건축물 구조설계에 적용하는 풍속은?

현재풍속, 평균풍속, 최대풍속, 순간최대풍속, 기본풍속, 설계풍속의 정의

기상청 관측소에서 풍속을 측정하는 방법은 풍속계의 풍속센서를 통해 수신되는 전기신호를 0.25초마다의 물리량을 순간값으로 변환한 값입니다. 초당 4개의 순간값이 기록됩니다.

현재풍속은 10초마다의 과거 40개의 순간값을 평균한 값입니다.

평균풍속에는 1분 평균풍속과 10분 평균풍속이 있는데, 1분 평균풍속은 1분마다 과거 1분간의 6개 현재풍속을 평균한 값이고, 10분 평균풍속은 10개의 1분 평균풍속을 평균한 값입니다.

최대풍속은 나라마다 기준이 다르며 우리나라에서는 하루의 10분 평균풍속들 144개(24시간×60분/10분) 값 중 최대값입니다.

순간최대풍속은 1초마다 3초 이동평균값 중에서 최대값입니다. 즉, 1초마다 해당 1초와 과거 1초와 이후 1초의 총 12개 순간값을 평균한 값들 중에 최대값입니다.

건축물 설계에서 바람의 영향을 고려하는 내풍설계에서는 위의 현재풍속, 평균풍속, 최대풍속, 순간최대풍속들을 직접 반영하는 것은 아니고, 기본풍속과 설계풍속을 사용합니다.

기본풍속은 지표면조도 구분C인 지역의 지표면으로부터 10m 높이에서 측정한 10분간 평균풍속에 대한 재현기간 100년 기대풍속이며 V₀로 표기합니다. (재현기간 100년은 이 블로그를 작성하는 2022년 9월 현재의 현행 2016 기준의 내용입니다. 개정되는 2022 기준부터는 재현기간 500년으로 변경됩니다.) 지역마다의 과거 기상자료를 반영하여 정해진 것으로 설계풍속을 구할 때 기본이 되는 지역별 풍속입니다. 이 기본풍속은 관측자료의 축적, 산업성장에 의한 도시화 진행으로 기상관측소 주변 지표상황(거칠기)의 변화, 지구온난화로 인한 기후변화로 태풍 등의 강도가 증가하는 추세로 풍속의 변화폭이 매우 커짐에 따라 건축구조기준 설계하중을 개정하면서 반영하고 있습니다.

 

KBC2009	KBC2016,  KDS 41 10 15 : 2016	KDS 41 10 15 : 2022
57개 기상관측소의 1951년~1995년의 연최대풍속 자료를 사용하여 기상관측소별 기본풍속을 산정한 후 지점별 삼각보간법을 작성하여 기본풍속도 를 작성하고, 행정 및 설계 편의성을 감안하여 해당 지자체 행정구역 중 가장 큰 값을 간단하게 표로도 작성하여 제공함. 기본풍속도 그림과 지역별 기본풍속 표 중에서 정함.	69개 기상관측소의 1973년~2012년의 연최대풍속 자료를 사용하여 기상관측지점의 100년 재현주기의 기본풍속을 평가한 후에 등고선 작성 프로그램에 의해 도출된 기본풍속도에서 구조안전을 위해 최저값을 24m/s으로 설정하여 수정한 기본풍속도를 제공하고, 행정 및 설계 편의성을 감안하여 해당 지자체 행정구역 중 가장 큰 값을 간단하게 표로도 작성하여 제공함. 기본풍속도 그림과 지역별 기본풍속 표 중에서 정함.	68개 기상관측소의 1973년~2013년의 연최대풍속 자료에 기반하여 확률통계 및 신뢰성해석과 경험적 방법에 의해 국내에 적합한 풍하중계수를 산정하고, 그것에 상응하는 재현기간 500년의 한계상태설계용 기대풍속을 지역별로 추정한 후 전국의 등풍속지도를 작성하여 제공함. 과거 표로 제공하던 것은 동일한 행정구역(시군단위)에서도 읍면동에 따라 풍속이 다른 경우가 있어 이를 해결하기 위해 표를 삭제하여 읍면동에 따라 정확한 풍속을 사용하도록 함.

