오늘 다뤄볼 주제는 구조물의 “외부 기류 해석”에 대한 것입니다.
스타디움은 주변에서 가장 쉽게 볼 수 있는 건물보다 큰 벽체로 둘러싸인 형태의 대표 구조물입니다. 축구, 야구 등 다양한 스포츠는 물론 올림픽과 같은 특수 상황에서는 개/폐회식 등 다양한 행사가 진행되기도 합니다.
구조 형태의 특성상 공기의 흐름을 막는 초대형 벽체로 인해 거대한 재순환 영역이 발생할 수 있습니다. 내외부의 설치 구조물에 따라 공진을 포함한 다양한 위험성이 존재하기 때문에 기류 변화에 대해 주의 깊게 확인이 필요합니다.
구조물에 대해 외부 기류 해석 검토는 왜 필요할까요?
스타디움과 같은 초대형 건축물은 기계 제품이나 일반 건축물에 비해 매우 큰 벽체가 광범위하게 설치되어 있는 구조 형태이며, 바람이 흘러가지 못하도록 방해는 거대한 방해물에 해당하기도 합니다. 하지만, 공기는 눈에 보이지 않기 때문에 그 위험성을 확인할 수 없으며, 사고 발생 시 밀집된 관중들에게 큰 피해를 줄 수 있는 고위험군에 해당합니다.
우리 눈에 가장 쉽게 볼 수 있는 유체는 물입니다. 시냇물이 돌이라는 장애물을 만나면 좌우로 돌아가려는 성질을 가지고 있습니다. 이처럼 공기 또한 스타디움이라는 큰 방해물에 대해 돌아가려고 하지만 그 과정에서 손실된 에너지에 의해 재순환 영역이 발생하고, 유체의 속도와 압력이 위치별로 예측할 수 없는 형태로 변화가 발생하게 됩니다.
실제로 이러한 변화에 따라 경기장 내외부에 설치된 구조물에 영향을 주게 되고 높아진 압력이나 공진 등에 의해 파손되거나 인명 피해로 발전할 수 있으므로 가시화된 형태로 외부 기류에 대한 해석 검토가 필요합니다.
“외부 기류” 에 대해 어떻게 정의하고 설계할 수 있을까요?
외부 기류는 이름 그대로 구조물 외부에서 발생하는 기체의 흐름을 이야기합니다. CFD(전산 유동 해석)에서는 가상 공간 상에 1:1 Scale로 구현한 주변 공기의 흐름과 구조물 형태를 모사해서 위치 별 속도의 변화나 구조물 표면의 압력 결과 등을 확인할 수 있습니다. 유체의 데이터를 통해 구조 해석과 연계하여 설치 조형물의 공진 영향성이나 최대 변위 등도 연계하여 해석할 수 있습니다.
그렇다면, 구조물의 외부 기류에 대해서 어떻게 해석 검증을 할 수 있는지 함께 알아보도록 하겠습니다. 예제 모델은 쿠웨이트 스타디움으로 대표적인 외부 벽면과 태풍 조건에서의 임계 풍속을 가정하여 적용한 예제입니다. 가시화된 외부 유체 흐름 분석과 함께 경기장 벽면의 압력 분포, 내외부 위치 별 유체 속도를 확인함으로써 유체를 이용한 외부 기류 해석에 대해서 이해하는 것을 목표로 하고 있습니다. 그렇다면, 외부 기류에 대한 유동 해석을 어떻게 할 수 있을지 쿠웨이트 스타디움 예제와 함께 진행해보도록 하겠습니다.
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