건축물 및 시설물 풍동실험은 인위적인 바람을 만들어 구조물의 안전성과 쾌적성을 평가하는 필수 과정입니다. 고층 빌딩, 교량, 비정형 건축물 등을 설계할 때 자연풍의 영향을 축소 모형으로 재현하여 검증하며, 주요 종류로 풍력(공력)실험, 풍압실험, 풍환경실험이 있습니다.
국토교통부 고시(KBC) 제0305.1.3조(특별풍하중) 및 제0305.15조(풍동실험)의 적용 대상 건축물은 반드시 풍동실험을 통해 풍하중을 산정하여야 합니다.
⚠ 풍동실험 의무 대상(특별풍하중): ① 형상비가 크고 유연하여 풍진동을 고려하여야 하는 건축물, ② 원형평면 건축물로서 H / d ≥ 7, ③ 원형평면이 아닌 건축물로서 H / √(B·D) ≥ 3 또는 H / √(Af) ≥ 3, ④ 경량·저강성으로 공기력 불안정진동 거동을 하는 특수한 지붕 골조, ⑤ 골바람 효과 발생 지점, ⑥ 집단 건축으로 인접효과가 우려되는 건축물, ⑦ 비정형 건축물 ※ H : 기준높이(m), B : 대표폭(m), D : 깊이(m), Af : 기준층 바닥면적(㎡), d : 높이 2H/3에서의 외경(m) — KDS 41 12 00 기준
2. 풍동실험의 종류
① 풍력 및 공력진동실험
건물의 구조 골조(기둥·보·전체 프레임)가 받는 바람의 힘(풍하중)과 진동·흔들림을 측정하여 안전성을 평가합니다. 6-분력계(6-component force balance)를 사용하여 풍방향·풍직각방향·비틀림 방향의 하중을 동시에 측정합니다.
평가 항목:
- 평균풍력계수, 변동풍력계수
- 풍향별 최대 밑면전단력·전도모멘트·비틀림모멘트
- 풍향별 최대 변위응답 및 가속도 응답
- 최대 층풍하중 및 풍하중 조합계수
- 거주성능 평가 (ISO 10137)
② 풍압실험
외벽 마감재, 창호, 커튼월 표면에 작용하는 국부적인 압력을 측정해 외장재 파손을 막고 안전한 설계를 돕습니다. 강체 풍압 모형 표면에 설치된 다수의 압력 측정공에 연결된 다점풍압계(multi-point pressure measurement system)로 풍압 시계열 데이터를 취득합니다.
건물 건설로 인해 주변 보행자 공간에 바람이 세지는 현상(빌딩풍)을 분석하여 쾌적한 보행 환경을 유지하도록 합니다. 신축 건물이 기존 주변 환경의 바람 상태를 어떻게 변화시키는지 정량적으로 평가합니다.
평가 항목:
- 건설지점의 풍향별 풍기후 분석
- 풍속 초과확률
- 각 측정점의 풍향별 평균풍속
- Murakami 풍환경평가 기준 적용
- 풍향별 초과확률 배풍도
3. 기타 실험 유형
실험 유형
내용
다채널 동시 압력 측정
대규모 구조물의 풍하중을 수백 채널 동시 측정하여 정밀한 공간 분포 산출
다지점 풍속 측정
건물 주변 보행 공간의 풍속을 복수 지점에서 동시에 측정
적설 실험
눈이 내리는 것에 의한 건물 지붕의 눈 깊이 분포 측정 및 불균형 적설 하중 평가
바람 소리 측정
외장재의 풍음(바람 소리) 음압 측정 및 소음 저감 설계 반영
2차원 풍속 시각화
PIV(입자영상유속계) 등을 이용한 건물 주변 기류 2D 유동장 시각화
4. 실험 진행 방식
① 자연풍 재현
대형 팬, 스파이어(뾰족한 철탑), 러프니스 블록(장애물)을 사용하여 실제 지역의 거친 자연풍 환경(대기경계층)을 풍동 실험실 내부에 구현합니다. 평균풍속 고도 분포, 난류 강도 분포, 변동풍속 특성이 건축 현지의 자연대기경계층 조건에 적합하도록 재현합니다.
