[논문]부재 접합부가 아치형 연동온실의 구조 성능에 미치는 영향: 실대형 실험적 및 해석적 연구

최만권; 류희룡; 조명환; 유인호

doi:10.12791/ksbec.2017.26.4.402

부재 접합부가 아치형 연동온실의 구조 성능에 미치는 영향: 실대형 실험적 및 해석적 연구
Effect of the Member Joint on Structural Performance of an Arch-type Multi-span Greenhouse: A Full-scale Experimental and Numerical Study 원문보기

시설원예ㆍ식물공장 = Protected horticulture and plant factory, v.26 no.4, 2017년, pp.402 - 410

최만권 (농촌진흥청 국립원예특작과학원 시설원예연구소) , 류희룡 (농촌진흥청 국립원예특작과학원 시설원예연구소) , 조명환 (농촌진흥청 국립원예특작과학원 시설원예연구소) , 유인호 (농촌진흥청 국립원예특작과학원 시설원예연구소)

초록
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본 연구에서는 실대형 실험과 구조해석을 통하여 현장에서 사용되는 기둥-서까래-도리, 기둥-도리-방풍벽 접합부를 적용한 강관 골조 플라스틱 연동온실의 정적 구조성능을 분석하였다. 실대형 재하실험 결과는 접합부를 강접합으로 가정한 구조해석 결과와 비교하여 구조물의 횡방향 강성과 각 부재의 하중분담률에서 많은 차이를 보였다. 동고 높이에서 측정한 수평변위는 실험과 구조해석의 차이가 40%이었고 수직변위는 89%의 차이를 보였다. S3 부재의 발생응력을 기준으로 한 각 부재별 하중분담률을 비교한 결과 실험과 구조해석에서 두 배 이상의 차이를 보이는 부재가 있었으며, 하부측벽이음(S2), 기둥 상부(S7) 등 주요 부재의 실험결과가 구조해석의 하중분담률을 재현하지 않았다. 현장에서 사용하는 접합부가 충분한 강성을 확보하지 않음으로써 구조물에 작용하는 외력을 각 부재에 적절하게 전달하지 못했으며 이로 인해 구조물의 강성이 저하되는 현상이 나타났다. 설계 단계에서 일반적으로 구조해석에 의해 결정되는 구조성능의 신뢰도는 접합부의 특성을 보다 면밀하게 고려했는지 여부에 따라 좌우 될 수 있다. 따라서 온실 구조 성능에 대한 신뢰성을 높이기 위해서는 온실에 사용되는 다양한 접합부를 고려할 수 있는 구조해석 기술의 개발이 필요하며 설계 기준에서 상세 설계 방법을 보다 명확히 규정해야 할 것으로 판단된다.

Abstract ▼ AI-Helper

The effect of the steel pipe member joint on the design performance of a plastic multi-span greenhouse was analysed through the comparing full-scale experiment and numerical analysis. The design performance of the greenhouse is generally evaluated through numerical analysis, but it is rare to consider the characteristics of the connections or joints of the members. In this study, the effect of the column-gutter beam-rafter-wind break wall joint on the design performance of the whole structure of a plastic multi-span greenhouse was analysed. The numerical results with assuming that the member joint are rigid condition were compared with the full-scale load test results using member joints used in the field. The stiffness of the entire structure was compared using the load-displacement relationship and the change of the load sharing ratio that the main members such as column, rafters, and wind break wall was analysed. The results of the load test were about 40% larger than the numerical result and the member stress was more than twice as large as those of the loaded columns. In order to increase the reliability of the design performance of the greenhouse, it is necessary to develop a numerical analysis model which can consider the characteristics of various joints.

