대설에 의한 온실피해 분석 및 개선방안

나욱호 ( Wookho Na ),이종원 ( Jongwon Lee ),이현우 ( Hyunwoo Lee ),정승현 ( Seunghyeon Jung ) 한국농공학회 2014 한국농공학회 학술대회초록집 Vol.2014 No.-

인간의 무분별한 자원의 소비로 인한 자연의 경고인 이상기후는 어제 오늘의 일이 아니다. 최근 들어 여름철의 태풍과 호우, 겨울철의 대설 및 한파 등에 의한 이상기후에 따른 재해의 강도도 점점 커져가고 있는 추세이다. 특히 겨울철 재해인 대설과 한파는 지난 2010년 1월 미국 동부지역에서 111년만의 기록적인 대설이 발생하였고, 중국 베이징에서는 59년만의 대설이, 영국에서는 30여년만의 한파가 발생하였다. 또한 우리나라와 인접해 있는 일본은 2005년 말부터 2006년 초까지 겨울기간 동안 서부지역의 일일 적설량이 92 ~ 280cm에 달하는 기록적인 강설로 인하여 심각한 피해를 입은 바 있다. 우리나라도 최근 잦은 한파와 기록적인 대설이 빈번하게 발생하고 있으며 해마다 폭설로 인한 피해도 점점 증가하고 있다. 특히 예보치를 초과하는 기습적인 강설로 구조적으로 취약한 농업시설물의 피해가 반복적으로 발생하고 있으며 농업시설물 중 비닐하우스의 피해가 크게 증가하고 있다. 올해 2월에 강원도와 경상북도에 발생한 폭설도 구조적으로 취약한 농업시설물의 피해가 많았다. 따라서 본 연구에서는 올해 2월에 폭설에 의해 피해를 입은 농업시설물 중 비닐하우스를 중심으로 폭설피해 현장조사를 수행하였으며, 현장조사결과를 토대로 하여 눈의 특성과 대설피해 발생 주요원인을 분석하고 해당지역 강설량과 시설물 내설기준을 비교 검토하여 내설기준관련 문제점 및 개선방안을 제시하고자 한다. 해발고도가 300m이상 산간지역의 경우 시군별 평균 적설심보다 2~3배 이상의 적설심을 보이고 있으나 원예·특작시설 내재해형 규격설계도·시방서(농림수산식품부 고시 제2010-128호) ‘지역별내재해 설계적설심’에는 산간 등의 지형적 특성이 반영되어 있지 않다. 또한 일반적으로 눈의 단위체적중량은 1.0kg/cm·m²(적설깊이 50cm이하)으로 적설심을 중량으로 환산하여 설계에 반영하고 있으나 습설의 경우 일반적으로 단위체적중량이 2~3배 증가하나 설계에 반영되지 않고 있다. 따라서 설계단계부터 피해저감을 위한 설계기준이 필요하며 내재해형 설계기준 이상의 대설이 빈번히 발생되는 지역(산간지역)에 대한 더 세분화 된 설계기준의 보완 및 습설에 대한 설계기준의 반영이 이루어져야 할 것으로 판단된다. 또한 기상이변 등에 의한 피해가 발생할 때 마다 설계기준의 강화가 이루어진다면 합리성 및 경제성 등이 결여 될 수 있으므로 신중한 검토가 필요하며 변화된 현실적 여건 등이 반영되도록 설계기준 등의 정비가 필요 할 것으로 사료된다.

시설딸기 재배온실의 일사량 및 PPF의 광투과율 분석

나욱호 ( Wookho Na ),이종원 ( Jongwon Lee ),이현우 ( Hyunwoo Lee ) 한국농공학회 2015 한국농공학회 학술대회초록집 Vol.2015 No.-

