풍하중 완전 가이드: 재현기간 500년·50년·1년부터 설계풍속 사슬·가스트영향계수·와류진동·거주성까지

풍하중이 강도·사용성·거주성을 각각 재현기간 500년·50년·1년의 바람으로 판정하는 구조부터, 설계풍속의 곱셈 사슬과 기본풍속의 네 조건, 지표면조도구분 판정 규칙, 강체와 유연건축구조물을 가르는 가스트영향계수, 풍방향·풍직각방향·비틀림과 와류진동, 외장재의 피크풍압, 그리고 풍동실험과 성능기반 내풍설

풍하중은 건축구조물이 바람에 견디는지를 판정하는 하중이고, 그 판정을 하나의 재현기간으로 하지 않는다. 구조안전을 볼 때는 재현기간 500년 바람을, 외장재와 칸막이가 깨지지 않는지를 볼 때는 50년 바람을, 사람이 흔들림에 불쾌감을 느끼는지를 볼 때는 1년 바람을 쓴다. 같은 건물에 세 개의 바람이 동시에 적용된다.

이 하중이 지배하는 자리는 셋이다. ① 형상비가 큰 고층건축물 — 지진보다 바람이 큰 경우가 흔하다. ② 경량·장경간 지붕 — 자중이 작아 부압에 들리고, 지진하중은 질량에 비례하므로 작다. ③ 외장재 — 주골조와는 다른 계수 체계로 따로 설계한다.

이 글은 KDS 41 12 00 : 2022 건축물 설계하중 5장(풍하중)의 조항 구조와 정의를 인용한다. 계수의 표 값과 수식은 옮겨 적지 않는다. 그 값들은 개정으로 바뀌므로 조항에서 직접 읽어야 한다.

1. 재현기간이 셋인 이유

지진하중은 성능목표를 재현주기와 성능수준의 조합으로 선언한다. 풍하중은 그 구조를 쓰지 않는다. 대신 무엇을 판정하느냐에 따라 바람의 세기를 갈아 끼운다.

재현기간판정 대상만족해야 할 것조항

500년구조안전 — 주골조와 외장재의 강도부재가 파괴되지 않는다5.5.2 기본풍속

50년사용성 — 최대수평변위구조체와 비구조체(칸막이·외장재)가 손상되지 않는다5.14.2 (1)

1년거주성 — 최상층 최대응답가속도거주자가 불쾌감을 느끼거나 집무에 지장을 받지 않는다5.14.2 (2)

세 번째가 낯설다. 1년에 한 번 부는 바람은 구조적으로 아무 위협이 아닌데도 별도 검토 대상이다. 기준이 「거주성」을 이렇게 정의하기 때문이다.

거주성 : 강풍으로 발생하는 진동에 의하여 거주자가 느끼는 불안, 불쾌감 등 삶의 질과 관련된 사항을 말함 — KDS 41 12 00 : 2022, 용어의 정의

고층건물에서 실제로 민원이 되는 것은 붕괴가 아니라 흔들림이다. 그리고 사람이 흔들림을 느끼는 것은 드문 강풍이 아니라 자주 부는 바람에서다. 그래서 재현기간이 거꾸로 짧아진다.

2. 설계풍속은 곱셈 사슬이다

풍하중 계산의 출발점은 설계풍속이고(5.5.1), 이것은 기본풍속에 네 개의 계수를 곱해 만든다.

설계풍속 = 기본풍속 × 풍향계수 × 풍속고도분포계수 × 지형계수 × 중요도계수 5.5.2 5.5.3 5.5.4 5.5.5 5.5.6

기본풍속의 정의가 이 사슬의 기준점을 정한다.

기본풍속는 지표면상태가 5.5.4에서 정한 지표면조도구분인 경우, 지상 10 m 높이에서 10분간 평균풍속의 재현기간 500년 값으로 하고, 건설대상지의 지리적 위치에 따라 그림 5.5-1에 의해 정한다. — KDS 41 12 00 : 2022, 5.5.2

여기에 조건이 네 개 붙어 있다는 점이 중요하다. 높이 10 m, 10분 평균, 기준이 정한 조도구분, 재현기간 500년. 지도에서 읽은 기본풍속은 이 네 조건에서의 값이므로, 실제 건물이 서는 조건으로 옮기는 것이 나머지 계수의 일이다. 계수를 곱하는 것은 보정이 아니라 기준 조건에서 현장 조건으로 좌표를 옮기는 작업이다.

