기계설비에 적용된 FSI 해석 사례: 유체-구조 상호작용 기반의 최적 시뮬레이션 기법

건축기계설비에서 FSI 해석이 필요한 이유는 무엇인가?

FSI(Fluid-Structure Interaction, 유체-구조 연성) 해석을 기계 구조물에 적용하면
복잡한 물리적 상호작용을 정밀하게 반영할 수 있어 설비의 안전성과 효율성을 극대화할 수 있습니다.
이 글에서는 FSI 해석의 개념과 건축물 기계설비에 실제 적용된 사례를 중심으로
적용 효과와 설계 개선의 핵심 내용을 소개합니다.

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FSI 해석은 유체와 구조물 간의 물리적 상호작용을 동시에 평가하는 기법입니다.
단순한 구조해석이나 유동해석만으로는 얻을 수 없는 정확한 결과를 도출할 수 있습니다.
배관, 덕트, 열교환기 등 기계설비는 유동과 진동에 민감하기 때문에
정밀한 연성 해석이 필수적입니다.

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FSI 해석의 기본 개념과 주요 적용 분야

FSI 해석은 다음과 같은 구성요소로 이루어집니다.
하나의 물리 조건이 다른 해석 결과에 영향을 주며,
이 상호작용은 반복 계산을 통해 수렴하게 됩니다.

 

구성 요소 설명

유체 해석	CFD(전산 유체 역학)을 활용한 유동 해석
구조 해석	FEM(유한 요소 해석)을 이용한 구조 변형 해석
연성 해석 기법	양방향 데이터 교환과 반복 수렴 계산 수행

 

FSI는 다음과 같은 건축기계설비에 적용됩니다.

• 고속 유동이 발생하는 환기 덕트 시스템
• 온도와 압력 변화가 큰 열교환기
• 배관망이 복잡한 냉난방 시스템

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사례 1: 초고층 빌딩 냉각수 배관의 진동 해석

서울의 한 60층 초고층 건물에서는
냉각수 순환 배관에서 반복적인 진동과 소음 문제가 발생하였습니다.

초기에는 구조 강도 해석만으로 설계가 진행되었으나,
FSI 해석을 통해 내부 유속에 따른 와류 발생 지점과 진동 주기를 확인할 수 있었고,
진동 구간의 구조 보강과 유속 감소형 엘보 도입으로 설계가 개선되었습니다.

그 결과, 소음은 40% 이상 줄었고,
배관 지지대의 유지보수 주기도 2배 이상 연장되었습니다.

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사례 2: 병원 HVAC 시스템 내 송풍기 진동 영향 분석

한 병원의 중앙 공조 시스템에서는
송풍기의 고주파 진동이 덕트를 통해 병동까지 전달되는 문제가 발생했습니다.

FSI 해석을 통해 다음과 같은 사항이 밝혀졌습니다.

• 송풍기 작동 시 덕트 내부의 난류 흐름 패턴
• 난류가 덕트 벽에 가하는 비정상적 압력 분포
• 이 압력이 구조물에 진동을 유발하며, 인체에 불쾌한 주파수로 전달됨

이 해석 결과를 바탕으로, 방음재 교체 및 유속 완충 구간 재설계가 이루어졌으며
환자 민원이 70% 이상 감소하는 성과를 거두었습니다.

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사례 3: 지하주차장 환기 후드의 부식 원인 규명

지하주차장의 환기 시스템에서는
흡기 후드 주변이 반복적으로 부식되는 문제가 있었습니다.

FSI 해석을 통해
외부에서 유입된 습한 공기가 후드 내부에서
특정 구조적 지점에 정체되며 응축이 발생하는 현상이 확인되었습니다.

이에 따라 후드의 형상이 재설계되고 내부에 응축 방지 패널이 설치되어
부식 문제가 해결되었습니다.

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시뮬레이션 개선 효과 요약 표

항목 기존 설계 방식 FSI 적용 결과

해석 기법	단일 구조 해석	연성 해석
진동 예측 정확도	낮음	고정밀 예측 가능
설비 수명 예측	없음	예측 가능 및 수명 연장 가능
개선 설계 방향성	제한적	수치 기반의 구체적 개선

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FSI 해석 도입 시 유의점 및 팁

FSI 해석은 고급 해석 도구(CFD + FEM)와 고성능 컴퓨팅 자원이 필요하므로
설계 초기부터 전문가와 협업하는 방식으로 접근하는 것이 필수입니다.

또한, 유동 경계 조건이나 시간 조건의 설정이
해석의 정확도에 큰 영향을 미치므로
실측 데이터와 병행하는 것이 바람직합니다.

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실제 프로젝트에 FSI를 적용하는 흐름도

다음은 실제 프로젝트에서 FSI 해석을 수행하기 위한 기본 절차입니다.

 

단계 설명

① 문제 정의	진동, 소음, 응력, 변형 등 핵심 문제 식별
② 모델링	3D CAD 기반으로 설비 모델 작성
③ 경계 조건 설정	유동 조건, 재료 특성, 작동 조건 입력
④ 연성 해석 수행	반복 계산을 통한 결과 수렴 확보
⑤ 설계 개선	해석 결과 기반으로 구조 보강 및 설계 변경 수행

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요약 및 결론: FSI 해석은 설비 신뢰성 확보의 핵심 기술

건축 기계설비는 유체와 구조 간의 상호작용이 중요한 분야입니다.
FSI 해석은 설계 초기단계에서 도입할수록 비용 절감과 성능 향상에 큰 효과를 보입니다.

특히 진동, 소음, 부식, 피로와 같은
실제 사용자 체감 품질을 개선하는 데 매우 효과적이기 때문에
향후 BIM 기반 스마트 설계 환경에서는 반드시 요구되는 핵심 기술이 될 것입니다.