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하중 – Lords
구조 해석을 할때에는 구조물 자체의 무게까지도 외부에서 가해지는 하중으로 본다.
수학에서 점에서 면적이 없고 선에 두께가 없듯이 구조체 자체는 오로지 수학적 시스템이라고만 가정하는 것이다.
우리가 건축에게서 원하는 것이 내부 공간이고 공간이라는 것은 실체없이 비어있음이라고 볼 때 구조 시스템이 실체 없는 시스템 (null system) 이라는 것은 매우 의미가 있다.구조물에는 지구의 중력, 바람, 지진, 지하수, 온도변화, 지반침하 등에 의해 수없는 종류의 하중이 가해지고 있다.
크게 나누어 하중은 가해지는 방향에 따라서 수직하중과 수평하중, 시간에 따라 하중의 방향과 크기가 변하는가 아닌가를 기준으로 정하중이고 수평 하중 이동 하중이다.
고정 하중 – Dead Load고정 하중은 구조체 자체의 무게인데 이것은 중력의 방향인 지구의 중심쪽으로 가해진다.
고정하중을 구하는 법은 아주 쉽다.
재료의 비중에 구조체의 부피를 곱하면 된다.
다름 힘들처럼 흐르는 방향이 복잡하지도 않다.
오로지 땅을 향해 흐른다.
어떻게 보면 인류의 건축 구조물 중 99%는 이 하중만을 고려하여 지어졌다고 보아도 무방하다.
가장 고전적인 건축재인 돌로 건축을 할 경우 자기 무게를 견디기 위한 구조물을 만들면 나머지 하중은 알아서 해결이 된다.
사람이나 가구 등의 적재 하중이야 버스에 사람하나 더 탄격이고 위낙 무거우니 바람도 고려할 바가 못된다.
지금도 소형 건축물의 경우 이 원리는 유효하다.
자기 무게만 견딜수 있게 하면 건축물의 대부분은 해결이 된다.이렇게 건축 자체에서 제공되는 자연적 안전 장치 말고도 통상 구조 설계에는 하중, 해석, 설계 세 단계 모두에 안전 장치가 있다.
예를 들어, 주차장의 적재 하중이 단위 제곱 미터 당 500 Kg 이라는 것은 건물의 일생에 한번 있을까 말까한 경으의 하중이다. (하중에서의 안전).
또 트러스의 절점을 구조 해석 단계에서는 핀으로 가정하지만 실제로는 용접이나 리벳 접합을 하여 고정 접합(강접)이 된다.
휠씬 보수적인 구조모델을 쓰는 것이다(해석으로의 안전).
다음으로 구조 설계에서 철근을 2.4가닥 써야한다고 나왔다고 0.4가닥을 추가로 넣는 것이 아니라 최소 4개를 쓴다(설계에서의 안전).
이런데도 건물이 무너진다면 그것은 기적이며 그것을 만든 자들은 분명 도적일 것이다.적재 하중 – Live Loads
적재 하중 다른 말로 활 하중 live load은 구조체 내에 있는 사람이나 차량, 가구 등 옮길수 있는 하중을 말한다.
이 역시 힘의 방향은 지구 중심 방향이다.
고정 하중은 정해진 것이어서 금방 계산 되지만, 적재 하중은 상황에 따라 변한다.
에컨대 주차장이 비어있을 때와 차있을 때가 다를 것이고 가구 배치에 따라 슬라브의 힘받는 곳도 위치도 달라질 것이다.
그러므로 적재 하중은 고정 하중보다는 다소 유동적이다.구조체를 설계할 때, 무조건 안전하게만 하는 것이 좋은 것이 아니다.
그것은 재료비가 많이 들고, 뚱뚱한 모양이 되기도 하고 그것이 또 다시 추가 고정 하중이 되어 부담이 되기 때문이다.
따라서 부재를 최소화하려는 건축적인 노력과 안전 문제는 항상 모순적이며 이 두가지를 적절하게 균형을 이루게 하는 것이 구조 설계의 목표이다.이 절감의 노력으로 극한강도 설계법에서는 확실한 고정 하중에 대해서는 안전율을 적게 주고 다소 불확실한 적재 하중 대해서는 안전율을 많이 주는 방법을 쓴다.
반면 미국 기분인 극한강도 설계법에서는 고정 하중에 1.4를 곱한 값과 적재 하중에 1.7를 곱한 값을 더한 값이 항복점에 도달하도록 설계한다.
후자가 휠씬 경제적임은 틀림없지만 시공을 불신할 수 밖에 없는 우리로서는 어쩔 도리 없는 선택이다.풍 하중 – Wind Loads
바람의 위력을 모르면 건물 설계에 있어 낭패를 당하기 쉽다.
