풍동실험을 통한 개폐식 타원형 돔 지붕의 외장재 설계용 피크외압계수 제안 : Proposal of Peak Pressure Coefficient for Cladding Design of Elliptical Retractable Dome Roof by Wind Tunnel Test :

이종호

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자료유형: 학위논문

저자정보: 이종호 (서울과학기술대학교, 서울과학기술대학교 대학원)

지도교수: 윤성원

발행연도: 2022

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이용수29

이 논문의 연구 히스토리 (3)

2022

풍동실험을 통한 개폐식 타원형 돔 지붕의 외장재 설계용 피크외압계수 제안 : Proposal of Peak Pressure Coefficient for Cladding Design of Elliptical Retractable Dome Roof by Wind Tunnel Test

이종호 2022.01 학위논문

2021

풍동실험을 통한 중심 개방 타원형 돔 지붕의 피크풍압계수 분석

이종호 , 천동진 , 김용철 외 1명 대한건축학회논문집 2021.09 학술저널

개폐식 타원형 돔 지붕의 외장재 설계를 위한 피크풍압계수

이종호 , 천동진 , 김용철 외 1명 대한건축학회 학술발표대회 논문집 2021.04 학술대회자료

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풍하중은 건물 외장재 파괴에 가장 큰 영향을 미치는 요인 중 하나이다. 고층 건물 뿐만 아니라 저층 건물 또한 풍하중에 의해 국부적으로 풍압이 강하게 작용하기 때문에 외장재에 이상을 가져올 수 있다. 대표적인 예로 대공간 건축물의 대스팬 지붕 구조물을 들 수 있다. 그 중 개폐식 돔 지붕 구조물은 지붕을 열고 닫을 수 있는 구조로 개방 상태 및 밀폐 상태 모든 경우에서 풍하중 고려를 매우 신중하게 해야 한다.
기본설계 단계에서 풍하중 기준을 기초하여 형상이나 구조 부재를 결정하는 경우가 많다. 이 단계에서 설계 수정이나 재 실험 등으로 시간과 경제적 손실이 유발될 수 있다. 세계적으로 개폐식 돔 지붕은 풍하중에 대한 기본 설계에 참고할 적합한 기준이 없는 실정이며 또한 관련 연구들이 제한적이다. 밀폐형 돔 지붕의 경우는 몇몇 국가의 기준에서 돔 지붕의 외장재 설계용 피크외압계수를 제시하고 있지만 평면이 원형일 경우에만 제시되어있는 실정이다. 하지만 실제로 건설되었거나 현재 건설 중에 있는 개폐식 돔 지붕의 경우 타원형 형태가 더 많은 비중을 차지한다. 이에 타원형 돔 지붕에 적합한 기준을 정립하기 위해서는 개폐식 타원형 돔 지붕에 관한 연구가 반드시 필요하다.
따라서 이 논문에서는 개폐식 타원형 돔 지붕의 외장재 설계용 피크외압계수 특성을 평가하기 위하여 밀폐형 돔 지붕 및 두 가지 개방 형태인 단부 개방형과 중심 개방형 타원형 돔 지붕을 제작하여 풍동실험을 수행하였다. 주요 변수는 지표면조도, Wall height-to-span ratio(이하 h/D), 개폐율 등의 변화에 따른 지붕 외측 및 내측의 피크외압계수를 측정하였으며, 그 결과에 대하여 일본 풍하중 기준 AIJ-RLB (2015)와 국내 풍하중 기준 KDS 41 10 15의 피크외압계수와 비교ㆍ분석하였다.
풍동실험을 통한 개폐식 타원형 돔 지붕의 전체적인 풍압특성은 장축과 단축 대표 길이 변화에 따라 돔 중심부의 피크외압계수가 큰 차이를 보였다. 또한 지표면조도가 조밀지역인 도심지역일 경우 비조밀지역에 비해 피크외압계수가 더 크게 나타났으며 모형의 h/D가 증가할수록 부의 피크외압계수가 증가하고, 높이가 감소할수록 정의 피크외압계수가 증가하는 경향을 보였다. 이는 지표면조도, 높이에 따라 풍속이 감소하고 난류강도가 증가함에 따라 상이한 결과이다.
실험 결과와 원형 돔 지붕을 대상으로 실험한 일본 풍하중 기준 AIJ-RLB (2015) 및 국내 풍하중 기준 KDS 41 10 15 그리고 기존 연구에서 제안한 피크외압계수와 비교 한 결과, 타원형 돔 지붕은 현행 풍하중 기준 및 기존 연구의 제안값을 초과하여 기본 설계 단계에서 적용할 수 없는 결과를 나타냈다. 따라서 실험 결과를 바탕으로 밀폐형 타원형 돔 지붕과 타원형 돔 지붕의 개폐 유형별 피크외압계수 및 피크순압력계수를 새롭게 제안하였다.

