최근 기상이변에 따라 폭설로 인한 비닐하우스의 붕괴가 빈번해져서 농가의 피해가 증가하고 있다. 하지만 이에 대한 대책연구는 미약하여 매년 농가의 피해는 되풀이 되고 있다. 그리하여 본 연구에서는 고강도 변단면 부재를 이용한 모듈을 적용하여 근본적인 구조체의 붕괴를 방지하고, 인장타이재를 이용한 추가적인 보강을 통하여 비닐하우스의 붕괴를 방지하고자 한다. 비닐하우스 프레임의 경우 처짐설계보다는 강도설계에 의해 단면이 지배되므로 모멘트가 최대가 되는 부분에 고강도의 변단면 부재를 적용한다. 현재 설치된 비닐하우스의 형태는 아치의 형태를 하고 있으나, 구조적으로는 곡선부(보)와 직선부(기둥)가 불연속의 형상을 하고 있어 연직하중에 대해 아치거동보다는 프레임거동을 하는 취약한 구조시스템이다. 직선부재(기둥) 상단에 폭설 시에만 임시적으로 인장타이재를 추가함으로써 모멘트로 저항하던 프레임 구조체를 축력에 저항하는 타이아치형 구조체로의 단기적인 변화를 유도하여 구조체의 내력을 증가시키고자 한다. 고강도 변단면 부재를 이용하면 조합강도비가 10~30% 정도 감소하였으며, 인장타이재를 이용하여 추가보강하면 조합강도비가 절반 이하로 감소하였다.
최근 기상이변에 따라 폭설로 인한 비닐하우스의 붕괴가 빈번해져서 농가의 피해가 증가하고 있다. 하지만 이에 대한 대책연구는 미약하여 매년 농가의 피해는 되풀이 되고 있다. 그리하여 본 연구에서는 고강도 변단면 부재를 이용한 모듈을 적용하여 근본적인 구조체의 붕괴를 방지하고, 인장타이재를 이용한 추가적인 보강을 통하여 비닐하우스의 붕괴를 방지하고자 한다. 비닐하우스 프레임의 경우 처짐설계보다는 강도설계에 의해 단면이 지배되므로 모멘트가 최대가 되는 부분에 고강도의 변단면 부재를 적용한다. 현재 설치된 비닐하우스의 형태는 아치의 형태를 하고 있으나, 구조적으로는 곡선부(보)와 직선부(기둥)가 불연속의 형상을 하고 있어 연직하중에 대해 아치거동보다는 프레임거동을 하는 취약한 구조시스템이다. 직선부재(기둥) 상단에 폭설 시에만 임시적으로 인장타이재를 추가함으로써 모멘트로 저항하던 프레임 구조체를 축력에 저항하는 타이아치형 구조체로의 단기적인 변화를 유도하여 구조체의 내력을 증가시키고자 한다. 고강도 변단면 부재를 이용하면 조합강도비가 10~30% 정도 감소하였으며, 인장타이재를 이용하여 추가보강하면 조합강도비가 절반 이하로 감소하였다.
The cases of collapse of greenhouses in rural areas have been increasing due to the unexpected heavy snow load. Studies on how to prevent the collapse of greenhouses are rare, however, and the damages are repeated annually. This studysuggests two reinforcing methods: the use of ahigh-strength tapere...
The cases of collapse of greenhouses in rural areas have been increasing due to the unexpected heavy snow load. Studies on how to prevent the collapse of greenhouses are rare, however, and the damages are repeated annually. This studysuggests two reinforcing methods: the use of ahigh-strength tapered module, and the addition of a pre-tension tie. The high-strength tapered section is installed where the bending moment is maximum. The design of a plastic greenhouse is controlled by its strength rather than its deflection. The shape of a greenhouse resembles that of an arch system, but its actual structural behavior is the frame behavior, because it is non-continually composed of a curved element (a beam) and vertical elements (columns). This system is too weak and slender to resist a vertical load, because an external load is resisted by the moment rather than by axial force. In this study, a new method, the installation of a temporary tie at the junction of the arch and the column only during snow accumulation, is proposed. The tie changes the action of the greenhouse frame to an arch action. The arch action is more effective when the pre-tension force is applied in the tie, which results in a very strong temporary structural system during snowfall. As a result of using this high-strength tapered section, the combined strength ratio of what? decreased from 10% to 30%. In the case of the additional reinforcement with a tie, it was reduced by half.