기본풍속을 지도에서 읽지 않고 현장 관측자료로 정할 수도 있다(5.5.2 (2)). 다만 그때도 자료를 기준 조도구분의 지상 10 m, 10분 평균으로 균질화해야 하고 공인된 극치통계해석법을 써야 한다. 조건을 맞추지 않은 관측값은 이 사슬에 들어갈 수 없다.

설계풍속이 정해지면 속도압(5.5)을 구하고, 거기에 가스트영향계수와 풍력계수를 곱해 풍하중이 된다. 풍하중은 풍속의 제곱에 비례하므로, 사슬 앞쪽에서 계수를 20% 잘못 보면 하중은 약 44% 틀린다.

3. 지표면조도 — 건물이 아니라 주변을 본다

풍속고도분포계수(5.5.4)는 지표면이 거칠수록 낮은 높이의 바람이 느려지는 현상을 담는다. 그런데 이 계수를 정하려면 대상 건물이 아니라 주변 지역을 판정해야 한다.

조도구분주변지역의 지표면 상태

A대도시 중심부에서 고층건축구조물(10층 이상)이 밀집해 있는 지역

B수목·높이 3.5 m 정도의 주택과 같은 건축구조물이 밀집해 있는 지역 / 중층건물(4~9층)이 산재해 있는 지역

C높이 1.5~10 m 정도의 장애물이 산재해 있는 지역 / 수목·저층건축구조물이 산재해 있는 지역

D장애물이 거의 없고, 주변 장애물의 평균높이가 1.5 m 이하인 지역 / 해안, 초원, 비행장

판정 규칙에 세 가지가 들어 있다.

범위 — 건설지점으로부터 기준높이의 40배와 3 km 중 작은 값. 200 m 건물이면 3 km, 50 m 건물이면 2 km다. 높은 건물일수록 더 멀리까지 본다.

방향 — 풍상측 45° 범위. 바람이 불어오는 쪽만 본다. 그래서 같은 건물이 풍향마다 다른 조도구분을 가질 수 있다.

변화 — 풍상측 지표면이 평탄에서 거칠게, 또는 그 반대로 급변하면 중간상태의 조도를 고려한다.

실무에서 틀리기 쉬운 자리가 여기다. 해안가 부지를 도심이라는 이유로 A로 두거나, 앞이 트인 방향을 확인하지 않고 한 조도구분을 전 방향에 쓰는 경우다. D와 A는 같은 높이에서 풍속이 크게 다르다 — 이 판정 하나가 사슬 전체를 움직인다.

4. 가스트영향계수 — 건물이 바람에 반응하는가

바람은 평균풍속으로만 불지 않는다. 변동성분이 있고, 그 변동이 건물을 흔든다. 이 효과를 담는 것이 가스트영향계수(5.6)인데, 기준은 이 계수를 두 갈래로 나눈다.

강체건축구조물(5.6.2) — 바람의 변동에 건물이 사실상 정적으로 반응한다. 변동압력을 정적하중으로 환산하면 끝난다.

유연건축구조물(5.6.1) — 건물의 진동이 바람과 상호작용해 부가적인 하중을 스스로 만든다.

유연건축구조물 : 바람과 구조물의 동적 상호작용에 의하여 부가적인 하중이 발생하는 바람에 민감한 건축구조물(동적 효과가 고려된 가스트영향계수를 사용해야 하며, 건축물의 형상비에 따라 구분된다.) — KDS 41 12 00 : 2022, 용어의 정의

구분 기준이 형상비라는 점이 실무적으로 중요하다. 절대 높이가 아니라 높이 대 폭의 비다. 낮아도 홀쭉하면 유연으로 분류될 수 있고, 높아도 넓으면 강체로 남을 수 있다. 그리고 유연으로 분류되는 순간 계산에 건물의 고유진동수와 감쇠비가 들어온다 — 하중을 구하는 데 구조물의 동특성이 필요해지는 것이다.

