1. 서 론
1.1. 연구 배경
1.2. 연구 범위
2. 연구의 방법
2.1. 연구 방법
2.2. 풍동실험의 내용과 범위
2.3. 풍압 실험
3. 연구 결과
3.1. 풍동실험 분석 결과
3.2. 풍동실험 사례별 풍속 비교
4. 결론 및 향후 활용방안
4.1. 향후 활용방안
1. 서 론
1.1. 연구 배경
대도시의 발달과 기후 변화의 영향을 받아 자주 발생하는 자연 재난 중에서도 최근에 발생하고 있는 지진과 태풍의 같은 재난의 안전사고에 많은 관심이 증대되고 있다. 특히 건축물 중에서도 고층과 초고층 시대, 주거용 건축물에 대해 바람에 대한 건축물의 외장재와 구조의 안전성이 요구되고 있다. 이러한 고층 및 초고층 건축물은 그 크기와 구조적 특성으로 인해 바람의 영향에 민감하며, 이는 건물의 안정성, 그리고 거주자의 편안함에 큰 영향을 미칠 수 있다(Lim, 2018). 특히, 고층 및 초고층 건축물은 도시화와 인구 밀도의 증가에 따라 점차 중요성이 커지고 있다. 그러나 이러한 건축물은 구조적 안전성뿐만 아니라, 바람에 의한 응답에 대해서도 면밀한 분석이 필요하다. 풍동실험은 건축 설계에서 중요한 역할을 하며, 실제 바람 조건에서 건물의 거동을 예측할 수 있는 유용한 도구로 자리를 잡았다. 따라서, 고층 및 초고층 주거용 공동주택에는 외적인 바람의 압력을 통해 거주자에 대한 안전성과 소음까지도 영향을 받는 것으로 보고 되고 있다. 이러한 고층, 초고층 주택 단지 내부, 바람에 대한 각 세대의 안전성과 거주자의 만족도를 향상을 할 수 있는 방법을 고려하여, 외부 바람에 저항하는 건축물의 구조와 외장재가 풍 압력에도 KDS: 2019 건축구조 기준 권고치의 범위 내에서 풍압 설계를 이용하여 실제, 풍동실험을 통해 적용된 사례를 분석하였다.
따라서 본 연구는 풍동실험을 통해 고층 건물의 풍압, 진동 특성 및 풍동 효과를 분석하고, 이를 바탕으로 고층 및 초고층 건물설계에 필요한 가이드라인을 제공하는 것을 목표로 한다.
1.2. 연구 범위
연구의 목적을 기준으로 고층 건물의 풍동실험은 실제 설계에 반영된 모델을 기준으로 고층 및 초고층 건물을 축소하여 제작한 모형으로, 풍동시험 장비를 사용하여 수행된 실험 연구이다. 연구의 대상은 경기도 시흥시 소재의 위치로서, 고층 건축물의 안전성 확보하기 위한 실험으로 주변 건물 및 지반의 형태를 모형과 함께 풍압, 풍력 실험모형 축소율 1/400에 맞춰 각 12개 동을 제작하여 실시하였다. 축소모형을 제작하여 정확한 풍압계 측을 위하여 CNC 조각기 장비를 활용하여 풍동실험을 위해 건축물 모형 가공 장비로서 X, Y, Z 축 기준으로 3D로 프로그램을 사용하였으며, 모형의 조각기와 레이저 커팅기를 사용하여 보다 정밀한 구조물모형을 Figure 2와 같이 제작 설치되었다. 또한 실험 대상 단지의 현황으로 Table 1과 같다.
Table 1
Current Status of Test Target Complex
| Classification |
12 Buildings Reference height (H), (m) |
| Building Height | 100.90 m (Tower 101) 25F |
| Max. Height, m | 135.90 m (Tower 101) 30F |
| Average height: m | Average height of 122.95 m (Tower 107). 30F |
또한 부지 및 주변 단지의 배치계획은 아래의 Figure 1과 같다. 풍압 실험모형 총 12개 동 전체에 대해 풍동실험을 실시하여 실험형 모형 기준으로 주변의 건물 및 지형모형 1개의 세트를 모형을 제작하여 설계도서 배치 기준으로 진행하였다.