시설딸기는 저온성 작물로 대부분 단동형 온실에서 2중으로 수막 및 보온커튼 등에 의한 보온을 위주로 재배되고 있다. 하지만 최근 고설재배의 급증으로 인해 온실의 규모가 커져 기존의 방법으로는 보온하기 어려운 실정이다. 보온을 위한 방법으로 여러 가지 방법이 있겠지만 현실적으로 가온 및 기존의 보온커튼 보다 두꺼운 보온커튼을 사용하는 것이 일반적이며 피복재를 3중으로 하여 재배하는 농가도 있다. 하지만 더 두꺼운 보온커튼 및 다겹의 피복재를 사용하다 보니 주간의 권취시에 온실의 중앙에 말아 올려 진 부분의 그늘면적이 증가하여 작물에 필요한 광량이 부족하며 이로 인해 생산성의 손실을 야기하고 있다. 따라서 본 연구에서는 시설딸기 재배온실의 위치에 따른 광투과율을 분석하여 그늘로 인한 광 분포의 불균일 정도를 구명하고자 한다. 본 실험에 사용된 실험온실은 시설원예연구소(함안)에 설치되어 있는 크기가 8.6m(폭)×30m(길이)×2.0m(측고)이고 동고가 4.4m이며 건설방위가 동서동인 아치형 2중 피복 단동온실이다. 온실내의 일사량 및 PPF의 변화를 계측하기 위하여 온실을 종횡방향으로 3등분하여 9개의 구획으로 나누어 PPF(apogee)센서 9점을 설치하였으며 일사(CMP3)센서는 온실 중앙부 남북방향으로 3점을 설치하였다. 온실내 센서 설치 높이는 작물생육높이인 지면에서 1.2m지점에 설치하였으며 계측기간은 2015년 3월 초순에서 4월 중순까지 실시하였다. 온실의 경우 구조재가 광투과에 많은 영향을 주기 때문에 산란광과 직달광의 비율에 따라 투과율이 달라질 수 있으며 산란광과 직달광의 비율은 기상조건에 따라 달라진다(Giacomelli 등, 1988; Kim과 Lee, 1999). 따라서 산란광이 지배적인 흐린 날과 직달광이 지배적인 맑은 날을 구분하여 온실내부의 광투과율을 구명할 필요가 있다. 맑은 날은 1일 평균일사량이 14MJ/㎡ 이상이며 흐린 날은 14MJ/㎡ 미만이다. 계측기간 41일 중 맑은 날은 30일로 남쪽부분의 광투과율은 54.9~77.2%(평균 69.9%)이며 중앙부분은 57.4~78.0%(평균 72.6), 북쪽부분은 23.5~54.9%(평균 39.7%)로 온실 중앙부의 보온덮개의 그늘로 인해 북쪽부분의 광투과율이 남쪽에 비해 상당히 떨어지는 것으로 나타났다. 흐린 날은 11일로 남쪽부분 48.7~67.9%(평균 58.1%), 중앙부분은 57.6~73.0%(평균 65.4%)이며 북쪽부분은 48.5~64.7%(평균 59.7%)로 산란광의 영향으로 광투과율의 차이가 약 6% 내외로 비슷한 평균값을 나타냈다. 맑은 날의 PPF의 투과율은 남쪽이 56.0~81.2%(평균 71.4%), 중앙이 56.6~84.3%(평균 70.9%), 북쪽이 24.4~56.2%(평균 42.6%)로 나타나 보온덮개에 의한 그늘의 영향이 없는 남쪽에 비해 북쪽의 광투과율 큰 차이를 보였다. 흐린 날의 PPF의 투과율은 남쪽이 55.8~70.4%(평균 65.9%), 중앙이 37.0~67.3%(평균 57.8%), 북쪽이 48.8~68.6%(평균 61.8%)로 나타났다. 맑은 날에 비해 흐린 날이 온실내 구획별 광투과율의 변화는 큰 차이를 보이지 않지만 광의 양적인 면에서는 상당한 차이를 나타낸다. 흐린 날의 경우 딸기생육에 필요한 광 환경을 만족시키지 못하여 보광이 필요하며, 맑은 날의 경우 또한 권치시 중앙부의 그늘로 인하여 북쪽부분에 광 분포의 불균일을 초래하여 부분보광이 필요 할 것으로 판단된다.

