풍동·풍압 시뮬레이션은 컴퓨터 소프트웨어(CFD)를 이용해 바람의 흐름과 구조물이 받는 압력을 가상으로 실험하는 기술입니다. 실제 풍동 실험을 보완하거나 대체하는 수단으로, 건물 주변의 공기 속도 분포, 풍압 분포, 구조물 변형을 정밀하게 예측하고 시각화합니다.
주요 핵심 요소는 유동 해석(CFD), 압력 분포 산출, 구조물 안전성 검토이며, 설계 초기 단계부터 시뮬레이션을 적용하면 불필요한 풍동실험 횟수를 줄이고 최적 형태를 효율적으로 도출할 수 있습니다.
2. 풍동 시뮬레이션
① 개념 및 원리
가상 공간에 바람이 불어오는 환경을 컴퓨터로 구현하여 건물이나 구조물 주변의 공기 속도와 흐름 변화를 3차원으로 시각화합니다. 실제 풍동과 동일한 대기경계층 조건(풍속 프로파일, 난류 강도)을 CFD 경계 조건으로 설정합니다.
② 주요 산출 결과
- 풍속 분포도: 건물 주변 각 위치별 풍속 크기 및 방향 분포
- 유선(Streamline)·벡터 도: 기류 흐름 경로 시각화
- 난류 강도 분포: 구조물 진동 위험 구간 파악
- 보행자 풍속 분포: 지상 1.5m 높이 풍속 초과 여부 평가
- 와류 발생 구간: 빌딩풍 집중 구역 식별 및 저감 설계 반영
3. 풍압 시뮬레이션
① 개념 및 원리
바람이 부딪힐 때 물체 표면에 생기는 압력의 크기를 계산합니다. 외벽·지붕·커튼월이 강한 바람을 견딜 수 있는지 사전에 평가하여 외장재 파손과 구조적 취약점을 예방합니다. 풍압계수(Cp)를 산출하여 외장재 및 골조 설계풍하중 산정에 활용합니다.
② 주요 산출 결과
- 외압계수 (평균·변동·피크): 외장재 설계용 최대 풍압 산정
- 풍압 분포도: 건물 표면 각 위치별 압력 크기 컬러맵
- 설계풍압 ZONING: 외장재 구역별 설계풍압 분류
- 피크외압계수 CONTOUR MAP: 취약 구간 집중 표시
- 구조물 변형 분석: 풍압에 의한 외벽·지붕 변형 및 응력 분포
4. 풍동실험 vs. CFD 시뮬레이션 비교
구분
풍동실험 (물리 실험)
CFD 시뮬레이션
방법
축소 모형 + 실제 기류 재현
수치 해석 방정식 기반 가상 실험
정확도
매우 높음 (국토교통부 인정)
높음 (격자 품질·난류 모델 의존)
비용
고비용 (모형 제작 + 실험 시간)
상대적으로 저비용
적용 시기
실시설계 단계, 법적 의무 실험
기본설계~실시설계, 최적화 반복 가능
시각화
연기·입자 추적으로 제한적
3D 유선·벡터·압력 분포 다양한 표현
비정형 건물
복잡한 모형 제작 필요
CAD 모델 직접 활용 용이
✅ 알앤디파트너는 CFD 시뮬레이션과 실제 풍동실험을 상호 검증하여 정확도 높은 풍환경·풍압 분석 보고서를 제공합니다.
5. 활용 분야
1) 고층·초고층 건물: 풍력·풍압·거주성(ISO 10137) 평가, 골조 및 외장재 설계풍하중 산정
2) 비정형 건축물: 국토교통부 특별풍하중 기준 적용 대상 구조물 CFD 해석
3) 교량·시설물: 장경간 현수교·사장교 바람에 의한 공기력 불안정 진동 평가
4) 대규모 개발 사업: 환경영향평가 내 풍환경 변화 분석, 빌딩풍 영향 검토
5) 외장재 설계: 커튼월·창호·지붕 외장재 풍압 기반 구조 검토
6) 실내 환기·공조: 건물 개구부 위치별 자연 환기 효율 분석
6. 분석 절차
건물 형상 3D 모델링
→
격자(Mesh) 생성
→
경계조건 설정
→
CFD 계산 수행
→
풍속·풍압 결과 추출
→
보고서 작성
* 분석 요청 시 필요 자료: 건물 3D 캐드 파일 또는 평·입면도, 건물 위치(지표면조도구분), 설계풍속, 분석 목적(풍압/풍환경/보행자 안전 등)
7. 실물 풍동실험 기반 검증 조건
CFD 해석 결과는 실물 풍동실험 데이터와 상호 검증할 때 신뢰도가 확보됩니다. 알앤디파트너는 CFD의 경계조건을
실제 풍동실험과 동일하게 설정하고, 동일 대상에 대한 실험값과 대조하여 해석 모델을 보정합니다.
항목
기준
모형 축소율
1 / 300 (표준) — 정확한 풍압 계측이 가능하도록 표준 축소율을 적용
주변 모사 범위
대상지 반경 300 m(직경 600 m) 범위의 모든 구조물과 지형을 직경 2 m 원판 위에 모사
모형 재질 · 가공
표면 조도가 작도록 아크릴 사용, CNC 조각기 및 레이저 커팅기로 정밀 제작 (풍압모형은 내부에 압력 튜브 배관)
실험 풍향
0° ~ 348.75° 를 11.25° 간격으로 32방위 전 풍향
실험 풍속
모형의 지붕평균높이에서 약 8.0 m/s 로 축소하여 선정
기류 재현
다양한 크기의 조도블럭과 스파이어로 대기경계층을 형성하고, 평균풍속·난류강도 연직분포가 KDS 41 12 00 : 2022 지표면조도구분 분포와 일치하는지 매 실험마다 검증
① 대형 경계층풍동 제원
항목
제원
형식
Closed-circuit type 경계층풍동
측정부 크기
4 m(W) × 2.2 m(H) × 30 m(L)
최대 풍속
30 m/s
난류강도 · 기류 비대칭성
각 1 % 이하 (매우 균일한 기류)
턴테이블 직경
3.7 m
실험 가능 규모
약 800 m 높이의 건축물 / 약 1,500 m 규모의 장대교량
② 계측기기
구분
육분력계 (Force Balance)
다점풍압계 (DPMS)
기자재명
천평(force balance) & 증폭기
다점풍압계 (256채널 동시 계측)
모델명
CMAS333-10L, CTA-1000
TFI-DPMS
제조사
㈜큐리오텍
Turbulent Flow Instrumentation (Australia)
계측 범위
10 kgf(10 N), 1 kgf·m(1 N·m)
64 ch/module × 4 module = 256 ch, ±2 kPa
특징
Fx, Fy, Fz, Mx, My, Mz 6성분 동시 계측
정확도 0.1 % FS (25 ℃), 동적압력 계측
8. 풍동실험 수행 실적
27개동주요 사례 풍동실험 프로젝트
131.20 m최고 기준높이 수행 실적
56.92 m/s최대 설계풍속 수행 실적
B · C · D대응 지표면조도구분
2019년부터 21개 프로젝트 27개동의 실물 풍동실험을 수행하며 축적한 계측 데이터가 CFD 해석의 검증 기준이 됩니다.
기본풍속 24 ~ 40 m/s, 지표면조도구분 B · C · D 전 범위의 실측 데이터를 보유하고 있어,
시뮬레이션 단독 수행 시에도 실험 기반의 판단 근거를 함께 제시할 수 있습니다.
