본 연구는 온실에 작용하는 풍하중 산정을 위한 설계 풍속을 결정하는데 필요한 자료를 제공하기 위하여 10m 이하 높이에서의 풍속을 측정하여 풍속고도분포지수를 산정하고 변화를 분석하였다. 고도에 따른 풍속분포함수를 결정하기 위한 풍속고도분포지수를 계산하기 위해서는 $5m{\cdot}s^{-1}$ 이상의 풍속을 사용하는 것이 타당하다고 판단된다. 농촌 개활지인 부안지역의 고도에 따른 풍속변화는 지표면으로부터 풍속이 지수함수로 증가하는 우리나라의 RDC 기준과 일본의 JGHA 기준과 잘 일치하였고 풍속고도분포지수도 0.26으로 기준들에서 제시된 0.25와 거의 동일한 값을 나타내었다. 반면 군위지역의 경우는 풍속고도분포지수가 0.06으로 산정되어 지표면조도가 클수록 풍속고도분포지수가 증가하는 일반적인 변화 경향과는 반대로 나타났다. 이는 타워가 주변지대보다 약 2m 가량 더 높은 위치에 설치되었기 때문에 유선의 급격한 변화에 의한 것으로 판단된다. 따라서 일반적으로 농촌 개활지에 설치되는 온실의 설계를 위해 적용할 풍속고도분포로는 우리나라의 RDC기준과 일본의 JGHA기준에서 제시한 풍속고도분포가 가장 타당한 것으로 사료된다. 부안의 경우 오전 7시 경부터 풍속고도 분포지수가 감소하다가 오후 3시경에 최소가 된 후 다시 증가하여 24시경에 일정해지는 것으로 나타나 시간에 따른 풍속고도분포지수의 일반적인 변화경향과 잘 일치하였다. 부안지역은 형상변수가 1.51로 나타나 간척지인 부안지역의 풍속특성이 제주도 연안지역과 유사한 풍속특성을 가지고 있음을 확인하였다.
본 연구는 온실에 작용하는 풍하중 산정을 위한 설계 풍속을 결정하는데 필요한 자료를 제공하기 위하여 10m 이하 높이에서의 풍속을 측정하여 풍속고도분포지수를 산정하고 변화를 분석하였다. 고도에 따른 풍속분포함수를 결정하기 위한 풍속고도분포지수를 계산하기 위해서는 $5m{\cdot}s^{-1}$ 이상의 풍속을 사용하는 것이 타당하다고 판단된다. 농촌 개활지인 부안지역의 고도에 따른 풍속변화는 지표면으로부터 풍속이 지수함수로 증가하는 우리나라의 RDC 기준과 일본의 JGHA 기준과 잘 일치하였고 풍속고도분포지수도 0.26으로 기준들에서 제시된 0.25와 거의 동일한 값을 나타내었다. 반면 군위지역의 경우는 풍속고도분포지수가 0.06으로 산정되어 지표면조도가 클수록 풍속고도분포지수가 증가하는 일반적인 변화 경향과는 반대로 나타났다. 이는 타워가 주변지대보다 약 2m 가량 더 높은 위치에 설치되었기 때문에 유선의 급격한 변화에 의한 것으로 판단된다. 따라서 일반적으로 농촌 개활지에 설치되는 온실의 설계를 위해 적용할 풍속고도분포로는 우리나라의 RDC기준과 일본의 JGHA기준에서 제시한 풍속고도분포가 가장 타당한 것으로 사료된다. 부안의 경우 오전 7시 경부터 풍속고도 분포지수가 감소하다가 오후 3시경에 최소가 된 후 다시 증가하여 24시경에 일정해지는 것으로 나타나 시간에 따른 풍속고도분포지수의 일반적인 변화경향과 잘 일치하였다. 부안지역은 형상변수가 1.51로 나타나 간척지인 부안지역의 풍속특성이 제주도 연안지역과 유사한 풍속특성을 가지고 있음을 확인하였다.
To provide the data necessary to determine the design wind speed for calculating the wind load acting on a greenhouse, we measured the wind speed below 10m height and analyzed the power law exponents at Buan and Gunwi. A wind speed greater than $5m{\cdot}s^{-1}$ is appropriate for calcula...