② 축소 모형 설치
실제 건물을 비율에 맞춰 줄인 모형을 턴테이블 위에 설치하고, 대상 건물 반경 300 m(직경 600 m) 범위의 주변 건물 및 지형 조건도 직경 2 m 원판 위에 함께 재현합니다. 단면 폐쇄율은 풍동 실험 단면의 8% 미만이 되도록 하며, 각 방향(풍향)에서 바람을 가합니다.
③ 데이터 측정 및 분석
센서로 측정한 압력과 진동 값을 분석하여 건축 구조 기준(KBC)에 적합한지 확인한 뒤 설계에 반영합니다. 풍동실험 결과로부터 평가한 주골조설계용 수평풍하중은 KBC 규정 산정값의 80% 이하가 되지 않도록 규정됩니다.
5. 풍동실험 절차
현지 기상 자료 수집
→
축소 모형 제작
→
대기경계층 재현
→
풍동 실험 수행
→
데이터 분석
→
설계풍하중 산정 보고
* 풍동실험 의뢰 시 필요 자료: 건물 위치 및 용도, 평·입·단면도, 주변 건물 현황도, 구조 설계 하중 조건, 실험 목적(풍압/풍력/풍환경 중 해당 항목)
6. 관련 법적 기준 (국토교통부 고시)
국토교통부 고시 제2016-317호 KBC 0305조 「건축구조기준 — 풍하중」에 따라 풍동실험이 의무화된 건축물은 0305.15(풍동실험)에 따라 풍압·풍하중·풍응답을 평가하여야 합니다.
지표면 조도구분
주변 지표면 상태
A
대도시 중심부에서 고층건축물(10층 이상)이 밀집해 있는 지역
B
수목·높이 3.5m 정도의 주택과 같은 건축물이 밀집한 지역, 중층 건물(4~9층)이 산재한 지역
C
높이 1.5~10m 정도의 장애물이 산재한 지역, 수목·저층 건축물이 산재한 지역
D
장애물이 거의 없고 주변 장애물의 평균높이가 1.5m 이하인 지역 (해안, 초원, 비행장)
📋 관련 고시 PDF: 국토교통부 고시 제2016-317호 풍하중 및 풍동실험 관련 기준 — 알앤디파트너 의뢰 시 상세 기준 안내 제공
7. 풍동설비 및 계측기기 제원
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. 실험모형 제작 기준
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
9. 성과품 및 결과보고서 구성
① 제출 성과품
성과품
세부 산출 내용
구조골조용 설계풍하중
평균 및 변동 풍력계수 / 최대 및 최소 풍력계수 / 높이별 또는 층하중 형태의 설계풍하중
외장재 설계용 풍압력
계측 위치별 정압·부압의 최대 순간 풍압계수 / 위치별 외장재 설계용 풍하중 / 풍하중 등고선(Zoning) 분포도
최상층 풍응답
Spectral Modal Analysis 기반 풍향별 최대수평변위응답(사용성 평가) 및 최대가속도응답(거주성능 평가)
② 결과보고서 구성
프로젝트 1건당 100 ~ 140쪽 규모의 결과보고서를 작성하여, 구조설계자가 바로 적용할 수 있는 형태로 제출하고 직접 설명해 드립니다.
1. 풍동실험 용역의 개요 — 실험대상 구조물의 개요 / 설계풍속 및 지표면조도구분
2. 풍압실험의 내용 및 범위 — 실험풍동의 제원 / 실험풍속 및 기류특성 / 실험풍향 / 실험모형 / 풍압계측점
3. 풍압실험 결과 — 최대정압·최대부압 발생 풍향 및 계측점 / 피크풍압계수 상·하한 및 피크풍압력
4. 풍력실험 결과 — 동적 특성값 · 고유모드 · 질량분포 / 풍향별 풍력계수 / 층전단력·층전도모멘트 / 최대 층별 하중
부록 — A.1 풍향별 계측점 풍압계수 / A.2 최대정압·최대부압 Zoning / A.3 풍향별 층별 하중 / A.4 풍동실험 관련 사진