본 사업지의 건축물 높이가 큰 규모의 형상 비를 갖는 건축구조물에 해당한다. 아래의 Figure 2와 같이 공동 주거형 단지형으로 공동주택 건축물의 풍동실험을 위해 제작된 전경을 보여주고 있다. 풍동실험에 사용되고, 풍압을 평가하기 위한 풍동실험에 있어서는 아래와 같은 풍공학의 초대형 경계층풍동 장비를 이용하여 제작하여 진행하였다.
또한 실험의 형식으로 소재 지역의 기상청 데이터 기준과 실험 대상 건축물의 위치 소재지에 맞는 설계풍속 기준과 지표면조도 구분 등 각종 변수는 KBC 2016 건축구조기준을 따라 풍동실험 모형을 제작하였다. 특히 탑상형 주거용 고층 아파트 건물들은 주변의 다른 건축물들에 비해 바람길 확보에 간섭을 많이 받는 것이 실체이다, 따라서 Figure 3과 같은 Closed-circuit type이며 측정부의 실체의 규모는 4 m(W) × 2.2 m(H) × 30 m(L)로 구성되어 있다. 이러한 실험에서는 실험 대상 구조물을 기점으로 반경 480 m(지름 960 m) 영역의 지형과 건축구조물을 풍동 내부에 모형으로 재현하여 지형에 의한 영향을 고려여 진행되었다. 풍속은 최대 30 m/sec이며 난류의 강도는 1% 이하이고 기류의 비대칭성이 1% 이하가 되는 매우 균일한 기류가 생성되는 고 성능형 초대형 풍동실험 장비에 해당한다. 풍동실험의 형식은 아래의 Table 2와 같다.
Table 2
Specification of Super Large Boundary Wind Tunnel
2. 연구의 방법
2.1. 연구 방법
실험에서는, 국토교통부에서 제정, 고시한 KDS 41 10 15: 2019 기준에 따라 진행되었다. 설계풍속을 결정할 때 필요한 기본풍속(Ⅴ₀)은 KDS 41 10 19: 2019에 따라 28 m/sec 적용하였다. 풍동실험에서의 지표면 거치도의 정도를 나타내는 조도 구분은 KDS 41 10 15: 2019에 따라 지표면조도 구분 D에 해당하는 것으로 평가된다. 따라서 풍속의 고도 분포지수()가 결정된다. 또한, 풍동실험에서는 해당 대지의 주변 지형을 그대로 재현하기 때문에 지형계수()를 별도로 고려할 필요가 없으므로, 지형계수()는 1.0으로 하였다. 중요도의 계수()는 본 구조물의 경우에는 1.0 이하에 해당하는 것으로 평가하였다.
또한 본 실험 대상 구조물에 대한 설계풍속은 다음과 같은 방법으로 구조물의 기준층 높이(H, 지붕의 평면 평균 높이)에서의 설계풍속()에 대하여 식 (1)과 같이 계산되었다.
여기에,
= 기준층 높이 H에 대한 설계풍속(m/sec)
= 기본풍속(시흥 지역 28 m/sec)
= 풍속고도분포계수 (지표면조도 구분 D이므로, 0.98Z)
= 풍속할증계수(1.0)
= 중요도의 계수(상기 평가에 따라 1.0)
= 고도 분포지수(지표면조도 구분 D: 0.10)
따라서 설계풍속()과 설계속도압()은 다음과 같이 계산된다. 기준높이(H는 지붕면 평균 높이)를 대입하여 설계속도압 식 (2)와 같이 계산되었다.