To provide the data necessary to determine the design wind speed for calculating the wind load acting on a greenhouse, we measured the wind speed below 10m height and analyzed the power law exponents at Buan and Gunwi. A wind speed greater than $5m{\cdot}s^{-1}$ is appropriate for calculating the power law exponent necessary to determine the wind speed distribution function according to height. We observed that the wind speed increased according to a power law function with increased height at Buan, showing a similar trend to the RDC and JGHA standards. Therefore, this result should be applied when determining the power law function for calculating the design wind speed of the greenhouse structure. The ordinary trend is that if terrain roughness increases the value of power law exponent also increases, but in the case of Gunwi the value of power law exponent was 0.06, which shows contrary value than that of the ordinary trend. This contrary trend was due to the elevations difference of 2m between tower installed and surrounding area, which cause contraction in streamline. The power law exponent started to decrease at 7 am, stopped decreasing and started to increase at 3 pm, and stopped increasing and remained constant at 12 pm at Buan. These changes correspond to the general change trends of the power law exponent. The calculated value of the shape parameter for Buan was 1.51, confirming that the wind characteristics at Buan, a reclaimed area near the coast, were similar to those of coastal areas in Jeju.
To provide the data necessary to determine the design wind speed for calculating the wind load acting on a greenhouse, we measured the wind speed below 10m height and analyzed the power law exponents at Buan and Gunwi. A wind speed greater than $5m{\cdot}s^{-1}$ is appropriate for calculating the power law exponent necessary to determine the wind speed distribution function according to height. We observed that the wind speed increased according to a power law function with increased height at Buan, showing a similar trend to the RDC and JGHA standards. Therefore, this result should be applied when determining the power law function for calculating the design wind speed of the greenhouse structure. The ordinary trend is that if terrain roughness increases the value of power law exponent also increases, but in the case of Gunwi the value of power law exponent was 0.06, which shows contrary value than that of the ordinary trend. This contrary trend was due to the elevations difference of 2m between tower installed and surrounding area, which cause contraction in streamline. The power law exponent started to decrease at 7 am, stopped decreasing and started to increase at 3 pm, and stopped increasing and remained constant at 12 pm at Buan. These changes correspond to the general change trends of the power law exponent. The calculated value of the shape parameter for Buan was 1.51, confirming that the wind characteristics at Buan, a reclaimed area near the coast, were similar to those of coastal areas in Jeju.
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문제 정의
본 연구에서는 온실에 작용하는 풍하중 산정을 위한 설계풍속을 결정하는데 필요한 자료를 제공하기 위하여 10m 이하 높이에서의 풍속을 측정하여 풍속고도분포지수를 산정하고 변화를 분석하였다.
가설 설정
또한 높이에 따른 풍속변화를 서로 비교하기 위하여 기준높이 10m에서의 풍속이 25m·s-1의 동일한 값을 갖는다고 가정하여 각 기준들의 높이에 따른 풍속을 산정하였다.
제안 방법
그리고 10m 높이의 위치에 일사센서인 CMP3(KIPP&ZONEN, 네덜란드)를 설치하여 일사량을 측정하였다.
1은 풍속측정 타워의 사진과 풍속센서의 위치를 나타낸 그림이다. 높이별 풍속을 측정하기 위해 10개의 풍속센서를 지상으로부터 0.1m, 0.6m, 1.0m, 1.5m, 2.0m, 3.0m, 4.0m, 6.0m, 8.0m 그리고 10.0m의 높이에 설치하였다.
10곳의 높이에서 측정된 1분 간격의 최대순간풍속을 사용하여 선형회귀분석을 실시하여 풍속고도분포지수를 구하였다. 또한 0.1m와 0.6m 높이에서의 풍속을 제외하고 산정한 풍속고도분포지수의 상관성과 비교하기 위하여 0.1m 이하 높이와 0.6m 이하 높이에서의 풍속을 각각 제외한 경우에 대해서도 풍속고도분포지수를 산정하였다.
정확한 풍속측정을 위해 미세풍속까지 측정이 가능한 WindSonic(CAMPBELL SCIENTIFIC, 미국) 초음파 풍속센서를 사용하였다. 또한 데이터를 저장하기 위해 CR1000(CAMPBELL SCIENTIFIC, 미국)의 데이터로거를 사용하였으며, 3초 이동평균 풍속을 산정 하여 1분 간격으로 최대순간풍속을 저장하였다. 현장에서 측정된 데이터들은 연구실로 송신(CDMA 방식)되고 소프트웨어RTMC-PRO(CAMPBELL SCIENTIFIC, 미국)를 사용하여 실시간 관측이 가능하도록 하였다.
