[논문]온실기초의 구조물-지반 상호작용 해석을 위한 유한요소 모델링

류희룡; 조명환; 유인호; 문두경

doi:10.7744/cnujas.2014.41.4.455

온실기초의 구조물-지반 상호작용 해석을 위한 유한요소 모델링
Finite element modeling for structure-soil interaction analysis of plastic greenhouse foundation 원문보기

농업과학연구 = CNU Journal of agricultural science, v.41 no.4, 2014년, pp.455 - 460

류희룡 (농촌진흥청 국립원예특작과학원 시설원예시험장) , 조명환 (농촌진흥청 국립원예특작과학원 시설원예시험장) , 유인호 (농촌진흥청 국립원예특작과학원 시설원예시험장) , 문두경 (농촌진흥청 국립원예특작과학원 시설원예시험장)

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, structural behavior of plastic greenhouse foundation was investigated using rational finite element modeling for structures which have different material properties each other. Because the concrete foundation of plastic greenhouse and soil which surround and support the concrete foundation have very different material property, the boundary between two structures were modeled by a interface element. The interface element was able to represent sliding, separation, uplift and re-bonding of the boundary between concrete foundation and soil. The results of static and dynamic analysis showed that horizontal and vertical displacement of concrete foundation displayed a decreasing tendency with increasing depth of foundation. The second frequency from modal analysis of structure including foundation and soil was estimate to closely related with wind load.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 강풍과 호우 조건을 고려한 온실기초의 거동을 분석하기 위하여 정적하중 또는 동적하중이 작용하는 조건에서 기초의 매입깊이에 따른 온실기초와 지반의 상호작용 응답특성을 고찰하였다.

가설 설정

정적해석의 작용 하중은 40 m/s의 풍하중을 받는 전체 구조물의 3차원 프레임해석으로 얻은 수평반력 성분을 풍상측 방풍벽 온실기초의 상단부에 입력하였으며 기초별로 방향이 다르게 나타난 수직반력은 입력하지 않았다. 동적해석에서는 호우에 의해 지반이 포화되어 구조물과 지반의 접속경계에 수막이 형성되어있다는 가정 하에 수막을 인터페이스 요소로 모델링하였다. 풍하중과 호우조건이 시간에 따라 변하지 않는 것으로 가정했으며 최대가속도 50 km/s² (time step=0.
정적해석과 동적해석을 위한 온실의 콘크리트 기초는 높이에 따라 일정한 정방형 단면으로 가정하고 매입깊이는 각각 0.3 m, 0.45 m, 0.6 m로 하였다. 온실 측고가 4.
정적 및 동적 해석에서 콘크리트 기초와 지반의 물성치는 Table 1과 같으며 정적해석에서 지반은 Mohr-Coulomb 비선형성을 적용하였다. 콘크리트 기초는 자체의 응력변화가 거동특성에 큰 영향을 주지 않는 것으로 가정하고 선형 재료로 적용하였으며 평면변형률 조건으로 해석하였다.
동적해석에서는 호우에 의해 지반이 포화되어 구조물과 지반의 접속경계에 수막이 형성되어있다는 가정 하에 수막을 인터페이스 요소로 모델링하였다. 풍하중과 호우조건이 시간에 따라 변하지 않는 것으로 가정했으며 최대가속도 50 km/s² (time step=0.02 sec)를 온실기초의 횡방향 자중(Body force) 형태로 부여하고 0.04초 동안의 과도하중으로 입력하였다. 동적평형방정식을 풀기 위하여 Newmark 법을 사용하였으며 평균가속도 가정을 선택하고, Rayleigh감쇠를 사용하여 전체 감쇠행렬에 적용하였다.

제안 방법

Fig. 2에 보인 것과 같이 구조물과 지반의 상호간섭현상을 피하고 기초지반의 반무한성을 고려하기 위하여 기초지반의 모델링에서 지반 폭(20 × B)과 깊이(4 × h)를 충분히 확보하였다.
구조물과 지반의 접속경계에 인터페이스 요소를 적용하여 온실 기초의 비선형 정적해석을 통하여 콘크리트 기초의 매입깊이가 변화할 때의 응답 특성을 살펴보았다. Fig.
5m인 1-2W형 하우스를 기준으로 전체 자중을 25 ton으로 산정하였다. 따라서 주기둥 간격이 3 m일 경우 풍상측 기초 한개가 부담하는 자중을 130 kg으로 계산하고 이를 콘크리트 기초 상단부에 부가하중(added mass)형태로 적용하였다. Fig.
온실기초와 지반사 이의 수막을 인터페이스 요소로 모델링하여 온실기초-지반의 상호작용 응답특성을 살펴보았다. Fig.
3은 콘크리트 기초와 지반의 접속경계에 인터페이스 요소를 적용한 유한요소망을 나타내고 있다. 온실기초와 지반이 포함된 구조체의 고유치해석(modal analysis)을 통하여 자유진동수를 분석하였으며 시간영역해석(time domain analysis)을 수행하여 동적거동특성을 분석하였다.
이 연구에서는 온실의 콘크리트 기초와 지반 접속면의 인터페이스 요소를 이용하여 유한요소로 모델링하고, 콘크리트 기초의 매입깊이 변화 및 지반의 포화조건에 따라 정･동적 구조물-지반 상호작용 응답특성을 고찰하였다.
2에 보인 것과 같이 구조물과 지반의 상호간섭현상을 피하고 기초지반의 반무한성을 고려하기 위하여 기초지반의 모델링에서 지반 폭(20 × B)과 깊이(4 × h)를 충분히 확보하였다. 정적해석의 작용 하중은 40 m/s의 풍하중을 받는 전체 구조물의 3차원 프레임해석으로 얻은 수평반력 성분을 풍상측 방풍벽 온실기초의 상단부에 입력하였으며 기초별로 방향이 다르게 나타난 수직반력은 입력하지 않았다. 동적해석에서는 호우에 의해 지반이 포화되어 구조물과 지반의 접속경계에 수막이 형성되어있다는 가정 하에 수막을 인터페이스 요소로 모델링하였다.

