재하시험과 유한요소해석에 의한 플라스틱 필름 온실의 거동특성 분석 Evaluation on the Behavioral Characteristics of Plastic Greenhouse by Full-scale Testing and Finite Element Analysis원문보기
부재 교차 결합부 조건에 따른 초기강성은 고정 조건인 경우와 비교하여 반고정 조건인 경우 33% 작게 나타났으나 부재 교차 결합부 특성에 의하여 재하지점과 3m 떨어진 지점에서는 9% 크게 나타났다. 즉, 고정 조건인 경우 구조물 전체로 하중이 분산되어 재하지점과 떨어진 지점에서는 상대적으로 반고정 조건 구조물의 강성이 높게 나타났다. 기초 조건에 따른 초기 강성은 강관 삽입 기초의 경우에는 고정기초 조건과 비교하여 31% 크게 나타났으며, 휨강성은 20% 높게 나타났다. 인터페이스 요소(beam interface element, BIE) 및 지반요소(3-D solid element)를 사용하여 재하시험 결과를 기반으로 각종 계수를 산정하고 시험조건과 동일하게 수치모델링하여 유한요소해석을 수행한 결과 실험결과와 유사한 구조거동을 나타냈다. 그러나 극한하중 조건에서는 비선형 특성의 발현 등에 의하여 다소 상이한 결과 값을 보였다. 이상의 결과로부터 플라스틱 필름 온실의 설계 및 구조성능 평가에서 절점 및 지점 조건에 대한 임의 또는 과다한 이상화는 구조물의 성능 평가에 적지 않은 영향을 줄 수 있음을 알 수 있었다. 한편 플라스틱 필름 온실은 세장한 부재로 구성된 유연한 철골 구조물이므로 구조성능 산정에 있어서 좌굴과 함께 대변형 및 지반의 비선형 특성 등을 충분히 고려해야 할 것으로 판단된다.
부재 교차 결합부 조건에 따른 초기강성은 고정 조건인 경우와 비교하여 반고정 조건인 경우 33% 작게 나타났으나 부재 교차 결합부 특성에 의하여 재하지점과 3m 떨어진 지점에서는 9% 크게 나타났다. 즉, 고정 조건인 경우 구조물 전체로 하중이 분산되어 재하지점과 떨어진 지점에서는 상대적으로 반고정 조건 구조물의 강성이 높게 나타났다. 기초 조건에 따른 초기 강성은 강관 삽입 기초의 경우에는 고정기초 조건과 비교하여 31% 크게 나타났으며, 휨강성은 20% 높게 나타났다. 인터페이스 요소(beam interface element, BIE) 및 지반요소(3-D solid element)를 사용하여 재하시험 결과를 기반으로 각종 계수를 산정하고 시험조건과 동일하게 수치모델링하여 유한요소해석을 수행한 결과 실험결과와 유사한 구조거동을 나타냈다. 그러나 극한하중 조건에서는 비선형 특성의 발현 등에 의하여 다소 상이한 결과 값을 보였다. 이상의 결과로부터 플라스틱 필름 온실의 설계 및 구조성능 평가에서 절점 및 지점 조건에 대한 임의 또는 과다한 이상화는 구조물의 성능 평가에 적지 않은 영향을 줄 수 있음을 알 수 있었다. 한편 플라스틱 필름 온실은 세장한 부재로 구성된 유연한 철골 구조물이므로 구조성능 산정에 있어서 좌굴과 함께 대변형 및 지반의 비선형 특성 등을 충분히 고려해야 할 것으로 판단된다.
This study analyzed the effect of semi-rigid rafter-purlin cross-linking connection and driven steel pipe base on the static behavior of plastic greenhouse (PG). To promote the time and cost efficiency of the assembly process, each cross-linking connections of space arch type grid that consists of r...
This study analyzed the effect of semi-rigid rafter-purlin cross-linking connection and driven steel pipe base on the static behavior of plastic greenhouse (PG). To promote the time and cost efficiency of the assembly process, each cross-linking connections of space arch type grid that consists of rafter and purlin is linked with steel-wire buckles, and each end of the rafters was driven directly to the ground to support the PG structure. However, in the design process, cross-linking connections and bases are idealized by being categorized as fully rigid or frictionless pinned, which does not appropriately reflect actual conditions. This study takes a full-scale loading test of PG and analyzes the effect of member cross-linking connections and driven steel pipe base on the behavior of a structure. The analysis provided a basis for determining the rigidity factor of member cross-linking nodes needed for finite element analysis, and the reliability of the result regarding the static behavior of PG.
