나선형 초고층건물의 공력불안정 진동과 공력감쇠에 관한 연구

김원술,아키히토 요시다,타무라 유키오,이진학,Kim, Wonsul,Yoshida, Akihito,Tamura, Yukio,Yi, Jin-Hak 한국전산구조공학회 2016 한국전산구조공학회논문집 Vol.29 No.1

본 논문에서는 변위응답 및 가속도 응답의 저감 효과에 있어서, 유리한 형상인 $180^{\circ}$ 나선형(Helical $180^{\circ}$) 초고층건물을 대상으로 풍진동실험을 수행하여 나선형 초고층건물의 공력불안정 진동 특성 및 공력감쇠 특성을 조사하였고, 정방형 초고층건물의 결과와 비교분석 하였다. 본 연구에서의 공력감쇠율은 RD법(random decrement technique)을 이용하여 평가하였다. RD법에 의해 평가된 공력감쇠율은 기존문헌 및 준정상가정이론 결과와 비교 검증하였다. 실험결과, 공력진동 실험결과 $180^{\circ}$ 나선형모형의 풍직각방향에 대한 공력불안정 진동은 발생하지 않는 것이 확인되었다. 정방형과 $180^{\circ}$ 나선형 형상에 대한 공력감쇠율을 살펴보면, X방향에 대한 공력감쇠율은 무차원 풍속이 증가와 비례하여 점진적으로 증가하는 경향이 나타났다. 반면, Y방향에 대한 공력감쇠율은 정방형모형과 매우 다른 양상이 나타나는 것을 알 수 있었다. In this paper, aeroelastic instability and aerodynamic damping ratio of a helical $180^{\circ}$ model which shows better aerodynamic behavior in both along-wind and crosswind responses on a super tall building was investigated by an aeroelastic model test, and the aerodynamic damping ratio was evaluated from the wind-induced responses of the model by using Random Decrement Technique. Aerodynamic damping ratios evaluated in this study were verified through comparison with previous results obtained by quasi-steady theory. As a result, the aeroelastic instability of the helical $180^{\circ}$ model in crosswind direction were not occurred for any conditions with increasing the reduced wind velocity while the square model generally encounters aeroinstability due to the vortex shedding. The aerodynamic damping in along-wind direction for the helical $180^{\circ}$ and the square model increased monotonically both with reduced wind velocity, i.e., there is no relation with modifications of building shapes. On the other hand, in crosswind direction, the characteristics of aerodynamic damping ratio with reduced wind velocity for helical $180^{\circ}$ model were quit different from those of the square model.

다양한 변장비를 가진 고층건축물에 작용하는 풍력의 상관 분석

김원술,요시다 아키히토,타무라 유키오,Kim, Wonsul,Yoshida, Akihito,Tamura, Yukio 한국전산구조공학회 2015 한국전산구조공학회논문집 Vol.28 No.2

