Estimation of Design Wind Speed for Building Using Spatial Information Analysis

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This research was supported by Kyungpook National University Research Fund, 2012.

Seong-Yun Lee, Ph.D. Dept. of Civil Engineering, Kyungpook National University. [email protected] Hyun-Jae Jo, Master’s Student, Dept. of Spatial Information, Kyungpook National University. [email protected] Hyun-Ki Lee, Master’s Student, Dept. of Civil Engineering, Kyungpook National University. [email protected] Se-Hyu Choi, Professor, Dept. of Civil Engineering, Kyungpook National University, [email protected] (Corresponding Author)

공간정보 분석을 통한 건축물의 설계풍속 산정

Estimation of Design Wind Speed for Building Using Spatial Information Analysis

이성윤*․ 조현재**․ 이현기***․ 최세휴****

Seong-Yun Lee ․ Hyun-Jae Jo ․ Hyun-Ki Lee ․ Se-Hyu Choi

요 약 건축물이 일정규모 이상 높아지면 구조설계 시 바람의 영향이 중요한 요인으로 작용하게 된다. 우리나라는 지 형적인 특성상 태풍과 같은 위험현상이 자주 발생하는 지역이므로 더욱 중요한 요인이라 할 수 있다. 이러한 시대적 흐 름과 기상변화를 고려한다면 건축물의 합리적인 내풍설계의 필요성이 더욱 부각되고 있다. 본 연구에서는 1:5,000 수치 지형도를 바탕으로 공간정보분석을 이용하여 설계풍하중 산정방법을 제시하였으며 실제 적용사례와 비교분석 하였다.

제안된 방법으로 풍속고도분포계수, 지형계수를 산정할 경우 보다 정량적, 객관적으로 설계풍속을 산정할 수 있었으며 기존의 방법과 비교했을 때 평가에 필요한 시간과 비용을 단축할 수 있을 것으로 기대되 건축물의 합리적이고 경제적인 내풍설계에 도움이 될 것으로 기대된다.

키워드 : 설계풍속, 풍속고도분포계수, 지형계수, 지표면조도, 공간자기상관

Abstract Once the building is higher than certain size, the wind effect plays very important role in structure design.

Moreover, this is more important in Korea because dangerous phenomena like typhoons are common. Rational wind resistant design is being magnified considering the global flow and climate changes. This research presented the estimation method of design wind load using spatial information analysis based on 1:5,000 digital map and performed comparative analysis with actual application cases. The wind velocity pressure exposure coefficient and topographic coefficient turned out to be more quantitative and rational when calculated through the proposed method. The time and cost are comparatively low when compared with traditional method which contribute to the economic and rational wind resistant design.

Keywords : Design wind velocity, Velocity pressure exposure coefficient, Topographic factor, Surface roughness, Spatial autocorrelation

1. 서 론

지난 22년간 우리나라 전 해역에서 발생한 태풍의 빈도와 강도를 분석한 결과 지구 온난화가 진행되면 서 태풍의 발생 수는 감소하는 대신 강도는 점차 강해 지고 있다고 한다[13,14]. 이러한 시대적 흐름과 기상 변화를 고려한다면 건축물의 합리적인 내풍설계의 필 요성이 더욱 부각되고 있다.

하지만 2010~2012년까지 대구 ․ 경북지역 건축설계 심의자료의 설계풍속 산정을 위한 지표면조도, 지형 계수 적용현황을 분석한 결과 행정구역 위주로 지표 면조도를 결정하거나 지형에 의한 풍속할증은 전혀

고려하지 않고 있는 것으로 나타났다[12]. 이는 국내

건축구조기준(KBC 2009)에 따라 설계풍속 산정시 정

성적인 설계기준과 현지측량으로 인한 비용적, 시간

적 어려움 등 고려해야 할 변수가 많기 때문인 것으로

분석된다. 건축구조기준(KBC 2009) 풍하중 산정과정

에 따라 설계풍속 계산시 지표면조도 C를 B로 적용하

였을 때 설계풍속은 81%로 작게 산정되고 설계풍하

중은 설계풍속 제곱에 비례하므로 65.61%에 불과하

게 된다. 지형계수 역시 산지가 많은 우리나라의 특성

상 반드시 고려하여야 함에도 불구하고 실무에서는

적용되지 않고 있었다. 이렇게 설계자 마다 풍속할증

계수가 다르게 산정되는 문제점이 발생되고 있어 설

계의 합리성에 큰 문제가 되고 있다. 이러한 이유로 실제보다 과소 산정된 설계풍속으로 인해 건축물의 안전성에 문제가 발생하거나 주택이 밀집한 도심지의 경우 건물 외장재, 간판, 표지판 등의 탈락, 파손으로 2 차적인 피해가 많이 발생하고 있다. 이와 반대로 지 나치게 건축물의 안전성만을 생각하여 설계풍속을 산 정할 경우 과다설계로 인해 경제성이 떨어지게 된다.

