건축물의 하중 개념정의 동적하중, 공진현상, 진동 용어, 지진, 풍하중

건축물의 하중

동적하중(Dynamic Load)

시간에 따른 급속한 변화

충격하중(망치)

• 속도가 빠를수록 하중작용시간이 짧을수록 효과가 크다.

공진하중 (교회당의 종)

• 율동적으로 진동을 반복 교량 붕괴

 

 

 

 

동적특성

• 한 번 진동하는데 걸리는 시간을 의미한다 : 기본주기
• 저층, 견고한 건물의 주기는 짧고. 고층, 연질(유연한)의 건물의 주기는 길다.
• 하중의 작용시간과 주기와의 관계
• 작용시간이 기본주기보다 길면 : 정적효과
• 작용시간이 기본주기보다 짧으면 : 동적효과

동적효과는 정적효과보다 크다.

공진현상

진동용어

주기(Period)

• 진자의 흔들림이 1회 진행되는데 걸리는 시간
• 고유주기 : 물체가 가지는 고유 진동특성

진동수(Frequency)

• 단위시간당 진동 횟수

공진(Resonance)

• 물체의 고유주기와 외력의 고유주기가 같을때 진동이 크게 증폭되는 현상
• 지진파의 주기와 건물의 주기를 다르게 설계

 

 

 

 

 

지진 하중 (Seismic load)

지각운동(판이론)에 의한 지진발생

• 지진에 의한 피해는 구조물의 안정성에 심각한 피해
• 주로 지진대가 형성되어 있는 곳에 발생
• 미국 서부, 일본 등

지구의 원인

• 지각 (암석권) : 10여개의 판으로 구성
• 맨틀 : 연성상태의 대류운동
• 핵 : 내핵, 외핵
• 원인 : 지구내부 운동의 의한 응력장, 즉 대류운동에 의한 판구조운동
• 지진의 의미 : 지구의 내부에너지 발산

지진피해

• 10,000명 / 년 사망 (1890 ~ 1980)
• UNESCO : 약 100억불 / 년 (1926~1950)
• 83만회 / 년 발생 (대부분 규모 3이하)

진도

• 지진발생지역에서 지진동과 관련된 관찰을 근거로 분류
• 정성적 분류법
• 현장 여건 및 조사자 주관에 의해 평가가 달라짐

규모

• 정량적 분류법
• 1935년 미국의 charles richter

지진피해의 원인

• 건물의 내력 및 연성 부족
• 구조계획상의 내력부족
• 내력벽 편재, 인접층의 강성 급격한 변화
• 지반에 대한 고려 부족
• 부동침하, 구조물과 지반의 상호작용

 

 

 

 

지진의 영향

 

지진응답

 

지진의 피해 모습

 

풍하중

• 기압차에 의해 발생
• 바람에 의해 건물에 발생하는 힘은 건물의 높이에 따라 증가
• 정적바람의 영향은 건물높이의 제곱에 비례하여 증가
• 풍속은 높이에 비례하여 증가
• 풍압은 풍속의 제곱에 비례하여 증가
• 고층건물에 대한 바람의 영향은 높이에 비례하여 증가한다.

내풍설계시 건물의 주위환경고려

• 주변 건물과 지형의 영향 (노풍도, 풍속의 감쇠 및 증가효과)
• 수평진동은 거주자에 불쾌감유발
• 경량커튼월, 건식간막이벽 등을 고려

풍하중 등고선

 

높이에 따른 풍속의 변화

 

시간에 따른 풍속의 변화

 

소용돌이 현상

 

단순화된 2차원 바람의 흐름

 

 

 

바람의 영향

구조기술의 발전과 경량공법에 의해 현대고층건물의 강성은 오히려 감소

• 과거의 고층건물의 구조는 상당한 중량을 지니고 있어서 바람에 대한 영향이 크지 않음
• 중력하중이 크다(자중) 전도모멘트에 대해 유리한 구조로 이루어져 있음
• 63빌딩의 경우, 구조물량이 초기설계 (일본)보다 상당히 많은 양이 설정되었지만 집중할 경우 흔들림을 느낌 (화장실)
• 풍해는 주변의 보행자에게도 많은 피해를 줌
• 유리창의 파손, 갑자기 부는 돌풍

인간이 견딜수 있는 건물의 진동의 한계를 유지

• 구조시스템의 변화 등 구조기술로서 강성을 크게한다.

풍하중에 대한 고려사항

• 구조시스템의 강도와 안정성
• 변동풍에 의한 구조요소의 접합부의 피로도
• 큰 횡변형 - 간막이벽, 외부마감재의 균열, 구조체와 개구부의 어긋남
• (부동침하에서 발생할 수 있는 개구부의 변형, 문이 잘 닫기지 않음)
• - 소성변형발생
• 건물의 진동의 주기와 진폭(사용성)
• 고층건물로 파생되는 빌딩풍에 의한 주변건물의 영향
• 보행자에 대한 영향
• 불쾌한 소음(빌딩풍의 영향으로 산정하여야 하며 대책은 주변환경 역시 풍동 실험에서 모델링대상이 되어야 한다.)
• 내부설비시설의 풍하중에 의한 공진현상

횡하중에 대한 보강법

• 바람과 같이 횡력저항시스템을 증가 시킴
• 연성을 확보 (에너지 흡수 효과)
• 동적 제동기 설치
• 댐퍼
• 기초 분리
• 능동제어장치

동적 제동기

 

댐퍼 (영종도 신공항 관제탑)

 

 

 

댐퍼 상세

 

Fluid viscous damper의 설치예 (교량용)

내진구조와 면진구조