[논문]난류강도의 영향을 고려한 초고층 프로토타입 모델의 풍압특성에 관한 수치 해석적 연구

정소영; 이경수; 한상을

난류강도의 영향을 고려한 초고층 프로토타입 모델의 풍압특성에 관한 수치 해석적 연구
A Numerical Study on Wind Pressure Characteristics of Super-tall Protype Model considering the Effect of Turbulence Intensity 원문보기

韓國鋼構造學會論文集 = Journal of Korean Society of Steel Construction, v.23 no.6 = no.115, 2011년, pp.659 - 667

정소영 (인하대학교 건축공학과) , 이경수 (인하대학교 건축공학과) , 한상을 (인하대학교 건축공학과)

초록
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최근 초고층 빌딩의 구조설계에 있어서 풍하중이 가장 중요한 하중요소로 다루어지고 있으며, 일반적으로 풍하중 산정은 풍동실험에 의하여 수행되어 왔다. 그러나 보다 간편하면서도 정밀한 산정방법의 개발에 대한 필요성이 증대되면서 그 방법의 하나로 수치해석적인 접근법인 전산유체역학이 이용되고 있다. 또한 CFD해석은 실제 스케일로 모델링 및 시뮬레이션이 가능하고 시간도 단축할 수 있는 장점을 가지고 있다. 그럼에도 불구하고 실제 프로젝트에 대한 연구의 역사와 검증과정이 일천하여 이 해석법에 의한 신뢰도가 낮기 때문에 그 활용은 미미한 실정이다. 따라서 본 연구에서는 기존연구에서 제시된 프로토타입 모델의 풍동실험 결과와 CFD해석을 통한 해석 결과의 비교를 통해 CFD해석의 신뢰도를 입증하며, 더불어 난류강도가 신뢰도에 미치는 영향에 대해 제시하고자 한다.

Abstract ▼ AI-Helper

Wind tunnels tests have been evaluating wind load estimation by discussing the most important design elements in very tall buildings. Such tests have some uncertainties, however, with respect to the data of the reduced model and the calculated empirical values. In contrast, CFD analysis can simulate the actual scale and shorten the time of simulation. Nevertheless, the utilization of CFD analysis is negligible because of its low reliability. In this paper, the reliability of CFD analysis will be proven by comparing the results of a wind tunnel test and CFD analysis for the prototype models shown in previous studies. The effect of the turbulence intensity on the reliability is also presented.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구는 풍동실험과의 비교를 통해 CFD 해석의 신뢰도 입증과 또한 풍하중 시뮬레이션에 있어 난류강도의 영향 특성에 대해 파악하는 것을 목표로 하였다.
본 연구에서는 난류강도가 CFD해석 결과 수행에 있어 영향을 미치는 정도를 알아보기 위하여 모델의 기본 개요에서 난류강도의 값만 그래프 값이 아닌 Constant값 0.01을 주어 CFD해석 결과에 미치는 영향을 살펴보고자 한다. 적용예제 모델의 기본 개요는 기존 모델들과 동일하게 밑면이 각각 50m이며 면적은 2500m 2이다.
이 논문에서는 기존 연구(Tamura 등, 2010)에서 다루어진 풍동실험 모델에 CFD해석법을 적용하여 수치해석을 수행하고, 풍동실험의 결과와 비교 분석을 통해 초고층 건축물의 풍환경 영향평가에 CFD해석의 신뢰도를 입증하며, 또한 난류강도가 CFD해석 결과의 신뢰도에 미치는 영향에 대해 제시하고자 한다. 풍동실험 결과와 수치해석 결과의 비교 평가 방법으로는 무차원량인 풍압계수 C_p를 통해 평가하였다.

가설 설정

4.1절의 적용 예제와 모든 기본 조건은 동일하나 모델의 Helical각도가 90°이다.
5) 풍속과 난류 강도 값들을 그래프의 형태로 풍동실험과 동일하게 설정한다.