연동플라스틱온실의 부재조합별 구조안전성 비교

이종원 ( Jongwon Lee ),이석건 ( Sukgun Lee ),이현우 ( Hyunwoo Lee ),나욱호 ( Wookho Na ) 한국농공학회 2012 한국농공학회 학술대회초록집 Vol.2012 No.-

2010년말 기준으로 국내 원예시설 면적은 52,103ha이며 이중 연동플라스틱온실의 면적은 7,569ha(채소 5,179ha, 화훼(추정) 2,390ha)로 전체 시설면적의 14.5%를 차지하고 있다. 이러한 연동비닐하우스의 대표적인 규격은 1991년 농촌진흥청에서 개발된 이후 현재까지 꾸준히 보완이 이루어지고 있는 농가보급형 자동화 하우스 1-2W형과 2007년에 개발된 벤로형 연동비닐하우스인 자동화-08-1형이 있다. 이러한 연동플라스틱온실의 주요 구조부재는 방풍벽, 1중서까래, 기둥 및 중방으로 구분할 수 있으며 부재별 규격은 방풍벽과 1중서까래는 ø25.4×1.5(1.7)t, ø31.8×1.5(1.7)t, ø48.1×2.1t, 기둥은 ø48.1×2.1(2.3)t, ㅁ60×60×2.3t, 보형식의 중방은 ø48.1×2.1t, ㅁ60×60×1.6t, 트러스 중방구조는 상·하현재 □50×30×2.3t, 사재 ø22×1.5t가 사용되고 있다. 이러한 부재조합에 따른 연동플라스틱온실의 구조안전성을 분석한 결과는 다음과 같다. 첫째. 1-2W형 연동온실의 부재조합에 따른 부재별 최대휨모멘트는 적설하중의 경우 방풍벽은 -45%~151%, 1중서까래는 -2%~3%, 기둥은 -33%~14%, 중방은 -57%~14% 범위에서 증감하였으며, 풍하중의 경우 방풍벽은 -6%~17%, 1중서까래는 -15%~4%, 기둥은 -2%~25%, 중방은 -42%~38% 범위에서 증감하는 것으로 나타났다. 그리고 08-자동화-1형(벤로형) 연동온실의 부재조합에 따른 부재별 최대휨모멘트는 적설하중의 경우 방풍벽은 -67%~387% 범위에서 증감하였으나, 서까래와 기둥은 거의 변화가 없는 것으로 나타났고, 풍하중의 경우 방풍벽은 -7%~100%, 서까래는 -22%~5%, 기둥은 -48%~29% 범위에서 증감하였다. 둘째, 부재 조합별 최대휨모멘트는 풍하중보다는 적설하중 재하시 큰 폭으로 증감하는 것으로 나타났으며, 동일한 하중에 대해서 플라스틱연동온실의 부재조합별에 따른 부재에 발생되는 최대휨모멘트는 많은 차이가 있음을 알 수 있었다. 셋째, 부재조합별 최대수평변위는 기본부재(CASE1)조합에 비해 적설하중 재하시 최대 110%~250%, 풍하중 재하시 220%~250% 범위에서 높게 나타났다. 그리고 최대수직변위도 적설하중 재하시 부재 조합별로 최대 160%~270%, 풍하중 작용시에는 부재 조합별로 160%~240% 범위에서 높게 나타났다. 넷째, 부재조합에 따른 연동플라스틱온실의 재료비는 풍하중의 경우 최고 52%, 적설하중의 경우 최고 43%의 차이가 발생하는 것으로 나타났다. 부재조합별로 최대휨모멘트가 상이하게 나타나는 것은 연동온실은 부정정구조물로서 부재력 [F*]=F^o+[SB] [X]에서 [F]=[K][X], 강성매트릭스 [K]=12EI/L³으로 표시할 수 있다. 여기서 단면2차모멘트 I가 변화함에 따라 변위 X가 변하기 때문에 최대휨모멘트의 차이가 발생하는 것으로 판단된다. 이러한 결과로 볼 때 부재 조합별로 최대휨모멘트, 최대수평·수직변위의 차이가 많이 발생하므로 설계하중(적설심, 풍속)에 따른 최적의 조합을 결정하여 경제적인 부재 조합을 결정할 수 있을 것으로 판단되며, 부재 조합별 최대수평·수직변위의 변화폭이 커 기존의 응력위주의 구조안전성 판별에서 처짐을 고려한 구조안전성 판별도 동시에 이루어져야 함을 알 수 있다.