풍압력 산정 시 사용하는 설계풍속은 고도에 따라 달라지고 이를 산정하는 기준은 각국마다 차이가 있다. 본 연구에서는 Table 1과 같은 4개국의 기준들에 대하여 설계풍속의 산정기준들을 비교분석하였다.
본 연구에서는 가장 높은 풍속 구간에서의 표본 수가 비교적 적어 신뢰성이 부족하였기 때문에 부안의 경우는 13~15m·s-1 범위에서 풍속고도분포지수를 결정하고 군위의 경우 10~12m·s-1 범위에서 결정하였다.
데이터의 측정과 저장을 위해 사용된 장치별 세부 사양은 Table 4와 같다. 정확한 풍속측정을 위해 미세풍속까지 측정이 가능한 WindSonic(CAMPBELL SCIENTIFIC, 미국) 초음파 풍속센서를 사용하였다. 또한 데이터를 저장하기 위해 CR1000(CAMPBELL SCIENTIFIC, 미국)의 데이터로거를 사용하였으며, 3초 이동평균 풍속을 산정 하여 1분 간격으로 최대순간풍속을 저장하였다.
풍속 구간별 분포를 알아보기 위하여 와이블(Weibull) 확률 밀도 함수를 사용하여 10m 높이에서의 풍속크기별 발생빈도를 산정하였다. 본 연구에서 사용된 와이블 확률 밀도 함수는 다음 식과 같다(Al-Abbadi와 Rehman, 2009; Lee 등, 2013; Clobes 등, 2011; Ro와 Hunt, 2007; Sen 등, 2012; Lassig 등, 1999; Capps와 Zender, 2008; Pryor와 Barthelmie, 2009).
또한 데이터를 저장하기 위해 CR1000(CAMPBELL SCIENTIFIC, 미국)의 데이터로거를 사용하였으며, 3초 이동평균 풍속을 산정 하여 1분 간격으로 최대순간풍속을 저장하였다. 현장에서 측정된 데이터들은 연구실로 송신(CDMA 방식)되고 소프트웨어RTMC-PRO(CAMPBELL SCIENTIFIC, 미국)를 사용하여 실시간 관측이 가능하도록 하였다. 그리고 10m 높이의 위치에 일사센서인 CMP3(KIPP&ZONEN, 네덜란드)를 설치하여 일사량을 측정하였다.
데이터처리
10곳의 높이에서 측정된 1분 간격의 최대순간풍속을 사용하여 선형회귀분석을 실시하여 풍속고도분포지수를 구하였다. 또한 0.
이론/모형
그리고 축척 변수는 평균풍속을 결정한다(Capps와 Zender, 2008; Pryor와 Barthelmie, 2009). 풍속고도분포지수의 산정 및 풍속변화의 분석을 위해 EXCEL(Microsoft, 미국)과 Windographer3(AWS Truepower, 미국)를 이용하였다.
성능/효과
10m 이상의 높이에서의 풍속변화를 비교한 결과 미국의 NGMA 기준에서는 높이가 높아짐에 따라 상대적으로 풍속이 가장 느리게 증가한 반면, 우리나라의 RDC 기준과 일본의 JGHA 기준에서는 상대적으로 풍속이 가장 빠르게 증가하였다. 네덜란드의 NEN 기준은 RDC 및 JGHA기준 다음으로 풍속이 빠르게 증가하였다.
군위지역 상관식의 기울기가 부안지역보다 크게 완만하여 풍속고도분포 지수가 훨씬 낮게 나타났다. 결정계수는 두 지역 모두 대체적으로 높게 나타났으나 부안지역이 군위지역보다 더 큰 것으로 나타나 상관성이 더 우수한 것으로 판단된다.
10은 시간에 따른 지표면으로부터의 높이별 풍속의 변화를 나타낸 것이다. 두 지역 모두 시간에 따라 풍속이 변화하였지만, 자정부터 오전 8시경까지는 풍속이 거의 일정한 것으로 나타났다. 또한 부안과 군위에서 각각 오후 3~4시, 오후 2~3시에서 최대 풍속을 갖는 것으로 나타났다.
따라서 낮은 풍속에서의 측정결과를 사용하여 풍속고도분포지수를 결정하는 것은 바람직하지 않다고 판단되며 적어도 5m·s-1 이상의 높은 풍속에서의 측정결과를 사용하여 풍속고도분포지수를 제시하는 것이 타당하다고 판단된다.
