구조설계
구조설계의 개요
조립식 경량철골 시스템의 구조설계는 허용응력설계법에 의해 설계되었고 건축학회에서 발간된 「건축구조용 냉간성형강 구조설계지침을 따르고 있다. 이 지침은 현재 건설교통부에서 심의중이며, 허용응력 설계법에 기본을 둔 허용강도 설계법을 채용하고 있는데 이 설계법은 미국 AISI (Cold Formed Steel Design Manual-1986)지침에 근간을 두고 있다. 그러나 현재 미국 AISI에서는 1992년에 LRFD에 의한 냉간성형강 설계법이 제정되어 있고 영국도 BS Code에 의한 LRFD 설계법이 통용되고 있다. 그러나 우리나라는 현재 LRFD설계법이 보편화 되어 있지 않으므로 1986년 AISI의 허용강도 설계법을 채용하였다.
허용강도 설계법은 기존의 허용응력 설계법과 유사하며 하중산정 및 재료의 안전율 적용은 동일하다. 그러나, 안전율의 적용시 부재의 응력에 적용하지 않고, 강도를 계산한 후 안전율을 적용한다. 부재의 허용강도는 공칭강도를 소정의 안전율로 나누어 산정한다. 허용응력도 설계법에서는 우선적으로 허용응력도를 산정한 후에 단면의 성능과 관련을 맺어 허용강도를 계산하지만, 허용강도 설계법에서는 단면의 공칭강도를 산정한 후에 안전율을 적용하여 허용강도를 계산하게 되어있다. 이러한 설계법을 선택하게 된 이유는 허용응력 ᄋ 도 우선적으로 직접 산정하려면 복잡하고 어려움이 있으며, 부재의 단면력에 따라 허용응력도가 결정되는 경우도 있기 때문이다. 한편으로는 허용강도 설계법에서 산정한 공칭강도 값을 이용하여 한계상태설계법으로 전환하기가 수월하다. 즉, 안전율 대신에 하중계수와 강도저감계수만 결정하면 바로 한계상태설계법으로 전환할 수 있다.
조립식 경량철골 시스템의 구조설계가 다른 일반철골구조의 구조계산과 다른점은 조립식 경량철골 시스템은 박판자재를 활용함에 따라 판폭두께비 제한과 유효단면을 계산하는 과정이다. 따라서 모든 자재는 얇은 강판을 사용하는데서 오는 국부좌굴 및 부재좌굴 검정을 반드시 거쳐야 한다.
고정하중(Dead Load)
조립식 경량철골 시스템의 고정하중은 구조체의 철골주자재 및 부자재의 자중이 포함될 뿐만 아니라 지붕재의 자중도 고정하중에 속한다. 부재의 설계에서 고정하중의 계산은 적재하중을 직접 지지하는 바닥 또는 지붕에서 시작하여 힘의 전달경로를 따라 서까래-기둥 기초 순으로 하며, 예상단면의 자중과 실제 계산된 단면의 자중에 큰 차이가 없는지 검토해야 한다.
적재하중(Live Load)
적재하중은 건물의 입주자나 집기류 등 건물의 점유에 관련된 하중으로 정의될 수 있다. 적재하중은 보통 등분포하중으로 계산하고 있으나 수시로 이동할 가능성이 있기 때문에 정확한 분포를 계산하기 어려우며, 화재시 입주자의 피난 등 예기치 않은 집중하중을 초래할 우려도 있다.
적설하중(Snow Load)
적설하중은 내린 눈이 지붕에 쌓임으로써 생기는 하중을 의미한다. 눈이 내릴 때는 그 비중이 크지 않으나 그 눈이 쌓이면 눌리면서 단위중량이 증가하게 된다.
설계용 지붕 적설하중의 산정방법은 건설교통부령 「건축물의 구조기준 등에 관한 규칙」에서 다음과 같이 규정하고 있다.
