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이종원 ( Jongwon Lee ),박순응 ( Sooneung Park ),이석건 ( Sukgun Lee ),이현우 ( Hyunwoo Lee ) 한국농공학회 2009 한국농공학회 학술대회초록집 Vol.2009 No.-
매년 반복되는 폭설과 태풍으로 인하여 하우스의 피해가 급증하면서 기상재해에 따른 파이프하우스의 피해를 경감시킬 수 있는 방안을 모색하고자 많은 연구들이 진행되었다. 기존 연구들은 기상재해에 따른 온실 피해를 경감시킬 수 있는 보강방법 및 내재형 온실모델 개발을 위한 연구들이 대부분이며 온실의 구조설계 시 지점조건을 고려한 지점강성도를 어떻게 고려하느냐에 따라 연구결과가 상이하게 나타날 수 있다. 대부분의 단동 비닐하우스는 지표면으로부터 30~40cm 깊이로 서까래가 말뚝형식으로 땅속에 삽입된다. 그러나 적설 30~40cm에 안전하도록 설계된 내재해형 단동 비닐하우스에서는 지상부 구조설계와 함께 지반고정에 대한 충분한 안전성이 확보되도록 지하 25cm되는 위치에 하우스 길이방향으로 파이프 줄기초를 설치하고 있다. 또한, 1-2W형 연동온실는 독립기초 “┵”형의 콘크리트 독립기초를 사용하고 있다. 그러므로 파이프 하우스의 지점조건은 불명확하여 온실의 구조설계시 구조해석 모델의 지점위치와 조건을 결정할 때 지점 경계조건을 연구자에 따라 상이하게 부여하는 경우가 많으며 이로 인하여 최대휨모멘트의 발생위치가 다르게 분석되고 온실을 설계할 때 과다 및 과소 설계로 이어질 수 있다. 따라서 온실의 구조설계시 지점조건은 구조의 안전성과 경제성을 결정짓는 중요한 요소이므로 파이프 하우스의 지점조건을 구명하기 위한 연구들이 일부 수행되었다. 연직하중 재하에 따른 변위량을 실측하여 구조해석시 지점조건을 지면힌지, 지면고정, 지하 30cm 힌지 및 고정으로 하였을 때의 계산값과 비교하여 지점조건을 구명하였다. 일반적으로 모멘트 지지 강구조물은 유한요소법에 의해 이상화되고 해석되어 왔으며 기둥과 기둥의 연결부, 기둥과 보의 접합부의 정확한 비선형 해석 결과를 위해 많은 노력을 해온 반면에 기둥의 지지부에 대한 해석은 고정단 또는 힌지로 간단하게 이루어져 왔다. 그러나 실제로 기둥의 지지부는 고정단도 힌지도 아닌 그 중간인 반강성으로 거동한다. 따라서, 본 연구에서는 기둥 지지부를 반강성 모델을 이용해서 해석하고 그 결과를 고찰하여 기둥 지지부의 강성 및 강도의 변화가 미치는 영향을 평가하였다. 기둥의 지지부는 강성과 강도에 따라서 고정단과 힌지 및 그 중간의 단계인 반강성을 묘사할 수 있는 회전 스프링과 지표면으로부터 묻히는 깊이를 고려하기 위해 수평스프링으로 모델화 하였다. 그리고, 단동 및 연동온실에 대하여 적설심 0~50cm로 단계별로 재하하였으며, 지점조건을 지면고정, 지면힌지, 지하고정, 지하힌지, 지하고정과 수평스프링, 지하힌지와 수평스프링으로 구분하였다. 적설하중은 시간에 의존하여 점차 증가하므로 하중단계별 해석이 필요할 것으로 판단되어 하중단계별 기하학적 비선형을 고려한 대변위해석을 수행하였다. 이러한 이론적 고찰을 통하여 파이프 하우스의 구조해석시 고려하여야 할 지점조건을 구명하여, 기존 연구결과와 비교하여 경제적이고 구조적으로 안전한 하우스의 설계에 필요한 자료를 제공하고자 한다.