본 연구는 고층건축물의 기본설계 단계에서 평면형태를 결정할 때, 응용할 수 있도록 다양한 형상을 가진 고층건축물에 작용하는 풍력 및 풍응답에 대한 데이터베이스를 구축하는데 목적이 있다. 따라서 본 논문에서는 풍력데이터베이스의 초기단계로, 높이 200m이상의 고층건축물의 변장비(D/B=0.33, 0.50, 0.77, 0.83, 0.91, 1.0, 1.1, 1.2, 1.3, 2.0, 3.0) 변화에 따른 풍력의 특성을 조사하고 기존 문헌과의 비교 검토를 통해 실험결과를 검증하였다. 또한 풍하중조합의 관점에서 풍방향-풍직각방향, 풍방향-비틀림방향 및 풍직각방향-비틀림방향 간의 풍력의 상호상관에 대해서 검토하였다. 실험결과, 풍방향 및 풍직각방향에 대한 평균 및 변동 모멘트계수와 풍직각방향 및 비틀림방향 변동모멘트계수의 파워스펙트럼밀도의 결과는 기존 연구결과와 잘 부합되는 것으로 나타났다. 또한, 지표면조도의 변화에 따른 풍방향, 풍직각방향 및 비틀림방향에 대한 풍력의 특성은 큰 변화가 없는 것으로 나타났다. 시간영역과 주파수영역에서의 변동모멘트의 상호상관계수 분석결과, 풍직각방향-비틀림방향 변동모멘트계수의 상호상관계수가 높게 나타나는 경향을 보였다. The objective of this study is to construct the TPU aerodynamic database with wind tunnel test data of overall wind loads and responses on tall buildings. In this study, wind tunnel tests were conducted to investigate characteristics of wind forces and the effect of wind load combination by cross-correlation analysis among along-wind overturning moment, across-wind overturning moment and torsional moment on a tall building with various side ratios(D/B=0.33, 0.50, 0.77, 0.83, 0.91, 1.0, 1.1, 1.2, 1.3, 2.0 and 3.0) for different terrain roughnesses. The results of wind tunnel tests were compared with those of past literatures. As a result, there was no significant effects of changing of terrain roughnesses on moment coefficients and power spectral densities of across-wind overturning moment coefficients and torsional moment coefficients with various side ratios. Further, these results were good agreement with those of past literatures. From cross-correlation analysis, the across-wind overturning moment coefficients were highly correlated with the torsional moment coefficients. The results of this study will be helpful for practical designers in preliminary design stage.

풍직각방향과 비틀림방향의 응답상관을 고려한 풍하중 조합

김원술(Kim, Wonsul),김용철(Kim, Yong Chul) 대한건축학회 2015 大韓建築學會論文集 : 構造系 Vol.31 No.4

The wind tunnel test was conducted to investigate characteristics of fluctuating wind forces acting on tall buildings for various side ratios (D/B=1.0, 1.1, 1.2, 1.3, 2.0 and 3.0) and different terrain roughnesses. Further, the wind load combination was examined by the correlation of the displacement response between acrosswind and torsional directions through Spectral Modal Analysis Method and Time History Analysis Method. As a result, there was no significant effect of the changing of terrain roughnesses on fluctuating moment coefficients for acrosswind and torsional directions, but they were varied with the changing of wind directions. Acrosswind overturning moment coefficients were highly correlated with the torsional moment coefficient with the increase in wind directions. The response and correlation obtained by Time History Analysis were good agreement with those of Spectral Modal Analysis. Also, the response correlation between acrosswind and torsional directions was highly affected by natural frequency ratios. Hence, the wind load combination for acrosswind and torsional directions shall be considered that when the natural frequencies between acrosswind and torsional directions are close to each other.

상시진동을 이용한 가거초 해양과학기지의 동특성 추정

김원술(Kim, Wonsul),이진학(Yi, Jin-Hak),민인기(Min, In Ki),심재설(Shim, Jae Seo) 한국연안방재학회 2017 한국연안방재학회 학술발표대회 논문집 Vol.2017 No.-

종합해양과학기지는 해양물리, 해양기후, 해양환경, 해양생물 등의 장기관측을 통해 다양한 연구지원이 가능한 종합 해양학 연구실 기능을 가지고 있다. 이러한 해양관측시스템을 안정적으로 운영하기 위해서는 해양 과학기지 구조물에 대한 구조성능 확보 또한 매우 중요하다. 본 연구에서는 지난 2011년 태풍 무이파에 의해 피해를 입은 후, 구조물의 높이를 5m 증고하여 재시공된 가거초 해양과학기지 구조물에 대하여 동적응답 계측시스템을 구축하고, 계측된 데이터를 이용하여 구조물의 동특성을 분석하였다. 향후에는 장기 계측된 데이터를 이용하여 파랑-구조물 및 바람-구조물 응답 간의 분석 등의 좀 더 심도 있는 연구가 수행되어야 할 것이다. 또한 이러한 결과는 재킷식 해양플랫폼에 대한 다양한 연구를 가능하게 하는 테스트베드 역할을 할 수 있을 뿐만 아니라, 해양구조물 해석 등의 연구결과의 신뢰성 향상에 기여할 수 있을 것으로 사료된다.

