내풍설계의 이해 금오공과대학교 건축학부 교수 하 영 철

내풍설계의 이해 학습목표 학습내용 강풍재해의 현황, 강풍의 발생원인 및 특성을 이해할 수 있다. 국내 내풍설계기준의 현황을 이해할 수 있다. 시설물에 대한 강풍재해의 발생 유형과 방재기법을 이해할 수 있다. 학습내용 강풍재해의 현황 바람의 생성 태풍의 특성 내풍설계기준 강풍재해 유형 및 방재대책

Chapter01. 한국의 강풍재해 현황

1 한국의 강풍재해 현황 이상기상 발생원인 및 현황분석 18C 산업혁명 이후 화석연료(석탄, 석유)의 사용, 경제활동 증대로 온실가스(이산화탄소, 메탄, 이산화질소) 증가 온실가스 증가에 의해 태양열 복사 에너지에 대한 지표면과 대기의 에너지교환 평형상태가 변화하여 지구의 평균온도가 상승하는 지구온난화 현상 발생 지구온난화는 엘리뇨, 라니냐 등 기상이변과 해수면 상승, 생태계불균형 등 이상기상을 유발

1 한국의 강풍재해 현황 이상기상 발생원인 및 현황분석 한반도의 기상변화 : 1910년 ~ 1990년 의 80년간 연평균 온도 : 약 2도 상승 해수면 높이 : 5cm 상승

1 한국의 강풍재해 현황 기상재난 피해분석 피해액 분포는 태풍(46%), 호우(31%), 태풍/호우(15%) 의 순으로 태풍과 호우가 대다수를 차지함. 피해액은 증가 추세가 뚜렷하며, 2001~2003년 3년간 피해액(약12조)은 1991~2000년, 10년간 피해액(5조5천억)의 2배에 달 함

1 한국의 강풍재해 현황 기상재난 피해분석 최근의 태풍으로 인한 피해액 및 피해 복구액 2002년 태풍 루사 : 피해액(5.1조), 복구액(9조) 2003년 태풍 매미 : 피해액(4.7조), 복구액(6조) 특징: 시설물 직접피해, 생산활동 중단 등의 간접 피해가 막대함 <최근 10년간 재해 피해액 및 복구비>

1 한국의 강풍재해 현황 태풍발생 추이분석 태풍의 발생횟수 : 북태평양해역에서는 연간 평균 약 28회 일정하게 발생함 태풍진행 경로 : 과거 30년(1951~1980)의 진행경로 차이에 대한 빈도수를 분석하면, 일본, 중국 통과하는 빈도는 감소하나 한반도 부근을 통과하는 빈도는 증가함 특히, 해수면의 온도상승에 따른 지속적 에너지 공급으로 태풍이 이동하는 동안 세력이 확대되는 경우가 발생함(2003년 매미)

Chapter02. 바람의 생성

2 바람의 생성 바람의 생성 원인 지표면 온도차로 공기가 고기압에서 저기압으로 이동하는 현상 공기의 이동을 지배하는 힘 ① 코리오리력 - 지구의 자전에 의한 관성력(전향력) : ② 원심력 - 공기의 운동이 휠 때 생기는 관성력 : ③ 기압경도력 - 고기압과 저기압의 압력차로 발생하는 힘 : ④ 마찰력 - 지표면의 거칠기에 의하여 발생하는 힘 :

2 바람의 생성 바람의 생성 원인 <그림 1. 기층의 고도분포>

2 바람의 생성 바람의 종류 지구자전풍(Geostrophic Wind) 기압경도력, 전향력의 평형에 의하여 등압선에 평행하게 붐 지상높이 1,000m 이상에서 부는 상공의 바람 풍속의 크기는 항상 일정함 <그림 2. 지구자전풍에 있어서의 힘의 평형>

2 바람의 생성 바람의 종류 경도풍(Gradient Wind ) 전향력, 원심력, 기압경도력 평형에 의하여 바람이 생성됨 등압선이 휘어져 있는 경우 상공에서 부는 바람 저기압 중심인 경우 - 반시계 방향의 바람 (대표 예; 태풍) 고기압 중심인 경우 - 시계 방향의 바람 (대표 예 : 북서 계절풍) <그림 3. 경도풍에 있어서의 힘의 평형>

