[논문]쌍곡포물선 대공간구조물의 지붕 풍압계수분포 특성

유기표; 김영문

doi:10.9712/kass.2012.12.3.047

쌍곡포물선 대공간구조물의 지붕 풍압계수분포 특성
Characteristic of Wind Pressure Distribution on the Roof of Hyperbolic Paraboloid Spatial Structures 원문보기

한국공간구조학회논문집 = Journal of the Korean Association for Spatial Structures, v.12 no.3, 2012년, pp.47 - 54

초록
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대공간 건축물의 특징 중 경량화 된 지붕 구조 및 재료의 사용으로 인해 지붕면의 손상이나 파괴 등의 피해가 많다. 대규모 경기장의 경우에는 지붕의 구조가 철골 트러스와 인장케이블을 기반으로 테프론이라는 막재료를 사용하여 구조체를 감싸거나 덮는 형태로 많이 설계가 되는데, 특히 이 막재료의 피해가 많으며 심각한 상황이다. 이러한 사례를 통해 대공간 건축물의 지붕에 대한 내풍설계 연구는 아직 미흡한 상태임을 알 수 있다. 본 논문은 쌍곡포물선 대공간구조물의 지붕의 형태에 대한 공기역학적인 특성을 알아보기 위하여 풍압실험과 유체해석을 실시하였다. 실험결과 바람이 불어오는 방향의 지붕 모서리에서 가장 큰 최소피크외압계수가 나타나지만 지붕의 길이방향으로 갈수록 최소피크풍압계수는 감소하고 있었다.

Abstract ▼ AI-Helper

The roof surface of spatial structures is often damaged or destroyed because of its light weight roof structure and materials. Many of large scale stadiums have roof structure framed with steel truss or stay cable and wrapped or covered with membrane material Teflon, and this membrane material is easily damaged and its loss is quite serious. Through such examples, it was found that the studies on wind proof design of roofs of large space structures were not sufficiently made. This study conducted wind pressure experiment and fluid analysis in order to examine the aerodynamic characteristic of the roof shape of hyperbolic paraboloid spatial structures. Although the biggest minimum peak wind pressure coefficient was shown in the edges of the roof in the wind origin direction, it decreases with the advancement to the longitudinal direction of the roof.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

CFD해석은 풍동실험에서 얻은 실험결과에 대한 기류흐름을 알아보기 위해서 실시되었다. 본 연구에서 CFD해석에 사용한 소프트웨어는 STREAM 8.
이들의 피해는 구조 설계시 강한 강풍에 의한 영향을 고려하지 않은 것이 그 원인으로 밝혀졌으며, 앞선 사례를 통해 대공간 건축물의 지붕면에 대한 내풍설계 연구는 아직 미흡한 상태임을 알 수 있다^{6)7)8)9)10)11)12)13)14)15)}. 이에본 논문은 쌍곡포물선 대공간구조물에 대한 공기역학적인 특성을 알아보기 위하여 지붕의 형태별 풍압력 분포에 대해서 분석을 실시하였다.

제안 방법

0°와 180°의 풍향각은 서로 상하 원점 대칭관계라는 원리를 이용하여 모형의 절반 면에 대해서 데이터를 원점 대칭시켜 전체 면에 대하여 분석을 실시하였다.
지붕의 풍압력을 측정하기 위한 풍압공은 모형의 대칭을 고려하여 절반에만 설치하였다. 본 논문에서는 길이 120cm의 튜브를 사용하였으며 튜브의 특정위치에 저항관(restrictor)을 이용하여 풍압력 신호를 보정하였다. <그림 2>는 실험에 사용된 튜브에 대한 게인과 위상각에 따른 압력전달 특성에 대한 보정효과를 나타내고 있다.
실험 결과의 해석은 지붕의 형태(직사각형, 정사각형)와 풍향각 변화에 따른 풍압계수(최대, 최소, 평균)에 대하여 알아보았다. <그림 6>-<그림 7>은 풍향각 0°,45°,90°일 때 직사각형과 정사각형 지붕중앙(<그림4> 의 C로 표시된 부분)에 위치한 풍압공에서 측정된 최대, 최소 피크풍압계수 및 평균풍압계수 분포를 나타나고 있다.
실험풍향각은 15°간격으로 회전시키며 0°~90° 방향에서 6개의 풍향각에 대한 풍압을 측정하였다.
쌍곡포물선 안장형에 대한 지붕 풍압실험 은 15°간격으로 24개 방향에 대해서 실시하였다.
이중직각방향으로 서로 다른 부호의 곡률을 가지고 있는 쌍곡포물선(Hyperbolic paraboloid)⁹⁾¹⁰⁾에 대한 풍압실험모형은 직사각형과 정사각형 형태로 만들었다. <그림 1>은 실험대상 쌍곡포물선 건축물의 지붕형태를 나타내고 있다.
풍향각은 45°와 90°에 대해서 해석을 실시하였다.

