경동대학교 건축토목공학부 교수 정환목(hmjung@k1.ac.kr) 디자인기초 7주차 경동대학교 건축토목공학부 교수 정환목(hmjung@k1.ac.kr)

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1 경동대학교 건축토목공학부 교수 정환목(hmjung@k1.ac.kr)
디자인기초 7주차 경동대학교 건축토목공학부 교수

2 7주차 주제 물위에서도 건축물은 서있을 수 있을까? 7.1 수압원리 7.2 수압대책 7.3 사례소개
퀴즈) 밑면이 넓은 통과 좁은 통에 각각 같은 중량의 종이 컵을 1개씩 두고 물을 부으면 어느 컵이 먼저 부상할까?

3 7.1 수압원리 수압이란 물의 압력을 의미한다. 부력이란? 물에 뜨려는 힘 즉, 중력이 작용할 때 유체 속에 있는 정지 물체가 유체로부터 받는 중력과 반대방향의 힘을 말한다. 이 힘의 크기는 유체 속에 떠 있는 물체와 같은 부피의 그 유체의 무게와 같으며, 물체의 무게중심이 어디에 위치하였는지에 따라 물체가 기울어졌을 때 제자리로 되돌아오는 복원력이 달라진다.

4 아르키메데스의 원리-인터넷 [Archimedes' principle]
물체를 유체에 넣었을 때 물체가 받는 부력의 크기는 물체의 부피와 같은 양의 유체에 작용하는 중력의 크기와 같다는 원리.

5 아르키메데스의 원리 기원-인터넷 이 원리는 BC 220년경 아르키메데스가 발견했다고 하여 그의 이름이 붙었다. 그는 물 속에 있는 물체가 실제의 무게보다 가볍게 느껴지는 현상을 설명하는 데 이 원리를 이용했다. 이 원리는 물질의 비중을 측정하는 기초가 되며 옛날부터 뱃짐 등의 복잡한 형태를 가진 물체의 부피를 측정하는 데 사용하였다. 복잡하게 생긴 물체의 부피는 직접 측정하기 힘들다. 대신 물체를 물과 같이 비중을 아는 액체 속에 담그고 무게를 달아, 담그기 전보다 얼마나 무게가 줄어들었는지를 측정하면 부피를 알 수 있다. 부력의 원리라고도 한다. 유체(기체나 액체) 속에 정지해 있는 물체는 중력과 반대방향으로 부력, 즉 물체를 위로 뜨게 만드는 힘을 받는다. 부력은 물체 주위의 유체가 물체에 미치는 압력의 합이라고 할 수 있다. 이 힘의 크기는 물체를 그 유체로 바꾸었을 때 작용하는 중력의 크기와 같다. 다시 말해, 물체의 부피에 해당하는 유체의 무게와 같다. 이 원리는 BC 220년경 아르키메데스가 발견했다고 하여 그의 이름이 붙었다. 그는 물 속에 있는 물체가 실제의 무게보다 가볍게 느껴지는 현상을 설명하는 데 이 원리를 이용했다. 이 원리는 물질의 비중을 측정하는 기초가 되며 옛날부터 뱃짐 등의 복잡한 형태를 가진 물체의 부피를 측정하는 데 사용하였다. 복잡하게 생긴 물체의 부피는 직접 측정하기 힘들다. 대신 물체를 물과 같이 비중을 아는 액체 속에 담그고 무게를 달아, 담그기 전보다 얼마나 무게가 줄어들었는지를 측정하면 부피를 알 수 있다.

6 아르키메데스의 원리 응용-인터넷 전설에 의하면 아르키메데스는 시라쿠사의 왕 히에론의 명에 따라 왕관이 순금으로 만든 것인지를 조사하게 된다. 그는 고심하던 중에 우연히 목욕탕에서 물에 들어가면 몸이 가볍게 느껴짐을 깨닫고 이 원리를 발견했다고 한다. 은이나 구리 등의 물질은 금보다 밀도가 작기 때문에 같은 질량의 금보다 그 부피가 더 크다. 따라서 은이나 구리 등을 섞어서 왕관을 만들었다면 같은 질량의 금으로 만든 왕관보다 그 부피가 더 클 것이다. 아르키메데스는 왕관과 또 그것과 같은 질량의 금을 따로따로 물 속에 담그고 넘쳐 흘러나온 물의 부피를 측정하였다. 그리고 왕관을 넣은 쪽에서 흘러나온 물이 더 많다는 것을 근거로 왕관이 순금으로 만들어지지 않았다는 것을 알아내었다.

7 물의 중량과 수압에 관한 퀴즈1 문제: 1m*1m*1m 입방체인 물의 무게는 ? 답 : 1 ton
문제: 1m*1m*1m 입방체의 밀폐된 통을 1m 가라 앉히는데 소요되는 힘 얼마일까?

8 수압에 관한 퀴즈2 문제: 60kgf 인 사람이 1m*1m*1m 통(방수가 되는 통)에 들어가면 통은 얼마나 갈아 앉을까?
답 : 1000kg:100cm=60kg:X 그러므로 X=6cm 문제: 20층 아파트(1층 3m, 완전 방수되는 아파트로 가정)에 물이 얼마까지 차면 아파트가 수압에 의해 떠오를까? 풀이 : 아파트무게는 1평방미터당 1.5톤/1층 그러므로 20층이면 20*1.5=30t/m2 즉, 30미터(10층) 이상 물에 잠기면 아파트는 부상하기 시작함

9 수압에 대한 고급 퀴즈3

10 7.2 구조물의 수압에 대한 대책 구조물의 수압에 대한 대책 Rack anchor법 Dewatering법 자중증가법

11 락앵커 개수 구하는 방법 문제: 지하 3층구조물(지상에서 기초저면까지 9미터 높이)이 1평방미터당 6톤의 중량을 갖는다면 이 구조물은 물에 의해 부상 할 수 있다. 락앵커로 그 대책을 강구하시오. 풀이 : 9톤-6톤=3톤/m2 답 : 그러면 30ton/1본 락앵커의 경우, 10평방미터당 1본의 락앵커를 설치하면 부상 방지됨

12 디워트링 공법의 경우 문제: 지하 3층구조물(지상에서 기초저면까지 9미터 높이)이 1평방미터당 6톤의 중량을 갖는다면 이 구조물은 물에 의해 부상 할 수 있다. 디워터링 공법으로 그 대책을 강구하시오. 답 : 1)외부 디워트링 2) 내부 디워트링 공법 - 바닥-집수정 설치후 펌핑 - 옹벽-지하 3미터에 수공을 두면 됨

13 자중 증가법 문제: 지하 3층구조물(지상에서 기초저면까지 9미터 높이)이 1평방미터당 6톤의 중량을 갖는다면 이 구조물은 물에 의해 부상 할 수 있다. 자중증가법으로 그 대책을 강구하시오. 답 : 매트기초 두께 3/2.4=1.25M 추가하면 됨(왜나면, 철근콘크리트 중량은 1평방미터당 2.4톤이므로)

14 7.3 수압에 따른 붕괴 사례 (실제로는 기둥의 파손)

15 붕괴 원인 추정 전단력(부재축에 90도로 자르려는 힘)에 의한 균열 파악하면 쉽게 그 원인이 추정됨

16 전단력에 의한 균열 예1 하중 보 기둥 기둥

17 전단력에 의한 균열 예2