2 바람의 생성 바람의 종류 지표부근의 바람 대기경계층 내 지표부근에서는 바람이 지표면의 요철(凹) 위를 통과하면서 마찰력에 의해 산란되어 상공 바람보다 복잡한 성질의 바람이 형성됨 기압경도력, 전향력, 마찰력의 평형에 의해 바람이 생성되어 등압선과 β의 각도를 이루면서 고압부에서 저압부로 붐 * β = 15˚ ~ 20˚ (해상) 30˚ ~ 35˚ (육지) <그림 4. 대기층 내에서의 힘의 평형>

2 바람의 생성 지상높이에 따른 풍향·풍속의 변화 형상 지표 부근 상공 경도풍높이(Gradient Height) 마찰력 영향으로 바람은 등압선과 β의 각도 이룸 상공 마찰력 감소로 바람은 등압선과 평행하게 됨 마찰력 감소로 풍속은 증가함 경도풍높이(Gradient Height) 지표면마찰의 영향이 미치지 않는 높이 <그림 5. 풍속의 연직분포>

2 바람의 생성 지표면 및 지상높이에 따른 풍향·풍속의 변화 형상 지표면 및 지상높이에 따른 풍속의 변화형상(연직분포) 지수법칙(Power’s Law)에 근사함 ( V = z a ) <그림 7. 경도풍속을 기준풍속으로 하는 연직분포(Davenport)>

Chapter03. 태풍(颱風) 특성

3 태풍(颱風) 특성 颱風(Typhoon)의 발생 북서태평양 북위 5°~ 20°, 동경125°~155°해역서 발생(필리핀 동부, 남지나해 부근) 열대성저기압 한국, 일본 : 풍속 17m/s 이상 국제기준 : 풍속 32m/s 이상 ● <그림 8. 열대성저기압(颱風)의 발생해역>

3 태풍(颱風) 특성 颱風(Typhoon)의 발생 빈도 태풍의 년간 발생회수 태풍의 우리나라 1년간 상륙회수 약 28회 <표 1. 태풍의 월별 발생횟수(통계기간:1941~1970년)> 월 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 계 발생횟수 0.5 0.4 0.7 0.9 1.8 4.2 6.3 4.9 3.9 2.5 1.3 27.8 태풍의 우리나라 1년간 상륙회수 약 3회 <표 1. 태풍의 월별 발생횟수(통계기간:1904~2008년)> 월   1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 계 상륙횟수 20 93 120 80 323 년평균 0.02 0.19 0.89 1.14 0.76 0.08 3.08

3 태풍(颱風) 특성 颱風(Typhoon)의 구조 및 풍속분포 태풍의 구조 선형풍의 구조를 갖고 반시계방향의 소용돌이를 형성 <그림 9. 태풍의 소용돌이, 2002년 8월 29일, 루사>

3 태풍(颱風) 특성 颱風(Typhoon)의 구조 및 풍속분포 풍속분포 중심거리에서 거리 까지는 거리에 비례하여 풍속이 증가하고, 이후에는 거리에 반비례하여 풍속이 감소함. <그림 10.  태풍영역 내의 풍속분포>

3 태풍(颱風) 특성 颱風(Typhoon)의 위험 반경 태풍의 진행방향에 대하여 우측을 위험반경(危險半徑)이라 함 이곳에서는 폭풍의 범위가 넓고, 풍속도 강하다. <그림 11. 태풍의 위험반경>

3 태풍(颱風) 특성 颱風(Typhoon)의 이동 경로 7, 8, 9월 별로 서에서 동으로 이동함 북위 25도~30도의 상공에서 발달하는 편서풍의 크기에 따라 진로가 변함 <그림 12. 태풍의 월별 주요이동경로>

3 태풍(颱風) 특성 颱風(Typhoon)의 크기와 강도 <표 3. 태풍의 강도 분류> 구분 구분 중심기압(hPa) 최대풍속(m/s) 초대형(초A급) 920 이하 65 이상 대형(A급) 920~950 50~65 중형(B급) 950~980 30~50 소형(C급) 980 이상 17~30