 

 

위 기본풍속(재현기간 500년 풍속)의 등풍속지도는 2022년 중 개정 시행될 예정입니다.

설계풍속은 기본풍속에 대하여 건설지점의 지표면상태에 따른 풍속의 고도분포와 지형조건에 따른 풍속의 할증 및 건축물의 중요도에 따른 설계재현기간을 고려한 풍속으로 설계속도압 산정의 기본이 되는 풍속입니다. V_H로 표기하며, 2016 기준에서는 V_H=V₀K_zrK_ztI_W로 산정하고, 2022 개정되는 기준에서는 풍향계수 K_D가 추가되어 V_H=V₀K_DK_zrK_ztI_W(T)로 산정합니다. k_zr은 풍속고도분포계수로 건축물의 기준높이 H(m)에서의 값이고, k_zt는 지형계수, I_W(T)는 풍하중에서의 건축물 중요도계수입니다. 풍향계수 K_D는 건설지점 부근의 유효한 풍관측자료가 있는 경우로서 8개 풍향(북, 북동, 동, 남동, 남, 서남, 서, 서북) 중 건물 입면의 주된 4개면(정면, 배면, 우측면, 좌측면)에 직각방향의 풍향 4개를 고려하여 결정하고 최소 0.85 이상이어야 하는데, 기상관측소 자료에 근거해야하고, 또 그 지상관측소로부터 건설지점까지 지형적 변화가 없고 평탄하여 풍향특성이 달라질 우려가 없는 경우에만 적용할 수 있는 한계가 있어서 기상관측소 근처가 아닌 경우라면 이 풍향게수를 무리하게 적용하여 풍하중이 과소하게 산정됨으로서 위험할 수 있으므로 대부분의 경우 kI_D = 1.0으로 사용함이 바람직할 것입니다.

재현주기별 개략적인 풍하중을 비교하면, W₅₀₀×1.0 ≒ W₁₀₀ ×1.35이고, W₅₀₀×0.65 ≒ W₁₀₀×0.87 ≒ W₅₀ 입니다.

기본풍속에서 풍하중까지 계산하고 구조물 안전성을 검토하기까지 몇 단계 절차를 거치는데, 복잡한 계수들에 대한 설명을 생략하고 개략적인 절차만 설명하면, "①기본풍속→②설계풍속→③설계속도압→④설계풍압→⑤풍하중→⑥하중계수를 반영한 하중조합에 의한 하중효과(소요강도)→⑦구조물 설계강도와의 비교평가를 통한 안전성 및 사용성 판단"까지 입니다. 설계속도압은 공기밀도를 반영하여 풍속을 압력으로 변환하는 과정으로 q_H=0.5ρV_H² 으로 산정되고, 여기서 공기밀도 ρ도 2016 기준까지는 1.22kg/㎥에서 2022 기준부터는 1.225kg/㎥로 미세하게 높였습니다. 설계풍압은 건축물 중에서도 주골조인지 , 지붕구조물인지, 외장재인지에 따라 구조물의 형상 등에 따라 다양해지는 가스트영향계수 및 기타 다양한 계수들이 반영되어 산정되고, 풍하중은 이 설계풍압에 유효수압면적을 곱하여 산정되며, 소요강도는 다음의 하중조합으로 산정합니다. 