주제어

AI 본문요약
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제안 방법

U-클램프는 U자형 홈에 서까래를 끼우고 U볼트로 도리를 감싸 너트로 고정하여 도리가 길이방향으로 빠지는 것과 아래로 떨어지는 것을 방지한다. 기둥-서까래-방풍벽 접합부는 3mm 철판을 도리가 들어갈 수 있도록 절곡한 후 양쪽면에 서까래 직경보다 작게 인발한 파이프를 용접하는 형식으로 제작 하였다. 서까래와 방풍 벽은 인발한 파이프에 끼운 후 직결나사 1개로 고정하고, 도리와 기둥 고정은 볼트 2개와 직결나사 6개로 고정하였다.
본 연구에서는 실대형 실험과 구조해석을 통하여 현장에서 사용되는 기둥-서까래-도리, 기둥-도리-방풍벽 접합부를 적용한 강관 골조 플라스틱 연동온실의 정적 구조성능을 분석하였다.
본 연구에서는 플라스틱 연동온실의 서까래-도리를 U클램프로 접합하고, 기둥-서까래-도리를 삽입형 연결구로 접합한 온실의 구조성능을 실험과 수치해석을 이용하여 분석하였다. 실험체에서 이 두 접합은 반강접합(U-클램프, 연결구)으로 설치되었고 이외 나머지 접합부는 강접합(용접)으로 설치되었다.
기둥 상부 6개(S4, S5, S7, S11 S13, S15), 기둥 하부 9개(S1, S6, S10, S12, S14, S16, S17, S17, S19), 방풍벽 2개(S3, S8), 하부측벽이음에 2개(S2, S9)를 부재 단면 중앙에 부착하였다. 수직과 수평 변위를 측정하기 위해 18개의 변위계(DP-500E, DP-1000E, DP-2000E, TML))를 설치하였다. 수평변위는 동고 높이 6개(D3, D6, D10, D11, D14, D15), 기둥 상부 7개(D2, D5, D8, D9, D12, D13, D16), 기둥 하부 1개(D1), 방풍벽에 2개(D9, D10)를 설치하였고, 수직변위는 동고 높이에 2개(D4, D7)를 부착하였다(Fig.
(2007)은 포도 비가림 하우스를 설계하기 위해 수치해석을 실시하였다. 수치해석은 탄성 범위내의 선형거동만 분석하였고, 허용응력 설계법으로 하우스에 적용 가능한 최적의 강관 규격을 제시하였다. Castellano et al.
3은 센서 위치를 나타내고 있다. 실험에서 응력과 변위는 구조물에 지정된 위치에서 스트레인 게이지와 변위계로 계측되었다. 부재의 응력 측정을 위해 19개의 스트레인 게이지(FLA-5-11-1L, TML)를 설치하였다.
정적 가력 방식으로 최대변위 200mm까지 횡하중을 입력하였다. 횡하중은 반력벽(L 10m, W 7m, T 0.
첫 번째 파열음 이후 하중이 다소 감소하는 경향을 보인 후 다시 하중이 증가되어 온실의 기둥과 트러스 상현재를 용접한 부위에서 국부 좌굴이 발생하였고 용접부위에 균열이 발생했다. 하중이 30,740N에 도달 했을 때, 두 번째 파열음이 들리면서 접합부에 연결되어 있는 방풍벽 부재가 파괴되었으며 이 후 150mm 변위 발생시점에서 실험을 종료하였다. Fig.
횡하중은 반력벽(L 10m, W 7m, T 0.7m)에 설치되어 있는 용량 100kN의 동적가력기(stroke 1,000mm,±20mm at 5Hz/100kN)를 사용하여 5.1m 높이에서 2mm·min-1 변위제어 방식으로 가력 하였다.

대상 데이터

실험에서 응력과 변위는 구조물에 지정된 위치에서 스트레인 게이지와 변위계로 계측되었다. 부재의 응력 측정을 위해 19개의 스트레인 게이지(FLA-5-11-1L, TML)를 설치하였다. 기둥 상부 6개(S4, S5, S7, S11 S13, S15), 기둥 하부 9개(S1, S6, S10, S12, S14, S16, S17, S17, S19), 방풍벽 2개(S3, S8), 하부측벽이음에 2개(S2, S9)를 부재 단면 중앙에 부착하였다.

데이터처리

실험체에서 이 두 접합은 반강접합(U-클램프, 연결구)으로 설치되었고 이외 나머지 접합부는 강접합(용접)으로 설치되었다. 실험체는 파괴될 때까지 곡부도리와 직교하는 횡방향으로 하중을 가하였으며 수치해석을 위하여 범용 유한요소해석 프로그램인 VisualFEA(Lee, 2001)를 사용하였다.

이론/모형

본 연구에서 분석한 온실 모형(Fig. 1)은 국내 온실 기준인 원예특작시설 내재해형 규격 설계도 및 시방서(Ministry of Agriculture Food and Rural Affairs(MAFRA) and Rural Development Administration(RDA),2014)에 수록된 파프리카 재배용 온실(10-연동-1형)이다 (You et al. , 2007). 이 온실은 길이 6.

성능/효과

동고 높이에서 측정한 수평변위는 실험과 구조해석의 차이가 40%이었고 수직변위는 89%의 차이를 보였다. S3 부재의 발생응력을 기준으로 한 각 부재별 하중분담률을 비교한 결과 실험과 구조해석에서 두 배 이상의 차이를 보이는 부재가 있었으며, 하부측벽이음(S2), 기둥 상부(S7) 등 주요 부재의 실험결과가 구조해석의 하중분담률을 재현하지 않았다.
실대형 재하실험 결과는 접합부를 강접합으로 가정한 구조해석 결과와 비교하여 구조물의 횡방향 강성과 각 부재의 하중분담률에서 많은 차이를 보였다. 동고 높이에서 측정한 수평변위는 실험과 구조해석의 차이가 40%이었고 수직변위는 89%의 차이를 보였다.