Chapter04. 내풍설계기준

4 내풍설계기준 건축물에 작용하는 풍하중의 개념 풍속에 영향을 미치는 인자(자연 환경) 건설지역의 위치 → 기본풍속( ) 건설지역의 위치 → 기본풍속( ) 건설지점의 지면상태, 지상높이 → 풍속고도분포계수( ) 건설지점의 지형조건 → 풍속할증계수( ) 건축물의 사회적 중요성 → 중요도계수( ) <풍속의 풍방향 변동 특성> <건축물의 거동>

4 내풍설계기준 건축물에 작용하는 풍하중의 개념 건축물에 관련된 인자 건축물의 기하학적 형상에 의한 풍압변화 → 풍압(력)계수( ) 건축물의 동적거동에 의한 하중효과 → 가스트영향계수( )

4 내풍설계기준 건축물 풍하중 산정식의 기본 형식 풍하중은 풍속에 의해 발생하는 압력인 속도압에 건축물의 형상에 의해 결정되는 풍압(력)계수, 수압면적과 건축물의 동적 특성에 의해 결정되는 가스트영향계수의 곱으로 산정됨 : 풍하중 <건축물 관련 인자> : 풍(압)력계수, A : 수압면적 : 가스트영향계수

4 내풍설계기준 건축물 풍하중 산정식의 기본 형식 풍하중은 풍속에 의해 발생하는 압력인 속도압에 건축물의 형상에 의해 결정되는 풍압(력)계수, 수압면적과 건축물의 동적 특성에 의해 결정되는 가스트영향계수의 곱으로 산정됨 : 풍하중 <풍속 관련 인자> * 베르누이정리 : 설계속도압, : 공기밀도 : 가스트영향계수 : 기본풍속 : 풍속고도분포계수 : 지형에 의한 풍속할증계수 : 중요도계수

4 내풍설계기준 풍속관련 인자의 기준화 기본풍속( ) 전국 모든 지역을 동일한 조건으로 만든 경우의 지역별 풍속 기본풍속( ) 전국 모든 지역을 동일한 조건으로 만든 경우의 지역별 풍속 평탄지형, 높이 10m에서의 10분 평균풍속의 100년 재현기대풍속값 <기본풍속도( )>

4 내풍설계기준 풍속관련 인자의 기준화 풍속의 고도분포계수( ) 풍속은 지표면상태 및 지상으로부터의 높이에 따라 변함 풍속의 고도분포계수( ) 풍속은 지표면상태 및 지상으로부터의 높이에 따라 변함 지표면상태는 4종류로 대표화 시킴 풍속의 연직분포는 지수법칙에 의해 이상화시킴

4 내풍설계기준 풍속관련 인자의 기준화 풍속의 고도분포계수( ) 지표면 상태를 4종류로 대표화함 <지표면조도 A> 풍속의 고도분포계수( ) 지표면 상태를 4종류로 대표화함 <지표면조도 A> <지표면조도 B> - 대도시중심부에서 10층 이상의 대규모 건축물이 밀집해 있는 지역 - 높이 3.5m 정도의 주택과 같은 건축물이 밀집해 있는 지역 - 중층건축물이 산재해 있는 지역

4 내풍설계기준 풍속관련 인자의 기준화 풍속의 고도분포계수( ) 지표면 상태를 4종류로 대표화함 <지표면조도 C> 풍속의 고도분포계수( ) 지표면 상태를 4종류로 대표화함 <지표면조도 C> <지표면조도 D> - 높이 1.5m~10m 정도의 장애물이 산재해 있는 지역 - 저층건축물이 산재해 있는 지역 - 장애물이 거의 없고 주변 장애물의 평균높이가 1.5m 이하인 지역 - 해안, 초원, 비행장

4 내풍설계기준 풍속관련 인자의 기준화 풍속의 고도분포계수( ) 풍속의 연직분포특성은 지표면조도에 따라 지수법칙으로 풍속의 고도분포계수( ) 풍속의 연직분포특성은 지표면조도에 따라 지수법칙으로 이상화하여 고도분포계수로 제공 * 고도분포계수 * A지역 : B지역 : C지역 : D지역 : <평균풍속의 연직분포>

4 내풍설계기준 풍속관련 인자의 기준화 풍속할증계수( ) 풍속할증계수( ) 건설지점이 산능선, 정상, 언덕, 경사지에 위치할 경우 풍속증가를 반영 < 산지에서의 풍속 중가 현상 >

