 지지하는 지붕구조의 어느 부분에서나 균형하중의 반을 제거했을 때 발생할 수 있는 불리한 효과에 대해 고려하여야 한다. — KDS 41 12 00, 4.5.4 (1)

이것은 한계상태설계법 편에서 본 하중조합 규정 — "고정하중 외의 하중은 작용하지 않을 경우도 검토" — 과 같은 논리다. 하중이 빠지는 것이 더 위험한 구조가 있기 때문이다.

연속보와 캔틸레버가 대표적이다. 연속 지붕보에서 한 경간에만 눈이 있으면 지점 상부 모멘트와 인접 경간의 처짐이 균등 재하보다 커질 수 있다. 아치와 트러스에서는 비대칭 재하가 부재력의 부호를 뒤집어, 균등 재하에서 인장이던 부재가 압축이 되며 좌굴 검토 대상으로 바뀐다. "어느 부분에서나"라는 표현이 곧 재하 패턴을 훑어야 한다는 뜻이다.

8. 물고임 — 처짐이 하중을 부르는 되먹임

4.7은 눈과 비의 혼합하중을 다루고, 그중 4.7.2가 물고임하중이다.

눈 녹은 물이나 눈 위의 비로부터 물고임하중이 생길 때, 배수를 위한 적절한 경사가 주어져 있지 않으면 지붕에 처짐이 생기므로 이에 대한 하중을 고려해야 한다. — KDS 41 12 00, 4.7.2 (1)

조문이 인과를 명시한다 — 경사가 없으면 물이 고이고, 고인 물의 무게로 지붕이 처지고, 처진 곳에 물이 더 고인다. 하중이 처짐을 만들고 처짐이 다시 하중을 키우는 되먹임이며, 강성이 부족하면 이 반복이 수렴하지 않는다.

이 항목이 위험한 이유는 눈이 다 녹은 뒤에 발생할 수 있다는 점이다. 적설이 최대인 날이 아니라, 기온이 올라 눈이 물로 바뀌고 배수구가 아직 얼어 있는 날이 최악일 수 있다. 그리고 물은 눈보다 무겁다 — 같은 깊이면 하중이 훨씬 크다.

대책도 하중 증가가 아니라 배수 경로와 강성이다. 2차 배수(오버플로) 경로를 두고, 처짐이 배수 경사를 잡아먹지 않도록 강성을 확보하는 것이 계산으로 하중을 키우는 것보다 직접적이다.

9. 정리

기준값의 성격이 다르다 — 재현기간 100년의 수직 최심적설깊이. 최소 0.5 kN/m², 지도값 3.0 kN/m² 이하 지역의 고지대·산간은 1.5배.

노출의 방향이 풍하중과 반대다 — 트인 부지는 0.8, 막힌 숲은 1.2. 한 부지에서 두 하중이 동시에 유리해지지 않는다.

용도가 하중을 바꾼다 — 비난방구조물은 1.2. 준공 후 난방을 끄면 설계 가정이 사라진다.

불균형은 별도 케이스이고 모든 풍향에 대해 만든다 — 다만 경사 15° 이하·70° 초과는 제외.

낮은쪽 지붕은 몰림적설과 흘러내림을 함께 받는다 — 흘러내림은 전량 이동을 가정하고 균형설하중과 중첩한다. 수평 6 m 이상 이격이면 면제.

균형하중의 반을 제거한 경우를 검토한다 — 연속보·아치·트러스에서 부재력의 부호가 바뀔 수 있다.

물고임은 되먹임이다 — 배수 경사와 강성으로 잡는다.

지진과 바람은 건물을 흔들지만 눈은 그저 쌓인다. 그래서 계산이 단순해 보이지만, 기준이 실제로 규정하는 것은 눈의 무게가 아니라 눈이 놓이는 자리다. 균형설하중 하나로 지붕을 통과시키면 4.5와 4.6이 다루는 시나리오를 통째로 건너뛰게 된다.