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이종원 ( Jongwon Lee ),박순응 ( Sooneung Park ),이석건 ( Sukgun Lee ),이현우 ( Hyunwoo Lee ) 한국농공학회 2009 한국농공학회 학술대회초록집 Vol.2009 No.-
2008년말 기준으로 국내의 시설재배면적은 53,036ha이며, 이중 채소를 재배하고 있는 단동 비닐하우스의 면적은 소형터널 및 비가림시설을 포함하여 44,064ha로 전체 면적의 83%를 차지하고 있다. 이러한 단동비닐 하우스의 저렴한 시설 설치비와 시공의 간편성으로 농가에서 선호하고 있는 실정이다. 하지만 하우스 구조의 경량성으로 인하여 기상재해에 취약한 실정이며 매년 폭설로 인하여 많은 피해가 발생하여 농가의 피해가 급증하고 있다. 2001년~2007년까지 폭설로 인하여 비닐하우스 피해면적은 8,516ha로, 년평균 1,216.6ha의 피해가 발생하였으며, 이 시기에 폭설로 내린 적설량은 25cm 이상을 기록하였다. 단동비닐하우스의 설계적설심은 내용년수 5년과 안전율 50%에 의해 설치지역의 재현기간 8년에 해당하는 적설심으로 결정된다. 따라서, 이러한 피해를 줄이기 위해서는 내용년수와 안전율을 증가시켜 이에 해당하는 설계적설심으로 온실을 설계하여야 한다. 이와 관련된 연구들이 다소 진행되어 농림수산식품부에서는 원예특작시설 내재해형 규격을 발표하였으나, 설계적설심 증가에 따라 파이프의 단면을 증가시키거나 서까래 간격을 줄이는 방법은 시공비와 골조율 증가 등의 단점이 있다. 이러한 단점을 해결할 수 있는 비닐하우스의 구조성능 개선방법으로 보강방법이 있다. 보강재에 의한 비닐하우스 구조성능 개선방법은 폭설이 예상되는 시기에만 임시적으로 추가 설치함으로써 연직하중에 대한 부재에 발생되는 단면력의 감소로 인한 구조체의 내력을 증가시킬 수 있다. 그리고, 통행이나 작업에 지장을 주지 않는 범위에서 고정적으로 설치하여 폭설에 대한 비닐하우스의 붕괴를 방지할 수 있다. 폭설시 비닐하우스 보강에 따른 보강효과에 대한 연구는 다소 수행되었으나 대부분이 선형해석에 의한 방법이다. 철골파이프 하우스의 강성은 일반적인 건축물에 비해 상당히 작지만 폭설 등에 의한 큰 연직하중을 버텨야 하는 특징을 지니고 있으며, 농가에 설치된 온실은 아치 형태이지만 폭설같은 연직하중에 대해 아치거동 보다는 프레임 거동을 하는 구조적으로 매우 취약한 시스템이다. 또한, 파이프 하우스는 건축 구조물에 비해 변형량이 상당히 크며, 구조물의 붕괴를 정의하는 시점을 더욱 길게 보는 경향이 있다. 현재 하우스의 구조해석 방법은 선형해석에 의한 것으로 변위의 과소 평가로 인해 붕괴와 사용성 문제를 초래하고 있다. 그리고, 적설하중은 시간에 의하여 점진적으로 증가하는 하중으로 하우스 지붕면에 재하되는 적설 하중은 시간이 경과함에 따라 증가하게 된다. 이러한 적설하중에 대한 비닐하우스의 실제 거동를 구현하기 위해서는 하중단계별 기하학적 비선형을 고려한 구조해석을 수행하여야 한다. 따라서, 본 연구에서는 경제적인 단동 비닐하우스의 구조적 안전성을 향상시킬 수 있는 최적의 보강방법을 선정하기 위하여 여러 형태의 보강방법별로 적설하중을 적용하여 절점변위와 부재단 변위의 비선형성을 고려한 대변위해석에 의한 보강방법별 온실의 처짐와 단면력을 비교, 분석하여 최적의 보강방법 모델을 선정하였다.
