하중이란?

빌딩 구조물 설계를 수행하게 되면서 제일먼저 산정하게 되는 것이 하중이다. 하중이란 크게 시간에 따라 지속하중(장기하중)과 단기하중으로 구분할수 있으며, 방향에 따라 수직하중과 수평하중으로 구분할수 있다. 세분화 시켜서 보면 고정하중은 부재의 자중과 부재위에 시공될 마감재의 밀도를 이용해서 구한다. 과거 한국을 보면 tonf 단위로 중력가속도를 단위속에 감추어 두고 하중을 산정하고 해석을 하였다. 그러나 현재는 거의 미국을 제외한 많은 국가들이 SI 단위를 사용하게 되었다. 기초과학분야, 전자, 기계 등 많은 분야들은 오래전부터 SI단위를 사용하였다. 왜냐하면 정밀도의 문제이다. 또한 많은 건축자재 공급자들도 SI단위를 사용한다. 그래서 보강블럭조 설계 할때는 Imperial 단위와 SI단위 차로 잘 못될수 있음을 이해해야 한다. 주로 8"인치 블럭(실제블럭사이즈에 몰탈두께를 포함해서 통상 사용하는 블럭크기)을 사용하는데 도면에 Imperial 단위로 설계가 되어 있다면 SI단위로 환산해서 블럭수를 따지고 설계를 해야 한다. 블럭들은 공장 제작시 8"블럭은 200mm(190+10몰탈))로 제작되므로 3.2mm정도의 차이가 발생한다. 이 차이는 작은 빌딩은 큰 차이가 없지만, 길거나 높은 빌딩에서는 차이가 많이 생긴다. 얘기가 잠시 다른데로 빠졌다. 다시 원점으로 돌아가서 고정하중은 건축주, 시공자, 설계자가 정한 마감재에 따라 달라질수 있으므로 마감재 상세 리스트가 반드시 필요하다. 그래서 작은 건물도 반드시 도면의 단면에 제시한 마감재의 종류와 두께를 확인하고 고정하중을 산정해야한다.

적재하중은 지속되는 하중이 아니며 충격, 지진 및 풍하중처럼 완전 단기하중으로 간주할수도 있는 조금은 애매하다. 암튼 쉽게 움직이는 하중이라고 설명할수 있겠다. 고정하중과 달리 사람들이나 짐더미들이 한곳에 모일수도 있고 널리 펼쳐저 있을수도 있다. 그리고 사람의 보행은 단기 충격하중으로 환산해서 바닥진동에 대한 사용성 검토를 한다. 그러므로 적재하중은 어느정도 장기지속하중이 될수 있고 장기 또는 단기 집중하중이 될수 있으며 마지막으로 충격하중이 될수 있다고 말할수 있겠다. 바닥진동해석을 제외한 나머지는 코드에 나와 있는 적재하중을 이용하면 된다. 적재하중은 한곳에 모일수 있기 때문에 Pattern Loading해석을 한번 해보는게 구조쟁이로 감을 키우는 좋은 예라고 볼수 있다. 그리고 적재하중저감은 고층 및 장스팬 구조에서는 많이 사용하게 된다. 생각해 보면 고층의 경우 전층 똑같은 위치에 적재하중이 놓일 확률은 매우 작기 때문에 저감을 해서 기둥과 기초등의 부재가 부담해야 할 하중을 줄여준다. 물론 보 부재로 같은 개념으로 적재하중을 저감할수 있으나 이것도 마찬가지로 코드를 잘 이해한 후 저감을 해야 한다.

시공하중은 시공중 발생하는 하중으로 예를 들면, 덱크플레이트를 사용한 슬래브에 콘크리트 타설시부터 양생까지 작용하는 하중이라고 설명할수 있겠다. 주로 타설시 1.5kPa를 사용해서 합성 또는 일반덱크슬래브 설계시 적용하게 되며, 언급한 시공하중과 약간 틀리지만 1층 바닥의 경우 시공중 작업 공간 협소로 공사차량의 하중을 고려해서 가설재를 계획해야 한다.

