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문제 정의
- 게다가 한 번 설치한 비닐하우스 프레임은 매립부위의 부식과 프레임의 변형 등으로 주재료인 강관파이프의 재활용이 거의 불가능한 형편이라 경제적인 측면에서도 비효율적이라 할 수 있다. 본 연구에서는 이러한 국내의 강관파이프 비닐하우스 시설에 대한 구조적인 문제점을 해결하기 위하여 강풍이나 폭설 등 재해 시에도 안전하며, 시설농가에서 강관파이프 단위 부재를 손쉽게 운반하여 직접 조립 및 설치가 가능할 뿐 아니라 단위 부재의 재활용까지를 고려한 조립형 비닐하우스 골조시스템의 개발을 연구목적으로 한다.
가설 설정
- [Figure 1], [Table 4]와 같이, 구조해석 대상 비닐하우스의 규격은 길이 20,000mm, 폭 6,000mm 및 높이 3,000mm로 가정하였으며, 측기둥-지붕아치형인 경우는 측고를 1,570mm로 하였다. 구조해석 시, 모든 프레임(서까래)의 지점은 지중 고정으로, 프레임과 띠장, 조립 부재간의 접합은 강접합으로 가정하였다.
제안 방법
- 5로 통일하였다. 비닐하우스의 양측면에는 수평 타이와 지붕 동바리 및 수직 지지부재를 설치하였고, 기존 타입에는 띠장을 3개씩 설치하였다.
- 본 연구의 방법은 크게 비닐하우스 골조시스템 개발 모델에 대하여 골조모형을 제작하여 흙포대를 이용한 수직재하실험과 Midas Gen 구조해석프로그램을 활용, 하중재하를 위한 모델링 및 3차원 변위해석을 진행하였다. 수직재하실험용 골조모형은 [Figure 2]와 같이 반원아치형구조만 제작하여 부토가 채워진 일정두께의 흙포대를 수직으로 적재하는 방법으로 비닐하우스 골조모형이 붕괴될 때까지 실험을 진행하였다.
- 본 연구의 방법은 크게 비닐하우스 골조시스템 개발 모델에 대하여 골조모형을 제작하여 흙포대를 이용한 수직재하실험과 Midas Gen 구조해석프로그램을 활용, 하중재하를 위한 모델링 및 3차원 변위해석을 진행하였다. 수직재하실험용 골조모형은 [Figure 2]와 같이 반원아치형구조만 제작하여 부토가 채워진 일정두께의 흙포대를 수직으로 적재하는 방법으로 비닐하우스 골조모형이 붕괴될 때까지 실험을 진행하였다.
- 아치형 구조를 대상으로 기존형태와 경사부재 각이 60°, 75°인 허니컴 형태로 철사를 이용하여 1/20 모형으로 [Figure 3]과 같이 제작하였다.
- 실험체의 치수는 가로×세로×높이 330mm× 300mm×150mm로 하였고, 기존형태는 지붕 상단에 수평 띠장을 설치하였으며, 허니컴 형태는 띠장을 설치하지 않았다.
- 아치형 구조를 대상으로 기존형태와 경사부재 각이 60°, 75°인 허니컴 형태로 철사를 이용하여 1/20 모형으로 [Figure 3]과 같이 제작하였다. 부재간의 접합부는 글루건으로 접합하였으며, 바닥은 폼보드에 삽입하여 글루건으로 고정하는 방법을 사용하였다. 수직재하 시 일정한 수직방향 변위를 측정하기 위하여 비닐하우스 측면은 지지부재를 설치하지 않았다.
- 실험체의 치수는 가로×세로×높이 330mm× 300mm×150mm로 하였고, 기존형태는 지붕 상단에 수평 띠장을 설치하였으며, 허니컴 형태는 띠장을 설치하지 않았다. 실험방법은 30N, 35N 단위의 모래주머니를 비닐하우스 모형 위에 차례로 수직재하 하는 방법을 택하였으며, 모래주머니 적재 회수에 따라 수직 처짐(변위)량을 측정하면서 비닐하우스 모형이 붕괴 시까지 재하실험을 하였다. 재하실험 진행 상황 및 파괴 형상은 [Figure 4, 5]와 같이 나타낸다.
