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.

온실의 지붕형식이 구조안전성에 미치는 영향

이종원 ( Jongwon Lee ),이석건 ( Sukgun Lee ),이용범 ( Yong Beom Lee ),( Hyunwoo Lee ) 한국농공학회 2012 한국농공학회 학술대회초록집 Vol.2012 No.-

온실의 지붕형식은 크게 복숭아형, 아치형, 양지붕형이 있으며, 가장 많이 이용되고 있는 형식은 복숭아형이다. 복숭아형을 선호하게된 것은 폭설에 의한 온실의 피해를 경감시키고자 김 등(2002)은 시설형태별 피해 양상 및 플라스틱 온실의 구조적 안전성 문제 등을 현장 조사 분석을 통하여 아치형과 복숭아형 온실의 지붕 기울기를 처마높이에서 지붕중앙부위까지의 수직높이를 4등분하여 각 구간별 경사도를 산출하여 복숭아형 온실이 아치형 온실 보다 적설하중에 유리하다고 보고한데 기인한다. 이러한 노력으로 현재 농가에 보급되고 있는 단동온실과 연동온실의 지붕형태는 복숭아형으로 표준화 되어 있으나 지붕길이의 구간별 경사도만을 고려하여 눈의 흘러내리는 경향 등으로 분석된 결과이며, 현재까지 지붕형태에 따른 구조공학적인 검토는 이루어지지 않은 실정이다. 그리고, Kirsten(1973)의 연구결과에 따르면 지붕형상에 따른 온실내 직달광 투과율은 상당한 차이가 있으며 아치형 온실의 직달광 투과율이 가장 우수한 것으로 나타났다. 따라서, 본 연구에서는 지붕형식이 온실의 구조안전성에 미치는 영향을 분석하였으며, 결과를 요약하면 다음과 같다. 첫째. 단동온실의 경우 지붕형상이 아치형인 경우와 복숭아형인 경우에 부재에 발생되는 최대휨모멘트, 최대수평 및 수직변위량은 거의 유사한 것으로 나타났다. 설하중의 경우에는 복숭아형이 아치형보다 최대휨모멘트는 평균 1.7%, 최대수평변위는 14.4%, 최대수직변위는 7.4%정도 높게 나타났으며, 풍하중의 경우에는 복숭아형이 아치형보다 최대휨모멘트는 평균 2.7%, 최대수평변위는 16.1%, 최대수직변위는 10.1%정도 높게 나타났다. 둘째, 1-2W형 연동온실의 지붕형식에 따른 최대휨모멘트는 곡률반경이 증가할수록(아치형→복숭아형→양지붕형) 방풍벽과 기둥에서는 적설하중 재하시에는 곡률반경이 2,000cm(폭 7m)까지는 급격하게 감소하다가 완만하게 감소하는 나타났으며, 풍하중 재하시에는 곡률반경이 900cm(폭 7m) 전후까지는 거의 유사하게 나타나다가 곡률반경이 1,000cm(폭 7m) 전후로 증가하면 급격하게 증가한 후 거의 유사하게 나타났다. 그리고 서까래는 적설하중 재하시는 곡률반경2,000cm(폭 7m)까지는 급격하게 증가하다가 이후 완만하게 증가하였으며, 풍하중 재하시에는 곡률반경이 1,000cm까지는 급격하게 증가하다가 이후 완만하게 증가하는 것으로 나타났다. 셋째, 벤로형 연동온실의 지붕형식에 따른 최대휨모멘트는 적설하중 재하시 기둥은 양지붕형이 아치형에 비해 44%적게 발생하였으나, 서까래는 180% 증가하는 것으로 나타났다. 그리고, 풍하중 재하시에는 방풍벽은 거의 유사하게 나타났으나 서까래는 260%, 기둥은 17% 높게 발생하였다. 이상의 결과에서 아치형이 가장 구조적으로 안전한 것으로 나타나 광환경을 고려할 때 단동온실은 아치형으로 하는 것이 좋을 것으로 판단되며, 연동온실의 경우 천창환기방식에 따라 곡부권취식인 경우에는 아치형, 용마루개폐식인 경우에는 복숭아형이 유리한 것으로 판단된다.

국내 온실 구조설계 기준 비교

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/m²)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.

지점부 강성도가 파이프 하우스의 거동에 미치는 영향

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.

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.

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.

대변위해석을 이용한 비닐하우스 보강방법연구

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.

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.