이론/모형

04초 동안의 과도하중으로 입력하였다. 동적평형방정식을 풀기 위하여 Newmark 법을 사용하였으며 평균가속도 가정을 선택하고, Rayleigh감쇠를 사용하여 전체 감쇠행렬에 적용하였다.
, 2008). 접속경계요소를 이용한 수치 계산을 수행하기 위하여 범용 유한요소해석 코드인 VisualFEA(Ver. 5.10, Intuition Software Co. Korea)를 사용하였다.
전단계수 감소에 따른 감쇠비의 변화관계를 적용하여 정적해석에서 재료의 비선형성을 용이하게 고려할 수 있었다. 정적 및 동적 해석에서 콘크리트 기초와 지반의 물성치는 Table 1과 같으며 정적해석에서 지반은 Mohr-Coulomb 비선형성을 적용하였다. 콘크리트 기초는 자체의 응력변화가 거동특성에 큰 영향을 주지 않는 것으로 가정하고 선형 재료로 적용하였으며 평면변형률 조건으로 해석하였다.

성능/효과

구조물과 지반의 접속경계에 인터페이스 요소를 적용하여 온실 기초의 비선형 정적해석을 통하여 콘크리트 기초의 매입깊이가 변화할 때의 응답 특성을 살펴보았다. Fig. 4와 Fig. 5에서 보는 바와 같이 기초의 매입깊이가 커질수록 측방변위가 작아지는 경향을 보였으며, 기초의 깊이가 0.3 m에서 0.6 m로 증가하면 측방변위와 수직변위가 각각 약 80%와 30% 감소하는 효과가 있었다. 한편 지반의 최대 응력은 40%까지 감소하는 것으로 나타났다.
전단계수 감소에 따른 감쇠비의 변화관계를 적용하여 정적해석에서 재료의 비선형성을 용이하게 고려할 수 있었다. 정적 및 동적 해석에서 콘크리트 기초와 지반의 물성치는 Table 1과 같으며 정적해석에서 지반은 Mohr-Coulomb 비선형성을 적용하였다.
정적해석을 통하여 기초의 매입깊이가 깊어질수록 측방 및 수직변위가 작아지는 것을 알 수 있었으며, 자유진동해석을 통하여 기초-지반의 수평거동이 주로 나타난 2차 모드가 바람하중과 밀접한 연관이 있을 것으로 판단되었다. 호우를 동반한 강풍시에는 기초의 최대변위가 증가하는 것으로 나타났으며 상부구조체에 많은 피로가 쌓일 것으로 예상되었다.
정적해석을 통하여 기초의 매입깊이가 깊어질수록 측방 및 수직변위가 작아지는 것을 알 수 있었으며, 자유진동해석을 통하여 기초-지반의 수평거동이 주로 나타난 2차 모드가 바람하중과 밀접한 연관이 있을 것으로 판단되었다. 호우를 동반한 강풍시에는 기초의 최대변위가 증가하는 것으로 나타났으며 상부구조체에 많은 피로가 쌓일 것으로 예상되었다.

후속연구

온실기초와 지반을 인터페이스 요소를 사용하여 모델링한 유한요소해석법은 강풍과 호우를 동반한 기상조건하의 온실에 대하여, 구조물과 기초지반 조건이 고려된 응답특성을 연구할 때 효율적인 접근방법이 될 수 있을 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	온실 구조에 피해를 주는 기상요인은 무엇인가?	온실 구조에 피해를 주는 기상요인은 강풍과 폭설이다. 호우에 의한 피해는 온실 구조에 영향을 주기보다는 시설 내부에서 자라고 있는 작물에 크게 영향을 준다.
	호우와 강풍이 함께하는 경우 왜 피해가 더 크게 발생하는가?	그렇지만 호우와 강풍이 함께 농업시설에 영향을 줄 경우에는 피해가 크게 발생한다. 호우에 의해 지반이 침수된 상태에서는 온실 구조를 지지하는 토양이 무른 상태가 되어 기초가 강풍에 쉽게 인발되거나 전도되어 피해가 발생하기 쉽다(RDA, 2007).
	호우에 의한 피해는 어디에 영향을 주는가?	온실 구조에 피해를 주는 기상요인은 강풍과 폭설이다. 호우에 의한 피해는 온실 구조에 영향을 주기보다는 시설 내부에서 자라고 있는 작물에 크게 영향을 준다. 그렇지만 호우와 강풍이 함께 농업시설에 영향을 줄 경우에는 피해가 크게 발생한다.

참고문헌 (8)

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상세보기
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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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