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ISSN : 1598-4095(Print)
ISSN : 2287-7401(Online)
Journal of The korean Association For Spatial Structures Vol.19 No.2 pp.83-90
DOI : https://doi.org/10.9712/KASS.2019.19.2.83

Wind Pressure Analysis of Movable Shading Using CFD

Gee-Chul Kim*, Joon-Ho Lee**, Yong-Kyu Baik***
*School of Architecture, Seoil University
**School of Architecture, Seoil University
교신저자, 정회원, 서일대학교 건축공학과 교수, 공학박사 School of Architecture, Seoil University Tel: 02-490-7529 Fax: 02-2008-1429 Email: ykbaik29@seoil.ac.kr
May 1, 2019 June 10, 2019 June 10, 2019

Abstract


Most of the variable shading devices are installed outdoors, so they are greatly affected by structural safety due to external climate change, wind, rain, and snow. Especially, due to strong wind such as typhoons, safety problems may occur due to the dropout of the device. Therefore, it is necessary to secure the structural safety against the wind. Therefore, it is necessary to analyze the structural behavior of the windshield to evaluate the structural safety of the variable sunshade device. In this study, we analyze the wind pressure applied to the shading material according to the change of the length of the variable shading device, and apply it to the calculation of the wind load for the structural design of the variable shading device. The CFD (Computational Fluid Dynamic) analysis of the structure of the sample was used to analyze wind pressure magnitude and distribution. In order to estimate the wind pressure, the maximum wind loads of the static and negative pressures acting on the structure were analyzed from numerical simulation results.



CFD 해석을 이용한 가변 차양 장치의 풍압력 분석

김 기 철*, 이 준 호**, 백 용 규***
*정회원, 서일대학교 건축공학과 교수, 공학박사
**정회원, 서일대학교 건축공학과 조교수, 공학박사

초록


    Seoil University

    1. 서론

    태양열의 실내 유입을 저감하기 위해 설치하는 차양 장치는 설치 위치에 따라 외부 차양, 내부 차 양, 유리간 사이 차양으로 구분된다. 그리고 차양 장치의 구동 유무에 따라 고정 차양 장치(Fixed shading)과 가변 차양 장치(Movable shading)로 구 분할 수 있으며, 가변 차양 장치는 수동식과 전동식 으로 구분할 수 있다1). 고정 차양 장치는 가변 차양 장치에 비해 간단하고 가격 및 유지관리비가 저렴 하여 널리 쓰이고 있으나 효율성이 다소 떨어지는 경향이 있다. 가변 차양 장치는 시간 및 기후 조건 에 따라 요구사항을 적절하게 충족시켜주고 손쉽게 조정할 수 있도록 자동화 되어 있으며 필요에 따라 서 수동 운영이 가능하다. 가변 차양 장치는 구동 시스템에 따라서 차양 장치의 성능이 다양하며, 차 양 장치의 반응성, 변화성, 유용성을 분석하여 구동 시스템을 선정하게 된다. 가변 차양 장치는 대부분 실외에 설치되기 때문에 외부 기후 변화, 바람, 비, 눈 등에 의하여 구조적인 안전성에 큰 영향을 받는 다. 특히 태풍과 같은 강풍에 의한 장치의 탈락 등 으로 안전에 문제가 발생할 수 있으므로 바람에 대 한 구조적인 안전성을 반드시 확보해야 한다. 따라 서 가변 차양 장치의 구조적 안전성 평가에는 바람 에 의한 가변 차양 장치의 거동 분석이 필요하다. 본 연구에서는 가변 차양 장치의 구동축 길이 변화 에 따라 차양 막재가 받는 풍압력을 분석하여 가변 차양 장치의 구조 설계를 위한 풍하중 산정에 활용 하고자 한다. 이에 따라 전산 유체 역학(CFD: Computational Fluid Dynamic) 해석을 통하여 풍 압 크기 및 분포와 차양 막재에 작용하는 최대 정압 및 부압의 풍압력을 분석하였다. 분석 결과를 통하 여 바람에 의해 예제 구조물이 받는 영향을 살펴보고 구조 설계를 위한 풍하중 산정에 반영하고자 한다.