The cases of collapse of greenhouses in rural areas have been increasing due to the unexpected heavy snow load. Studies on how to prevent the collapse of greenhouses are rare, however, and the damages are repeated annually. This studysuggests two reinforcing methods: the use of ahigh-strength tapered module, and the addition of a pre-tension tie. The high-strength tapered section is installed where the bending moment is maximum. The design of a plastic greenhouse is controlled by its strength rather than its deflection. The shape of a greenhouse resembles that of an arch system, but its actual structural behavior is the frame behavior, because it is non-continually composed of a curved element (a beam) and vertical elements (columns). This system is too weak and slender to resist a vertical load, because an external load is resisted by the moment rather than by axial force. In this study, a new method, the installation of a temporary tie at the junction of the arch and the column only during snow accumulation, is proposed. The tie changes the action of the greenhouse frame to an arch action. The arch action is more effective when the pre-tension force is applied in the tie, which results in a very strong temporary structural system during snowfall. As a result of using this high-strength tapered section, the combined strength ratio of what? decreased from 10% to 30%. In the case of the additional reinforcement with a tie, it was reduced by half.
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문제 정의
6m, 8.2m 스팬의 경우에는 농촌진흥청에 고시된 표준설계모델이며 스팬이 10m인 장스팬 비닐하우스 모델의 경우에는 장스팬 비닐하우스로의 적용가능성 검토를 위하여 본 연구에서 측벽높이와 폭에 대한 비율을 표준모델에 맞추어 제시한 것이다.
비닐하우스 프레임의 모멘트가 최대가 되는 부분에 고강도의 변단면 부재를 적용하고, 모멘트가 작은 부분에는 기존의 파이프를 사용하는 변단면 부재를 이용한 보강법을 검토하고자 한다. 또한 비닐하우스의 장스팬화를 가능하게 하기 위해 프리텐션을 적용한 인장타이재를 이용하여 임시적인 추가보강을 통하여 비닐하우스의 붕괴를 방지하고자 한다. 현재 설치된 비닐하우스의 형태는 아치의 형태를 하고 있으나, 구조적으로는 곡선부(보)와 직선부(기둥)가 불연속의 형상을 하고 있어 연직하중에 대해 아치거동보다는 프레임거동을 하는 취약한 구조시스템이다.
또한 근본적인 해결책으로 초기투자비를 높이더라도 영구적으로 붕괴를 방지할 수 있는 해결책이 필요하다. 본 연구에서는 기존의 비닐하우스 모델과 내재해형 비닐하우스 모델을 비교하여 구조적 성능을 평가하고, 보강방법과 붕괴에 대한 근본적인 문제를 해결할 수 있는 고강도 변단면 부재를 이용한 비닐하우스의 표준 모델을 제시하고자 한다.
내재해형 골조의 개선내용은 파이프 단면성능 증가, 재료의 항복강도 및 인장강도 향상으로 인한 구조적 성능향상이다. 본 연구에서는 기존의 비닐하우스와 내재해형 비닐하우스의 서까래 간격을 600mm로 동일하게 하여 동일한 하중 하에서 비닐하우스 구조체의 구조적 성능을 평가하고 붕괴방지법을 제시하였다.
양 지점은 파이프가 흙에 박혀있어서 모멘트 반력이 발생되지만 고정이 불완전하므로 상부 구조체에 불리한 조건인 힌지로 가정하였다. 본 연구에서는 기존의 일반 농업용 파이프(SPVH)와 비닐하우스 구조용 파이프(SPVHS)의 구조성능을 비교하고자 공칭강도를 적용하여 해석을 수행하였다.
본 연구에서는 비닐하우스의 폭설에 의한 붕괴방지법에 대하여 연구하였으며 각 스팬별 고강도 단면과 타이보강을 가정하여 전산해석을 수행한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.
비닐하우스 프레임의 경우 처짐설계보다는 강도설계에 의해 단면이 지배된다. 비닐하우스 프레임의 모멘트가 최대가 되는 부분에 고강도의 변단면 부재를 적용하고, 모멘트가 작은 부분에는 기존의 파이프를 사용하는 변단면 부재를 이용한 보강법을 검토하고자 한다. 또한 비닐하우스의 장스팬화를 가능하게 하기 위해 프리텐션을 적용한 인장타이재를 이용하여 임시적인 추가보강을 통하여 비닐하우스의 붕괴를 방지하고자 한다.
임시 인장 로프가 설치되는 동안에는 통행이나 작업에 지장을 주지만 적설시만 임시로 설치하여 붕괴를 방지하고 적설이 제거되면 인장재는 해체하도록 한다. 인장재로는 비교적 경제적 부담이 적고 작업성과 보관이 편리한 로프를 이용하여 타이아치거동을 유도하고 인 장재의 프리텐션의 정도에 따라 구조체의 내력을 증가시켜 폭설에 의한 비닐하우스의 붕괴를 효과적으로 예방할 수 있는 방법을 제시하고자 한다.