S = P x ZS x CS
S: 적설하중 [kg/㎡]
P: 눈의 적설깊이 1cm당 평균단위중량 [kg/㎡]
Zs: 수직최심적설깊이 [cm]
Cs: 지붕의 경사도 및 형상 등에 따른 계수
눈의 평균단위중량과 지역별 수직최심 적설깊이는 다음의 표와 같으며, 지붕의 경사도 및 형상 등에 따른 계수는 보통의 창고건물 기준으로 경사각이 30 미만이며 차폐물이 없을때의 기준인 0.8로 한다.
| 수직최심 적설깊이(cm) | 적설깊이 1cm당 평균단위중량 (kg/㎡) |
|---|---|
| 50 이하 | 1.0 |
| 100 | 1.5 |
| 150 | 2.0 |
| 200 이상 | 3.0 |
| 지역구분 | 지역 | 수직최심 적설량 (cm) |
|---|---|---|
| Ⅰ | 여수, 진주, 충무, 부산, 울산, 제주, 서귀포 | 30 |
| Ⅱ | 인천, 서울, 수원, 서산, 대전, 이리, 전주, 광주, 울산, 포항 | 50 |
| Ⅲ | 군산, 목포, 춘천, 청주, 추풍령, 대구 | 70 |
| Ⅳ | 속초, 강릉, 대관령 | 150 |
| Ⅴ | 울릉도 | 350 |
풍하중
풍하중도 건설교통부령 「건축물의 구조기준 등에 관한 규칙」에 명시되어 있으며, 건축물에 작용하는 풍하중은 다음의 계산식에 의하여 산정한다.
P = pA
P: 풍하중 [kg]
p: 풍압(=Cq) [kg/㎡]
C: 풍력계수
q : 설계속도압 [kg/㎡]
A: 건축물 또는 그 부분의 유효수압면적 [m]
설계속도압은 보통의 경우 설계기본풍속과 노풍도에 따라 주어지며, 지역별 설계기본풍속은 다음의 표와 같다.
(단위:kg/㎡)
| 건축물의 높이 | 기본풍속(m/sec) 및 노풍도 | |||||
|---|---|---|---|---|---|---|
| 35(A) | 35(B) | 35(C) | 40(C) | 45(C) | 50(C) | |
| 0 | 30 | 60 | 100 | 140 | 190 | 240 |
| 10 | 40 | 70 | 110 | 150 | 200 | 250 |
| 등급 | 지역구분 | 설계기본풍속 (m/sec) |
노풍도 | |
|---|---|---|---|---|
| Ⅰ | 내륙 | 서울, 수원, 서산, 대전, 춘천,청주, 추풍령, 이리, 전주, 광주, 진주, 대구 | 35 | B(다만, 대도시의 고층시가지 중심부 에서는 A) |
| Ⅱ | 해안 (1) | 인천, 군산, 충무, 부산, 울산 | 40 | |
| Ⅲ | 해안 (2) | 속초, 강릉, 포항, 목포, 여수,제주, 서귀포 | 45 | |
| Ⅳ | 섬 | 울릉도 | 50 | |
건축물의 수압면에 대한 풍력계수는 적절한 풍동실험에 의하여 정할 수도 있으며, 실험에 의하지 않는 경우에는 건물 외측의 풍압계수에 실내압계수 또는 수압면 반대측의 풍압계수를 가산하여 구한다. 건축물의 외벽면 및 지붕에 대한풍압계수는 그 단면형상에 따라 그림에 표시한 값으로, (-)기호는 흡입(人)을 나타내고, 기호가 없는 수치는 S 가압을 나타낸다. 경사지붕의 풍상지붕면에 대한 풍압계수(C)는 -1.0으로 한다.
구조물 형태에 따른 풍력계수
하중의 조합
조립식 경량철골 시스템의 설계에서 구조체가 지지하는 하중은 고정하중, 적재하중, 적설하중 및 풍하중으로서 구조설계시는 다음의 조합중 가장 불리한 응력을 대상으로 하게 된다.
① 고정하중+ 적재하중
② 고정하중+ 적설하중
③ 고정하중+ 풍하중
이밖의 하중조합도 고려할 수 있다. 적당한 하중조합을 선택하는 데는 경험과 기술적 판단이 필요하다.
