[논문]단기 관측을 통한 설계풍속 추정

권순덕; 이성로

doi:10.12652/ksce.2009.29.3a.209

단기 관측을 통한 설계풍속 추정
Estimation of Design Wind Velocity Based on Short Term Measurements 원문보기

大韓土木學會論文集, Journal of the Korean Society of Civil Engineers. A. 구조공학, 원자력공학, 콘크리트공학, v.29 no.3A, 2009년, pp.209 - 216

초록
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풍하중이 지배적인 구조물의 경우에 정확한 설계풍속의 산정은 구조적 안정성뿐만 아니라 경제성까지도 좌우하게 된다. 본 연구에서는 광양대교 현장에 설치된 관측탑에서 약 1년간 측정한 풍속을 사용하여 풍환경을 분석하였고, MCP(Measure-Correlate-Predict) 방법을 적용하여 관측치로부터 장기 풍속을 추정하였다. 그 결과를 보면, 광양만은 바다이지만 개활지에 가까운 풍속 특성을 나타내고 있으며, 조도지수는 고도에 따라 달라지는 것으로 나타났다. 아울러 풍향에 따라 난류강도와 조도지수가 상당히 차이나는 것으로 나타났다. MCP 방법으로 추정한 200년빈도 설계풍속은 초기설계치보다 20 m/s이상 낮았으며, 실측된 풍속과 거스트계수를 고려한 설계풍하중은 초기설계치의 36%밖에 안되는 것으로 나타났다. 이를 볼 때 국부적인 지형의 영향으로 추정한 교량 현장의 풍환경과 직접 측정한 풍환경은 차이가 나므로, 경제적이고 안전한 설계를 위해서는 단기간이라도 현장 풍환경 관측이 필요하다고 판단된다.

Abstract ▼ AI-Helper

The structural stability as well as economical efficiency of the wind sensitive structures are strongly dependant on accurate evaluation of the design wind speed. Present study demonstrates a useful wind data obtained at the wind monitoring tower in the Kwangyang Suspension Bridge site. Moreover the Measure-Correlate-Predict (MCP) method has been applied to estimate the long-term wind data at the bridge site based on the wind data at the local weather station. The measured data indicate that the turbulent intensities and roughness exponents are strongly affected by the wind direction and surrounding topography. The new design wind speed based on MCP method is 20m/s lower than that at the original estimation, and the resulting design wind load is only 36% of the old prediction. The field measurement of wind data is recommended to ensure the economical and secure design of the wind sensitive structures because the measured wind data reveal much different from the estimated one due to local topography.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

풍하중이 지배적인 장대 교량의 경우에 정확한 설계풍속의 산정은 교량의 안정성뿐만 아니라 경제성까지도 좌우하게 된다. 본 연구에서는 광양대교 현장에 설치된 관측탑에서 약 1년간 측정한 풍속을 사용하여 풍환경을 분석하였다. 그리고 관측탑의 단기간 측정 풍속과 여수기상대 풍속의 상관성을 분석하여 설계풍속을 추정하였다.
하지만 설계풍속을 추정할 만큼 장기간 풍속을 관측하기는 현실적으로 어려우므로, 단기간 관측하고 이를 바탕으로 장기 풍속을 추정하는 것이 합리적이다. 본 연구에서는 최근 광양대교 현장에 설치된 관측탑에서 측정한 단기간 풍속의 분석을 통하여 설계에 필요한 유용한 자료를 획득하고, 인근 기상관측소에 누적된 장기간 풍속과의 상관 관계를 분석하여 설계풍속을 추정하기 위한 방법과 적용 결과를 소개하고자 한다.

가설 설정

6. 국부적인 지형의 영향 때문에 추정한 교량 현장의 풍환경과 직접 측정한 풍환경은 차이가 날 수 있다. 따라서 경제적이고 안전한 교량의 설계를 위해서는 단기간이라도 현장 풍속 관측이 필요하다고 판단된다.
고도에 따른 난류강도의 측정치와 식 (2a)를 적용하여 구한 설계기준을 표 2에서 비교하였다. 설계시 지표조도를 해상으로 가정하여 난류강도를 산정하였다. 하지만 3.