예를 들면, 50층 정도의 건물이라면, 그것이 90도 회전하여, 캔틸레버가 되어 절벽에 매달려 있는 것처럼 생각해야 한다.
실제로 고층 건물의 경우 고정 하중에 의한 힘보다 바람에 의한 힘이 더욱 강하다.
50층 건물과 100층 건물의 일층 기둥이 받는 힘을 비교해보자.
수직 하중에 의한 힘은 100층 짜리가 2배 더 크다.
반면 풍하중에 의한 힘은 8배이다.
높이가 올라갈수록 바랍의 속도가 높아져 풍압이 높아지고 모멘트는 팔길이의 제곱에 비례하기 때문이다.바람의 힘은 고층건물 뿐 아니라 낮지만 가벼운 건물에도 치명적일수 잇는대 이것은 ‘압력은 속도에 반비례한다.’는 베르누이의 정리를 이해하면 쉽게 이해될수 있다.
이 원리를 이용한 것이 비행기 날개이다.
비행기 날개는 상부가 하부보다 볼록하다. 날개 위로 흐르는 공기가 아래보다 속도가 빨라야 할 것이다
따라서 날개의 압력은 아래보다 낮게되고 이 압력 차에 의해 비행기가 띄우는 양력이 생기는 것이다.이와 같은 이치로 바람이 불 때, 공기의 속도가 빠른 집 외부는 압력이 낮아져있고 공기의 속도가 제로인 집 내부는 상대적으로 압력이 높아져 있게 된다.
마치 풍선 꼴이 되어있는 것이다.
밖으로 터져 나가려는 이 힘을 집의 구조가 견디지 못하면 지붕이나 벽이 튀어 나간다.
일단 지붕이 날아가면 내부와 외부가 같은 기압이 되어 집의 나머지는 살릴수 있지만 지붕이 견고하게 붙어 있으면 집이 뿌리채 뽑히는 경우도 있다.
그러므로 바람이 많이 불 때는 집의 모든 창을 열어놓는 것이 상책이다. 또한 고층 건물의 창은 박으로 튀어나가지 않도록 고정을 한다.하중 중에서 고정 하중보다는 적재 하중이, 그보다는 풍하중이 에측하기가 힘들다.
시간에 따라 방향과 크기가 바뀌는 동 하중이기 때문이다.
그러나 웬만한 건물 구조 설계에서는 풍하중도 일종의 정 하중으로 보고 평균값을 집어넣어 게산을 한다.
그러나 풍하중이 구조 설계에 절대적인 영향을 미치는 고층 건물에서는 고도의 연구가 필요하다. 그래서 보통 동적 해석을 수행하며 풍동 실험을 하기도 한다.
풍동 실험이란 건물의 모형을 만들어 놓고, 실제로 선풍기로 바람을 불게 하여 실험을 하는 것이다,
도심 내의 고층건물은 옆 건물들의 영향 때문에 협곡이 생기면서 갑자기 바람의 속도와 방향이 바뀌며 회오리가 생기기도 하는데 이를 예측하기 위해서 풍동 실험을 하는 것이다.지진 하중
지금가지의 세 가지 하중은 밖에서 오는 힘인 반면, 지진 하중은 자기 자신 때문에 생기는 힘이다.
공중을 나는 새가 아닌 이상 땅에 발을 붙이고 있는 모든 것들은 지진을 겁낼수 밖에 없다.
지진이 나서 땅이 움직이면 한 걸음조차 내디딜 수가 없게 된다.
땅이 건물을 쥐고 흔들면 건물의 무게 중심이 흔들려서 결국은 지진 파괴에 이르게 된다.
풍하중에서와 마찬가지로 지진 하중에서도 건물이 높으면 불리하게된다.
무게 중심이 높아서 팔 길이가 길어지므로 더 많은 모멘트가 생기기 때문이다.
그러나 지진은 바람보다도 더 고약한 것이 옆으로 땅을 흔들기도 하지만 따을 들어올렸다 내룠다 하기도 한다.고정하중과 적재하중은 수지 방향의 하중인 반면, 지진과 바람 기본적으로 옆에서 오는 횡 하중 lateral force이고, 시간에 따라 바뀌는 동 하중 dynamic force 이다.
동 하중이 위험한 이유는 진동수라는 것이 있기 때문이다. 샌드백을 칠 때, 샌드백이 왔다가 다시 가려는 순간 치면 작은 힘으로도 진폭을 크게 할 수 있다.
샌드백의 고유 진동수와 가하는 힘의 진동수를 일치시켯기 때문이다.