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구조 안전성 향상을 위한 온실 전용 구조해석 프로그램 개발
이종원 ( Jongwon Lee ),박순응 ( Sooneung Park ),이석건 ( Sukgun Lee ),이현우 ( Hyunwoo Lee ) 한국농공학회 2009 한국농공학회 학술대회초록집 Vol.2009 No.-
파이프 온실 구조는 안전성이 지나치게 강조되면 과다설계가 되어 자재의 낭비를 초래할 수 있으며, 과소 설계로 안전성이 확보되지 않으면 눈이나 바람에 의하여 온실의 파손으로 인한 막대한 피해를 입게 된다. 기존의 농업시설의 기상재해에 따른 경감대책으로 내재해형 규격시설과 보강방법에 대해 연구가 진행되어 왔으나 구조안정성 검토에 있어서 구조공학적 측면인 구조해석에 관한 연구는 미비한 실정이다. 그리고, 입력 조건이 간단하고 사용이 간편하여 전문지식이 부족하더라도 온실의 설계가 가능한 온실 자동설계 프로그램인 GreenSAD가 개발되었으나 선형구조해석을 기본으로 하고 있다. 일반적인 구조해석 방법은 크게 1차 탄성해석과 2차 탄성 및 비선형해석으로 구분된다. 1차 탄성해석의 가장 큰 특징은 변위를 아주 작다고 가정함으로써 재료의 항복을 무시한 변형이 거의 없는 기하학적 상태에서 평형방정식과 적합방정식을 세우는 것이다. 2차 탄성해석(기하학적 비선형해석)은 기하학적 비선형을 고려한 부재곡률효과와 횡변위 효과를 고려한 해석이다. 1차 소성힌지해석(재료 비선형해석)의 기본가정은 구조물이 하중을 받으면 소성저항모멘트에 도달하고, 소성힌지가 발생하면서 하중분배가 생긴다는 것이다. 즉, 소성힌지가 생기기전까지는 탄성거동을 한다고 가정한다. 2차 탄소성힌지해석(재료 및 기하학적 비선형해석)은 변형된 구조물의 기하학적 형상을 고려한 해석이다. 이 해석은 개별부재는 물론 전체 구조시스템의 극한 상태의 강도와 안전성을 충분히 예측할 수 있는 방법이다. 적설하중은 시간에 의존하여 점차 증가하므로 하중단계별 해석이 필요하다. 따라서, 실제 온실 구조의 거동을 정확하게 파악하기 위해서는 하중단계별 변형된 부재의 특성을 고려할 수 있는 기하학적 비선형 구조해석을 수행하여야 한다. 본 연구에서는 온실 구조물의 실제 거동을 잘 반영하기 위해서 온실의 구조해석이 기존의 선형해석에 국한되어 있는 것을 기학적 비선형해석, 소성해석, 재료 및 기하학적 비선형 해석과 최적설계가 가능한 온실 전용 구조해석 프로그램 GSAP(Greenhouse Structure Analysis Program)을 개발하는데 목적이 있다. 구조해석 방법별 결과에 따른 최적설계가 가능한 GSAP의 개발에 앞서 해석방법별 구조해석이 가능한 프로그램을 개발하고자 유한요소법을 기초로 트러스와 프레임 요소에 대하여 집중하중, 등분포하중에 대한 정적해석을 수행할 수 있는 구조해석 프로그램을 개발하였다. 개발된 프로그램은 상용 구조해석 프로그램인 SAP2000과 결과를 비교ㆍ검증한 결과, 동일한 구조해석 결과를 얻을 수 있었다. 향후 전후처리기의 개발을 통하여 온실 전용 구조해석 프로그램인 GSAP이 완성이 되면 보다 정확한 온실 구조의 해석을 수행하여 최적설계가 가능 할 것으로 판단되며, 구조적 안전성 향상에 기여하는 한편 지역별 기상조건을 고려한 온실의 설계자료를 쉽게 제공할 수 있으며 다양한 형태의 단동온실 및 연동온실의 규격화 및 표준화에 이바지 할 수 있을 것으로 판단된다.