대상 데이터

국내의 풍하중기준에서 제시하고 있는 교외지역의 지수계수 α= 0.15 (지표면 조도 C)를 사용하였다.
본 풍동실험은 전북대학교의 경계층 풍동에서 실시되었고, 풍동의 측정부의 제원은 실험부 길이 12m, 폭 2.1m, 높이 1.7m로 가변 풍속의 범위는 0.5～10m/s이다.
실험모형은 아크릴로 제작을 하였으며 모형스케일은 1/300이다. <표 1>은 실험모형의 제원을 나타내고 있다.

이론/모형

CFD해석은 풍동실험에서 얻은 실험결과에 대한 기류흐름을 알아보기 위해서 실시되었다. 본 연구에서 CFD해석에 사용한 소프트웨어는 STREAM 8.0다. 풍동실험과 마찬가지로 α = 0.
풍동실험과 마찬가지로 α = 0.15로 기류를 형성하였고, 난류모델은 Standard k-ε을 사용하였다.

성능/효과

1) 쌍곡포물선 안장형은 바람이 불어오는 방향의 지붕 모서리에서 가장 큰 최소피크풍압계수가 나타나지만 지붕의 길이방향으로 갈수록 최소 피크풍압계수는 감소하고 있었다. 형태별 최소 피크계수가 풍향각 0°을 기준으로 하여 정사각형은 80%이상 직사각형은 60%이상 최대 및 평균풍압계수보다 크게 나타나고 있었다.
2) 지붕의 테두리에서 발생하는 최소피크풍압계수의 변화에 대한 풍향각 평가에는 에 따라 다르게 나타나고 있었다. 풍향각이 45°일 때 직사각형지붕의 모서리 부분보다는 지붕의 하단부에서큰 최소피크풍압계수가 계측되었으며 이는 직사각형(변장비 1:2)의 변장비 영향으로 인한 재부착이 원인으로 판단이 된다.
3) 일반적으로 외장재 설계용 평가에 많이 사용 되는 최대/최소 피크풍압계수중에서 최소피크풍압계수의 변화가 가장 크게 나타나고 있어 쌍곡선 안정형의 경우 부재위치별 형태별 외장재 평가에 주의를 해야 할것으로 판단이 된다.
<그림 12>는 정사각형 지붕과 직사각형지붕의 풍향각 변화에 따른 기류흐름은 분석한 그림이다. 바람이 불어오는 방향의 모서리에서 풍속이 갑자기 증가하고 있는 것을 확인할 수 이 있었으며 이는 풍압계수의 분포와 일치하고 있었다.
이는 안장형의 특성으로 인해 양쪽 모서리 부분의 박리 때문으로 판단이 된다. 정사각형과 같이 좌우가 일정한 형태일 경우 바람의 직각방향 모서리에서 큰 박리가 발생하고 있는 것을 확인할 수 있었다.
바람이 불어오는 방향의 지붕 모서리에서 가장 큰 풍압계수가 나타나고 있다가 지붕의 길이방향으로 갈수록 풍압계수는 감소하고 있었다. 특히 최소 피크풍압계수변화가 평균 및 최대피크풍압계수와 비교해서 크게 나타나고 있었다. 그러나 풍향각 변화에 따른 건물 지붕 모서리부분에서의 최소피크풍압계수 변화에서는 풍향각 45°(직사각형)와 풍향각 90°(정사각형)일 때 양쪽모서리에서 동일한 값이 나타나고 있었다.
바람이 불어오는 방향의 직각방향인 지붕의 측면에서 전체적인 풍압계수가 크게 나타나고 있었다. 평균풍압계수의 경우는 지붕의 형태별 특징에서 큰 차이가 나타나고 있지 않았지만 최대/최소 피크풍압계수는 측면모서리에서 직사각형이 정사각형 형태보다 10%-20%정도 크게 나타나고 있었다.