따라서 본 연구에서는 1:5,000 수치지형도를 바탕으 로 GIS를 이용하여 건물이 위치하는 지점에서의 지형 적인 특징, 주변 건물이나 기타 지형물의 영향을 설계 풍속 산정시 고려하였다. 특히 지표면조도 산정시 건 축구조기준(KBC 2009)에서 구분하고 있는 건물의 밀집 및 산재정도를 객관적으로 반영하기 위하여 Getis-Ord’s G

[6,7] 방법으로 공간자기상관 분석을 실시하여 군집도를 판별하고 풍속고도분포계수를 산 정하였다. 또한 지형계수 산정시 필요한 지표면의 결 정에 있어서도 등고선 및 표고점의 높이자료를 이용 하여 객관적인 산정방법을 제시하고 이렇게 산정된 풍속할증계수를 이용하여 설계풍속을 산출하여 실제 설계적용 사례와 비교분석을 실시하였다. 이는 기존 의 주관적, 정성적 방법에서 벗어나 객관적, 정량적인 설계방법으로 보다 합리적인 내풍설계에 도움을 줄 수 있을 것으로 기대된다.

2. 관련연구 분석

2.1 설계풍속 산정 관련연구

건축물의 내풍설계 시 합리적인 설계풍하중을 산정 하기 위해서는 무엇보다 정량적이고 객관적인 설계풍 속의 산출이 중요하다. 설계풍속은 기상관측 자료로 부터 확률통계기법으로 도출한 기본풍속에 자연적 요 인에 의한 풍속고도분포계수, 풍속지형계수와 인위적 요인에 의한 중요도계수를 곱하여 산정한다. 이때 풍 속고도분포계수와 풍속지형계수는 지표면조도 및 지 형의 형상에 의하여 크게 영향을 받으므로 이를 정확 하게 산정하기 위해서는 풍동실험이나 현지측량과 같 은 방법을 시행하여야 하나 특별풍하중을 고려하지 않는 일반적인 중 ․ 소규모 건축물에서는 시간과 비용 상의 문제로 매번 시행하기에는 어려운 실정이다. 따 라서 세계 각국에서는 각 나라별로 지역적 특성을 고 려한 저마다의 설계기준에 따라 풍속계수를 산출하여 설계풍하중을 결정하고 있으나 국내외의 설계기준 모 두 유사하게 풍속계수 산정 시 정성적인 구분기준으 로 인하여 정량적, 객관적인 풍속계수를 산출하기 어

려운 문제점이 있다. 이러한 문제를 해결하기 위해 풍 하중에 관한 많은 연구들이 이루어지고 있는데 주로 기상관측 자료를 토대로 기본풍속을 보다 실제적으로 산정하는 방법, 풍동실험이나 전산해석 등을 통해 지 표면 거칠기나 복잡한 지형에서 풍속계수를 산정하는 방법, 바람의 난류특성이나 풍직각 방향 진동 및 비틀 림 진동 등 특별풍하중에 관한 연구 등이 주로 수행되 고 있다. 이렇게 주로 확률 통계적 기법을 이용한 기본 풍속 산정, 풍동실험이나 전산해석을 통한 동적거동 을 분석하는 분야 위주로 연구되어 지고 있다.

2.2 지리정보시스템을 이용한 설계풍속 관련 연구

건축물의 내풍설계 시 합리적인 설계풍하중을 산정 하기 위하여 지리정보시스템을 이용한 풍속계수 산정 과 관련한 연구는 아직 초기단계로 관련 연구가 많이 부족한 실정이다. GIS 프로그램을 이용한 풍속고도분 포계수 산정과 관련한 연구로는 연구지역의 건물면적 과 그에 따른 면적비율을 추출하여 지표면조도에 대 한 좀 더 명확한 기준을 제시한 연구가 있다[16]. 지형 계수와 관련한 연구로는 GIS 프로그램을 이용하여 건 축물 높이에 따른 지표면조도를 구분하고 대상지역 내 전체 범위 내에서 국치값을 추출하여 풍속지형계 수를 산정하여 강구조물의 내풍설계에 적용한 사례가 있다[4,5,7]. 하지만 이러한 기존의 연구는 지표면조도 산정 시 건축물 높이별 면적비율에 따라 지표면조도 를 구분하고 있어 KBC 2009에서 제시하고 있는 밀집, 산재의 객관적인 구분은 어려운 실정이다. 따라서 본 연구에서는 객관적인 군집도 판별을 위하여 공간자기 상관 분석을 실시하였다. 또한 풍속할증계수 산정 시 에도 기존의 연구는 검토지역 전체에서 최대, 최소값 을 산정하고 있어 결정된 주풍향에서 지형계수를 산 정하여 보다 실제지형을 현실적으로 반영할 수 있도 록 하였다.

3. 설계풍속 산정기준 및 연구방향

3.1 국내 건축구조기준(KBC 2009)

KBC 2009 에서는 강풍에 의한 건축물의 파괴를 방

지하기 위해 풍하중을 구조 설계시 적용하도록 되어

있다. 설계풍속을 산정할 때는 풍속에 영향을 미치는

자연적 요소 및 인위적 요소들이 고려되도록 한다. 자

연적 요소로는 건설지점의 지리적 위치에 따라 정하

Table 1. Exposure category(KBC 2009) Surface

roughness

Ground surface roughness of surrounding

A

Large city centers with numerous closely spaced building having height

larger then 10th stories

B

Urban area with numerous closely spaced obstructions having the size of

single-family dwellings of 3.5m C Open terrain with scattered obstructions

having heights of 1.5m - 10m

D

Sea or open area with scattered obstructions having heights generally

less than 1.5m

Table 2. Exposure adjustment coefficient

Exposure A B C D

_m

20m 15m 10m 5m

_m

500m 400m 300m 250m



0.33 0.22 0.15 0.10

Table 3. Velocity pressure exposure coefficient Height from the

surface

Surface roughness

A B C D

 ≤ _

0.58 0.81 1.0 1.13

_  ≤ _

0.22

0.45

0.71

0.97

(a) Hill, ridge

(b) Escarpment

Figure 1. Topographic factor

는 기본풍속

, 지표면 상황에 따라 정하는 풍속고도 분포계수

, 지형상황에 따라 정하는 지형계수

와 인위적 요소로서 건축물의 설계용 재현기간에 따 라 정하는 중요도계수

를 곱하여 다음 식 (1)에 의하 여 산정한다.