온실 측고 상승에 따른 구조안전성 판별 프로그램 개발

이종원 ( Jongwon Lee ),이석건 ( Sukgun Lee ),이현우 ( Hyunwoo Lee ),나욱호 ( Wookho Na ) 한국농공학회 2012 한국농공학회 학술대회초록집 Vol.2012 No.-

국내 원예시설중 시설유형별 비중은 단동플라스틱온실 88.6%, 연동플라스틱온실 10.1%, 유리온실 0.7%이며, 2000년도까지 시공된 플라스틱 연동온실의 규격은 폭 7m×측고 2.7m×길이 50m이며, 와이드스팬형 유리온실은 폭 9(12.8)m×측고 4.3m×길이 100m, 벤로형 유리온실은 폭 6.4(9.6)m×측고 4.3m×길이 100m 이다.(농가보급형 자동화하우스 표준설계서, 2001, 농촌진흥청, 한국형유리온실 표준설계도, 1997, 농림부·농어촌진흥공사) 따라서, 국내 대부분의 연동온실 측고는 2.7m 또는 4.3m에 불과하나, 최근에는 온실내 환경개선과 생산성 향상를 위하여 온실의 측고를 4.5m~6.0m로 높인 온실들이 많이 시공되고 있는 실정이다. 그리고 경남지역을 중심으로 1-2W형 플라스틱온실의 측고를 2.7m에서 3.7~4.2m로 높이는 온실 개보수사업이 활발히 진행되었으며(2008, 윤용철 등), 2000년 이전에 시공된 유리온실 측고는 4.3m로 작물을 재배할 수 있는 유효높이는 3.5m정도로 파프리카, 토마토 등을 재배하기에는 측고가 낮아 1~1.5m 높이는 개보수사업이 2010년에 참샘영농단지(전북 김제) 및 아트팜(전남 강진) 등 6개소에 진행되었으며, 2011년에는 강원도 인제 1개소에서 진행되었다.(Agri C&S 자료) 이러한 온실의 측고 상승에 따른 구조안전성을 평가할 수 있는 프로그램을 개발하기 위하여 연동온실의 형태별로 폭, 동고, 측고 및 연동수에 따라 설계하중(적설심, 풍속)에 대한 온실의 부재별 최대휨모멘트을 산정할 수 있는 방법을 모색하고자 수행한 연구결과는 다음과 같다. 첫째. 연동온실의 구조해석 모델을 기둥과 기둥사이에 지붕이 1개인 1-2W형과 기둥과 기둥사이에 지붕이 2개인 벤로형으로 크게 두 개 유형으로 나눈 후 중방구조에 따라 다시 구분하였다. 중방이 보 구조인 것과 트러스 구조인 것으로 구분하여 지붕형상에 따라 3개 유형(복숭아, 아치형, 양지붕형)으로 다시 세분화하였다. 이렇게 8개 유형으로 세분화된 연동온실에 대해서 온실폭, 기둥높이, 연동수 등의 변수별로 총 1,015개의 연동온실에 대하여 구조해석을 수행하였다. 둘째, 연동온실의 부위별 풍력계수를 고려한 단위풍하중과 지붕경사에 따른 절감계수, 연동곡부 계수 등을 고려한 단위적설하중을 재하하였을 때 각 부재에 발생되는 최대휨모멘트을 온실 폭, 기둥높이 및 지붕높이를 이용하여 산정할 수 있는 식을 개발하였다. 셋째, 온실의 지점조건, 연동수, 지붕높이(라이즈비), 지붕형식, 방풍벽 유무, 중방구조변화 등에 따른 최대휨모멘트변화를 분석하여 최대휨모멘트 산정식에 적용할 수 있도록 하였다. 넷째, 개발된 식을 검증하기 위하여 온실의 폭, 기둥높이 및 연동수가 상이한 240개 모델, 벤로형 연동비닐하우스는 32개 모델에 대하여 구조해석 전용 프로그램인 SAP2000으로 구한 최대휨모멘트(SAP값)와 개발된 식으로 구한 최대휨모멘트(계산값)를 비교한 결과, SAP2000으로 구한 값과 본 연구에서 개발된 식으로 계산된 값의 회귀식 상관계수가 0.98~1.0으로 수식에 대한 신뢰도가 매우 높게 나타나 본 연구에서 개발된 식을 이용한 단위풍하중과 단위적설하중에 대한 부재별 최대휨모멘트를 산정할 수 있음을 확인할 수 있었다.