    2. 가변 차양 장치

    2.1 가변 차양 장치 사례

    <Fig. 1>은 가변 차양 장치의 대표적인 사례이다. <Fig. 1 (a)>는 One Ocean Pavilion으로 수직 차양 을 1축으로 개폐하여 바람 반응형 환기를 유도한다. 그러나 남측이나 남서측으로 루버의 면에 접촉해야 하며 시야 확보의 한계가 있다. <Fig. 1 (b)>의 ThyssenKrupp Quartier는 시작과 끝의 형태가 다 른 수직 차양을 1축으로 회전시켜 2축의 효과를 얻 을 수 있는 시스템이다. 이는 직사광선의 유입을 막 아 건물 에너지 효율성에 긍정적인 영향을 주지만 겨울철 난방 부하가 발생하고 시야 확보의 한계가 있다. <Fig. 1 (c)>의 Media Tic은 최소 2개에서 최 대 3개의 층으로 이루어진 ETFE Cushion 시스템이 IP 주소로 제어되며 센서로 작동하여 최신기술이 접목되어 있지만 높은 비용으로 인해 효율성이 낮 고 시야 확보가 불가능하다. 사례에서 보는 바와 같 이 차양 장치의 축 길이의 변화로 차양 장치의 형태 를 다양화하여 성능을 향상시킨다2).

    2.2 축 구동의 가변 차양 시스템

    차양 장치의 축이 움직이지 않고 고정된 고정 방 식보다 축의 움직임으로 차양의 형태를 변형시킬 수 있는 구동 방식이 많은 장점을 가지고 있다. 차 양의 형태가 자유롭게 변형될 경우 차양의 방향에 관계없이 적용할 수 있고 겨울철 난방 부하 및 여름 철 냉방 부하를 저감할 수 있으며 시야 확보가 용이 하다6),7). 가변 차양 장치는 구동축의 수에 따라서 1축, 2축, 4축 구동으로 구분된다. 2축 구동은 1축 구동에 비해 차양의 구동이 자유로우며 4축 구동은 일사 조절의 고도각과 방위각을 동시에 고려할 수 있다.

    수직 차양과 수평 차양을 결합한 4축 구동 방식 의 차양 장치는 창호 상부와 좌우의 가변 차양 막으 로 태양의 궤도를 따라 차양의 형태를 자유롭게 할 수 있으며 3면의 차양 막을 제어할 수 있어 효율적 인 에너지 관리가 가능하다. 가변 차양 장치는 <Table 1>과 같이 시간에 따라서 4개의 구동축을 제어하게 된다. 태양광의 위치에 따라서 구동축의 길 이가 변하여 차양 막의 형태를 다양하게 할 수 있다.

    3. 예제 구조물의 모델링

    3.1 가변 차양의 차양 막 형상

    가변 차양 장치의 형태 및 차양 면적 등은 구동축 의 길이에 따라서 다양하다. 본 연구에서는 가변 차 양 장치의 형태 중 대표적인 5가지에 대한 구동축 의 길이를 <Table 2>와 같이 나타내었다.

    차양의 크기는 2.7×1.8m이며 구동축의 최소 길이 는 200mm, 최대 길이는 1,200mm로 구동축의 길이 에 따라서 차양 막의 형상이 직사각형 또는 사다리 꼴 형태를 갖게 된다. Case 1은 4축이 모두 최대로 돌출된 것으로 상부 차양 막과 좌우 차양 막이 모두 직사각형 형태이다. Case 2는 상부 구동축이 최대 길이로 돌출되고 하부 구동축이 중간 길이로 돌출 된 것으로 상부 차양 막은 직사각형의 형상이며, 좌 우 차양 막은 사다리꼴의 형상이다.

