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문제 정의
- 본 연구는 지붕경사각에 따른 저층건물의 풍압분포 및 그 특성을 알아보기 위하여 서로 다른 지붕경사각을 가지는 7가지 모형에 대하여 풍압실험을 실시하였고, 그 결과를 토대로 국내기준 및 각국의 기준과 비교하였다. 본 논문에서 얻어진 중요결과를 요약하면 다음과 같다.
제안 방법
- )의 피크외압계수와 일본의 蟀物荷重 指針.同解說(2004, 이하 AIJ-2004로 약칭), 미국의 ASCE/SEI 7-05(2006. 이하 ASCE-2005로 약칭) , 캐나다의 NBCC 2005(2006. 이하 NBC-2005로 약칭)에서 제시하고 있는 외압계수와 비교 검토하여 본 연구결과를 검증하고 아울러 KBC-2005의 향후 개선 방향 등을 검토하였다.
- 제작하였다. 그리고 지붕면의 각도는 0°에서 45°까지 총 7개의 모형을 제작하였으며. 국내에서는 비교적 작은 각도를 가지는 박공형 지붕이 주를 이루고 있으므로 0°에서 20°사이에서는 5°간격으로 모형을 제작하였다.
- 본 연구에서는 폭(B), 길이(D). 높이h)는 동일하지만 지붕의 경사각이 서로 다른 7개의 박공지붕모형을 제작하여 풍동실험을 실시한 후 경사각 변화에 따른 풍압작용의 특성 및 피크외압계수 분포의 변화경향을 분석하였다. 또한 본 연구에서 얻어진 풍압분포 특성을 현행 건축구조설계기준(2005, 이후 KBC-2005로 약칭함.
- 높이h)는 동일하지만 지붕의 경사각이 서로 다른 7개의 박공지붕모형을 제작하여 풍동실험을 실시한 후 경사각 변화에 따른 풍압작용의 특성 및 피크외압계수 분포의 변화경향을 분석하였다. 또한 본 연구에서 얻어진 풍압분포 특성을 현행 건축구조설계기준(2005, 이후 KBC-2005로 약칭함.)의 피크외압계수와 일본의 蟀物荷重 指針.同解說(2004, 이하 AIJ-2004로 약칭), 미국의 ASCE/SEI 7-05(2006.
- 또한 외장재의 특성을 고려한 Gust 평가를 위하여 Gust 평가 시간을 실물 환산 시간으로 1초에 근사시켜 최대 및 최소 피크외압계수를 산정하였다. 그 외의 풍동실험에 사용된 데이터수집조건은 아래 표 2에 나타내었다.
- 국내에서는 비교적 작은 각도를 가지는 박공형 지붕이 주를 이루고 있으므로 0°에서 20°사이에서는 5°간격으로 모형을 제작하였다. 모형은 바람에 의한 변형이 없는 아크릴로 제작하였고, 풍압측정공은 건물의 모서리와 같이 풍압이 크게 작용할만한 부분을 고려하여 배치하였다. 지붕경사각이 0°인 모형에는 200개의 풍압공을 배치하였고, 비교적 지붕면 면적이 커지는 45°의 경사각을 가지는 모형에는 244개의 풍압공을 전면에 걸쳐 배치하였다.
- 압력튜브를 통해 각각의 풍압 공에서 받아들인 압력을 다점풍압계(multi-point wind pressure measurement system)를 통하여 전산 데이터로 전환하여 풍압을 측정하였다. 본 실험에서는 실험풍향을 22.5°의 간격으로 전 방위에 대하여 실험하였고, 실험모형의 스케일은 자연풍과 풍동풍의 난류적분스케일로부터 1/150으로 하여 제작하였다. 풍동풍속은 모형의 지붕 평균 높이에서의 풍속으로 하여 본 실험에서는 풍동풍속을 5.
