[논문]슬레이트지붕 개량사업 구조안전성 검토

강경수

doi:10.14577/kirua.2018.20.1.19

슬레이트지붕 개량사업 구조안전성 검토
A Study on the Structural Safety of the Roof Improvement Project 원문보기

韓國農村建築學會論文集 = Journal of the Korean Institute of Rural Architecture, v.20 no.1, 2018년, pp.19 - 26

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The roof improvement project is being carried out under the government's leadership for the sake of national welfare. The project is to replace the asbestos slate roof with a metallic one. In this study, the structural safety of the improved roof was examined and the project guidelines were reviewed. The causes of the roof damage were investigated and the structural analysis was performed for the roof frame subject to wind and snow loads. Metallic roof assemblies have higher strength and load resistance capability than usual slate ones, so the structural safety is governed by the frame. The stresses of the roof frame elements caused by the wind and snow loads were analyzed according to roof frame with various spacings between the rafters and the purlins. Wind load analysis was performed by 24, 28, and 38 m/sec of the basic wind speed. Snow load analysis was carried out by 0.5, 1.0 and $2.0kN/m^2$ of the ground snow load. As the analysis result, the current spacing and the size of the lumber did not satisfy the Korean building code specification. To secure the safety of the roof improvement project, the spacing of the roof frame elements and the size of the lumber should be determined based on the analysis results by structural engineers.

주제어

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문제 정의

2003년 우리나라를 강타한 태풍 매미로 인한 피해 중 가옥피해를 분석한 자료를 검토하였다.6) 가옥피해(파손) 부위는 슬레이트지붕, 창문, 담장, 출입문 순으로 슬레이트 지붕피해가 가장 큰 비율을 차지함을 알 수 있다[Fig.
이러한 조사와 분석을 통해 교체된 지붕틀의 풍하중과적설하중에 대한 안전성을 구조해석을 통해 검토하였다. 다음으로 자연현상인 강풍과 폭설에 대한 안전성 확보를 위한 지붕개량사업 개선방안을 검토하였다.
따라서 본 절에서는 다음 두 단계에서 구조안전성을 확보할 수 있는 방법을 제시하였다.
본 연구에서는 현행 지붕개량사업의 진행과정을 검토하고 교체되는 지붕외장재 지지구조부재들에 대한 구조해석을 수행하여 지붕구조의 구조안전성 확보방안을 검토하였다.

가설 설정

건물피해 원인은 눈의 무게로 인하여 지붕하중이 증가하여 지붕을 지지하는 중도리의 파괴로부터 건물의 주요 구조 부재가 파괴되어 건물이 붕괴된 사고이다.9) 만약 지붕외장재가 먼저 파괴되었다면 과도한 하중이 주요 구조부재로 전달되지 않아 구조물의 전체 붕괴현상은 발생하지 않았을 것이다.