 

구분	KDS 41 10 15 : 2016	KDS 41 10 15 : 2022
강도 설계법 또는 한계상태 설계법	1.4(D+F) 1.2(D+F+T)+1.6L+0.5(Lr or S or R) 12D+1.6(Lr or S or R)+(1.0L or 0.65W) 1.2D+1.3W+1.0L+0.5(Lr or S or R) 1.2D+1.0E+1.0L+0.2S 0.9D+1.3W 0.9D+1.0E	1.4(D+F) 1.2(D+F+T)+1.6L+0.5(Lr or S or R) 12D+1.6(Lr or S or R)+(1.0L or 0.5W) 1.2D+1.0W+1.0L+0.5(Lr or S or R) 1.2D+1.0E+1.0L+0.2S 0.9D+1.0W 0.9D+1.0E
허용응력 설계법	D+F D+F+L+T D+F+(Lr or S or R) D+F+0.75(L+T)+0.75(Lr or S or R) D+F+(0.85W or 0.7E) D+F+0.75(0.85W or 0.7E)+0.75L+0.75(Lr or S or R) 0.6D+0.85W 0.6D+0.7E	D+F D+F+L+T D+F+(Lr or S or R) D+F+0.75(L+T)+0.75(Lr or S or R) D+F+(0.65W or 0.7E) D+F+0.75(0.85W or 0.7E)+0.75L+0.75(Lr or S or R) 0.6D+0.65W 0.6D+0.7E

 

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개정되는 KDS 41 10 15 : 2022 건축구조기준 설계하중에서 풍하중 비교예

KDS 41 10 15 건축구조기준 설계하중에서 2022년 개정되는 풍하중에서는 기본풍속(V0)가 증가되면서 풍하중까지 증가되는 효과가 있으나, 하중조합에서의 풍하중계수는 낮추어 보정하면서 종국에는 풍하중효과가 반영되는 소요강도는 2016년도 기준의 값과 유사하지만, 엄밀하게 계산하면 높거나 낮을 수 있으므로 기존 2016의 풍하중 산정방식을 고수하여도 안전측이라고 단정해서는 안 될 것입니다.

아래는 해안가 관측CCTV 지지구조물로서 기타구조물로서 계산방식이 비교적 단순한 사례를 기준 개정전·후의 비교예시를 통하여 풍하중효과를 살펴 본 것입니다.

 

 

강원도 양양지역 해안가에 설치된 특정한 구조물에 대해서, 2016년 대비 2022년 기준에서의 기본풍속은 1.17배 증가에 따라 설계풍속 1.17배 증가, 설계속도압은 1.25배 증가하고, 설계풍압과 설계풍하중도 1.25배 증가합니다. 한계상태설계법으로 강관지지대에 작용하는 소요하중은 풍하중계수를 기존의 1.3에서 개정된 1.0으로 적용하였을 때 약 0.96배로 오히려 약간 감소합니다. 

그러나 이는 지역마다의 기본풍속이 증가되는 차이와, 주골조, 지붕 , 외장재 및 기타 구조물에서의 설계풍압 및 설계풍하중을 산정하는 방식이 제각각 다르기 때문에, 상기 사례를 보편적인 기준사항으로 인식하면 위험하다는 것은 해당분야의 전문가인 건축구조기술사분들이라면 이미 충분히 인식하고 있을 것입니다.

 

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바람직하게 내풍설계된 구조물의 순간최대풍속 저항값 산정의 예

건축구조물로서 주골조용, 지붕용, 외장재 설계용 뿐만아니라, 비구조요소와 건물외구조물에서 풍하중에 대한 안전성을 확보한 내풍설계가 완료된 상태에서, 그러면 이 구조물은 태풍이나 돌풍에 대한 사고 때마다 매스컴으로 보도되는 순간최대풍속 얼마까지 안전하다고 할 수 있을까?

