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가설 설정
- Z1은 풍상면에 해당 하는 영역이며 Z2는 풍하면, 나머지 영역은 돔 중심부이다. 두 Z영역은 난류와 후류의 영향을 받는 영역으로 지붕 단부로부터 지붕 직경의 10%만큼 이격된 거리로 영역을 가정하고, 그 외 나머지 영역은 돔 중심부로 가정한다3). 따라서 비교를 위해 영역별 적절한 위치의 풍압탭을 선택하였으며 풍압탭의 위치 또한 그래프와 함께 나타내었다.
제안 방법
- 1]과 같이 대부분 지붕이 플랫하거나 f/D가 낮은 경우가 많다. 따라서 본 논문에서는 f/D=0.1의 밀폐형 돔 지붕 및 개방형 돔 지붕에 대한 변동 풍압 특성을 파악하기 위해 Wall height/Span ratio(이하 H/D라 칭함)를 변화시키며 풍동 실험을 실시한 후 풍압 특성을 분석하였다. 또한 Sun, Qiu & Wu(2013)이 제안한 스펙트럼 모델3)과 실험의 스펙트럼 비교를 통해 선행 연구에서 제안된 스펙트럼 모델의 적용 가능성을 검토하였다.
- 또한 Sun, Qiu & Wu(2013)이 제안한 스펙트럼 모델3)과 실험의 스펙트럼 비교를 통해 선행 연구에서 제안된 스펙트럼 모델의 적용 가능성을 검토하였다.
- 본 연구와 Sun, Qiu & Wu(2013)의 선행 연구 결과로 제안된 스펙트럼 모델과의 비교를 통해 제안된 스펙트럼 모델의 적용 가능성 검토하였다.
- 3m/s, 난류 강도 16%이다. 실험은 레이놀즈 수의 영향을 받지 않는 풍속을 산정하여 실시하였다. 실험에 사용된 레이놀즈 수는 Re=2.
- 지붕의 위치별 풍압 스펙트럼을 분석하기 위해 총 8개의 탭을 선택하여 분석을 실시하였다. H/D의 증가는 스펙트럼 변화에 큰 영향을 미치지 않으므로 H/D=0.
- 풍동 실험을 통해 f/D=0.1의 밀폐형 및 개방형 돔 지붕의 변동 풍압을 풍압 스펙트럼을 통해 분석하였으며, 선행 연구와의 비교를 통해 기존에 제안된 스펙트럼 모델의 적용 가능성을 검토하였다. 주요 결과를 요약하면 다음과 같다.
- 풍향의 경우 실험 모형의 평면이 원형이므로 0도만을 대상으로 실험하였다. 풍압 측정은 샘플링 주파수 1,000Hz로 10개의 실제 시간 10분에 상당하는 시간이력 데이터를 얻을 수 있도록 계측 시간을 조정하였으며, 이동 평균 0.2초 데이터를 사용하여 분석을 실시하였다. 폐쇄율의 경우 2% 미만으로 데이터에 대한 보정은 하지 않았다.
- 9]는 풍압탭 위치별 밀폐 및 개방형 지붕의 풍압 스펙트럼을 비교한 것이다. 풍압탭의 위치는 스펙트럼 형상이 유사한 돔 중심부를 제외하고 명확한 차이를 보이는 지붕 단부 위치의 탭을 선택하였다. 밀폐형과 비교해 전체적으로 고주파수 범위에서 파워가 상승된 광대역 패턴의 풍압 스펙트럼을 확인할 수 있었으며 특히 중심부 영역의 지붕 단부 부분에서 큰 차이를 보였다.
대상 데이터
- 지붕의 위치별 풍압 스펙트럼을 분석하기 위해 총 8개의 탭을 선택하여 분석을 실시하였다. H/D의 증가는 스펙트럼 변화에 큰 영향을 미치지 않으므로 H/D=0.5만을 대상으로 표현하였으며, 풍압 스펙트럼의 무차원 주파수 1 부근에 피크가 나타나는 것은 공기역학적 개념이 아닌 기계적인 영향에 의해 발생되는 것으로 사료되므로 분석에 반영하지 않았다.
- 6]은 모형에 배치된 풍압탭을 나타낸 것으로 30도 간격씩 총 12개의 라인(L)으로 구성하였다. 돔 중심부에 위치한 풍압탭을 포함한 한 라인의 풍압탭 개수는 밀폐형 18개, 개방형 10개로 총 개수는 각각 205개와 121개이다.