_ _⋅ _⋅ _⋅ _

(1)

여기서, 풍속고도분포계수는 지표면 부근의 바람이 지표면과의 마찰 때문에 지표면 가까이에서는 감소하 고 상공으로 올라갈수록 증가하는 현상을 말한다. 평 탄한 지역에 대한 풍속고도분포계수

은 Table 1에 따른 건설지점의 지표면조도 구분과 그에 따른 Table 2에 서의 대기경계층시작높이

, 기준경도풍높이

및 풍속고도분포지수

에 따라 Table 3과 같이 정해진다.

_  _

_′

(2)

여기서,

: 형상계수



: 위치계수

′

:

( 풍상측 경사) 또는 0.3중 작은 값

_

: 난류강도 





지형계수란 산, 언덕 또는 경사지 등 지형의 영향을 받은 풍속과 평탄지에서 풍속의 비율이다. 산의 능선 이나 산의 정상 언덕 경사지 절벽 등에서는 국지적인 지형의 영향으로 인하여 풍속이 증가한다. 이러한 현 상은 실측 및 실험에 의하여 확인된 것으로 산, 언덕 및 경사지의 정상에서는 평탄지에 비하여 풍속이 1.5~2.0 배 정도 증가하는 것으로 알려져 있다[18]. 산, 언덕 및 경사지의 영향을 받지 않는 평탄한 지역에 대한 지형계수

는 1.0으로 산, 언덕 및 경사지 정상 부근 등 풍속할증이 필요한 부분에 대한 적용범위는 Figure 1 과 같고, 지형계수

는 식(2)로 산정한다.

3.2 산정사례 분석

Table 4 와 같이 대구 ․ 경북지역에서 2010~2012년까

지의 3년 동안 건축설계 심의자료를 보면 대구의 경우

1 곳을 제외한 모든 지역에서 동일한 지표면조도 B를

적용, 경북은 해안가나 대규모 택지개발지역에서는

Table 4. Wind load parameters on each buildings Construction site Story

EXP.

Hyunpung, Daegu 25 25 B 1.0

Daehyeondong, Daegu 25 25 B 1.0

Goejeondong, Daegu 18 25 B 1.0

Bungmudong, Daegu 25 25 B 1.0

Sincheondong, Daegu 25 25 C 1.0

Beomeodong, Daegu 25 25 B 1.0

Hyunpung, Daegu 25 25 B 1.0

Suseongdong, Daegu 25 25 B 1.0

Beomeodong, Daegu 29 25 B 1.0

Dasa-eup, Daegu 21 25 B 1.0

Duhodong, Pohang 30 45 D 1.0

Yangdeokdong, Pohang 25 45 B 1.0

Bonggokdong, Gumi 20 25 B 1.0

Heunghae-eup, Pohang 31 45 B 1.0 Jungsandong, Gyeongsan 23 25 C 1.0

Okgyedong, Gumi 41 25 B 1.0

Ocheon-eup, Pohang 13 45 B 1.0

Nam-Myeon, Gimcheon 28 25 C 1.0

Songjeongdong, Gumi 21 25 B 1.0

Nam-Myeon, Gimcheon 25 25 C 1.0

Sadong, Gyeongsan 18 25 B 1.0

Sineumdong, Gimcheon 6 25 C 1.0

Sangdodong, Pohang 28 45 C 1.0

Dangbukdong, Andong 23 25 B 1.0

Wondong, Pohang 13 45 C 1.0

Uhyeondong, Pohang 23 45 C 1.0

Wonho-ri, Gumi 29 25 C 1.0

Sadong, Gyeongsan 18 25 B 1.0

Duhodong, Pohang 16 45 D 1.0

Nam-Myeon, Gimcheon 25 25 C 1.0

지표면조도 C, D를 적용하였고 그 외의 지역은 B를 적용하였다. 지형계수는 모두 1.0을 적용하여 지형에 의 한 풍속할증을 전혀 고려하지 않은 것으로 나타났다.

대구지역은 일부 도심지 지역을 제외하고는 하천, 공원, 농경지 등 평탄한 지표면 상태가 많이 분포하고 있으나 일률적으로 지표면조도 B를 설계에 적용하고 있었다. 경북지역은 도 ․ 농 복합지역의 특성상 다양한 지표면 상태가 혼재되어 있어 주변상황을 면밀히 조 사할 필요가 있으나 별다른 근거 없이 산정되고 있는 것으로 나타났다. 실제로 풍속고도분포계수를 산정하

기 위해 건설지점 주변의 상황을 조사해보면 다양한 용도지역이 혼재되어 있는 경우가 많다. 특히 우리나 라의 경우 국토의 면적이 좁아 대부분의 지역에서 둘 이상의 지표면조도가 혼합되어 있다. 이런 경우 KBC 2009 에서는 지표면조도 검토범위(풍상측 45 〬영역 안 에서 건물 기준높이 H의 40배와 3km 중 적은 범위) 내에서 지표면 상태가 급변하면 보다 평탄한 지표면 조도를, 급격한 변화가 없으면 평균적인 지표면조도 를 선택하도록 하고 있다. 하지만 이에 대한 정량적인 기준이 없으며 Table 1과 같이 각 지표면조도별 지표 면 상태의 구분도 건물의 높이나 밀집, 산재의 구분 등이 정성적으로 제시되어 있어 설계자의 주관적 판 단에 따르고 있다는 문제점이 있다.