Wind loads substantially influence the destruction of exterior building materials. Both high-rise and low-rise buildings suffer from pressures corresponding to wind loads that act strongly and sectionally on the buildings, adversely affecting exterior materials. A structure with a long span and large space is the most representative case.
For a retractable dome roof structure with a roof that can be opened and closed, care must be taken when considering the wind load in both open and closed conditions. Deciding the form of a structural member based on the wind load standard is a basic design step in such a case. In this step, time and economic losses are experienced owing to the modifications made during design and re-experimentation.
Currently, given the paucity of relevant studies, no standards exist for the basic design of wind loads on retractable dome roof systems.
Although the peak pressure coefficient for the cladding design of a roof is available in several countries for a closed dome, the shape can only be spherical.
However, for a retractable dome roof that has already been constructed or is under construction, the elliptical form takes precedence.
To create an appropriate standard for an elliptical dome roof, a study should be conducted on the elliptical retractable roof.
Thus, in this study, to evaluate the characteristics of the cladding design for a retractable dome roof peak pressure coefficient, a closed dome and two types of roofs were considered: an open-type roof opening from the edge toward the center and roof opening from the center toward the edge.
The primary variables affecting such roofs are the oncoming flow, opening ratio, and wall height-to-span ratio. The peak external and internal pressure coefficients on the surface and interior of the roof, respectively, were calculated. The outcomes were analyzed and compared with the wind load standard for Japan and Korea, as well as with the peak pressure coefficient.
The overall wind pressure characteristics obtained from the wind tunnel test for the elliptical retractable dome roof showed clear differences in the peak pressure coefficient along the variation in the length of the major and minor axes.
Regarding flat terrain categories, densely populated urban areas exhibited a higher peak pressure coefficient than less densely populated areas. As the wall height-to-span ratio increased, the negative peak pressure coefficient increased, and as the wall height-to-span ratio decreased, the positive peak pressure coefficient increased. This shows that the wind speed decreases based on the category of the flat terrain and the wall height-to-span ratio. The results were verified by increasing the turbulence intensity.
By comparing the obtained results with the Japanese and Korean wind load standards, as well as with the peak wind pressure from a previous study, it was concluded that an oval dome roof cannot be applied to a basic design because it exceeds the current wind load standard and previously proposed value.
Consequently, as indicated by the experimental results, the method proposed in this paper can be used to categorize the peak pressure coefficient and peak net pressure coefficient for the cladding design of an elliptical retractable dome roof.

#Wind pressure #Retractable dome roof #Peak pressure coefficient #Wind tunnel test #Cladding design

목 차
요 약 ⅰ
표 목차 ⅴ
그림목차 ⅵ
I. 서 론 1
1. 연구배경 및 목적 1
2. 연구동향 3
3. 연구내용 및 방법 6
II. 이론적 고찰 9
1. 개폐식 돔 지붕 9
2. 이론적 배경 11
1) 구형 돔 지붕의 풍압특성 11
2) 타원형 돔 지붕의 풍압특성 13
3) 현행 풍하중 기준의 개폐식 돔 지붕 적용 한계 17
III. 풍동실험 22
1. 일반사항 22
2. 형상별 모형 계획 22
1) 밀폐형 및 단부 개방형 돔 지붕 23
2) 중심 개방형 돔 지붕 25
3. 실험 조건 및 방법 27
4. 풍동기류의 작성 31
5. 데이터 취득 방법 34
1) 외측면 피크외압계수 및 내측면 피크외압계수 산정 34
2) 피크순압력계수 산정 35
Ⅳ. 풍동실험에 의한 피크외압계수 36
1. 밀폐형 타원형 돔 지붕 38
1) 타원형 돔 지붕의 풍압특성 38
2) 외측면 피크외압계수 40
2. 단부 개방형 개폐식 타원형 돔 지붕 45
1) 외측면 피크외압계수 45
2) 내측면 피크외압계수 54
3. 중심 개방형 개폐식 타원형 돔 지붕 58
1) 외측면 피크외압계수 61
2) 내측면 피크외압계수 및 피크순압력계수 67
Ⅴ. 풍동실험결과에 의한 피크외압계수와 풍하중기준 비교 70
1. 일반사항 70
2. 타원형 돔 지붕 개폐 유형별 비교 72
1) 밀폐형 72
2) 단부 개방형 74
3) 중심 개방형 82
Ⅵ. 풍동실험결과에 의한 피크외압계수와 기존연구 제안값 비교 86
1. 단부 개방형 개폐식 타원형 돔 지붕 86
2. 중심 개방형 개폐식 타원형 돔 지붕 93
Ⅶ. 개폐식 타원형 돔 지붕의 피크외압계수 제안 96
1. 밀폐형 타원형 돔 지붕 96
1) 부의 피크외압계수 97
2) 정의 피크외압계수 98
2. 단부 개방형 개폐식 타원형 돔 지붕 99
1) 부의 피크외압계수 99
2) 정의 피크외압계수 102
3. 중심 개방형 개폐식 타원형 돔 지붕 104
1) 피크순압력계수 104
2) 정의 피크순압력계수 105
Ⅷ. 결론 106
참고문헌 111
영문초록(Abstract) 116
감사의 글 118

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