- 본 실험에서의 모형은 실제 창고용 건물에 주로 사용되는 형태와 유사하도록 폭 12m, 길이 24m, 높이 12m를 대표치로산정하고 이를 풍동의 스케일에 맞게 1/150으로 축소하여 모형을 제작하였다. 그리고 지붕면의 각도는 0°에서 45°까지 총 7개의 모형을 제작하였으며.
- 본 연구에서는 다점풍압계를 통하여 측정된 풍압데이터를 아래 식을 이용하여 서로 다른 경사각을 가진 박공지붕형 건물의최대 피크외압계수를 산출하여 특성을 분석하였다. 다음 식 (1)은 정압 피크외압계수의 산정식이며 식 (2)는 부압 피크외압계수의 산정식이다.
- 정의를 나타낸 것이다. 실험결과는 벽면과 지붕면으로 구분하고, 벽면은 다시 장벽면과 단벽면으로 구분하여 분석하였다. 그림 2(b)에서 나타낸 구역구분은 KBC-2005에 따른 것이다.
- 9mm의 알루미늄관을 사용하여 압력튜브를 연결하였다. 압력튜브를 통해 각각의 풍압 공에서 받아들인 압력을 다점풍압계(multi-point wind pressure measurement system)를 통하여 전산 데이터로 전환하여 풍압을 측정하였다. 본 실험에서는 실험풍향을 22.
- 이를 참고로 본 실험 또한 지표면조도구분 IV와 유사한 지표면거칠기를 가지는 노풍도 B를 택하고, 이를 풍동 내에 재현하였다. 풍속의 연직분포 및 노풍도 B의 재현은 스파이어 (Spire)와측정 부 바닥면에 조도블럭을 설치하여 재현하였다.
- 이를 참고로 본 실험 또한 지표면조도구분 IV와 유사한 지표면거칠기를 가지는 노풍도 B를 택하고, 이를 풍동 내에 재현하였다. 풍속의 연직분포 및 노풍도 B의 재현은 스파이어 (Spire)와측정 부 바닥면에 조도블럭을 설치하여 재현하였다. 풍동 내에 형성한 경계층 기류에 대한 풍속의 연직분포와 난류강도는 그림 3에.
대상 데이터
- 본 연구에서 사용된 풍동실험장치는 금오공과대학교의 토출식 경계층 풍동으로써 측정부의 크기는 폭(W)x높이(H)x길이 (L)=3.0mxl.3mxl7.5m이며 풍속의 범위는 0.2~17.0m/s 이다.
성능/효과
- (1) 지붕면 및 벽면 정압의 경우 경사각에 따른 변화는 미비하였으며, 풍압분포도 일반적인 각주형 건축물과 유사하였다. 그러나 KBC-2005의 정압 피크외압계수보다는 큰것으로 나타났다.
- (2) 지붕면 부압의 경우 KBC-2005보다 모든 부분에서 크게 나타났다.
- (3) 지붕면 부압의 경우 최대 피크외압계수가 나타나는 ③구역 구분도 KBC-2005와는 상이하게 나타났다. 부압의 분포양상은 AIJ-2004와 유사한 분포를 보였으며 향후 합리적인 설계를 위해서는 K$C-2005의 모서리 길이 a를 2a로 증가시켜야할 것으로 사료된다.
- (4) 박공형 저층 건축물의 경우는 지붕면에서 가장 불리한풍압이 작용하고, 모서리 부분의 경우 강한 난류에 의한와류의 영향을 받지만 모서리 부분을 제외한 안쪽 부분은 박리버블에 의한 새로운 풍압작용의 영향을 받는 것으로 추측된다. 이러한 풍압작용의 특징은 추후 상대적으로 난류강도가 작은 노풍도에 건설될 경우 모서리부분의 피크외압계수를 줄여줄 수 있을 것이다.