지형계수 산정시에도 우리나라는 국토의 70%가 산

지에 속하므로 풍속이 지형에 따라 많은 영향을 받는

지역이라 할 수 있다. 특히 주변지역에 임목이 양호한

산림지가 없는 도심지 지역이라도 경사도에 따라 반

드시 지형계수 적용범위를 검토하여야 한다. 하지만

Table 4 와 같이 실무에서는 지형계수가 전혀 고려되

지 않고 있는 것으로 나타났다. 일반적으로 실무에서

풍속지형계수를 산정함에 있어 다음과 같은 어려움이

있다. 첫째, 현실의 지형은 불규칙하여 뚜렷한 지표면

이 없으며 산지의 경사도 복잡하여 지형의 형상, 경사

각 등을 산정하기 어렵다. 특히 지표면을 어떻게 결정

하는가에 따라 지형계수 적용여부가 결정되는 중요한

사항임에도 뚜렷한 기준이 없어 설계자의 개인적인

판단에 전적으로 의존하고 있다. 둘째, 지형계수 평가

식은 언덕, 산 및 경사지가 단독으로 있는 경우를 대상

으로 한 것이다. 따라서 건설하고자 하는 건축물이 국

지적으로 복잡한 지형의 영향을 받는 곳에 위치한다

면 주변 지형을 모델화시켜 대지형 모형에 대한 풍동

실험을 실시한 후 그 지역의 설계풍속을 결정 하는

것이 바람직하다. 하지만 실무에서는 시간, 경제적인

이유 등으로 어려운 실정이며 특히 대형 건축물이 아

닌 중 ․ 소규모 건축물 설계 시 매번 풍동실험을 하기

에는 쉽지 않은 것이 현실이다. 마지막으로, 주풍향

등 풍상측 방향을 예측하기가 쉽지 않다. 우리나라 기

상대에서 취급하는 풍향은 방향성을 가지고 있지만

기상 관측소 주변에 국한된 것으로 특히 경도풍이 아

닌 지표면 근처에서 부는 바람은 우리나라처럼 평지

가 좁고 산지가 많은 복잡한 지형을 가진 경우 지형의

영향으로 인해 특정한 방향성을 예측하기에는 현재의

기술력에는 한계가 있다. 미국 ASCE 7-02에서도 지형

계수 산정을 위한 계수들은 바람이 언덕이나 급경사

지의 최대 경사지를 따라 흐른다는 가정 하에 산정된

Figure 2. Satellite photograph of study area 다[3]. 하지만 건축물의 안전성에 영향을 미치는 바람

은 평균풍속이 아닌 태풍 등 최대풍속이므로 설계 시 임의의 지점에 대한 주풍향을 결정하는 것에는 많은 어려움이 있다.

앞에서 살펴본 바와 같이 KBC 2009의 정성적인 설 계기준과 현실적 어려움으로 인하여 설계풍속 산정시 필요한 지표면조도, 지형계수를 설계자마다 주관적으 로 판단하고 있어 설계의 합리성에 큰 문제가 되고 있다. 특히 설계풍하중 산정시 설계풍속의 제곱에 비 례하므로 풍속할증계수에 따라 구조설계시 큰 영향을 미침에도 불구하고 객관적인 증명자료나 산출근거 없 이 주관적으로 적용되고 있는 것이 더욱 큰 문제점이 라 할 수 있다.

3.3 연구방향

본 연구에서는 이러한 문제점을 해결하기 위하여 지표면조도 구분기준의 건축물 높이를 정량화 하고 공간자기상관분석(Spatial autocorrelation)으로 건물 의 군집도를 판별하여 지표면조도를 산정하고자 한 다. 이때 사용된 수치지형 데이터는 국토교통부 국가 공간정보유통시스템(NS센터, National Spatial Inforam- ton Clearinghouse) 에서 유료로 제공하는 1:5,000 수치 지형도 Ver 2.0으로써 수치지형도 Ver 1.0과 달리 건 물의 층수 등 구조화 데이터 속성을 가지고 있는 Shp 파일을 포함하고 있다.

공간자기상관이란 인문 사회적 또는 자연적 현상들 이 공간상에서 갖는 상호의존성 및 상호작용을 나타 내며 공간상에 분포하고 있는 실체들의 위치 유사성 이 높아짐에 따라 이 실체들이 갖는 값의 유사성도 높아지는 현상을 의미한다[1,9]. 대표적인 분석방법으 로는 Local Moran-I[1], Getis-Ord’s Gi, G

[6,7] 등이 있다. 본 연구에서는 Local Moran-I 분석이나 다른 방법에 비해 직관적으로 군집도를 분석할 수 있는 Getis-Ord’s G

분석을 적용하였다. 비록 이 방법은 주변의 유사한 다른 방안과 유의성이 다를 경우 나타 나는 공간적 특이점이나 이례치를 찾기 힘들다는 단 점이 있지만 일반적으로 본 연구와 같이 연구목적이 Hot-spot 과 Cold-spot의 확인인 상황이라면 현재까지 제안된 LISA(Local Indicators of Spatial Association) 중 Getis-Ord’s G

분석방법을 선택하는 것이 가장 합 리적인 것으로 판단된다[11].