다리도 마찬가지로 고유 진동수가 있는대, 군대가 발맞추어 행진할 때 마침 발맞추는 리듬이 다리의 고유 진동수와 일치하게 되면 다리느 무너질수 있다.
미국의 타코마 내로우스의 다리는 다 리 고유의 진동수와 일치하는 산들 바람에 의해 붕괴된 경우이다.발전소의 터빈 기초나 신문사의 윤전기 기초를 설꼐할 떄도 고유의 진동수 문제를 고려해야 한다. 아무리 정교한 회전축이라도 약간의 오차가 있기 때문에 기계는 상하진동을 하게 되어 있는데 이 진동수와 기초의 고유 진동수가 일치하면 낭패이다.
그래서 발전기 기초는 고유 진동가 기계의 진동수보다 아주 크게 하거나, 낮게 하여 피해나가며 윤전기 기초는 이중 구조를 하여 그 사이에 모래를 넣는다.
이러한 기초는 간혹 고층 건물에서도 사용된다.
두 개의 그릇 사이에 물을 끊이는 중탕을 생각하면 되겠다.
밖의 기초는 지진이 일어날 때 땅과 같이 놀게 하고 안의 기초와 붙어 있는 건물은 두 기초 사이에 채워진 기름 위에 떠서 지진의 영향을 크게 받지 않게 하는 것이다.
잠시라도 공중을 나는 새 같은 구조를 만드는 셈이다.변형 하중
하중이 가해지면 변형이 생긴다고 했다.
그렇다면 변형이 먼저 생긴다면? 당연히 하중이 생긴다.
변형 하중이란 어떤 이유로 건물이 변형됨으로 인해 발생한 하중을 말하며 대표적인 것이 온도 하중과 침하 하중이다.
온도 하중 역시 눈에 보이지 않는다고 무시하면 큰일날 하중이다.간단한 예를 들어보자. 콘크리트의 선 팽창 계수는 1.2 x 10-5이고 탄성 꼐수는 2.1 x 105 이다.단위 면적 당 응력은 이 두계수의 곱인 2.52에 온도 변화를 곱한 값이므로 우리 나라 여름과 겨울의 온도차이인 50도 정도가 만드는 응력도는 126 kg/cm2이다.
콘크리트의 허용 응력도가 160kg/cm2 이니 이 온도 하중이 생기면 다른힘은 더 이상 받아줄수가 없게 된다.
따라서 건물이나 다리는 약 50cm 간격마다 수축 이음 expansion joint을 두어 온도 하중이 구조물에 영행을 미치지 않게 해야 한다.건물의 지반 상태가 불균등하게 한족이 가라앉거나 하면 여기에서도 변형에 의한 하중이 발생하는데 이 역시 치명적일 수 있다.
최근에 완성된 간사이 국제 공항은 매립지 위에 건설된 것이다. 당연히 장기적으로 지반이 침하할 것이며 그것도 불균둥하게 침하할 것이다.
이에 대응하기 위해 각 기둥 하부와 기초 사이에는 유압 잭이 설치되어 있다.
침하가 생긴 만큼 그때그때 건물을 들어 올려 건물에 침하 하중이 발생되지 않게 하려는 시도이다.피로 하중
성수 대교가 무너진것도 피로 하중 때문인데, 가랑비에 속옷 젖고, 잔 매도 계속 맞으면 골병 드는 것과 같은 이치로 하잘 것 없는 하중도 반복해서 가해지면 재료는 항복하게 되어있다.
다리의 경우차량이 지나갈때마다 하중이 가해졌다 안 가햐졌다를 반복하게 되는데 이것이 오래 지속되면 피로 하중이 만들어진다. 이것은 정 하중보다 나뿐 결과를 가져온다.
정 하중이라도 재료에 따라 장기간 지속되면 추가 변형이 생기는 경우가 있다.
콘크리트도 그러한 재료 중 하나이다.이 변형이 나쁜 것만은 아니다.
살아보겠다고 애쓰는 마지막 몸부림이라고 보면 된다.
자신의 몸의 형태를 변형시키 그 힘을 받아주려는 것이다. 이렇게 형태를 바꾸어 힘을 재배치 redis-tribution 하려는 현상을 크립 creep 이라 한다.
구두를 오래 신으면 신는 사람의 발에 맞추어 구두의 모양이 변해 편해지는 것이 그 예라 할 수 있다.
자연에도 이와 같은 경우를 많이 볼수 있다.
할머니의 등이 꼬부라진 것은 그것이 편하기 때문이다. 서풍을 오래 받은 나무가 동쪽으로 사지를 내는 것도 일종을 크립 현상이다.