국내의 설계기준에서 규정하고 있는 풍속은 지표조도 2에 대하여 지표면으로부터 10 m 높이에서 10분 평균 풍속을 기준으로 설계풍속을 제시하고 있으며(MOLIT, 2021; MOLIT, 2022; MOLIT, 2023), 각 지표조도와 고도에 따른 풍속분포를 고려하여 검토 대상 구조물이 위치한 지역의 지표조도와 구조물의 높이에 따라 보정하여 적용하도록 하고 있다. 또한, 필요시 구조물 위치에서의 풍속자료를 기반으로 설계풍속을 결정할 수 있도록 규정하고 있어 실제 구조물 위치의 풍속에 대한 안전성을 검토할 수 있도록 제시하고 있다. 그러나, 풍속은 자연현상으로 지역적 특성에 따라 지표조도 및 높이의 변화로 인한 영향을 받을 수 있으며, 이를 보정하기 위한 방법은 근사적으로 추정하기 위한 방법으로 실제 풍속과는 상대적인 차이가 발생할 수 있다. 또한, 지표조도는 정성적인 기준으로 단계별로 제시하고 있어 실질적으로 연속적인 변화를 기대하기 어려울 수 있다(Lee and Lim, 2013; Lee et al., 2021). 따라서 기준풍속의 계측위치로부터 지표조도 및 높이에 따른 보정풍속과 실제풍속의 상대적인 차이를 확인하고자 하였다.

본 연구에서 설계풍속 검토를 위하여 선택한 지역은 오랫동안 풍속자료가 있으며, 상대적으로 바람에 의하여 영향을 많이 받을 것으로 판단되는 해안지역을 대상으로 하였다. 대상지역의 연최대풍속자료는 기상청의 종관기상관측(ASOS) 데이터베이스의 지점번호 165번 기상대에서 계측된 1904년부터 2024년까지 120년간의 풍속자료를 이용하였으며, 계측기간동안 변화되었던 풍속계의 높이에 대한 정보는 기상청의 기상연보에 따른 높이변화를 고려하였다(KMA, 1904-2024; Choi et al., 2010). 지표조도와 높이에 대한 보정은 해상교량 계측 풍속과의 비교를 위하여 지표조도 1의 10 m 높이에 대한 풍속으로 보정하였다. 지표조도는 처음 계측년도인 1904년의 지역적 조건과 산업발전시기 등을 고려하여 지표조도 1로 적용하였으며, 첫번째 시나리오는 개화기 및 근현대화 시기를 고려하여 1930년~1950년 기간 동안 점진적으로 지표조도 1에서 2로 변화하는 것으로 가정하고 이후 지표조도 2가 유지되는 것으로 가정하였다. 또한, 지표조도 변화 시나리오에 따른 대상지역의 풍속변화의 경향을 파악하기 위하여 이동평균(Moving average)을 함께 분석하였으며, 기간에 따른 상대적인 변화 수준의 차이를 확인하기 위하여 20년과 30년에 대한 이동평균을 고려하였다. 첫 번째 시나리오에 따라 보정된 대상지역에서 계측된 연최대풍속은 Fig. 3과 같이 나타났으며, 이동평균의 추세는 1960년대부터 점차 감소하고 있는 것으로 평가되었다. 두번째 시나리오는 첫 번째 시나리오의 변화 이후 경제 자율화 및 개방화 시기를 고려하여 1980년~2000년 기간 동안 지표조도 2에서 3으로 점진적으로 변화하는 것으로 가정하였으며, 이후 지표조도 3으로 유지되는 것으로 가정하였다. 두 번째 시나리오에 따라 보정된 대상지역에서 계측된 연최대풍속은 Fig. 4와 같이 나타났으며, 이동평균의 추세는 1960년~1980년 기간 동안 감소하는 경향을 보이다가 1980년 이후 약간 증가하는 것으로 나타났으며, 2000년부터 감소하고 있는 경향을 보였다. 각 지표조도 변화 시나리오에 따라 1980년 이후 지표조도 차이를 구분하였으며, 이에 따라 각 시나리오의 결과를 비교하면 1980년 이후 연최대풍속의 차이가 발생하는 것을 알 수 있다. 따라서, 구조물 설계시 지표조도의 구분을 적절하게 고려하는 것이 필요할 것으로 판단된다.