여기서 지진하중과의 차이가 드러난다. 지진은 지반이 흔들고 건물이 반응하지만, 바람은 건물이 흔들리는 것 자체가 하중을 바꾼다. 하중과 응답이 분리되지 않는다.

5. 바람은 한 방향으로만 밀지 않는다

기준은 주골조 설계용 풍하중을 세 갈래로 규정한다.

하중원인조항

풍방향바람이 부는 방향으로 미는 힘. 평균 + 변동5.2

풍직각방향건물 배후의 와류가 좌우 교대로 떨어지며 옆으로 흔든다5.9

비틀림건물 표면의 압력분포가 비대칭이 되며 평면을 비튼다5.10

직관에 반하는 것은 고층건물에서 풍직각방향 응답이 풍방향보다 커질 수 있다는 점이다. 바람이 미는 힘은 평균성분이 크지만, 와류가 만드는 횡방향 가진은 건물의 고유진동수와 맞아떨어지면 공진에 가까워진다. 거주성 문제가 대개 풍직각방향에서 나오는 이유다.

6. 와류진동 — 풍속이 빨라야 위험한 것이 아니다

기준은 와류진동을 이렇게 정의한다.

와류진동 : 건축물 배후면에서 좌우 상호 규칙적으로 발생하는 와류의 영향에 의해 발생하는 건축물의 진동 — KDS 41 12 00 : 2022, 용어의 정의

와류가 떨어지는 진동수는 풍속에 비례한다. 그래서 풍속이 올라가다가 어느 특정 풍속에서 와류 진동수가 건물의 고유진동수와 일치하고, 그때 응답이 급격히 커진다. 그 풍속을 지나면 다시 줄어든다. 가장 강한 바람이 가장 위험한 것이 아니라, 공진을 일으키는 풍속이 위험하다는 뜻이다.

기준의 처리 방식도 이 특성을 따른다. 5.1.4는 특별풍하중에 해당하는 경우를 규정하면서, 평면형상이 사각형이고 높이방향으로 일정하며 인접건물이 없으면 5.9·5.10으로 산정하고, 평면형상이 원형이면 5.11(와류진동 풍하중)에 따른다고 한다. 원형 단면은 박리점이 고정되지 않아 와류 방출이 특히 규칙적이기 때문이다. 굴뚝과 원형 탑상구조물이 대표적이다.

형상비가 크고 유연한 건축구조물에서는 와류진동과 함께 공기력불안정진동도 검토 대상이 된다. 이 경우 기준은 5.17(풍동실험) 중 풍력실험을 실시하도록 요구한다 — 계산식으로 덮지 않는다.

7. 외장재는 주골조와 다른 하중을 받는다

외장재 설계용 풍하중(5.4)은 주골조용과 별개 조항이며, 쓰는 계수도 다르다. 주골조는 풍압계수·풍력계수(5.7)를, 외장재는 피크풍압계수(5.8)를 쓴다.

이유는 면적이다. 주골조는 건물 한 면 전체의 압력을 합산해 받으므로 순간적인 국부 피크가 평균화된다. 외장재 한 장은 그 자리에서 실제로 일어난 순간 최대압력을 그대로 받는다. 그래서 같은 건물에서도 외장재용 설계압력이 주골조용보다 훨씬 클 수 있다.

그리고 그 피크는 위치에 따라 다르다. 모서리·처마·지붕 가장자리에서는 흐름이 박리하며 강한 부압이 생긴다. 태풍에 지붕이 통째로 들리는 사고가 대개 가장자리에서 시작하는 이유다. 기준은 기준높이 20 m를 경계로 조항을 나누고(5.4.1·5.4.2), 독립지붕을 따로 둔다(5.4.3).

8. 사용성과 거주성 — 강도와 다른 검토

5.14는 사용성 검토를 사용성한계상태설계를 대상으로 한다고 명시한다. 강도 검토와 다른 트랙이다.