- 5kN/m2를 적용하였고, 풍하중 산정 시 설계기본풍속은 35m/sec를 적용하였다. 설하중은 분담 폭을 고려하여 선하중(line load)으로 해석모델에 반영하였고, 용마루 직각방향의 풍하중은 산정된 풍압에 분담폭을 고려하여 선하중(line load)으로, 용마루 방향의 풍하중은 풍압에 수압면적을 고려하여 풍상면과 풍하면의 각 절점에 집중하중으로 해석모델에 반영하였다. 본 연구에서 설하중은 자중을 포함하여 적용하였고, 설계하중은 아래와 같이 구하였다.
- 본 연구에서는, 비닐하우스 경사면에 대해 단위 경사부재를 허니컴 형태로 조립 설치하여 골조를 형성하는 허니컴 타입 모델과 기존 모델을 대상으로 반원아치 타입과 측기둥을 둔 표준형 타입 모형으로 구분하여 수직재하실험과 고안된 비닐하우스 골조 모형에 대한 3차원 구조해석을 수행하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
- 비닐하우스 골조 모형을 제작하여 수직재하실험을 실시한다. 아치형 구조를 대상으로 기존형태와 경사부재 각이 60°, 75°인 허니컴 형태로 철사를 이용하여 1/20 모형으로 [Figure 3]과 같이 제작하였다.
대상 데이터
- [Figure 1], [Table 4]와 같이, 구조해석 대상 비닐하우스의 규격은 길이 20,000mm, 폭 6,000mm 및 높이 3,000mm로 가정하였으며, 측기둥-지붕아치형인 경우는 측고를 1,570mm로 하였다. 구조해석 시, 모든 프레임(서까래)의 지점은 지중 고정으로, 프레임과 띠장, 조립 부재간의 접합은 강접합으로 가정하였다.
데이터처리
- 본 연구에서 설하중은 자중을 포함하여 적용하였고, 설계하중은 아래와 같이 구하였다. 골조의 구조해석은 MIDAS Gen 프로그램을 사용하여 해석하였다. 설하중 및 풍하중 산정식은 식 (1),(2),(3)과 같고, 설계용 풍하중 산정값은 [Table 3]과 같다.
성능/효과
- 재하 시 기존 타입과 경사각 75° 허니컴 타입은 골조의 붕괴형상이 횡변형 지지능력이 부족하여 횡방향 파괴형태로 나타났으나, 경사각 60° 허니컴 타입은 곡률반경이 작은 측면 접합부위에서의 국부좌굴 증가로 골조의 파괴가 진행되었다.
- 경사각 60° 허니컴 타입은 기존 타입에 비해서도 83% 정도 하중지지능력이 큰 것으로 나타났다.
- 해석결과, 아치형, 표준형 모델에서 풍하중에 의한 폭방향, 길이방향 최대변위량은 허니컴형이 기존형에 비해 작은 것으로 나타났으나, 자중 및 설하중에 의한 수직변위량은 경사각 75°인 허니컴형(AH-1, SH-1)을 제외하고는 유사한 값을 나타내었다.
- 허니컴 타입 모델에서, 자중에 의한 수직최대처짐량은 경사각 60° 모델인 경우, 표준형이 아치형보다 3.3배 크게 나타났으며, 경사각 67.5°, 75° 모델은 각각 3.2배, 3.6배 크게 나타났다.
- 또한, 표준형 모델의 경우, 허니컴 타입 중에서 경사각 75° 모델(SH-3)에서는 기존 타입에 비해 13.1% 감소하는 것으로 나타나지만, 경사각 67.5° 모델(SH-2)에서는 기존 타입보다 19.7% 증가하고, 경사각 60° 모델(SH-1)에서는 기존 타입보다 139.4% 증가하여 설하중에 의한 수직최대처짐량이 2배 이상 늘어나는 것으로 나타났다.