제안 방법

광양대교의 기본풍속을 추정하기 위하여 확보 가능한 자료를 바탕으로 주변 지표조도, 고도, 지형적 영향 등을 보정하고 이를 극치분포 1형에 대입하여 풍속을 추정하였다. 그 결과를 보면, 여수기상대 자료를 사용하여 추정한 재현기간 200년 풍속이 40.
광양대교의 설계시 여수기상관측소의 풍속에 인근 지형 등의 영향을 보정하여 62.5 m/s로 설계풍속을 산정하였다. 하지만 현장 풍속의 MCP보정을 통하여 추정한 200년빈도 설계풍속은 40.
8 m/s로 나타났다(권순덕 외, 2007). 교량 설계시에는 현장의 풍속자료가 없었으므로 안전측으로 여수기상대의 풍속을 사용하여 40.4 m/s를 기본 풍속으로 채택하였다.
구조물의 설계풍속을 산정하기 위하여 설계기준의 지역별 기본풍속을 사용하거나, 인근 기상관측소의 연최대풍속을 극치분포 확률모형에 대입하여 재현기간별 풍속을 추정하는 방법을 사용한다. 그런데 주경간장 1545 m인 광양대교와 같은 장대 교량의 경우에 풍하중이 지배하중이 되므로, 설계풍속에 따라 단면 강성이 달라져야 하고 이는 결국 교량의 공사비와 직결되게 된다.
본 연구에서는 광양대교 현장에 설치된 관측탑에서 약 1년간 측정한 풍속을 사용하여 풍환경을 분석하였다. 그리고 관측탑의 단기간 측정 풍속과 여수기상대 풍속의 상관성을 분석하여 설계풍속을 추정하였다. 본 연구에서 얻은 주요 결과를 요약해 보면 다음과 같다.
그림 9에서는 고도별 난류강도의 특성을 보여주고 있다. 난류강도는 매10분간 측정된 풍속의 표준편차를 평균풍속으로 나누어서 구하였다. 그림 6에 나타난 조도지수와 마찬가지로 고도가 높아지면 난류강도가 낮아진다.
본 연구에서 기준점은 여수기상대, 목표점은 교량 현장이 된다. 목표점에서 351일간 측정한 풍속과 동일한 시기의 기준점(여수기상대) 풍속을 사용하여 MCP 방법을 적용하였다. 그림 14에서는 현장 풍속과 여수기상대 풍속을 비교하였는데, 두 지점 풍속의 상관계수는 약 0.
관측탑에는 지상 10 m, 35 m, 60 m 높이에 각각 풍속계가 설치되어 있다(그림 4). 본 연구에서는 2007년 8월 1일부터 2008년 9월 30일까지 일부 누락치를 제외하고 총 351일간 관측탑에서 측정한 매시 10분평균 최대 풍속 및 풍향을 사용하여 분석하였다.
본 연구에서는 세계기상기구산하 RSMC에서 제공하는 1945년부터 현재까지 북태평양에서 발생한 태풍 자료를 사용하여 주요 변수들의 확률모형을 만들었다. 시뮬레이션 결과를 보면, 광양만 해상의 200년 빈도 풍속은 30.
앞 절에서 언급한 것처럼 풍향을 고려하기에는 높은 풍속 자료가 부족하므로 풍향 미반영시 MCP보정 결과를 적용하였다. 표 3 및 그림 15(b)에 나타나 있듯이 교량 현장 관측탑 60 m에 부는 풍속과 여수기상대에서 부는 풍속은 거의 크기가 같으며, 그 관계는 다음과 같다.
그림 6에서 보듯이 저풍속에서는 조도지수의 변동성이 크다가 고풍속이 되면 변동성이 작아진다. 이러한 풍속별 조도지수의 변동성을 나타내고자 고도 10 m와 60 m 사이 풍속의 조도지수에 대한 변이계수(COV, coefficient of variation)를 구하였다. 그림 7에서는 풍속별 조도지수의 변이 계수를 보여주고 있는데, 풍속이 증가함에 따라 변이계수가 감소한다.
우리나라와 같이 태풍이 극한 풍속을 좌우하는 지역에서는 태풍 시뮬레이션을 통하여 기본풍속을 추정하기도 한다. 태풍 시뮬레이션은 먼저 태풍의 특성을 나타내는 물리적 모델을 만들고, 위치, 이동속도, 중심기압 등의 주요 변수에 대한 확률분포를 구성한다. 그리고 몬테카를로 시뮬레이션을 통하여 각 확률분포에서 생성한 자료를 물리적 모델을 대입하여 풍속을 추정한다(권순덕, 2008).