장기 계측 데이터를 이용한 가거초 해양과학기지의 동특성 평가

김원술(Wonsul Kim),이진학(Jin-Hak Yi),민인기(In Ki Min),심재설(Jae Seol Shim) 한국연안방재학회 2017 한국연안방재학회지 Vol.4 No.5

In order to study ocean and meteorological changes related to the global climate change and global warming, Korea is operating several ocean research stations (ORS) including Ieodo ORS, Gageocho ORS and Sochengcho ORS in remote ocean area. In 2011, the Gageocho ORS was attacked by Typhoon Muifa and was damaged to its structural members and various observation equipments. After that, the Gageocho ORS was reconstructed with increased height by 5m and then dynamic response measurement system has been built to assess the structural integrity of Gageocho ORS whether it is healthy or not. Using the measured dynamic response data including acceleration and tilt, the structural dynamic characteristics of the Gageocho ORS were investigated. As a result, three natural frequencies of the first two bending modes and the first torsional mode were estimated as 1.79 Hz, 1.82 Hz and 2.65 Hz, respectively, and the difference between natural frequencies for two bending modes is not significant because is almost symmetrical shape. It is also found that, when the acceleration response is larger, the damping ratios in first mode can be obtained more consistently with lower irregular fluctuations. The averaged damping ratio was about 0.7%. The present results and those obtained from long term monitoring can be used to identify and to assess the structural integrity of the Gageocho ORS, and can be useful in preliminary design of offshore structures.

건축물의 공간스케일을 고려한 내압의 평가 방법

김원술(Kim, Wonsul),김용철(Kim, Yong-Chul) 대한건축학회 2020 대한건축학회 학술발표대회 논문집 Vol.40 No.2

건축물 해체공사의 허가제도 소개 및 발전 방향

김원술(Kim, Wonsul),지명호(Ji, Myoung-Ho),최승민(Choi, Seung-Min),안충원(Ahn, Choong-Weon) 대한건축학회 2020 대한건축학회 학술발표대회 논문집 Vol.40 No.1

방음벽의 공기역학적 성능 향상에 관한 연구

김원술 ( Kim Wonsul ),정일원 ( Jung Il Won ),남우석 ( Nam Woo-suk ),신철식 ( Shin Cheol-shik ) 한국구조물진단유지관리공학회 2019 한국구조물진단유지관리공학회 학술발표대회 논문집 Vol.23 No.2

지난 2016년 12월 발표된 제1차 기후변화대응 기본계획(2017∼2036)에 따르면 우리나라는 효율적 기후변화 대응을 통한 저탄소 사회 구현을 목표로, 저탄소 에너지의 보편화, 기후산업의 주류화 등의 다양한 정책을 수립하여 국가 기후변화대응을 위한 지속적인 노력을 기울이고 있다. 이러한 노력으로 태양광 발전 관련 산업이 발전하고 있으며, 구조공학 분야에서도 태양광 방음벽 등의 설치가 증가하고 있는 추세이다. 그러나 최근 국지적인 돌풍에 의한 산업시설물의 외장재 및 방음벽 피해가 빈번히 발생하고 있는 추세이다. 본 연구에서는 과거 40년 이상의 기상관측자료를 이용하여 기후변화에 따른 풍속의 특성을 조사하였고, 풍동실험을 통해 방음벽의 모서리 형상 변화에 따른 풍하중의 특성을 조사하였다.