제안 방법

금속소재로 이루어진 슬레이트대체 지붕외장재의 경우 하중 지지능력과 변형능력이 슬레이트보다 훨씬 크므로 강풍과 폭설 등에 의해 외장재자체 파손현상이 발생할 가능성은 크기 않다.10) 본 장에서는 지붕틀의 구조해석 모델을 생성하여 풍하중과 적설하중에 대한 구조해석을 수행하여 금속재질 지붕외장재를 지지하는 지붕틀 부재의 작용응력과 건축구조기준 목구조설계법에 따른 허용응력을 비교하였다.
본 연구를 위해 첫째, 경상남도청의 2015년 노후불량주택 지붕개량사업 시행지침서에 제시된 노후불량주택 지붕개량사업 진행절차와 각 절차의 내용을 살펴보았다.3) 둘째, 현행 지붕개량 실제 진행과정을 조사 및 검토하였다. 셋째, 강풍과 폭설로 인한 지붕피해사례를 조사하고 그 피해원인을 분석하였다.
③번 부위에 작용하는 외장재용 풍하중을 계산하여 중도리와 서까래 간격에 따른 전단력을 계산하였다. ③번 부위에 작용하는 부압계수는 독립지붕의 피크순압력계수인 –4.
강풍과 폭설에 대한 지붕틀의 안전성을 검토하기 위해서 가상의 농촌가옥을 모델링하여 풍하중해석과 적설하중에 대한 구조해석을 실시하였다. 풍하중해석에는 지붕틀에 대한 주골조설계용 풍하중해석과 지붕틀탈락 검토를 위한 외장재설계용 풍하중해석을 실시하였다.
건축구조기준에서 제시한 식을 통해 적설하중을 산정하여 해석을 수행하였다.
경상남도청의 2015년 노후불량주택 지붕개량사업 시행지침서의 붙임자료인 슬레이트 지붕철거 및 개량공사 매뉴얼을 검토 분석하였다.
본 연구를 위해 첫째, 경상남도청의 2015년 노후불량주택 지붕개량사업 시행지침서에 제시된 노후불량주택 지붕개량사업 진행절차와 각 절차의 내용을 살펴보았다.3) 둘째, 현행 지붕개량 실제 진행과정을 조사 및 검토하였다.
서까래와 중도리간격, 목재단면크기, 기붕풍속에 따른 목재단면에 작용하는 응력과 목재의 허용응력을 검토하였으며 그 결과는 [Table 5, 6, 7]에 정리하였다.
3) 둘째, 현행 지붕개량 실제 진행과정을 조사 및 검토하였다. 셋째, 강풍과 폭설로 인한 지붕피해사례를 조사하고 그 피해원인을 분석하였다.
지붕틀 구성부재 목재크기는 지붕개량공사 지침서에서 제시한 목재크기 40×50 mm(실제규격 38×52 mm)와 지붕틀공사에 사용되는 일반적인 크기인 2×4＂(실제규격 38×89 mm)를 대상으로 해석을 수행하였다. 시공현장에서는 시공 편의를 위하여 세로보다 가로의 크기가 큰 단면으로 시공한 현장이 있으므로 가로, 세로를 바꾸어서도 해석을 수행하였다.
이러한 조사와 분석을 통해 교체된 지붕틀의 풍하중과적설하중에 대한 안전성을 구조해석을 통해 검토하였다. 다음으로 자연현상인 강풍과 폭설에 대한 안전성 확보를 위한 지붕개량사업 개선방안을 검토하였다.
적설하중에 대한 지붕틀에 대한 검토를 실시하였다. 해석 모델 건물의 규모는 [Table 4]와 동일하나 적설하중해석에 필요한 계수는 [Table 9]에 정리하였다.
적설하중의 크기를 결정하는 가장 중요한 값인 지상적설하중값 0.5 kN/m², 1.0 kN/m²과 2.0 kN/m²에 따라 해석을 수행하였다. 지상적설하중의 크기는 지역에 따라 0.
중도리와 서까래 간격별 외장재 풍하중을 [Table 4]와 같은 조건으로 산정하여 서까래와 중도리의 교차지점에 못으로 결속된다는 가정하여 간격별 1개 못에 작용하는 전단력과 못 길이별 기준허용전단내력과 비교하였다.
지붕의 피해사례는 태풍과 같은 강풍과 폭설로 인한 지붕외장재 파손이 주를 이루고 있어 이들 피해사례 중 대표적인 사례를 조사하였다.
지붕틀 구성부재 목재크기는 지붕개량공사 지침서에서 제시한 목재크기 40×50 mm(실제규격 38×52 mm)와 지붕틀공사에 사용되는 일반적인 크기인 2×4＂(실제규격 38×89 mm)를 대상으로 해석을 수행하였다.
지붕틀에 대한 구조해석은 서까래와 중도리의 간격을450@450 mm와 750@450 mm 두 간격으로 설정하여 수행하였다.
지붕틀의 부재간격과 목재크기를 달리하여 지붕틀에 대한 풍하중해석과 적설하중해석을 실시하였다. 일반적인 시공간격인 750@450 mm과 목재크기 38×89 mm에 대한 해석결과 풍하중과 적설하중이 큰 경우에는 최대작용휨응력이 허용응력치의 2∼5배까지 큰 값을 나타내었다.
풍하중산정에는 최대풍하중이 지붕상향 방향으로 작용하여 지붕 적재하중으로 0.1 kN/m²을 고려하였지만 적설 하중해석의 경우, 지붕적재하중을 고려하지 않고 적설하중만 고려하여 해석을 수행하였다.
풍하중의 크기를 결정하는 기본풍속은 건축구조기준에 제시된 기본풍속값 24 m/sec, 28 m/sec와 38 m/sec에 따라 풍하중 해석을 수행하였다.
강풍과 폭설에 대한 지붕틀의 안전성을 검토하기 위해서 가상의 농촌가옥을 모델링하여 풍하중해석과 적설하중에 대한 구조해석을 실시하였다. 풍하중해석에는 지붕틀에 대한 주골조설계용 풍하중해석과 지붕틀탈락 검토를 위한 외장재설계용 풍하중해석을 실시하였다. 구조해석에는 MIDAS를 사용하였다.

대상 데이터

지붕외장재를 지지하는 지붕틀의 경우, 지붕틀 구성부재의 단면크기와 가로부재와 세로부재간의 간격이 안전성을 판단하는 요소이다. 구성부재의 재료는 지붕틀공사에 주로 사용되는 목재로 [Table 1]에 물성치를 정리하였다.¹¹⁾

이론/모형

풍하중해석에는 지붕틀에 대한 주골조설계용 풍하중해석과 지붕틀탈락 검토를 위한 외장재설계용 풍하중해석을 실시하였다. 구조해석에는 MIDAS를 사용하였다.¹⁴⁾ 지붕틀의 해석모델링은[Fig.

