고층 건축물의 구조축 변화에 따른 풍응답 및 풍하중 특성 분석 = Characteristics of Wind Responses and Wind Loads According to Variation of Structural Axis of High-Rise Buildings

국문 초록 (Abstract)

고층 건축물의 풍응답과 풍하중을 산정하기 위한 스펙트럼모드해석시 구조설계에 적용하기 위하여 건축물의 구조축(X축, Y축, Z축) 결정이 필요하다. 또한 1차모드가 지배적인 것으로 가정하기 때문에 각 구조축에 따른 1차모드의 동적특성이 필요하다. 최근 비정형 형태를 가진 건축물의 수요가 증가하면서 강성중심, 질량중심과 기하중심이 일치하지 않은 상태로 건물의 구조축이 설정되고 있다. 각 중심들의 불일치로 인하여 질량참여율이 낮거나 모드형상 확인 과정에서 모드분리가 잘 일어나지 않는 현상이 보인다. 이로 인한 연성 진동이 일어날 수 있으나, 연성진동을 무시하고 풍응답과 풍하중을 산정하는 추세이다. 건축물의 구조축을 변화시켜 질량참여율을 높임으로써 각 축의 1차모드가 지배적이고 모드분리가 잘 일어나도록 하는 방법도 있으나, 이로 인한 풍하중에 미치는 영향과 정확도에 관한 연구가 진행되어있지 않은 실정이다. 따라서 본 논문은 고층 건축물의 구조축에 따른 질량참여율, 모드분리여부 그리고 구조축 설정방향에 따라 풍응답에 미치는 영향이 크게 나타나는지에 대하여 비교함으로써 보다 합리적인 내풍설계로 나아갈 필요가 있다고 본다.
본 논문에서는 사각형과 L자형 평면을 가진 건축물을 대상으로 구조축 변화에 따른 건축물의 질량참여율과 모드형상을 비교하여 각 건축물의 구조축 0deg와 30deg를 변수로 두었다. 풍력실험을 진행하여 대상 건축물의 구조축 변화에 따른 풍응답과 풍하중의 변화를 파악하고 분석함으로써 초기 구조축 설정과 동적특성 선정에 필요한 기초적 자료로 제시하고자 한다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

When calculating the wind response and wind load of a high-rise building by performing spectral mode analysis, it is necessary to determine the structural axes (X axis, Y axis, Z axis) for the structural design of the building. In addition, since the primary mode is assumed to be dominant, the dynamic characteristics of the primary mode along each structural axis are required. Recently, as the demand for buildings with atypical shapes increases, the structural axis of a building is set in a state where the center of rigidity, center of mass and geometric center do not coincide. Due to the inconsistency of each center, there is a phenomenon in which the modal participation rate is low, or the mode separation does not occur well in the mode shape confirmation process. Since this may cause couple vibration, there is a tendency to calculate wind response and wind load by ignoring couple vibration. There is also a method to increase the modal participation rate by changing the structural axis of the building, consequently, the primary mode of each axis is dominant, and the mode separation occurs well. However, research on the effect and accuracy of wind load has not been conducted. Therefore, this paper shows that it is necessary to move on to a more reasonable wind-resistant design by comparing the modal participation and the mode separation according to the structural axis of a high-rise building, and the response effect depending on the direction of the structural axis setting.
In this paper, structural axis 0deg and 30deg of each building were used as variables by comparing the modal participation rate and mode shape of the building according to the change in the structural axis for buildings with square and L-shaped planes. By carrying out the wind experiment to identify and analyze changes in wind response and wind load due to changes in the structural axis of the target building, it is intended to present as basic data necessary for setting the initial structural axis and selecting dynamic characteristics.

목차 (Table of Contents)

• 제 1 장 서 론 1
• 1.1 연구 배경 및 목적 1
• 1.2 연구 동향 4
• 1.3 연구방법 및 범위 5
• 제 2 장 이론적 고찰 6
• 2.1 건축물의 고유치 해석 6
• 2.2 풍하중 평가방법 7
• 2.2.1 풍동실험에 의한 방법 7
• 제 3 장 풍동 실험 15
• 3.1 풍동실험장치의 개요 15
• 3.2 풍동기류 16
• 3.3 실험 모형의 설계 19
• 3.3.1 실험 모형의 제원 19
• 3.3.2 구조축 변화에 따른 고유치 분석 20
• 3.3.3 변수 선정 23
• 3.4 풍력실험 26
• 3.4.1 데이터 측정방법 26
• 3.4.2 데이터 해석방법 27
• 제 4 장 결과 분석 및 고찰 29
• 4.1 구조축 변화에 따른 풍향별 응답 비교 29
• 4.1.1 풍력계수 30
• 4.1.2 변동 전도모멘트 스펙트럼밀도 35
• 4.1.3 변위 및 가속도 43
• 4.2 구조축 변화에 따른 풍향별 풍하중 비교 51
• 제 5 장 결론 57
• [참고 문헌] 59