1) 쌍곡포물선 안장형은 바람이 불어오는 방향의 지붕 모서리에서 가장 큰 최소피크풍압계수가 나타나지만 지붕의 길이방향으로 갈수록 최소 피크풍압계수는 감소하고 있었다. 형태별 최소 피크계수가 풍향각 0°을 기준으로 하여 정사각형은 80%이상 직사각형은 60%이상 최대 및 평균풍압계수보다 크게 나타나고 있었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	국내의 막재료에 의한 피해사례는?	대규모 경기장의 경우에는 지붕의 구조가 철골 트러스와 인장케이블을 기반으로 테프론이라는 막재료를 사용하여 구조체를 감싸거나 덮는 형태로 많이 설계가 되는데, 특히 이 막재료에 의한 피해가 많으며 심각하다5) . 예를 들면 2003년 9월 순간최대풍속이 60m/s인 태풍 매미로 인하여 제주 월드컵 경기장의 막구조 지붕막이 심하게 찢어지고 구조물의 안전성까지도 위협할 정도였다. 또한 미국의 Georgia Dome 경기장은 완공된 후 3년이 지난 1995년에 강풍으로 인하여 지붕막이 10m 이상 찢어졌으며, 미국 Raleigh 체육관은 강풍 발생에 따른 지붕면의 심한 진동으로 내부사용에 위험을 느끼고 사용이 불가능해지자 그 피해를 막기 위해 지붕 하부에 연결 골재를 설치하였다. 이들의 피해는 구조 설계시 강한 강풍에 의한 영향을 고려하지 않은 것이 그 원인으로 밝혀졌으며, 앞선 사례를 통해 대공간 건축물의 지붕면에 대한 내풍설계 연구는 아직 미흡한 상태임을 알 수 있다6)7)8)9)10)11)12)13)14)15).
	CFD해석을 실시한 이유는?	CFD해석은 풍동실험에서 얻은 실험결과에 대한 기류흐름을 알아보기 위해서 실시되었다. 본 연구에서 CFD해석에 사용한 소프트웨어는 STREAM 8.
	대공간 건축물의 특징 중 경량화 된 지붕 구조 및 재료의 사용으로 발생하는 문제는?	또한 대규모의 공간 구조물에 경량화 된 지붕 구조 및 재료1)2), 불특정 다수 이용 시설물이라는 고유의 특성으로 인해 구조 설계 및 시공이 난해하고 이러한 특성을 충분히 고려하지 않을 경우에는 구조물의 파손이 발생할수 있a으며 더 나아가 구조물의 붕괴로 이어질 수 있다3)4). 대공간 건축물의 특징 중 경량화 된 지붕 구조 및 재료의 사용은 지붕면의 손상이나 파괴 등의 피해가 많다. 대규모 경기장의 경우에는 지붕의 구조가 철골 트러스와 인장케이블을 기반으로 테프론이라는 막재료를 사용하여 구조체를 감싸거나 덮는 형태로 많이 설계가 되는데, 특히 이 막재료에 의한 피해가 많으며 심각하다5) .

참고문헌 (17)

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유기표, "측벽 개방유무에 따른 축사지붕면의 풍압계수 특성분석" 한국공간구조학회, 제11권 2호 2011
유기표 외 2인 "비닐하우스의 형태와 배치에 따른 지붕면 피크외압계수 특성분석",한국공간구조학회, 제10권 1호, 2010
김영문 역, 실무자를 위한 건축물 풍동실험 가이드북, 한국풍공학회, 1998
김영문 외 2인 역, 건축물의 내풍설계, 한림원, 2002

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

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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