4 내풍설계기준 풍속관련 인자의 기준화 풍속할증계수( ) <지형에 의한 풍속할증계수의 적용범위>

4 내풍설계기준 풍속관련 인자의 기준화 풍속할증계수( ) <지형에 의한 풍속할증계수( )> 풍상측중 가장 풍속할증계수( ) <지형에 의한 풍속할증계수( )> 풍상측중 가장 불리한 경사( ) 풍속할증계수( ) 경사지( 0.05) 언덕, 산( 0.1) 0.05 1.05 1.11 0.1 1.10 1.21 0.2 1.20 1.41 0.3 1.28 1.61

4 내풍설계기준 풍속관련 인자의 기준화 중요도계수( ) 건축물의 용도, 사회성, 경제성, 중요도를 고려한 합리적인 설계 중요도계수( ) 건축물의 용도, 사회성, 경제성, 중요도를 고려한 합리적인 설계 중요도계수의 정의 - 전국 100년 재현기대풍속 평균에 대한 건축물의 설계재현기대풍속의 비율

4 내풍설계기준 풍속관련 인자의 기준화 중요도계수( ) 외장재의 중요도계수 < 중요도계수( )> 중요도계수( ) < 중요도계수( )> 중요도 건축물의 용도 설계용 재현기간 계수( ) 특 연면적이 1천 제곱미터 이상인 위험물 저장 및 처리 시설,종합병원,병원,방송국,전신전화국,발전소, 공공업무시설 및 노약자시설, 15층이상 아파트 300년 이상 1.10 1 연면적이 5천제곱미터 이상인 관람집회시설, 운동시설, 운수시설, 전시시설 및 판매시설, 5층 이상인 숙박시설, 오피스텔, 기숙사 및 아파트 100년 이상 1.00 2 중요도 특, 1, 3에 해당되지 않는 건축물 50년 이상 0.95 3 가설건축물, 농가건축물, 소규모창고 10년 이상 0.81 외장재의 중요도계수 골조용과 동일한 중요도계수를 사용하는 것이 바람직 ( 외장재의 파괴 : 구조골조에 피해를 줄 가능성 존재)

4 내풍설계기준 건축물 관련 인자의 기준화 풍압(력)계수( ) 건축물의 형상에 따른 풍압변화 특성을 반영 풍압(력)계수( ) 건축물의 형상에 따른 풍압변화 특성을 반영 <밀폐형 및 일부 개방형 건축물의 구조골조용 외압계수(Cpe)> L/B 적용속도압 풍상벽 모든값 0.8 풍하벽 0~1 -0.5 2 -0.3 ≥4 -0.2 측벽 -0.7

4 내풍설계기준 건축물 관련 인자의 기준화 풍압(력)계수( ) 건축물의 형상에 따른 풍압변화 특성을 반영 풍압(력)계수( ) 건축물의 형상에 따른 풍압변화 특성을 반영 외벽재 단위 유효수압면적(m2) <벽면의 외장재용 가스트외압압계수(GCpe)>

4 내풍설계기준 건축물 관련 인자의 기준화 가스트영향계수 ( ) 평균풍속을 설계풍속으로 사용하는 경우 가스트영향계수 ( ) 평균풍속을 설계풍속으로 사용하는 경우 - 난류에 의해 건축물의 풍방향으로 발생하는 건축물 진동에 의한 동적하중효과를 반영하여 정적하중을 최대의 동적하중으로 변환하는 계수 - 평균변위에 대한 최대변위의 비임. - 지표면이 거칠어질수록, 건축물이 세장하고, 유연할수록 값이 커짐 <풍속의 시간적 변동> <건축물의 거동>

4 내풍설계기준 건축물 관련 인자의 기준화 강체건축물(고유진동수 1Hz 이상, 10층 이하) 바람에 의한 공진의 영향을 무시할 수 있는 건축물(약산식 사용) <강체건축물용 가스트영향계수( )> 지표면조도구분 가스트영향계수 A 2.5 B 2.2 C 1.9 D 1.8

4 내풍설계기준 건축물 관련 인자의 기준화 유연건축물(고유진동수 1Hz 이하, 10층 이상) 바람에 의한 공진효과를 무시할 수 없는 건축물(정산식 사용)