- 설하중에 의한 수직최대처짐량은 아치형 모델의 경우, 허니컴 타입 중에서 경사각 75° 모델(AH-3)에서는 기존 타입에 비해 20.5% 감소하는 것으로 나타나지만, 경사각 60°, 67.5° 모델(AH-1, AH-2)에서는 기존 타입보다 각각 56.2%, 10.5% 증가하는 것으로 나타났다.
- 폭 방향 풍하중에 의한 수평최대변위량도 아치형 모델의 경우 허니컴 타입이 기존 타입보다 16.8∼35.2% 감소한 값으로 나타났으며, 표준형 모델의 경우는 허니컴 타입이 기존 타입보다 20.1∼55.4% 감소한 값으로 나타났다.
- 해석결과, 아치형, 표준형 모델에서 풍하중에 의한 폭방향, 길이방향 최대변위량은 허니컴형이 기존형에 비해 작은 것으로 나타났으나, 자중 및 설하중에 의한 수직변위량은 경사각 75°인 허니컴형(AH-1, SH-1)을 제외하고는 유사한 값을 나타내었다. 특히 풍하중에 위한 길이 방향 수평최대변위량은 기존 타입이 허니컴 타입에 비해 아치형은 27배 이상, 표준형은 14배 이상 크게 나타나므로, 허니컴 타입이 기존 타입에 비해 길이 방향 풍하중에 대한 저항능력이 매우 큰 것을 알 수 있다.
- 풍하중에 의한 폭 방향 수평최대변위량은, [Figure 9] 에서와 같이 아치형 모델은 허니컴 타입이 기존형 타입보다 16.9∼35.2% 작게 나타났으며, 표준형 모델에서도 허니컴 타입이 기존형 타입보다 20.1∼55.4% 작은 것으로 나타났다.
- 경사각 75° 허니컴 타입 모델의 경우, 표준형이 아치형보다 풍하중에 의한 폭 방향 수평최대변위량이 13.1% 낮게 나타났으나, 경사각 60° 허니컴 타입 모델의 경우에는 반대로 아치형이 표준형보다 17.6% 낮은 것으로 나타났다.
- [Figure 7]에서와 같이 허니컴 타입 모델의 경우, 아치형, 표준형 모두 부재 경사각 변화에 따른 처짐량의 변화 폭은 거의 일정한 것으로 나타난다. 또한, 자중에 의한 수직최대처짐량은 기존 타입 모델에서 표준형이 아치형보다 2.9배 증가하였고, 허니컴 타입에서는 표준형이 아치형보다 평균 3.4배 증가하였으므로, 기존 타입, 허니컴 타입 모두 아치형 골조 형상이 표준형보다 처짐에 대한 변형능력이 월등하게 큰 것으로 평가된다.
- 따라서, 허니컴 타입의 아치형 모델이 비닐하우스 폭방향의 풍하중에 대한 저항능력이 같은 타입의 표준형 모델보다 상대적으로 큰 것을 알 수 있으며, 허니컴 타입에서도 부재 경사각이 클수록 표준형이 폭방향의 풍하중에 대해 유리하고, 부재 경사각이 작을수록 아치형이 유리한 것으로 나타났다. 60° 경사각 허니컴 타입의 표준형 모델에서 풍하중에 의한 폭 방향 수평최대변위량이 가장 크게 나타난 것은 접합부 경사각이 낮아지면서 부재의 수직방향 하중에 대한 골조의 휨저항 성능이 저하하여 나타나는 것으로 평가된다.
- 그 중, 경사각 60° 허니컴 타입의 표준형 모델이 아치형보다 4.7배로 가장 증가 폭이 컸으며, 그 밖의 경사각 67.5, 75°허니컴 타입은 3.3배, 기존 타입은 3.0 배로 표준형 모델이 아치형보다 큰 것으로 확인되었다.