다양한 풍환경에 노출된 초고층건물의 공력진동 특성

김원술(Kim, Wonsul),김용철(Kim, Yong Chul) 대한건축학회 2015 大韓建築學會論文集 : 構造系 Vol.31 No.8

Using the conventional and tapered super-tall buildings, aeroelastic wind tunnel experiments were conducted to investigate the effect of taper on fundamental aeroelastic behaviors in various incident flows. Three different wind environmental conditions were simulated: a turbulent boundary-layer flow representing urban area; a grid-generated flow; and a low-turbulent flow. Results were summarized focusing on the effect of taper and the effect of wind environmental conditions. By using the tapered building shape, the suppressions of responses were profound in the boundary-layer flow and low-turbulence flow, but in the grid-generated flow, the response becomes larger than that of the conventional square model when the wind is applied normal to the surface. The pros and cons of the tapered building shape in various wind environmental conditions were clearly seen.

선박 운송용 컨테이너의 활동 및 전도발생 풍속 평가를 위한 풍동실험

김원술(Wonsul Kim),이진학(Jin-Hak Yi),요시다 아키히토(Akihito Yoshida) 한국해안해양공학회 2017 한국해안해양공학회 논문집 Vol.29 No.5

이 연구에서는 풍동실험을 이용하여 선박 운송용 컨테이너의 풍력특성을 조사하고, 그 결과를 토대로 컨테이너의 크기 및 중량에 따른 피해발생 풍속을 평가하고자 한다. 실험결과, 컨테이너 폭의 직각방향에 작용하는 평균 풍력계수는 12ft, 20ft, 40ft, 40ft high cube 순으로 증가하는 것으로 나타났으며, 이와 달리 깊이의 직각방향에 작용하는 평균 풍력계수는 40ft high cube, 40ft, 20ft, 12ft 순으로 증가하는 것으로 나타났다. 이러한 이유는 컨테이너의 풍상면(windward surface)의 모서리에서 박리된 난류의 전단층(shear layer)이 다시 컨테이너의 측면에 재부착(reattachment)되면서 깊이의 직각 방향에 작용하는 평균 풍력계수가 줄어든 것으로 판단된다. 전 풍향에서 컨테이너의 중량에 따른 피해발생 풍속을 평가한 결과, 컨테이너의 전도보다는 활동이 낮은 풍속에서 발생할 수 있음을 알 수 있다. 이때 가장 불리한 컨테이너는 40ft high cube이며, 활동발생 및 전도발생이 일어날 수 있는 풍속은 각각 20.4 ㎧와 26.8 ㎧으로 평가되었다. 또한 이 연구에서는 컨테이너의 중량과 피해발생 풍속과의 상관을 토대로 컨테이너의 중량에 따른 활동발생 및 전도발생 풍속을 평가할 수 있는 평가식을 제안하였다. 본 연구 결과는 컨테이너의 고박 설치하중평가 및 적재방법 등에 관한 가이드라인 정립에 있어 유용하게 활용될 것으로 판단된다. In this study, wind characteristics of a shipping container were investigated through the wind tunnel test (high-frequency force balance test), and damage occurrence velocities of various containers with weights were evaluated based on results of the wind tunnel tests. As a result, mean wind force coefficients acting on containers in x-direction increased in the order of 12ft, 20ft, 40ft and 40ft high cube. On the other hand, mean wind force coefficients at y-direction increased in the order of 40ft high cube, 40ft, 20ft and 12ft. It was suggested that the shear layer separated from the corner of windward surface of the container is reattached on the sides of it, and then the mean wind force coefficient is weaker. As a result of the damage occurrence velocity on containers with weights, it was found that the probability of occurrence of sliding is higher rather than that of overturning. Further, the most unfavorable container was 40ft high cube, and the sliding and overturning occurrence velocities were 20.4 ㎧ and 26.8 ㎧, respectively. Furthermore, the regression formula for sliding and overturing occurrence velocitys were proposed based on the results of relationship between weights of containers and damage occurrence velocities. These results are expected to be useful in establishing a guideline for external force estimation acting on container securing equipment and stacking way.