풍압실험과 풍하중기준에 따른 고층건축물의 층별 실내압 평가

Abstract

최근 세계적으로 발생한 태풍 및 국지적인 돌풍은 과거에 관측된 기상데이터의 최대치를 초과하여 많은 인명사고 및 재산 피해를 주고 있다. 또한, 연간 태풍 발생 빈도도 과거에 비해 증가하고 있는 추세이다.

이에 대해 세계 주요국가 및 국내 풍하중기준은 풍하중 산정 시 강풍에 의한 최대 풍속 값을 반영하지 못하여 풍하중을 과소평가하는 경향을 나타내고 있다. 그 결과 강풍 시 건축물의 외장재, 창호 및 간판 등의 안정성에 문제가 생기고 있다. 또한, 건설기술의 발단과 재료의 발달로 건축물은 과거에 비해 경량화, 초고층화가 가속화 되고 있어 풍하중을 받는 저층건축물뿐만 아니라 고층건축물의 안전도 위협받고 있다. 이러한 기후 변화와 건축물의 고층화 경향에 따라 풍하중에 대한 건축물의 안전성을 확보하기 위한 연구가 필요한 실정이다.

국내의 풍하중 기준에서 제시하고 있는 외압계수는 풍동실험에 의하여 결정하거나 건축물 외부에 발생하는 최상층의 설계속도압 대비 풍압력의 비로 제시하고 있다. 외압에 대해서는 저층건물 뿐만 아니라 고층 건물까지 국내외 적으로 많은 연구가 진행되었으며 초고층 건축물에 대한 외압 연구도 이루어지고 있다. 하지만 내압계수에 대한 연구는 저층건물의 단일 내부에 대해 진행 되었으며 KBC2009에서도 건축물의 실내압을 단일 내부공간에 대한 내압계수로 제시하고 있다. 아직까지 고층건축물에 대한 층별 실내압 분포에 대한 연구가 부족한 실정이다.

따라서, 본 연구에서는 풍압실험을 통하여 20층 규모의 고층건축물을 탁월한 개구부가 존재하는 개방형과 틈새만 존재하는 밀폐형 두 개의 모델로 구분하여 층별 평균내압계수와 피크내압계수의 특성을 각각 비교, 분석하고 풍하중 기준과 실험결과와의 비교를 통하여 고층건물의 적절한 풍하중 산정을 통한 안전한 구조설계가 될 수 있도록 하는데 본 연구의 목적이 있다.

이상의 연구 목적을 토대로 본 논문은 다음과 같이 구성되었다.

제 1장은 서론으로 연구의 배경 및 목적, 방법 및 절차를 서술하였다.

제 2장은 기존 연구에 대한 고찰을 통해 연구동향을 파악하고 풍압실험과 풍하중기준의 이론적 배경을 고찰하였다.

제 3장은 풍압실험을 통한 고층구조물의 높이에 따른 층별 풍압계수를 측정하기 위한 풍압실험장치, 풍동기류, 실험모형, 실험조건 및 실험 방법에 대해 기술하였고, 실험데이터의 분석방법에 대해 서술하였다.

제 4장은 풍압실험을 통해 취득된 풍압데이터를 기반으로 산정된 높이에 따른 층별 평균내압계수와 피크내압계수의 분포를 개구부의 유무에 따라 비교‧분석 하였다.

제 5장은 실험결과와 국내 풍하중기준과 캐나다의 풍하중기준의 내압계수, 피크내압계수 그리고 설계풍압를 비교‧분석 하여 각 풍하중기준의 적절성을 평가하였다. 제 6장은 본 연구를 통하여 얻은 결론을 기술하였다.

본 연구를 통하여 얻은 결과는 다음과 같다.

(1) 내압계수 및 피크내압계수 비교결과

풍압실험 결과 전체 벽면적 대비 0.1%의 틈새가 균등하게 분포하는 밀폐형(LKG)의 경우 내압계수와 피크내압계수 모두 높이가 증가함에 다라 다소 증가하는 경향이 있으나 높이에 따라 큰 차이를 보이고 있지 않다. 이는 풍하중기준 KBC2009와 NBCC2010에서 단일 내부공간의 높이에 따라 하나의 내압계수만을 제시하는 점과 유사하며 밀폐형 건축물에 대한 두 풍하중 기준은 적절한 내압계수를 제시하고 있다고 판단된다.

벽면적 대비 3.3%의 탁월한 개구부가 존재하는 LKG+OPN의 경우 높이에 따라 평균풍속의 연직분포와 유사하게 증가함을 나타내고 있다. 하지만 풍하중기준 KBC2009와 NBCC2010에서는 높이에 따라 0.70으로 하나의 내압계수만 제시하고 있다. 이는 LKG+OPN모형에서 최대 내압계수를 나타내는 1.02(18층)의 68%의 값으로 과소평가 되고 있다.

(2) 설계풍압 비교

NBCC2010와 KBC2009의 내압계수가 밀폐형 건축물(LKG)의 경우 각각-0.45와 –0.40으로 큰 차이를 보이지 않고, 탁월한 개구부가 존재하는 건축물(LKG+OPN)의 경우 0.70으로 같은 값을 제시하고 있다.

하지만 설계풍압의 비교 결과 NBCC2010의 경우 설계풍압(내압) 산정 시 높이에 대한 고려가 이루어 질수 있는 exposure factor(Ce)가 제시되고 있어 높이가 증가함에 따라 풍압실험의 설계풍압과 유사한 경향으로 증가하고 있다. 따라서 NBCC2010은 높이에 따른 실내압의 증가는 적절하게 평가 되고 있다고 사료된다.

KBC2009의 설계풍압의 경우 높이에 대한 고려가 없이 전 층에 대해 건축물 최고 높이(H=70m)에서의 설계속도압(qH)을 적용하고 있어 풍압실험 설계풍압과 상이한 분포를 보이고 있으며, 풍압실험 상층부의 설계풍압 대비 74%의 값으로 과소평가되고 있다. 이에 따라 KBC2009는 고층건축물의 내압 평가 시 높이에 따른 평가가 어려운 실정이다.