제안 방법

1) 기존연구(Tamura 등, 2010)에서 제시한 프로토타입(Prototype) 모델 형상과 사이즈를 생성하고, CFD 해석 수행에 필요한 공간 도메인(Domain), 물리조건 및 값, 풍속 값, 난류 강도 등 대상 구조물에 대한 데이터를 분석한다.
6) CFD해석을 수행한다.
CFD해석 수행결과의 신뢰도 입증을 위한 프로토타입 모델 기본 조건은 기존 연구(Tamura 등, 2010)와 동일한 조건으로 하였고, 모델의 풍압분포와 비교계수 C_p를 풍동실험과 비교하기로 한다. 그 결과 Square모델의 경우를 제외하고 90° Helical, 180° Helical 2가지 모델이 기존 연구 (Tamura 등, 2010)의 풍동실험 결과와 유사한 풍압분포의 양상을 보였다.
CFD해석을 위해 적용예제는 3D로 모델링하여 Mesh를 생성한다. Mesh를 생성한 모델은 표 2의 적용예제 기본 개요에 맞게 산정하여 해석을 수행하였다.
기본 개요에 맞추어 180° Helical 모델을 3D로 모델링후 그림 15와 같이 Mesh를 생성하여 CFD해석을 하였다.
모델의 조건은 적용예제 1, 적용예제 2와 동일하고 Helical 각도만 180°가 되도록 모델링 하였다.
밑면이 50m로 면적 2500m2이며 높이가 400m인 기본 개요 조건에 맞추어 3D로 모델링한 90° Helical 모델 또한 그림 11과 같이 Mesh를 생성한 후 CFD해석을 수행하도록 한다.
본 연구에서 풍동실험과 CFD해석 결과 비교를 위해 기존 연구(Tamura 등, 2010)에 사용된 풍동실험 모델과 동일한 크기의 3D로 모델링을 하였다.
그림 3에 나타난 점들은 도시의 평균 풍속과 평균 난류강도를 나타내고, 실선은 기존연구(Tamura 등, 2010)의 실험에서 적용한 풍속과 난류강도를 나타낸다. 본 연구에서는 기존연구(Tamura 등, 2010)의 결과와 CFD 결과를 비교하는 것이므로 실선의 풍속과 난류강도를 적용하였다.
본 연구에서는 전산유체역학(CFD)해석을 수행하기 위해서 STAR-CD 프로그램으로 구현하였으며, CFD해석을 위한 절차 및 흐름도는 그림 4와 같다.
적용예제 2는 그림 6(b)에 해당하는 90° Helical 형태의 모델이다. 본 예제 또한 적용예제 1과 동일하게 모든 조건은 기존 연구(Tamura 등 2010)의 풍동실험 모델과 동일한 조건을 입력하여 해석한다.
풍동실험과 CFD해석을 통해 얻게 되는 모델표면의 풍압분포도를 바탕으로 적용모델의 표면에 생기는 표면형상계수 C_p 값을 가지고 풍동실험과 CFD해석 결과를 비교 해석한다. 비교계수인 C_p는 평균풍압과 평균속도압의 비로 나타내어진다.
풍속(Velocity)와 난류강도는 기존 연구(Tamura 등, 2010)와 동일하게 그림 3과 같이 그래프로 입력하여 CFD 해석을 수행하였다.

대상 데이터

검증 모델의 크기는 바닥 면적이 2500m2이고 높이가 400m이며 모형은 Square, 90° Helical, 180° Helical 모델로 3가지이다.
적용예제 3은 형태가 그림 6(c)와 같이 180° Helical인 모델이다.

데이터처리

9) 적합성에 만족하면 CFD해석 결과를 데이터로 생성하여 기존 연구(Tamura 등, 2010)의 풍동실험 결과와 비교한다.
적용예제 1은 그림 6(a)에 해당하는 Square 모델로 STAR-CD프로그램을 통해서 CFD해석을 수행하여 기존 연구(Tamura 등, 2010)에서의 풍동실험과 비교하였다.
이 논문에서는 기존 연구(Tamura 등, 2010)에서 다루어진 풍동실험 모델에 CFD해석법을 적용하여 수치해석을 수행하고, 풍동실험의 결과와 비교 분석을 통해 초고층 건축물의 풍환경 영향평가에 CFD해석의 신뢰도를 입증하며, 또한 난류강도가 CFD해석 결과의 신뢰도에 미치는 영향에 대해 제시하고자 한다. 풍동실험 결과와 수치해석 결과의 비교 평가 방법으로는 무차원량인 풍압계수 C_p를 통해 평가하였다.