This study analyzed the effect of semi-rigid rafter-purlin cross-linking connection and driven steel pipe base on the static behavior of plastic greenhouse (PG). To promote the time and cost efficiency of the assembly process, each cross-linking connections of space arch type grid that consists of rafter and purlin is linked with steel-wire buckles, and each end of the rafters was driven directly to the ground to support the PG structure. However, in the design process, cross-linking connections and bases are idealized by being categorized as fully rigid or frictionless pinned, which does not appropriately reflect actual conditions. This study takes a full-scale loading test of PG and analyzes the effect of member cross-linking connections and driven steel pipe base on the behavior of a structure. The analysis provided a basis for determining the rigidity factor of member cross-linking nodes needed for finite element analysis, and the reliability of the result regarding the static behavior of PG.
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문제 정의
기존에는 연속 보 부재 또는 보 부재 끝단에서의 반고정 특성 분석에 대한 연구가 대부분이었으며 부재간 교차 결합부 조건 및 지반조건을 충실히 고려한 연구결과는 찾기 어렵다. 이 연구에서는 철골 구조물의 유연한 부재 교차결합 조건이 전체 구조물의 거동특성에 미치는 영향을 플라스틱 필름 온실의 재하실험을 통하여 분석하였고, 서까래-도리 부재 교차 결합부 및 지반을 선형 유한요소모델을 이용하여 수치해석하고 재하실험결과와 비교분석함으로써 플라스틱 필름 온실 거동예측에 대한 신뢰성 향상 가능성을 확인하였다.
가설 설정
8m의 구조물로서 부재 교차 결합부는 실제 구조물과 동일한 강선조리개 조건이며, 그 중 1동은 서까래를 지반에 꽂은 후 매설 하여 구조물을 지지한 시험체(이하 DF-G)이고 다른 1동은 별도 제작한 서까래 고정구를 사용하여 지점을 고정한 시험체(이하 DF-F)이다. DF-G를 설치한 지반은 모래섞인 점질토이고 매설 후 인력 발 다짐한 후물을 뿌리고 약 1주일 동안 방치하였으나 정량적인 흙의 성질 및 다짐 값은 측정하지 못하고 일반적인 현장 지반상태로 가정하였다. DF-F의 경우 서까래를 고정구의 파이프 삽입부에 꽂은 후 100Nm의 토크치로 너트 조임하였다.
y) full rigid connection and hinge boundary condition on z-axis.
제안 방법
4에 보였다. 가력방식은 각 지점을 독립적으로 제어하여 100N에서 400N 까지 단계별 단조 수평재하로 행하였다. 하중은 가력와 이어에 부착된 로드셀로 계측하고 시험체의 변형은 Fig.
강관 부재의 교차 결합부 및 기초 조건이 플라스틱 필름 온실의 거동특성에 미치는 영향을 실제 구조물의 가력시험을 통해 분석하기 위하여 한 그룹 당 2동씩총 4동의 시험체를 제작하였다. 그 중 한 그룹은 부재 교차 결합부가 반고정 및 고정 조건에서의 거동분석을 위한 시험체이며, 다른 그룹은 부재 교차 결합부가 모두 반고정인 조건에서 기초조건이 강관 삽입인 경우와 고정인 경우의 거동특성을 비교하기 위한 시험체이다.
8m 이다. 그 중 1동은 서까래-도리 부재 교차 결합부를 실제 구조물과 동일하게 강선조리개를 이용하여 결합한 시험체(이하 SF-B)이고, 다른 1동은 모든 서까래-도리 부재 교차 결합부를 용접함으로써 고정 절점 시험체(이하 SF-W)로 만들었다(Fig. 2).