현재 설치된 비닐하우스의 형태는 아치의 형태를 하고 있으나, 구조적으로는 곡선부(보)와 직선부(기둥)가 불연속의 형상을 하고 있어 연직하중에 대해 아치거동보다는 프레임거동을 하는 취약한 구조시스템이다. 인장타이재를 적용한 추가보강은 직 선부재(기둥) 상단에 폭설 시에만 임시적으로 인장타이재를 추가함으로써 모멘트로 저항하던 프레임 구조체를 축력에 저항하는 타이아치형 구조체로의 단기적인 변화를 유도하여 구조체의 내력을 증가시키고자 한다. 폭설이 예상되는 시기에 임시로 설치된 인장타이재에 프리텐션을 가하여 연직하중에 대한 아치 거동이 증대되도록 한다.
가설 설정
그림 5는 해석모델을 위한 하중과 경계조건을 나타낸다. 양 지점은 파이프가 흙에 박혀있어서 모멘트 반력이 발생되지만 고정이 불완전하므로 상부 구조체에 불리한 조건인 힌지로 가정하였다. 본 연구에서는 기존의 일반 농업용 파이프(SPVH)와 비닐하우스 구조용 파이프(SPVHS)의 구조성능을 비교하고자 공칭강도를 적용하여 해석을 수행하였다.
제안 방법
3mm인 섬유재질의 가방끈용 벨트를 타이보강 인장재로 사용하였다. 그리하여 벨트의 재료 특성을 구하기 위하여 UTM을 사용하여 인장시험을 수행하였다. 그림 3은 벨트의 인장시험 상황, 그림 4는 인장재의 응력-변형률 관계를 나타낸다.
무보강 골조와 고강도 변단면 보강 골조에 타이가 있는 경우와 없는 경우에 대하여 응력해석을 수행하였다. 그림 7은 Φ25.
표 1은 지상 적설하중의 기본값(Sg)을 나타내고, 표 2는 지붕경사도계수 및 적용하중을 나타낸다(대한건축학회, 2006). 본 논문에서는 지상 적설 하중의 기본값으로 최소값인 0.5 kN/m2 (500 mm 적설심 기준)을 적용하였다. 본 논문의 해석에 적용한 하중은 적설하중(Ss)에 서까래 간격(600 mm )를 곱하여 환산하였다.
비닐하우스가 받는 하중은 골조와 피복자재 등의 자중이 있고, 지주재배 작물일 경우는 작물의 무게도 작용하고 단기적으로 구조물에 영향을 주는 설하중, 풍하중 등이 있다. 본 연구에서는 비닐하우스 프레임의 자중과 적재하중은 설하중에 비하여 극히 작으므로 무시하고 설하중만을 적용하였다. 해석시 하중 조합은 일반구조물의 적설하중계수 1.
비닐하우스의 붕괴원인을 좌굴과 응력에 대하여 판단하기 위하여 조합강도비와 1/λ 를 비교하였다.
프리텐션의 해석은 타이부재에 온도하중을 가하여 고려하였다. 타이에 초기장력을 가하되, 타이와 골조와의 상대 강성에 따른 모멘트도의 변화를 고려한 타이 장력을 가하였다. 그림 9는 (a)무보강의 경우와 (b)타이보강 후 (200N)의 동일한 스케일의 모멘트 도의 변화를 나타낸다.
프리텐션의 해석은 타이부재에 온도하중을 가하여 고려하였다. 타이에 초기장력을 가하되, 타이와 골조와의 상대 강성에 따른 모멘트도의 변화를 고려한 타이 장력을 가하였다.
대상 데이터
비닐하우스 프레임의 경우 처짐설계보다는 강도설계에 의해 단면이 지배되므로 고강도강의 효과가 크다. 그러므로 모멘트가 가장 크게 나타난 부분에 고강도 변단면 보강부재를 적용하였다.
본 연구에서는 단면이 50 ×1.3mm인 섬유재질의 가방끈용 벨트를 타이보강 인장재로 사용하였다.
데이터처리
그림 8. 절점별 응력
응력해석의 결과는 조합강도비를 이용하여 변수별로 비교하였다
. 조합강도비 1.
이론/모형
전산해석은 MIDAS Gen을 사용하였다. 그림 5는 해석모델을 위한 하중과 경계조건을 나타낸다.
성능/효과
(1) 본 연구에서 적용한 하중에 대하여 무보강 상태일 때 가장 취약한 부위로 기둥상부(E)에서 조합강도비가 가장 높게 나타났다. 변단면 보강시 최대 조합강도비가 발생하는 위치가 기둥상부(E)에서 기존부재와 보강부의 경계점(B)으로 이동하였다.
(2) 고강도 변단면으로 보강한 비닐하우스에 100N 이상의 프리텐션 타이를 이용하여 보강할 경우 무보강 상태보다 취약한 부분에서의 조합강도비가 평균적으로 절반 이하로 감소하였다.