    3.2 풍속 및 풍방향

    CFD 해석을 수행하기 위해서는 적용 풍속 및 풍 향의 설정, 주변 지형의 분석, 대상 건축물의 모델 링을 수행하고 해석 결과를 평가하는 절차를 밟는 다. 예제 구조물의 CFD 해석에 적용한 풍속은 KBC20168)에 따라 서울 지역 기본 풍속인 26m/sec 이다. 또한 강풍에 대한 가변 차양 장치의 추가적인 안전성을 검토하기 위하여 풍속 40m/sec을 사용하 였다. 건축물에 대한 최대 풍속은 원칙적으로 그 지 역의 풍속에 관한 과거의 기록에 기초하여 통계적 으로 구해야 하지만 정확한 풍속은 지리적인 위치 와 고도에 따라 달라지므로 일반적으로 설계 규정 에 주어진 기본 풍속 지도로부터 구한다. 이러한 풍 속도는 각 지역 기상대의 풍속 기록에 근거를 두고 통계적으로 유도한 통상 100년 재현 기간의 지상 특정 고도에서의 최대 풍속을 나타내고 있다. 구조 물의 풍하중을 결정하기 위한 설계용 풍속은 대상 건축물의 지역에 의한 기본 풍속 V0 에 여러 가지 변수를 고려하여 식 (1)과 같이 계산한다. Fig. 2

    V z = V 0 · K z r · K z t · I w
    (1)

    • V0 : 기본 풍속

    • Kzr : 풍속의 고도 분포 계수

    • Kzt : 지형에 의한 풍속 할증 계수

    • Iw : 건축물의 중요도 계수

    본 연구에서 풍속의 고도 분포 계수는 지표면 조 도 구분 B에 따라 계산하였으며, 지형에 의한 풍속 할증 계수 및 중요도 계수는 1.0을 사용하였다. <Fig. 3>은 예제 구조물의 위치에 따른 적용 풍속을 나타낸 것이다. 예제 구조물의 지붕층 높이가 32m 로 최대 적용 풍속은 기본 풍속을 약간 상회하는 것 을 볼 수 있다.

    바람의 방향에 따라서 가변 차양 장치의 풍거동 이 다르게 나타날 수 있다. CFD 해석에 적용한 풍 방향은 예제 구조물의 대칭성을 고려하여 <Fig. 4> 와 같이 11.25° 간격으로 총 17가지로 설정하였다.

    3.3 예제 구조물의 모델링

    본 연구의 예제 구조물은 층고 4m의 8층 구조물 로 높이 32m, 가로 23.4m, 세로 23.4m의 정방향 평 면이며 차양의 크기는 2.7×1.8m이다. 가변 차양 막 은 2층부터 8층까지 설치되어 있으며 가변 차양 구 동축의 길이는 최대 1.2m, 최소 0.2m이다. 가변 차 양 장치의 설치 위치와 개수는 <Fig. 5>와 같이 구 조물의 동서남북 입면에 따라서 다양하게 설치하였 다. 그리고 CFD 해석을 위하여 <Fig. 6>과 같이 예 제 구조물을 Solid Based Mesh Generation 수행하 였다.

    4. 예제 구조물의 CFD 해석

    시간과 공간에 따라 변하는 풍하중의 특성으로 인하여 바람을 받는 구조물의 풍압은 직접적으로 계산하기 어려우며, 대상 구조물의 형태가 비정형성 을 갖는다면 더욱 예측하기 어렵다. 특히 바람의 영 향이 양면에 동시에 작용하는 막의 경우 양면의 풍 압을 동시에 고려해야 한다. 이때 대상 구조물의 풍 하중은 실험 또는 적절한 해석 방법을 통해 산정하 는 것이 바람직하다. 그러나 CFD 해석은 풍하중 조 건을 다양하게 하여 여러 경우의 수를 비교할 수 있 으므로 실험에 비해 효율적인 장점을 가지고 있다. 따라서 본 연구에서는 CFD 해석을 통하여 풍향뿐 만 아니라 차양 막의 위치 및 형태에 따른 풍압의 크기를 비교하고 분석하는 것을 목표로 하고 있으 며 각 경우에 따른 최대 풍압을 분석하였다.

    4.1 풍압 부호 및 계측 위치

    풍압력은 <Fig. 7>과 같이 정압과 부압으로 구분 하며 차양 막의 바깥쪽 면에서 안쪽으로 작용하는 압력을 정압(Positive pressure), 안쪽 면에서 바깥 으로 작용하는 압력을 부압(Negative pressure)으로 하였다. 면에 작용하는 총 압력은 정압과 부압을 합 산하여 계산하였다.

