건설 기술의 발달과 상징성 등에 의해 건축물은 고층화뿐만 아니라 입면 및 평면의 형상이 다양해지고 복잡해지고 있다. 이에 따라 풍하중을 평가하는 방법도 꾸준히 발전해야하며 이에 대한 연구가 진행되어야 한다. 주골조용 수평풍하중은 탄성 범위 내에서 1차 진동모드가 지배적인 것을 기반으로 하고 있다. 최대풍하중은 평균풍하중과 변동풍하중의 합으로 산정할 수 있으며 변동풍하중은 비공진풍하중과 공진풍하중으로 구성된다. 평균풍하중은 정적인 해석으로 쉽게 산정할 수 있고 변동풍하중은 스펙트럼모드해석으로 동적인 영향을 고려하여 산정하고 있다. 본 연구에서는 주골조용 변동풍하중의 산정 과정에서 여러 가지 해석 방법을 적용하고자 하였다. 이를 위해 국부적인 풍압력을 측정할 수 있는 풍압실험을 수행하였으며 이를 통해 층풍력 데이터를 얻을 수 있었다. 층풍력 데이터로 변동풍력계수의 연직분포를 산정하였고 이를 비공진풍하중의 산출 과정에 적용하였다. 또한 다자유도 해석으로 공진풍하중을 산정하여 단자유도 해석의 결과와 비교하였고 다차 모드에 의한 영향을 고려하기 위하여 모드별 응답을 산출하고 이를 조합하여 공진풍하중에 적용하였다. 연구의 결과를 요약하면 다음과 같다.

1) 풍압실험과 풍압적분법으로 평균풍력계수 및 변동풍력계수의 연직분포를 산출하였다. 평균풍력계수의 연직분포는 현재 풍력실험에서 사용하고 있는 지수법칙을 근거로 한 연직분포 와 매우 유사한 것을 확인하였다. 변동풍력계수의 연직분포는 풍향이 0°인 경우에는 높이방향으로 일정하다고 보기 어려웠다. 또한 변장비 1을 기준으로 변동풍력계수의 연직분포의 경향이 확연히 다른 것을 볼 수 있었다. 따라서 풍향 0°에 한하여 변동풍력계수의 연직분포를 비공진풍하중의 산정 과정에 적용하였다. 그 결과, 풍방향에서는 풍압실험으로 얻은 변동풍력계수의 연직분포를 적용한 비공진풍하중이 모든 층에서 더 작게 나타났다. 그러나 풍직각방향과 비틀림방향에서는 이와 반대로 나타났으며 최대 약 40%의 차이를 보였다. 이에 본 연구에서는 지표면조도구분이 B이고 평면형상이 사각형인 건축물에 한하여 적용할 수 있는 풍직각방향 및 비틀림방향에 대한 변동풍력계수의 연직분포 식을 제안하였다. 제안식으로 구한 값과 실험값에 대한 오차율은 최대 7.2%로 나타났다.
2) 공진풍하중을 산정하는 과정에서 다자유도 해석을 적용하였다. 층별 파워스펙트럼밀도의 기울기는 각 층마다 거의 유사하였고 높이가 높을수록 값이 더 크게 나타났다. 이러한 경향은 풍방향, 풍직각방향, 비틀림방향 모두 동일하였다. 다자유도 해석으로 산출한 풍방향과 비틀림방향에서의 가속도응답은 단자유도의 가속도응답보다 더 크게 나타났으며 풍직각방향에서는 반대의 경향을 보였다. 공진풍하중은 가속도응답에 비례하기 때문에 가속도응답의 경향과 동일하다. 단자유도 해석으로 산출한 공진풍하중과 다자유도해석으로 산출한 공진풍하중은 약 20∼30%의 차이를 보였다. 단자유도 해석 시 층별 가속도응답은 최상층의 가속도응답에 건축물의 모드형상을 곱하여 산출한다. 따라서 다자유도해석으로 층별 가속도응답을 구한다면 보다 정확히 공진풍하중을 산정하는데 도움이 될 것으로 판단된다.
3) 공진풍하중은 1차 모드의 응답만을 고려하여 스펙트럼모드해석을 통해 산정하고 있다. 그러나 2차 이상의 모드도 장주기에 해당되면 그 영향을 무시하기 어려울 수 있다. 이에 본 연구에서는 공진풍하중을 산정하는 과정에서 1차 모드뿐 아니라 2차 모드의 영향 또한 고려하고자 하였다. 이를 위해 모드별 풍응답을 산출하였으며 이를 조합하여 최종적으로 공진풍하중을 산정하였다. 가속도응답을 산출한 결과, 1차 모드의 응답이 2차 모드의 응답보다 2∼4배 정도 크게 나타났다. 특히 풍직각방향에서 약 9배의 차이를 보였다. 다차 모드를 조합한 공진풍하중은 1차 모드만을 고려한 경우보다 약 1.5∼1.7배 크게 나타났다. 따라서 다차 모드를 조합하여 공진풍하중을 평가한다면 1차 모드만을 고려한 경우보다 크게 산정될 것으로 판단된다. 1차 모드 응답과 2차 모드 응답의 차이는 단순이 고유진동수의 차이뿐만 아니라 파워스펙트럼밀도의 기울기에도 큰 영향을 보인다. 1차 고유진동수와 2차 고유진동수의 차이가 크지 않더라도 파워스펙트럼밀도의 기울기가 더 급격한 경우에는 응답의 차이가 크게 나타날 수 있다. 따라서 단순히 건축물의 고유진동수만으로 다차모드의 고려 여부를 판단하기보다 파워스펙트럼밀도의 형태도 고려해야할 필요가 있다.

