모멘트 기반 공력천칭법의 재고찰 및 개선 Moment-Based Aerodynamic Force Balance Method: Revisited and Refined
pp.17-31
공력천칭법은 고층건물의 구조풍공학 분야에서 널리 활용되는 수단으로, 풍력실험과 풍하중 해석단계를 명확히 분리 및 연 계하는 체계적인 틀을 제공한다. 기존 방법은 주로 변위응답에 중점을 두었으나, 고층구조물 전반에 걸쳐 중요한 역할을 하는 공력모 멘트의 거동을 간과하는 경향이 있다. 본 연구에서는 이러한 한계를 극복하기 위해 개선된 모멘트 기반 공력천칭법을 소개한다. 제안 된 방법론은 정교하게 도출된 모드형상 보정계수를 반영하고, 모달스펙트럼해석과 확률론적 진동이론을 연계함으로써 측정된 공력모 멘트응답과 확률적 풍하중 효과 간의 세밀한 관계를 정립한다. 더 나아가, 본 연구에서는 건물 높이에 따라 평균, 비공진 및 공진성분 의 공력모멘트응답을 등가정적풍하중 및 풍응답으로 효과적으로 분배하기 위한 유효참여계수의 도출과정을 개념적·수학적으로 상세 히 다룬다. 이런 포괄적 접근법은 풍하중 산정의 정확도를 향상할 뿐만 아니라, 사용성 설계에 중요한 요소인 변위 및 가속도응답의 예측 개선에도 기여한다. 궁극적으로, 풍공학전문가와 구조설계자에게 더욱 안전하고 회복력 있는 고층건물설계를 위한 고도의 평가 수단을 제공할 것이다.
The aerodynamic force balance (AFB) technique is a widely employed method in structural wind engineering for tall buildings, offering a systematic framework that distinctly separates the experimental phase from the analytical phase. Conventional AFB applications, however, have primarily focused on displacement responses while often neglecting the critical influence of aerodynamic moments on tall structures. To address this limitation, this study introduces a refined moment-based AFB (MAFB) method. By incorporating rigorously derived mode shape correction factors and integrating random vibration theory with modal spectral analysis, the proposed methodology establishes a precise correlation between experimentally measured aerodynamic moments and probabilistic wind-induced structural effects. Furthermore, the study details both the conceptual and mathematical formulations for deriving effective participation coefficients. These coefficients transform the mean, background, and resonant components of the aerodynamic moment response into physically representative equivalent static wind loads (ESWLs) and dynamic response profiles (displacement and acceleration) distributed along the building's height. This comprehensive approach not only enhances the accuracy of wind load quantification but also improves predictions for displacement and acceleration responses—factors critical to serviceability design. Ultimately, the findings equip wind engineers and structural designers with advanced analytical tools to engineer safer, more resilient tall buildings.
요 약
I. Introduction
II. Evolution Towards Moment-Based Frameworks
III. Fundamentals of the MAFB Method
3.1 Wind-structure interaction link
3.2 Core concept in the equivalent SDOF system
IV. Revisited and Refined MAFB Method
4.1 Governing modal equations
4.2 Aerodynamic moment responses
4.3 Equivalent static wind loads
4.4 Wind-induced responses
5. Concluding Remarks
Acknowledgments
References
Appendix I. Directional exponents for verticalmean wind profiles
Appendix II. Contribution of wind turbulence tobackground wind loads
Appendix III. Derivations of fluctuating aerodynamicforces and moments
Appendix IV. Derivations of weighting functions