- (5) 벽면 부압의 경우 경사각에 따른 변화는 미비하였고, 모서리 부분(⑤구역)에서 박리 현상으로 인하여 최대 부압피크외압계수가 나타났다. KWC-2005의 벽면 부압 피크외압계수는 본 실험결과보다 작았다.
- (6) AIJ-2004의 지표면조도와 유사한 지표면조도에서 실험한 본 연구 결과는 AIJ-2004의 외압계수와는 매우 유사하였지만 KWC-2005보다는 지붕면 및 벽면 모든 부분에서 큰 값을 가지는 것으로 나타났다. 따라서 향후 기준의 개정 시 외압계수를 상향조정할 필요가 있을 것으로 판단된다.
- 상향시킬 필요가 있을 것으로 사료된다. 또한 지붕면의 피크외압계수 비교에서처럼 실험에 의한 피크외압계수는 AIJ-2004와 가장 유사한 값을 나타내었다. 이는 지붕 면에서처럼 유사한 지표면조도에서 실험으로 인하여 나타난 결과로 사료된다.
- 본 실험결과 ASCE-2005, NBC-2005와는 다소 차이가 있으나 AIJ-2004와는 매우 유사한 값을 나타내는 것은 AIJ- 2004에서 제시된 지표면 조도와 유사한 노풍도에서 실험함으로써 생긴 결과(P.C. Case, 1998)로 사료된다.
- AIJ-2004는 7개 부분으로 구역을 매우 세분화 시켜 규정하고 있다. 실험결과를 AIJ-2004의 구역 구분과 동일하게 구분하면 AIJ-2004에서 제시하고 있는 피크외압계수와 매우 유사한 값이 됨을 알 수 있다. 즉 10°이상에서는 ②구역이 좀 더 세분화되어 Ra구역이 -2.
- 부압 피크외압계수의 분포 또한 경사각 변화에 따른 변화 경향은 크지 않았다. 장벽면과 단벽면 모두 모서리부분에서 최대 부압 피크외압계수를 나타냈으며, 벽면 중앙부로 갈수록 줄어들었다. 이러한 현상은 일반적인 각주형건축물 벽면이나 지붕면에서처럼 모서리 부분에서 박리에 의해 큰 부압이 작용하기 때문이다.
후속연구
- 그림 11에서 알 수 있듯이 KBC-2005는 타 기준 및 실험에 의한 피크외압계수보다 작게 규정되어 있어 향후 피크외압계수를 상향시킬 필요가 있을 것으로 사료된다. 또한 지붕면의 피크외압계수 비교에서처럼 실험에 의한 피크외압계수는 AIJ-2004와 가장 유사한 값을 나타내었다.
- 값을 가지는 것으로 나타났다. 따라서 향후 기준의 개정 시 외압계수를 상향조정할 필요가 있을 것으로 판단된다.
- 또한 AIJ-2004와 유사하게 ③구역 구분을 변경한다년 앞서설명한 것처럼 KWC-2005의 10°~30°에서 ②구역이 과대평가되고 있는 부분을 낮출 수 있을 뿐만 아니라 가장 불리한 풍하중이 작용되는 구역을 명확하게 규정함으로써 좀 더 합리적인 설계가 될 것이다.
- 구분도 KBC-2005와는 상이하게 나타났다. 부압의 분포양상은 AIJ-2004와 유사한 분포를 보였으며 향후 합리적인 설계를 위해서는 K$C-2005의 모서리 길이 a를 2a로 증가시켜야할 것으로 사료된다.
- 이러한 풍압작용의 특징은 추후 상대적으로 난류강도가 작은 노풍도에 건설될 경우 모서리부분의 피크외압계수를 줄여줄 수 있을 것이다.
- 추후 다양한 변장비와 노풍도 변화에 따른 데이터가 확보된다면 모서리 부분의 경우는 난류강도에 따른 산정과 안쪽 부분의 경우는 peak fact이에 의한 부압 피크외압계수의 산정으로 보다 합리적인 하중적용이 가능할 것으로 사료된다.
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