- 5]에 나타내었다. 모형의 라이즈 f는 0.04m, 직경 D는 0.4m로 제작하였으며, 개방형 지붕의 경우 돔 지붕의 직경을 기준으로 개폐율 50%(0.2m)로 제작하였다. 따라서 지붕의 f/D는 0.
- 풍동 실험은 일본 동경공예대학에 위치한 대형 경계층 풍동 실험실에서 실시하였다. [Fig.
- 풍향의 경우 실험 모형의 평면이 원형이므로 0도만을 대상으로 실험하였다. 풍압 측정은 샘플링 주파수 1,000Hz로 10개의 실제 시간 10분에 상당하는 시간이력 데이터를 얻을 수 있도록 계측 시간을 조정하였으며, 이동 평균 0.
데이터처리
- 선행 연구의 기류와 모델 파라미터가 본 연구와 다소 차이 있으므로 이를 정리하여 [Table 2]에 나타내었다3). 본 연구와 가장 유사한 형태인 f/D=0.14 및 동일한 고도분포지수인 지표면조도 C의 데이터를 기준으로 비교하였다.
이론/모형
- 국내 기준 지표면조도 B(α=0.21)와 C(α=0.15)(이하 기류 1 및 기류 2라고 칭함)를 모의하였으며, 국내 풍하중 기준인 KBC2016을 참고하여 평균 풍속 및 난류 강도를 재현하였다8),9).
성능/효과
- [Fig. 10 (a)]의 풍상면 스펙트럼에서 밀폐형 및 개방형 지붕은 무차원 주파수 0.3~0.4에 피크를 보이는 반면, 제안된 스펙트럼은 이보다 감소된 0.1에서 피크를 보였다. 돔 중심부의 지붕 단부에 해당하는 [Fig.
- [Fig. 9 (a)]의 풍상면에 위치한 풍압탭의 스펙트럼은 고주파수 범위의 파워가 증가하여 밀폐형에 비해 더욱 광대역 형상을 보이며 피크가 0.7 내지 0.8에 나타났다. [Fig.
- 1) 밀폐형 및 개방형 돔 지붕 모두에서 H/D 변화는 스펙트럼 변화에 큰 영향을 주지 않음을 확인하였다.
- 2) f/D=0.1의 밀폐형 돔 지붕은 후류에 의해 발생되는 2번째 피크의 크기 및 무차원 주파수가 f/D=0.2 이상의 돔 지붕보다 상대적으로 작게 나타남을 알 수 있었다.
- 3) 개방형 돔 지붕의 풍압 스펙트럼은 박리때문에 복잡해진 난류로 인해 밀폐형 돔 지붕보다 고주파수 범위에서 파워가 증가되는 것을 확인하였으며, 풍직각 방향지붕 단부의 경우 무차원 주파수 1~2 사이에 광대역 형상의 피크가 발생되는 것을 알 수 있었다.
- 4) 선행 연구에서 제안한 풍압 스펙트럼의 모델은 풍상면, 돔 중심부 그리고 풍하면 영역 모두에서 실험 결과와 다른 피크 주파수 및 스펙트럼 형상을 보였다. 이는 밀폐형 돔 지붕의 경우 난류 강도, 돔 모형의 파라미터 등 실험 조건과 돔 지붕의 모양 차이에 의해 나타나는 현상으로 판단된다.
- 여기서 f는 주파수, D는 돔의 스팬, UH는 모형별 지붕 최고 높이에서의 평균 풍속이며, σ은 압력 변동의 표준편차를 나타낸다. 높이 변화에 따른 풍압 스펙트럼의 변화에 초점을 두고 살펴보았을 때 H/D의 변화는 스펙트럼 형상 변화에 큰 기여를 하지 않음을 확인하였다. [Fig.
- 풍압탭의 위치는 스펙트럼 형상이 유사한 돔 중심부를 제외하고 명확한 차이를 보이는 지붕 단부 위치의 탭을 선택하였다. 밀폐형과 비교해 전체적으로 고주파수 범위에서 파워가 상승된 광대역 패턴의 풍압 스펙트럼을 확인할 수 있었으며 특히 중심부 영역의 지붕 단부 부분에서 큰 차이를 보였다. [Fig.
- 3 부근에 피크가 나타난다. 비교 결과, 풍상면 및 돔 중심부에서 제안된 스펙트럼은 실험결과보다 감소된 피크 주파수를 보였고, 풍하면에서 완전히 다른 형상의 스펙트럼을 보였다. 이는 난류 강도, 모델 파라미터 등의 차이에 의해 발생되는 것으로 사료되며, 특히 선행 연구에 비해 낮은 f/D가 가장 큰 원인으로 사료된다.
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