    바람의 특성상 차양 막의 수직 및 수평 위치에 따 라 풍압이 다르게 나타나므로 차양 막의 위치에 따 른 차이를 비교하기 위해 다양한 위치에서 풍압을 계산하였다. 측정점은 <Fig. 8>과 같이 2층, 5층, 8층 의 3개 층과 가장자리(Side) 및 중앙(Center)의 위치 로 하였다. 단, 건축물의 서쪽(W) 방향의 면에는 차 양 막이 가장자리에만 있으므로 가장자리에서만 측 정하였다. 풍압의 측정 위치에 대한 표기는 다음과 같다. 측정점의 명칭은 면방향(N~W)-수직 위치 (2~8F)-수평 위치(A~D)로 정의하였다. N-2F-A는 북측 2층 A열 가변 차양 장치를 뜻한다.

    4.2 CFD 해석

    차양 막의 위치 및 형태, 풍방향, 풍속에 따른 예 제 구조물의 차양 막에 대한 풍압력을 계측 및 분석 하였다. 풍하중 조건은 평균 풍속(26m/sec, 40m/sec), 차양 막의 수직 위치(2층, 5층, 8층) 및 수평 위치(Side, Center), 차양 막의 구동축 길이 (5가지), 풍방향(17가지, 11.25° 간격)이다. 이러한 조건에 따른 차양 막의 풍압력은 수직 위치와 수평 위치에 따라 분석하였다. <Fig. 9~11>은 기본 풍속 26m/s, 차양 막의 수직 위치(2층, 5층, 8층)에서의 풍압력을 나타낸 것이다. 상부 수평(Horizontal) 차 양 막보다 측면 수직(Vertical) 차양 막에 큰 풍압력 이 작용하고 있으며, 수직 차양 막의 경우 축의 길 이 변화에 영향이 작다. 양압력의 경우에는 풍방향 의 영향이 큰 것을 볼 수 있다. 기본 풍속이 26m/sec인 경우 최대 풍압은 북측 5층 A열 수직 차양 막에서 -880.31(Pa)로 나타났다. 기본 풍속이 40m/sec인 경우 최대 풍압은 북측 8층 A열 수평 차양 막에서 -1979.93(Pa)로 나타났다. 차양 막의 윗 면에 작용하는 정압(윗면을 내리누르는 압력)은 높 이에 따라 크게 차이 나지 않으나, 부압(윗면을 쳐 올리는 압력)은 낮은 층에 비해 높은 층에서 매우 크게 작용한다. 차양 막의 옆면에 작용하는 압력도 건물의 중앙부보다 가장자리에 위치한 차양 막에 큰 압력이 작용하며, 안쪽으로 누르는 정압보다 바 깥쪽으로 당기는 부압이 더 크게 작용한다.

    <Fig. 12>, <Fig. 13>은 기본 풍속 40m/s, 차양 막의 수평 위치(A, B, C, D열)에서의 풍압력을 나타 낸 것이다. 내측 차양 막보다 외측 차양 막에 큰 풍 압력이 작용하고 있으며 축 길이의 변화보다는 풍 방향에 대한 영향이 더 큰 것을 볼 수 있다. 기본 풍 속이 26m/sec인 경우 최대 풍압은 북측 5층 A열 Vertical 차양 막에서 -880.31(Pa)로 나타났다. 기본 풍속이 40m/sec인 경우 최대 풍압은 북측 5층 A열 Vertical 차양 막에서 –1979.47(Pa)로 나타났다.

    차양 막의 수평면과 수직면에 작용하는 정압 및 부엽은 모두 중앙부보다 가장자리에서 더 크게 작 용하였다. 이는 바람의 난류 및 와류 현상에 의해 건물의 중앙부보다 가장자리에서 풍속이 빨라지기 때문이다.