이론/모형

k-ε Turbulence모델은 난류의 영향이 크지만 수송방정식을 유도하기 쉽고 다른 방법에 비해 높은 신뢰성을 보이기에 본 실험에서 난류모델로 k-ε Turbulence모델을 적용한다.

성능/효과

3가지의 프로토타입 모델을 통해 해석한 결과 난류강도는 CFD해석 수행에 있어서 모델의 풍압분포에 영향을 주며, 그 정도에 있어서는 Square모델이 풍직각방향에서 발생하는 난류를 고려하지 못해 풍압분포 형상이 차이가 나게 되므로, Helical 모델보다 난류강도의 영향을 많이 받음을 알 수 있었다.
그 결과 Square모델의 경우를 제외하고 90° Helical, 180° Helical 2가지 모델이 기존 연구 (Tamura 등, 2010)의 풍동실험 결과와 유사한 풍압분포의 양상을 보였다.
이는 박리 계층으로 인한 측면에 발생하는 난류의 영향을 CFD해석에서 고려하지 못함으로 인해 발생한 오차로 사료된다. 또한 CFD해석 수행과정에 있어 3가지 모델 모두 난류강도의 값이 일정한 상수 값인 경우보다 풍동실험과 같은 그래프 값으로 주어졌을 때 풍압분포 양상과 C_p값이 해석 결과의 신뢰도가 더 높게 도출되었다. 그림 19, 그림 20, 그림 21을 통해 알수 있듯이 난류의 영향이 큰 Square모델의 경우가 두 Helical모델에 비해 난류강도에 대한 영향이 더 큼을 확인할 수 있다.
또한 정면에서 불어오는 바람을 Square모델이 받으면서 후면에서는 소용돌이치는 형태의 와류가 크게 형성되는 모습도 관찰된다. 또한 높이가 상승할수록 바람의 속도가 강해지기 때문에 후면에 생기는 와류의 세기는 최상층 400m지점에서 가장 크게 나타났다.
이로 인해 난류에 대한 영향이 Square모델보다 Helical 모델이 더 작고, Helical모델과 같이 난류에 대한 영향력이 작은 모델에 대해서는 CFD해석 결과의 신뢰도가 큼을 입증할 수 있다. 그러나 일반적인 Square모델의 경우 풍직각방향인 측면에 대해 차이를 보이는 면에 대해서는 그 오차를 줄이기 위한 방안이 필요하다.
적용예제 1에서는 측면 부분의 풍압 분포도에서 풍압 분포도의 형태가 차이를 보였으나 90° Helical 모델은 두 해석 결과의 Cp값의 최대 오차율이 13.3%(±7.5Pa)로 경향이 일치하게 나타났으며, 또한 측면의 풍압 분포도의 형태까지 비슷한 양상을 보이는 것을 알 수 있었다.
풍동실험과 CFD해석 결과의 차이는 최소 1.1%(±0.6Pa), 최대 41.8%(±12.3Pa)의 오차율을 보인다.