Chapter05. 강풍 피해 유형과 방지책

5 강풍 피해 유형과 방지책 풍압력 발생 메카니즘 및 피해 유형 풍상면의 정압 발생과 피해

5 강풍 피해 유형과 방지책 풍압력 발생 메카니즘 및 피해 유형 풍측면, 풍하면의 부압 발생과 피해

5 강풍 피해 유형과 방지책 풍압력 발생 메카니즘 및 피해 유형 지붕면의 부압 발생과 피해

5 강풍 피해 유형과 방지책 풍압력 발생 메카니즘 및 피해 유형 개구부 및 외장재 파손으로 인한 실내압 발생과 피해

5 강풍 피해 유형과 방지책 풍압력 발생 메카니즘 및 피해 유형 풍력의 발생과 건물의 전도 및 변형

5 강풍 피해 유형과 방지책 풍압력 발생 메카니즘 및 피해 유형 골바람의 발생과 피해 (Funneling Effect) 풍향 담장 풍향

5 강풍 피해 유형과 방지책 풍압력 발생 메카니즘 및 피해 유형 기타구조물의 피해

5 강풍 피해 유형과 방지책 풍압력 발생 메카니즘 및 피해 유형 기타구조물의 피해

5 강풍 피해 유형과 방지책 재해손상 유형과 방지책 직접피해의 유형과 방지책 전체적 붕괴 풍압(력)에 의한 과다 변형, 과다 응력 유발 국부적 파손 풍력에 의한 정적 불안정 변 형 강풍에 의한 제한진동 기능장애 공기력에 의한 부감쇠 발산진동 <강풍에 의한 직접피해의 유형>

5 강풍 피해 유형과 방지책 재해손상 유형과 방지책 <표 5.1. 강풍에 의한 구조물의 직접 피해유형 및 대비책> 피해구분 피해유형 피해양상 대비책 송전탑, 전신주 가로수, 광고판 파손, 박리, 비산 주변에 비산 추가 파손 도시기능 및 생산성 마비 내풍설계 점검(강성) 부착물의 고정 정착방법 개선 도로표지판 교통신호등 파손, 전도, 비산, 박리 전도비산에 따른 주행 중 차량사고 기타시설물 (막구조, 농가시설) 전도, 비산 산업시설 파손 추가파손 차폐물설치 건축물의 창유리 창유리의 비산파손 유리의 비산 창틀, 새시의 낙하, 비산 지상 보행자의 사상 주차차량 파손 내풍설계 점검 창틀간격 조정 창유리보호덧문 설치

5 강풍 피해 유형과 방지책 재해손상 유형과 방지책 <표 5.1. 강풍에 의한 구조물의 직접 피해유형 및 대비책> 피해구분 피해유형 피해양상 대비책 건축물 지붕적치물의 비산 지붕위 부착물 파손, 비산 지붕마감재 파손, 박리, 비산 지붕골조의 파손, 파괴 부착물(간판, 광고판) 파손,박리,비산 벽마감재 파손, 박리 벽체의 파손, 전도 골조의 파손, 파괴 뼈대골조의 파손, 붕괴 주변건물에 비산 수해방수기능상실 건물기능상실 내풍설계 점검(강성) 비산방지대책 마감재적정성 고정방식개선 정착방법 개선 설계시공 검토 풍진동, 거주성 불안, 거주성 상실 구토, 불안, 기능마비 건물강성향상

5 강풍 피해 유형과 방지책 간접피해의 유형과 방지책 <표 5.2. 강풍에 의한 구조물의 간접 피해유형 및 대비책> 피해구분 피해유형 피해양상 대비책 해일 건물의 전체 소실, 붕괴 건물의 일부 파손 지하구조물 침수 건물기능상실 지역 및 도시기능상실 해일대비 제한 해일침수대비 제한 지하구조물제한 풍랑 해안침식 항만시설 파손 항만기능상실 물자교역 손실 방파제 설치 눈보라 농작물 유실 적설 생산성 감소 통행기능 상실 방풍림 풍화 백화, 침식 건물기능 저하 외장재료 선택 철저 화재 확산 건물 소실 건물 기능 상실 인접간물과의 배치 조정 방풍네트 설치