풍하중 산정용 재현기간 및 풍압산정 기준 비교

정승현 ( Seunghyeon Jung ),이현우 ( Hyunwoo Lee ),이종원 ( Jongwon Lee ),나욱호 ( Wookho Na ),이시영 ( Siyoung Lee ) 한국농공학회 2014 한국농공학회 학술대회초록집 Vol.2014 No.-

현재 우리나라의 온실설계에 있어 명확한 기준이 필요한 상황이다. 이러한 설계 기준의 확립은 시설전문기관 간 구조해석결과를 동일하게 가져올 것이며 상호 간 해석을 비교함에 있어 타당한 근거로써 작용 될 수 있기 때문이다. 또한 대규모 시설원예 단지 조성 시 필요한 다양한 형태의 원예시설에 대한 구조안전 자료로써 널리 활용될 것으로 기대한다. 본 연구에서는 우리나라 온실구조 설계기준을 작성하는데 필요한 자료를 제공하기 위하여 주요 국가들의 온실설계기준에서 제시되고 있는 풍하중 산정을 위한 풍압력 계산식을 비교분석하였다. 또한 우리나라 온실의 경제적인 구조설계를 위한 풍하중을 산정하는데 필요한 재현기간을 결정하기 위하여 각국에서 온실의 풍하중 산정을 위해 적용하고 있는 재현기간들을 비교 분석하였다. 유럽기준에서는 온실의 종류를 피복재가 골조재의 변위를 허용하지 않는 온실과 허용하는 온실로 나누고 최소재현기간을 제시하여 설계 시 적용할 재현기간을 결정하도록 한 것이 특징적이다. 미국에서는 학교 등 군중이 밀집된 곳에 설치될 온실, 상업용 온실, 비태풍 지역과 태풍 지역에 설치될 재배용 온실로 나누고 각각의 재현기간을 제시하고 있다. 일반적인 재배용 온실은 25년의 재현기간을 사용하도록 되어 있다. 일본에서는 내용연수 10년과 15년의 플라스틱온실과 유리온실로 나누고 소규모 온실에는 각각 15년, 22년 및 30년을 제시하고 대규모 온실에는 각각 30년 43년 및 57년을 제시하고 있다. 온실종류 및 규모별로 다양하게 재현기간을 제시하고 있는 것이 특징이다. 우리나라는 농업용 고정식 온실에 대하여 22년의 재현기간만을 제시하고 내용연수를 15년으로 제한한 것이 특징이다. 4개국의 온실설계기준에서 제시된 재현기간을 비교분석한 결과 우리나라의 경우 온실의 종류가 다양하기 때문에 다양한 온실종류별로 재현기간을 제시할 필요가 있으며, 최소재현기간보다는 직접 적용이 가능한 재현기간을 제시할 필요가 있다고 판단된다. 따라서 소형터널, 플라스틱온실, 유리온실 등으로 세분화하고 상업용 온실을 포함할지에 대해서는 더 자세한 검토가 필요하다. 또한 본 연구에서는 재현기간 결정시 필요한 풍압력 산정식과 산정 시 고려되는 인자 및 산정결과를 비교하였다. 외국의 풍압력산정기준을 비교한 결과 가장 영향이 큰 인자는 풍속의 높이별 환산계수로 나타났고 국가별로도 차이가 큰 것으로 나타났다. 높이환산계수가 큰 값이 적용될 경우 온실의 과다설계 우려가 있으므로 온실설치지역에 적절히 적용될 높이환산계수가 새롭게 결정될 필요가 있음을 판단하였다. 현재 계화도 간척지에서 높이별 풍속값을 측정중이며 이에 대한 분석 또한 동시에 진행하고 있는 중이다.

