풍동실험에 기초한 고층구조물의 형상변화에 따른 풍응답 비교연구

Abstract

최근 국내에 빈번히 발생하는 대형태풍의 피해와 초고층화 되는 주상복합건물의 등장으로 인해 고층구조물의 풍하중에 대한 영향평가와 하중산정이 중요해지고 있다. 고층구조물의 구조적인 안전성은 풍하중에 의해 결정되며, 바람에 의해 발생하는 건축물의 거동을 지배하는 요소로는 건물의 중량, 강성, 감쇠, 재료, 구조시스템 및 건물 형상 등을 들 수 있다. 이 중 구조물의 형상은 고층 구조물의 설계시 풍하중의 영향을 좌우하는 가장 중요한 요소이다. 건축물의 형상에 따른 풍하중 변화를 조사한 선행연구를 보면 풍력실험을 통해 정방형건축물의 모서리 형상을 변화시킴으로서 풍진동 저감효과 및 풍하중 저감효과가 우수하다고 하였다. 본 연구에서는 대구지역에 실제 설계중인 60층 규모의 X자 형태의 주상복합건물을 선택하여 이평면을 기본으로, 모서리 형상변화와 공기흐름의 변화를 유발하는 형태로 변경한 3가지 모델을 가지고 풍력실험을 실시한다. 풍력실험은 기본풍속 25m/sec와 현재 초고층 건축물이 가장 활발히 건립되는 부산을 가상의 지역으로 선정하여 기본풍속 40m/sec의 두 지역을 대상으로 진행한다. ■ 기본형상모델 : Flat Plate 구조 시스템, 60층, 기본 UNIT 적용 ■ 형상변형모델 -1 : 40층에 Wind Tunnel을 설치, 구조물 풍응답의 변화를 유도, Pit층 포함하여 전체 층수는 61층, 기본 UNIT 적용 ■ 형상변형모델 -2 : 고층부에 모서리 절단효과를 주어 풍응답의 변화를 유도. 저층부에 기본 UNIT 적용, 41층이상 고층부에 변형 UNIT 적용 총 6개의 모델에 대해 기준에 의한 구조해석, 구조설계 및 풍동실험에 이르기까지 일련의 과정을 실시하면서 각 단계별로 초고층 구조의 횡하중에 대한 크기를 검토하였다, 이를 바탕으로 지배하중을 확인하여 구조설계에 반영하였다. 지진하중에 비해 상대적으로 풍하중이 큰 경우에는 풍동실험을 실시하여 구조기준에 의한 풍하중과 풍동실험에 의한 풍하중과의 차이를 검토하였다. 이상과 같은 연구를 통하여 얻은 결론은 다음과 같다. ① 구조기준에 의한 풍하중은 유연구조물인 경우 풍동실험이 필요하며, 그 이유는 각각의 모델에서 풍방향의 하중에 대한 전도모멘트가 구조기준에 의한 전도모멘트에 비해 상대적으로 적게 조사되어 풍동실험에 기초하여 풍응답을 결정할 경우 구조물의 설계시 경제성을 확보할 수 있기 때문이다. 단 기준에서 명확하게 제시하지 않고, 일반적으로 실무에서 적용되는 구조해석 프로그램으로는 구할 수 없는 풍직각 방향의 구조물의 응답은 풍동실험을 통해서 그 응답을 구하도록 한다. ② 형상변형에 의해 풍하중의 경감을 확인하기 위한 형상 변형 모델-1 에서는 Wind Tunnel의 설치가 풍하중의 경감에 상당한 기여를 하는 것으로 확인할 수 있었으며, 이때 풍하중의 경감율은 최대 39.6%로 조사되었다. 적극적인 형상변형은 경제성을 확보할 수 있는 수준의 풍하중 경감이 확인되었다. ③ 형상 변형 모델-2에서는 모서리 절단효과는, 연구 대상 구조물과 같이 X자형의 복잡한 평면 형태를 가지고 있으며, 경제성의 비교를 위해 변형모델의 수압면적을 동일하게 맞추어야 하는 경우 등의 조건에서는 일부 모서리의 절단으로 오히려 입면이 더 복잡해지며, 이러한 영향으로 구조물의 경제성을 확보할 수 있는 수준의 풍하중 경감은 확인할 수 없었다. 본 연구에서 형상변형의 효과는 풍하중저감에 있어 제한적으로 경제성을 확보할 수 있는 것으로 확인되었다. 경제성을 확보할 수 있는 풍하중 경감을 위해서는 Wind Tunnel의 설치와 같은 적극적인 방법의 형상변형이 필요하다. 이를 뒷받침하기 위해 실제 프로젝트에서 적용 가능한 변형형상을 개발하고, 초기설계단계에서 내풍구조계획이 구조물의 경제성 확보를 위한 과정임을 증명하는 것이 앞으로의 과제이다. 현재로서는 신뢰성 있는 수치적인 풍응답 해석법이 없으므로, 풍동실험과 구조설계에 많은 실무경험을 가진 국내 전문가를 육성하여 프로젝트의 초기단계부터 참여할 수 있는 조건을 만들어 나가야 것이 중요하다.; Recently with frequent large?scale typhoons and increasing construction of taller residential and commercial compound buildings, it is growing more important to evaluate the impact of wind load on tall buildings and to estimate wind load on such buildings. The structural stability of tall buildings is determined by wind load, and factors affecting a building’s behavior caused by wind are the building’s weight, stiffness, damping, materials, structure system, shape, etc. Among them, the shape of building structure is the most important factor that determines wind load in designing tall buildings. Previous researches on the variation of wind load according to the shape of buildings report that wind response and wind load can be reduced considerably by changing the shape of the edges of a square building. The present study chose an X?shaped 60?story residential and commercial compound building to be design in Daegu, and conducted a wind tunnel test using three models. Wind responses analysis was performed at basic wind speed of 25 m/sec, and for hypothetical sites