지형계수 산정시에는 수치지형도의 표고점, 등고선 등 높이자료를 토대로 GIS를 활용하여 표면 모델링 (Surface modeling) 을 실시하고 지형계수 적용범위 등

필요한 계수값을 산정한다. 이때 GIS를 이용하는 기 존의 연구[4,5,17]는 지표면을 산정할 때 분석범위 전 체에서 가장 낮은 점을 지표면으로 설정하게 된다. 하 지만 건축구조기준(KBC 2009)에서 바람은 저점과 정 점사이를 일직선으로 흐르게 된다는 가정과 위배됨으 로 자칫 풍속할증을 실제보다 과대평가할 우려가 있 다. 따라서 본 연구에서는 정점과 설계건물을 연결하 는 최대 풍향선을 결정하고 해당 지형단면에서 높이 차를 검토하여 설계기준과 좀 더 부합되는 방법이라 할 수 있다.

4. GIS를 이용한 풍속할증계수 산정

4.1 연구지역 및 검토범위

본 연구에서는 Table 4의 설계사례 중 경상북도 구 미시 옥계동에 위치한 아파트를 선정하였다. 이 지역 은 산지를 포함할 뿐만 아니라 최근 공단조성 및 급격 한 도시화로 다양한 지표면 상태가 혼재되어 있다. 이 지역의 위성사진 Figure 2와 같이 중심부에는 아파트, 주택, 공단 등 다양한 높이대의 건축물이 분포하고 있 으며 외곽지역은 농경지, 골프장, 산림지 등 다양한 지형지물이 위치하고 있어 풍속고도분포계수 및 지형 계수 분석에 적합한 지역이다.

건축구조기준(KBC 2009)에 따르면 풍속고도분포

계수 산정을 위한 지표면조도의 분석범위는 건물의

기준높이 H에 40을 곱한 값과 3km 중 작은 값으로

결정되며, 구미 옥계동 아파트는 층고를 3m로 가정할

Figure 3. Raster-based DTM

Figure 4. Vector-based DTM

Table 5. Exposure by clustered pattern Surface

roughness Density and Height of Building A Densely packed buildings

greater than 30m height B Densely packed buildings

of 3m - 30m height C Densely packed buildings

of 1.5m - 3m height D Densely packed buildings

less than 1.5m height 경우 41층이므로 123m 높이의 건물로 설계건물로부

터 3km 반경 이내를 검토범위로 선정하였다. 또한 지 형계수 검토범위는 지형에 의한 풍속할증의 범위가 1.6H( 여기서, H : 산지 정상부에서 지표면까지의 높이 차)임을 고려할 때 대구 ․ 경북지역의 경우 해발 1,000m 를 넘지 않는 산지가 대부분이므로 반경 1,600m 정도 면 충분하나 구릉성 산지가 많으므로 H/2 지점에서의 수평거리(Lu거리) 등을 감안하여 풍속고도분포계수 검토범위와 동일하게 3km로 적용하였다.

4.2 지표면조도 판정

지표면조도를 판정하기 위해서는 건물의 높이를 기 준으로 건물 수치지형모델(DTM, Digital Terrain Model) 의 생성이 이루어져야 한다. 본 연구에서는 건물 DTM 을 생성하기 위해 수치지형도상 건물 레이어의 속성 정보에 입력된 층수를 기준으로 건물층수 × 3m를 건 물의 높이로 적용하였다. 다음으로 건물의 외곽선을 따라 절점을 생성하고 등고선, 표고점과 병합하였다.

이때 등고선 및 표고점이 가지는 높이정보는 지형의 높이가 아닌 건물의 높이가 기준이 되어야 하므로 0m 로 입력하여 건물이 존재하지 않는 지표면조도 D의 영역을 반영하였다. 산지의 경우에는 위성지도로부터 입목이 양호한 산림지를 선택하여 수목의 평균 높이 를 고려, 그 내부의 점 데이터 높이를 2.5m로 설정하 여 지표면조도 C의 영역을 반영하였다.

이렇게 작성된 건물의 높이 데이터를 이용하여 Natural neighbor interpolation[15] 보간방법으로 Figure 3 과 같이 래스터 모델 기반의 건물 DTM을 생성한다.

Nearest neighbor 보간법은 가장 간단한 최단거리 보 간 방식으로 보간점에서 가장 가까운 표본점의 표고 값을 보간점의 표고값으로 택하는 방식이다. 보간점 주변에서 표고값을 지닌 가장 가까운 표본점을 검색 하여 해당 표고값을 가져오므로 보간과정에서 검색시 간만 소요되어 빠르게 결과를 얻을 수 있는 장점이 있다.

다음으로 Getis-Ord’s G

방법으로 공간자기상관분 석을 위하여 시각적 효과 및 공간 정확성이 높으며 공간객체에 대한 속성정보의 추출, 일반화, 갱신이 용 이한 벡터모델로 변환한다. 이때 지표면조도별 건물 의 높이는 건축설계기준(KBC 2009)의 층수 기준을 최대한 반영하여 Table 5와 같이 정량화하여 제시하 였다. 건물 DTM 데이터를 벡터기반의 점 데이터로 변환하여 Table 5에서 제시한 기준에 따라 건축물의 높이별로 구분하여 나타내면 Figure 4와 같다.