여기서,
= 기준층 높이 H에 대한 설계속도압(N/m2)
= 공기밀도(kg/m3)
= 기준층 높이 H에 대한 설계풍속(m/sec)
2.2. 풍동실험의 내용과 범위
연구에 사용된 풍동실험 공간은 풍공학연구소의 대형 경계층풍동으로 풍동의 제원은 다음과 같이 폭 4 m와 높이 2.2 m의 단면을 가진 순환형 풍동 기기가 사용되었다. 아래의 Figure 3은 초대형 풍동실험을 위한 모형 개념도이며, 측정부의 높이와 폭은 약 800 m 정도의 건축물과 약 1,500 m 정도의 장대 교량 등의 실험이 가능하도록 결정된 것이며 측정부의 길이는 대기경계층의 형성이 용이하도록 설계된 것으로 구현이 가능한 풍속으로 최대 30 m/sec이며, 난류강도는 1% 이하이며 기류의 비대칭성이 1% 이하로 매우 균일한 기류가 생성되는 고성능 초대형 풍동실험이다.
2.3. 풍압 실험
풍압 실험에서는 단지 현재 경기 시흥의 소재 고층에 해당하는 주거용 공동주택 건축물이 건설 예정 위치에 해당하는 지표면조도 구분 D에 해당하는 기류 분포도는 Figure 4의 (b)와 같이 다양한 크기의 보도블록과 스파이어을 사용하여 대형 경계층풍동을 재현하였다. 또한 실험 대상 구조물에 접근하는 기류에 미치는 영향을 고려하여 주변 구조물은 반경 480 m(지름 960 m) 주변 지형은 고려하여 원판형으로 지름 2.4 m의 크기로 제작 모사된 형태로서 Figure 4의 (a)와 같이 구성 제작되었다. 구조물은 내부가 밀폐되어 있어서 외부에 작용하는 풍압에 대해서만 계측하도록 하였다. 이렇게 재현된 기류는 Figure 7과 같이 풍속과 난류강도의 수직 분포가 제정한 건축구조 기준(2019) 지표면조도 구분 D에 해당하는 분포와 일치되는 것으로 확인되었다. 또한 풍하중의 평가 풍속 Scale 1/5.55이며, 실험풍속은 44.41 m/sec이고, 단지 내 고층주택 건축물의 지붕 상단부에서의 풍속 가속도평가에서 실험 풍속도와 같은 8 m/sec으로 확인되었다.
또한 본 실험에 사용된 풍력 측 시스템 장치의 사양은 다음과 같은 기기의 자료서, 6 분력 로드셀(6-axis load cell)과 모델명 XYZ 332-K010을 사용하여 아래의 Figure 5는 풍압 계측기 시스템개념과 같이 풍압력 및 모멘트를 계측하였다.
3. 연구 결과
3.1. 풍동실험 분석 결과
고층 주거용 건축물의 풍력 실험의 동별, 높이별, 풍향별, 위치별 사례 풍속도를 비교 분석한 결과 아래 Table 3과 같이 확인되었다.
Table 3
Wind Pressure Measurement Point and Wind Pressure (Gijun- 107 dong)
또한 이러한 지형과 건축물의 방향에 따라서, X 방향과 Y 방향에 대한 풍향별 최대 변위를 107동 기준에 X 방향 최대 층의 전단력 1,118.42(kN) 크게 풍압이 작용하는 것으로 분석되었다.
또한 Y, 방향으로는 0.00과 –1,675.10으로 최대 층의 전도 모멘트(kN·m)가 발생하는 것으로 분석되었다. 특히 단지 내의 표준 동, 107동 중앙부 기준으로 건축물의 벽면에 작용하는 평균 풍압과, 피크풍압(상한 및 하한)을 종합분석 결과 Figure 6에서와 같이 방위각에 따라 건축물은 풍속에 영향을 받는 것으로 확인되었다. 풍향의 경우 구조물 각각의 X, Y의 방향으로 불어오는 바람을 기준으로 하여 시계방향으로 0°에서 337.5°까지 모든 풍속의 영향을 받는 것으로 분석되었다.