최근 기상자료가 포함된 온실 설계풍속 산정

이종원 ( Jongwon Lee ),이석건 ( Sukgun Lee ),이현우 ( Hyunwoo Lee ),나욱호 ( Wookho Na ) 한국농공학회 2012 한국농공학회 학술대회초록집 Vol.2012 No.-

현재, 온실설계용 설계풍속은 원예시설의 구조안전기준 작성(최종)(1995, 농어촌진흥공사), 온실구조 설계기준 및 해설(1999, 농림부&농어촌진흥공사) 및 원예특작시설 내재해형 규격 설계도·시방서(2010, 농림수산식품부&농촌진흥청) 등에서 제시된 값을 이용하고 있다. 원예시설의 구조안전기준 작성(최종)에 명시된 설계풍속은 1992년까지의 기상자료를 이용하여 분석된 설계풍속이며, 온실구조 설계기준 및 해설에 명시된 설계풍속은 건축물 하중기준(2000, 대한건축학회)의 기본풍속을 근간으로 하고 있으며 최근 기상자료가 누락되어 있으며, 풍속의 간격이 5m/s로 되어 있다. 그리고 원예특작시설 내재해형 규격설계도·시방서의 설계풍속 또한 풍속의 간격이 5m/s로 되어 있어 풍속간의 격차가 커특정 지역의 경우 풍하중에 대한 과다 설계가 우려되는 실정이다. 그리고 기준에 표시되지 않은 시·군의 경우 인접시·군의 풍속 평균값을 적용하도록 되어 있어 활용도가 떨어지고 있다. 따라서, 이러한 문제점을 개선함과 동시에 최근 기상자료가 반영된 온실설계용 설계풍속을 산정한 결과는 다음과 같다. 첫째. 온실 설계에 사용되는 풍속은 보통 지상 10m 높이에서의 평균풍속을 사용하고 있으나 국내 관측소의 풍속관측높이와 지표면조도가 상이하므로 보정된 값을 사용하고 있다. 지금까지 지역별 지표면 조도를 0.25로 단일값을 사용하거나 1995년까지만 국내 기상관측소의 지표면조도가 구분된 것을 2010년까지의 국내 기상관측소의 지표면 조도를 산정하였다. 둘째, 최대순간풍속이 결측된 지역의 경우 최대풍속을 이용하여 보정할 수 있는 최대풍속과 최대순간풍속의 회귀식을 유도한 결과, 내륙지역은 Vmax=1.0896V+7.7670, 해안지역은 Vmax=1.0094V+10.1870으로 나타났다. 셋째, 최대순간풍속 또는 최대풍속 기상관측자료가 있는 71개 지역에 대한 재현기간별 설계풍속을 분석하였으며, 크리깅 보간법을 이용하여 161개의 행정시군과 추풍령, 대관령 등 11개 추가지역을 포함하여 총 172개 지역에 대하여 재현기간별 설계풍속과 설계적설심을 산정하였으며, 지역별로 재현기간별로 설계풍속을 산정할 수 있는 식을 유도하였다. 넷째, 기존 원예특시설 내재해형 설계풍속과 본연구에서 도출된 내재해형 설계풍속을 비교한 결과, 기존 설계풍속이 본연구의 설계풍속보다 2.0m/s이상 과소평가된 지역은 경기도 고양시을 포함한 61개 지역이며, ±2.0m/미만인 지역은 강원도 동해시를 비롯한 61개지역, 2.0m/s이상 과대평가된 지역은 강원도 강릉시를 포함하여 41개 지역인 것으로 나타났다. 경기도 고양시, 강원도 고성군 및 정선군, 경북 울릉군은 10m/s이상 과소평가된 지역으로 기존의 내재해형 설계풍속으로 설계할 경우에는 구조적인 안전에 문제가 있을 것으로 판단이 되며, 강원 삼척, 충북 보은, 경북 봉화, 전남순천 및 광양지역은 9m/s이상 과대평가되어 본 연구에서 도출된 설계풍속으로 원예특작시설을 설치할 경우 재료비를 절감할 수 있을 뿐만 아니라 최근 기상자료가 포함되어 더욱 안전한 온실을 설계할 수 있을 것으로 판단된다.