9(a)에는 반고정 조건의 부재 교차 결합부를 가진 기초 고정 조건 시험체(DF-F)의 가력시험 결과에 대한 유한요소해석 결과를 보였다. 부재 교차 결합 부에 BIE를 적용하고 지반은 고체요소(3-D solid element)를 이용하여 수치해석을 수행하였으며 Table 3에 보인바와 같이 시험체의 절점 및 지점 조건을 다양하게 설정한 수치해석 결과와 서로 비교하였다. 하중이 매우 큰 경우를 제외하면 BIE 및 지반요소를 적용한 유한요소해석 결과가 플라스틱 필름 온실의 거동을 매우 신뢰성 있게 예측하고 있음을 확인할 수 있다.
인터페이스 요소(beam interface element, BIE) 및 지반요소(3-D solid element)를 사용하여 재하시험 결과를 기반으로 각종 계수를 산정하고 시험조건과 동일하게 수치모델링하여 유한요소해석을 수행한 결과 실험결과와 유사한 구조거동을 나타냈다. 그러나 극한하중 조건에서는 비선형 특성의 발현 등에 의하여 다소 상이한 결과 값을 보였다.
가력방식은 각 지점을 독립적으로 제어하여 100N에서 400N 까지 단계별 단조 수평재하로 행하였다. 하중은 가력와 이어에 부착된 로드셀로 계측하고 시험체의 변형은 Fig. 4에 보는 바와 같은 위치에 변위계(LVDT) 및 변형률게이지를 설치하여 계측하였다.
대상 데이터
Fig. 3에 보인 2동의 시험체(이하 DF)는 폭 5.0m, 측고 1.4m, 동고 2.7m, 길이 7.8m의 구조물로서 부재 교차 결합부는 실제 구조물과 동일한 강선조리개 조건이며, 그 중 1동은 서까래를 지반에 꽂은 후 매설 하여 구조물을 지지한 시험체(이하 DF-G)이고 다른 1동은 별도 제작한 서까래 고정구를 사용하여 지점을 고정한 시험체(이하 DF-F)이다. DF-G를 설치한 지반은 모래섞인 점질토이고 매설 후 인력 발 다짐한 후물을 뿌리고 약 1주일 동안 방치하였으나 정량적인 흙의 성질 및 다짐 값은 측정하지 못하고 일반적인 현장 지반상태로 가정하였다.
1은 구조물의 절점과 지점이 반고정 조건에서의 거동 분석을 위하여 설치한 온실의 부재 교차 결합부 및 강관 삽입 기초를 나타낸 것으로서 기초는 지반을 굴착(약 30cm)하고 강관을 일정 깊이(약 20cm)로 꽂은 후 매설하였다. 이 시험체(이하 SF)의규모는 폭 4.4m, 측고 1.6m, 동고 2.8m, 길이 7.8m 이다. 그 중 1동은 서까래-도리 부재 교차 결합부를 실제 구조물과 동일하게 강선조리개를 이용하여 결합한 시험체(이하 SF-B)이고, 다른 1동은 모든 서까래-도리 부재 교차 결합부를 용접함으로써 고정 절점 시험체(이하 SF-W)로 만들었다(Fig.
이론/모형
부재 교차 결합부 특성을 고려한 시험체의 수치해석을 위하여 범용 유한요소해석 프로그램인 VisualFEA (Lee, 2001)를 이용하였으며, Fig. 7에 보인 빔인터페이스 요소(beam interface element, BIE)를 수치해석 모델링에 적용하여 플라스틱 필름 온실의 구조해석을 수행하였다.
성능/효과
Table 2에서 보는 바와 같이 반고정 조건의 시험체(SF-B)가고정 조건 시험체(SF-W)와 비교하여 하중 단계별로 변형률이 큰 값을 보였으며 구조물 전체로의 내력 분배가 덜 되는 것으로 나타났다. 기초 조건에 따른 변형률 변화는 근소하나 고정 조건 시험체(DF-F)의 값이 강관 삽입 기초 시험체(DF-G)의 결과와 비교하여 크게 나타났으며, DF 시험체가 SF 시험체와 비교하여 내력 분배가 더 되는 것으로 나타났다.
