풍동실험에 기초한 개폐식 돔 지붕의 외장재 설계용 풍하중에 대한 연구 :Study on Wind Load for Designing Cladding of Retractable Dome Roof based on Wind Tunnel Test

천동진

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자료유형: 학위논문

저자정보: 천동진 (서울과학기술대학교 )

지도교수: 윤성원

발행연도: 2023

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이용수19

이 논문의 연구 히스토리 (4)

2023

풍동실험에 기초한 개폐식 돔 지붕의 외장재 설계용 풍하중에 대한 연구

천동진 2023.01 학위논문

2019

원형 개폐식 돔 지붕의 풍동 실험을 통한 외장재용 풍압계수 제안

천동진 2019.01 학위논문

2018

풍동 실험을 통한 개폐식 돔 지붕의 외장재용 풍압 계수와 풍하중 기준 비교

천동진 , 김용철 , 윤성원 한국공간구조학회지 2018.01 학술저널

2017

국가별 풍하중 기준과 풍동실험에 따른 대공간 구조물 지붕의 풍압계수 분석

천동진 , 윤성원 한국공간구조학회지 2017.01 학술저널

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개폐식 돔 지붕은 장경간의 구조와 가벼운 재료로 구성되고 주로 저층 건물에 사용되기 때문에 풍하중에 민감한 구조물로 실제 개폐식 돔 지붕에서 바람에 의해 국부적인 외장재 손상 또는 지붕 전체가 손상되는 사례가 발생하고 있다. 개폐식 돔 지붕은 개방 상태에 따라 달라지는 지붕의 기하학적 형상으로 인해 밀폐 상태일 때와 비교해 지붕 주변 흐름의 패턴과 건물 내부의 압력이 변화한다. 따라서 밀폐 및 개방 상태에 따른 모든 풍하중을 고려해야 한다. 밀폐형 돔 지붕의 경우 국내를 포함한 전 세계 각국의 풍하중 기준에서 외장재용 풍하중 산정을 위한 풍압계수를 제시하고 있지만, 개폐식 돔 지붕과 같이 일정 면적이 개방된 형태의 지붕에 적용 가능한 풍압계수는 전 세계 어느 풍하중 기준에서도 제시하지 않고 있으며, 관련 연구 또한 제한적이어서 개폐식 돔 지붕의 설계 시 참고할 자료가 미비한 실정이다.
따라서 이 연구에서는 중심 개방형 개폐식 돔 지붕을 대상으로 고도분포지수 및 형상에 대한 다양한 변수를 적용하여 풍동실험을 통해 취득한 풍압계수 및 파워스펙트럼을 통해 풍압의 분포 특성을 분석하였고, 실험 결과를 국내 풍하중 기준인 KDS 41 10 15와 비교·분석하였다.
풍동실험을 통한 중심 개방형 개폐식 돔 지붕의 풍압 특성을 분석한 결과, 외측면 지붕은 흐름의 박리 영향으로 부압이 지배적이였고, 내측면 지붕은 개구부를 통해 유출입하는 흐름에 의하여 발생하는 내부순환에 의한 변동풍압의 영향으로 부압이 지배적이였다. 내측면 지붕에서 발생하는 부압은 외측면 지붕에서 발생하는 부압을 상쇄시키지만, 외측면 지붕에서 발생하는 정압을 증가시켰고, 이로 인해 외측면 지붕의 피크풍압계수와 비교해 상향풍압인 부의 피크순압력계수는 감소하고, 하향풍압인 정의 피크순압력계수는 증가하는 경향을 보였다. 또한, 개방 영역 지붕 단부에서 박리로 발생하는 와류는 국부적으로 피크순압력계수를 증가시켰다. 이와 같은 결과로 밀폐형 돔 지붕과 비교해 중심 개방형 개폐식 돔 지붕은 내측면 지붕에서 발생하는 부압의 영향이 큰 관계로 정압의 영향이 증가하고, 또한 개구부로 인해 흐름의 박리로 와류가 발생하면서 밀폐형 돔 지붕보다 국부적으로 큰 풍압이 발생하는 것을 알 수 있었다.
실험값을 국내 풍하중 기준인 KDS 41 10 15에서 제시하고 있는 밀폐형 돔 지붕에 대한 풍압계수와 비교한 결과, 기준이 과대 혹은 과소평가되는 것을 확인하였다. 부의 피크순압력계수의 경우 내측면 지붕의 부압이 지배적인 것에 기인해 외측면과 내측면 지붕의 부압이 서로 상쇄되는 실험 결과와 달리 기준은 이와 같은 풍압의 특성을 반영하지 못해 풍상측 영역에서 최대 3.2배 과대평가되었다. 반면, 정의 피크순압력계수의 경우 박리로 인한 와류의 영향으로 절댓값이 증가하는 개방 영역의 지붕 단부 영역에서 기준이 최대 1.4배 과소평가되었다. 따라서 중심 개방형 개폐식 돔 지붕의 외장재 설계용 피크순압력계수가 실험값을 기반으로 제안되었다.