본 연구는 주골조용 변동풍하중을 산정하는 과정에서 여러 가지 해석 방법을 적용하였다. 본 연구의 결과는 비공진풍하중 및 공진풍하중을 산정하는데 기초적인 자료로 제공될 수 있을 것으로 사료된다.

According to the development of construction technology and symbolism, not only the height of buildings increases, but also the shapes of elevations and planes are becoming more diverse and complicated. The calculation method of wind load should be continuously developed and research should be conducted. The wind load for the main structural frame is based on the dominance of the first mode within the elastic range. The maximum wind load can be calculated as the sum of the mean wind load and the fluctuating wind load, and the fluctuating wind load consists of the background wind load and the resonance wind load. The mean wind load can be easily calculated by static analysis, and the fluctuating wind load is calculated by considering the dynamic effects by spectral modal analysis. In this study, various analysis methods were applied in the process of calculating the fluctuating wind load for the main structural frame. To this end, a wind pressure test was conducted to measure the local wind pressure, and wind force data for each floor was obtained. The vertical profile of the fluctuating wind force coefficient was calculated using the wind force data and applied to the calculation of the background wind load. In addition, the resonance wind load was calculated by Multi-Degree-Of-Freedom analysis and compared with the results of Single-Degree-Of-Freedom analysis. And in order to consider the effect of multi-order modes, the response for each mode was calculated and applied to the resonance wind load. The results of the study are summarized as follows.

1) The vertical profile of the mean wind force coefficient and the fluctuating wind force coefficient were calculated through wind pressure test and Pressure Integration Method. It was confirmed that the vertical profile of the mean wind coefficient was very similar to the vertical profile based on the power law currently used in HFFB. The vertical profile of the fluctuating wind force coefficient was difficult to be considered constant when the wind direction was 0°. In addition, it can be seen that the trend of the vertical profile of the fluctuating wind force coefficient is markedly different based on the side ratio 1. The vertical profile of the fluctuating wind force coefficient was applied to the calculation process of the background wind load only for the wind direction of 0°. As a result, in the along-wind, the background wind load to which the vertical profile of the fluctuating wind force coefficient obtained by the wind pressure test was applied was smaller in all floors. However, in the across-wind and the torsion, it appeared opposite to this trend and showed a difference of up to about 40%. Therefore, in this study, the vertical profile formula of the wind force coefficient for the along-wind and torsion, which can be applied only to buildings with a surface roughness of B and a rectangular plan shape, was proposed. The error rate between the value obtained by the proposed formula and the experimental value was up to 7.2%.
2) In the process of estimating resonance wind load, MDOF analysis was applied. The slope of the power spectrum density for each floor was almost similar for each floor, and the higher the height, the larger the value. This trend was the same in along-wind, across-wind, and torsion. The acceleration responses in the along-wind and torsion calculated by the MDOF analysis were larger than those in the SDOF, and showed the opposite tendency in the across-wind. Since the resonance wind load is proportional to the acceleration response, it is the same as the tendency of the acceleration response. The resonance wind load calculated by SDOF analysis and the resonance wind load calculated by MDOF analysis showed a difference of about 20∼30%. In SDOF analysis, the acceleration response of each floor is calculated by multiplying the acceleration response of the top floor by the mode shape of the building. Therefore, it will be helpful to calculate the resonance wind load more accurately if the acceleration response for each floor is obtained by MDOF analysis.
3) The resonance wind load is calculated through spectral mode analysis considering only the response of the first mode. However, if the second mode or more also corresponds to a long period, the effect may not be negligible. Therefore, in this study, the effects of the first and second modes were considered in the process of calculating the resonance wind load. To this end, the wind response for each mode was calculated, and the resonance wind load was calculated by combining them. As a result of calculating the acceleration response, the response of the first mode was 2 to 4 times greater than that of the second mode. In particular, a difference of about 9 times was shown in the along-wind. The resonance wind load combining the multi-order modes was about 1.5 to 1.7 times larger than the case in which only the first mode was considered. Therefore, if the resonance wind load is calculated by combining the multi-order modes, it is expected to be calculated larger than the case where only the first mode is considered. The difference between the first mode response and the second mode response is greatly influenced not only by the natural frequency difference but also by the slope of the power spectrum density. Even if the difference between the first natural frequency and the second natural frequency is the same, the difference in response may be greater when the slope of the power spectrum density is steeper. Therefore, it is necessary to consider not only the natural frequency but also the form of power spectrum density, rather than simply determining the application of the high-order mode based on the natural frequency of the building.

In this study, various analysis methods were applied in the process of calculating the fluctuating wind load for the main structural frame. It is believed that the results of this study can be provided as basic data for calculating background wind load and resonance wind load.