후속연구

설계 단계에서 일반적으로 구조해석에 의해 결정되는 구조성능의 신뢰도는 접합부의 특성을 보다 면밀하게 고려했는지 여부에 따라 좌우 될 수 있다. 따라서 온실 구조 성능에 대한 신뢰성을 높이기 위해서는 온실에 사용되는 다양한 접합부를 고려할 수 있는 구조해석 기술의 개발이 필요하며 설계 기준에서 상세 설계 방법을 보다 명확히 규정해야 할 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	본 연구에서 실대형 재하실험 결과 어떤 현상이 나타났는가 ?	실대형 재하실험 결과는 접합부를 강접합으로 가정한 구조해석 결과와 비교하여 구조물의 횡방향 강성과 각 부재의 하중분담률에서 많은 차이를 보였다. 동고 높이에서 측정한 수평변위는 실험과 구조해석의 차이가 40%이었고 수직변위는 89%의 차이를 보였다. S3 부재의 발생응력을 기준으로 한 각 부재별 하중분담률을 비교한 결과 실험과 구조해석에서 두 배 이상의 차이를 보이는 부재가 있었으며, 하부측벽이음(S2), 기둥 상부(S7) 등 주요 부재의 실험결과가 구조해석의 하중분담률을 재현하지 않았다. 현장에서 사용하는 접합부가 충분한 강성을 확보하지 않음으로써 구조물에 작용하는 외력을 각 부재에 적절하게 전달하지 못했으며 이로 인해 구조물의 강성이 저하되는 현상이 나타났다.
	플라스틱 온실에서 구조물의 성능에 영향을 끼치는 요인은 ?	플라스틱 온실(비닐하우스)에서 구조 부재의 각종 접합 방법, 기초의 형태와 조건 등은 구조물의 성능에 많은 영향을 끼치는 요인들이다. 한편 현장에서는 시공의 편의성과 구조물의 경제성을 보다 중요한 요소로서 인식하고 있으며 이러한 의견들이 설계 시 안전율 결정에 많은 영향을 미친다.
	유럽온실기준에서는 무엇을 규정하고 있는가 ?	그러나 외력과 각종 하중에 의한 구조의 국부적인 파괴 또는 구조물의 붕괴 방지를 위해서는 설계 시 각종 현장 조건을 고려한 체계적인 안전율 적용이 필요하며 이를 위하여 그 구조적 특성에 대한 신뢰성 높은 수치 정식화가 필요하다. 유럽온실기준(European Standard [EN], 2001)에서는 상업용 온실을 설계할 때 한계상태 설계법을 준수하도록 규정하고 있다. 즉, 모든 구조물은 온실 등급에 따라 사용한계상태 또는 극한한계상태로 불확실성의 정도를 정량적으로 평가하여 자중, 풍하중, 설하중, 작물하중 및 지진하중에 안전하도록 설계를 해야 한다.

참고문헌 (12)

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European Standard [EN]. Nen-en 13031-1 greenhouse: Design and construction - part 1 : Commercial production greenhouse. European Committee for Standardization CEN. Brussels, Belgium. 2001.
Ha, T.H., J.W. Kim, B.H. Cho, D.J. Kim, J.E. Jung, S.H. Shin and H.J. Kim. 2017. Finite element model updating of multi-span greenhouses based on ambient vibration measurements. Biosyst Eng. 161:145-156.

상세보기
Japan Greenhouse Horticulture Association. Standard for structures of greenhouse. Greenhouse Horticulture Association. Japan 1999.
Lee, J.Y. 2001. Visualfea user's manual. Intuition Software, Jeonbuk, Korea.
Ministry of Agriculture Food and Rural Affairs (MAFRA) and Rural Development Administration (RDA). 2014. Design and construction code on horticultural and herbal facilities for disaster resistance. MAFRA & RAD, Gwacheon and Jeonju, Korea.
Ryu, H.R., M.K. Choi, M.W. Cho, I.H. Yu and Y.A. Shin. 2017. Dynamic analysis of single-span film plastic greenhouse with joint in rafter. International Symposium on New Technologies for Environment Control, Energy-Saving and Crop Production in Greenhouse and Plant Factory (Greensys 2017). International Society for Horticultural Science (ISHS).
Ryu, H.R., E.H. Lee, M.W. Cho and I.H. Yu. 2012. Vibration characteristics change of steel-pipe greenhouse with different damage levels. Joint Conference on Environmental Engineering on Agriculture 2012. SASJ.p. 62.
Ryu, H.R., E.H. Lee, M.W. Cho, I.H. Yu and Y.C. Kim. 2012. Evaluation on the behavioral characteristics of plastic greenhouse by full-scale testing and finite element analysis. Journal of Bio-Environment Control. 21(4):459-465.

원문보기 상세보기
You, H.Y., Y. Paek, H.J. Kim, H. Chun and I.H. Yu. 2007. A study on structural behaviour characteristics of high-rise improved 1-2w vinyl-house for paprika cultivation. Proceedings of the Korean Society for Bio-Environment Control Conference. Journal of Bio-Environment Control.p. 42.
Yum, S.H., Y. N.G, H.S. Lee, G.W. Kim, Y.H. Cho, S.J. Park and M.K. Park. 2007. The optimum specification of pipes in rain-sheltering greenhouse with roof vents for large-grain grapevine cultivation. Journal of Bio-Environment Control 16(4):275-283.

저자의 다른 논문 :

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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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