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ISSN : 1598-4095(Print)
ISSN : 2287-7401(Online)
Journal of The korean Association For Spatial Structures Vol.18 No.1 pp.93-100
DOI : https://doi.org/10.9712/KASS.2018.18.1.93

A Case Study of Retraction Controlled Wind Velocity on the Steel Retractable Roof of Large Span

Song, Jin-Young*, Yoon, Sung-Won**
*Dept. of Architecture, Seoul National University of Science and Technology
교신저자, 정회원, 서울과학기술대학교 건축학부 교수, 공학박사 School of Architecture, Seoul National University of Science and Technology 02-970-658702-979-6563swyoon@seoultech.ac.kr
December 15, 2017 January 12, 2018 January 12, 2018

Abstract


The retractable roof structures have actions of various types of loads and external forces depending on the retraction and operation conditions of the roof in terms of efficiency of control and maintenance as the aspect of structural plan. In particular, there is a need for studies on the establishment of retraction controlled wind velocity to maintain the stable control and usability of roof structure against strong winds or sudden gusts during the retraction of the roof. In this paper, it was intended to provide basic materials for the development of guidelines on the operation and maintenance of domestic retractable buildings with large space by analyzing the factors affecting the retraction controlled wind velocity for the overseas stadiums with the large spatial retractable roof structures where the sliding system was applied on the steel retractable systems. As a result, the controlled wind velocity tends to decrease as the retractable roof area increases. On the other hand, the controlled wind velocity tends to increase as the retraction time increases. In addition, in the space-grid roof structures, the spherical roof structures type showed the average controlled wind velocity of 10m/sec lower than that of 17.3m/sec for curved-roof structure type, and in the curved-roof structure type, the truss roof structure showed the average controlled wind velocity of 8.9m/sec which is lower than that of 17.3m/sec for the space for the space-grid roof structure.



강성개폐식 대공간 지붕의 개폐 관리풍속 사례 분석

송 진 영*, 윤 성 원**
*학생회원, 서울과학기술대학교 건축과, 박사과정

초록


    1. 서론

    개폐식 지붕 구조는 로마인에 의해 고대부터 사 용되었다1). 세계 최초의 개폐식 지붕 경기장인 Sky Dome이 1989년 완공된 이후,2) 기후변화에 대처할 수 있고 에너지 절감 및 친환경적 공간 창출을 위한 개폐식 대공간 건축물의 수요가 증가하고 있다3).

    개폐식 지붕은 개방형 지붕 및 폐쇄형 지붕의 건축 물로 사용할 수 있도록 넓은 공간을 짧은 시간 내에 이동하는 구조이다1). <Fig. 1>과 같은 건축 계획의 측면과 구조 계획의 측면을 고려해야 한다4). 구조적 측면인 제어 및 유지관리의 효율성 부분에서 지붕 의 개방 상태, 폐쇄 상태, 반 개방 상태 및 작동 상 태에 따라 <Fig. 2>와 같은 다양한 종류의 하중과 외부의 힘이 평가되어야 한다5).

    또한, 기본 설계와 개폐 방식에 따라 구조물이 저 항하는 최대 풍하중이 다르기 때문에 개폐 관리는 설계 조건을 충분히 인식한 상태에서 수행되어야 한다5). 특히, 풍하중과 관련하여 기상 정보에 의한 예측 관리 및 지붕 근처에 설치된 풍력계를 이용한 측정 관리가 중요하다5). <Fig.3>

    따라서 지붕의 개폐 시 강풍 및 갑작스러운 돌풍 에 대한 지붕 구조물의 안정적인 제어 및 사용성을 유지하기 위한 개폐 관리풍속 설정에 대한 연구가 필요하다.

    이에 본 논문에서는 강성개폐시스템 중 Sliding system이 적용된 해외 대공간 개폐식 지붕 구조 경 기장의 개폐 관리풍속 설정에 영향을 주는 요인을 분석하여, 국내 개폐식 대공간 건축물의 운영 및 유 지관리의 가이드라인 개발에 기초자료로 활용하고 자 한다.

    2. 개폐식 지붕 구조

    개폐식 지붕 구조는 지붕을 가동하여 건축적으로 사용 형태가 개방 상태, 폐쇄 상태 또는 반 개방 상 태로 사용하는 것으로 지금까지 건축기준법상의 규 정이 없다7). 일반적인 지붕 구조와 비교하면, 주요 한 특징은 안정적인 개폐를 위해 전체 지붕 표면에 발생하는 응력에 대비하여 설계되어야 한다5),8).

    또한, 각각의 지붕은 개별적으로 동작할 수 있도 록 설계한다8). 하지만 외부 환경으로부터 안전한 실 내공간을 만들기 위해서는 단일 지붕으로서 역할을 해야 한다8).