3.2. 풍동실험 사례별 풍속 비교
또한 각 풍압계 측점에서의 풍압계수는 다음과 같이 측정된 풍압을 구조물 지붕면의 평균 높이에서의 풍속에 의한 설계속도압으로 나눈 값이다.
이러한 피크풍압(상한)은 풍압의 시간과 이력 중에서 상한 피크풍압의 전체에서 풍압계 측점 중에서 최대정압 및 최대부압에서의 풍압이 발생하는 풍압의 계측점 위치와 시간과 월별 풍향 및 풍압계수에 대하여 표준이 되는 단지 내의 107동 기준으로 실험 데이터를 통해 모델의 성능과 측정된 값을 종합하여 풍동실험의 사례를 분석하였다. KDS: 2019 설계 기준 권고치에 적합하고, 표준동인 107동 기준으로 최대 양압과 최대 음압이 발생하는 풍향에 대해서 분석 결과 Table 4와 같이 권고치에 적합한 것으로 확인되었다. 이러한 기본풍속 는 평탄한 지역에 대한 풍속 고도 분포계수는 사업 건설지점의 지표면조도 구분에 따라 5.5.3에서 정한 지표면으로부터의 높이 (m)에서 D에 해당하는 것으로 확인되었다.
Table 4에서와 같이 풍하중의 풍동실험 5.12.2 고층 및 유연 건축물의 수평 풍하중 등의 조합하중 설계 기준을 충족하는 것으로 분석되었다.
Table 4
Wind Speed Height Distribution Coefficient for Flat Areas (Provision)
| The Height of The Earth’s Surface (m) | Illumination Classification of the Ground surface | |||
| A | B | C | D | |
| 0.58 | 0.81 | 1.0 | 1.13 | |
| 0.22 | 0.45 | 0.71 | 0.98 | |
이러한 풍 동력 실험은 실험 대상 구조물의 기준층 높이(H), 기준높이인 건축물의 하부와 최상부의 옥상에서 설계풍속(),(m/sec)과 설계의 속도 압력(),(N/m2)의 평균 풍속도로는 8 m/sec 이상으로 다소 높은 수치인 것으로 확인되었다.
또한 이러한 값의 수치를 이용하여 고층 및 초고층 건축구조물(KDS: 기준)의 설계에 제공되어 풍 압력으로부터의 안전성을 위한 친환경적 설계 자료가 되어야 한다.
따라서 Figure 7에서와 같이 사업 단지 내의 기준 동(107)에서의 풍향 및 풍압 측정지점에 대한 최대 풍압계수(하한) 분포 수치가 안전 값 내에서 건축물 높이 따라 변화하는 것으로 확인되고 있다.
또한 101동과 109동에서도 107동과 같은 값으로 최대 풍압계수(하한) 분포 수치가 안전 값 내에서 차이가 없는 것으로 확인되고 있다. 이러한 것은 Figure 8과 같이 건축물의 주 풍향에 대한 정면부 90°에서 받는 풍향의 환경에 작용하는 지표면조도 구분 D의 기준으로 안전한 것으로 분석되고 있다. 건축구조 기준 설계하중 5.4.1에서는 기준높이 20 m 이상 건축물의 외장재 설계용 설계 풍압은 2종류로 구분하여 산정한다. 정압인 외벽과 부압인 외벽 및 지붕면을 계산한다. 따라서 5.4.2에서는 건설지점이 지표면조도 구분 인 경우에는 해당 지표면조도 구분 설계속도압 을 적용한다.