성능/효과

1) 기본풍속값 24 m/sec, 28 m/sec와 38 m/sec로 선정하여 지붕틀 풍하중해석을 수행한 결과, 시방서, 실측자료와 실제 시공사례의 중도리와 서까래 간격과 목재크기는 건축구조기준을 만족하지 못하였다.
2) 지상적설하중값 0.5 kN/m², 1.0 kN/m²과 2.0 kN/m²으로 적설하중을 산정하여 해석을 수행한 결과, 중도리와서까래 간격과 목재크기는 건축구조기준을 만족하지 못하였다.
3) 풍하중해석과 적설하중해석결과 지침서에 제시한 40×50 mm의 지붕틀 목재는 건축구조기준을 만족하지 못하였다.
2003년 우리나라를 강타한 태풍 매미로 인한 피해 중 가옥피해를 분석한 자료를 검토하였다.6) 가옥피해(파손) 부위는 슬레이트지붕, 창문, 담장, 출입문 순으로 슬레이트 지붕피해가 가장 큰 비율을 차지함을 알 수 있다[Fig. 4]
기본풍속 38 m/sec에 대한 풍하중해석결과 해석대상인 모든 지붕틀간격, 목재크기에 서까래에 작용하는 휨응력이 허용응력값보다 큰 값을 나타내었다. 설계기준을 만족하는 간격과 목재크기는 표에서 회색으로 나타내었다.
적설하중검토결과는 풍하중검토결과와 유사하게 서까래의 최대작용전단응력과 중도리의 최대작용휨응력과 최대 작용전단응력은 허용응력치보다 작은 값을 나타내었다. 지상적설하중 2.
해석결과 모든 경우에서, 서까래에 작용하는 전단응력과 중도리에 작용하는 휨응력과 전단응력은 허용응력치보다 작은 값을 나타내었다.

후속연구

5) 이를 토대로 1개 가옥의 슬레이트지붕개량 사업에 대한 비용을 산정하면 지역적으로 다소 차이가 있겠지만 재정적 지원 금액 내에서 사업 집행이 가능하리라 예상된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	국내 2003년 태풍 매미로 인한 슬레이트 지붕피해 원인은 무엇인가?	-슬레이트 자체 파손 -슬레이트못은 고정된 상태에서 슬레이트만 탈락 -못의 내구성 저하로 못과 슬레이트 파손 -슬레이트를 지지하는 목재(2×4″) 파손
	지붕외장재의 역할은 무엇인가?	건물에 있어 지붕외장재의 역할은 자연현상인 눈, 비,그리고 바람을 차단하고 이러한 자연현상에 의해 발생되는 하중에 충분한 저항성을 지녀야 한다. 하지만 최근 들어 이상 기온 현상에 의하여 태풍과 같은 강풍과 폭설로 인한 지붕파괴 현상이 발생하고 있다.
	초가지붕이 슬레이트지붕과 기와지붕으로 교체될 때, 슬레이트 지붕이 다수인 이유는 무엇인가?	1970년대 지붕개량 사업에 의해 농촌 주택의 초가지붕이 슬레이트지붕과 기와지붕으로 교체 개량하였다. 상대적으로 경제적인 슬레이트지붕으로 교체되어진 가옥이 다수를 차지하였다. 이후에도 농촌지역과 도시의 인구과밀지역 주택에 슬레이트 지붕이 주로 적용되었다.

참고문헌 (14)

강경수, 지붕하중증가에 따른 공장건물 안전성확보를 위한 지붕외장재의 구조성능정보의 필요성, 한국산학기술학회논문집 v.18 n.11, 2017
김영찬.손병훈.홍원화, 농어촌 주택 석면슬레이트 지붕재료 사용실태 및 거주자 인식도 조사, 대한건축학회논문집 v.26 n.11, 2010
김영찬 외 3명, 도시지역 건축물의 석면슬레이트 지붕재료 분포특성 연구, 대한건축학회논문집 v.27 n.1, 2011.
김정연, 경주 마우나오션리조트 체육관 붕괴사고, 건축구조 3.4월호, 2017
윤정배 외 7명, 재해저항형 지역사회를 위한 자연재해저감 기술개발 연구보고서(중간), 2004
윤정배 외 7명, 재해저항형 지역사회를 위한 자연재해저감 기술개발 최종연구보고서, 건설교통부, 2007
국토교통부, 건축구조기준, 제3장 설계하중, 2016
국토교통부, 건축구조기준, 제8장 목구조, 2016
경상남도청, 2015년 노후불량주택 지붕개량사업 시행지침서
부산광역시, 2016년 저소득 주거 취약계층을 위한 슬레이트 지붕 개량공사 시방서
연세대학교 외 14개 대학, 새마을사업 특집: 새마을 농촌주택. 학교건축에 관한 학술연구발표회, 대한건축학회지, v.17 n.50, 1973
연합뉴스, 이 시각 헤드라인, 2014.02.18, 15:54
태풍 볼라벤, http://blog.naver.com/soonfarm
MIDAS Gen, Analysis & Design, 2016

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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