이때 GIS를 이용하는 기존의 방법은[16] 건물의 높 이만으로 지표면조도를 구분하고 있어 건축설계기준 (KBC 2009) 에서 제시하고 있는 건물의 밀집, 산재여 부를 반영하지 못한다. 따라서 본 연구에서는 설계기 준을 최대한 반영하여 건물의 높이별로 군집도를 산 정하여 지표면조도를 구분하는 방법을 제시하였다.

본 연구의 군집도 분석에 사용된 Getis-Ord’s G

방

법은 분석값이(Z-score) 0보다 높으면 정적 자기상관

(Hot-spot) 영역을, 0보다 작으면 부적 자기상관(Cold-

(a) H ≥30.0m (b) 3.0m ≤ H < 30.0m (c) 1.5m < H < 3.0m (d) H ≤ 1.5m Figure 5. Hot spot analysis(Getis-Ord’s Gi

)

Table 6. Exposure on N-wind direction

Exposure Clustered pattern (%)

A 0.00

B 24.02

C 37.99

D 61.52

Result D

spot) 영역을 나타낸다. 즉 분석값이 양의 값으로 높을 수록 더욱 강한 정적 자기상관 군집도를 나타내고 음 의 값으로 높을수록 더욱 강한 부적 자기상관 군집도 를 나타낸다. 이렇게 산출된 분석값은 P-value에 의해 통계적 유의성을 판정하게 되는데 통계치는 평균 0, 분산 1의 분포를 따르므로 표준점수와 같이 해석될 수 있어 본 연구에서는 유의수준 0.05에서 통계적으로 유의한 공간 단위들만 시각화하여 최종적인 분포비율 산정에 적용하였다.

이때 분석값은 각 셀별로 계산되므로 적정한 셀의 크기를 결정하는 것이 매우 중요하다. 본 연구에서는 격자의 크기를 결정하기 위하여 셀 크기에 따른 민감 도 분석을 통하여 100m × 100m의 격자크기로 결정하 였다. 또한 대상 방안 주변에 다른 방안이 위치할 경우 가중치를 주도록 공간가중치행렬을 지정하였는데 공 간 인접성을 기준으로 자신은 이웃으로 간주하고 경 계가 인접하는 경우 이웃으로 정의하여 공간가중행렬 을 구성하였다. 따라서 전체 연구범위가 6.2km × 6.2km 이므로 총 3,844개의 균등한 방안 생성되었으며 한 방안에는 Figure 4에서 생성된 높이 데이터를 가진 25 개의 점 데이터가 포함되게 된다. Getis-Ord’s G

분석 결과는 Figure 5와 같으며 지표면조도 A의 경우 W방 향에서 고층건물로 인해 Hot-spot 영역이 나타났고 지 표면조도 B도 설계건물과 인접한 위치에서 실제 건물 현황과 유사하게 Hot-spot 영역으로 분석된 것을 알 수 있다. 지표면조도 C는 산지에서 Hot-spot 영역, 농 지 및 골프장에서 Cold-spot 영역이 강하게 나타났다.

지표면조도 D는 농지 및 골프장에서 Hot-spot, 나머지 지역에서 약한 Cold-spot 영역으로 분석되었다. 정적 자기상관이 나타난 Hot-spot 영역을 분석하면 실제 건 축물의 분포패턴을 잘 반영하고 있음을 알 수 있다.

가장 평탄한 지표면 상태를 보이고 있는 N방향에 대 하여 각 조도별 Hot-spot 분포비율은 Table 6과 같으며 지표면조도 D의 영역이 61.52%로 가장 많이 분포하

고 있으므로 이지역의 평균적인 지표면조도는 D로 결 정하였다. 이 건물의 실제 설계에 적용된 지표면조도 는 B로 공간자기상관 분석을 통한 지표면조도와는 2 단계의 차이가 발생한 것을 알 수 있다.

4.3 풍속고도분포계수 산정

공간자기상관 분석을 통해 각 풍향별 분포비율이 가장 많은 조도를 해당 방향에 대한 평균적인 지표면 조도로 결정하고 풍속고도분포계수

을 구하면 Table 7 과 같다. 예를 들어 지표면으로부터 123m 높이에 위 치한 Roof층의 N방향 풍속고도분포계수는 지표면 조도가 D이므로

,

,

이므로

_ ×^ 

가 된다.

본 연구에서 제안한 방법으로 산출된 풍속고도분포 계수(지표면조도 D)와 실제 설계에서 적용된 값(지표 면조도 B)을 비교하면 실제사례에서 63.69~82.65%

가량 설계풍속을 과소평가한 것으로 나타났다. 또한

설계속도압은 설계풍속의 제곱에 비례하므로 설계풍

하중은 40.57~68.31% 정도 작게 산정된다. Table 7과

같이 지표면조도 D를 기준으로 한 단계씩 과소 산정

할 때 마다 풍속고도분포계수는 급격하게 감소하게

되며 건물의 높이가 낮을수록 그 비율은 더욱더 커지

게 된다. 지표면조도에 따라 풍속고도분포계수는 이

렇게 상당한 차이를 보이게 되므로 내풍설계시 지표

면조도의 판정이 얼마나 중요한 요인인지 알 수 있다.