(4) 1차 모드에서의 좌굴하중은 낮게 나타나지만, 실제 비닐하우스의 붕괴형상은 2차 모드와 유사한 거동을 하므로 고강도강을 이용한 비닐하우스 구조체에 프리텐션 타이를 이용한 추가보강을 하게 되면 적설심이 평균적으로 2배 이상 증가할 것으로 사료된다.
고강도강을 이용한 비닐하우스 구조체에 프리텐션 100N을 적용하게 되면 조합강도비가 모든 변수에 대하여 50% 정도 감소하였다. 200N 이상의 프리텐션을 적용하여 보강할 경우 보강효과는 있으나, 그 효과는 미비한 것으로 나타났다.
그림 3은 벨트의 인장시험 상황, 그림 4는 인장재의 응력-변형률 관계를 나타낸다. 3번의 인장시험을 통한 평균값으로부터 구한 타이부재의 탄성계수는 243MPa로 나타났다.
고강도 변단면 보강시 최대 조합강도비가 발생하는 위치가 기둥상부(E)에서 기존부재와 보강부의 경계점(B)으로 이동하였으며, 그 최대값은 스팬에 따라 10∼40% 감소하였다.
타이 부재에 프리텐션을 적용하여 보강할 경우에도 고강도 변단면 부재와 기존부재와의 경계점(B)에서 가장 취약함을 알 수 있다. 고강도강을 이용한 비닐하우스 구조체에 프리텐션 100N을 적용하게 되면 조합강도비가 모든 변수에 대하여 50% 정도 감소하였다. 200N 이상의 프리텐션을 적용하여 보강할 경우 보강효과는 있으나, 그 효과는 미비한 것으로 나타났다.
050(SPVHS) 감소하였다. 그리하여 임시적인 추가보강으로 100N의 프리텐션을 적용하면 조합강도비가 각각 0.826(SPVH), 0.578(SPVHS)로 감소하여 적용하중에 대하여 붕괴하지 않는 것으로 나타났다. Φ31.
본 연구에서 적용한 하중에 대하여 무보강 상태일 때 가장 취약한 부위로 기둥상부(E)에서 조합강도비가 가장 높게 나타났다. 고강도 변단면 보강시 최대 조합강도비가 발생하는 위치가 기둥상부(E)에서 기존부재와 보강부의 경계점(B)으로 이동하였으며, 그 최대값은 스팬에 따라 10∼40% 감소하였다.
표 7은 각각의 해석변수에 따른 조합강도비를 비교한 것이다. 전체적으로 모든 해석모델이 고강도 변단면 부재로 보강할 경우 조합강도비가 감소하는 것을 알 수 있다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
현재 설치된 비닐하우스의 구조시스템은?
또한 비닐하우스의 장스팬화를 가능하게 하기 위해 프리텐션을 적용한 인장타이재를 이용하여 임시적인 추가 보강을 통하여 비닐하우스의 붕괴를 방지하고자 한다. 현재 설치된 비닐하우스의 형태는 아치의 형태를 하고 있으나, 구조적으로는 곡선부(보)와 직선부(기둥)가 불연속의 형상을 하고 있어 연직하중에 대해 아치거동보다는 프레임거동을 하는 취약한 구조시스템이다. 인장타이재를 적용한 추가보강은 직 선부재(기둥) 상단에 폭설 시에만 임시적으로 인장타이재를 추가함으로써 모멘트로 저항하던 프레임 구조체를 축력에 저항하는 타이아치형 구조체로의 단기적인 변화를 유도하여 구조체의 내력을 증가시키고자 한다.
농촌진흥청에서 권고하는 비닐하우스 구조체의 파이프는?
최근 농촌진흥청에서는 농업시설 폭설피해 경감대책으로 비닐하우스 구조체의 파이프는 반드시 비닐하우스 구조용 도금 강관인 SPVHS(KSD 3760)를 사용하도록 권고하고 있다. (농촌진흥청, 2008).
폭설로 인한 비닐하우스의 붕괴의 대책연구는?
하지만 이에 대한 대책연구는 미약하여 매년 농가의 피해는 되풀이 되고 있다. 그리하여 본 연구에서는 고강도 변단면 부재를 이용한 모듈을 적용하여 근본적인 구조체의 붕괴를 방지하고, 인장타이재를 이용한 추가적인 보강을 통하여 비닐하우스의 붕괴를 방지하고자 한다. 비닐하우스 프레임의 경우 처짐설계보다는 강도설계에 의해 단면이 지배되므로 모멘트가 최대가 되는 부분에 고강도의 변단면 부재를 적용한다.
참고문헌 (7)
대한건축학회(2006) 건축구조설계기준 및 해설, 기문당.
농촌진흥청(2008) 원예특작시설 내재해규격 설계도 및 시방서, 농림수산식품부고시 2008-76호.
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