하중
풍하중 계산의 기초 — 속도압부터 내압까지
하중조합 글에서 1.3W와 0.9D + 1.3W를 다뤘습니다. 그 W가 실제로 어떻게 나오는지가 이 글의 내용입니다.
풍하중은 고정하중이나 활하중과 성격이 다릅니다. 미는 힘만 있는 게 아니라 빨아당기는 힘이 있고, 건물 안쪽에서 밀어내는 힘도 함께 걸립니다.
속도압
바람의 운동에너지가 압력으로 바뀐 값입니다.
q = ½ ρ V²
ρ : 공기밀도 (1.22 kg/m³)
V : 풍속 (m/s)| 풍속 | 속도압 | |
|---|---|---|
| 20 m/s | 0.244 kN/m² | 25 kgf/m² |
| 30 m/s | 0.549 kN/m² | 56 kgf/m² |
| 35 m/s | 0.747 kN/m² | 76 kgf/m² |
| 40 m/s | 0.976 kN/m² | 100 kgf/m² |
| 50 m/s | 1.525 kN/m² | 156 kgf/m² |
제곱이 걸려 있습니다
풍속이 2배면 속도압은 4배입니다. 이 비선형성이 풍하중 검토를 까다롭게 만듭니다.
30 m/s → 60 m/s : 0.549 → 2.196 kN/m² (4.0배)
35 m/s → 42 m/s : 0.747 → 1.076 kN/m² (+44%)풍속을 20%만 잘못 잡아도 하중이 44% 틀립니다. 지역 기본풍속과 지표면조도 구분을 정확히 확인해야 하는 이유입니다.
설계풍속까지
기본풍속을 그대로 쓰지 않습니다. 건물이 놓인 조건을 반영합니다.
V_H = V_0 · K_zr · K_zt · I_w
V_0 기본풍속 지역별 (지도·표에서)
K_zr 풍속고도분포계수 높이와 지표면조도 구분
K_zt 지형계수 언덕·절벽 등 지형 증폭
I_w 중요도계수 건축물 중요도각 계수는 기준의 표에서 찾습니다. 지표면조도 구분(A~D)이 특히 중요한데, 도심지와 해안 개활지는 같은 높이에서도 풍속이 크게 다릅니다.
외압계수 — 부위마다 다릅니다
속도압에 형상계수를 곱해 실제 풍압을 구합니다. 부위마다 부호와 크기가 다릅니다.
설계풍속 V_H = 35 m/s(q_H = 0.747 kN/m²)라고 하면
| 부위 | Cpe | 풍압 | 방향 |
|---|---|---|---|
| 풍상벽 | +0.8 | 0.598 kN/m² | 안쪽으로 밂 |
| 풍하벽 | −0.5 | −0.374 kN/m² | 바깥으로 빨림 |
| 측벽 | −0.7 | −0.523 kN/m² | 바깥으로 빨림 |
| 평지붕 | −0.9 | −0.673 kN/m² | 위로 빨림 |
바람이 부는 반대쪽과 옆면, 지붕은 전부 음압입니다. 비행기 날개에 양력이 생기는 것과 같은 원리로, 흐름이 빨라지는 곳에 부압이 걸립니다.
건물 전체에 걸리는 수평력은 풍상벽과 풍하벽을 더합니다.
Cp = 0.8 + 0.5 = 1.3
p = 0.747 × 1.3 = 0.971 kN/m²위
C_pe값은 대표적인 예시입니다. 실제로는 건물 형상비, 지붕 경사, 부위 위치에 따라 표에서 찾아야 합니다. 특히 지붕과 벽의 모서리부는 훨씬 큰 음압이 걸리므로 별도 확인이 필요합니다.
내압 — 자주 놓칩니다
건물 안쪽에도 압력이 걸립니다. 개구부로 바람이 들어오면 안에서 밖으로 미는 힘이 생깁니다.
| 건물 유형 | Cpi |
|---|---|
| 밀폐형 | ±0.0 |
| 일반 (개구부 보통) | ±0.2 |
| 개방형 (큰 개구부) | ±0.7 |
지붕에 걸리는 순 상향력은 외압과 내압을 더한 값입니다.
| 유형 | 계산 | 순 상향 |
|---|---|---|
| 밀폐형 | 0.747 × (0.9 + 0.0) | 0.673 kN/m² |
| 일반 | 0.747 × (0.9 + 0.2) | 0.822 kN/m² |
| 개방형 | 0.747 × (0.9 + 0.7) | 1.196 kN/m² |
개방형은 밀폐형의 1.78배입니다. 창고나 격납고처럼 큰 문이 있는 건물에서 지붕이 통째로 날아가는 사고는 이 내압을 놓쳐서 생깁니다.
