풍동실험

왜 배우는가: 풍동실험은 초고층·세장한 건축물이나 형상이 복잡해 풍하중을 해석적으로 추정하기 어려운 구조물의 설계풍하중을 얻는 수단이다. 기술사 시험에서는 실험 종류, 실시 대상, 풍하중 제한사항을 묻는 문항이 반복해서 출제되므로 개념의 정의와 배경을 먼저 정확히 잡아야 한다.

출제 이력: 제135회 1교시 6번, 제130회 1교시 5번, 제125회 1교시 3번, 제115회 1교시 3번, 제111회 1교시 6번, 제102회 1교시 1번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

답안 첫 줄에 쓸 정의: 풍동실험은 축소 모형을 풍동에서 바람에 노출시켜 건축물에 작用하는 풍압·풍력과 동적 응답을 측정하는 내풍 검증 실험이다.

키워드

• 풍동실험(Wind Tunnel Test)
• 내풍설계(Wind-resistant Design)
• 경계층 풍동(Boundary-layer Wind Tunnel)
• 풍압 측정(Pressure Measurement)
• 풍력 측정(Force Balance Test)
• 공력 진동(Aeroelastic Vibration)
• 와진동(Vortex-induced Vibration)

2. 개념 풀이

쉬운 말로 풀면, 실제 바람을 실험실 안에서 흉내 내고 건물 모형에 부딪치게 해 그 힘을 재는 실험이다. 자동차나 비행기 모형을 바람 터널에 넣어 공기저항을 보는 방법과 원리가 같다.

정식 정의는 다음과 같다. 풍동실험은 건축물 또는 구조물의 전체나 일부에 작용하는 풍력과 풍압을 직접 측정하고, 그 특성을 설계에 반영하기 위한 모형 실험이다. 풍력 실험(force balance test)은 모형 기저부의 전도모멘트와 층전단력을 천칭장치로 측정하는 방식이다.

핵심 용어를 풀면 다음과 같다.

• 경계층 풍동은 지표 근처 대기경계층의 풍속이 높이에 따라 증가하는 형태를 재현하는 장치다. 시험부가 폭과 높이에 비해 길고, 입구에 스파이어(spire)와 바닥 거칠기 요소를 두어 난류 성분을 만든다.
• 풍압 측정은 모형 표면의 여러 점에서 압력을 재어 풍압계수를 구하는 방법이다.
• 풍력 측정은 모형 전체에 작용하는 합력과 모멘트를 구하는 방법이다.
• 공력 탄성 모형은 질량과 강성을 축소 상사로 맞춘 모형으로, 바람에 의한 진동 응답까지 재현한다.

풍동실험은 초고층 건축물에만 쓰는 특별한 실험이 아니다. 중저층 아파트 단지의 풍환경 평가, 형상이 복잡한 건축물, 해안가 구조물에도 폭넓게 시행된다.

풍속 10분 평균, 10m 높이 기준 풍속은 풍동 실험에서도 기준 높이와 평균 시간을 함께 정해 놓고 해석한다.

3. 등장 배경과 필요성

건축물이 고층화되면서 폭에 대한 높이의 비가 커졌다. 재료가 경량화·고강도화되면서 구조물의 세장성도 커졌다. 그 결과 풍하중 같은 수평하중에 취약해졌고, 강한 바람으로 생기는 진동이 구조 안전과 거주성을 함께 좌우하게 되었다.

정사각형이나 직사각형 단면의 세장한 건물은 바람이 불어오는 쪽 모서리에서 흐름이 떨어지고, 떨어진 전단층이 회전하며 강한 와류를 만든다. 이 와류 때문에 풍방향 진동보다 풍직각방향의 와진동이 더 쉽게 생긴다. 설계자는 이런 현상을 해석식만으로 예측하기 어렵다.

설계 기준은 일반 형상에 대한 풍하중 계수를 제시한다. 그러나 비정형 형상, 주변 건물과의 간섭, 지형 효과가 큰 경우에는 기준식만으로 신뢰할 수 있는 값을 얻기 어렵다. 그래서 기준의 적용 범위를 벗어나는 건축물은 풍동실험으로 설계하중을 얻는다. 풍동실험은 경험식과 기준값을 보완하는 역할을 한다.