즉, 고정 조건인 경우 구조물 전체로 하중이 분산되어 재하 지점과 떨어진 지점에서는 상대적으로 반고정 조건 구조물의 강성이 높게 나타났다. 기초 조건에 따른 초기 강성은 강관 삽입 기초의 경우에는 고정기초 조건과 비교하여 31% 크게 나타났으며, 휨강성은 20% 높게나타났다.
부재 교차 결합부 조건에 따른 초기강성은 고정 조건인 경우와 비교하여 반고정 조건인 경우 33% 작게 나타났으나 부재 교차 결합부 특성에 의하여 재하지점과 3m 떨어진 지점에서는 9% 크게 나타났다. 즉, 고정 조건인 경우 구조물 전체로 하중이 분산되어 재하 지점과 떨어진 지점에서는 상대적으로 반고정 조건 구조물의 강성이 높게 나타났다.
이상의 결과로부터 플라스틱 필름 온실의 설계 및 구조성능 평가에서 절점 및 지점 조건에 대한 임의 또는 과다한 이상화는 구조물의 성능 평가에 적지 않은 영향을 줄 수 있음을 알 수 있었다. 한편 플라스틱 필름 온실은 세장한 부재로 구성된 유연한 철골 구조물이므로 구조성능 산정에 있어서 좌굴과 함께 대변형 및 지반의 비선형 특성 등을 충분히 고려해야할 것으로 판단된다.
부재 교차 결합부 조건에 따른 초기강성은 고정 조건인 경우와 비교하여 반고정 조건인 경우 33% 작게 나타났으나 부재 교차 결합부 특성에 의하여 재하지점과 3m 떨어진 지점에서는 9% 크게 나타났다. 즉, 고정 조건인 경우 구조물 전체로 하중이 분산되어 재하 지점과 떨어진 지점에서는 상대적으로 반고정 조건 구조물의 강성이 높게 나타났다. 기초 조건에 따른 초기 강성은 강관 삽입 기초의 경우에는 고정기초 조건과 비교하여 31% 크게 나타났으며, 휨강성은 20% 높게나타났다.
후속연구
이상의 결과로부터 플라스틱 필름 온실의 설계 및 구조성능 평가에서 절점 및 지점 조건에 대한 임의 또는 과다한 이상화는 구조물의 성능 평가에 적지 않은 영향을 줄 수 있음을 알 수 있었다. 한편 플라스틱 필름 온실은 세장한 부재로 구성된 유연한 철골 구조물이므로 구조성능 산정에 있어서 좌굴과 함께 대변형 및 지반의 비선형 특성 등을 충분히 고려해야할 것으로 판단된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
단동형 플라스틱 필름 온실이란?
단동형 플라스틱 필름 온실은 매우 세장한 강관들을 휘어서 아치형태의 서까래를 만들고 양쪽 끝단을 지반에 직접 꽂아서 고정한 후 일정한 간격으로 서까래와 직교하는 몇 개의 도리를 설치하여 각각의 서까래-도리 부재 교차 결합부를 강선조리개로 결합한 유연한 철골 구조물이다. 일반적으로 플라스틱 필름 온실 설계에서는 서까래와 도리가 교차하는 격자망과 기초의 절점 및 지점을 고정 또는 힌지로 이상화한다.
온실을 이용하는 이유는?
외부 자연환경의 영향을 최소화하여 농민 또는 소비 자가 원하는 시기에 집중적으로 원예산물을 공급하기 위하여 많은 나라에서 온실을 이용하고 있다. 주로 유럽과 동아시아에서 온실을 이용하고 있으며 그 면적은 동아시아가 1,140,000ha, 유럽이 230,000ha, 아프리카 및 중동이 120,000ha, 북미 및 중남미가 40,000ha로추산된다(Heuvelink, 2005).
일반적으로 플라스틱 필름 온실 설계에서는 서까래와 도리가 교차하는 격자망과 기초의 절점 및 지점을 고정 또는 힌지로 이상화하는데 그 단점은?
일반적으로 플라스틱 필름 온실 설계에서는 서까래와 도리가 교차하는 격자망과 기초의 절점 및 지점을 고정 또는 힌지로 이상화한다. 그러나 이러한 가정은 실제 조건을 고려하지 않기 때문에 구조물의 거동 평가 시 오차를 수반할 수 있다.
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