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Scientific Reports 13권, 기사 번호: 14236(2023) 이 기사 인용

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측정항목 세부정보

본 연구에서는 횡풍 변동에 영향을 받는 사각형 실린더의 측풍 항력을 조사하기 위해 3D 대형 와류 시뮬레이션을 활용했습니다. 변동을 생성하기 위해 입구 경계에서 규정된 사인 함수와 풍향 장벽이라는 두 가지 별개의 방법이 사용되었습니다. 주파수는 동일한 Strouhal 수 ​​형식으로 정규화되었습니다. 0.05 이상의 정규화된 주파수를 갖는 횡풍 변동은 동일한 주파수 대역을 사용하여 사각형 실린더를 횡방향으로 자극하는 경향이 있습니다. 주파수 효과는 사각형 원통 크기의 절반인 장애물에 바람이 불어오는 방향에 위치한 사각형 원통에도 존재합니다. 그러나 사각 원통 크기의 2.5배 장애물은 정규화 주파수 0.04의 측풍 변동을 생성하여 사각 원통을 가로 방향으로 자극할 수 없습니다. 풍향 장벽의 주파수 효과는 거리에 따라 크게 약화되고 정사각형 실린더 크기의 8~10배에서 사라집니다.

경제 및 기술 발전과 함께 건축에서 경량 재료의 사용이 계속 증가함에 따라 고층 건물의 측풍 반응을 완화하는 문제가 안전과 거주 적합성을 위해 점점 더 중요해지고 있습니다1. 강한 바람이 건물에 접근하면 난류 및 후류 소용돌이로 인해 고층 건물의 가로 방향으로 바람에 의한 하중이 발생할 수 있습니다2,3,4,5. 건물의 강성이 감소함에 따라 스트롤 수(St)로 특징지어지는 와류 발산 주파수는 건물 구조의 고유 주파수에 접근할 수 있습니다. 풍속이 증가함에 따라 구조물의 진동 주파수는 와류 발산 주파수를 따릅니다. 주파수 잠금이 발생하면 진동 주파수는 고유 주파수로 고정되고 비잠금 상태6,7에 비해 동작의 진폭이 크게 증가합니다. 따라서 바람의 작용에 따른 건물의 횡방향 동적 반응을 조사하고 잠금 상태로 이어지는 조건을 예측하여 고층 건물의 안전한 작동을 보장하는 것이 중요합니다6,7,8,9,10 ,11.

CTBUH Global Tall Buildings Database12에 따르면 중국은 세계 100대 초고층 건물 중 51개가 전국적으로 완공되었으며, 가장 높은 10대 초고층 건물 중 6개가 중국에 위치하는 등 맨해튼화 추세를 주도해 왔습니다12. 고층 건물의 이러한 중앙집중화는 구조물이 경험하는 풍하중 변동을 변화시킵니다. 또한, 근거리 장애물의 영향으로 인해 고층 건물에 작용하는 와류 여기력을 예측하기가 어렵습니다. 이러한 현상은 장경간 교량의 박스형 거더 구조에서도 관찰되며, 풍속 변동은 더 큰 규모에서도 정규 분포를 따르지 못합니다13,14. 고층 건물의 와류 유발 진동(VIV)과 구조물 표면의 바람 변동 사이의 상관관계는 충분하지 않습니다. 바람장의 변동은 시간이 지남에 따라 건물 표면에 압력 변동을 일으킬 수 있으며, 이는 변동하는 바람장에서의 바람 진동 반응을 중요한 과학적 문제로 만듭니다15.

더욱이, 대부분의 고층 건물은 중심업무지구(CBD)와 같은 도시 밀집 지역에 위치하는 경향이 있습니다. 도시 지역의 기본 표면의 높은 가변성으로 인해 기류와 건물 사이의 운동량 상호 작용으로 인해 복잡한 공간적 및 시간적 난류 특성이 발생합니다. 제한된 측정 데이터 또는 입구 경계 조건9으로 평균 로그 풍속 프로파일을 기반으로 신뢰할 수 있는 VIV 예측을 얻는 것은 어렵습니다. 따라서 특히 도시 환경에서 고층 건물에 대한 바람장 변동의 영향에 대한 더 깊은 이해를 개발하는 것이 필수적입니다.

본 연구에서는 횡풍 변동에 따른 사각 원통의 와류 가진력(VEF)을 조사하기 위해 대형 와류 시뮬레이션(LES)을 수행했습니다. 횡풍 변동은 사인 함수에 의해 활용되는 주기적인 변동 횡풍 속도와 바람 방향에 설치된 장벽의 두 가지 방식으로 생성됩니다. 사각 원통에 와류가진 힘의 주파수를 분석하고 측풍 변동의 영향을 논의합니다. 이 연구는 변동하는 바람장에서 사각형 실린더의 측풍 항력에 대한 통찰력을 제공합니다.