최대수평변위 — 재현기간 50년 설계풍속으로 산정한다(5.14.3). 판정 기준은 구조체와 비구조체가 손상되지 않는 것이다. 비구조벽체·칸막이벽·외장재가 명시적으로 언급된다.

최대응답가속도 — 재현기간 1년 풍속에서 최상층에 발생하는 값으로 판정한다. 판정 기준은 거주자가 불쾌감을 느끼거나 집무·행동에 지장을 받지 않는 것이다.

둘 다 풍방향과 풍직각방향을 각각 본다. 그리고 응답가속도는 변위가 아니라 가속도로 판정한다 — 사람이 느끼는 것은 얼마나 움직였는지가 아니라 얼마나 빠르게 방향이 바뀌는지이기 때문이다. 같은 변위라도 주기가 짧으면 가속도가 커지고, 더 불쾌하다.

이 절이 강도 검토와 완전히 분리되어 있다는 점이 요지다. 500년 바람에 안전한 건물이 1년 바람에서 거주 불가일 수 있다. 강성을 늘리는 대책과 감쇠를 늘리는 대책이 갈리는 지점이기도 하다 — 변위는 강성으로 잡지만, 가속도는 감쇠장치가 더 효율적인 경우가 많다.

9. 계산식이 덮지 못하는 곳 — 풍동실험과 성능기반 내풍설계

기준은 자기 계산식의 적용 한계를 스스로 규정한다. 5.1.4의 특별풍하중이 그것이고, 형상이 특수하거나 인접건물의 영향이 있거나 형상비가 크고 유연한 경우가 여기 해당한다. 이때는 5.17 풍동실험으로 넘어간다.

그 위에 5.19 성능기반 내풍설계가 있다. 풍동실험으로 진동·변위의 사용성과 풍하중에 대한 구조안전성에 대해 다양한 목표성능수준을 만족하도록 설계하려는 경우에 적용한다(5.1.2 (13)). 검증 요건은 내진 쪽과 같은 형태다.

성능기반 내풍설계를 수행할 때는 그 절차와 근거를 명확히 제시해야 하며, 전반적인 설계과정 및 결과는 설계자를 제외한 성능기반 내풍설계 결과를 검증할 수 있는 능력을 갖춘 2인 이상의 구조전문가에게 타당성을 검증받아야 한다. — KDS 41 12 00 : 2022, 5.19

성능기반 설계기준 편에서 정리한 네 가지 구성요소가 여기서도 그대로 성립한다 — 성능수준(사용성·구조안전성), 재해수준(재현기간별 풍속), 수용기준(변위·가속도·부재강도), 검증(풍동실험 + 2인 이상 제3자 검토). 다른 하중, 같은 구조다.

10. 정리

무엇을 판정하는지 먼저 정한다 — 강도인지, 변위인지, 거주성인지. 재현기간 500년·50년·1년이 각각 따라온다.

설계풍속은 곱셈 사슬이다 — 기본풍속의 네 조건(높이 10 m·10분 평균·기준 조도구분·재현기간 500년)에서 현장 조건으로 옮기는 작업이며, 하중은 풍속의 제곱에 비례한다.

조도구분은 주변을 보고, 풍향마다 다를 수 있다 — 기준높이의 40배와 3 km 중 작은 값, 풍상측 45°.

유연으로 분류되면 동특성이 하중에 들어온다 — 고유진동수와 감쇠비가 필요해진다.

세 방향과 와류진동 — 고층에서는 풍직각방향이 지배할 수 있고, 원형 평면은 별도 조항이다.

외장재는 피크압을 그대로 받는다 — 모서리와 가장자리의 부압이 사고 지점이다.

지진하중은 성능목표 하나를 재현주기와 성능수준의 조합으로 선언하지만, 풍하중은 판정 대상마다 바람을 갈아 끼운다. 이 건물에 지금 어떤 바람을 적용하고 있는지를 놓치면 나머지 계산이 아무리 정확해도 답이 아니다.