대상 데이터

먼저 여수기상대의 지형보정 문제이다. 여수기상대는 바다에 바로 접한 해발 67 m 언덕위에 위치하고 있으며, 그에 대한 영향을 보정하기 위하여 설계시 여수기상대에서 관측한 풍속값의 77%를 사용하였다. 하지만 현장 관측치를 보면, 여수기상대와 관측탑 60 m의 풍속이 거의 같은 것으로 나타났다.

이론/모형

하지만 극치 풍속을 적용하기에는 풍향별 고풍속 자료가 충분하지 않다. 따라서 풍향은 무시하고 그림 15(b)에 나타난 것과 같이 전체 풍속에 대하여 MCP 방법을 적용하였다.
극치분포-III형과 비교하여 I형은 높은 쪽의 추정치를 제공하기 때문에, 확률분포의 추정이 틀릴 경우에 대비하여 I 형을 선택하는 것이 안전측이다(Palutikof, 1999). 이러한 이유로 본 연구에서는 표준 Gumbel의 방법을 사용한다. Gumbel의 방법에서 연최대값의 샘플 분포는 다음과 같이 표현한다.

성능/효과

1. 고도별 풍속 분포를 나타내는 조도지수의 경우에 일정한 상수를 사용하는 설계기준과 달리 현장 측정치는 고도가 증가할수록 작아지는 것으로 나타났다.
2. 광양만은 바다이지만 협소한 관계로 해상보다는 개활지에 가까운 풍속 특성을 나타내고 있으며, 측정된 평균조도지수는 조도구분 II에 해당하는 0.16으로 나타났다.
3. 실측한 난류강도는 측정치가 설계기준보다 약간 크게 나타났다. 그리고 실측한 난류강도는 풍향에 따라 큰 편차를 보이며, 특히 교축 직각 방향 근처로 부는 바람의 난류강도는 매우 낮은 것으로 나타났다.
4. 현장에서 단기간 측정한 풍속과 기상대 풍속의 상관관계로부터 장기 풍속을 추정하기 위하여 MCP 방법을 적용하였으며, 태풍 시물레이션 결과와 비교를 통하여 방법이 적절함을 보였다.
5. 200년 빈도 설계풍속은 초기설계치에 비하여 현장 보정치가 20 m/s이상 낮은 것으로 나타났다. 아울러 실측된 거스트계수를 고려한 설계풍압은 초기설계치의 36%밖에 안되는 것으로 나타났다.
실측한 난류강도는 측정치가 설계기준보다 약간 크게 나타났다. 그리고 실측한 난류강도는 풍향에 따라 큰 편차를 보이며, 특히 교축 직각 방향 근처로 부는 바람의 난류강도는 매우 낮은 것으로 나타났다.
하지만 200년 빈도의 풍속을 추정할 만큼 장기간 풍속을 관측하기는 현실적으로 어렵다. 따라서 현장에서 단기간 측정한 풍속과 동일한 기간 동안 인근 기상관측소에서 측정된 풍속의 상관관계를 비교하고, 이를 바탕으로 기상관측소의 누적된 장기 풍속으로부터 현장의 설계풍속을 추정하는 것이 합리적이다.
본 연구에서는 세계기상기구산하 RSMC에서 제공하는 1945년부터 현재까지 북태평양에서 발생한 태풍 자료를 사용하여 주요 변수들의 확률모형을 만들었다. 시뮬레이션 결과를 보면, 광양만 해상의 200년 빈도 풍속은 30.7 m/s로 나타났다.
200년 빈도 설계풍속은 초기설계치에 비하여 현장 보정치가 20 m/s이상 낮은 것으로 나타났다. 아울러 실측된 거스트계수를 고려한 설계풍압은 초기설계치의 36%밖에 안되는 것으로 나타났다.
16으로 개활지(조도구분 II)에 가깝다. 이상에 보듯이 일반적으로 널리 알려진 방법으로 국부적인 지형적 영향을 보정을 하여도 직접 실측치와는 크게 차이가 나는 것으로 나타났다.
85이다. 특히 불안정한 저풍속 영역을 제거한 고도별 풍향은 명확히 선형관계로 나타났다.
표 5에서는 초기설계치와 현장보정치를 비교하였다. 표에서 보듯이 설계풍속은 20 m/s 이상 차이가 나고, 현장의 거스트계수도 작은 것으로 나타났다. 현장 계측치를 바탕으로 추정한 풍하중은 초기설계풍하중의 약 36%로 나타났다.
