토목 구조설계를 위한 하중의 종류 10가지

토목 구조설계시 하중은 가장 중요한 고려 대상입니다. 구조물의 재질과 해석과정에서 하중은 밀접한 연관성을 갖고 있습니다.

정적평형 상태 (Static Equilibrium)

• 정적평형 상태를 설명하기 가장 좋은 예는 사람이 지표면에 서 있는 것이라 할 수 있습니다. 중력은 작용하고 있지만 상쇄효과에 의해서 몸에 작용하는 합력이 0가 된 것을 의미합니다. 다시말해 모든 물체는 여러 가지 힘의 의해 작동되더라도 정지상태가 되었을 때 평형 상태에 다다른 것이르 이를 정적평형 상태라 정의합니다. 이는 모든 구조물을 설계하는 엔지니어링 과정에서 가장 기초가 되는 이론입니다.

<Static Equilibrium> 출처 Bing - 상업적으로 무료 공유 및 사용

 

전단응력 (Shear Forces)

 

• 전단응력을 가장 쉽게 이해하기 좋은 소재는 바로 분필입니다. 분필의 모서리를 잡은 상태에서 구부리는 힘을 가하면 구부러 지거나 휘지 않고 바로 파손되는 것을 알 수 있습니다. 분필이라는 소재 자체가 부서지기 쉬운 재료이며 손 쉽게 전단에 의한 파손으로 이어지는 것이지요. 이처럼 볼트와 같은 단면에 절단하도록 하중이 생기는 응력을 전단응력이라 정의합니다. 

<Shear Crack - 출처 위키미디어>

비틀림 (Torsion Forces)

• 비틀림 하중이란 아래 그림처럼 부재에 뒤틀려는 힘이 발생하는 것을 말합니다. 

 

<Torsion forces - 출처 위키미디어>

하중의 종류

 

1. 정하중 - Dead Loads

정하중은 플랜트 구조물 설계 시 가장 기본이 되는 하중 자료로써 구조물 및 구조물에 설치 포함되어 있는 모든 장치의 중량, 배관, Vessel, 밸브의 총 중량을 말 합니다. EPC에서는 구조설계를 위해 각 기기별 중량을 산출해야 하는데 이 때 Vendor 에서 공급하는 하중 값과 각종 요소를 고려 치합하여 구조설계자에게 최종 값을 전달해야 합니다.

2. 유체하중 - Fluid Loads

유체하중은 하중 계수를 지정할 때 고려하는 하중으로 중력을 받는 유체, 고체가 위치해 있는 공간 즉 배관이나 장치류(회전기기), Vessel 등을 포함한 공간상에 차지하는 유체 고체의 총 하중을 뜻합니다.

3. 활하중 - Live Loads

활하중은 직역하면 살아있는 하중이라 할 수 있겠네요. 건축물 내에는 사람들이 돌아다니게 되는데요, 이처럼 사람이나 공구, 장비 자재 등을 포괄적으로 포함하는 것으로 건축물이나 용도에 따라 특정한 면적당 중량을 기준으로 하여 고려하는 하중을 말합니다.

<Load - 출처 위키미디어>

 

4. 열부하 - Thermal Loads

 

Environmental loads 의 하나인 열부하는 열의 이동에 의해 구속된 기자재의 힘을 결정하는데 구조 하중에 고려되어야 하는 요소입니다. 열 이동량에 따른 조인트의 간격이나 너비를 결정하는 데 필요하며 연결 부위의 온도 증감에 의한 부재의 선정에도 연관이 있습니다. 

 

5. 충격하중 - Impact Loads

 

충격하중이란 움직이는 물체가 고정된 구조물이나 구조에 의해 멈춰질 때 구조물에 가해지는 하중을 말합니다. 운동에너지를 갖고 있는 물체가 구조물에 닿았을 때 에너지가 전달되면 소실되지만, 에너지는 구조물을 통해 국부 변형을 가하기 때문에 충분히 계산되어야 합니다. 플랜트 시설에서 충격하중을 예로 들 수 있는 것은 엘리베이터나 크레인과 같이 동력원을 이용해서 충격 하중이 발생하는 기기를 고려해야 합니다. 

 

6. 진동하중 - Vibration Loads

 

진동에 의해 발생하는 하중을 말합니다. 

 

7. 동하중 - Dynamic Loads

 

동하중은 물체가 운동을 할 때 가해지는 힘이나 압력으로 측정되는 값으로 시간에 의존하며 가속성을 갖고 있습니다. 정하중이 정적 평형원리로 계산하고 시간에 대해 일정하다면 동하중은 가속도 및 관성력을 고려해야 하고 정적 평형과 관성력을 포함하고 시간에 따라 다양하게 변화하게 됩니다. 따라서 관성력 관련 구조역학을 접목시켜서 고려해야 하는 사항이므로 이 분야에 전문지식을 갖고 있는 전문가와 함께 문제에 접근해야 합니다.
예를 들어 회전기계와 같이 회전하면서 Dynamic load 를 발생하는 기기의 경우 정하중 외 고려되어야 하는 사항입니다. 구조물이나 기초에 발생하는 하중 등을 고려해야 하는 부분이므로 구조역학 상 가장 중요한 특징이라 할 수 있습니다.

8. 테스트 하중 - Test Loads

플랜트 설비는 준공시점에서 Test 를 실시하는데 이 때 수압 테스트를 실시하는 과정에서 기존에 정하중 외 수압에 의한 유체의 로드를 고려해야 합니다. 이는 임시적으로 발생하기 때문에 임시 하중이라고도 하며 구조설계 과정에서 고려되어야 하는 사항입니다.

9. 풍 하중 - Wind Loads

제목에서 알 수 있듯이 풍 하중은 바람에 의해 발생하는 하중으로 상승/전단/횡 하중의 로드를 동반합니다. 이는 풍속과 공기 밀도에 의해 달라지는 하중으로 벽, 지붕, 기초의 구조를 설계 할 때 고려되어야 합니다.

10. Earthquake Loads

내진설계 관련 하중입니다. 구조물의 지구 운동과 관성 관성력을 정의하는 것으로 풍 하중이 바람에 의한 하중으로 건물에 밀림 현상이 발생한다면 건물을 무겁게 하면 되지만 지진으로 인한 하중시 물체의 비중이 가벼울 수록 앞 뒤로 밀리는 현상이 무거운 것 보다 덜 하게 됩니다. 지진하중 또한 구조설계 시에 고려되어야 하는 중요 요소로 써 각종 국제 Code & Standards 를 기준으로 하여 전문가 그룹이 수행하게 됩니다. 칠레나, 인도네시아, 일본과 같이 지진 현상이 많은 지역에서는 보다 엄격한 기준이 적용되어야 합니다. 우리나라도 지진으로부터 완벽히 안전한 지역이 아니기 때문에 내진 설계 고려되어야 합니다. 일부 기자재에 대해서는 Waive 받을 수 있게 관련 계산서를 준비해야 합니다.

Inside Insight 였습니다.

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