지진을 고려하는 내진설계와 마찬가지로 적설하중이나 풍하중에 대해서도 일반적으로는 역량설계법으로 진행합니다. 역량설계법이란 최소 하중조건에 대해 충분히 안전하게 설계하기만 하면 되는 방법입니다. 이와 다른 설계기법으로는 성능설계법이 있으며, 이는 최소 하중조건 이상으로서 발주처(건축주)가 요구하는 성능수준을 충족하도록 구조물을 설계하는 밥법입니다. 역량설계법과 성능설계법을 보다 쉽게 이해하기 위해 옷과 비교한다면, 역량설계법은 기성복, 성능설계법은 맞춤복과 같습니다. 바람에 대해서는 성능설계법으로 진행하는 경우는 발주처(건축주)가 요구하는 사례가 거의 없기 때문에 통상의 역량설계법으로 진행되는 경우가 대부분입니다.

그런데 태풍이나 돌풍에 의한 사고가 발생하거나 우려되는 경우에서 뉴스 등 매스컴에서 가장 많이 소개되는 것이 순간최대풍속입니다. 실제 구조물 설계시 고려되는 지역별 기본풍속이나 설계풍속을 대중에게 소개하고 이해시키는 것은 분명 어렵고, 대중의 관심을 끌기도 어렵습니다.

만약에 내풍설계에서도 성능설계법이 적용되어 발주처(건축주)의 요구사항이 생긴다면, 대중을 포함하는 요구자가 매스컴을 통해 교육효과처럼 인식되어 직관적으로 이해할 수 있다고 믿는 순간최대풍속 값으로 주문받아 "순간최대풍속 얼마이상 견딜 수 있도록 안전한 설계를 해주세요"라는 주문을 받을 수 있을 것이란 생각을 해봅니다. 그리고 이미 여러해 건축구조기술사사무소를 운영 ·근무하는 기술자라면 "그러면 이 구조물은 순간최대풍속 얼마까지 견딜 수 있다는 건가요?"라는 질문을 받아 본 경험도 있을 것입니다.

구조물에 고려된 설계(역량)풍속을 순간최대풍속으로 변환하는 방법에 대해서 국내 기준에서는 해설서를 포함하더라도 소개하는 사례가 거의 없습니다. 이 기준에 있는 내용들과 공식들도 벅차게 복잡하고 많지만, 이를 통달한 전문가인 건축구조기술사들 중에서는 태풍 속보로 접하는 순간최대풍속을 공학적·역학적으로 접근하여 풀어낼 수 있는 개념으로 인지하고, 이미 기술노하우로 축적하고 있는 경우도 있습니다.

상기 그림표에서 '순간최대풍속 추정(Estimation of Instantaneous Maximum Wind Speed)'을 통해 두가지 방법을 소개합니다.

첫번째 방법은 ASCE 7-16 (Minimum Design Loads and Associated Criteria for Buildings and Other Structures) 기준에서 소개하는 것으로, 비교적 간단한 방법으로 733페이지_{(ASCE 7-22에서는 862페이지)}에서 소개하는 도표를 통해 10분 평균풍속(600second)에 대응하는 V₆₀₀/V₃₆₀₀의 값 1.06과, 3초 평균풍속에 대응하는 V₃/V₃₆₀₀의 값 1.52의 비 1.52/1.06 = 1.434를 구조물 설계에 반영된 설계풍속 V_H에 곱하여 구하는 비교적 간단한 방법입니다. 앞서 설명한 내용과 같이 우리나라 기본풍속은 지표면조도 구분C인 지역의 지표면으로부터 10m 높이에서 측정한 10분간 평균풍속에 대한 재현기간(2016기준은 100년 2022기준은 500년)의 기대풍속이고, 미국 ASCE기준에서는 우리나라와는 달리 기본풍속(V, Basic wind speed)을 지표면조도 구분C인 지역의 지표면으로부터 10m 높이에서의 3초 돌풍속도(The wind speeds correspond to 3-s gust speeds at 33 ft (10m) above ground for Exposure Category C.)를 Risk Category별로 작성된 그림지도로 표시한 'WIND HAZARD MAP'에서 찾아서 적용합니다. Risk Category I은 300년 재현주기, Risk Category II는 700년 재현주기, Risk Category III는 1,700년 재현주기, Risk Category IV는 3,000년 재현주기로 표현됩니다.