4. 결론 및 향후 활용방안
대규모 고층 건축물의 설계 배치에 따라 바람의 세기와 강도는 크다. 따라서 고층의 공동주택 설계에서 바람의 영향과 안전성을 고려한 친환경적 설계가 요구되고 있다. 본 연구의 사례를 통하여 고층 주거용 건축물에 관한 풍동실험 사례 분석 결론은 다음과 같이 정리될 수 있다.
사업지의 단지 내 12개동 중에서 표준 동으로 107동을 기준으로 실제 풍동실험 대상물 위치에서 지역의 KDS 41 10 15 : 2019의 기준 5.5 설계속도압 5.5.1 설계풍속 5.5.2 기본풍속에서 정한 지표면조도 구분 지상 10 m 높이에서 10분간 평균풍속의 재현 기간 100년에 기대풍속 대한 값으로 건설지점이 위치한 지역에 따라 정한다. 이러한 5.5.1의 밀폐형 건축물의 주 골조설계용 설계풍암 기준으로 지역별 풍속도에서 경기도 시흥은 28 m/sec 기준 권고치가 확인되었다. 또한 중요도 계수 는 KDS 41 10 05에 정의한 건축물의 중요도 분류에서 1은 중요도 계수() 1.00 근거하여 0.1‒1 Hz가는 범위에 해당한다.
본 연구의 풍동실험에서 5.15.2(2) 실험조건은 다음의 조건을 만족하여야 한다. 따라서 5.15.4 풍동실험에 따른 풍하중의 제한에서 Figure 6과 같이 실험 대상 X 방향과 고유진동수(Hz)를 권고치(cm/s2) 기준으로 실험치(cm/s2) 등에서 권고치 이하 확인되었으며, 또한 수직 Y 방향에서의 고유진동수(Hz)를 권고치 cm/s2의 기준점으로 실험치(cm/s2), 권고치 이하로 확인 분석되었다.
본 연구의 결과에서 수도권 경기도 시흥 지역에서 28.0 m/sec으로서 풍력 실험 결과 대상 구조물 각 층에 작용하는 최대 층별 하중은 KDS: 2019 기준 설계가 적용된 것으로 분석되었다.
연구의 종합적인 결과는 고층 및 초고층 주거 건물설계에서 풍동실험의 중요성을 확인시켜 주었습니다. 프로젝트 시행 전에 풍동실험을 통해 수집된 데이터를 분석하고 적용함으로써 건물의 구조적 안전성을 향상시킬 수 있습니다. 이러한 결과는 특히 기후 변화로 인한 다양한 풍향을 고려할 때, 설계 단계부터 안전을 확보하기 위해 풍동실험이 필수적임을 보여주고 있다. 따라서 향후 연구에서는 다양한 풍향을 고려하여 설계 및 인허가 과정에서 ‘시행령’과 같은 더욱 엄격한 기준으로 의무화 되어야 한다. 또한 25층 이상 고층 건물의 경우 장기적으로 안전성을 확보하기 위해 인허가 단계부터 시공 후 단계까지 풍동실험을 더욱 강화해야 할 필요성이 있다고 평가됩니다.
4.1. 향후 활용방안
풍동실험 결과를 통해 고층 건물의 사업 시행을 위한 설계에 필요한 중요한 정보를 얻기 위한 기초자료를 제공하는 목적으로 수행하였다. 본 연구에서는 다음과 확인할 수 있다.
첫째, 건물의 외형을 최적화하여 풍압을 감소시킬 수 있다. 둘째, 건물의 진동 특성을 고려하여 이를 제어하기 위한 기술적 접근이 필요하다. 셋째, 바람의 영향을 최소화하기 위해 건물의 형태 디자인과 주변 환경을 신중히 고려해야 한다. 이러한 결과는 고층 및 초고층 건물설계 시에 구조적 안정성을 높이고, 거주자에게 안전하고 편안한 환경을 제공하는 데 중요한 역할을 한다.
향후 고층 건축물의 신축에 따라 풍동실험 결과 기준을 통해 안전한 건축물 설계에 활용되어야 할 것이다.