5m 이하의 모든 높이에서 같은 풍속인 반면에 우리나라의 RDC 기준과 일본의 JGHA 기준에서는 높이가 증가함에 따라 지표면으로부터 풍속이 지수함수로 점차 증가한다. 따라서 부안지역의 고도에 따른 풍속분포를 고려할 때 높이가 증가함에 따라 지표면으로부터 풍속이 지수함수로 증가하는 우리나라의 RDC 기준과 일본의 JGHA 기준이 온실설계를 위한 풍속고도분포함수로 적절하다고 판단된다. 또한 농촌의 개활지에 대한 풍속고도분포지수가 미국의 NGMA 기준은 0.
26과 거의 동일한 값을 나타내었다. 따라서 우리나라 온실설계를 위해 적용할 풍속고도분포로는 우리나라의 RDC기준과 일본의 JGHA기준에서 제시한 풍속고도분포가 가장 타당한 것으로 사료된다.
따라서 부안지역의 고도에 따른 풍속분포를 고려할 때 높이가 증가함에 따라 지표면으로부터 풍속이 지수함수로 증가하는 우리나라의 RDC 기준과 일본의 JGHA 기준이 온실설계를 위한 풍속고도분포함수로 적절하다고 판단된다. 또한 농촌의 개활지에 대한 풍속고도분포지수가 미국의 NGMA 기준은 0.11이며 우리나라의 MAFRA기준과 일본의 AIJ 기준은 0.15인 반면 우리나라의 RDC기준과 일본의 JGHA기준에 따른 풍속고도분포지수 0.25는 본 연구에서 산정된 부안지역의 0.26과 거의 동일한 값을 나타내었다. 따라서 우리나라 온실설계를 위해 적용할 풍속고도분포로는 우리나라의 RDC기준과 일본의 JGHA기준에서 제시한 풍속고도분포가 가장 타당한 것으로 사료된다.
두 지역 모두 시간에 따라 풍속이 변화하였지만, 자정부터 오전 8시경까지는 풍속이 거의 일정한 것으로 나타났다. 또한 부안과 군위에서 각각 오후 3~4시, 오후 2~3시에서 최대 풍속을 갖는 것으로 나타났다. 부안에서는 측정 높이 간 어느 정도의 풍속 차이를 보였으나 군위의 경우 높이별 차이가 상대적으로 아주 작았고, 이러한 결과는 부안의 풍속고도분포 지수가 군위보다 큰 원인이 된다.
7 범위였고 축척변수는 7~9m·s-1의 범 위였다. 본 연구에서 부안은 형상변수가 1.51로 나타나 간척지인 부안지역의 풍속특성이 제주도 연안지역과 유사한 풍속특성을 가지고 있음을 확인할 수 있었다. 반면에 부안의 축척변수는 3.
온실이 설치되는 높이인 10m 이하 높이에서의 풍속변화를 비교한 결과 RDC 기준과 JGHA 기준에서는 높이가 증가함에 따라 지표면으로부터 풍속이 지수함수로 점차 증가하는 반면에 MAFRA 기준, AIJ 기준, NEN 기준 그리고 NGMA 기준에서는 각각 10m, 5m, 2m 그리고 4.5m 이하의 높이에 대해서는 동일한 풍속을 나타내었으며 그 이상의 높이에서는 지수함수로 증가하였다. 이와 같이 온실이 설치되는 10m 이하 높이에서의 높이에 따른 풍속변화가 각국의 기준마다 많은 차이를 보여주고 있기 때문에 자세한 풍속측정과 분석을 통해 국내 온실의 구조설계를 위한 적절한 풍속 산정기준이 제시될 필요가 있을 것으로 판단된다.
Kwon과 Kareem (2013)은 고도에 따른 풍속분포에 대한 8가지의 기준들을 비교하기 위하여 지표면조도에 따라 6가지(EC1~EC6)로 구분하여 비교하였다. 이 구분에 의하면 농촌의 개활지에 대한 지표면조도는 EC4에 해당되며 풍속고도분포지수가 미국의 NGMA 기준은 0.11로 제시되었고 일본의 AIJ 기준은 0.15로 제시되어 본 연구와 동일하게 조도를 구분하였음을 확인할 수 있었다. 또한 네덜란드의 NEN 기준에서는 조도길이가 0.
