풍동실험

풍동실험이란

풍동실험은 축소 모형을 풍동에서 바람에 노출시켜 풍압과 풍력을 재는 내풍 검증 실험이다.

실물 바람을 실험실에서 흉내 내고 건물 모형에 부딪치게 해 그 힘을 재는 방법이다.

초고층이나 형상이 복잡해 풍하중을 해석으로 추정하기 어려운 구조물에 쓰인다.

구성과 절차

풍동실험 장치는 풍동 본체, 기류 조성 장치, 축소 모형, 계측 장치, 자료 처리로 나뉜다.

기류 조성 장치는 스파이어와 바닥 거칠기 요소로 바람을 대기 경계층에 가깝게 만든다.

대기 경계층에서는 풍속이 고도에 따라 증가하고 난류 강도가 크다. 풍동은 이를 흉내 낸다.

구성 요소가 맞아야 실험 결과가 실물 풍하중을 대표한다.

가스트영향계수

가스트영향계수는 강풍 때 건물의 최대변위를 평균변위로 나눈 무차원 값이다.

등가정적 풍하중은 평균풍하중에 이 G를 곱한 정적하중이다.

가상으로 높이 120m 장방형 고층 건물의 평균 전도모멘트를 2.0×10^5 kN·m라 하자.

G를 1.8로 두면 설계 전도모멘트는 3.6×10^5 kN·m가 된다.

고층 건물의 G는 대략 1.5~2.0 범위라 이 값은 상식 범위다.

실험 종류

실험 방식은 측정량이 달라 선택 기준이 된다. 세 가지로 나뉜다.

강체모형 풍압실험은 건물 표면의 풍압계수 분포로 외장재와 주골조 설계풍압을 얻는다.

힘 평형 실험은 전도모멘트와 층전단력으로 등가정적 풍하중과 공진 효과를 평가한다.

공력탄성 모형 실험은 질량·강성·감쇠를 축소 상사로 맞춰 풍진동 응답을 직접 본다.

흔한 오해

헷갈리기 쉬운 점은 풍동실험이 초고층에만 쓰는 특별한 실험이라는 생각이다.

실제로는 형상이 복잡한 건물, 해안가 구조물, 단지 내 풍환경 평가에도 쓰인다.

세장한 정사각형·직사각형 단면 건물은 풍직각방향 와진동이 쉽게 생긴다.

그래서 채점에서는 풍방향 진동과 풍직각 와진동을 구분해 써야 한다.

정리

정답은 풍직각방향이다. 떨어진 전단층이 만든 와류가 바람에 직각으로 진동을 일으킨다.

정리하면 풍동실험은 기준식으로 산정이 어려운 구조물의 풍하중을 직접 구하는 수단이다.

가스트영향계수는 최대변위와 평균변위의 비이며, 등가정적 풍하중에 곱한다.

풍동실험과 CFD는 서로 보완하는 관계로 쓰는 추세다.