부호가 뒤집힙니다
경량 지붕(D = 1.0 kN/m²)에 위의 일반형 상향 풍하중 0.822 kN/m²를 조합해 보겠습니다.
1.2D + 1.3W = 1.20 − 1.07 = +0.131 kN/m² → 아래로 눌림
0.9D + 1.3W = 0.90 − 1.07 = −0.169 kN/m² → 위로 들림같은 지붕인데 결과의 부호가 반대입니다.
1.2D만 검토하면 “괜찮다”고 나오지만, 0.9D로 보면 인발력이 걸립니다. 하중조합 글에서 0.9D가 왜 필요한지 설명했는데, 이 예제가 바로 그 상황입니다.
앵커나 접합부를 인발에 대해 설계하지 않으면 그대로 뽑힙니다.
실무에서 자주 틀리는 지점
내압을 빼먹는 경우
외압만 보고 지붕을 검토하면, 일반형 기준 18%, 개방형 기준 78% 과소평가합니다. 셔터나 큰 출입문이 있는 건물은 반드시 개방형 조건을 확인하세요.
모서리부를 일반부와 같이 보는 경우
지붕 모서리와 처마 끝은 국부적으로 큰 음압이 걸립니다. 마감재와 부속 구조물 설계에서 특히 중요합니다. 판넬이 모서리부터 뜯겨 나가는 게 이 때문입니다.
지표면조도 구분을 잘못 잡는 경우
도심지(조도 A·B)와 해안 개활지(조도 D)는 같은 높이에서 풍속이 크게 다릅니다. 속도압에 제곱으로 들어가므로 구분 하나로 하중이 수십 퍼센트 달라집니다.
인발 검토를 빠뜨리는 경우
앞의 예제처럼 부호가 뒤집히는 경우가 실제로 있습니다. 경량 지붕, 캐노피, 태양광 구조물은 상향 조합을 반드시 확인하세요.
자주 묻는 질문
풍하중과 지진하중 중 어느 쪽이 지배하나요?
건물에 따라 다릅니다. 가볍고 높은 건물은 풍하중이, 무겁고 낮은 건물은 지진하중이 지배하는 경향이 있습니다. 지진력은 질량에 비례하고 풍하중은 노출 면적에 비례하기 때문입니다. 둘은 조합하지 않고 각각 검토해 불리한 쪽을 씁니다. 실제 건물에서 어느 쪽이 얼마나 이기는지는 지진하중과 내진설계 개요에서 계산해 비교했습니다.
가스트영향계수는 무엇인가요?
바람은 일정하게 불지 않고 순간적으로 세졌다 약해집니다. 이 변동이 구조물의 응답을 키우는 것을 반영하는 계수입니다. 높고 유연한 건물일수록 값이 커집니다.
속도압을 kgf/m²로 어떻게 바꾸나요?
1 kN/m² ≈ 102 kgf/m²입니다. 35m/s의 0.747 kN/m²는 약 76 kgf/m²입니다. 환산은 구조 단위 환산기의 면하중 탭에서 할 수 있습니다.
태양광 패널도 풍하중을 검토하나요?
반드시 해야 합니다. 면적은 넓고 자중은 가벼워 인발이 지배합니다. 지붕 위 설치물은 국부 음압이 큰 모서리부에 놓이는 경우도 많아 별도 검토가 필요합니다.
정리
- 속도압
q = ½ρV²— 풍속이 2배면 하중은 4배입니다. - 설계풍속은
V_0 · K_zr · K_zt · I_w. 각 계수는 표에서 찾습니다. - 풍하벽·측벽·지붕은 음압입니다. 미는 힘만 생각하면 안 됩니다.
- 내압을 빼먹으면 지붕 상향력을 18~78% 과소평가합니다. 개구부를 확인하세요.
- 모서리부는 별도입니다. 일반부 계수를 그대로 쓰면 안 됩니다.
- 경량 지붕은
1.2D와0.9D에서 부호가 뒤집힐 수 있습니다.
하중조합은 하중조합 정리에, 고정하중·활하중 산정은 고정하중·활하중 산정 방법에 정리해 두었습니다.