후속연구

측면에 발생하는 오차는 박리로 인해 발생하는 와류의 영향에 대해 실제 풍동실험과는 달리 CFD해석에서는 k-ε난류모형으로 가정하여 난류가 등방성을 가지게 됨으로 인해 CFD해석 값이 항상 더 크게 된다. 따라서 향후 박리경계층에 의해 발생하는 난류를 고려해야하는 모델의 경우에는 측면 오차를 줄일 수 있는 방안에 대해 추가 연구가 필요할 것으로 사료된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	현재 일반적으로 풍하중 산정은 무엇에 의하여 수행되고 있는가?	현재 일반적으로 풍하중 산정은 풍동실험에 의하여 수행되고 있다. 최근 고층 건물들의 외관은 전통적인 대칭의 직사각형이나 삼각형 혹은 원형의 형상에서 벗어나 비정형적인 자유로운 형태의 디자인이 증가하고 있기 때문에 풍하중 산정의 중요도는 더욱 커지고 있는 추세이다.
	풍하중 산정의 중요도가 더욱 커지고 있는 추세인 이유는 무엇인가?	현재 일반적으로 풍하중 산정은 풍동실험에 의하여 수행되고 있다. 최근 고층 건물들의 외관은 전통적인 대칭의 직사각형이나 삼각형 혹은 원형의 형상에서 벗어나 비정형적인 자유로운 형태의 디자인이 증가하고 있기 때문에 풍하중 산정의 중요도는 더욱 커지고 있는 추세이다. 그에 따라 초고층 건축물에 대한 효율적이고 안전한 설계를 위해서는 풍하중 특성에 대한 정확한 정보를 확보해야 한다.
	전산유체역학 해석은 어떠한 장점이 있는가?	이러한 이유로 보다 간편하면서도 정밀한 산정방법의 개발에 대한 필요성이 증대되면서 그 방법의 하나로 수치해석적인 접근법인 전산유체역학(Computational Fluid Dynamics : CFD)이 이용되고 있다. 또한, CFD해석은 컴퓨터상에서 실제 스케일로 모델링 및 수치 시뮬레이션이 가능하고 프로젝트 수행의 소요시간도 단축할 수 있는 효율성을 가지고 있으며, 특히 초기 건축계획 단계의 개념설계에서 건축물의 다양한 형태에 대한 풍거동 특성을 테스트할 수 있는 장점이 있다.

참고문헌 (11)

김영문, 윤성원, 정영배(2002) 건축물의내풍설계, 도서출판한림원.
이경수, 한상을(2009) 비정형 초고층 건축물에 적용 가능한 CFD 해석, 전산구조공학회지, 전산구조공학회, 제22권, 제5호, pp.15-23.
이수홍, 한동섭, 한근조(2009) 컨테이너크레인의전산유동해석과 풍동실험에 의한 풍하중 분석, 한국항해항만학회지, 한국항해항만학회, 제33권, 제3호, pp.215-220.

원문보기 상세보기
정재용, 이승창, 김형규, 오정근(2007) 돔 구조물에서의 풍하중 산정을 위한 외압계수 평가, 2007년도 학술대회발표대회논문집, 한국강구조학회, pp.1129-1132.
정재용, 오정근, 이승창(2006) 전산 유체 해석을 이용한 고층 구조물 주위의 기류 흐름 해석에 관한 연구, 대한건축학회 학술발표대회논문집, 대한건축학회, 제26권, 제1호. pp.53-56.
조정훈, 임사랑, 정소영, 이경수, 한상을(2011) CFD해석을 통한 초고층 건축물의 풍환경 변화분석 및 풍동실험과의 비교, 학술발표대회 논문집, 한국강구조학회, pp.49-50.
조혜진, 유기표, 김영문(2010) 풍환경실험에 대한 풍동실험과 CFD 비교, 2010년도 춘계학술발표대회 논문집, 한국공간구조학회, 제7권, 제1호, pp.184-187.
한상을, 박지선(2008) 전산유체역학을 이용한 셸 구조의 형상에 따른 풍압 특성에 관한 연구, 대한건축학회논문집(구조계), 대한건축학회, 제24권, 제4호, pp.51-58.

상세보기
한상을, 양재근, 이상주, 이경수, 박지선(2007) 전산유체역학을 이용한 초고층 아파트의 풍환경 영향평가 사례 연구, 2007년도 학술발표대회 논문집, 한국강구조학회, pp.141-142.
한상을, 이재영(2009) 전산유체역학을 이용한 풍향에 따른 막구조물의 풍압 해석, 2009년도 학술대회발표대회 논문집, 한국강구조학회, pp.157-158.
Tamura, Y., Tanaka, H., Ohtake, K., Nakai, M., and Kim, Y.C. (2010) Aerodynamic charactristics of tall building models with various unconventional configurations, Structures Congress, ASCE, pp.3104-3113.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

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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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