대상지역의 계측 풍속자료와 비교를 위한 해상교량은 총 4곳으로 모두 해상교량이며, 대상교량의 정보와 설치된 풍속계의 설치위치 및 높이 등의 정보를 Table 2에 정리하여 나타내었다. 또한 각 설계기준별 지표조도 시나리오에 따라 보정된 최대풍속을 각 해상교량에서 계측된 10분 평균 풍속자료와 비교하기 위하여 해상교량에서 계측된 풍속자료도 지표조도 1의 10 m 높이에 대한 풍속으로 보정하였으며, Figs. 5와 6에 비교하여 나타내었다. 비교결과, 지표조도 시나리오 1을 고려하는 경우, 교량 설계하중에 따라 보정된 풍속은 대상 교량 계측 풍속과 비교하여 -24.42%~35.02% 차이가 나는 것으로 나타났으며 평균 -5.13% 차이가 나는 것으로 확인되었다. 교량 내풍설계기준에 따라 보정된 풍속은 -24.50%~34.89% 차이가 나며, 평균 -5.22% 차이로 확인되었고, 건축물 설계하중에 따라 보정된 풍속은 -24.15%~35.00% 차이가 나며, 평균 -4.99% 차이가 나는 것으로 확인되었다. 지표조도 시나리오 2를 고려하는 경우, 교량 설계하중에 따라 보정된 풍속은 대상 교량에서 계측된 풍속과 비교하여 -40.61%~6.10% 차이가 나는 것으로 나타났으며 평균 -25.45% 차이가 나는 것으로 나타났다. 교량 내풍설계기준에 따라 보정된 풍속은 -41.39%~4.71% 차이가 나며, 평균 -26.42% 차이로 확인되었고, 건축물 설계하중에 따라 보정된 풍속은 -42.30%~2.70% 차이가 나는 것으로 나타났으며 평균 -27.73% 차이가 나는 것으로 확인되었다. 지표조도 시나리오에 따라 비교하는 경우 지표조도 시나리오 1에 따라 보정된 풍속이 지표조도 시나리오 2에 따라 보정된 풍속보다 교량에서 계측된 풍속과 더 유사하게 나타나는 것으로 판단되었으며, 지표조도 2에 따라 보정된 풍속은 대상 교량에서 계측된 풍속보다 더 큰 수준으로 나타났다. 하지만, 풍하중은 상대적으로 다른 하중유형과 비교하여 변동성이 큰 특성을 가지며, 이로 인한 특성을 분석하고 검토하기 위해서 장기간의 계측자료가 필요하다. 하지만 대상 교량에서 계측된 풍속자료는 상대적으로 짧은 기간으로 판단되며, 설계풍속을 결정을 위해서는 이에 대한 안전성을 고려하여 지표조도를 보수적으로 적용하거나 장기간의 풍속자료를 이용하여 그 변동성을 확인하는 것이 합리적일 수 있을 것으로 판단된다.

앞서 검토된 지표조도 변화 시나리오에 따라 비교된 대상지역의 보정풍속을 반영하여 설계기준풍속을 산정하는 경우 재현기간과 하중계수 수준에 따라 설계기본풍속이 변화할 수 있으며, 이에 따라 구조물에 작용하는 하중 수준도 달라질 수 있다. 따라서, 각 설계기준에서 규정하고 있는 재현기간과 하중계수를 고려한 설계풍속 수준을 검토할 필요가 있다. 설계풍속 수준 비교를 위하여 재현기간을 명시하지 않는 교량 내풍설계기준(케이블교량)은 교량 설계하중과 건축물 설계하중에서 고려되는 재현기간을 함께 고려하였다.

재현기간을 고려한 설계풍속을 결정하기 위하여 대상지역의 계측풍속을 기준으로 산정되는 설계기본풍속은 최대 풍속의 확률모델로 일반적으로 고려되는 극치Ⅰ형 분포모형(Gumbel 분포)을 이용하여 적합도를 확인하였다. 또한, 재현기간에 대한 기대 풍속을 산정하였으며(Hong et al., 2013; Song, 2016), 하중계수를 고려한 설계풍속을 비교하였다.

Gumbel 분포의 누적분포함수(Cumulative Distribution Function, CDF)는 Eq. (5)와 같이 나타날 수 있으며(Gumbel, 1935; Yun and Lee, 2018), 이를 역변환하여 Eq. (6)과 같이 표현될 수 있다. 여기서V 는 최대 풍속, F(V) 는 비초과확률이며, u 와α 는 Gumbel 분포의 특성값이다. 따라서, -ln(-ln(F(V))) 는 Gumbel reduced variate로 표현하며V 와 선형적인 관계를 가지게 된다(Neelamani and Al-Awadi, 2011; Shih, 2020).