두번째 방법은 가스트(돌풍)영향계수 G_D 값을 1.0으로 할 때에 최대변위를 발생시키는 풍속 즉 순간최대풍속을 역산정하는 방법입니다. 이 방법의 수준도 복잡하다고 할 수 없으나, 상기 첫번쩨 방법보다는 두 단계에 걸쳐 계산을 해야하는 약간의 번거로움은 있습니다. 그러나 계산근거를 제공할 수 있어서 첫번쩨 방법보다 비교적 구체적이고 설득력이 있다고 볼 수 있습니다. KDS 기준에서 가스트영향계수는 '바람의 난류로 인해 발생되는 구조물의 동적 거동 성분을 나타내는 것으로 평균변위에 대한 최대변위의 비를 통계적인 값으로 나타낸 계수'로 정의하고 있습니다. 보다 쉬운 정의로 가스트영향계수는 10분 평균풍속에 갑자기 세게 불어닥치는 불규칙적인 바람의 돌풍효과를 고려하는 계수입니다. 10분 평균풍속에 가스트영향계수를 곱한 정적하중(등가의 정적 풍하중)을 구조물에 작용시켜 계산한 값으로 구조물의 최대변위를 평가합니다.

 

상기 가스트영향계수를 도출하기 위해 사용되는 각종 계수들의 영향을 무시하고 G_D를 '평균변위에 대한 최대변위의 비'가 아닌 '평균풍속에 대한 순간최대풍속의 비'로 삼는 다는 것에 대하여 건축물과 같은 복잡한 구성의 구조물에서는 우려가 남습니다. 그러나 구조적으로 지극히 단순한 상기의 사례와 같이 단자유도계의 수직 캔틸레버구조물로서 규모가 작은 경우에서는 '평균변위에 대한 최대변위의 비'가 곧 '평균풍속에 대한 순간최대풍속의 비'와 같다는 접근으로 해석이 가능하다고 보아도 무리가 없을 것입니다. 국내에서 풍하중에 대한 고려를 시작하게 되는 초창기 거의 첫 단추격의 시기에 이와 유사한 고민이 처음으로 제기된  대한건축학회지 「건축」, v.13 n.31, 1969년,  "풍압력에 대한 고층라아멘의 연구"의 내용 중, 순간최대풍속 계산식에서 "풍속은 풍속계로 측정한 최대평균풍속(10분간의 평균치)이며 구조물의 파괴원인이 되는 풍속은 최대평균풍속을 대상으로 하지 않고 순간최대풍속이다. ... 풍압력은 속도압과 풍력계수에 의하여 계산하게 된다. p=c·q 그런데 순간최대풍속은 1961년 이후에 와서 측정하게 되었음으로 그 이전의 값은 평균풍속으로부터 산출되고 있으며 그 계산식은 지방에 따라서 순간최대풍속과 최대평균풍속의 차이가 상이하므로 다르다고 하겠다. ... 풍압력에 의하여 일어나는 응력은 순간최대풍하중이나 속도압에 관계가 많이 있다."를 되새겨 볼 때, 그 동안의 수 십년 동안에 다층의 복잡한 다자유도계 구조물인 건축물에 대하여 더욱 정교하게 진화된 공식과 계수들을 현재 사용하게 되었지만, 초창기 바람에 대한 단순한 구조물에서의 역학적 고려 대상은 순간최대풍속임을 알 수 있습니다. 

따라서 다자유도계 구조물인 건축물에서 순간최대풍속을 도출하는 방법은 첫번째 방법이 그나마 타당할 것이고, 기타 지극히 단순한 단자유도계 구조물에서는 가스트영향계수를  순간최대풍속을 도출하는 방법은 두번째 방법이 설득력이 있다고 하겠습니다.

 

.  끝.