5의 범위에 있다. 풍압 거스트 계수는 고도 10 m에서 측정치와 설계기준이 비슷하지만, 고도 60 m에서 측정치가 설계기준보다 약 15% 작은 것으로 나타났다.
설계시 지표조도를 해상으로 가정하여 난류강도를 산정하였다. 하지만 3.1절에서 설명하였듯이 실측한 지표조도가 해상보다는 개활지에 가까운 관계로 난류강도는 측정치가 설계기준보다 약간 크게 나타났다.
표에서 보듯이 설계풍속은 20 m/s 이상 차이가 나고, 현장의 거스트계수도 작은 것으로 나타났다. 현장 계측치를 바탕으로 추정한 풍하중은 초기설계풍하중의 약 36%로 나타났다. 현장의 풍속 관측기간이 총 351일로 짧아서 MCP 방법을 적용한 결과에 일부 오차가 포함되어 있을 수 있지만, 일반적인 방법으로 추정한 초기설계풍압보다 현장계측치가 엄청나게 낮은 것으로 나타났다.
현장 계측치를 바탕으로 추정한 풍하중은 초기설계풍하중의 약 36%로 나타났다. 현장의 풍속 관측기간이 총 351일로 짧아서 MCP 방법을 적용한 결과에 일부 오차가 포함되어 있을 수 있지만, 일반적인 방법으로 추정한 초기설계풍압보다 현장계측치가 엄청나게 낮은 것으로 나타났다. 이를 볼 때 설계시 가정한 교량 현장의 풍환경과 직접 측정한 풍환경은 차이가 나므로, 경제적인 교량의 설계를 위해서는 단기간이라도 현장 풍환경 관측이 필요하다고 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	지상에 부는 바람은 지표면과의 마찰에 의하여 고도별로 다른 특성을 보이는데 이러한 특성을 결정하는 대표적인 요소는?	지상에 부는 바람은 지표면과의 마찰에 의하여 고도별로 다른 특성을 보인다. 이러한 특성을 결정하는 대표적인 요소로 풍속과 난류강도가 있다. 고도별 풍속의 분포를 나타내기 위하여 많이 사용하는 지수법칙에 로그를 취하면 조도지수 α를 다음과 같이 나타낼 수 있다(Simiu and Scanlan, 1996).
	구조물의 설계풍속을 산정하기 위해서 어떠한 방법을 사용하나?	구조물의 설계풍속을 산정하기 위하여 설계기준의 지역별 기본풍속을 사용하거나, 인근 기상관측소의 연최대풍속을 극치분포 확률모형에 대입하여 재현기간별 풍속을 추정하는 방법을 사용한다. 그런데 주경간장 1545 m인 광양대교와 같은 장대 교량의 경우에 풍하중이 지배하중이 되므로, 설계풍속에 따라 단면 강성이 달라져야 하고 이는 결국 교량의 공사비와 직결되게 된다.
	광양대교 현장에 설치된 관측탑에서 약 1년간 측정한 풍속을 사용하여 풍환경을 분석하였고, MCP(Measure-Correlate-Predict) 방법을 적용하여 관측치로부터 장기 풍속을 추정한 결과는?	본 연구에서는 광양대교 현장에 설치된 관측탑에서 약 1년간 측정한 풍속을 사용하여 풍환경을 분석하였고, MCP(Measure-Correlate-Predict) 방법을 적용하여 관측치로부터 장기 풍속을 추정하였다. 그 결과를 보면, 광양만은 바다이지만 개활지에 가까운 풍속 특성을 나타내고 있으며, 조도지수는 고도에 따라 달라지는 것으로 나타났다. 아울러 풍향에 따라 난류강도와 조도지수가 상당히 차이나는 것으로 나타났다. MCP 방법으로 추정한 200년빈도 설계풍속은 초기설계치보다 20 m/s이상 낮았으며, 실측된 풍속과 거스트계수를 고려한 설계풍하중은 초기설계치의 36%밖에 안되는 것으로 나타났다. 이를 볼 때 국부적인 지형의 영향으로 추정한 교량 현장의 풍환경과 직접 측정한 풍환경은 차이가 나므로, 경제적이고 안전한 설계를 위해서는 단기간이라도 현장 풍환경 관측이 필요하다고 판단된다.