    3. 개폐식 지붕의 풍하중d

    개폐식 지붕 구조에 작용하는 하중과 외력은 개 폐 상태, 반 개방 상태와 작동 상태에 따른 적절한 하중을 산정해야 한다5). 개폐식 지붕 구조에 작용하 는 외력은 풍하중, 적설하중, 지진하중이 있다5),8). 그 러나 일부 국가에서는 적설하중과 지진하중을 고려 하지 않아도 된다5). <Table 1>은 개폐식 지붕의 풍 하중 산정에 대한 내용이다.

    4. 개폐식 지붕의 개폐 관리풍속

    개폐식 지붕의 개폐 시 설계풍속과 관리풍속은 다르기 때문에 설계풍속을 관리풍속에 적용하는 것 은 위험하다7).

    <Table 2>는 일본 개폐식 지붕 건축물의 예이다. 개폐 중 설계풍속(평균 및 순간풍속) 15~20m/sec에 관한 개방 상태의 관리풍속(평균 및 순간풍속)을 10~18m/sec로 적용하고 있다.

    <Table 3>은 강풍 상태에 대한 개폐 제어 내용이 다. 강풍은 태풍 외에 계절풍, 회오리바람(선풍), 돌 풍 등의 종류가 있다7). 구조물의 피해는 전체적인 붕괴, 영구 변형, 기능 장애, 국부적인 파손 및 형상 변화 등이 발생한다10).

    개폐식 지붕의 안전한 개폐 제어를 위한 관리풍 속은 경계풍속을 설정하고 풍속 단계를 넘으면 원 칙적으로 개폐식 지붕을 설계상 안전한 위치에 이 동시켜 정지 및 고정한다7). 또한, 운영 및 관리를 위 한 개폐 한계풍속을 설정하고 풍속 단계를 넘으면 개폐 조작을 하지 않도록 한다7).

    5. 개폐 관리풍속 사례 분석

    해외 대공간 개폐식 경기장(수용인원 10,000명 이상)의 강성개폐식 중 Sliding system을 적용된 8동 에 관한 개폐 관리풍속에 영향을 주는 요인으로 <Fig. 4>와 같이 분류하여 분석하였다.

    <Table 4>는 풍속 단위 환산표이다. 미국과 캐나다 의 풍속 단위(Km/h, mph)를 우리나라 및 일본의 10분 평균 풍속 m/sec 단위로 환산하였다.

    분석 대상인 대공간 경기장은 준공 연도순으로 <Table 5>에 정리하였다.

    5.1 개폐 지붕 면적과 관리풍속 관계

    개폐 지붕 면적(Retractable roof area)과 관리풍 속(Retraction controlled wind velocity)의 관계는 <Fig. 5>와 같다. 개폐 지붕 면적이 증가함에 따라 관리풍속이 낮아지는 경향을 보이며, 개폐 지붕 면적과 관리풍속의 상관계수 R2 은 0.425로서, 개 폐 지붕 면적과 관리풍속 사이에는 약간의 상관성 을 보이고 있다.

    개폐 지붕 면적 3,000~4,000㎡의 평균 관리풍속은 13.7m/sec로 개폐 지붕 면적 1,500~2,500㎡의 평균 관리풍속 17.8m/sec보다 4.1m/sec가 낮다.

    이유는 풍속에 따른 개폐 지붕 구조물의 면적 증 가는 개폐 비용 절감 효과가 감소하기 때문이다5).

    5.2 개폐 시간과 관리풍속 관계

    개폐 시간(Opening/Closing time)과 관리풍속 (Retraction controlled wind velocity)의 관계는 <Fig. 6>과 같다. 개폐 시간이 증가함에 따라 관리 풍속이 높아지는 경향을 보이며, 개폐 시간과 관리 풍속의 상관계수 R2 은 0.677로서, 개폐 시간과 관 리풍속 사이에는 강한 상관성을 보이고 있다. 식 (1) 과 같은 선형식으로 수식화 된다.

    W v = 0.306 R T + 13.575
    (1)

    • Wv : Retraction controlled wind velocity

    • Rt : Opening/Closing time

    <Fig. 6>의 “○”로 표시된 개폐식 지붕은 통계처 리에서 제외된 대상으로서, 바람 등의 기상 조건에 의해 평균 개폐 시간이 10~20분을 적용하고 있으며, 8.9m/sec의 풍속에서 개폐 시간이 10분 걸리는 Safeco Field21)와 바람에 의한 내부 전시물 등의 이 탈을 방지하기 위해 10m/sec의 풍속에서 지붕을 폐 쇄하는 Fukuoka Dome5)을 제외하였다.<Table 5>

    풍속이 낮은 경우 바람에 의한 지붕 구조물에 가 해지는 충격이 작기 때문에 짧은 시간 동안 안정적 인 지붕의 개폐가 이루어진다. 반면 풍속이 높은 경 우 강풍으로 인한 충격으로 진동 등의 현상 발생에 대해 가동부 지붕의 이탈 방지 및 안정적인 제어와 사용성 향상을 위해 개폐 시간이 증가한다5).