따라서, 대상 지역에서 계측된 최대 풍속 보정 데이터의 Gumbel 분포 적합도를 확인하기 위하여-ln(-ln(F(V))) 와 V 를 이용한 Gumbel 분포의 확률지상에 도시하여 확인하였으며, K-S검정(Kolmogorov-Smirnov test)을 수행하여 통계량을 함께 확인하였다. 설계기준별 보정된 풍속에 대하여 Gumbel 분포 적합도 확인을 위한 Gumbel 분포 확률지는 지표조도 시나리오와 설계기준에 따라 구분하여 Figs. 7과 8에 나타내었다. 분석결과, 선형관계를 따르는 것으로 평가되었다. 유의수준 5%에 대한 K-S 통계량의 임계값은 0.1236으로 각 설계기준과 지표조도 시나리오에 따른 K-S 검정 통계량을 추정된 모수와 함께 Table 3에 정리하여 나타내었다. 설계기준별 보정된 풍속은 모두 임계값보다 낮은 통계량으로 확인되었다. 따라서, 재현기간을 고려한 최대풍속도 Gumbel 분포 모형을 따를 것으로 판단된다.

설계기준별 재현기간은 모두 다르게 제시하고 있으며, 특히, 교량 내풍설계기준에서는 사용기간 N 을 고려하여 특정 비초과확률 P_NE (37%)에 대한 재현기간 T 를 Eq. (7)과 같이 제시하여 비초과확률에 따른 재현기간을 고려하여 설계풍속을 결정하고 있다(Ha, 2018). 따라서, 재현기간 T 에 대한 최대풍속의 비초과확률은 누적분포함수 F(V) 에 대하여 Eq. (8)과 같이 표현될 수 있다.

대상 지역에서 계측된 연최대풍속의 Gumbel 분포 모델에 따라 설계기준별 재현기간 T 에 따른 기대풍속 V(T) 는 Eq. (9)와 같이 표현될 수 있으며(Yoo et al., 2024), 특성값 u 와 α 는 적률법에 따라 추정하였다(Morton et al., 1997; Kim et al., 2021). Ellingwood 등은 재현기간 T 에 따른 기대풍속 V(T) 을 Eq. (10)과 같이 제시하였다(Ellingwood et al., 1980). 여기서 μ 는 연최대풍속자료의 평균이며, δ 는 변동계수(Coefficient of variation, C.O.V)를 의미한다.

Eqs. (9)와 (10)에 따라 도출된 재현기간에 따른 기대풍속을 설계기준에 따라 대상 교량의 높이에 따라 보정하고 하중계수를 고려하여 Tables 4와 5에 비교하여 나타내었으며, 재현기간을 설계기준에서 명시하고 있지 않은 교량 내풍설계기준의 경 우 비교를 위하여 재현기간 100년과 500년을 고려하여 설계풍속을 산정하였다.

설계기본풍속은 재현기간에 따라 그 수준이 변화될 수 있으므로 재현기간에 따라 구분하여 재현기간 100년에 해당하는 교량 설계하중과 교량 내풍설계기준을 비교하였으며, 재현기간 500년에 해당하는 건축물 설계하중과 교량 내풍설계기준을 비교하였다. 동일한 재현기간을 가지는 설계기본풍속은 교량의 높이와 상관없이 최대값과 최소값의 차이가 지표조도 시나리오 1에서는 약 1.62%, 지표조도 시나리오 2에서는 약 1.41%로 모두 유사하게 나타났으며, 하중계수로 인한 설계풍속의 차이가 지배적인 것으로 판단되었다. 하중계수가 1.4인 교량 설계하중과 하중계수가 1.7인 교량 내풍설계기준에 따라 산정된 설계풍속은 평균적으로 약 21.7% 차이가 나는 것으로 확인되었고, 하중계수가 1.0인 건축물 설계하중과 하중계수가 1.7인 교량 내풍설계기준에 따라 산정된 설계풍속은 평균적으로 약 70.9% 차이가 나는 것으로 확인되었다.

재현기간이 100년인 교량 설계하중과 재현기간이 500년인 건축물 설계하중은 재현기간의 차이에 따라 설계기본풍속은 건축물 설계하중이 평균적으로 약 16.0% 높은 수준으로 산정되었으나, 하중계수를 고려하는 경우, 교량 설계하중에 의하여 산정된 설계풍속이 평균적으로 약 20.7% 높은 수준으로 확인되었다. 따라서, 교량 설계하중이 더 보수적으로 풍하중에 대하여 설계되고 있음을 알 수 있다. 또한, 본 연구에서 고려한 대상 교량의 경우 풍속계 높이가 모두 100 m 미만이므로 상대적으로 유사한 수준으로 설계기본풍속이 산정되었으나, 상대적으로 최대 풍속고도분포계수가 큰 교량 내풍설계기준에서 제시하는 풍속보정방법은 대상 구조물의 높이가 높아질수록 보수적으로 설계기본풍속을 산정하고, 더 높은 하중계수를 적용하고 있으므로 대상 구조물의 높이에 따라 이를 적절히 검토하거나 확인할 필요가 있을 것으로 판단된다.