우(Rain) 및 설(Snow)하중이라고 하니까 조금 이상하다. 약간 적재하중과 비슷하다고 볼수 있으며 지붕의 형상과 구조물의 난방형태들에 따라 달라지는 하중이라고 볼수 있으며, BC는 일반도시지역은 BCBC의 Climatic Data를 사용하면되지만 휘슬러나 FVRD등의 행정구역 지역은 관공서에 꼭 질의를 해서 해당지역 Climatic Data를 가지고 설계를 해야한다.

풍 및 지진하중은 아주 전형적인 횡하중이라고 볼수 있겠다. 풍하중은 건물 높이, 지역의 높이, 주변환경 및 건물의 수직면적에 영향을 많이 받게 된다. 쉽게 설명하면 건물쪽으로 미는 힘(+)과 건물의 밖으로 미는 힘(-)으로 나눠지며, 도심지역은 고층의 경우 와류(vortex)까지도 고려해야 한다. 초고층 설계시 실제와 비슷한 환경의 데이터를 얻고자 풍동실험을 하게 된다. 지진하중은 면적이 아닌 질량(mass), 구조물의 고유주기(Eigen Period)와 구조물의 연성능력(Ductility)에 따라 산정된다고 볼수 있다. 질량은 구조물에 작용하는 지진하중 산정에 기본이 되는 것이며, 고유주기는 지질학자들이 제시한 climatic data나 또는 토질기술사들이 제시하는 지반별 특성에 따른 데이터를 가지고 설계용 스펙트럼을 생성하고, 구조물의 고유주기와 상응하는 스펙트럼의 주기에 대한 가속도를 사용한다. 질량과 가속도를 알게 되므로 힘(전단력)을 구할수 있게 된다. 그리고 이런 결과들에 구조물의 연성능력에 따라 Base shear를 저감시키게 된다. 많은 사람들이 지진하중은 상하좌우 및 전후로 움직이는 하중이라 특별하다고 말을 한다. 타당한 말이지만 설계시 그런 하중을 적용하기 힘들기 때문에 기본 물리학적 성질들을 이용해 고유주기를 산정하고 적용되는 건물의 고유주기와 지진의 고유주기가 같아지면 공명현상(Resonance Effect)으로 Wave가 증폭되는 것을 가정하여 설계를 적용하게 되는 것이다. 결국은 하중의 크기는 다르지만 층별로 구조물에 미는 힘을 적용해서 시스템과 부재를 결정하게 되는 것이다. 일반 콘크리트 구조물에서 고층은 고유주기가 길므로 장주기 지진에 붕괴되고 저층은 단주기 지진에 붕괴된다. 그리고 초고층에서는 지진하중보타 풍하중이 우세한 경우가 많으며 지진하중은 중저층에서 우세한 현상을 보인다. 그러나 캐나다처럼 가벼운 목재를 이용한 저층구조물은 구조물의 형상 및 크기에 따라 풍하중이 우세할때가 많다.

기타 온도하중은 아주 긴 켄틸레버 옹벽이나 아주 길고 큰 건축물은 control joint나 expansion joint를 고려해야 하면 조인트 상세 자료는 Fintel의 Concrete Design Manual을 보면 각종 조인트와 계절 및 난방에 따른 온도변화시 적용해야할 구조물의 조인트 적용길이를 제시하고 있다. 횡토압은 정지토압(static), 수동토압(passive), 주동토압(active) 및 지진에 의한 토압증가분으로 구분할수 있으며 쿨롱, 랜킨, 및 모노노베-오카베 공식을 이용해서 토압을 산정하고 구조물의 성격에 따라 정지토압, 주동 및 수동토압을 적용하며, 캐나다의 경우 지하외벽설계시 지진에 의한 토압 증가분을 고려해서 설게를 해야한다. 한국과 일본 기초설계코드의 해설에서는 정지토압만을 적용해서 지하외벽을 설계하여도 지진시 큰 피해가 없다는 내용이 있으나 한국과 일본의 설계코드이므로 우리는 캐나다 코드를 따라야 한다.

이상으로 필자 맘대로(?) 하중에 대해서 정의를 하였다. 무리한 점이 있으면 알려주기 바란다.
모두들 건강하고 행복한 삶이 되길바라며 그럼 다음주에 다시 ... ... .

대한국인 이희용 mailto:이희david.hy.lee@gmail.com