    5.3 지붕 구조와 관리풍속 관계

    지붕 구조(Roof structure)와 관리풍속(Retraction controlled wind velocity)의 관계는 <Fig. 7>과 같다.

    Truss 지붕 구조에서 관리풍속이 상대적으로 낮 은 Safeco Field를 제외한 평균 관리풍속은 19m/sec 이며, Space grid 지붕 구조에서 Fukuoka Dome을 제외한 평균 관리풍속은 17.3m/sec이다.

    Space grid 지붕 구조에서 Spherical 지붕 구조 형태(Roof structure form)인 Fukuoka Dome이 Curved 지붕 구조 형태의 평균 관리풍속 17.3m/sec 보다 낮은 10m/sec를 나타내고 있다.

    <Fig. 7> 및 <Table 6>을 보면 같은 지붕 구조에 서 지붕 구조 형태가 관리풍속 설정에 영향을 주고 있다.

    지붕 구조 형태(Roof structure form)와 관리풍속 (Retraction controlled wind velocity) 관계는 <Fig. 8> 과 같다. Curved 지붕 구조 형태에서 Safeco Field를 제외한 평균 관리풍속은 17.3m/sec이다.

    Curved 지붕 구조 형태에서 Truss 지붕 구조 (Roof structure)인 Safeco Field가 Space grid 지붕 구조의 평균 관리풍속 17.3m/sec보다 낮은 8.9m/sec 를 나타내고 있다.

    <Fig. 8> 및 <Table 7>을 보면 같은 지붕 구조 형 태에서 지붕 구조가 관리풍속 설정에 영향을 주고 있다.

    6. 결론

    강성개폐시스템 중 Sliding system이 적용된 해 외 대공간 개폐식 지붕 구조 경기장의 개폐 관리풍 속 설정에 영향에 주는 요인을 분석하였다.

    • 1) 개폐 지붕 면적(Retractable roof area)과 관리 풍속(Retraction controlled wind velocity)의 관계 는 개폐 지붕 면적이 증가함에 따라 관리풍속이 낮 아지는 경향을 보이고 있다.

    • 2) 개폐 시간(Opening/Closing time)과 관리풍속 (Retraction controlled wind velocity)의 관계는 개 폐 시간이 증가함에 따라 관리풍속이 높아지는 경 향을 보이고 있다.

    • 3) Space grid 지붕 구조(Roof structure)에서 Spherical 지붕 구조 형태(Roof structure form)가 Curved 지붕 구조 형태의 평균 관리풍속 17.3m/sec 보다 낮은 10m/sec를 나타내고 있다. 또한, Curved 지붕 구조 형태에서 Truss 지붕 구조(Roof structure)가 Space grid 지붕 구조의 평균 관리풍속 17.3m/sec보다 낮은 8.9m/sec를 나타내고 있다. 이 에 관리풍속 설정에 있어서 지붕 구조와 지붕 구조 형태가 연관성이 있다는 것을 확인하였다.

    이 논문에서는 해외 개폐식 지붕의 개폐 운영에 대한 관리풍속 자료가 부족한 관계로 추후 강성개 폐식 및 연성개폐식의 다양한 개폐 방식에 대한 개 폐 관리풍속 자료 조사를 통한 요인 분석이 필요할 것으로 사료된다.

    감사의 글

    본 연구는 국토교통부 도시건축연구사업의 연구비지 원(18AUDP-B100343-04) 및 과학기술정보통신부의 재 원으로 한국연구재단의 지원(NRF-2016R1A2B2014064) 을 받아 수행되었습니다.

    Figure

    KASS-18-93_F1.gif

    Considerations of retractable roofs4)

    KASS-18-93_F2.gif

    Loads and external forces1),6)

    KASS-18-93_F3.gif

    Reliant stadium structural system9)

    KASS-18-93_F4.gif

    Examples of analytic factors

    KASS-18-93_F5.gif

    Retractable roof area – Retraction controlled wind velocity

    KASS-18-93_F6.gif

    Opening/Closing time – Retraction controlled wind velocity

    KASS-18-93_F7.gif

    Roof structure – Retraction controlled wind velocity

    KASS-18-93_F8.gif

    Roof structure form – Retraction controlled wind velocity

    Table

    Wind load determination for the retractable roof5)

    Examples of retraction controlled wind velocity for retractable roof structures in Japan5),7)

    Opening and closing control in strong wind conditions5)

    Unit conversion table of wind velocity10)

    Table data of retractable roof structures

    Structure form of space grid structure

    Roof structure of curved roof structure form

    Reference

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