- [Figure 11]에서와 같이, 아치형 모델에서 허니컴 타입은 부재 경사각의 증가에 따라 설하중에 대한 휨강성과 풍하중에 대한 폭 방향 수평강성이 일정한 비율로 증대되는 것으로 확인되었으며, 특히 풍하중에 대한 길이 방향 수평강성을 기존 타입보다 크게 증대시킬 수 있는 것으로 나타났다. 경사각 60° 허니컴 타입의 표준형 모델(SH-1)을 제외한 모든 해석모델에서는 설하중에 대한 휨강성이 유사한 것으로 나타났다.
- 설하중에 의한 수직최대처짐량은 허니컴 타입, 기존 타입 모두 표준형 모델이 아치형 모델보다 평균 3.9배 큰 것으로 나타났다. 그 중, 경사각 60° 허니컴 타입의 표준형 모델이 아치형보다 4.
- 0 배로 표준형 모델이 아치형보다 큰 것으로 확인되었다. 허니컴 타입 모델에서, 풍하중에 의한 폭 방향 수평최대변위량은 표준형이 아치형보다 6% 증가하였고, 풍하중에 의한 길이 방향 수평최대변위량은 표준형이 아치형보다 35% 증가하였음을 알 수 있다.
- 이와 같이 설하중에 의한 수직최대처짐량만이 아치형 모델보다 표준형 모델에서 3배 이상 크게 나타난 것은 표준형 모델의 지붕곡률이 아치형에 비해 상대적으로 작게 가정하여 설하중에 대한 수직처짐량이 크게 증가하였기 때문이라 평가된다. 비닐하우스 골조 모형 실험 및 모델 해석 결과, 허니컴 타입 표준형 골조의 경우, 용마루 높이 3m인 경우는 측기둥 높이를 1.2m 이하로 제한하여 상부 지붕골조의 곡률을 일정하게 유지하면 설하중에 의한 수직처짐량을 크게 줄일 수 있을 것으로 예상된다. 설하중, 풍하중에 의한 해석결과 아치형, 표준형 모델의 변형형태를 [Figure 13]에 나타내었다.
- 설하중, 풍하중에 의한 해석결과 아치형, 표준형 모델의 변형형태를 [Figure 13]에 나타내었다. 수직최대처짐량과 수평최대변위량 모두 수평, 수직연결재에 의해 보강된 양단부보다 중앙부에서 크게 나타났다. [Figure 13(c)]에서와 같이 풍하중에 의한 휨응력은 변형량 분포와 일치하였으며, 양단부에서 휨저항 능력이 크게 나타남을 알 수 있다.
- 1. 허니컴 타입 모델이 기존 타입 모델에 비해 아치형, 표준형 골조 모두에서 풍하중에 대한 저항능력이 크게 증대되었으며, 특히 풍하중에 대한 길이방향 저항능력은 현저하게 증대되어, 적설과 강풍이 동반될 시 2차 응력발생으로 인한 비닐하우스 골조의 붕괴를 원천 차단할 수 있을 것으로 판단된다.
- 2. 수직재하실험 결과, 허니컴 타입이 기존 타입에 비해 수직처짐량은 큰 차이가 없으나 상대적으로 높은 재하하중에서 붕괴되므로, 설하중을 포함한 수직하중에 대한 응력과 소성변형능력이 큰 것으로 평가된다.
- 3 비닐하우스 모델 해석결과, 허니컴 타입 조립 골조의 부재 경사각을 측기둥부와 지붕부로 구분하여 지붕부의 부재 경사각은 크고, 측기둥부의 경사각은 작게 설계하는 골조형식을 취하면 설하중과 풍하중에 의한 변형을 크게 감소시킬 수 있을 것으로 판단된다.
후속연구
- 4. 향후 연구과제로 조립식 허니컴형 타입을 중심으로 측기둥의 높이와 지붕경사각, 아치 형상과 지붕 곡률과의 관계를 합리적으로 조합, 추가 해석을 행하여 반원아치형 구조와 비교 검토함으로서 미래 농가의 내재형 비닐하우스 시설 표준모델을 제시할 수 있을 것으로 본다.
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