Table 7. Velocity pressure exposure coefficient(N-wind direction)

Story Height (m)

Velocity pressure exposure coefficient,

A B

(Field)

C D

(Proposed) Roof 123 1.0767

(68.60)

1.2972 (82.65)

1.4613

(93.11) 1.5695 35 105 1.0219

(66.15)

1.2528 (81.09)

1.4270

(92.37) 1.5449

30 90 0.9712

(63.84)

1.2110 (79.61)

1.3944

(91.66) 1.5212

25 75 0.9145

(61.22)

1.1634 (77.88)

1.3568

(90.83) 1.4937

20 60 0.8496

(58.16)

1.1077 (75.83)

1.3121

(89.82) 1.4608

15 45 0.7727

(54.44)

1.0397 (73.25)

1.2567

(88.54) 1.4194

10 30 0.6759

(49.59)

0.9510 (69.77)

1.1826

(86.76) 1.3630

5 15 0.5800

(45.61)

0.8100 (63.69)

1.0658

(83.81) 1.2717 Notes: ( )% is rate of proposed exposure coefficient

and each exposure coefficient

Figure 6. Surface modeling(TIN)

Figure 7. Digital elevation model

Figure 8. Wind direction 따라서 지표면조도 결정시 설계자의 주관이 개입되는

현재의 방법은 많은 위험성을 내포하고 있으므로 객 관적인 데이터로부터 정량적인 산정기법이 필요하다.

4.4 지형계수 산정

풍속지형계수는 지형의 형상, 경사각, 난류강도 등 에 의해 그 값이 달라지게 된다. 따라서 풍속지형계수 를 산정하기 위해서는 지형의 높이 데이터가 필요하 므로 연구범위 내 등고선과 표고점의 높이 속성정보 를 기반으로 수치지형 데이터를 생성하였다. 이때 등 고선의 높이는 점 데이터로 변환하여 입력하였다. 이 렇게 입력한 표고점, 등고선의 높이 데이터를 TIN (Triangulated Irregular Networks) 보간법을 이용하여 Figure 6 과 같이 3차원 지표면을 생성한 뒤 5m×5m 격자간격의 래스터 데이터 모델로 변환하여 Figure 7 과 같이 지형 DEM(Digital Elevation Model)을 생성하 였다.

다음으로 연구범위 내의 정점 및 최저점의 높이 데 이터를 추출하였다. 추출한 정점과 저점의 높이차는 H 로 나타내며, 1차 풍속지형계수

의 적용범위는 설계건물로부터 1.6H(또는 1.5Lu)인 반경이다. 이때

1.6H 반경 범위에 정점이 포함되지 않는다면 정점과 설계건물 사이에서 새로운 정점을 찾는 과정을 반복 하여 지형계수 적용범위에서 정점을 찾으면 그때의 정점과 최저점을 해당 방향에 대한 최종 정점과 지표 면으로 결정하고 풍속지형계수를 산정한다.

정점과 설계건물을 관통하는 최대풍속 풍향은 Figure 8 과 같이 NW방향과 ES방향을 지나고 있으며 풍향이 NW 방향일 경우에는 설계건물이 풍하측에, ES방향일 경우에는 풍상측에 위치하게 됨을 알 수 있다. 최대풍 속 방향에 대한 지형단면 그래프는 Figure 9와 같다.

따라서 본 연구에서는 최대풍속을 NW 방향으로 결정

하고 Table 6에 따라 해당 지표면조도 D에 대한 대기

경계층시작높이

, 기준경도풍높이

및 풍속고도분포지수

로 산출된다. Figure 9 지

형 그래프에서 정점은

이고, 최저점은

임

Figure 9. Surface profile on wind direction

Table 8. Topographic factor

Story Height

Roof 123 0.3871 0.1112 1.0621

35 105 0.4173 0.1139 1.0665

30 90 0.4424 0.1166 1.0670

25 75 0.4675 0.1198 1.0733

20 60 0.4927 0.1239 1.0765

15 45 0.5178 0.1293 1.0793

10 30 0.5429 0.1374 1.0815

5 15 0.5681 0.1525 1.0822

으로,

이다. 또한, 정점 중앙으로부터 아래 로

인 지점의 높이는

m

로써, 정점에서 Lu점까지의 수평거리인

으로 산정된다. 정점으로부터 건물까지의 수평거리

  m

, 건물의 높이

일 경우 풍상측 경사는

  

이다. 설계건물이 풍하측에 위치하고

이므로

,

이며, 위치계수

이 된다.

건물 높이

에서의 난류강도

이 된다. 또한,

는 정점으로부터 풍하측 빗변으로

거리가 되는 지점에 대한 평균경사로써

로 산출된다. 따라서 형상계수

가 되고 식 (2) 에 의해 풍속지형계수

임을 알 수 있다. 같 은 방법으로 지표면조도 D에 대한 층별 풍속지형계수 값을 구하면 Table 8과 같다. Table 8에서 건물의 높이 가 낮아질수록 위치계수

는 증가하고, 난류강도

도 증가하게 된다. 이때 난류강도의 증가율에 비해 위치 계수의 증가율이 더욱 크므로 풍속지형계수

는 건 물의 높이가 낮아질수록 증가하는 경향을 보이게 된 다. 이는 실제 설계에서 적용되 지형계수 1.0과 비교하 면 6.21~8.22%의 설계풍속 차이가 발생하게 되며 최 종적인 설계풍하중 산정시에는 12.81~17.12%로 차이 가 더욱 크게 발생하게 된다.

우리나라는 국토의 70%가 산지로 구성되어 있지만 북부지역의 함경, 낭림산맥 일대를 제외하고는 높이 가 낮은 구릉성 저산성 산지로 고저차가 크지 않다.