후속연구
이러한 경향은 오전에 해가 뜨기 시작해 지표면이 가열되고 대기의 안정도가 중립상태가 되면서 풍속이 증가하게 되고 풍속고도분포지수는 감소하게 되며 새벽시간에는 지면냉각으로 인해 공기층이 안정한 상태가 되어 풍속고도분포지수가 일정해지기 때문이다 (Gualtieri와 Secci, 2011; Kim, 2012; Lee 등, 2013; Farrugia, 2003; Smith 등, 2002; Hanafusa 등, 1986). 군위의 경우 시간에 따른 변화가 크지 않은 것으로 나타나 일반적인 변화양상과는 차이가 있었으며, 이에 대해선 추가적인 검토가 필요할 것으로 판단된다.
그러나 각 국가기준들을 적용하여 동일한 설계조건에서 적설 하중과 풍하중을 산정하였을 때 결과가 서로 많은 차이가 발생 하는 것으로 나타났다(Jung 등, 2014a, 2014b). 따라서 앞으로 우리나라에서 적용될 설계기준은 동일한 설계조건에서는 동일한 설계결과가 도출될 수 있는 설계기준이 확립될 필요가 있을 것으로 판단된다.
5m 이하의 높이에 대해서는 동일한 풍속을 나타내었으며 그 이상의 높이에서는 지수함수로 증가하였다. 이와 같이 온실이 설치되는 10m 이하 높이에서의 높이에 따른 풍속변화가 각국의 기준마다 많은 차이를 보여주고 있기 때문에 자세한 풍속측정과 분석을 통해 국내 온실의 구조설계를 위한 적절한 풍속 산정기준이 제시될 필요가 있을 것으로 판단된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
외국의 온실의 구조설계기준은 무엇이 있는가?
우리나라에서는 온실의 구조설계기준과 관련하여 원예 시설의 구조 안전기준(RDC, 1995), 온실구조 설계기준 및 해설(MAFRA, 1999), 원예·특작시설 내재해형 규격 설계도·시방서(MIFAFF & RDA, 2010), 건축구조 설계기준 및 해설(AIK, 2009) 등이 제정되어 현재까지 적용되고 있지만 설계결과들이 기준들 간에 많은 차이가 있는 실정이다(Choi 등, 2014; Kim 등, 2014). 외국의 경우 에도 온실의 구조설계와 관련하여 일본의 Standard for structural safety of greenhouse (JGHA, 1997), 일본의 Recommendations for loads on buildings (AIJ, 2004), 네덜란드의 Greenhouses-Design and Construction(NEN, 2004) 및 미국의 National Greenhouse Manufactures Association Structural Design Manual(NGMA, 2004)등이 각국에서 오래 전부터 설계기준으로 정립되어 일정기간을 두고 개정되면서 사용되어 오고 있는 실정이다. 그러나 각 국가기준들을 적용하여 동일한 설계조건에서 적설 하중과 풍하중을 산정하였을 때 결과가 서로 많은 차이가 발생 하는 것으로 나타났다(Jung 등, 2014a, 2014b).
우리나라의 온실의 구조설계기준은 무엇이 있는가?
우리나라에서는 온실의 구조설계기준과 관련하여 원예 시설의 구조 안전기준(RDC, 1995), 온실구조 설계기준 및 해설(MAFRA, 1999), 원예·특작시설 내재해형 규격 설계도·시방서(MIFAFF & RDA, 2010), 건축구조 설계기준 및 해설(AIK, 2009) 등이 제정되어 현재까지 적용되고 있지만 설계결과들이 기준들 간에 많은 차이가 있는 실정이다(Choi 등, 2014; Kim 등, 2014). 외국의 경우 에도 온실의 구조설계와 관련하여 일본의 Standard for structural safety of greenhouse (JGHA, 1997), 일본의 Recommendations for loads on buildings (AIJ, 2004), 네덜란드의 Greenhouses-Design and Construction(NEN, 2004) 및 미국의 National Greenhouse Manufactures Association Structural Design Manual(NGMA, 2004)등이 각국에서 오래 전부터 설계기준으로 정립되어 일정기간을 두고 개정되면서 사용되어 오고 있는 실정이다.
온실에 작용하는 풍하중 산정을 위해 어느정도의 높이에서의 풍속을 측정하였는가?
본 연구는 온실에 작용하는 풍하중 산정을 위한 설계 풍속을 결정하는데 필요한 자료를 제공하기 위하여 10m 이하 높이에서의 풍속을 측정하여 풍속고도분포지수를 산정하고 변화를 분석하였다. 고도에 따른 풍속분포함수를 결정하기 위한 풍속고도분포지수를 계산하기 위해서는 $5m{\cdot}s^{-1}$ 이상의 풍속을 사용하는 것이 타당하다고 판단된다.
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