    4.3 CFD 해석 결과

    차양 막의 수평면와 수직면에 작용하는 정압 및 부압은 모두 중앙부보다 가장자리에서 더 크게 작 용하였다. 이는 바람의 난류 및 와류 현상에 의해 건물의 중앙부보다 가장자리에서 풍속이 빨라지기 때문이다. 차양 막의 윗면에 작용하는 정압은 높이 에 따라 크게 차이나지 않으나, 부압은 낮은 층에 비해 높은 층에서 매우 크게 작용한다. 차양 막의 옆면에 작용하는 압력도 건물의 중앙부보다 가장 자리에 위치한 차양 막에 큰 압력이 작용하며, 안쪽 으로 누르는 정압보다 바깥쪽으로 당기는 부압이 더 크게 작용한다. CFD 해석에 의한 풍하중 영향 평가는 가변 차양 장치의 형상, 위치, 풍향 등 풍하 중에 영향을 미칠 수 있는 다양한 요소들을 반영한 평가가 가능하다. 이에 따라 가변 차양 장치의 풍압 력에 영향을 미치는 변수인 차양 막의 위치 및 형 태, 풍방향을 반영하였으며, CFD 해석을 수행하여 계측한 풍압력의 분석에 대한 최대값을 도출한 결 과를 <Table 3>과 같이 나타내었다.

    5. 결론

    가변 차양 장치의 풍압력을 분석한 결과, 차양 막 의 수평면에 작용하는 정압(수평면을 아래로 내리 누르는 압력)은 높이에 따라 큰 차이를 보이지 않았 으나, 부압(수평면을 위로 쳐올리는 압력)은 낮은 층에 비해 높은 층에서 매우 큰 값이 나타났다. 이 는 정압의 관점에서 볼 때 높은 층에서 차양 막 수 평면 위로 흐르는 바람은 건물의 위로 흘러 올라갈 수 있는 공간이 있으므로 내리누르는 힘이 크지 않 지만, 부압의 관점에서는 차양 막 수평면 아래에 갇 힌 바람이 쳐올리는 압력과 차양 막 위로 흘러가며 당기는 압력이 합산되어 큰 압력이 작용하는 것으 로 판단된다.

    차양 막의 수직면에 작용하는 압력은 일반적으로 예상할 수 있는 바와 같이 중앙부보다 가장자리에 서 크게 작용하며, 안쪽으로 누르는 정압보다 바깥 쪽으로 당기는 부압이 더욱 크게 나타났다. 이는 차 양 막의 수평면에서 부압이 크게 나타난 것과 같은 원리가 작용한 것으로 판단된다.

    이상의 결과로부터 낮은 층보다 높은 층에서, 건 물의 중앙부보다 가장자리에서 더욱 큰 풍압이 작 용함을 인지해야 하며, 특히 차양 막을 바깥쪽으로 당기는 부압에 유의하여 설계에 반영해야 한다.

    감사의 글

    본 논문은 2019년도 서일대학교 학술연구비에 의해 연구되었음.

    Figure

    KASS-19-2-83_F1.gif

    Movable shading case

    KASS-19-2-83_F2.gif

    Drive shaft of movable shading device

    KASS-19-2-83_F3.gif

    Wind speed by height

    KASS-19-2-83_F4.gif

    Wind direction

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    Example structure

    KASS-19-2-83_F6.gif

    Mesh generation

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    Wind pressure sign

    KASS-19-2-83_F8.gif

    Sensing point

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    2F wind pressure (Wind speed: 26m/s)

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    5F wind pressure (Wind speed: 26m/s)

    KASS-19-2-83_F11.gif

    8F wind pressure (Wind speed: 26m/s)

    KASS-19-2-83_F12.gif

    Side wind pressure (Wind speed: 40m/s)

    KASS-19-2-83_F13.gif

    Center wind pressure (Wind speed: 40m/s)

    Table

    Drive shaft control of movable shading device (Sample case)

    Drive shaft length (Unit: mm)

    Maximum wind pressure

    Reference

    1. Choi, S. J., & Jo, J. H., “Development of a Control Algorithm for Exterior Movable Shading Device considering Shaded Fraction”, Journal of Architectural Institute of Korea, Vol.32, No.10, pp.53~60, 2016
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    3. Knippers Helbig Advanced Engineering [One Ocean Pavillon Yeosu]. Retrieved from https://www.knippershelbig.com/en/one-ocean-pavillon-yeosu
    4. FASSADEN FRENER REIFER [ThyssenKrupp Quartier-HAUPTVERWALTUNG]. Retrieved from http://www.frener-reifer.com/referenzen/thtss enkrupp-quartier-hauptverwaltung/
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