따라서 지형에 의한 풍속할증은 그리 크지 않을 것이 나 높이가 지표면에 가까워질수록, 지표면이 평탄해 질수록 난류강도가 작아져 풍속의 할증률은 증가된 다. 또한 도시지역이라도 4% 이상의 급격한 경사지의 경우 반드시 지형계수를 고려하여야 한다. 특히 풍하 중은 설계풍속의 제곱에 비례하므로 구조설계시 큰 차이가 발생할 수도 있어 설계자의 주관을 배제한 정 량적인 산정기법의 개발과 적용이 매우 필요한 실정 이다.

5. 설계풍속 산정결과

설계풍속(

) 은 기본풍속(

) 에 자연적 요인인 풍 속고도분포계수(

), 지형계수(

) 와 인위적 요인인 중요도 계수(

) 를 곱하여 산정된다. 본 연구에서는 GIS 를 이용하여 풍속고도분포계수, 지형계수를 산정 하여 실무에서 적용한 값과 비교 ․ 검토하였다. 연구지 역의 기본풍속은 KBC 2009의 지역별 기본풍속도에 따라 구미지역 25m/s를 적용하였고, 중요도 계수는 1.0 을 적용하였다. 본 연구에서 제시한 방법인 GIS를 이용하여 산정한 풍속할증계수를 적용하여 산정한 설 계풍속과 실제설계시 적용된 설계풍속을 비교한 결과 는 Table 9과 같다.

GIS 를 활용하여 산정된 풍속고도분포계수와 지형

계수를 이용하여 설계풍속 산출한 결과 실제 설계시

58.86~77.82% 까지 설계풍속을 과소평가한 것으로 분

석되었다. 건물의 높이별로 살펴보면 높이가 낮아질

수록 지형계수는 증가하고 풍속고도분포계수는 감소

하는 경향을 보였다. 이때 풍속지형계수의 증가율 보

다는 풍속고도분포계수의 감소율이 더욱 커서 설계풍

속은 높이가 낮아질수록 감소하게 되어 실제 설계시

건물의 Roof층(높이 123m)에서는 설계풍속이 77.82%,

Table 9. Design wind speed

Story Height(m)

Proposed

_ms

Field

ms

Roof 123 1.5695 1.0621 41.6742 32.4289 (77.82) 35 105 1.5449 1.0665 41.1900 31.3195 (76.04) 30 90 1.5212 1.0670 40.5789 30.2751 (74.61) 25 75 1.4937 1.0733 40.0810 29.0848 (72.56) 20 60 1.4608 1.0765 39.3134 27.6915 (70.44) 15 45 1.4194 1.0793 38.2979 25.9932 (67.87) 10 30 1.3630 1.0815 36.8511 23.7749 (64.52) 5 15 1.2717 1.0822 34.4055 20.2500 (58.86) Notes: ( )% is rate of proposed design wind speed and

field application design wind speed

5 층(높이 15m)에서는 58.86% 과소산정된 것을 알 수 있다. 설계풍속 계산시 풍속고도분포계수와 지형계수 를 곱하여 산정하게 되므로 실제보다 거칠게 지표면 태를 판정하고 지형에 의한 풍속할증을 과소평가할 경우 더욱 큰 차이가 발생하게 된다. 또한 풍하중은 설계풍속 제곱에 비례하므로 더욱 큰 차이가 발생하 여 60.55~44.59% 까지 차이가 발생하는 것으로 나타 났다. 따라서 건물의 내풍설계시 풍하중을 산정하기 위한 가장 기본적입 풍속할증계수인 풍속고도분포계 수와 지형계수 산정에 주의를 기울여야 한다.

6. 결 론

본 연구에서는 수치지형도를 기반으로 공간정보분 석을 이용하여 건축물의 설계풍속을 산정하는 방법을 개발하였으며, 제안된 방법을 구미 옥계동 지역에 적 용하여 실제 설계자료와 비교 ․ 분석하였으며, 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.

1) 본 연구에서는 객관적인 지표면조도 구분을 위하 여 건물의 높이별 공간자기상관 분석을 통해 지표 면조도를 산정하는 방법을 제시하였다. 공간자기 상관 분석에 사용된 기법은 Getis-Ord’s G

분석으 로 검토지역에 방안을 생성한 후 군집도를 분석하

고 Hot-spot 영역의 비율에 따라 지표면조도를 결 정하였다.

2) 지형계수 산정에 있어서는 수치지형도를 이용함으 로서 현장조사나 지형측량 없이도 비교적 높은 위 치 정확도를 가진 풍속지형계수를 산정할 수 있었 으며, 실제 복잡한 형상을 이루고 있는 지형에 대하 여 정점, 지표면 결정에 있어서 설계자의 주관이 아닌 보다 객관적인 산정방법을 제시하여 동일한 지역이라도 설계자에 따라 지형계수가 다르게 산 정되는 문제점을 해결할 수 있었다.

3) 구미 옥계동 지역의 실제 설계 시 적용된 설계풍속 은 제안된 방법에 의한 설계풍속보다 58.86~77.82%, 풍하중은 60.55~44.59% 과소산정된 것을 알 수 있 었다.

4) 본 연구에서 제안한 방법은 건축물의 설계풍하중 산정에 있어서 설계자의 주관이 아닌 정량적인 분 석을 통한 설계풍속을 산정할 수 있게 함으로서 향후 건축물의 내풍설계에 기여할 수 있을 것으로 판단된다.

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Received：2015.02.16 Revised ：2015.06.16 Accepted：2015.06.26