참고문헌 (18)

권순덕, 이재형(2008) 태풍 시뮬레이션을 통한 서남해안의 극한 풍속 예측, 대한토목학회 논문집, 대한토목학회, 제28권 제4A호, pp. 431-438.
권순덕, 이명재, 백종균(2007) 풍공학적 도전-주경간 1545 m 현수교, 대한토목학회 2007년도 정기학술대회 논문집, 대한토목학회, pp. 46-49.
대한건축학회(2001) 풍하중 해설 및 설계.
대한토목학회 (2006) 케이블강교량설계지침.
배용귀, 한관문, 이성로(2008) 광양 묘도 지역의 통계학적인 풍속 추정, 대한토목학회 논문집, 대한토목학회, 제28권 제2A호, pp. 197-205.
한관문, 신윤재, 이성로(2008) 이순신 대교 인근의 풍관측자료에 의한 풍환경 평가, 대한토목학회 2008년도 정기학술대회 논문집, 대한토목학회, pp. 2492-2495.
전북대학교, http://realtime.chonbuk.ac.kr/, 광양만 해양환경 모니터링 시스템.
鹽谷正雄(1992) 强風の性質, 開發社.
An, Y. and Pandey, M.D. (2005) A comparison of methods of
Ang, A.H.S. and Tang, W.H. (1975) Probability Concepts in Engineering
ASCE (2005) Minimum Design Loads for Buildings and Other
Cook, N.J. (1985) The Designer's Guide to Wind Loading of Building
Harris, R.I. (1996) Gumbel re-visited - a new look at extreme value
Harris, R.I. (2005) Generalized Pareto methods for wind extremes.
Manwell, J.F., Rogers, A.L., McGowan, J.G., and Bailey, B.H.

상세보기
Palutikof, B.B., Brabson, D.H., Lister, S.T., and Adcock, J.P. (1999)
Rogers, A.L., Rogers, J.W., and Manwell, J.F. (2005) Comparison
Simiu, E. and Scanlan, R.H. (1996) Wind Effects on Structures,

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표제어: PCR

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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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