Retractable domes are sensitive to wind loads because of their long-span structures, the lightweight materials used for their construction, and their installation on low-rise buildings. In some instances, wind partially damages the cladding or damages the entire roof in retractable domes. Owing to the geometry of the retractable dome roof, the flow pattern around the roof and the building internal pressure vary under open and closed roof conditions. Therefore, all wind loads must be considered in the abovementioned conditions. For closed dome roofs, pressure coefficients have been proposed to calculate the wind loads for the cladding based on wind load standards worldwide, including that used in Korea. However, the pressure coefficient applicable to roofs with a certain open area, such as retractable dome roofs, has not been provided in any international wind load standard. As few studies have been conducted regarding this issue, reference data for designing a retractable dome roof are scarce.
Therefore, in this study, the wind pressure distribution characteristics of a center-open retractable dome roof are analyzed based on pressure coefficients and power spectra obtained via wind tunnel experiments; parameters such as the power index and dome roof shape are considered. The test results are compared with the values specified in KDS 41 10 15, which is a domestic wind load code.
An analysis of the wind pressure characteristics indicate that negative pressure dominates the external roof surface owing to the effect of flow separation. The negative pressure generated from the inner roof offsets the negative pressure generated from the outer roof but increases the positive pressure generated from the outer roof. Hence, compared with the peak pressure coefficient of the outer roof, the negative peak net pressure coefficient of the upward wind pressure decreases, whereas the positive peak net pressure coefficient of the downward wind pressure increases. In addition, the vortex generated by separation at the edge of the open area of the roof locally increases the peak net pressure coefficient. Consequently, the effect of the positive net pressure under open conditions is significant because the open dome roof is affected more severely by the negative pressure generated from the inner roof compared with the closed dome roof.
A comparison of the experimental values with the wind pressure coefficient for the closed dome roofs specified in KDS 41 10 15 show that the standard value is either overestimated or underestimated. For the case involving a negative peak net pressure coefficient, the negative pressure of the inner roof is dominant, which is different from the experimental results, wherein the negative pressures of the outer and inner roofs cancel each other. This criterion is overestimated by a maximum of 3.2 times in the windward area because it does not reflect the characteristics of wind pressure. By contrast, in the case involving a positive peak net pressure coefficient, the criterion is underestimated by a maximum of 1.4 times in the roof end area of the open portion where the absolute value increases owing to the vortex caused by flow separation. Thus, the peak net pressure coefficient for the cladding design of the center-open retractable dome roof is proposed based on the experimental values obtained.

요 약 ⅰ
표 목차 ⅲ
그림목차 ⅴ
Ⅰ. 서론 01
1. 연구 배경 및 목적 01
2. 연구 내용 및 방법 03
Ⅱ. 이론적 고찰 06
1. 개폐식 돔 지붕 06
2. 돔 지붕의 외장재 설계용 풍하중 기준 10
3. 연구동향 14
4. 이론적 배경 18
1) 베르누이 방정식 18
2) 풍압계수 19
3) 외압 및 내압계수 20
Ⅲ. 풍동실험 22
1. 풍동실험 개요 22
2. 실험모형 23
1) 실험모형Ⅰ 26
2) 실험모형 Ⅱ 27
3) 실험모형 Ⅲ 28
4) 실험모형 Ⅳ 29
3. 자연풍의 모사 31
4. 실험 데이터 측정 방법 40
5. 실험 데이터 해석 방법 45
Ⅳ. 개폐식 돔 지붕의 풍압 분포 특성 48
1. 실험모형Ⅰ(원형, 개폐율 30%, )의 풍압계수 48
1) 외측 및 내측면 지붕의 풍압계수 48
2) 순압력계수 57
2. 실험모형Ⅱ(원형, 개폐율 50%, )의 풍압계수 62
1) 외측 및 내측면 지붕의 풍압계수 62
2) 순압력계수 70
3. 실험모형Ⅲ(원형, 개폐율 50%, 의 풍압계수 75
1) 외측 및 내측면 지붕의 풍압계수 75
2) 순압력계수 82
3) 외측 및 내측 벽면의 풍압계수 87
4) 벽면의 순압력계수 95
4. 실험모형Ⅳ(타원형, 개폐율 55%, )의 풍압계수 99
1) 외측 및 내측면 지붕의 풍압계수 99
2) 순압력계수 111
5. 고도분포지수에 따른 풍압계수 비교 119
6. 개폐율 변화에 따른 풍압계수 비교 125
7. 및 지붕의 경사각 변화에 따른 풍압계수 비교 127
8. 소결 130
Ⅴ. 변동풍압의 파워스펙트럼 133
1. 고도분포지수(α) 및 변화에 따른 풍압 스펙트럼 134
1) 고도분포지수 변화에 따른 풍압 스펙트럼 134
2) 변화에 따른 풍압 스펙트럼 134
2. 실험모형Ⅰ의 파워스펙트럼 137
1) 내측 및 외측면 지붕의 풍압 스펙트럼 137
2) 순압력 스펙트럼 144
3. 실험모형Ⅱ의 파워스펙트럼 150
1) 내측 및 외측면 지붕의 풍압 스펙트럼 150
2) 순압력 스펙트럼 155
4. 실험모형Ⅲ의 파워스펙트럼 160
1) 내측 및 외측면 지붕의 풍압 스펙트럼 160
2) 순압력 스펙트럼 165
5. 실험모형Ⅳ의 파워스펙트럼 170
1) 내측 및 외측면 지붕의 풍압 스펙트럼 170
2) 순압력 스펙트럼 179
6. 소결 187
Ⅵ. 풍하중 기준 비교 및 피크순압력계수 제안 190
1. 풍하중 기준(KDS 41 10 15:2019)과 비교 190
2. 외장재 설계용 피크순압력계수 제안 196
1) 영역 구분 196
2) 피크순압력계수 제안 203
3. 소결 206
Ⅶ. 결론 207
참고문헌 213
영문초록(Abstract) 219

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