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이종원 ( Jongwon Lee ),이석건 ( Sukgun Lee ),이현우 ( Hyunwoo Lee ),( Sooneung Park ) 한국농공학회 2009 한국농공학회 학술대회초록집 Vol.2009 No.-
매년 반복되고 있는 기상재해로 인한 온실피해를 경감시키기 위한 온실구조 모델의 개발 및 관련 연구에 대한 관심이 높아지고 있다. 농림수산식품부에서는 기존의 온실규격을 재검토하고 지역별로 강풍과 적설에 대한 내재해형 설계 강도기준을 설정하여 원예특작시설 내재해형 규격 설계도 및 시방서를 고시하였다. 현재 온실의 구조설계시 활용되고 있는 국내 설계기준은 원예시설의 구조안전기준 작성(1995, 농진공-이하 기준A), 온실구조 설계기준 및 해설(1999, 농림부-이하 기준 B) 및 원예특작시설 내재형 기준 지정고시(2007, 농림부, 이하 기준 C) 등이 있다. 기준별 적용범위는 기준 A는 플라스틱 및 철골유리온실, 기준 B는 강구조 고정식 온실, 기준 C는 철재파이프 하우스를 대상으로 하고 있다. 이러한 설계기준의 혼재로 인하여 온실의 구조설계시 많은 혼란이 제기될 수 있으며 설계결과가 설계자에 따라 다르게 나타나는 경향이 있다. 현재, 플라스틱 온실의 경우에는 기준 A, 기준 C를 사용하고 있으며, 기준 B는 한국형 유리온실 표준설계도(농림부ㆍ농어촌진흥공사, 1997)를 제외하고는 거의 사용되지 않고 있는 실정이다. 최근 시공되고 있는 벤로형 유리온실의 경우에는 화란의 설계기준(NEN 3859)이나 국내 건축구조설계기준을 따르고 있는 실정이다. 따라서 본 연구에서는 국내에 적용하고 있는 온실 구조설계 기준을 비교ㆍ분석하여 국내 실정에 적합한 온실 구조 설계기준을 정립하고자 한다. 기준별로 설계하중, 하중 산정, 구조해석 방법, 지점 조건 및 안전성 판별 등에 대하여 상호 비교한 결과는 다음과 같다. 플라스틱 단동온실에 대하여 구조해석 방법과 설계기준별로 구조안전성을 검토한 결과, 동일한 온실에 대하여 단위 적설하중(1kg/m<sup>2</sup>)을 재하시켰을 때 온실 처마부위에 발생되는 최대휨모멘트 값을 구한 결과, 2D해석은 75.75kg-cm, 3D one-way 해석은 75.91kg-cm, two-way(2면) 해석은 75.67kg-cm, two-way(24면) 해석은 16.85kg-cm로 나타나 3차원 해석시 가상면을 증가할 수록 최대모멘트는 감소함을 알 수 있으며 구조해석 방법에 따라 해석결과가 상당한 차이가 남을 알 수 있다. 구조해석은 2차원 해석으로 통일시키고 동일한 사용자재(φ25.4×1.5t(SPVHS))를 사용하였을 때 안전풍속 및 적설심을 계산한 결과, 기준별 안전풍속은 35.1m/s(기준 A), 16.3m/s(기준 B), 19.7m/s(기준 C)로 나타났으며 안전적설심은 19.9cm(기준 A), 18.6cm(기준 B)로 나타났다. 이러한 차이는 기준별로 적용하는 설계하중, 하중산정 방법 등이 상이함으로 나타나는 결과로 판단된다. 이러한 결과로 볼 때 온실의 설계기준에 대한 재정립과 구조해석 방법에 대한 검토는 반드시 필요한 것으로 나타났으며, 국내 온실 설계시 공통적으로 적용가능한 일원화된 설계기준의 정립이 빠른 시일내에 이루어져야 할 것으로 판단된다.
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