with basic wind speed of 40 m/sec in Busan where tall buildings are being constructed most actively. ■ Basic Shape Model : Flat plate structure system, 60 stories. basic unit applied to all the floors ■ Modified Shape Model ?1 : Reduction of wind load is induced by making a wind tunnel on the 40th floor. The building has a total of 61 stories including the pit floor basic unit applied to all the floors ■ Modified Shape Model ?2 : Reduction of wind load is induced by giving the effect of cutting the edges. modified unit to the 41st~62nd floors. For the total of six models, we performed structure analysis, structure design and wind tunnel test, and at each stage, we estimated the lateral load on the tall building structure. If wind load was relatively higher than seismic load, we performed a wind tunnel test and examined the difference between wind load from the structure design codes and wind load from the wind tunnel test. From this study conducted as above were drawn conclusions as follows. ① Flexible structure needs wind tunnel test. It is because in each model the overturning moment for load in the wind direction is relatively lower than the overturning moment by the structure design codes and therefore economic efficiency can be attained in structure design if wind response is determined based on wind tunnel test. However, if the design code are not clear, the structure’s response in the wind across direction, which cannot be obtained from a structure analysis program commonly applied in the field, can be obtained from wind tunnel test. ② In Modified Shape Model ?1, which was to see the reduction of wind load by shape modification, we confirmed that the installation of a wind tunnel made a considerable contribution to the reduction of wind load, and the maximum rate of wind load reduction was 39.6%. Thus, it is concluded that active shape modification reduces wind load to the degree of attaining economic efficiency. ③ Modified Shape Model ?2 tried to reduce wind load by giving the effect of cutting the edges, but edge cutting makes the elevation complicated in a building with X?shaped floor like the structure in this study and in a model with constraints such as the agreement of pressure?receiving area for the comparison of economic efficiency, and we could not observe the effect of edge cutting in wind load reduction high enough to attain economic efficiency. This study found that shape modification can reduce wind load and attain economic efficiency limitedly. In order to reduce wind load to an economically efficient degree, we need to adopt active shape modification such as the installation of wind tunnel. To support the results of this study, future research needs to develop shape modifications applicable to real projects and to prove that wind?resistant structure planning is an important process in order to attain the economic efficiency of structures. It is important to raise specialists with experiences in wind tunnel test and structure design and to create environment for their participation in projects from early stages.